Dimensionamento e projeto de banco de baterias para um

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ

DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETRÔNICA

BACHARELADO EM ENGENHARIA ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA

GUSTAVO PEREIRA TRUDES

PAULO EDUARDO SAMPAIO MONTEIRO

DIMENSIONAMENTO E PROJETO DE BANCO DE BATERIAS PARAUM PROTÓTIPO FÓRMULA SAE ELÉTRICO

TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO

PONTA GROSSA

2019

GUSTAVO PEREIRA TRUDES


DIMENSIONAMENTO E PROJETO DE BANCO DE BATERIAS PARAUM PROTÓTIPO FÓRMULA SAE ELÉTRICO

Trabalho de Conclusão de Curso apresen-tado(a) como requisito parcial à obtençãodo título de Bacharel em EngenhariaEletrônica e Engenharia Elétrica, do De-partamento Acadêmico de Eletrônica,da Universidade Tecnológica Federal doParaná.

Orientador: Prof. Dr. Felipe Mezzadri

PONTA GROSSA

2019

Ministério da EducaçãoUniversidade Tecnológica Federal do Paraná

Câmpus Ponta GrossaDiretoria de Graduação e Educação Profissional

Departamento Acadêmico de EletrônicaBacharelado em Engenharia Eletrônica e Engenharia

Elétrica

TERMO DE APROVAÇÃO

DIMENSIONAMENTO E PROJETO DE BANCO DE BATERIAS PARA UMPROTÓTIPO FÓRMULA SAE ELÉTRICO

por

GUSTAVO PEREIRA TRUDESe


Este Trabalho de Conclusão de Curso foi apresentado em 13 de Dezembro de 2019como requisito parcial para a obtenção do título de Bacharel em Engenharia Eletrônicae Engenharia Elétrica. O(A) candidato(a) foi arguido(a) pela Banca Examinadora com-posta pelos professores abaixo assinados. Após deliberação, a Banca Examinadoraconsiderou o trabalho aprovado.

Prof. Dr. Felipe MezzadriOrientador

Prof(a). Dr(a). Frederic Conrad Janzen Prof(a). Dr(a). Josmar IvanquiMembro Titular Membro Titular

Prof. Dr. Josmar Ivanqui Prof(a). Dr(a). Sérgio OkidaResponsável pelos TCC Coordenador(a) do Curso

- O Termo de Aprovação assinado encontra-se na Coordenação do Curso -

Dedicamos este trabalho a todos amigos

que estiveram presentes desde o início da

UTForce e-Racing.

AGRADECIMENTOS

Gostaríamos de agradecer primeiramente à nossas famílias que nos permiti-

ram desenvolver este trabalho, a UTForce e-Racing por toda a base que tem nos dado

desde o início da equipe em 2015.

Chegar nestes resultados foi fruto de um trabalho em equipe gigantesco que

envolveu diversas pessoas em quatro anos e este é só um pedaço de tudo que foi

construído pela equipe.

Um agradecimento especial ao nosso orientador Profº Drº Felipe Mezzadri que

nos acolheu e aceitou realizar este projeto.

A todos os amigos, sem exceção, que nos ajudaram, motivaram e estiveram

presentes durante toda a graduação, tornando-a uma experiência única em nossas

vidas e proporcionando momentos ímpares que ficarão marcados.

O que sabemos é uma gota; o que

ignoramos é um oceano.

(NEWTON, Isaac).

RESUMO

TRUDES, Gustavo Pereira; MONTEIRO, Paulo Eduardo Sampaio.Dimensionamento e projeto de banco de baterias para um protótipo FórmulaSAE elétrico. 2019. 69 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharelado emEngenharia Eletrônica e Engenharia Elétrica) – Universidade Tecnológica Federal doParaná. Ponta Grossa, 2019.

Projetar e construir um veículo elétrico de competição é um grande desafio para es-tudantes ao redor do mundo que participam da competição Fórmula SAE. Devido aocrescimento recente da mobilidade elétrica e das perspectivas para um futuro próximo,desenvolver tecnologias voltadas a este segmento de mercado é de extrema impor-tância. É um meio de fomentar a formação de novos profissionais e, para isso, tal com-petição pode ser uma grande oportunidade de desenvolver e testar novos projetos etecnologias. O objetivo desse trabalho é realizar o dimensionamento de um banco debaterias para um protótipo Fórmula SAE Elétrico da equipe UTForce e-Racing, apre-sentando uma visão geral do sistema, modelagem da dinâmica veicular e simulaçãode tempo de volta utilizando o software Optimum Lap. Assim como, uma análise doconsumo do banco de baterias, através do software Simulink e enclausuramento doconjunto de maneira robusta e segura. O sistema foi projetado atendendo todos requi-sitos e normas da SAE Internacional, tendo como maior desafio, fornecer autonomianecessária para completar a prova de Endurance.

Palavras-chave: Veículo Elétrico. Banco de Baterias. Fórmula SAE. Simulink . Opti-mum Lap.

ABSTRACT

TRUDES, Gustavo Pereira; MONTEIRO, Paulo Eduardo Sampaio. Battery packsizing and design for a Formula SAE Electric prototype. 2019. 69 p. FinalCoursework (Bachelor’s Degree in Electronic Engineering and Electric Engineering) –Federal University of Technology – Paraná. Ponta Grossa, 2019.

Designing and building an electric vehicle is a big challenge for students around theworld which participates in the Formula SAE competition.Due to the recent growth ofelectric mobility and the prospects for the near future, developing technologies targe-ting at this market segment is of utmost importance.It is a way of promote the trainingof new professionals and, for that, such competition could be a great opportunity todevelop and test new designs and technologies.The purpose of this work is to designa battery pack for a Formula SAE Electric team, UTForce e-Racing, presenting a sys-tem overview, vehicle dynamics modeling and lap time simulation using Optimum Lapsoftware. As well as the analysis of battery pack usage, through Simulink software andthe system enclosure, in a robust and safe manner. The system has been designedto meet all SAE international requirements and standards, with the greatest challenge,being able to provide the necessary autonomy to complete the Endurance test.

Keywords: Electric vehicle. Battery Pack. Formula SAE. Simulink. Optimum Lap.

LISTA DE ILUSTRAÇÕES

Figura 1 – Prova Skid Pad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23Figura 2 – Organograma equipe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25Figura 3 – Componentes Corrente de Rolos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30Figura 4 – Comportamento do Diferencial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31Figura 5 – Sistemas de Coordenadas para um Veículo . . . . . . . . . . . . . . 32Figura 6 – Sistemas de Coordenadas, forças, momentos e ângulos atuantes na

roda. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33Figura 7 – Deformação Lateral do Pneu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34Figura 8 – Modelo de descarga da bateria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39Figura 9 – Procedimento de Projeto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47Figura 10 – Tempo de Volta Para Relação de Transmissão. . . . . . . . . . . . . 50Figura 11 – Velocidade Durante Volta Rápida. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51Figura 12 – Suporte de fixação das células. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57Figura 13 – Vista superior. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57Figura 14 – Vista inferior. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57Figura 15 – Vista interior do container. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58Fotografia 1 – Protótipo Universidade de Houston . . . . . . . . . . . . . . . . . 18Fotografia 2 – Protótipo USP 2011 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19Fotografia 3 – Protótipo elétrico FEI 2011. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20Fotografia 4 – Protótipo UTForce 2017 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25Fotografia 5 – Protótipo UTF117. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48Gráfico 1 – Alocação de pontos na competição. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14Gráfico 2 – Impacto Orçamentário das Baterias . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17Gráfico 3 – Coeficiente de atrito longitudinal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35Gráfico 4 – Acionamento de VE e MCI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36Gráfico 5 – Curva de Torque ME. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37Gráfico 6 – Corrente de Potência ME. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37Gráfico 7 – Comparação entre densidade de potência e densidade de energia

de diversas tecnologias de baterias. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41Gráfico 8 – Estimativa de Peso do Protótipo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48Gráfico 9 – Curvas características do motor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49Gráfico 10 – Potência Durante Volta Rápida. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52Gráfico 11 – Estado de Carga Durante Endurance. . . . . . . . . . . . . . . . . . 54Gráfico 12 – Tensão Durante Endurance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55Gráfico 13 – Corrente Durante Endurance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55Gráfico 14 – Potência requerida da bateria na prova de Enduro. . . . . . . . . . 56Gráfico 15 – Potência no eixo requerida na prova de Enduro. . . . . . . . . . . . 56

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 – Nomenclatura química das baterias e suas abreviações. . . . . . . . 38Tabela 2 – Matriz decisão BMS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43Tabela 3 – Parâmetros gerais da célula de bateria Samsung INR18650-25R. . 52Tabela 4 – Parâmetros gerais do acumulador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53Tabela 5 – Especificações BMS Orion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS E ACRÔNIMOS

SIGLAS

BMS Sistema de Gerenciamento de Bateria, do inglês Battery ManagementSystem

CAN Protocolo de comunicação local, do inglês Controller Area NetworkCVT Transmissão Continuamente Variável, do inglês Continuously Variable

TransmissionEOC Final de Carga, do inglês End of ChargeESF Formulário do Sistema Elétrico, do inglês Electrical System FormFMEA Modo Falha e Análise de Efeitos, do inglês Failure Mode and Effect Analy-

sisHV Alta Tensão, do inglês High VoltageLV Baixa Tensão, do inglês Low VoltageMCI Motores à Combustão InternaME Motores ElétricosNTC Coeficiente de Temperatura Negativo, do inglês Negative Temperature

CoefficientOCV Tensão de Circuito Aberto, do inglês Open Circuit VoltageSAE Sociedade de Engenheiros Automotivos, do inglês Society of automotive

EngineersSES Planilha de Equivalencia Estrutural, do inglês Structural Equivalency

SpreadsheetSRCF Formulário de Certificação de Requisitos Estruturais, do inglês Structural

Requirements Certification FormVE Veículo Elétrico

LISTA DE SÍMBOLOS

LETRAS LATINAS

𝐼 Corrente [A]

𝐶𝐴ℎ Capacidade [Ah]

𝐸𝑒𝑠𝑝 Energia Específica [Wh/kg]

𝐹𝑃 Fator de Potência [−]

𝑃ℎ𝑝 Potência [hp]

𝑚 Massa [kg]

𝐸𝑘𝐽 Energia [kJ]𝐿𝑘𝑚 Distância [km]

𝑃𝑘𝑊 Potência [kW]

𝐸𝑘𝑊ℎ Energia [kWh]

𝐿𝑚 Distância [m]

𝐿𝑚𝑚 Distância [mm]

𝑚𝑉 Tensão [mV]

𝑇 Torque [N·m]

𝑃𝑒𝑠𝑝 Potência Específica [W/kg]

𝑅 Raio [m]

𝑟𝑝𝑚 Velocidade Angular [−]

𝑇 Temperatura [∘C]

𝑉 Tensão [V]

LETRAS GREGAS

𝜂 Rendimento [−]

𝜋 Pi (constante circular) [rad]

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141.1 PROBLEMÁTICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151.2 OBJETIVOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151.2.1 Objetivo Geral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151.2.2 Objetivos Específicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161.3 JUSTIFICATIVA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161.4 HISTÓRICO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171.4.1 A competição . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201.4.1.1 Provas estáticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201.4.1.2 Provas dinâmicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221.5 A EQUIPE UTFORCE E-RACING . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241.6 ORGANOGRAMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272.1 REGULAMENTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272.2 SIMULAÇÃO DE TEMPO DE VOLTA . . . . . . . . . . . . . . . . . 282.3 TRANSMISSÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292.3.1 Correntes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302.3.2 Diferencial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302.4 DINÂMICA VEICULAR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322.4.1 Sistema de Coordenadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322.4.2 Pneus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332.4.3 Força Lateral e Vertical . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332.5 MOTOR ELÉTRICO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352.6 BANCO DE BATERIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372.6.1 Baterias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372.6.1.1 Química . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372.6.2 Modelagem Bateria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382.6.2.1 Modelagem Descarga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382.6.2.2 Modelagem Carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402.6.3 Critérios de escolha da bateria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402.7 SISTEMA DE GERENCIAMENTO DE BATERIA - BMS . . . . . . 422.7.1 Dimensionamento do banco de baterias . . . . . . . . . . . . . . . . 453 MATERIAIS E MÉTODOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473.1 PROCEDIMENTO DE PROJETO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473.2 PROTÓTIPO UTF117 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473.3 MODELAGEM EM OPTIMUM LAP . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493.3.1 Curva de Torque e Potência do Motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493.3.2 Transmissão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503.3.3 Simulação de Tempo de Volta Autocross . . . . . . . . . . . . . . . . 503.3.4 Seleção da Célula de Bateria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513.4 DIMENSIONAMENTO DO BANCO DE BATERIAS . . . . . . . . 534 RESULTADOS E DISCUSSÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 544.1 EFICIÊNCIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 544.2 VISÃO GERAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

4.2.1 Configuração das Células . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 564.2.2 BMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 584.2.2.1 Monitoramento de Temperatura das Células . . . . . . . . . . . . . . 595 CONCLUSÕES E PERSPECTIVAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

REFERÊNCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62APÊNDICES 66APÊNDICE A – TABELA MATRIZ DE DECISÃO DA CÉLULA DE

BATERIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67ANEXOS 68ANEXO A – DIAGRAMA DE BLOCOS EM SIMULINK . . . . . . . 69

14

1 INTRODUÇÃO

A Fórmula SAE Brasil é uma competição universitária nacional, que ocorre

anualmente tendo como objetivo criar oportunidades de desenvolvimento pessoal e

profissional a estudantes de engenharia. O protótipo deve ser construído baseado

em um regulamento (FSAE, 2017) e posteriormente defendido e testado em provas

estáticas e dinâmicas.

O regulamento (FSAE, 2017) é publicado no site oficial da Fórmula SAE Inter-

nacional e datado para o ano em que ficará em vigor para efeitos de competição, ge-

ralmente possui vigência bienal, contemplando regras para a construção, segurança,

boas práticas de engenharia, instrução sobre as provas estáticas e dinâmicas. A clas-

sificação se dá por meio de pontos, cada prova tem seu peso na pontuação como se

pode analisar na Gráfico 1, sendo o total distribuído, igual a 1000 pontos.

Gráfico 1 – Alocação de pontos na competição.

Fonte: Autoria própria.

Cada prova citada na Gráfico 1 será discutida nas próximas sessões, ainda

assim é possível notar a importância das provas dinâmicas na pontuação total, sendo

responsável por distribuir aproximadamente 67,5% dos pontos. A prova de maior dis-

tância percorrida, o Endurance, possibilita conquistar uma pontuação de 275 e mais

100 pontos de eficiência energética, dessa forma, é de suma importância projetar um

carro com bom desempenho em pista e que possa completar tais circuitos com a

melhor eficiência e robustez.

15

1.1 PROBLEMÁTICA

A competição Fórmula SAE Elétrico propõe aos estudantes como um de seus

principais desafios, projetar e construir um veículo elétrico de alta performance, com

robustez e eficiência. Para isso é necessário aplicar conceitos teóricos e práticos ad-

quiridos em sala de aula durante o período de graduação. Com isso, permite que o

aluno obtenha grande conhecimento além da sala de aula, fomentando seu desenvol-

vimento pessoal e profissional, e assim, contribuindo para sua formação acadêmica.

A principal prova da competição, consiste em percorrer a distância de 22 𝑘𝑚

no menor tempo e consumir a menor quantidade de energia, para tal, é necessário

realizar o correto dimensionamento do banco de baterias do protótipo de modo a su-

prir toda a demanda energética para completar o percurso. Para isso, conhecimentos

de dinâmica veicular e de motores elétricos são fundamentais para realizar um projeto

adequado, uma vez que, por se tratar de componentes de alto custo, todo conheci-

mento obtido é extremamente útil para projetar e construir um banco de baterias com

a melhor viabilidade possível.

O presente trabalho propõe o dimensionamento e projeto de um banco de

baterias do protótipo da equipe UTForce e-Racing, para percorrer a distância de 22 𝑘𝑚

em regime de competição, através da análise de dados da performance do protótipo

em um simulador de tempo de volta, e posteriormente utilizando o software Simulink

para validação do comportamento do banco de baterias, além de realizar o projeto do

container que armazenará as células de bateria.

1.2 OBJETIVOS

1.2.1 Objetivo Geral

Realizar o dimensionamento de um banco de baterias e o projeto do contai-

ner, onde se comporta todo o sistema de armazenamento de energia para um protó-

tipo Fórmula SAE Elétrico, de acordo com o regulamento SAE Internacional, obtendo

máxima performance e eficiência em pista.

16

1.2.2 Objetivos Específicos

Como forma de atender o objetivo geral, as seguintes etapas devem ser reali-

zadas para obtenção de todos os parâmetros de projeto.

• Simular tempo de volta para obter o consumo energético médio do protótipo;

• Selecionar química e célula utilizada;

• Definir BMS (Battery Management System);

• Dimensionar o arranjo das células;

• Simular e validar autonomia;

• Projetar container das baterias que comporte todo o sistema de maneira segura

e robusta.

1.3 JUSTIFICATIVA

Com o crescimento da mobilidade elétrica no mundo é notável que a mé-

dio prazo esse novo modelo ganhe espaço no mercado automotivo brasileiro, dessa

forma, a necessidade na formação de profissionais qualificados para exercer ativida-

des voltadas a este novo cenário é evidente. Além disso, o desenvolvimento de tec-

nologias nacionais voltadas a mobilidade elétrica pode ser uma interessante forma de

obter soluções acessíveis ao consumidor brasileiro.

Sendo assim, a UTForce e-Racing foi criada em 2015 na Universidade Tec-

nológica Federal do Paraná, câmpus Ponta Grossa, com objetivo de desenvolver o

primeiro carro elétrico da região dos Campos Gerais, bem como participar da com-

petição Fórmula SAE Elétrico e consequentemente promover o desenvolvimento de

novas tecnologias fornecendo um ambiente de aprendizado intenso ao estudante de

engenharia.

Para tal, todo o projeto do protótipo deve ser desenvolvido e baseado no regu-

lamento fornecido pela SAE internacional, o que acarreta em dificuldades diversas da

equipe, uma vez que há custos elevados e necessidade de um conhecimento profundo

de engenharia aplicada. Deste modo, diversos softwares de simulação são utilizados

17

para validar conceitos de projeto e prever eventuais problemas na fase de construção,

pois erros podem gerar altos custos de manufatura.

Um desses projetos é o sistema de armazenamento de energia do veículo,

pois este é o item mais caro do protótipo, devido a fonte desse sistema serem células

de bateria específicas, uma vez que no Brasil ainda não são produzidas comercial-

mente células para aplicação tracionária, necesssitando de importação, o Gráfico 2

apresenta um gráfico de pareto onde é possível notar o impacto orçamentário do

banco de baterias no veículo, outro item importante que também tem grande impacto

financeiro e possui relação com as baterias é o BMS, assim como as células, é impor-

tado, não possuindo modelo produzido comercialmente em território nacional.

Gráfico 2 – Impacto Orçamentário das Baterias

Fonte: Autoria Própria

Portanto, a análise e dimensionamento do projeto do banco de baterias do

protótipo é de fundamental importância para o sucesso da equipe, pois através dele

será definido a quantidade de células necessárias, bem como o impacto no orçamento

do carro, podendo viabilizar ou inviabilizar a construção do mesmo, além disso, permite

ao aluno acesso a novas tecnologias que serão realidade em um mercado nacional

futuro.

1.4 HISTÓRICO

Até os anos 1970 nos Estados Unidos, não havia grandes oportunidades para

estudantes de engenharia desenvolverem habilidades e obter conhecimento necessá-

18

rio para formar profissionais aptos ao mercado automotivo, as competições de enge-

nharia da época resumiam-se a desafios de Eggs Drops, um tipo de desafio que visa

projetar uma caixa com suficiente resistência para preservar um ovo em um comparti-

mento interno, não quebrando-o em uma queda.

Em meados dos anos 1970 diversas universidades americanas iniciaram com-

petições estudantis através de veículos off-roads, com o passar do tempo obteve in-

centivo e apoio de importantes engenheiros da época. A competição cresceu até a

Sociedade de Engenheiros Automotivos, do inglês Society of automotive Engineers

(SAE) Internacional apoiar a competição em variados locais na américa do norte. A

competição passa a ser então nomeada como SAE Mini-Baja em alusão a uma im-

portante corrida chamada Baja 1000 realizada no México com veículos off-roads. A

primeira competição SAE Mini-Baja ocorreu em 1976, porém em 1979 a SAE cria a

vertente on-road da competição, nomeada como SAE Mini-Indy, o que teve grande

adesão por parte das universidades, tendo já no primeiro ano 13 universidades com-

petindo. A Fotografia 1 apresenta um protótipo de Fórmula SAE desenvolvido pela

University of Houston em 1982.

Fotografia 1 – Protótipo Universidade de Houston

Fonte: http://uh.edu/fsae/history.htm

Em 1981 devido ao enorme potencial de crescimento apresentado, a SAE al-

tera mais uma vez o nome da competição para Fórmula SAE. No início obteve grande

atenção de três montadoras de destaque nos EUA, sendo elas: Ford, Chrysler e Ge-

neral Motors, tendo como objetivo identificar novos talentos em engenharia para suas

19

respectivas equipes, com o passar dos anos houve um crescente aumento do inves-

timento realizado na competição, uma vez que os engenheiros oriundos da Fórmula

SAE contratados por tais empresas desempenhavam muito bem suas funções, fa-

zendo com que mais empresas viessem a apoiar a competição, inclusive desenvol-

vendo produtos específicos para um protótipo do tipo.

Em 2004 a SAE Brasil criou a Fórmula SAE Brasil, trazendo a competição

que já ocorria em países como Estados Unidos, Reino Unido, Austrália e Japão, a

primeira competição foi vencida pela equipe da Escola de Engenharia de São Carlos

(EESC) da Universidade de São Paulo, o protótipo desenvolvido pela mesma pode

ser encontrado na Fotografia 2, até o ano de 2011 a competição ocorreu apenas na

categoria combustão.

Atualmente o evento ocorre em diversos países do globo como: Austrália; Itá-

lia; Inglaterra; Alemanha; Áustria; Japão; Brasil e Estados Unidos.

Fotografia 2 – Protótipo USP 2011

Fonte: http://www.formula.eesc.usp.br/e1.html

Em 2011 o Centro Universitário FEI apresentou o primeiro protótipo de um

Fórmula SAE Elétrico no Brasil, que pode ser visto na Fotografia 3. O protótipo era

equipado com motor WEG, possuía baterias de celular alocadas na lateral do cockpit,

com autonomia de 30 minutos sendo necessárias 4h para recarga total.

No ano de 2012, a SAE Brasil trouxe para o país a categoria elétrica que

diferencia-se da categoria a combustão basicamente por ter motor elétrico alimentado

por baterias. Os sistemas mecânicos, tais como chassi, suspensão e transmissão são

20

Fotografia 3 – Protótipo elétrico FEI 2011.

Fonte: Diogo de Oliveira - http://revistaautoesporte.globo.com

projetados de modo similar, assim como o freio, com apenas uma diferença, é possível

implementar frenagem regenerativa. As dificuldades de uma categoria como esta são

imensas, principalmente pelo fator financeiro, uma vez que um protótipo elétrico é

significativamente mais caro que o a combustão, além disso, muitos dos equipamentos

utilizados não são encontrados no Brasil, tais como baterias, BMS e conversor de

frequência.

Em 2018, a Formula SAE Brasil contou com 50 universidades inscritas na

categoria combustão, vencida pela equipe CEFEST do CEFET-MG, seu primeiro título,

além de 17 equipes na categoria elétrica, tendo como vencedora a equipe Unicamp

e-Racing, da Unicamp, conquistando o hexa campeonato.

1.4.1 A competição

A competição ocorre por quatro dias, contendo provas estáticas e dinâmicas.

A Fórmula SAE não se trata de uma corrida de carros, mas sim baseia-se em uma

competição de desenvolvimento de protótipo, para tanto os alunos devem demonstrar

todo o desenvolvimento do projeto, desde o estabelecimento dos requisitos, até a

validação em pista, passando também por provas de marketing, custos e manufatura.

1.4.1.1 Provas estáticas

As competições estáticas estão definidas na sessão ”S” do regulamento, são

elas : Business; Cost and Manufacture e Design, todas serão apresentadas a seguir.

Partindo do pressuposto que cada equipe é uma empresa que desenvolve monopos-

21

tos de alta performance, os membros devem defender seu projeto desde a concepção,

apresentando aos juízes as escolhas adotadas, desde seleção de material e equipa-

mento, até geometrias e mecanismos, todas essas definições devem estar alinhadas

com a estratégia de mercado que a equipe deve apresentar, mostrando que seu pro-

tótipo pode ser comercialmente viável em um mercado idealizado.

Design - S6: A prova de design consiste em sete apresentações durante um

período de 10 minutos, cada apresentação é focada em um projeto do protótipo, são

elas: suspensão, freios e segurança, chassis e estrutura, drivetrain, sistema de tração,

elétrica e gestão. Nessa prova, os membros da equipe devem apresentar aos juízes

todo o processo de desenvolvimento do projeto, desde a definição dos requisitos, pas-

sando pela fase de projeto, construção e validação, justificando as escolhas realizadas

de acordo com as estratégias adotadas e as práticas de engenharia.

Cost and Manufacture - S4: Nesta prova a equipe deve demonstrar aos juízes

que é possível escalar a produção do protótipo. Cada peça e equipamento do veículo

deve ser descrita em um relatório, adotando um valor parametrizado por uma tabela

fornecida pela SAE, descrevendo todos os processos de manufatura e montagem do

veículo, gerando um custo final, parametrizado entre as equipes. São avaliados que-

sitos como: facilidade de manufatura; custo; relatório e também há um caso real (real

case). Este ultimo, consiste em uma apresentação de uma peça ou parte do veículo

selecionada pela organização da competição, onde a equipe deve demonstrar todo o

processo de manufatura da mesma, estimando como será a produção para mil uni-

dades, justificando os processos de manufatura e montagem, além de definição de

estratégia de mercado adotadas.

Business - S5: As provas anteriormente descritas devem estar coesas com o

business, nesta prova a equipe deve apresentar um plano de negócios baseado nas

estratégias adotadas na construção do protótipo, o preço de custo gerado na prova de

cost and manufacture, deve ser utilizado para elaborar um planejamento de média de

vendas anuais, sendo a equipe livre para selecionar a melhor modelo de negócios. A

apresentação deve ser feita em formato de pitch, sendo dez minutos de apresentação

e cinco minutos de perguntas da banca, a equipe deve demonstrar domínio sobre o

modelo de negócio adotado, com cálculos reais e detalhes da estrutura da empresa.

22

1.4.1.2 Provas dinâmicas

As provas dinâmicas são definidas na parte ”D” do regulamento, elas ocorrem

nos dois últimos dias da competição, composta de quatro circuitos diferentes com

objetivo de avaliar diferentes condições de pista e verificar dados de projeto avaliados

na performance do veículo.

Aceleração - D5: consiste em uma reta de 75 𝑚 onde o protótipo deve per-

correr a pista no menor tempo possível, cada equipe pode correr com dois pilotos

diferentes, sendo duas corridas para cada, prevalecendo o menor tempo geral.

• 𝑇𝑦𝑜𝑢𝑟 : Menor tempo obtido pela equipe

• 𝑇𝑚𝑖𝑛 : Menor tempo obtido por qualquer equipe na prova

• 𝑇𝑚𝑎𝑥 : 150% do menor tempo (𝑇𝑚𝑖𝑛)

𝐴𝑐𝑐𝑒𝑙𝑒𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛−𝑆𝑐𝑜𝑟𝑒 = 95.5 ·𝑇𝑚𝑎𝑥

𝑇𝑦𝑜𝑢𝑟− 1(

𝑇𝑚𝑎𝑥

𝑇𝑚𝑖𝑛

)− 1

+ 4.5 (1)

Skid Pad - D6: prova com um circuito composto por dois círculos de 15,23 𝑚 de

diâmetro entre as extremidades, sendo dois metros de largura de pista, nesta prova o

objetivo é avaliar a aceleração lateral do veículo, o protótipo deve fazer voltas em círcu-

los nos sentidos horário e anti-horário na maior velocidade possível, com estabilidade.

O piloto deve dar duas voltas no sentido anti-horário e duas no horário, o tempo final é

dado pela média dos menores tempos de cada sentido, correm dois pilotos podendo

realizar duas tentativas cada, a Equação 2 apresenta como é obtida a pontuação para

esta prova, onde:




𝑆𝑘𝑖𝑑𝑃𝑎𝑑−𝑆𝑐𝑜𝑟𝑒 = 71.5 ·

(𝑇𝑚𝑎𝑥

𝑇𝑦𝑜𝑢𝑟

)2

− 1(𝑇𝑚𝑎𝑥

𝑇𝑚𝑖𝑛

)2

− 1+ 3.5 (2)

23

A Figura 1 apresenta o circuito descrito acima com um protótipo da equipe

Monash Motor Sport.

Figura 1 – Prova Skid Pad

Fonte: https://www.monashmotorsport.com/the-competition-structure/

Autocross - D7: Nesta prova as equipes devem percorrer um circuito de apro-

ximadamente um quilômetro, o mesmo é composto por curvas fechadas e slalons,

com objetivo de testar o carro em condições de alta performance, cada equipe tam-

bém pode correr com dois pilotos sendo duas corridas cada, o menor tempo dos dois

é contabilizado, a equipe mais rápida vence a prova, a Equação 3 apresenta o proce-

dimento de cálculo para esta prova, onde:




𝐴𝑢𝑡𝑜𝑐𝑟𝑜𝑠𝑠−𝑆𝑐𝑜𝑟𝑒 = 118.5 ·𝑇𝑚𝑎𝑥


𝑇𝑚𝑎𝑥

𝑇𝑚𝑖𝑛

)− 1

+ 6.5 (3)

Endurance - D8: Em um circuito similar ao Autocross é realizado o Endu-

rance, o objetivo é submeter o veículo a condições de simulação de uma corrida, cada

carro deve percorrer 22 voltas no circuito em até 30 minutos, são utilizados dois pi-

lotos, onde após a 11ª volta é realizado a troca, o carro que percorrer a distância no

24

menor tempo vence a prova, também é pontuado os carros com a melhor eficiência

energética. Ao fim da 11ª volta, durante a troca de pilotos, os juízes realizam uma

breve inspeção técnica no veículo, o mesmo não pode apresentar nenhuma avaria ou

vazamento de fluido. Caso isso ocorra, a equipe é eliminada da prova. O endurance

é responsável por cerca de 30% da pontuação geral da competição, o que a torna a

prova mais importante e aguardada pelas equipes. A Equação 4 apresenta o procedi-

mento de cálculo para esta prova, onde:




𝐸𝑛𝑑𝑢𝑟𝑎𝑛𝑐𝑒−𝑆𝑐𝑜𝑟𝑒 = 250 ·𝑇𝑚𝑎𝑥


𝑇𝑚𝑎𝑥

𝑇𝑚𝑖𝑛

)− 1

+ 25 (4)

1.5 A EQUIPE UTFORCE E-RACING

Em 2015, alunos de engenharia eletrônica da UTFPR-PG se reuniram para

iniciar uma equipe de Fórmula SAE Elétrico. Uma equipe, inicialmente, de dez mem-

bros foi expandida pra cerca de trinta, contando com alunos de Engenharia Mecâ-

nica e Engenharia de Produção. Após dois anos de estruturação de equipe, estudos

e trabalhos em 2017 a UTForce e-Racing estreou na competição nacional com seu

primeiro protótipo. Este apresentou algumas inovações, como uma rede CAN - Proto-

colo de comunicação local, do inglês Controller Area Network (CAN) implementada,

solução não difundida entre as equipes da Fórmula SAE na época, além do desenvol-

vimento de um Transmissão Continuamente Variável, do inglês Continuously Variable

Transmission (CVT) acoplado a um motor elétrico, projeto este também inovador na

competição.

O sistema de tração consistia de um motor elétrico para tração veicular, mo-

delo WEG Fórmula SAE com 6 kW de potência (WEG, 2018) e um inversor de frequên-

cia WEG modelo CVW 300 (WEG, 2018). O banco de baterias foi projetado com seis

células de baterias modelo Optima YellowTop D27F (OPTIMA, 2018), com 12 𝑉 de

tensão nominal e 66 𝐴ℎ de capacidade. O carro projetado pela equipe pode ser visto

na Fotografia 4.

25

Fotografia 4 – Protótipo UTForce 2017

Fonte: Autoria propria.

1.6 ORGANOGRAMA

A UTForce e-Racing, como uma equipe de Fórmula SAE Elétrico, possui di-

ferentes setores de projeto. São mais de cinco cursos envolvidos no projeto e cons-

trução do protótipo, dividas em cinco grandes áreas, sendo elas: projeto mecânico;

projeto elétrico; administrativo; marketing e desempenho. Todas estão sob a liderança

do capitão, como pode ser visto no organograma da Figura 2.

Figura 2 – Organograma equipe

Fonte: Autoria propria.

Cabe a equipe de projeto mecânico desenvolver os projetos de suspensão e

direção, chassi, aerodinâmica, transmissão e freios. Atuando desde o levantamento

dos requisitos de projeto e procedimentos de cálculos, passando por projeto em CAD,

simulação e construção.

A equipe de projeto elétrico é responsável pelas áreas de motor, bateria, te-

lemetria e sistemas embarcados. Realizando o dimensionamento dos circuitos ele-

26

trônicos de acordo com o regulamento da competição, projeto de banco de baterias,

programação de inversor de frequência, projeto de Rede CAN e projeto das Placas de

Circuito Impresso (PCI).

O setor administrativo é composto pelas áreas de recursos humanos, eventos

e financeiro. Sendo responsável pela organização financeira e de pessoal, além de

desenvolvimento de produtos e logística.

O marketing é responsável pela gestão de mídias sociais, comunicação com

empresas patrocinadores, desenvolvimento de mídia kit e identidade visual.

O setor de desempenho, por sua vez, organiza as provas estáticas da equipe,

sendo responsáveis pelas apresentações de business e cost and manufacture, além

de organizar o design.

27

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 REGULAMENTO

A competição Fórmula SAE Brasil é regulada pela SAE internacional, e como

toda competição, há normas e regras a serem respeitadas. Essas regras (FSAE, 2017)

são de responsabilidade do Comitê de Regras da Fórmula SAE que respondem dire-

tamente a SAE internacional.

Algumas normas relevantes no que se refere as baterias são:

EV1.1 - Define-se alta tensão (HV) para 𝑉𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 > 60 𝑉 𝑐𝑐 ou 𝑉𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 > 25 𝑉 𝑎𝑐 𝑟𝑚𝑠

e baixa tensão (LV) para 𝑉𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 ≤ 60 𝑉 𝑐𝑐 ou 𝑉𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 ≤ 25 𝑉 𝑎𝑐 𝑟𝑚𝑠. Bem como a

máxima tensão permitida para a competição no Brasil, sendo 300 𝑉 𝑐𝑐.

EV2.2 - Define-se a potência máxima que o motor pode drenar da bateria de 80 𝑘𝑊 .

EV3.2 - Define-se os requisitos gerais para o container do banco de baterias. Sendo

que todas as células devem ser contruídas em segmentos e devem ser enclausuradas

dentro dos mesmos.

EV3.3 - Define-se regras gerais para a configuração elétrica do container. Caso o

container seja de material eletricamente condutivo, deve ser isolado interna e exter-

namente. Bem como deve conter pelo menos um fusível de proteção e dois relés de

isolação.

EV3.6 - Define-se o sistema de gerenciamento das baterias. Onde o BMS deve moni-

torar continuamente a tensão de todas as células e a temperatura em pontos críticos

do container com uma abrangência de, pelo menos, 30% das células. Bem como o

BMS deve ativar o circuito de shutdown caso uma temperatura ou tensão crítica for

atingida.

No total há vinte e seis páginas referentes a parte elétrica do carro (FSAE,

2017). Cada seção há suas divisões e subdivisões, contemplando quase a totalidade

de detalhes a ser respeitada durante a competição. Essas normas fazem parte da

inspeção elétrica.

A inspeção elétrica faz parte da inspeção técnica que também contempla a

inspeção mecânica e de equipamentos. Após a inspeção técnica há as provas estáti-

cas e dinâmicas.

28

Porém, só é possível participar das provas dinâmicas caso tenha sido apro-

vado nos processos de inspeção. Onde engloba avaliação dos juízes nos seguintes

itens:

• Inspeção elétrica;

• Inspeção mecânica;

• Pneus de pista seca e molhada;

• Equipamentos de segurança do piloto;

• Extintores e Push Bar ;

• Cópia da Planilha de Equivalencia Estrutural, do inglês Structural Equivalency

Spreadsheet (SES) ou do Formulário de Certificação de Requisitos Estruturais,

do inglês Structural Requirements Certification Form (SRCF);

• Cópia do relatório do atenuador de impacto;

• Cópia do Formulário do Sistema Elétrico, do inglês Electrical System Form (ESF)

e do Modo Falha e Análise de Efeitos, do inglês Failure Mode and Effect Analysis

(FMEA);

• Teste da Tilt Table;

• Teste do Ready-to-Drive Sound e teste de chuva;

• Teste dos freios.

As inspeções, segundo o regulamento, não há soma de pontos e nem subtra-

ção, essa etapa é de caráter eliminatório para as provas dinâmicas.

2.2 SIMULAÇÃO DE TEMPO DE VOLTA

Para correto dimensionamento de todo banco de baterias a ser utilizado no

protótipo, faz-se necessário realizar a modelagem do veículo de modo a otimizar os

parâmetros de projeto tais como suspensão, transmissão e aerodinâmica para que

posteriormente seja possível obter dados de consumo energético.

29

No presente trabalho o software OptimumLap (OPTIMUMG, 2018) foi utilizado

para realizar a modelagem do veículo, obtendo as variáveis de projeto que implicam

diretamente no consumo energético, o dimensionamento e definição do arranjo de

células foi obtido utilizando o software Matlab.

Na competição Fórmula SAE um dos principais objetivos é desenvolver um

carro rápido e robusto, para isso é necessário desenvolver estratégias e otimizar o

projeto do veículo para reduzir o tempo de volta em um determinado circuito, isso pode

ser obtido através de redução de peso, estratégias de controle eletrônicas, treinamento

de piloto, etc. Porém, antes se faz necessário implementar simulação de tempo de

volta do veículo em desenvolvimento considerando parâmetros como peso do carro,

potência do motor, área frontal e coeficiente de arrasto e coeficiente de atrito (PATIL;

JOHRI; KAUSHIK, 2016).

O software OptimumLap (OPTIMUMG, 2018) permite realizar análises dado

um determinado traçado, obtendo assim resultados prévios do comportamento de di-

versas variáveis de projeto, como aceleração lateral, curvas de torque e potência,

velocidade, dentre outros.

2.3 TRANSMISSÃO

O conjunto de transmissão do protótipo consiste em componentes que produ-

zem potência transmitindo para as rodas do veículo, são partes desse conjunto: caixa

de velocidades, semi-eixos, diferenciais e demais elementos que possuem relação

com os descritos (BIRRENTO, 2008).

Há diversos tipos de transmissão utilizadas, tais como por correia, engrena-

gens, correntes e cabos de aço, o protótipo da o primeiro protótipo da UTForce e-

Racing (UTF117) utilizou um conjunto constituído por correiras e correntes, uma vez

que utilizava um CVT (Continuous Vabiable Transmission), porém devido a problemas

mecânicos e as perdas do sistema, optou-se por utilizar uma transmissão direta por

correntes.

30

2.3.1 Correntes

Correntes comumente utilizadas para transmissão são padronizadas em rela-

ção a sua dimensão através da ANSI (American National Standards Institute), tendo

como principais aplicações máquinas agrícolas, compressores, bombas, veículos mo-

torizados, dentre outros (BIRRENTO, 2008), a corrente utilizada para o protótipo

UTF117 é um modelo de rolos, a Figura 3 apresenta o esquemático da montagem

da mesma, essa escolha se dá por estar disponível com maior facilidade no mercado

e tornar os componentes do sistema mais fáceis de serem manufaturados.

Figura 3 – Componentes Corrente de Rolos

Fonte: (BIRRENTO, 2008).

2.3.2 Diferencial

O diferencial tem como função distribuir a potência oriunda de uma caixa de

velocidades ou diretamente do motor para as rodas. Este componente possui também

como característica compensar a diferença da distância percorrida entre as ambas

rodas ao realizar uma curva, fazendo com que a roda externa tenha um maior des-

locamento comparado a interna, essa compensação se dá através de engrenagens

cônicas (BIRRENTO, 2008).

O funcionamento correto do diferencial se dá apenas com aderência ideal,

uma vez que ao perder contato com o solo em uma curva, esta roda receberá ainda

31

mais potência, sem a utilização do diferencial, ambas rodas receberiam a mesma po-

tência, fazendo com que a roda interna também perdesse aderência, caso a situação

contrária ocorresse, isto é, ambas rodas com muita aderência, haveria chances de

ocorrer uma torção e quebra do eixo. A Figura 4 apresenta o comportamento diferen-

cial para os dois casos descritos acima.

Figura 4 – Comportamento do Diferencial

Fonte: (BIRRENTO, 2008).

Para um veículo Fórmula SAE que possui tração traseira, é possível mensu-

rar as distâncias percorridas por cada roda, para um raio de curva 𝑐, com ângulo 𝛼,

velocidade angular 𝑊 e com uma distância 𝑑 entre as rodas, as distâncias 𝐸1 e 𝐸2

podem ser calculadas através das equações 5 e 6.

E1 = 𝛼

(𝑐 +

𝑑

2

)(5)

E2 = 𝛼

(𝑐− 𝑑

2

)(6)

Para tal procedimento também é possível obter as respectivas velocidades em

cada roda 𝑉1 e 𝑉2 através das equações 7 e 8.

V1 = 𝑊

(𝑐 +

𝑑

2

)(7)

V2 = 𝑊

(𝑐− 𝑑

2

)(8)

Obtendo as velocidades 𝑉1 e 𝑉2 para cada roda, a velocidade do veículo é

dada pela equação 9.

V =𝑉1 + 𝑉2

2(9)

32

2.4 DINÂMICA VEICULAR

A Dinâmica Veicular é uma ampla área de estudo, com diversos fatores a se-

rem considerados, para o presente trabalho utilizou-se apenas os parâmetros impor-

tantes para simulação de tempo de volta e dimensionamento do banco de baterias,

não considerando pontos como, por exemplo, geometria de suspensão e direção.

2.4.1 Sistema de Coordenadas

O movimento dos veículos automotores em uma superfície é objeto de es-

tudo da dinâmica veicular. Ações da gravidade, pneus e aerodinâmica influenciam no

comportamento do veículo (UBESSI, 2011).

Para realizar um estudo adequado sobre dinâmica veicular é necessário pri-

meiro estabelecer um sistema de coordenadas adequado, com objetivo de descrever

corretamente a direção dos movimentos que ocorrem no veículo (MILLIKEN; MILLI-

KEN, 1996).

O sistema de coordenadas é fixado no centro de gravidade do carro, tendo o

eixo x na direção longitudinal, eixo y na direção lateral e o eixo z na direção vertical.

Os momentos nos eixos x, y e z são conhecidos como rolagem (Roll), arfagem (pitch)

e guinada (yaw) (LOPES, 2018).

A Figura 6 apresenta os momentos roll, pitch e yaw atuando em um veículo.

Figura 5 – Sistemas de Coordenadas para um Veículo

Fonte: (GILLESPIE; (SOCIETY), 1992).

33

2.4.2 Pneus

Em um veículo, o componente responsável por suportar esforços verticais é o

pneu, ele também auxilia na absorção de choques quando ocorrem em sentido con-

trário o solo, além disso também suportam acelerações longitudinais e laterais (GIL-

LESPIE; (SOCIETY), 1992).

As acelerações são responsáveis por gerarem respostas dinâmicas no veí-

culo, a longitudinal acarreta em alteração da velocidade do mesmo, enquanto que a

lateral interfere em sua mudança de trajetória, todos estes fenômenos ocorrem na re-

gião de contato com o solo (contact patch) (LOPES, 2018), a Figura 6 apresenta as

coordenadas locais, forças, ângulos e momentos presentes em uma roda.

Figura 6 – Sistemas de Coordenadas, forças, momentos e ângulosatuantes na roda.


2.4.3 Força Lateral e Vertical

A força lateral atua no eixo y do sistema de coordenadas locais (𝐹𝑦), com a

variação do ângulo de deriva (slip angle) ou do ângulo de cambagem (camber angle)

também chamado de ângulo de inclinação (inclination angle) podendo gerar mudança

de trajetória no veículo.

Isso ocorre porque o pneu apresenta ângulo de deriva resultante da força

34

lateral aplicada, este ângulo é formado entre a direção que o pneu está e a direção do

movimento (GILLESPIE; (SOCIETY), 1992), a Figura 7 apresenta tal fenômeno.

Figura 7 – Deformação Lateral do Pneu


A força longitudinal (𝐹𝑥) é responsável por gerar movimento de aceleração e

frenagem na direção que o pneu está orientado (LOPES, 2018), essa força é resul-

tado da diferença de velocidade entre o pneu e a velocidade do veículo, gerando um

deslizamento na região de contato no solo (GILLESPIE; (SOCIETY), 1992), este desli-

zamento é medido por um valor adimensional como apresenta a equação 10 (JAZAR,

2014).

𝑠 =𝑅𝑝𝑛𝑒𝑢𝑊𝑟𝑜𝑑𝑎

𝑉− 1 (10)

O deslizamento possui grande influência no coeficiente de atrito longitudinal

(𝜇𝑥), podendo trabalhar em três situações, quando o valor 𝑠 é negativo, isso indica

uma frenagem, enquanto que quando positivo reflete uma aceleração e para um valor

nulo o pneu está em rolagem livre, para valores extremos −1 e ∝, o pneu está em

completo deslizamento, a Gráfico 3 apresenta tal descrição.

A força longitudinal é descrita em função do coeficiente de atrito através da

equação 11 (JAZAR, 2014).

𝐹𝑥 = 𝜇𝑥𝐹𝑧 (11)

35

Gráfico 3 – Coeficiente de atrito longitudinal

Fonte: (JAZAR, 2014).

2.5 MOTOR ELÉTRICO

Motores Elétricos (ME) são capazes de fornecer torque até mesmo em ro-

tações nulas dependendo do tipo de construção, com isso é possível construir um

sistema de drivetrain sem a necessidade de possuir múltiplas velocidades ou sim-

plesmente reduzir a uma menor quantidade de relações comparadas a Motores à

Combustão Interna (MCI) (NOCE, 2010).

O Gráfico 4 apresenta um comparativo entre o torque fornecido para as rodas

em função da velocidade de um veículo nos casos de um ME e MCI.

Além disso, um ME apresenta como principais vantagens comparados a um

MCI:

• Maior eficiência energética que um veículo convencional

• Manutenção simplificada e com menor frequência

• Não emissão de poluentes

E como desvantagens pode ser citado:

• Autonomia reduzida e alto tempo de recarga

• Elevado custo

O ME tem como principal função em um veículo fornecer torque e potência

que são transmitidos às rodas permitindo movimento, tal torque e potência gerados

36

Gráfico 4 – Acionamento de VE e MCI

Fonte: (OLIVEIRA; DONHA, 2005)

são caracterizados por uma curva em função da rotação do motor, usualmente as

unidades utilizadas são medidas em cavalos (𝐶𝑉 ) para potência, torque (𝑀 ) em 𝑘𝑔𝑓.𝑚

e rotação em rotações por minuto (𝑟𝑝𝑚), a equação 12 apresenta as relações entre

estas grandezas (NOCE, 2010).

𝑀𝑘𝑔𝑓𝑚 =𝑃𝐶𝑉 · 716,62

𝜂𝑟𝑝𝑚(12)

Com base nestas informações é possível traçar curvas que demonstram o

comportamento de tais variáveis, a Gráfico 5 apresenta a disposição da variação do

torque e da potência (Gráfico 6) em um motor elétrico a medida do aumento de sua

rotação.

É possível notar que o ME possui alto torque mesmo a baixíssimas rotações,

como citado anteriormente, isso faz com que o mesmo ao ser aplicado em um veículo

tone-o apto a adquirir tais vantagens anteriormente mencionados.

A Gráfico 5 apresenta o funcionamento de um ME para Fórmula SAE Elétrico,

o torque requisitado nas rodas é controlado pelo conversor de frequência, que por

sua vez tem relação direta com a programação dos sistemas embarcados e regras

fornecidas pelo regulamento da competição, a corrente então é drenada das baterias

dentro dos limiares de operação dos equipamentos.

37

Gráfico 5 – Curva de Torque ME.

Fonte: (WEG, 2018).

Gráfico 6 – Corrente de Potência ME.

Fonte: (WEG, 2018).

2.6 BANCO DE BATERIAS

2.6.1 Baterias

Células armazenadoras de energia possuem critérios principais a serem abor-

dados, são eles:

• Capacidade de armazenamento de energia;

• Ciclos de descarga;

• Ciclos de vida;

• Segurança.

Tais pontos são de grande relevância ao selecionar células e dimensionar um

banco de baterias, desta forma, serão abordados nesta sessão.

2.6.1.1 Química

Uma célula de bateria consiste em três principais partes: eletrólito, ânodo e

cátodo. O eletrólito é geralmente um composto orgânico, como por exemplo sais de

lítio para transferir íons de lítio; o ânodo é composto de grafite e carbono/silício; já o

cátodo é bem específico para cada bateria e há vários tipos.

Atualmente as células disponíveis e mais comuns no mercado são apresen-

tadas na Tabela 1, é possível notar a energia específica (𝑊ℎ𝐾𝑔

) entre as diferentes quí-

38

micas, este é um fator muito importante ao realizar uma análise, pois diz respeito a

quantidade de energia possível de ser armazenada para uma mesma razão de massa.

Tabela 1 – Nomenclatura química das baterias e suas abreviações.

Nome por extenso (em inglês) AbreviaçãoQuímica

Energiaespecifica (Wh/Kg)

Lithium Manganese Oxide 𝐿𝑖𝑀𝑛2𝑂4 (LMO-IMR) 410-492Lithium Manganese Nickel 𝐿𝑖𝑁𝑖𝑀𝑛𝐶𝑜02 (NMC-INR) 610-650Lithium Nickel CobaltAluminum Oxide 𝐿𝑖𝑁𝑖𝐶𝑜𝐴𝑙𝑂2 (NCA) 680-760

Lithium Cobalt Oxide 𝐿𝑖𝐶𝑜𝑂2 (LCO-ICR) 546Lithium Iron Phosphate 𝐿𝑖𝐹𝑒𝑃𝑂4 (LFP-IFR) 518-587


2.6.2 Modelagem Bateria

Há basicamente três tipos de modelos de baterias na literatura: Experimentais;

Eletroquímicos e aproximações por circuitos elétricos. Os modelos experimentais e

eletroquímicos não são tão fiéis ao representar a dinâmica da bateria sob o viés de

estimações do SoC. Já os modelos por aproximações de circuitos elétricos são úteis e

representam muito bem as características dinâmicas das células (TREMBLAY, 2009).

Para chegar a um modelo de bateria próximo à realidade e usar em simulação,

deve-se levantar os comportamentos de descarga e carga da célula.

2.6.2.1 Modelagem Descarga

O modelo de descarga representa a dinamicidade da tensão enquanto a cor-

rente varia e leva em conta a Tensão de Circuito Aberto, do inglêsOpen Circuit Voltage

(OCV) como uma função do SoC. Esse modelo é descrito na Equação 13.

𝑉𝑏𝑎𝑡𝑡 = 𝑉0 −𝐾 𝐶𝐶−𝑖𝑡

· 𝑖𝑡−𝑅 · 𝐼 + 𝐴−𝐵·𝑖𝑡 −𝐾 𝐶𝐶−𝑖𝑡

· 𝐼* (13)

onde

K = Constante de polarização ( 𝑉𝐴ℎ

) ou resistência de polarização (Ω)

it =∫𝑖 · 𝑑𝑡 = Carga atual da bateria (𝐴ℎ)

A = Zona de amplitude exponencial (𝑉 )

B = Inversa da zona exponencial de tempo constante (𝐴ℎ−1)

R = Resistência interna (Ω)

39

I*= Corrente filtrada (𝐴)

Esse modelo conta com uma corrente filtrada (𝐼*) fluindo através da resistên-

cia polarizada. Essa corrente filtrada soluciona um problema de loop algébrico devido

a simulação de sistemas elétricos no Simulink. Já o OCV varia não-linearmente com

o SoC.

Essa zona exponencial da Equação 13 é válida para baterias de Lítio-Ion,

para outras químicas (Chumbo-ácido, NiCd e NiMH) há um fenômeno de histerese

entre a carga e a descarga, independente do SoC (Rynkiewicz, 1999) (Feng Xuyun;

Sun Zechang, 2008). Esse fenômeno pode ser representado por um sistema dinâmico

não-linear expressado na Equação 14.

𝐸𝑥𝑝(𝑡) = 𝐵 · |𝑖(𝑡)| · (𝐸𝑥𝑝(𝑡) + 𝐴 · 𝑢(𝑡)) (14)

onde

Exp(t) = Zona de tensão exponencial (𝑉 )

i(t) = corrente da bateria (𝐴)

u(t) = modo carga ou descarga

Essa zona de tensão exponencial (𝐸𝑥𝑝(𝑡)) depende diretamente dos valores

iniciais do modo de carga (𝑢(𝑡) = 1) ou descarga (𝑢(𝑡) = 0). A Figura 8 mostra o

modelo de descarga completo.

Figura 8 – Modelo de descarga da bateria

Fonte: (TREMBLAY, 2009).

40

2.6.2.2 Modelagem Carga

Para a carga, há uma característica particular que deve-se levar em conta, o

Final de Carga, do inglês End of Charge (EOC). Pois ela é diferente para cada tipo

de bateria e depende da química atrelada. As baterias de Chumbo-ácido e Lítio-Ion

apresentam as mesmas características de EOC, pois a tensão aumenta rapidamente

quando a bateria atinge a carga completa.

No modo de carga, o termo de resistência de polarização aumenta até a bate-

ria estar quase carregada (𝑖(𝑡) = 0). Acima desse ponto a resistência de polarização

aumenta de forma abrupta. Agora a resistência de polarização, ao contrário do modo

de descarga, é dada pela Equação 15.

𝑅𝑒𝑠.𝑃𝑜𝑙. = 𝐾 𝐶𝑖𝑡

(15)

Quando 𝑖𝑡 = 0 (totalmente carregada), teoricamente, a resistência de polariza-

ção é infinita. Porém na prática, resultados experimentais (TREMBLAY, 2009) mostram

que a contribuição dessa resistência de polarização é diminuída em torno de 10% da

capacidade da bateria. Logo a Equação 15 pode ser reescrita pela Equação 16.

𝑅𝑒𝑠.𝑃𝑜𝑙. = 𝐾 𝐶𝑖𝑡−0,1·𝐶

(16)

Todas simulações deste trabalho, em que se envolvem baterias de Lítio Ion,

parte-se dessa modelagem.

2.6.3 Critérios de escolha da bateria

As baterias para Veículo Elétrico (VE) devem ser projetadas de modo que sua

capacidade de armazenamento de energia seja otimizada. Isso está diretamente rela-

cionado com densidade de potência e densidade de energia (ou potência específica e

energia específica) (Zhenpo Wang; Wenliang Zhang, 2014), ou seja, o quanto de po-

tência uma célula consegue entregar, e o quanto de energia total pode-se armazenar,

ambas para a mesma razão de massa.

A Gráfico 7 apresenta tal comparação entre potência específica e energia es-

pecífica de diversas tecnologias. Há uma relação inversa entre potência específica e

energia específica, ou seja, quando há um aumento na potência especifica a densi-

41

dade específica diminui. Porém nas baterias de lítio percebe-se que não é uma regra,

e torna-se um diferencial excelente em relação as outras tecnologias químicas. Pela

Tabela 1 é possível comparar a energia específica entre as células de Lítio.

Gráfico 7 – Comparação entre densidade de potência e densidadede energia de diversas tecnologias de baterias.

Fonte: Johnson Controls – SHAFT 2005 e 2007.

Já os ciclos de descarga estão relacionados no modo em que as baterias

serão requisitadas, ou seja, o quanto de descarga de armazenamento de energia re-

quisitará instantaneamente. Em VEs esses ciclos de descarga majoritariamente são

do tipo profundo, e quanto mais essas células estão dispostas a entregar esse ciclo

profundo de descarga, mais interessante é para o sistema sob o viés de performance.

Em termos práticos, é quando há uma aceleração do veículo requisita alta potência

instantânea do sistema de tração, que por sua vez demanda uma descarga profunda

das baterias (Baronti et al., 2014).

Outro fator é o ciclo de vida, ou seja, a quantidade de vezes que uma bate-

ria pode ser carregada e descarregada completamente (sendo esse processo carga-

descarga total, conhecido como ciclo de uma vida) (FAN; TAN, 2006). Isso determina

se a bateria será usada a curto, médio ou longo prazo. Em VEs procura-se sistemas a

longo prazo, pois esse processo de carga e descarga mostra-se dinâmico, logo, anali-

sando isoladamente, a bateria com a maior quantidade de ciclos de vida torna-se mais

42

atrativa, isto é, quanto maior a expectativa de vida, melhor será para o sistema.

Um fator determinando também é a segurança. Esse é um fator decisivo à ní-

vel de implementação de um sistema de armazenamento. Pois dependendo da célula

escolhida em projeto, acarretará em um maior ou menor esforço de contenção para

garantir os parâmetros de segurança, segundo as regras da FSAE (FSAE, 2017). In-

trinsecamente, se trata de como a célula se comporta com os já mencionados ciclos

de descarga e ciclos de vida, como também pressão. Podendo a gerar sobreaqueci-

mento, liberação de gases, fogo ou até mesmo explosão (LU et al., 2013) (ARORA;

WHITE; DOYLE, 1998).

Diante das questões citadas e uma vez que estão relacionadas, o desafio cen-

tral é selecionar baterias que sejam otimizadas em todos os aspectos. Basicamente se

trata de um trade-off, isto é, perder em um determinando fator e gerar ganho em outro,

pois implica em um conflito de escolha e uma consequente relação de compromisso.

Por exemplo, a expectativa de vida da bateria deve-se aliar com uma confiabilidade

em uma ampla gama de condições operacionais, bem como sua capacidade de arma-

zenamento que pode ser afetada negativamente pelos ciclos de descarga profunda.

Além disso, todos esses problemas de tecnologia devem ser abordados de forma em

que o custo da bateria seja mínimo, ou financeiramente viável do ponto de vista de

projeto (KARDEN, 2007).

2.7 SISTEMA DE GERENCIAMENTO DE BATERIA - BMS

A principal função do Sistema de Gerenciamento de Bateria, do inglês Battery

Management System (BMS), é garantir um uso ótimo e seguro do banco de baterias.

Assim, gerará redução nos riscos iminentes por usar baterias (SDI, 2014) que traba-

lham fora da área de operação segura, podendo consequentemente, acarretar riscos

de fogo ou até mesmo explosão.

O BMS para um sistema de armazenamento de energia de um veículo elé-

trico pode variar dependendo do modelo e fabricante, dessa forma, para este trabalho

realizou-se um levantamento considerando os principais parâmetros para seleção do

equipamento e então desenvolveu-se uma matriz de decisão para orientar a escolha

do BMS e a mesma pode ser vista na Tabela 2.

Com essa matriz, de todos os BMS pesquisados, optou-se em adquirir por

43

Tabela 2 – Matriz decisão BMS.


44

dois fatores determinantes: o primeiro, por ser um BMS de aplicação específica para

uso em VE e híbridos e o segundo fator, de obtermos um grande desconto em detri-

mento de ser uma equipe de Fórmula SAE Elétrico.

Além disso, o BMS é de topologia centralizada, e com esse tipo de topologia,

todas as informações de tensão, temperatura e parâmetros de segurança são proces-

sadas em uma única central. Isso é vantajoso pois há apenas dois possíveis pontos de

falha de conexão, assim evitando projeto e manufatura de placas intermediárias para

processar as informações antes de enviar pro BMS.

45

Muitos outros parâmetros foram elencados, incluindo se há um sistema ativo

de arrefecimento, quantas células podem ser monitoradas (tensão e temperatura), vol-

tímetros isolados do BMS, e se há uma comunicação via protocolo CAN.

2.7.1 Dimensionamento do banco de baterias

Para dimensionamento do banco de baterias, utiliza-se o valor de energia ob-

tida na simulação de tempo de volta realizada noOptimumLap. Neste caso simula-se o

circuito do autocross em uma volta rápida, extraindo máxima performance do veículo,

utilizando a curva para potência de pico. Com isso, o software disponibiliza o consumo

energético em 𝑘𝐽 para o trajeto simulado, este valor então é convertido para 𝑘𝑊ℎ

através de um código implementado em Matlab com objetivo de conhecer a energia

total consumida pelo veículo para o Endurance, prova de maior distância percorrida.

O valor obtido para energia do autocross é então multiplicado por 22 para co-

nhecer o consumo no total da prova (Endurance). Os dados da célula utilizada também

são informados, sendo a tensão da célula (𝑉𝐵𝑎𝑡𝑡) e capacidade (𝐶𝐵𝑎𝑡𝑡). Dados como a

tensão nominal do conjunto motor e conversor de frequência (𝑉𝐶𝑜𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜𝑟) também são

utilizadas, através da Equação 17, pode ser obtido o valor total da energia em 𝑘𝑊ℎ

necessário para completar o percurso, o fator de segurança (𝐹𝑆) adotado é de 1,2.

Energia𝑘𝑊ℎ = 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎𝑂𝑝𝑡𝑖𝑚𝑢𝑚𝐿𝑎𝑝(𝑘𝑊ℎ) × 𝐹𝑆 (17)

Com o valor da energia do banco de baterias em 𝑘𝑊ℎ calcula-se então o

valor em 𝑀𝐽 , uma vez que esta informação é importante para obter a quantidade de

módulos necessários no projeto, tal cálculo é descrito na Equação 18.

Energia𝑀𝐽 = 1000 × Energia𝑘𝑊ℎ × 3600106

(18)

Conhecendo a tensão nominal do conversor de frequência utilizado, calcula-se

então a quantidade de células em série (𝑁𝑠𝑒𝑟) que serão utilizadas através da Equa-

ção 19.

𝑁𝑠𝑒𝑟 = 𝑉𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜𝑟

𝑉𝐵𝑎𝑡𝑡(19)

46

Com isso é possível também obter a quantidade de células em paralelo (𝑁𝑝𝑎𝑟)

que serão utilizadas, este número é obtido utilizando a Equação 20.

𝑁𝑝𝑎𝑟 = Energia𝑘𝑊ℎ × 1000𝑉𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜𝑟

× 𝐶𝑐𝑒𝑙𝑢𝑙𝑎 (20)

47

3 MATERIAIS E MÉTODOS

3.1 PROCEDIMENTO DE PROJETO

Todo processo que será descrito neste capítulo é apresentado na Figura 9, o

processo inicia-se pela simulação de tempo de volta no software Optimum Lap, então

obtém-se a resposta dinâmica do veículo e o consumo energético por volta no circuito

pré-determinado. Com estas informações realiza-se o dimensionamento do banco de

baterias, determinando a quantidade de células que o mesmo possuirá. Este projeto

deve ser validado, dessa forma, a curva de potência do modo do veículo para pista é

utilizado, então é realizado uma simulação em Simulink (Anexo A) visando obter as

curvas de potência, tensão, corrente e estado de carga da bateria, verificando se a

mesma consegue fornecer a autonomia necessária, por fim, realiza-se o projeto do

container que acondicionará todos os componentes descritos.

Figura 9 – Procedimento de Projeto.


3.2 PROTÓTIPO UTF117

O protótipo base para esse projeto é o modelo UTF117, primeiro veículo pro-

jetado e construído pela UTForce e-Racing para sua primeira competição nacional no

ano de 2017.

O modelo UTF117 possuía baterias de chumbo ácido tracionárias, tornando-o

excessivamente pesado em comparação com veículos similares da mesma categoria,

sendo assim, todo o desenvolvimento deste trabalho visa o aprimoramento e evolução

do protótipo citado, o carro pode ser visto na Fotografia 5.

Como forma de estimar a massa do novo projeto, realizou-se um estudo de

redução de peso, para isso levantou-se toda massa dos componentes individuais por

área, podendo assim ser definido os requisitos a seres adotados.

48

Fotografia 5 – Protótipo UTF117.


A Gráfico 8 apresenta o peso dos conjuntos por área de projeto do protótipo

UTF117 (em vermelho), é possível notar o impacto que as baterias de chumbo ácido

causam, uma vez que são seis células de aproximadamente 24 𝑘𝑔 cada, além de toda

estrutura do container que acondiciona as mesmas, totalizando em aproximadamente

190 𝑘𝑔.

Gráfico 8 – Estimativa de Peso do Protótipo.


49

Definiu-se uma meta de redução de massa média de 10% em cada área de

projeto mecânico, pois com a troca da tecnologia de bateria utilizada, todo o banco de

baterias possuirá no máximo 80 𝑘𝑔, proporcionando grande redução de massa.

No Gráfico 8 apresenta a massa estimada do protótipo (em azul), dado este

que será utilizado na simulação de tempo de volta, nota-se grande redução no projeto

eletrônico, uma vez que neste considera-se a massa do conjunto de baterias.

3.3 MODELAGEM EM OPTIMUM LAP

3.3.1 Curva de Torque e Potência do Motor

Para modelagem do motor no OptimumLap (OPTIMUMG, 2018) é necessá-

rio incluir os dados das curvas de potência e torque no software. O motor trabalha

com faixa nominal de 10 𝑁𝑚 de torque, porém é possível aumentar até 40 𝑁𝑚, para

dimensionamento considera-se o maior rendimento, ou seja, atuando em máxima per-

formance, a Gráfico 9 apresenta a curva de torque e potência.

É possível notar que o pico de potência ocorre em aproximadamente 4500 𝑟𝑝𝑚

sendo o limite projetado em 9000 𝑟𝑝𝑚, dessa forma, a transmissão é projetada visando

atingir máxima performance dentro dos requisitos apresentados.

Gráfico 9 – Curvas características do motor.

Fonte: (WEG, 2018)

50

3.3.2 Transmissão

Para dimensionar a relação de transmissão ideal realizou-se simulações de

tempo de volta com objetivo de encontrar a melhor configuração para a pista com

as características apresentadas para uma competição de Fórmula SAE. A Figura 10

apresenta o tempo de volta para cada relação de transmissão adotada.

É possível notar que há um ponto ótimo aproximadamente na relação 9 : 1,

atingindo o menor tempo de volta, isso ocorre pois há um limite de performance devido

a curva de potência do motor visto na Gráfico 9. Na relação verificada a rotação do mo-

tor passa a operar com torque torque e potência reduzida, o que caracteriza como um

limiar para os requisitos adotados no projeto, dessa forma, a relação de transmissão

selecionada é 9 : 1.

Figura 10 – Tempo de Volta Para Relação de Transmissão.


3.3.3 Simulação de Tempo de Volta Autocross

Após a seleção da relação de transmissão, a simulação de tempo de volta

pode ser realizada baseado nos requisitos estabelecidos para o Endurance, ou seja,

devido a testes realizados em pista do protótipo UTF117, notou-se que ao configurar

o conversor de frequência em 400% de torque, diversas falhas podem ocorrer compro-

metendo a confiabilidade do carro, dessa forma, optou-se por considerar a operação

nominal do motor durante tal prova.

51

Sendo assim, obteve-se o tempo de volta de aproximadamente 85 𝑠, com um

consumo médio de 700 𝑘𝐽 de energia, a Figura 11 apresenta a variação de velocidade

do protótipo para uma volta rápida com o motor configurado na tensão nominal. A

pista considerada foi uma implementação desenvolvido no Optimum Lap e baseada

em dados de telemetria disponibilizado por equipes que participaram da competição

em anos anteriores.

Figura 11 – Velocidade Durante Volta Rápida.


Através da simulação descrita acima, também é possível obter a curva de

potência do motor durante a volta rápida, o Gráfico 10 apresenta o perfil resultante,

este dado será utilizado para realizar a simulação em Simulink e obter os perfis de

descarga do banco de baterias.

3.3.4 Seleção da Célula de Bateria

Para definição da célula de bateria, realizou-se um estudo buscando comparar

as principais características, bem como disponibilidade de mercado e custo, dessa

forma, as células estudadas estão no Apêndice A.

A definição se deu através de matriz de decisão, pois tal ferramenta é utilizada

para possuir as informações necessárias e mensurar todos os critérios pertinentes de

modo a chegar na decisão ótima (LOPES, 1994).

52

Gráfico 10 – Potência Durante Volta Rápida.


Com base nos resultados da matriz de decisão, as células de bateria sele-

ciondas são do tipo cilíndricas (modelo 18650), com capacidade de 2,5 𝐴ℎ e tensão

nominal de 3,6 𝑉 da fabricante Samsung. Esse modelo de célula Samsung INR18650-

25R (SDI, 2014) são usadas nos módulos do acumulador, onde são fixadas nos su-

portes impressos em 3D, construídos com filamento ABS (FILAMENT2PRINT, 2018),

tais informações são apresentadas na Tabela 3.

Tabela 3 – Parâmetros gerais da célula de bateria Samsung INR18650-25R.Modelo e Fabricante Célula Samsung INR18650-25RCapacidade Nominal Célula 2,5 Ah

Tensão Nominal 3,6 VTensão Máxima 4,2 VTensão Mínima 2,5 V

Corrente Nominal Máxima 20 ACorrente Descarga Máxima 100 A <1 s

Corrente Carga Máxima 4 ATemperatura Máxima (Descarga) 60 °C

Temperatura Máxima (Carga) 45 °CComposição Química Célula LiNiCoAlO2 [NCA]


53

3.4 DIMENSIONAMENTO DO BANCO DE BATERIAS

Com base no consumo obtido de 700 𝑘𝐽 é possível calcular a energia teórica

necessária para o banco de baterias, dessa forma, obtém-se um conjunto de aproxi-

madamente 5 𝑘𝑊ℎ, considerando os dados da célula definida anteriormente, o arranjo

final apresenta configuração 22𝑠22𝑝, to talizando 484 cé lulas, is to é, vinte e duas cé-

lulas são conectadas diretamente em série, e então outras vinte e duas células são

conectadas em paralelo.

Há quatro módulos com configuração 11𝑠11𝑝, de modo a atender a regra

EV3.4.10 (FSAE, 2017), limitando cada módulo em 6 𝑀𝐽 , A Tabela 4 apresenta os

parâmetros gerais do acumulador.

Tabela 4 – Parâmetros gerais do acumulador.Tensão Mínima 60,5 VCC

Corrente Nominal Máxima 440 ACorrente Descarga Máxima 990 A por 10 s

Corrente Carga Máxima 88 AQuantidade Total de Células 484

Capacidade Total 18,3 MJ ou 5,08 kWhNúmero de Módulos <120 VCC 4

Número de Módulos <6 MJ 4Fonte: Autoria própria.

54

4 RESULTADOS E DISCUSSÃO

4.1 EFICIÊNCIA

Através das simulações realizadas é possível validar o dimensionamento do

banco de baterias, para uma volta completa no endurance. Dessa forma, a seguir

será descrito os principais resultados e suas respectivas análises, bem como o projeto

resultante do container.

4.2 VISÃO GERAL

O gráfico 11 apresenta o consumo da bateria durante a simulação total do

endurance, o ciclo adotado foi o obtido com base na curva nominal do motor na si-

mulação de tempo de volta. Baseado nisso o banco de baterias deve fornecer ao

protótipo energia suficiente para percorrer toda a distância prevista no item D8.7.1 do

regulamento.

Tendo como base o ciclo de aproximadamente 85 𝑠 em média para uma volta

na pista, através da análise da curva é possível notar que a mesma entrega energia

suficiente para todo o percurso, validando o dimensionamento com arranjo 22𝑠22𝑝.

Gráfico 11 – Estado de Carga Durante Endurance.


Ao analisar o Gráfico 12 e o Gráfico 13 é possível notar a dinâmica dessas

55

duas variáveis no veículo, uma vez que estas estão relacionadas. Através da análise

da Gráfico 12 é possível notar o comportamento descrito no Capítulo 2, apresentando

tensão nominal em aproximadamente 85 𝑉 e tensão totalmente carregada em aproxi-

madamente 92 𝑉 , os pequenos aumentos de tensão em diversos pontos do ciclo são

oriundos da resposta química das células em função das desacelerações ocorridas

durante a performance do carro em pista.

Gráfico 12 – Tensão Durante Endurance.


Gráfico 13 – Corrente Durante Endurance.


Na Gráfico 13 é possível analisar que a corrente média durante todo o per-

curso foi de aproximadamente 120 𝐴, tendo aumentado na fase final, uma vez que a

demanda da potência continuaria a mesma, a corrente neste caso apresenta picos

com incremento progressivo até o banco atingir níveis de tensão próximo a tensão de

corte, em cerca de 55 𝑉 .

Uma forma de otimizar a performance do banco de baterias é programar o

conversor de frequência de modo que a rampa de aceleração seja tal qual não re-

quisite picos de corrente do banco de baterias, este incremento, porém, pode afetar

a retomada do veículo em saída de curvas, afetando consequentemente sua perfor-

mance de tempo de volta.

Outra forma de otimizar é através do treinamento de piloto, orientando-o a

acionar os pedais de acelerador e freio de modo a evitar picos de corrente no banco

de baterias, ganhando assim performance dinâmica e energética. Este pode ser o

modo mais complexo, uma vez que os pilotos de Fórmula SAE são alunos das próprias

equipes e muitos sem experiência de pista, o que faz com que seja um trabalho difícil

e a longo prazo.

O Gráfico 14 e o Gráfico 15 apresentam a potência requisitada no eixo do mo-

tor, de acordo com o resultado da simulação de tempo de volta, como no endurance

56

é considerado a operação do motor do carro em regime nominal, a potência requisi-

tada atinge os níveis desejados, tendo a potência média em torno de 7 𝑘𝑊 , porém

este dado sozinho não pode ser usado para analisar o comportamento do banco de

baterias, uma vez que há perdas entre o eixo do motor e o banco de baterias, dessa

forma, a Gráfico 14 apresenta a potência real exigida do banco de baterias, nota-se

claramente uma perda de energia de aproximadamente 20%.

Gráfico 14 – Potência requerida da bateria naprova de Enduro.


Gráfico 15 – Potência no eixo requerida naprova de Enduro.


4.2.1 Configuração das Células

O banco de baterias é arranjado em 22 células em série, conectadas em 22

células em paralelo. Essas células são fixadas em suportes (Figura 12) impressos

em 3d (FILAMENT2PRINT, 2018), polímero, com capacidade de 121 células (cada

suporte – sendo um para cada extremidade do conjunto de células) com configuração

de 11𝑠11𝑝. Esses suportes estão em conformidade com o item EV3.4.3 do regulamento

(FSAE, 2017), em que diz que o todo material que faz parte do container deve seguir

o padrão internacional 𝑈𝐿 94 𝑉 −0 (UL, 2013) relacionado a flamabilidade do material.

Foram feitos também de forma que o encaixe das células fossem seguros e não se

soltem com vibração.

Há furos nesses suportes onde se encaixam os sensores de temperatura para

o devido monitoramento e contam também com parafusos 4 𝑚𝑚 conectados direta-

mente nos polos das células de bateria (Figura 13 e Figura 14) interligados por meio

de chapas de cobre (caminho de alta corrente).

As chapas de cobre que interligam as células são anexadas por meio de pa-

rafusos sextavados 4 𝑚𝑚 e para garantir a fixação são utilizados arruelas padrão

57

Figura 12 – Suporte de fixação das células.


Figura 13 – Vista superior.


Figura 14 – Vista inferior.


𝐷𝐼𝑁 463 (EUSTANDARD, .), com duas abas onde uma aba é dobrada e se prende

a porca anexada ao parafuso e a outra na chapa de cobre. Assim garantindo que a

porca não se solte do parafuso e mantendo o contato entre as chapas de cobre e o

parafuso.

O acumulador é separado em quatro seções isoladas (Figura 15), cada se-

ção contendo um stack de 11𝑠11𝑝 de células de bateria. Cada stack tem uma tensão

máxima de 46,2 𝑉 e uma capacidade de energia de 4,57 𝑀𝐽 . As seções internas do

acumulador são isoladas fisicamente por paredes de alumínio, essas paredes por sua

vez são isoladas eletricamente das células de baterias pela fita de poliamida Kapton

(DUPONT, 2017) e pelo suporte impresso em 3d (FILAMENT2PRINT, 2018), ambos

creditados pelo padrão internacional 𝑈𝐿 94 𝑉 − 0 (UL, 2013) e não condutivos.

Há uma proteção contra sobrecorrente individual das células de baterias atra-

vés de fusíveis (LITTELFUSE, 2018) específicos de uso automotivo. Os fusíveis (LIT-

58

Figura 15 – Vista interior do container.


TELFUSE, 2018) individuais são feitos de zinco e são anexados entre a porca e a

arruela do terminal de cada célula de acordo com a Figura 13 e garantem a proteção

do sistema.

4.2.2 BMS

Optou-se por utilizar no projeto o BMS Orion (EWERTENERGY, 2018) (Ta-

bela 5) da empresa Ewert Energy Systems. Esse BMS é comercialmente disponível

e projetado para aplicações específicas de VEs e híbridos, assim podendo-se traba-

lhar em ambientes severos e intempestuosos com temperaturas variando de −40∘𝐶

até +80∘𝐶. Ele é vendido em versões que começam com um monitoramento de 12

células e vão até 108 células com a possibilidade de monitoramento de diferentes ti-

pos químicos de células. Como há 22 células em série para monitorar, foi adquirido o

modelo de BMS que suporta até 24 células.

O BMS pode monitorar a tensão de cada célula (SDI, 2014) ou conjunto

(quando em paralelo) de 0,5 𝑉 a 5 𝑉 estando de acordo com a norma EV3.6.2. O

acumulador consiste em células de lítio, onde a tensão máxima de circuito aberto é

4,2 𝑉 e tensão mínima de circuito aberto é configurada em 2,75 𝑉 . A resolução de

monitoramento é na ordem de 1,5 𝑚𝑉 com conversor AD do BMS de 12 bits. Se a

tensão chegar nos limites configurados; ou se algum erro é detectado pelo BMS; ou a

59

temperatura monitorada exceder os 60 ∘𝐶 de limite configurados, os relés de isolação

são abertos e consequentemente ativa o sistema de shutdown. Onde ocorre conexão

entre Alta Tensão, do inglês High Voltage (HV) e Baixa Tensão, do inglês Low Vol-

tage (LV), dentro do acumulador há uma isolação galvânica entre os sistemas. Todo

cabeamento dos sensores são isolados eletricamente e galvanicamente pelo BMS.

Tabela 5 – Especificações BMS Orion.Especificação Elétrica Mínimo Típico Máximo UnidadeTensão de Alimentação 8 12 16 VCC

Corrente de Alimentação - Ativo 250 mACorrente de Alimentação - Modo Sono 650 uA

Temperatura de Operação -40 +80 °CFaixa de Monitoramento Tensão 0,5 5 VErro de Monitoramento Tensão 0,25 %

Corrente de Balanceamento Célula 200 mA

4.2.2.1 Monitoramento de Temperatura das Células

As células (SDI, 2014) são monitoradas por sensores de temperatura do

tipo Coeficiente de Temperatura Negativo, do inglês Negative Temperature Coeffici-

ent (NTC) com um range de monitoramento de −55∘𝐶 a +125∘𝐶. São utilizados 160

termistores dispostos com uma distância menor que 10 𝑚𝑚 do terminal negativo de 2

células adjacentes, essas células foram escolhidas de forma que foi feito um monito-

ramento mais homogêneo possível do conjunto de 484 células, sendo para cada stack

40 sensores. Assim nos proporciona obter um monitoramento total de 320 células,

pois cada termistor monitora 2 células adjacentes.

Cada termistor irá conferir a temperatura da célula (SDI, 2014) não podendo

passar dos 60∘𝐶 na descarga e 45∘𝐶 na carga. Ele é conectado diretamente ao

BMS Orion (EWERTENERGY, 2018) através de um Módulo Expansor de Termistores,

sendo cada módulo podendo expandir até 80 termistores, assim utilizamos 2 módu-

los expansores nos permitindo um monitoramento de 66% das células (SDI, 2014),

atendendo aos requisitos da EV3.6.3 e EV3.6.6.

60

5 CONCLUSÕES E PERSPECTIVAS

O projeto de um Fórmula SAE Elétrico envolve diferentes requisitos que são

definidos por um regulamento fornecido pela SAE Internacional. Para a categoria elé-

trica, uma das principais requisições é projetar um carro capaz de percorrer uma prova

de 22 𝑘𝑚, para isso deve ser desenvolvido um projeto que vise robustez, confiabilidade

e segurança.

Todo o desenvolvimento do mesmo passa principalmente pelo dimensiona-

mento dos componentes mecânicos e elétricos, tais como, suspensão, transmissão e

banco de baterias. Este último de extrema importância, uma vez que é o que dita a

autonomia do veículo para atingir o objetivo de completar tal distância.

Ao dimensionar um banco de baterias é necessário possuir informações a res-

peito do comportamento dinâmico do carro, dessa forma, realizar simulação de tempo

de volta onde visa testar a resposta dinâmica do protótipo a diferentes variáveis de

projeto é extremamente válido. Uma vez que pode fornecer como resultado a potência

necessária e consequentemente a energia para o banco de baterias.

O presente trabalho visou o dimensionamento e validação por software do

banco de baterias de um protótipo Fórmula SAE Elétrico da equipe UTForce e-Racing,

bem como a seleção das células e do BMS, o último diretamente ligado a confiabili-

dade e segurança do projeto e também o projeto do container que acondicionará todos

estes componentes.

Tendo como base um motor elétrico de indução trifásico de 6 𝑘𝑊 de potên-

cia nominal, projetou-se um banco de baterias em configuração 22𝑠22𝑝, com energia

total de 5,08 𝑘𝑊ℎ, capaz de fornecer autonomia ao veiculo durante toda a prova do

Endurance.

Os resultados mostram que nesta configuração é possível que o carro com-

plete todo o percurso de 22 𝑘𝑚, mesmo com perdas de energia nos componentes.

Formas para otimizar a autonomia foram propostas, como interferir na programação

do conversor de frequência e realizar treinamento de piloto.

Portanto, para um protótipo de Fórmula SAE Elétrico, um banco de baterias

com 4,35 𝑘𝑊ℎ nominais, nas condições consideradas, pode fornecer energia necessá-

ria para percorrer toda a prova de endurance, fornecendo confiabilidade, além disso a

61

seleção do BMS mostra-se como uma boa estratégia para garantir segurança ao con-

junto, permitindo atingir os objetivos especificados no regulamento da Formula SAE.

62

REFERÊNCIAS

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APÊNDICES

67

APÊNDICE A – TABELA MATRIZ DE DECISÃO DA CÉLULA DE BATERIA

ANEXOS

69

ANEXO A – DIAGRAMA DE BLOCOS EM SIMULINK

Documents

Dimensionamento e projeto de banco de baterias para um