Avaliao experimental do desempenho de bicicletas e motociclos convencionais e eltricos em contexto urbano

Magno Andr Nunes Mendes

Dissertao para obteno do Grau de Mestre em

Engenharia Mecnica

Jri

Presidente: Professor Mrio Manuel Gonalves da Costa

Orientador: Doutora Patrcia de Carvalho Baptista

Co-orientador: Doutor Gonalo Nuno de Oliveira Duarte

Vogal: Professor Miguel Perez Neves guas

Outubro 2013

ii

Resumo

Uma das principais aplicaes das bicicletas e de motociclos eltricos reside nos sistemas de

partilha destes veculos em circuito urbano, pelo que o principal objetivo deste trabalho consistiu em

analisar possveis percursos de partilha de bicicletas e de motociclos na cidade de Lisboa, quantificando

a energia despendida, tempos de realizao dos percursos, perfil de conduo e nas bicicletas, estimar o

esforo humano. Neste trabalho, foram monitorizadas 3 bicicletas e 3 motociclos convencionais e

eltricos, tendo sido desenvolvida metodologia para quantificar a potncia necessria em cada instante

de conduo. No caso dos motociclos, esta metodologia foi denominada por MSP e no caso das

bicicletas por BSP. Para as bicicletas, foi ainda desenvolvida uma metodologia que permite quantificar a

energia despendida pelo ciclista associada utilizao das bicicletas. O padro de utilizao das

bicicletas e motociclos eltricos e convencionais semelhante nos modos negativos de BSP e MSP,

mas difere nos modos positivos. Verificaram-se variaes de 11,1% e -22,6% na velocidade mdia para

a utilizao de bicicletas e motociclos eltricos respetivamente, face utilizao das suas verses

convencionais. Na anlise dos possveis percursos de partilha de veculos, a utilizao duma bicicleta

eltrica leva reduo da variao do ritmo cardaco (-48,1%), bem como a uma reduo no consumo

total de energia (-11,1%) e no tempo de viagem (-9,5%), quando comparado com a convencional. No

geral, a utilizao de um motociclo eltrico permite a reduo no consumo de energia (-58,5%) e o

aumento no tempo de viagem (35,6%), quando comparado com o convencional.

Palavras-Chave:

Monitorizao em estrada; bicicletas; motociclos; BSP; MSP; sinais fisiolgicos.

iii

Abstract

One of the main applications of electric bicycles and motorcycles is in sharing systems in urban

environments. The main objective of this work was to quantify the energy consumption, time of travel,

driving profile and, in the bicycles case, estimate the human effort of possible routes of bicycles and

motorcycles sharing systems in Lisbon. In this study, 3 electric and conventional bicycles and 3 electric

and conventional motorcycles were monitored, and a methodology was developed to quantify the power

required in each driving second. In the case of motorcycles, this methodology was named MSP and, in

the case of bicycles, BSP. Furthermore, for bicycles a methodology was developed to quantify the cyclist

expended energy associated with the use of the bicycle, which was based on the measurement of heart

rate. For the negative modes of MSP and BSP, conventional and electric motorcycles and bicycles

demonstrated a similar pattern, but for positive modes their behavior differs. There are variations of

11.1% and -22.6% in average speed for use the electric bicycles and motorcycles respectively, compared

to the conventional versions. In the analysis performed on the possible routes of sharing systems, the

electric bicycle always allows a reduction in the variation of heart rate (-48.1%), in the overall energy

consumption (-11.1%) and in the travel time (-9.5%) when compared with the conventional bicycle. In

general, the use of an electric motorcycle allows a reduction in energy consumption (-58.5%) and an

increase in travel time (35.6%) compared to the conventional motorcycle.

Key-Words:

On-road monitoring; bicycles; motorcycles; BSP; MSP; physiological signals.

iv

Agradecimentos

Primeiramente gostaria de expressar a minha imensa gratido s seguintes empresas: Prio.e;

EMEL; Ecocritrio e EDP Valor, pois sem as suas colaboraes no teria sido possvel a realizao

deste trabalho.

Agradeo a todos os que participaram nas monitorizaes para a recolha de dados deste

trabalho, em especial ao Doutor Gonalo Gonalves, Jorge Alves e Ricardo Lopes.

Agradeo minha orientadora, Doutora Patrcia de Carvalho Baptista, e ao meu Co-orientador,

Doutor Gonalo Nuno de Oliveira Duarte, pelo seu incessvel empenho e dedicao, pelo vasto

conhecimento transmitido, pela constante motivao que me transmitiram e ideias sugeridas, pelas

inmeras revises que efectuaram a este documento e sobretudo pela cumplicidade e pelo bom

ambiente que proporcionaram.

Como no podia deixar de ser, agradeo aos meus familiares mais chegados nomeadamente

minha Me, Irm, Padrasto e Cunhado pelo apoio constante e incondicional transmitido em todos os

momentos da minha vida, pela compreenso e amor demonstrado ao longo desta importante etapa.

No poderia deixar de agradecer a todos os meus amigos, de uma forma especial ao Renato

Ribeiro, Joo Sargo, Antnio Ramos e Joaquim Ornelas, por toda a amizade, companheirismo,

solidariedade e esprito de entreajuda que se estabeleceu entre ns, o que me permitiu ter a fora

necessria durante estes 5 anos de curso.

Por fim e no menos importante, agradeo ao meu Pai, que estar para sempre presente na

minha memria!

v

vi

ndice Resumo ......................................................................................................................................................... ii

Abstract ......................................................................................................................................................... iii

Agradecimentos ........................................................................................................................................... iv

ndice de Figuras ............................................................................................................................................ viii

ndice de Equaes ....................................................................................................................................... x

ndice de Tabelas ......................................................................................................................................... xii

Lista de smbolos ........................................................................................................................................ xiv

1 Introduo ............................................................................................................................................. 1

1.1 Enquadramento ............................................................................................................................. 1

1.2 Contextualizao de mobilidade eltrica ...................................................................................... 2

1.3 Utilizao de bicicletas e de motociclos em contexto urbano ....................................................... 5

1.4 State-of-art relativo monitorizao em operao real de bicicletas e motociclos ...................... 7

1.5 State-of-art relativo determinao do esforo humano durante o exerccio fsico .................. 10

1.6 Objetivos ..................................................................................................................................... 12

2 Metodologia ......................................................................................................................................... 13

2.1 Definio de veculos e percursos monitorizados ....................................................................... 13

2.2 Laboratrio de monitorizao em estrada .................................................................................. 15

2.3 Recolha e processamento de dados .......................................................................................... 16

2.4 ADVISOR .................................................................................................................................... 17

2.5 Potncia especfica nos veculos de duas rodas ........................................................................ 20

2.5.1 Potncia especfica nos motociclos (MSP) ......................................................................... 23

2.5.2 Potncia especfica nas bicicletas (BSP) ............................................................................ 26

3 Resultados .......................................................................................................................................... 30

3.1 Caracterizao dinmica dos veculos ....................................................................................... 30

3.1.1 Potncia especfica nos motociclos (MSP) resultados ....................................................... 30

3.1.2 Potncia especfica nas bicicletas (BSP) resultados .......................................................... 40

3.2 Dados fisiolgicos ....................................................................................................................... 48

3.3 Aplicaes a casos de estudo..................................................................................................... 54

3.3.1 Motociclos ........................................................................................................................... 54

3.3.2 Bicicletas ............................................................................................................................. 61

4 Concluses e Indicaes para um trabalho futuro.............................................................................. 68

4.1 Concluses .................................................................................................................................. 68

4.2 Indicaes para um trabalho futuro ............................................................................................ 71

5 Referncias bibliogrficas ................................................................................................................... 73

Anexo A Tabelas com os valores dos grficos ........................................................................................... I

Anexo B Aplicaes especficas da BE2 ................................................................................................... V

vii

viii

ndice de Figuras

Figura 2.2-1 - BE1, ME1, BE2 e ME2 respetivamente com o ciclista/motociclista a transportar o

laboratrio ...................................................................................................................................... 15

Figura 2.2-2 - BC com o ciclista transportando o laboratrio e MC ............................................................ 15

Figura 2.2-3 - Equipamento utilizado .......................................................................................................... 16

Figura 2.2-4 - Interface de aquisio de dados .......................................................................................... 16

Figura 2.4-1 - Imagem do layout do ADVISOR. Primeira janela: Escolha dos componentes do veculo, e

insero dos dados e valores nominais para cada componente ................................................... 18

Figura 2.4-2 - Segunda janela do layout do ADVISOR: Insero das propriedades da simulao ........... 19

Figura 2.4-3 - Resultados de uma simulao ............................................................................................. 19

Figura 2.4-4 - Diagrama de blocos do Simulink/MATLAB que rege a simulao do ADVISOR (62) ......... 20

Figura 2.5-1 - Diagrama de corpo livre de um motociclo ............................................................................ 22

Figura 2.5-2 - Frequncia cumulativa de todos os MSP, calculados a partir dos dados medidos em

estrada, utilizando os motociclos eltricos (ME1 e ME2) e o motociclo convencional (MC) ......... 24

Figura 2.5-3 - Frequncia cumulativa de todos os BSP, calculados a partir dos dados medidos em

estrada, utilizando as bicicletas eltricas (BE1 e BE2) e a bicicleta convencional (BC) ............... 28

Figura 3.1-1 - Distribuio temporal (%) pelos diferentes modos de MSP para os dois tipos de motociclos

........................................................................................................................................................ 31

Figura 3.1-2 - Distribuio temporal (%) pelos diferentes modos de MSP para o MC ............................... 32

Figura 3.1-3 - Distribuio temporal (%) pelos diferentes modos de MSP para o ME1 ............................. 33

Figura 3.1-4 - Distribuio temporal (%) pelos diferentes modos de MSP para o ME2 ............................. 33

Figura 3.1-5 - Distribuio temporal (%) pelos diferentes modos de MSP para os trs motociclos .......... 34

Figura 3.1-6 - Energia consumida por modo de MSP para o ME1 ............................................................. 34

Figura 3.1-7 - Mapa de eficincia de um motor eltrico (77) ...................................................................... 36

Figura 3.1-8 - Energia consumida por modo de MSP para o ME2 ............................................................. 36

Figura 3.1-9 - Energia consumida por modo de MSP para o MC............................................................... 38

Figura 3.1-10 - Variao da velociade mdia com o declive da estrada .................................................... 41

Figura 3.1-11 - Distribuio temporal (%) pelos diferentes modos de BSP para todas as bicicletas

testadas .......................................................................................................................................... 42

Figura 3.1-12 - Distribuio temporal (%) pelos diferentes modos de BSP para a BC .............................. 43

Figura 3.1-13 - Distribuio temporal (%) pelos diferentes modos de BSP para a BE1 ............................ 43

Figura 3.1-14 - Distribuio temporal (%) pelos diferentes modos de BSP para a BE2 ............................ 44

Figura 3.1-15 - Distribuio temporal (%) pelos diferentes modos de BSP para a BE (BE1+BE2) ........... 44

Figura 3.1-16 - Distribuio temporal (%) pelos diferentes modos de BSP para a BC e BE ..................... 45

Figura 3.1-17 - Energia consumida por modo de BSP para a BE1 ............................................................ 45

Figura 3.1-18 - Energia consumida por modo de BSP para a BE2 ............................................................ 46

Figura 3.1-19 - Energia consumida por modo de BSP para a BE .............................................................. 46

ix

Figura 3.2-1 - Relao entre BSP e (

) para o total das monitorizaes ............................................... 49

Figura 3.2-2 - Relao entre BSP e (

) para o total a BE e BC ............................................................. 50

Figura 3.2-3 - Energia global que despendida pelo ciclista em funo do HR ........................................ 51

Figura 3.2-4 - EE por modo de BSP para a BC e para a BE ...................................................................... 52

Figura 3.2-5 - Total de energia consumida por km, para a BC e para BE ................................................. 53

Figura 3.3-1 - Maxi scooter eltrica monitorizada nos casos de estudo, ME3 ........................................... 54

Figura 3.3-2- Distribuio temporal (%) MSP percurso do Saldanha para o ME3 ..................................... 56

Figura 3.3-3 - Distribuio temporal (%) de MSP percurso da Cidade Universitria para o ME3 .............. 57

Figura 3.3-4 - Distribuio temporal (%) MSP percurso do Saldanha para o MC ...................................... 57

Figura 3.3-5 - Distribuio temporal (%) de MSP percurso da Cidade Universitria para o MC ............... 58

Figura 3.3-6 - Estimativa da distribuio temporal de MSP para o ME2 no percurso do Saldanha,

monitorizado com o MC ................................................................................................................. 59

Figura 3.3-7 - Estimativa da distribuio temporal de MSP para o ME2 no percurso da Cidade

Universitria, monitorizado com o MC ........................................................................................... 59

Figura 3.3-8 - Distribuio temporal (%) pelos diferentes modos de BSP percurso do Castelo ................ 61

Figura 3.3-9 - Distribuio temporal (%) pelos diferentes modos de BSP percurso do Belm .................. 62

Figura 3.3-10 - Distribuio temporal (%) pelos diferentes modos de BSP percurso do Saldanha ........... 62

Figura 3.3-11 - Distribuio temporal (%) pelos diferentes modos de BSP percurso da Cidade

Universitria ................................................................................................................................... 62

Figura 3.3-12 - Estimativa da distribuio temporal de BSP para a BE no percurso do Castelo ............... 64

Figura 3.3-13 - Estimativa da distribuio temporal de BSP para a BE no percurso de Belm ................. 65

Figura 3.3-14 - Estimativa da distribuio temporal de BSP para a BE no percurso do Saldanha............ 65

Figura 3.3-15 - Estimativa da distribuio temporal de BSP para a BE no percurso da Cidade

Universitria ................................................................................................................................... 65 Figura B1 - Influncia das mudanas mecnicas no consumo no modo Pedal ........................................... V

Figura B2 - Velocidade mdia da mesma viagem em trs modos diferentes ............................................. VI

Figura B3 - Acelerao mdia da mesma viagem em trs modos diferentes ............................................. VI

Figura B4 - Potncia consumida por km na mesma viagem em trs modos diferentes ............................ VII

Figura B5 - Energia consumida por km na mesma viagem em trs modos diferentes ............................. VIII

x

ndice de Equaes

Equao 2.5-1 - Equao do VSP para ligeiros ......................................................................................... 20

Equao 2.5-2 - Equao do VSP para pesados ....................................................................................... 20

Equao 2.5-3 - Deduo do MSP ............................................................................................................. 22

Equao 2.5-4 - Equao do MSP reorganizada ....................................................................................... 23

Equao 2.5-5 - Equao genrica do MSP............................................................................................... 23

Equao 2.5-6 - Equao do BSP .............................................................................................................. 26

Equao 2.5-7 - Equao genrica do BSP ............................................................................................... 27

Equao 3.2-1 - EE em funo do HR segundo a referncia (58) ............................................................. 50

Equao 3.2-2 - EE em funo do HR segundo a referncia (56) ............................................................. 51

Equao 3.2-3 - EE em funo do HR segundo a referncia (57) ............................................................. 51

Equao 3.2-4 - EE em funo do HR, equao mdia ............................................................................. 51

xi

xii

ndice de Tabelas

Tabela 2.1-1 - Caractersticas dos veculos monitorizados ........................................................................ 13

Tabela 2.1-2 - Caracterizao dos percursos efetuados ............................................................................ 13

Tabela 2.1-3 - Distribuio dos motociclos pelos diferentes percursos ..................................................... 14

Tabela 2.1-4 - Distribuio das bicicletas pelos diferentes percursos ........................................................ 14

Tabela 2.5-1 - Distribuio da VSP por modos .......................................................................................... 21

Tabela 2.5-2 - Valores encontrados nas seguintes referncias (72), (73), (74) ......................................... 23

Tabela 2.5-3 - Valores usados para cada varivel do MSP ....................................................................... 23

Tabela 2.5-4 - Anlise para o agrupamento do MSP em modos................................................................ 25

Tabela 2.5-5 - Agrupamento da metodologia MSP em 17 modos.............................................................. 25

Tabela 2.5-6 - Valores encontrados na seguinte referncia (70) ............................................................... 27

Tabela 2.5-7 - Valores usados para cada varivel do BSP ........................................................................ 27

Tabela 2.5-8 - Anlise para o agrupamento do BSP em modos ................................................................ 29

Tabela 2.5-9 - Agrupamento da metodologia BSP em 11 modos .............................................................. 29

Tabela 3.1-1 - Estatstica de viagem para os diversos percursos para MC, ME1 e ME2 .......................... 30

Tabela 3.1-2 - Comparao entre o motociclo convencional os motociclos eltricos ................................ 31

Tabela 3.1-3 - Eficincia do ME1 nos modos de MSP positivos ................................................................ 35

Tabela 3.1-4 - Eficincia do ME2 nos modos de MSP positivos ................................................................ 37

Tabela 3.1-5 - Eficincia do MC nos modos de MSP positivos .................................................................. 38

Tabela 3.1-6 - Verificao dos perfis de consumo dos motociclos eltricos .............................................. 39

Tabela 3.1-7 - Diferena entre o consumo real e o estimado do ME1 e ME2 ............................................ 39

Tabela 3.1-8 - Verificao do perfil de consumo do motociclo convencional ............................................. 39

Tabela 3.1-9 - Diferena entre o consumo do ADVISOR e o estimado do MC .......................................... 39

Tabela 3.1-10 - Estatstica de viagem para os diversos percursos para BC e BE ..................................... 40

Tabela 3.1-11 - Comparao entre a bicicleta convencional (utilizada como referncia) e as bicicletas

eltrica ............................................................................................................................................ 40

Tabela 3.1-12 - Relao entre a velocidade e o declive para a BE e para a BC ....................................... 41

Tabela 3.1-13 - Comparao entre a energia calculada pelo BSP e a fornecida pela bateria da BE........ 47

Tabela 3.1-14 - Verificao dos perfis de consumo das bicicletas eltricas .............................................. 47

Tabela 3.1-15 - Diferena entre o consumo real e o estimado da BE1 e BE2 ........................................... 47

Tabela 3.2-1 - (HR) para a BC e para a BE ........................................................................................... 50

Tabela 3.3-1 - Caractersticas da maxi scooter eltrica monitorizada nos casos de estudo ..................... 55

Tabela 3.3-2 - Estatstica de viagem para os percursos do caso de estudo realizados de MC e de ME3 55

Tabela 3.3-3 - Estatstica de viagem para os casos de estudo com o ME3 ............................................... 56

Tabela 3.3-4 - Diferena entre a distribuio temporal de MSP do MC e do ME2..................................... 58

Tabela 3.3-5 - Estimativa da estatstica de viagem para os casos de estudo com o ME2 ........................ 60

Tabela 3.3-6 - Estatstica de viagem para os percursos do caso de estudo realizados de BC ................. 63

xiii

Tabela 3.3-7 - Diferena entre a distribuio temporal de BSP da BC e da BE ........................................ 64

Tabela 3.3-8 - Estimativa da estatstica de viagem para os casos de estudo com a BE ........................... 66

Tabela 3.3-9 - Resumo dos resultados para os casos de estudo .............................................................. 67 Tabela A1 - Respetivamente em cada linha da tabela esto representados os valores associados aos

grficos presentes na Figura 3.1-1, Figura 3.1-2, Figura 3.1-3, Figura 3.1-4, Figura 3.1-9, Figura

3.1-6 e Figura 3.1-8 ........................................................................................................................... I

Tabela A2 - Respetivamente em cada linha da tabela esto representados os valores associados aos

grficos presentes na Figura 3.3-4, Figura 3.3-5, Figura 3.3-2, Figura 3.3-3, Figura 3.3-6 e Figura

3.3-7 .................................................................................................................................................. I

Tabela A3 - Respetivamente em cada linha da tabela esto representados os valores associados aos

grficos presentes na Figura 3.1-11, Figura 3.1-12, Figura 3.1-13, Figura 3.1-14, Figura 3.1-15,

Figura 3.1-17, Figura 3.1-18 e Figura 3.1-19 ................................................................................... II

Tabela A4 - Respetivamente em cada linha da tabela esto representados os valores associados aos

grficos presentes na Figura 3.2-1, Figura 3.2-2 e Figura 3.2-4 ..................................................... II

Tabela A5 - Respetivamente em cada linha da tabela esto representados os valores associados aos

grficos presentes na Figura 3.3-8, Figura 3.3-9, Figura 3.3-10, Figura 3.3-11, Figura 3.3-12,

Figura 3.3-13, Figura 3.3-14 e Figura 3.3-15 .................................................................................. III

xiv

Lista de smbolos

Siglas

BC Bicicleta convencional

BE Bicicleta eltrica genrica

BE1 Bicicleta eltrica nmero um, cedida pela Prio.e

BE2 Bicicleta eltrica nmero dois, cedida pela Ecocritrio

BEV Na literatura inglesa Battery Electric Vehicle, veculo eltrico a baterias

BPS Na literatura inglesa Bike Power Saver, poupana de potncia em bicicleta

BSP Na literatura inglesa Bicycle Specific Power, potncia especfica nas bicicletas

CO2 Dixido de carbono

CV Na literatura inglesa Conventional Vehicle, veculo convencional

DLW Na literatura inglesa Doubly Labelled Water, mtodo para estimar o consumo de energia do corpo

humano

EE Na literatura inglesa Energy Expenditure, consumo de energia do corpo humano

EEBC Energy Expenditure para a bicicleta convencional

EEBE Energy Expenditure para a bicicleta eltrica

EU-27 27 Estados-Membros da Unio Europeia

EV Na literatura inglesa Electric Vehicle, veculo eltrico

FPGA Na literatura inglesa Field-Frogrammable Gate Array, controlador de um motociclo eltrico

GHG Na literatura inglesa GreenHouse Gases, gases de efeito estufa

GPS Na literatura inglesa Global Positioning System, sistema de posicionamento global

HEV Na literatura inglesa Hybrid Electric Vehicles, tecnologia de veculos eltricas

HR Na literatura inglesa Hear Rate, frequncia cardaca

MC Motociclo convencional

ME Motociclo eltrico genrico

ME1 Motociclo eltrico nmero um, cedido pela EMEL

ME2 Motociclo eltrico dois, cedido pela Ecocritrio

ME3 Motociclo eltrico trs, cedido pela EPD Valor

MSP Na literatura inglesa Motocycle Specific Power, potncia esfecfica nos motociclos

P1 Percurso nmero um

P2 Percurso nmero dois

P3 Percurso nmero trs

P4 Percurso nmero quatro

P5 Percurso nmero cinco

P6 Percurso nmero seis

PA Na literatura inglesa Pedal Assist, tecnologia de bicicletas eltricas

PC Na literatura inglesa Personal Computer, computador pessoal

xv

PEV Na literatura inglesa Personal Electric Vehicle, veculo eltrico pessoal

PHEV Na literatura inglesa Plug-in Hybrid Electric Vehicles, tecnologia de veculos eltricas

POD Na literatura inglesa Power On Demand, tecnologia de bicicletas eltricas

SO2 Dixido de enxofre

TTW Na literatura inglesa Tank-To-Wheel

USB Na literatura inglesa Universal Serial Bus

VSP Na literatura inglesa Vehicle Specific Power, potncia especfica nos veculos

WTW Na literatura inglesa Well-To-Wheel

Smbolos alfabticos

A rea frontal do conjunto ciclista/motociclista e bicicleta/motociclo

a Acelerao da bicicleta/motociclo

C Coeficiente de resistncia aerodinmica

CR Coeficiente de rolamento

EU_BC Energia til para a bicicleta convencional

EU_BE Energia til para a bicicleta eltrica

g Acelerao da gravidade

m Massa do conjunto ciclista/motociclista e bicicleta/motociclo

v Velocidade da bicicleta/motociclo

vv Velocidade do vento

Smbolos gregos

Eficincia do corpo humano

Fator de massa

Eficincia do motor eltrico

Inclinao da estrada

Densidade do ar ambiente

1

1 Introduo

1.1 Enquadramento

O sector dos transportes tem enfrentado desafios crescentes em termos de consumo de energia,

emisses e congestionamento. O sector mencionado, (o qual inclui transportes rodovirios, ferrovirios,

aviao internacional e domstica e navegao domstica) em 2011 foi responsvel por 33% da energia

final consumida, sendo que a componente rodoviria foi responsvel por 81,7% desse consumo (1), de

acordo com valores referentes aos 27 Estados-Membros da Unio Europeia (EU-27).

Em 2011 o sector dos transportes nos EU-27 teve a seu cargo 63,8% do consumo dos produtos

derivados do petrleo, sendo a componente rodoviria responsvel por 82,6% desse consumo (1). Em

relao s emisses de gases de efeito estufa (GHG) - expressos em CO2 equivalente - o sector dos

transportes foi responsvel em 2009 por 25% das emisses totais, pertencendo 71,7% dessas emisses

ao sector rodovirio (2).

Torna-se importante realar que tanto os valores do consumo de energia como das emisses dos

GHG tm vindo a aumentar consecutivamente de ano para ano desde 1990, de acordo com dados da

Comisso Europeia (2).

Em Portugal o contexto um pouco mais preocupante, visto o sector dos transportes em 2011 ter

sido responsvel por cerca de 40% da energia final consumida no pas, sendo que a componente

rodoviria foi responsvel por 82,3% desse consumo (1). Em 2011, o sector dos transportes consumiu

76,5% dos produtos derivados do petrleo, tendo a componente rodoviria contribudo com 81,9% desse

consumo (1). Este sector foi ainda, responsvel por 29,3% das emisses totais de GHG em Portugal no

ano de 2009, sendo que 78,8% dessas emisses estiveram na responsabilidade do sector dos transportes

rodovirios (2).

Ao longo dos ltimos 20 anos, o crescimento do nmero de veculos per capita, tambm

aumentou substancialmente. Nos EU-27, em 1991, existiam 334 automveis de passageiros (categoria

que abrange txis e automveis de passageiros com menos de 10 assentos) por 1000 habitantes. Em

2002 esse valor subiu para 440, e dados mais recentes apontam para 473 automveis de passageiros por

1000 habitantes em 2009. Em Portugal, no ano de 1991, existiam 183 automveis de passageiros por

1000 habitantes, em 2002 este nmero j era de 549, indicando um elevado aumento da taxa de

motorizao do pas (2).

De forma a reduzir a energia consumida, bem como obter uma diminuio nas emisses dos

GHG, a abordagem tradicional passa pela melhoria da eficincia dos veculos e pela introduo de

tecnologias de veculos e combustveis alternativos (3).

Em termos de tecnologias de veculos alternativos e fontes de energia alternativas, o uso de

hidrognio e eletricidade tm vindo a ser considerados como uma oportunidade para reduzir

significativamente a quantidade de CO2 emitido pelo sector dos transportes, alm de que, poder

proporcionar o aumento da penetrao das energias renovveis (4). A utilizao de veculos a hidrognio

ou eltricos introduz benefcios em sistemas urbanos, resultado da ausncia de rudo e de emisses

2

locais. Contudo, estas tecnologias enfrentam ainda diversas dificuldades que as impedem de se

estabelecer no mercado como uma verdadeira alternativa, nomeadamente a falta de infraestrutura de

abastecimento e o custo mais elevado dos veculos. Alm disso, mesmo que comecem a ser incorporadas

no mercado, s conseguiro ter impacto a longo prazo, devido baixa taxa renovao associada s frotas

(5).

Esta abordagem direcionada para a alterao das tecnologias no ser completamente bem-

sucedida se no existir uma mudana no comportamento da populao, de forma a tornar-se mais

eficiente no modo como utiliza os diferentes tipos de transporte. As medidas essenciais para reduzir o

impacto do sector dos transportes, principalmente em ambientes urbanos, passam por diminuir os gastos

energticos associados aos transportes, fornecer alternativas mais econmicas, menos ruidosas e mais

sustentveis comparativamente s viagens dirias de carro.

Existem trs modelos alternativos de transporte possveis: os sistemas de transporte pblico

(autocarro, comboio, metro, entre outros), sistemas de partilhas de veculos (aplicado a carros, motociclos

e bicicletas) e modos de transporte alternativos tais como andar a p, bicicleta privada, entre outros (6).

De acordo com o exposto, a promoo de cada uma destas alternativas requer o desenvolvimento

de diversas polticas de transporte que incentivem a populao a utiliz-las. Regra geral, em todas as

cidades, encontra-se institudo algum tipo de sistema de transporte pblico, por outro lado o sistema de

partilha de veculos e os meios de transporte alternativos so sistemas mais recentes e que necessitam

ainda de ser promovidos (7). Nesse sentido, este trabalho pretende realar a aplicabilidade da utilizao

urbana de bicicletas convencionais e eltricas, assim como de motociclos eltricos, ao nvel energtico e

em termos de dinmica, uma vez que se tratam de alternativas mais sustentveis.

1.2 Contextualizao de mobilidade eltrica

Aps aproximadamente um sculo no qual os motores de combusto interna dominaram o sector

dos transportes, comeam a emergir tecnologias de veculos alternativas, sendo os hbridos gasolina-

eltrico (HEV) os que mais se evidenciaram, seguidos pelos hbridos Plug-in (PHEVs) e finalmente os

veculos eltricos a bateria (BEVs) (8). A adoo em larga escala deste tipo de veculos poder trazer

mudanas significativas para a sociedade, tanto a nvel das tecnologias utilizadas para o transporte de

pessoas e bens, assim como a possibilidade de reduzir a dependncia para com o mercado petrolfero e,

desta forma, diminuir o impacto ambiental causado pelos transportes.

Nos ltimos anos, a mobilidade eltrica tem vindo a ganhar visibilidade com o seu surgimento no

mercado de diversos veculos. Alm do mais, alguns governos tm promovido medidas de incentivo

adoo destas tecnologias.

Mais detalhadamente, os veculos que incluem uma componente eltrica para a locomoo do

veculo esto separados essencialmente em trs grupos:

3

Veculos hbridos (HEV, do ingls Hybrid Electric Vehicles), combinam o motor de combusto

interna com um motor eltrico para atingir maior eficincia e, consequentemente, menor consumo

de combustvel comparativamente a veculos de porte similar equipados somente com motor de

combusto interna (9). Alguns dos HEVs disponveis no mercado incluem: Toyota Prius, Ford

Escape Hybrid, Honda Civic Hybrid e Lexus RX450h.

Plug-in Hybrid Electric Vehicles (PHEVs), tm um motor de combusto interna, tal como os

HEVs, mas possuem um conjunto de baterias de maior capacidade, capaz de propulsionar o

veculo por distncias entre 30 a 100 km (10). Alm disso, as baterias dos PHEVs esto aptas

para ser totalmente carregadas ligando uma ficha rede eltrica. Os PHEVs so mais eficientes

em modo totalmente eltrico, no entanto, tm ao seu dispor a possibilidade de usar combustveis

fsseis para viagens longas. Alguns exemplos de PHEVs atualmente no mercado so o Chevrolet

Volt, Opel Ampera e Toyota Prius Plug-in Hybrid.

BEVs (do ingls Battery Electric Vehicle), cuja propulso advm exclusivamente de baterias

eltricas recarregveis. Estas baterias so geralmente de maior capacidades que as dos PHEVs e

possuem autonomias de at 160 km quando completamente carregadas (9). Se a eletricidade

utilizada no carregamento dos BEVs for de fontes renovveis, este modo de transporte ter 0% de

emisses de GHG. Nissan Leaf, Mitsubishi i-MiEV e Tesla Roadster so exemplos de BEVs (9).

No que concerne aos sistemas de carregamento do veculo, em Portugal, o condutor tem sua

disposio duas vias: conectar o veculo rede eltrica atravs da sua casa; ou recorrer rede de

carregamento pblica, rede Mobi.e (11), constituda por cerca de 1300 postos de carregamento pblicos

distribudos por todo o pas.

Em 2008, havia menos de 500 mil veculos hbridos vendidos em todo o mundo, sendo o mercado

de hbridos Plug-in e veculos eltricos a bateria limitados s tecnologias existentes na poca ou a

veculos de alta qualidade fabricados por produtores especializados. Embora atualmente os EVs (do

ingls Electric Vehicle) em toda a sua totalidade representem uma poro muito pequena do nmero total

de veculos de passageiros, amplamente esperado que os EVs experimentem um rpido crescimento

nas prximas dcadas (12). Em Portugal, as vendas de EVs atingiram o pico em 2011 com cerca de 200

unidades vendidas, tendo decado desde ento. Num estudo de 2009, a JP Morgan estimou que, at

2020, 11 milhes de veculos eltricos poderiam ser vendidos em todo o mundo, incluindo 6 milhes na

Amrica do Norte (13), o que significa que quase 20% do mercado norte-americano e 13% do mercado

global de transportes poder ser representado por EVs.

Em 2010, foram criadas normas bsicas e infraestruturas, mas ainda necessrio completar

regulamentos e preencher lacunas que afastam a garantia de um mercado forte, seguro e sustentvel

(12). Outra questo importante a ter em considerao o desenvolvimento do equipamento de

carregamento e o tempo necessrio para recarregar as baterias do veculo eltrico, que dependem da

capacidade total de energia que pode ser armazenada na bateria, e da potncia disponvel a partir do

carregador da bateria (14).

4

O lanamento destas bases permitiu que a mobilidade eltrica tambm comece a se estender aos

veculos de duas rodas, com principal prevalncia no mercado asitico. Em 1995 o governo de Taiwan,

em conjunto com as indstrias locais, desenvolveu prottipos de motociclos eltricos (15). Nos dias de

hoje, os motociclos eltricos so considerados uma tecnologia pouco poluente os quais possuem

capacidades para substituir os tradicionais motociclos que por sua vez usam combustveis derivados do

petrleo, sendo tambm consideradas como um nicho de mercado vivel e uma indstria com potencial

em diversos pases (16), (17), (18).

Regra geral, a configurao do motociclo eltrico constituda por dois subsistemas: o sistema de

propulso e o sistema de gesto de energia. O primeiro converte a energia eltrica em energia mecnica

que propulsiona o veculo; o segundo sistema responsvel pela coordenao entre a fonte de energia,

as baterias, e a energia proveniente do sistema de travagem regenerativo. O sistema de gesto de

energia e o de propulso esto divididos em diversos componentes: unidade de fonte de energia, o

mdulo eletrnico de mudana de velocidades, o mdulo de travagem regenerativa, um controlador em

FPGA (Field-Programmable Gate Array), e o motor eltrico, que pode estar inserido na roda traseira (hub

motor) ou no interior do motociclo, sendo o movimento transmitido a roda traseira atravs de uma correia

de distribuio (19).

Os veculos eltricos pessoais (PEVs do ingls Personal Electric Vehicle) emergiram como uma

nova categoria de dispositivos de transporte na dcada de 1990. Os PEVs so veculos que transportam

um nico passageiro em distncias de viagem de 1 a 10 km e utilizam a eletricidade como fonte de

energia motriz, estando as bicicletas eltricas includas nessa categoria de veculos. Os veculos eltricos

pessoais oferecem vrios benefcios aos consumidores e a toda a sociedade, incluindo menores custos de

transporte, reduo nos tempos de viagem, possibilidade de realizar maiores distncia e menor impacto

ambiental (20). Uma srie de fatores, incluindo melhorias na tecnologia das baterias e dos motores, esto

a contribuir para o surgimento de bicicletas eltricas com maior alcance e melhor desempenho. A bicicleta

eltrica moderna, surgiu no Japo no incio de 1980, onde o foco foi no sentido de tornar o ciclismo mais

fcil para os idosos (21)

Ao examinar a tecnologia de bicicletas eltricas, importante comear por distinguir entre dois

tipos:

Bicicletas PODs (Power On Demand), nas quais o motor funciona com o acelerador (throttle)

podendo mesmo fornecer assistncia sem qualquer ao do ciclista na pedaleira; e

Bicicletas PAs (Pedal Assist), nas quais a assistncia s fornecida quando o ciclista pedala.

Em alguns modelos existe a possibilidade do ciclista selecionar diversos nveis de assistncia,

existindo ainda modelos onde possvel desligar a assistncia eltrica e tornando a bicicleta

eltrica numa bicicleta convencional.

Estes dois tipos de bicicletas existem amplamente por todo o mundo, existindo ainda bicicletas

que combinam estas duas tecnologias.

5

Nas bicicletas eltricas a assistncia fornecida por um motor eltrico (hub motor) que pode estar

na roda dianteira ou traseira, ou por um motor eltrico que se encontra na pedaleira da bicicleta. Alguns

modelos com hub motor possuem sistemas de regenerao durante as travagens ou nas descidas. Os

componentes das bicicletas eltricas podem ser divididos em quatro grupos principais: as peas comuns

bicicleta convencional, o motor eltrico, os componentes eletrnicos e as baterias. Todos estes

componentes tm sido alvo de vrios desenvolvimentos. Pode existir ainda, um sensor de binrio

incorporado na pedaleira, que utilizado para detetar quando o ciclista necessita de maior ou menor

assistncia (22).

No entanto, todas estas tecnologias apresentam custos de aquisio mais elevados

comparativamente s bicicletas convencionais, dificultando assim a adeso massiva a esta tecnologia. As

bicicletas eltricas, em mdia, tm um custo 1500 euros superior ao da bicicleta convencional regular, que

por sua vez tm um custo mdio de 240 euros (23), (24), (25). Uma opo menos onerosa implica a

compra de um kit aplicvel numa bicicleta convencional e que a torna numa bicicleta eltrica. Os kits

custam, em mdia, 780 euros.

1.3 Utilizao de bicicletas e de motociclos em contexto urbano

A utilizao de bicicletas e de motociclos permite que as pessoas se movimentem em zonas

urbanas de forma mais rpida e por distncias mais longas, do que conseguiriam realizar a p. Em muitos

pases em desenvolvimento, nomeadamente na sia, os veculos de duas rodas so primordialmente

escolhidos para a mobilidade individual.

Em vrias cidades Europeias e Americanas, a implementao de infraestruturas para bicicletas

tem vindo a aumentar, nomeadamente com os sistemas de partilha de bicicletas e com a construo de

ciclovias (26). Adotar a bicicleta ou o motociclo como meio de transporte em ambientes urbanos muito

vantajoso uma vez que permite aos utilizadores deslocarem-se a velocidades mais elevadas em curtas

distncias, alm de que o uso da bicicleta inclui ausncia de emisses e acarreta ainda benefcios para a

sade (27).

Um nmero crescente de cidades tem vindo a integrar as bicicletas na mobilidade quotidiana dos

seus cidados em ambientes urbanos. Desta forma, alguns pases apresentam uma parcela significativa

de viagens realizadas usando bicicletas, como o caso da Holanda (26%), Dinamarca (18%) e Alemanha

(10%) (28). Na cidade de Amesterdo, 38% de todas as viagens, em 2008, foram feitas utilizando

bicicletas, com 50% dos moradores de Amsterdo a andar de bicicleta diariamente e 85% a us-las pelo

menos uma vez por semana (29).

A promoo da utilizao da bicicleta e do motociclo na mobilidade urbana exige o

desenvolvimento de polticas e infraestruturas especficas que abranjam a viagem a todos os nveis, seja

durante a viagem propriamente dita (promoo de trajetos com pouco trfego e construo de ciclovias,

no caso das bicicletas), parques de estacionamento adequados para bicicletas e motociclos (oferta de

6

locais seguros), e facilidade na movimentao ao redor da cidade (atravs da integrao das bicicletas e

dos motociclos com os sistemas de transportes pblicos).

Existem mais de 500 sistemas de partilha de bicicletas (bike sharing) em todo o mundo, dos quais

40 utilizam bicicletas eltricas (30), em que a zona de maior concentrao situa-se na Europa,

constituindo cerca de 78% do nmero total de sistemas (26). Em mdia, cada sistema de partilha tem

duas bicicletas por 1000 habitantes e cada bicicleta utilizada, em mdia, em sete viagens de 2 km por

dia (26).

Embora o uso de bicicletas convencionais em contexto urbano tenha sido promovido com

significativo sucesso em vrias cidades, nomeadamente em Paris e Londres (31), (32), existem ainda

vrios problemas que tm de ser enfrentados de forma a atingir o uso generalizado. Alguns dos principais

problemas identificados quanto ao uso quotidiano de bicicletas convencionais para o transporte urbano

so: a dificuldade de viajar distncias muito longas, dificuldade em superar zonas de declive acentuado, a

possibilidade de chegar a um destino, como por exemplo o trabalho, com sudao intensa ou cansao

fsico (33), exposio a climas frios ou quentes demais, entre outros. Contrariando este panorama, pases

do Norte da Europa apesar dos seus climas frios tm demonstrado taxas significativamente elevadas no

uso de bicicletas e em cidades com topografias rduas, como o caso de Lisboa, comearam a promover

o uso de bicicletas atravs da criao de ciclovias e do estudo da possibilidade da incluso de sistemas

de partilha de bicicletas (34), (35).

Atendendo s consideraes anteriores, parte dos problemas referidos podem ser superados

atravs da utilizao de bicicletas eltricas (33). De forma geral, esperado que a utilizao de bicicletas

eltricas possa ajudar a reduzir o esforo humano necessrio para a realizao de determinadas viagens,

bem como reduzir o tempo de viagem. Porm, esta tecnologia ter um custo mais elevado, devido ao

sistema eltrico e ao consumo de energia eltrica que da advm. Outra possibilidade para a resoluo

dos problemas apresentados no pargrafo anterior a introduo de motociclos eltricos, que solucionam

os mesmos problemas que a bicicleta eltrica, embora com custo de aquisio mais elevado e com um

maior consumo de energia. Apesar disso, esse consumo ser mais baixo que o apresentado por um

motociclo convencional, sendo que o motociclo eltrico tem ainda a vantagem da ausncia de rudo e de

emisses locais.

Uma das principais aplicaes das bicicletas eltricas em sistemas de partilha de bicicletas,

estando vrios sistemas a ser implantados em todo o mundo, estes sistemas tambm podero incorporar

a partilha de motociclos eltricos. O sistema de partilha The Callabike system, em Aquisgrano, na

Alemanha, foi recentemente implantado, possuindo 15 bicicletas, todas eltricas (36). A cidade de

Kitakyushu, no Japo tambm apresenta um sistema de partilha completamente eltrico, com 116

bicicletas (37). Cidades como St. Etienne e Poitiers na Frana possuem sistemas mistos de partilha, com

bicicletas convencionais e eltricas, com uma proporo de 15% e 26% entre bicicletas eltricas e

convencional respetivamente para cada uma dessas cidades (38), (39).

7

1.4 State-of-art relativo monitorizao em operao real de bicicletas e motociclos

Apesar das grandes expectativas em relao s bicicletas e motociclos eltricos, tm sido feitos

poucos estudos no sentido de compreender e quantificar os benefcios reais destes dois meios de

transporte em ambiente urbano. Estudos anteriores abordam essencialmente os seguintes aspetos: o

desenvolvimento da bicicleta/motociclo eltrico, a interao humana com a bicicleta/motociclo e respetivos

sistemas de bike/motorcycle-sharing e impactos ambientais.

Relativamente ao desenvolvimento da bicicleta/motociclo eltrico, verificam-se as seguintes reas

de anlise:

Melhoria na eficincia do sistema transmisso e do sistema travagem regenerativa em

motociclos eltricos, tendo-se concludo que a utilizao de supercondensadores e de sistemas de

travagem regenerativa poder aumentar a autonomia do veculo em 20% (19);

Desenvolvimento de baterias para motociclos e bicicletas eltricas (40). Os autores defendem

que o crescimento na procura dos motociclos e bicicletas eltricas , em grande parte, devido s

melhorias efetuadas nas baterias de chumbo e ao surgimento das baterias de ltio. As baterias de

chumbo tm em mdia um valor de energia especfica de 34 Wh/kg, por sua vez baterias de ltio

apresentam uma energia especfica mdia de 106 Wh/kg. No entanto, os autores afirmam que,

devido ao seu custo elevado, improvvel que as baterias de ltio venham a substituir por

completo as baterias de chumbo;

No que concerne interao entre o indivduo e a bicicleta/motociclo, inclui-se questes como a

aceitao dos sistemas de partilha de bicicletas e de motociclos, interao entre utilizadores de ciclovias e

o seu desenho, interao entre ciclistas e automobilistas, perfis de utilizao de bicicletas eltricas e

impactos ao nvel humano:

Anlise das caractersticas dos utilizadores e da aceitao das bicicletas e motociclos eltricos

na China (41). Os autores referem que nas diferentes cidades da China no existe unanimidade

quanto aos benefcios do uso destas tecnologias eltricas. Algumas cidades tm estas tecnologias

como uma alternativa vivel e de baixo custo quando comparado com outros meios de mobilidade,

enquanto que outras cidades so mais cticas quanto a estas tecnologias eltricas, devido aos

possveis impactos ambientais, interferncia com o trnsito e por questes de segurana. Outro

estudo efetuado nos Estados Unidos da Amrica (33) conclui que a maioria das pessoas que

possuem uma bicicleta eltrica a utiliza para substituir a utilizao da bicicleta convencional ou at

mesmo do carro, mas estas no so vistas com substitutas para a utilizao de motos ou

motociclos. O potencial conflito entre utilizadores de bicicletas eltricas e convencionais uma

preocupao, visto que as diferenas de velocidade durante o ciclismo podem representar um

problema;

Questes de segurana na interao entre a circulao automvel e a circulao de bicicletas.

No estudo desenvolvido por Wenga et al. (42), os autores apresentam uma srie de fatores de

converso, que possibilitam converter a circulao de bicicletas em unidades de trfego

8

automvel, permitindo assim coordenar mais facilmente a circulao automvel com a circulao

de bicicletas e dessa forma aumentar a segurana dos utilizadores em questo.

No que diz respeito utilizao da bicicleta, num estudo de Bai (43) conclui-se que, durante o

tempo de anlise, mais de 10% dos ciclistas de bicicletas eltricas apresentaram comportamento

de risco ao atravessar cruzamentos, 1,42 superior aos ciclistas com bicicleta convencional. Passar

um sinal vermelho a infrao mais comum cometida pelas ciclistas. As situaes de incidentes

entre automveis e bicicletas, onde o automobilista o culpado, acontecem 2,5 vezes mais com

bicicletas eltricas quando comparado com bicicletas convencionais. Os incidentes entre

automveis e bicicletas, onde o ciclista culpado, acontecem 2 vezes mais com bicicletas

eltricas quando comparado com bicicletas convencionais;

Diversas anlises sobre partilha de bicicletas (bike sharing) (26), (44), (45). Em suma, estes

trs estudos concluem que a chave para o sucesso dos programas de partilha de bicicletas a

localizao das estaes de bicicletas, a sua relao com a procura, a relao com o sistema de

transporte pblico e a forma como a rede est estruturada (distribuio dos postos na rea

urbana);

Comparao entre os tempos de viagem, em circuito urbano, quando esta realizada de

bicicleta eltrica ou de bicicleta convencional, e definio das diferentes estratgias de utilizao

de assistncia eltrica numa bicicleta eltrica (46). Os autores afirmam que no circuito de estudo a

utilizao de uma bicicleta eltrica fez com que a velocidade mdia aumentasse cerca de 16% em

relao atingida com a bicicleta convencional. A primeira estratgia de utilizao da bicicleta

eltrica consiste em utilizar um grande nvel de assistncia eltrica em declives positivos e uma

assistncia mais baixa em declives neutros e ainda mais baixa para declives negativos. Na

segunda estratgia, o ciclista utiliza mais assistncia eltrica nos declives positivos, a assistncia

decresce nos declives negativos, e atingindo os valores mais baixos nas zonas planas. Por fim, a

terceira estratgia de utilizao consiste em utilizar sempre um nvel de assistncia elevado

independentemente do declive;

Quantificao da velocidade e caracterizao da acelerao em relao ao perfil da estrada e

outros fatores que influenciam uma viagem, a fim de fornecer dados para planear, projetar e

avaliar ciclovias (47), atravs de monitorizaes experimentais com bicicletas convencionais. Os

autores deste estudo afirmam que, no grupo de ciclistas estudados, o sexo do ciclista no

influncia nas velocidades atingidas, sendo que o fator que mais influncia na velocidade o

declive da estrada. Em circuito plano a mdia de velocidades atingida foi de 21,6 km/h. Os

ciclistas menos experientes atingiram velocidades inferiores a mdia, mas expectvel que com o

aumento da experincia venham a aproximar-se dessa velocidade mdia;

Avaliao biomecnica de como o ser humano aplica fora ao pedalar numa bicicleta

convencional. Shan (48) analisa um novo sistema, denominado BPS (Bike Power Saver),

9 * TTW (Tank-To-Wheel) Energia consumida pelo veculo durante a circulao em estrada.

** WTW (Well-To-Wheel) Total da energia consumida pelo veculo, desde a extrao/produo do combustvel at a

circulao em estrada.

o qual tem como objetivo alterar o angulo de aplicao da fora no pedal e assim rentabilizar a

fora aplicada. Neste estudo o autor concluiu que o novo sistema no altera significativamente o

movimento do quadril nem do joelho, mas faz variar o movimento do tornozelo e que esta variao

provoca instabilidade no mesmo. Essa instabilidade exige mais esforo por parte do ciclista e,

consequentemente, faz com que este atinja a fadiga mais rapidamente. Noutro trabalho foram

estudadas formas de rentabilizar a fora aplicada no pedal atravs das mudanas mecnicas da

bicicleta (49), os autores concluem que um sistema com poucas mudanas pode ter uma

performance equivalente a um sistema de engrenagens com vrias mudanas. esperado que a

reduo do nmero de mudanas, sem perda de eficincia fisiolgica, torne o sistema de

mudanas mais fcil de utilizar;

Quantificao do esforo humano durante a atividade do ciclismo, utilizando uma frmula que

engloba variveis como velocidade, acelerao, eficincia mecnica da bicicleta, entre outras (50).

Parkin afirma que o declive da estrada influncia a energia despendia pelo ciclista, bem como o

nmero de paragens. Uma simples paragem num cruzamento pode levar a um aumento de 10%

na energia consumida;

A avaliao dos impactos energticos tambm foi alvo de estudos, nomeadamente, a comparao

com outros meios de transporte:

Comparao de consumos e de emisses entre motociclos eltricos, convencionais e veculos

no Reino Unido (51). Neste estudo, os autores afirmam que um motociclo eltrico tem um

consumo: TTW* (Tank-To-Wheel) de 0,10 kWh/km; WTW** (Well-To-Wheel) de 0,45 MJ/km, e que

o total de emisses de GHG de 49 gGHG/km. Os autores referem ainda que o motociclo eltrico

utiliza 6,1 vezes menos energia e emite 5,9 vezes menos GHG por quilmetro do que o veculo

mais vendido no Reino Unido em 2008. O motociclo eltrico necessita de 2,9 vezes menos

energia e emite 2,7 vezes menos GHG por quilmetro do que um motociclo convencional de porte

semelhante;

Estimativa dos impactos ambientais comparando o ciclo de vida das bicicletas eltricas com o

ciclo de vida de outros meios de transporte (autocarros) na China (52). Este estudo afirma que a

bicicleta eltrica tem emisses mais elevadas de SO2 (devido queima de carvo para produo

de eletricidade) quando comparada com um autocarro. No entanto, as emisses de outros

poluentes so mais baixas na bicicleta eltrica. As emisses de poluentes por parte da bicicleta

eltrica esto fortemente relacionadas com o mix de energia eltrica utilizado no seu

carregamento. As emisses associadas ao processo de produo de baterias, reciclagem e fim-

de-vida das mesmas tambm so uma preocupao;

Os resultados apresentados nestes estudos so influenciados por diversas variveis, tais como a

experincia dos ciclistas/motociclista, a estrada, o trfego e a existncia ou no de ciclovias, ou seja,

10

diferem com a metodologia utilizada. Uma vez que este trabalho reala a utilizao citadina de bicicletas

convencionais e eltricas, assim como de motociclos eltricos na cidade de Lisboa e a sua possvel

implementao em sistemas de partilha na mesma cidade, importante desenvolver metodologias de

monitorizao que se adaptem a diferentes regies da cidade para se abranger todas as situaes de

viagens e que abranjam grande parte das vertentes em estudo nesta rea, nomeadamente a interao

humana com a bicicleta/motociclo e respetivos impactos ambientais.

1.5 State-of-art relativo determinao do esforo humano durante o exerccio fsico

Uma questo importante que se prende com a utilizao regular de bicicletas como meio de

transporte a quantificao do esforo ou da energia que o ciclista ter que despender para completar um

determinado percurso. Uma outra questo que se levanta se realmente uma bicicleta eltrica far

diminuir o esforo ou energia despendida pelo ciclista quando comparado com uma bicicleta convencional.

No entanto, no foi encontrado nenhum estudo que abordasse diretamente nenhuma destas questes.

Nesse sentido, alguns trabalhos que se debruam sobre a quantificao e tcnicas de medio da energia

humana despendida incluem:

Comparao entre a ventilao e a frequncia cardaca como indicador de consumo de

oxignio durante o exerccio com diferentes intensidades (53). Atravs da monitorizao de

indivduos realizando diferentes tarefas (tais como andar, andar transportando uma certa carga e

trabalho intermitente), concluiu-se que as leituras da ventilao so mais apropriadas do que a

frequncia cardaca para determinar o consumo de oxignio;

Comparao entre a monitorizao da frequncia cardaca e um calormetro indireto, de forma

a avaliar o consumo de energia (54). Na determinao do consumo de energia, para tarefas do

dia-a-dia, os dois mtodos apresentam valores muito semelhantes, 8,6 kcal/dia. No entanto, os

autores defendem que o mtodo que utiliza a frequncia cardaca para a determinao da energia

consumida nas tarefas dirias ainda necessita de melhoramentos.

Estimativa precisa do consumo de energia atravs da frequncia cardaca sem calibrao

individual em laboratrio (55). Utilizando mtodos laboratoriais convencionais de calibrao de

frequncia cardaca (FLEXIND, FLEXALL), a energia consumida, durante os exerccios com bicicleta

ergonmica, pode ser estimada com uma preciso razovel. Os autores afirmam que a

metodologia RRIEST, onde no necessrio calibrao individual da frequncia cardaca, uma

forma precisa e prtica para estimar o consumo de energia.

Comparao entre duas estimativas da energia consumida, a obtida atravs da monitorizao

da frequncia cardaca, e a obtida por um sistema porttil de bobine eletromagntica (56). Os

autores deste trabalho concluram que, para a determinao da energia consumida, o sistema

porttil de bobine eletromagntica mais preciso do que utilizar a frequncia cardaca para esse

11

efeito. Os autores referem ainda que seria interessante utilizar em conjunto a frequncia cardaca

e a ventilao na determinao da energia consumida;

Diversas tcnicas para determinar a energia consumida, com particular detalhe, a tcnica

Doubly Labelled Water (DLW) (57). Neste estudo, os mtodos utilizados para determinar o

consumo de energia dependem de fatores como, o nmero de indivduos monitorizados e o

perodo de monitorizao. Os autores referem ainda que possvel, em estudos com poucos

participantes e com um curto perodo de anlise, determinar com uma preciso razovel a energia

consumida se for utilizado o mtodo de calormetro indireto. Para estudos com durao de 3 a 4

dias prefervel utilizar o mtodo de DLW.

Previso da energia consumida, durante exerccio submximo (ou seja o indivduo nunca ser

testado no mximo das suas capacidades), utilizando leituras da frequncia cardaca (58). Atravs

de testes efetuados a 115 indivduos, em bicicletas ergonmicas e em passadeiras de corrida, os

autores estabeleceram uma equao para determinar a energia consumida por um indivduo

durante o exerccio, que inclui as seguintes variveis: frequncia cardaca, idade, sexo e peso. Os

autores afirmam que possvel determinar, com boa preciso, a energia consumida apenas

utilizando a frequncia cardaca, idade, sexo e peso, e sem necessitar de calibrao individual.

Tendo em considerao alguns resultados destes estudos apresentados ser possvel estabelecer

uma ligao entre a energia consumida durante a atividade do ciclismo, utilizando uma bicicleta eltrica e

uma bicicleta convencional.

12

1.6 Objetivos

Tendo em conta o enquadramento apresentado anteriormente e a reviso bibliogrfica efetuada,

surge a necessidade de realizar o presente estudo sendo que os objetivos especficos propostos para este

trabalho consistiram em:

Efetuar a caracterizao da performance dinmica e energtica em estrada (utilizao

normal) de diferentes bicicletas e motociclos, com foco em tecnologias eltricas;

Comparar os tipos de motociclos e bicicletas monitorizadas (eltricas e convencionais),

nomeadamente de forma a conhecer os diferentes perfis de conduo e de consumo em cada

uma delas, bem como os ganhos de tempo e de consumo na realizao de um percurso; e

Inferir as vantagens da utilizao de uma bicicleta eltrica em relao a uma convencional,

nomeadamente ao nvel do esforo humano.

A elaborao das atividades anteriores possibilitar a aplicao de metodologias desenvolvidas

nestes trabalho a casos de estudo especficos, escolhidos de forma a cobrir possveis percursos de

partilha de bicicletas e de motociclos na cidade de Lisboa. Estes trajetos sero realizados com

diferentes abordagens, incluindo motociclo convencional, bicicleta convencional e motociclo eltrico de

potncia elevada. Tal possibilitar atingir o principal objetivo deste trabalho, isto , para estes possveis

percursos de partilha de bicicletas e de motociclos na cidade de Lisboa, quantificar a energia despendida

(atravs de uma anlise Tank-To-Wheel), tempos de realizao dos percursos, perfil de conduo e no

caso da bicicleta ficar a conhecer o esforo humano.

13

2 Metodologia

2.1 Definio de veculos e percursos monitorizados

O desenvolvimento deste estudo iniciou-se com a seleo dos veculos a monitorizar, sendo que

as especificaes tcnicas dos mesmos so apresentadas na Tabela 2.1-1. Foram tambm definidos os

percursos a monitorizar, apresentados na Tabela 2.1-2.

Tabela 2.1-1 - Caractersticas dos veculos monitorizados

Tabela 2.1-2 - Caracterizao dos percursos efetuados

No que diz respeito aos motociclos eltricos foram selecionadas duas alternativas, uma scooter

normal, de baixa potncia, fornecida pela EMEL (ME1) e uma maxi scooter fornecida pela Ecocritrio

(ME2), com caractersticas distintas nomeadamente potncia mais elevada, como descrito na Tabela

2.1-1.

Relativamente s bicicletas foram selecionados dois modelos: uma pedal assist com diversos

nveis de assistncia eltrica e que foi fornecida pela Prio.E (BE1), e uma bicicleta que pode ser utlizada

como power on demand ou como pedal assist, ou ainda como uma mistura destes dois tipos. Esta

Veculo TipoMarca e

modelo

Potncia

mxima (W)

Bateria

(kWh)

Tipo de

bateria

Mudanas

mecnicas/eltricas

Peso do

veculo (kg)

MCMotociclo

Convencional

kreidler Street

125dd6700 --- --- 5/--- 150

ME1Motociclo

Eltrico

GUEWER

ZWD5052000 1,68 Chumbo ---/--- 80

ME2Motociclo

Eltrico

Ekoway

TL60006000 2,88 Ltio ---/--- 160

BCBicicleta

Convencional

rbita

Alumnio--- --- --- 21/--- 15

BE1Bicicleta

EltricaQWIC Trend2 250 0,36 Ltio 7/6 26

BE2Bicicleta

EltricaEkoway L1 250 0,36 Ltio 6/--- 23

Percurso Tipo Distncia (km)Declive mdio

positivo (rad)

Declive mdio

negativo (rad)

P1 Misto 17,10 0,028 -0,024

P2 Misto 9,81 0,033 -0,033

P3 Plano 9,40 0,022 -0,026

P4 Inclinado 6,43 0,059 -0,048

P5 Misto 8,54 0,037 -0,029

P6 Misto 5,66 0,020 -0,017

Motociclos

Bicicletas

14

segunda bicicleta foi fornecida pela Ecocritrio (BE2). As diferenas entre estes dois conceitos de

bicicletas eltricas esto descritas no captulo 1.2.

De forma a ter um termo de comparao com a tecnologia convencional, foram igualmente

monitorizadas como referncia um motociclo convencional (MC) e uma bicicleta convencional (BC), com

as caractersticas apresentadas na Tabela 2.1-1.

Relativamente aos percursos monitorizados, foram escolhidos seis trajetos, de forma a abranger

diferentes tipos de circuitos em contexto urbano, cobrindo uma vasta gama de condies de operao. Os

percursos P1 e P2 consistiram em tipos de viagens mistas, constitudos por zonas com declives, positivos

e negativos, e zonas planas. Por sua vez, o percurso P3 representou uma viagem realizada

predominantemente em declive nulo. O percurso P4 foi fortemente constitudo por zonas de declives

acentuados, negativos e positivos. Estes quatro percursos foram realizados com motociclos em zonas

com grande afluncia de trnsito.

Os ltimos dois percursos (P5 e P6) foram percorridos de bicicleta, sendo os ciclistas pessoas

saudveis e atlticas, do sexo masculino e com idades entre os 24 e 30 anos. O percurso P5 simulou uma

viagem quotidiana em zona com muito trnsito (por exemplo, uma ida para o trabalho ou para a

faculdade), enquanto o percurso P6 representou uma viagem de lazer com pouca afluncia de trnsito. As

principais caractersticas dos percursos encontram-se sumarizadas na Tabela 2.1-2.

Os diferentes veculos foram monitorizados vrias vezes nos diversos percursos, conforme

definido na Tabela 2.1-3 e Tabela 2.1-4. A distncia total percorrida em cada um dos percursos variou

entre 6,43 e 34,20 km para os motociclos e 5,66 e 42,70 km para as bicicletas monitorizadas, perfazendo

um total de 113,7 km de monitorizao nas bicicletas e 102,6 km nos motociclos.

Tabela 2.1-3 - Distribuio dos motociclos pelos diferentes percursos

Tabela 2.1-4 - Distribuio das bicicletas pelos diferentes percursos

Percurso

Motociclo ME2 MC ME1 MC ME1 MC ME1 MC

Nmero de viagens 2 1 1 1 1 1 1 1

Distncia total

percorrida (km)34,20 17,10 9,81 9,81 9,40 9,40 6,43 6,43

P4P1 P2 P3

Percurso

Bicicleta BE1 BC BE2 BC

Nmero de viagens 5 5 4 1

Distncia total

percorrida (km)42,70 42,70 22,64 5,66

P5 P6

15

2.2 Laboratrio de monitorizao em estrada

Todas as viagens foram monitorizadas atravs do laboratrio de monitorizao de tecnologias

alternativas do IDMEC-IST, constitudo por diversos equipamentos devidamente organizados dentro de

uma mochila. Na totalidade pesava cerca de 8 kg e pode ser facilmente transportado por um ciclista ou

motociclista, como se verifica na Figura 2.2-1 e na Figura 2.2-2.

Figura 2.2-1 - BE1, ME1, BE2 e ME2 respetivamente com o ciclista/motociclista a transportar o laboratrio

Figura 2.2-2 - BC com o ciclista transportando o laboratrio e MC

Este laboratrio foi desenvolvido pela DTEA - Transportes Energia e Ambiente, grupo de

investigao do IDMEC-IST (26), sendo esquematicamente representado na Figura 2.2-3. O laboratrio

incorpora os seguintes equipamentos:

GPS (Garmin GPS map 76CSx), que indica o perfil dinmico da viagem (coordenadas de

latitude e longitude, altitude em metros e velocidade em km/h);

Pina amperimtrica (Fluke i1010) transportada no exterior da mochila para efetuar a leitura

dos fluxos de corrente do sistema propulsor;

Sonda de leitura de voltagem e respetivo divisor de tenso para obter valores na gama 0-10 V;

Sensores de sinais fisiolgicos bioPLUXresearch by PLUX Wireless Biosignals, permitem a

leitura da frequncia cardaca, da intensidade de respirao e acelermetro triaxial;

16

Acelermetro triaxial Corrsys Datron dedicado;

Placa USB NI USB 6210 para aquisio de dados das sondas de corrente e tenso e sinais do

acelermetro;

Computador porttil com solid-state disk, que regista a cada segundo todos os dados

fornecidos pelos equipamentos referidos anteriormente, conforme a interface de comunicao

apresentada na Figura 2.2-4.

Figura 2.2-3 - Equipamento utilizado

Figura 2.2-4 - Interface de aquisio de dados

2.3 Recolha e processamento de dados

Em todos os veculos foi utilizado o GPS, permitindo obter informao sobre a velocidade,

localizao e altitude. A leitura de altitude provm de um altmetro baromtrico integrado no GPS, de

forma a minimizar erros na leitura da altitude devido a flutuaes de presso, o GPS foi colocado no

17

interior da mochila. Para garantir que o GPS no perdesse o sinal, foi colocada uma antena no exterior da

mochila.

Nos motociclos eltricos e bicicletas eltricas, a pina amperimtrica foi utilizada sada da

bateria de forma a obter a leitura da corrente. Alm disso, sempre que possvel foram instaladas sondas

nos terminais da bateria para obteno da leitura da tenso. O sinal proveniente das sondas foi dividido

num circuito eltrico, uma vez que a placa de aquisio utilizada, National Instruments NI USB 6210,

apenas permite realizar leituras de sinais entre 0 10 V.

Todos estes sinais foram registados a cada segundo (a 1 Hz) por um PC, usando um programa

desenvolvido em LabView, verso NI LabView 2009, possibilitando sincronizar todos os dados recolhidos

pelos diversos equipamentos. O computador utilizado possua um disco de estado slido (solid-state disk

PC), de forma a evitar eventuais perdas de informao, provocado pelas movimentaes dentro da

mochila e ao longo do percurso.

A leitura da velocidade atravs do GPS foi utilizada para calcular a distncia percorrida durante a

viagem, a acelerao e o declive da estrada. O declive foi obtido utilizando trs pontos consecutivos

distanciados de 50 metros entre si, estabelecendo com estes pontos uma equao polinomial de segundo

grau. A partir da derivada do polinmio em cada ponto de estudo, obteve-se o declive da estrada em

radianos, tendo este algoritmo sido implementado em MATLAB, verso R2010a.

Utilizando as leituras da pina amperimtrica e as leituras da voltagem, sempre que possvel, foi

calculada a potncia requerida pelo motor a cada instante. Nos casos em que no foi possvel obter as

leituras da voltagem, recorreu-se a catlogos de baterias (59) para obter a queda de tenso com a

descarga das baterias. Integrando estes dados ao longo da viagem, obteve-se o total de energia

consumida em cada viagem.

Foram igualmente recolhidos nos ensaios realizados com as bicicletas convencionais e eltricas

os sinais fisiolgicos (ritmo cardaco e intensidade de respirao) dos ciclistas. Para tal foram utilizados os

sensores da bioPLUXresearch by PLUX Wireless Biosignals e recolhidos estes dados com uma

frequncia de 200 Hz em software prprio do fabricante. Aps um pr-tratamento dos dados pela PLUX,

estes dados foram integrados e sincronizados, segundo a segundo, com restantes dados adquiridos

atravs do software LabView. Devido existncia de algum rudo nas leituras da intensidade de

respirao no foi possvel realizar a anlise da mesma.

2.4 ADVISOR

Visto no estar disponvel o equipamento ou metodologia adequados para medir o consumo de

combustvel em estrada do motociclo convencional foi necessrio recorrer ao software ADVISOR, verso

de 2002, de forma a obter uma estimativa desse consumo. O software ADVISOR (ADvanced Vehicle

SimulatOR) (60), foi desenvolvido pelo National Renewable Energy Laboratory, e consiste num conjunto

de modelos e dados com o objetivo de proceder a simulaes de veculos sob a plataforma MATLAB e

18

Simulink. Possibilita simular veculos convencionais, hbridos e eltricos, fornecendo estimativas de

consumo de combustvel e emisso de poluentes locais.

Cada componente do veculo (conversor de energia/motor, armazenamento de energia/bateria,

transmisso, roda/eixo, entre outros) definido individualmente, estando associado a um ficheiro que

composto essencialmente por cdigo que contm as caractersticas, capacidades, limitaes e mapas de

comportamento consoante o componente (de binrio, velocidade de rotao do motor, eficincia, entre

outros). Estes ficheiros so lidos e utilizados durante a simulao. Desta forma, necessrio adequar com

rigor as caractersticas do veculo em causa de forma a obter resultados coerentes na simulao. Para

simular os percursos efetuados em condies reais de operao, so necessrios como input do

ADVISOR dois ficheiros de cdigo: um contm a informao sobre o declive do percurso a cada instante e

o outro a velocidade a cada instante. Podem ser simulados apenas ciclos de velocidade, nos quais o

ficheiro do declive dispensvel. Os modelos existentes no ADVISOR so na sua maioria empricos e

baseiam-se na extrapolao de resultados e dados laboratoriais. Em seguida esto representadas as trs

janelas principais do layout do ADVISOR, na Figura 2.4-1 encontra-se representada a janela onde se

inserem os dados do veculo, tais como as caratersticas fsicas do veculo, as baterias, o motor, a

transmisso, entre outros.

Figura 2.4-1 - Imagem do layout do ADVISOR. Primeira janela: Escolha dos componentes do veculo, e insero dos

dados e valores nominais para cada componente

A Figura 2.4-2 referente ao percurso onde se quer simular o veculo, aqui possvel observar

graficamente o ciclo de velocidades escolhido bem como os valores de algumas das suas propriedades

(velocidade mxima e mdia, durao da viagem, distncia, declive, entre outras). Nesta janela existe a

possibilidade de alterar as propriedades atmosfricas ambientais, e a hiptese de efetuar testes de declive

e testes de acelerao.

19

Figura 2.4-2 - Segunda janela do layout do ADVISOR: Insero das propriedades da simulao

Os resultados obtidos (Figura 2.4-3) incluem os valores de consumo e emisses de escape,

permitindo inclusive observar os resultados grficos do comportamento do veculo e de alguns dos seus

componentes principais.

Figura 2.4-3 - Resultados de uma simulao

Como ferramenta de anlise iterativa, o ADVISOR utiliza os requisitos de velocidade e de declive

do percurso como variveis de entrada para definir binrios, velocidade e potncia dos vrios

componentes do veculo. uma abordagem feita de trs para frente (backward-facing simulation), onde

a informao escoa no sentido da roda para o sistema de propulso. Os componentes medem as

variveis de entrada, mas apenas fornecem a velocidade ou binrio (ou potncia) que conseguem

disponibilizar face s condies de funcionamento do componente imediatamente anterior, ou seja, o

output dependente do input. Nenhum componente requerer mais potncia do que conseguir utilizar.

Toda a simulao resumida numa arquitetura de diagramas de blocos (Simulink) que rene os ficheiros,

as equaes e os modelos de cada componente (Figura 2.4-4). Contrariamente a este funcionamento de

trs para frente, existe tambm o reverso, aplicado noutros softwares comerciais (por exemplo, PSAT

(61)). Neste caso, numa simulao, includo um modelo de comportamento humano que procura

modelar os comandos de acelerao e travagem durante o percurso. Os dados originados por este

20

mtodo de simulao ocorrem no sentido contrrio, iniciando-se no controlo e circulando em direo

roda e percurso.

Figura 2.4-4 - Diagrama de blocos do Simulink/MATLAB que rege a simulao do ADVISOR (62)

Como o ADVISOR funciona sob a plataforma de MATLAB, a sua preciso de clculo e obteno

de resultados ser a mesma que em funcionamento do MATLAB. O software foi validado por vrias

entidades, entre as quais esto presentes a SAE International (Society of Automotive Engineers), NREL

(National Renewable Energy Laboratory), DOE (Department of Energy), ANL (Argonne National

Laboratory), em que alguns dos relatrios correspondentes podem ser verificados na bibliografia, (63),

(64), (60), (65), (66).

2.5 Potncia especfica nos veculos de duas rodas

Determinar a potncia que requerida por um veculo em estrada, de um modo padronizado, e

traduzir isso em energia pode ser uma tarefa difcil. O VSP (Vehicle Specific Power) uma metodologia

que fornece uma estimativa da potncia por unidade de massa requerida por um veculo em estrada, com

base na dinmica do veculo (velocidade e acelerao) e topografia da estrada. Esta metodologia segue

um modelo road-load e tradicionalmente aplicada a veculos ligeiros e pesados (67), (68), (69), conforme

as equaes seguintes.

Equao 2.5-1 - Equao do VSP para ligeiros

VSP = v [1,1 a + 9,81 sen() + 0,132] + 0,000302 v3

Equao 2.5-2 - Equao do VSP para pesados

VSP = v [a + 9,81 sen() + 0,092] + 0,00021 v3

Este mtodo tem em considerao a resistncia aerodinmica e de rolamento bem como a

topografia da estrada e, combinando estes fatores com a velocidade e acelerao, possvel estimar a

potncia por unidade de massa necessria a cada instante de uma viagem.

21

O VSP permite uma anlise dos dados recolhidos em condies reais de operao dos veculos e

encontra-se adequadamente dividido em 14 modos. Na Tabela 2.5-1 esto representadas os vrios

modos de VSP existentes (67), (68).

Tabela 2.5-1 - Distribuio da VSP por modos

No caso dos veculos, os modos so definidos usando essencialmente duas regras:

1) Idealmente cada modo deve ter uma mdia de emisses significativamente diferente dos

outros;

2) Um nico modo no deve ter o domnio total das emisses estimadas para uma determinada

viagem, portanto foi definido que nenhum modo deve representar mais de 10% das emisses

totais.

Toda a deduo fsica por detrs da metodologia VSP universal e pode ser aplicada a outros

modos de transporte, tais como bicicletas e motociclos. Usando os coeficientes de aerodinmica e de

rolamento adequados, foi definido o BSP (Bicycle Specific Power) e o MSP (Motorcycle Specific Power) de

um modo genrico. A deduo que se segue igual para o BSP e para o MSP diferindo somente nos

respetivos coeficientes. Desta forma, de seguida apresentada a demonstrao do MSP.

Durante uma viagem existem diversas foras a atuar sobre um corpo que devem ser consideradas

nesta anlise: resistncia do ar (drag); resistncia de rolamento das rodas; e a fora da gravidade, que

no perpendicular velocidade se estiver a subir ou a descer. A soma destas foras deve ser zero se o

corpo se deslocar a velocidade constante. Por outro lado, se o corpo est a ser acelerado o somatrio das

foras deve ser igual sua massa multiplicada pela respetiva acelerao. Recorrendo ao diagrama de

corpo livre de um motociclo, esquematizado na Figura 2.5-1, consegue-se facilmente deduzir a Equao

2.5-3, de acordo com o trabalho de Jimenez-Palacios (68).

Modo VSP Definio Modo VSP Definio

1 VSP < -2 2 -2 VSP < 0

3 0 VSP < 1 4 1 VSP < 4

5 4 VSP < 7 6 7 VSP < 10

7 10 VSP < 13 8 13 VSP < 16

9 16 VSP < 19 10 19 VSP < 23

11 23 VSP < 28 12 28 VSP < 33

13 33 VSP < 39 14 VSP 39

22

Figura 2.5-1 - Diagrama de corpo livre de um motociclo

Equao 2.5-3 - Deduo do MSP

MSP =Potncia

Massa=

ddt

(ECintica + EPotencial) + FRolamento v + FAerodinmica v

m

MSP =

ddt (

12 m

(1 + i) v2 +m g h) + CR m g v +

12 a CD. A

(v + vv)2 v

m

MSP = v a (1 + i) + g sen() v + g CR v +1

2 a CD

A

m (v + vv)

2 v

Onde:

v Velocidade da bicicleta/motociclo (m/s);

a Acelerao da bicicleta/motociclo (m/s2);

i Fator de massa, que inclui a massa de translao equivalente dos componentes em

rotao (rodas, engrenagens e eixos) no sistema de trao;

g Acelerao da gravidade (9,81 m/s2);

Inclinao da estrada (radianos);

CR Coeficiente de rolamento;

CD Coeficiente de resistncia aerodinmica;

a Densidade do ar ambiente (1,2 kg/m3);

A rea frontal do conjunto ciclista/motociclista e bicicleta/motociclo (m2);

m Massa do conjunto ciclista/motociclista e bicicleta/motociclo;

vv Velocidade do vento (aqui tomada como 0 m/s);

23

2.5.1 Potncia especfica nos motociclos (MSP)

Reorganizando os termos da Equao 2.5-3 obteve-se a Equao 2.5-4. O Fator de Massa (i)

adotado, que representa a massa de translao equivalente dos componentes em rotao (rodas,

engrenagens e eixos) no sistema de trao, foi de 0,01 (ou seja 1% do total da massa do motociclo), de

acordo com o trabalho de Wilson (70), pois este valor dever ser semelhante ao de uma bicicleta.

Assumiu-se ainda que uma pessoa standard pesa cerca de 70 kg (71).

Equao 2.5-4 - Equao do MSP reorganizada

MSP = v [a (1 + i) + g sen() + g CR] +1

2 a CD

A

m v3

De forma a definir a metodologia do MSP foi necessrio conhecer os vrios valores dos

coeficientes da Equao 2.5-4 para diferentes motociclos (Tabela 2.5-2) e a partir da mdia desses

valores definir os coeficientes que melhor caracterizam a generalidade dos motociclos (Tabela 2.5-3).

Tabela 2.5-2 - Valores encontrados nas seguintes referncias (72), (73), (74)

Tabela 2.5-3 - Valores usados para cada varivel do MSP

Substituindo as variveis da Equao 2.5-4 pelos valores da Tabela 2.5-3 obtm-se a Equao

2.5-5, que define a equao genrica do MSP baseada em coeficientes tpicos.

Equao 2.5-5 - Equao genrica do MSP

MSP = v [1,01 a + 9,81 sen() + 0,137] + 0,00139 v3

Utilizando os dados recolhidos nos testes em estrada e aplicando a metodologia desenvolvida foi

possvel obter o MSP a cada segundo de todas as viagens, de acordo com a velocidade, acelerao e

CoeficientesMotociclo

eltrico

Motociclo

convencional

Motociclo

eltrico

Motociclo

convencional

A (m) 0,60 0,75 0,60 0,60

Cd 0,70 0,60 0,90 0,75

Cr 0,015 0,018 0,014 0,010

m motociclo (kg) 180 170 115 110

Variveis Valores usados Variveis Valores usados

0,01 A 0,65

g 9,81 m motociclo (kg) 140

Cr 0,014 m pessoa (kg) 70

Cd 0,75 1,2

(m s2)

( )a g m

3

(m2)

24

declive. O passo seguinte consistiu em agrupar em modos os diferentes pontos das viagens, tal como no

caso dos veculos. No entanto, no presente trabalho o conjunto de regras de agrupamento dos dados

foram diferentes das aplicadas aos veculos visto tratarem-se de motociclos eltricos, que no tm

qualquer tipo de emisses diretas.

As regras aqui utilizadas para agrupar os diversos MSP em modos foram as seguintes:

1) Agrupar os MSP com valor semelhante (em W/kg);

2) Cada modo de MSP deve estar representado por mais de 1% do tempo total das viagens, o

que significa que se deve dar representatividade a cada modo, sendo complementar com a

regra abaixo;

3) Tem de existir o nmero de modos suficientes de tal forma que a percentagem de tempo na

totalidade dos modos no fique quase toda concentrada num nmero muito limitado de

modos.

A frequncia cumulativa do MSP, de mais de 5 horas de dados recolhidos com o MC, ME1 e ME2,

pode ser vista na Figura 2.5-2. Cerca de 80% dos dados recolhidos esto entre o MSP -3,23 W/kg e

9,75