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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica
DEM/POLI/UFRJ
SIMULAÇÃO DE VEÍCULOS PROPELIDOS A CÉLULA A COMBUSTÍVEL:
TOYOTA MIRAI.
Lucas Fonseca Alexandre de Oliveira
Projeto de Graduação apresentado ao Curso de Engenharia
Mecânica da Escola Politécnica, Universidade Federal do
Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à
obtenção do título de Engenheiro.
Orientador: Prof. Silvio Carlos Anibal de Almeida
Rio de Janeiro, RJ - Brasil
Setembro de 2018
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica
DEM/POLI/UFRJ
SIMULAÇÃO DE VEÍCULOS PROPELIDOS A CÉLULA A COMBUSTÍVEL:
TOYOTA MIRAI.
Lucas Fonseca Alexandre de Oliveira
PROJETO FINAL SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO DE
ENGENHARIA MECÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE
FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS
NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO MECÂNICO.
Aprovado por:
______________________________________________
Prof. Silvio Carlos Anibal de Almeida
______________________________________________
Prof. David Alves Castelo Branco
______________________________________________
Prof. Anna Carla Monteiro de Araújo
RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL
SETEMBRO DE 2018
i
Oliveira, Lucas Fonseca Alexandre
Simulação de veículos propelidos a célula a combustível:
Toyota Mirai. / Lucas Fonseca Alexandre de Oliveira. – Rio de
Janeiro: UFRJ/ Escola Politécnica, 2018.
IX, 75 p.: il.; 29,7 cm.
Orientador: Silvio Carlos Anibal de Almeida
Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/ Curso de
Engenharia Mecânica, 2018.
Referências Bibliográficas: p.68
1.Introdução. 2. Veículo elétrico e elétrico híbrido. 3.
Veículo de célula a combustível. 4. Célula a Combustível. 5.
Software. 6. Modelagem e simulação. 7- Resultados e Análises 8.
Conclusões 9. Sugestões para futuros trabalhos I. Almeida, Silvio
Carlos Anibal. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, UFRJ,
Estudo de parâmetros para avaliação do consumo de combustível
para veículos movidos a célula a combustível através de simulação
usando o software Advisor.
ii
Agradecimentos
À minha mãe, Sônia Aparecida Fonseca Santos, que sempre me motivou a estudar
e lutou contra todas as adversidades para que eu pudesse cursar Engenharia Mecânica na
UFRJ, sendo minha referência em honestidade e perseverança.
Ao meu orientador, Prof. Silvio Carlos Anibal de Almeida, que me acolheu
primeiramente como monitor e me acompanhou nos últimos anos da graduação, sendo
exemplo de bom profissional e acadêmico.
Aos meus amigos do curso de engenharia mecânica, Deborah Canabarro, Iago
Rocha, Carlos Eduardo, Bruna Lamas, Felliphe Goes, Pedro Rodrigues, Vinicius Dennis,
Anna e Luma pelos momentos de descontração que tornaram a graduação mais agradável.
Ao meu amigo, Ayron Ráfaga, por me incentivar a explorar novas áreas.
Aos meus amigos Carlos e Lyang pela amizade e força nesses 5 anos de
graduação.
iii
Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/UFRJ como parte dos
requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Mecânico.
SIMULAÇÃO DE VEÍCULOS PROPELIDOS A CÉLULA A COMBUSTÍVEL:
TOYOTA MIRAI.
Lucas Fonseca Alexandre de Oliveira
setembro 2018
O presente trabalho apresenta uma simulação de veículos propelidos por células
a combustível usando como modelo o veículo Toyota Mirai. O foco dos estudos foi na
redução do consumo de combustível, visando uma maior autonomia dos veículos frente
os atuais obstáculos que esses veículos encontram para aumentar sua penetrabilidade no
mercado automotivo e superar a deficiência de postos de recarga de hidrogênio.
Para o impacto do estado de carga inicial da bateria sobre o consumo do
combustível foi feita uma comparação do desempenho de veículos Plug-in e veículos
híbridos simples. Para o veículo estudado, o Toyota Mirai, os resultados mostraram que
o desempenho da configuração do veículo híbrido Plug-in é significativo maior até cerca
de 300 km.
O grau de hibridização do veículo foi estudo alterando a potência da bateria e
mantendo-se constante a potência da célula a combustível. Os resultados apresentaram
uma melhora no consumo de combustível.
Por fim, avaliou-se o impacto da redução da massa total do veículo no consumo
de energia. Os resultados mostraram uma redução do consumo de aproximadamente
proporcional a redução da massa.
Orientador: Silvio Carlos Anibal de Almeida
Curso: Engenharia Mecânica
Palavras-chave: Advisor, veículo elétrico, célula a combustível.
iv
Undergraduate Project Abstract presented to DEM/UFRJ as a partial fulfilment of the
requirements to obtain the degree of Mechanical Engineer
SIMULATION OF VEHICLES PROPELLED TO FUEL CELL: TOYOTA MIRAI
Lucas Fonseca Alexandre de Oliveira
September 2018
The present work presents a simulation of vehicles propelled by fuel cells using
as model the vehicle Toyota Mirai. The focus of the studies was on reducing fuel
consumption, aiming for greater autonomy of the vehicles in the face of the current
obstacles that these vehicles encounter in order to increase their penetrability in the
automotive market and to overcome the deficiency of hydrogen recharging stations.
For the impact of the initial charge state of the battery on fuel consumption a
comparison was made of the performance of Plug-in vehicles and simple hybrid vehicles.
For the vehicle studied, the Toyota Mirai, the results showed that the configuration
performance of the Plug-in hybrid vehicle is significant up to about 300 km.
The degree of hybridization of the vehicle was studied by altering the power of
the battery and keeping the power of the fuel cell constant. The results showed an
improvement in fuel consumption.
Finally, the impact of the reduction of the total mass of the vehicle in the energy
consumption was evaluated. The results showed a reduction of the consumption of
approximately proportional to reduction of massLucas Fonseca Alexandre de Oliveira
Advisor: Silvio Carlos Anibal de Almeida
Course: Mechanical Engineering
Keywords: Advisor, Fuel cell, Fuel Cell Vehicles
v
Sumário Agradecimentos ................................................................................................................ ii
Índice de Figuras ............................................................................................................ vii
Índice de Tabelas ............................................................................................................. ix
1 Introdução ............................................................................................................... 1
1.1 História dos veículos elétricos ........................................................................... 1
1.2 Objetivo do trabalho .......................................................................................... 3
1.3 Descrição dos capítulos ..................................................................................... 4
2 Veículos elétrico e híbrido ...................................................................................... 5
2.1 Veículo elétrico .................................................................................................. 5
2.2 Veículo Híbrido ................................................................................................. 6
2.2.1 Arquitetura em série ................................................................................... 8
2.2.2 Arquitetura em paralelo .............................................................................. 9
3 Veículo a célula a combustível ............................................................................. 11
3.1 Arquitetura do veículo movida a célula a combustível .................................... 11
3.2 Fluxo de Potência ............................................................................................. 13
3.3 Principais componentes do veículo a célula a combustível ............................. 13
3.4 Grau de hibridização do veículos a célula a combustível ................................ 14
4 Célula a Combustível ........................................................................................... 15
4.1 Energia e eficiência da célula a combustível ................................................... 16
4.2 Tensão da célula a combustível ....................................................................... 17
4.3 Tipos de combustível para a célula a combustível .......................................... 20
4.3.1 Hidrogênio puro ........................................................................................ 20
4.3.2 Metanol ..................................................................................................... 21
4.4 Tipos de células a combustível ........................................................................ 22
4.4.1 Célula a ácido fosfórico – PAFC .............................................................. 24
4.4.2 Célula de óxido sólido – SOFC ................................................................ 24
vi
4.4.3 Célula de membrana polimérica – PFMC ................................................ 25
4.4.4 Células Alcalinas – AFC .......................................................................... 26
4.4.5 Célula de combustível de carbonato fundido – MCFC ............................ 26
4.4.6 Célula de metanol direto ........................................................................... 27
5 Software ................................................................................................................. 28
5.1 Como o ADVISOR funciona ........................................................................... 30
5.2 Usando o ADVISOR ....................................................................................... 31
5.3 O modelo de célula a combustível ................................................................... 35
6 Modelagem e simulação ....................................................................................... 37
6.1 Especificações do Mirai ................................................................................... 37
6.2 Ciclos de Condução ......................................................................................... 38
6.3 Validação do modelo ....................................................................................... 41
7 Resultados e Análises ........................................................................................... 46
7.1 Análise do estado de carga inicial da bateria ................................................... 46
7.2 Estudo do grau de hibridização - DOH ........................................................... 53
7.3 Estudo da temperatura ..................................................................................... 60
7.4 Estudo da redução da massa total do veículo................................................... 63
8 Conclusões ............................................................................................................. 66
9 Sugestões para trabalhos futuros ........................................................................ 67
Referências ..................................................................................................................... 68
Apêndice A – Código Matlab para geração de gráficos ................................................. 70
Apêncie B – Milhas por galão Gasolina Equivalente (MPGGe).....................................75
vii
Índice de Figuras
Figura 2-1 Sistemas de um carro elétrico (EHSANI, et al., 2010) ................................... 6
Figura 2-2- Fluxo de energia para arquitetura em série de veículos híbridos (EHSANI, et
al., 2010) ........................................................................................................................... 9
Figura 2-3 - Fluxo de energia para arquitetura em paralelo (EHSANI, et al., 2010) .... 10
Figura 3-1 - Arquitetura de um veículo de célula a combustível (EHSANI, et al., 2010)
........................................................................................................................................ 12
Figura 4-1 - Funcionamento de uma célula a combustível (EHSANI, et al., 2010)....... 15
Figura 4-2 - Tensão gerada pela célula a combustível (EHSANI, et al., 2010) ............. 19
Figura 4-3 - Curva de potência e eficiência da célula a combustível em função da
densidade de corrente (EHSANI, et al., 2010) ............................................................... 20
Figura 5-1 - Evolução dos Softwares ao longo dos anos (TURKMEN et al, S/D) ........ 29
Figura 5-2 - Diagrama de blocos geral utilizado no Advisor ......................................... 30
Figura 5-3 - Tela 1 do Advisor ....................................................................................... 32
Figura 5-4 - Tela 2 Advisor ............................................................................................ 34
Figura 5-5 - Tela 3 Advisor ............................................................................................ 35
Figura 5-6 - Modelo de veículo movido a célula a combustível do Advisor ................. 36
Figura 6-1 - Velocidade vs Tempo ciclo HWFET ......................................................... 39
Figura 6-2 - Velocidade vs Tempo ciclo UDDS ............................................................ 40
Figura 6-3 - Velocidade vs Tempo ciclo NEDC ............................................................ 41
Figura 6-4 -SOC x Tempo do ciclo - HWFET ............................................................... 44
Figura 6-5 - SOC x Tempo do ciclo - HWFET .............................................................. 44
Figura 6-6 - SOC x Tempo do ciclo – NEDC ................................................................ 45
Figura 7-1 - Comparação MPGGE veículo Plug-In vs não Plug-In Ciclo UDDS ......... 47
Figura 7-2 - Comparação MPGGE veículo Plug-In vs não Plug-In Ciclo HWFET ...... 48
Figura 7-3 - Comparação MPGGE veículo Plug-In vs não Plug-In Ciclo NEDC ......... 48
Figura 7-4 - Consumo em L/km – HWFET ................................................................... 51
Figura 7-5 - Consumo em L/km – UDDS ...................................................................... 51
Figura 7-6 - Consumo em L/km - NEDC ....................................................................... 52
Figura 7-7- Consumo de combustível (MPGGe) x Grau de Hibridização (DOH) - EPA
........................................................................................................................................ 54
Figura 7-8 - Consumo de combustível (MPGGe) x Grau de Hibridização (DOH) - NEDC
........................................................................................................................................ 55
viii
Figura 7-9 - Consumo de combustível (L/km) x Grau de Hibridização (DOH) - EPA e
NEDC ............................................................................................................................. 56
Figura 7-10 - Consumo de combustível (MPGGe) x Grau de Hibridização (DOH) – EPA
........................................................................................................................................ 57
Figura 7-11 - Consumo de combustível (MPGGe) x Grau de Hibridização (DOH) –
NEDC ............................................................................................................................. 58
Figura 7-12 - Consumo de combustível (L/km) x Grau de Hibridização (DOH) – EPA 59
Figura 7-13 - Consumo de combustível (L/km) x Grau de Hibridização (DOH) - EPA e
NEDC ............................................................................................................................. 60
Figura 7-14 - Consumo (L/km) x Temperatura inicial da célula a combustível ............ 62
Figura 7-15 - MPGGe x Temperatura inicial da célula a combustível .......................... 62
Figura 7-16 - MPGGe x Massa do veículo - HWFET .................................................... 64
Figura 7-17 - MPGGe x Massa do veículo - UDDS ...................................................... 64
Figura 7-18 - MPGGe x Massa do veículo – NEDC ...................................................... 65
ix
Índice de Tabelas
Tabela 1 - Resumo das características dos tipos de veículos Híbridos ............................ 7
Tabela 2 - Tipos de célula a combustpivel ( WENDET, et. all ) .................................... 23
Tabela 3 - Softwares de simulação de veículos disponíveis no mercado (TURKMEN, et
al, S/D) ............................................................................................................................ 28
Tabela 5 - Dados Toyota Mirai (FASTSim) .................................................................. 37
Tabela 6 - Características do ciclo HWFET (ADVISOR) ............................................. 39
Tabela 7 - Características do ciclo UDDS (ADVISOR) ................................................ 39
Tabela 8 - Características do ciclo NEDC (ADVISOR) ................................................ 40
Tabela 9 - Variáveis usadas no Advisor para construção do Mirai ................................ 41
Tabela 10 - Validação do modelo com consumo de combustível .................................. 43
Tabela 11 - Validação da modelo pelo tempo de aceleração ......................................... 43
Tabela 12 - Validação modelo pela velocidade máxima ................................................ 43
Tabela 13 - Variação percentual MPGGe pela distância - HWFET............................... 49
Tabela 14 - Variação percentual MPGGe pela distância - UDDS ................................. 50
Tabela 15 - Variação percentual MPGGe pela distância - NEDC ................................. 50
Tabela 16 - Distância média Rio de Janeiro ................................................................... 52
Tabela 17 – Influência do grau de hibridização na massa do veículo ............................ 53
Tabela 18 - Variação em percentual do MPGGe entre a máxima e a mínima temperatura
de partida da célula a combustível .................................................................................. 61
Tabela 19 - Variação em percentual do consumo em L/km entre a máxima e a mínima
temperatura de partida da célula a combustível.............................................................. 61
Tabela 20 - Variação MPGGe em % em relação a redução da massa do veículo .......... 65
1
1 Introdução
1.1 História dos veículos elétricos
A história dos veículos elétricos não é recente apesar dos atuais avanços na área e
destaque na mídia. Sua história remonta ao século XVII quando em 1859 foi inventada a
bateria de chumbo e ácido pelo físico francês Gasto Planté, essa bateria tinha uma
vantagem em relação as existentes de sua época por ser recarregável. (BARAN et al.,
2011).
Entre os anos 1832 e 1839 são desenvolvidos os primeiros veículos elétricos na
França e na Inglaterra. Em 1881 os cientistas ingleses John Perry e Willian Aryton
inventaram um triciclo elétrico com capacidade para uma pessoa.
Em 1885 Karl Benz patenteia um motor de combustão interno à gasolina, que foi
inserido em um triciclo dando origem a uma nova forma de veículo se contrapondo aos
veículos elétricos.
“Em 1891, Willian Morrison construiu o primeiro veículo elétrico dos Estados
Unidos. Com capacidade para até 12 passageiros, o veículo atingia uma velocidade
máxima de 32 km/h e possuía 24 baterias de chumbo-ácido, que pesavam 2 toneladas. As
baterias precisavam ser recarregadas a cada 80 km, já que possuíam capacidade de 112
Ah” (LACERDA, 2016). Até o ano de 1900 foram vendidos 4200 veículos nos Estados
Unidos, sendo que 40% eram movidos a vapor, 38% elétricos e 22% a gasolina.
(HUSAIN, 1964).
Em 1889 o veículo elétrico criado por Camille Jenatzy ultrapassava a velocidade
de 100 km/h um marco para a época. Em 1901, Thomas Edsion desenvolvia a bateria de
níquel-ferro com capacidade de armazenamento 40% maior que a bateria de chumbo-
ácido. (BARAN et al., 2011).
Apesar dos avanços tecnológicos e melhorias nas baterias da época os veículos
elétricos vivenciaram um declínio nos anos seguintes. Diversos fatores contribuíram para
o ocorrido. O desenvolvimento da partida elétrica em 1912 tornou o acionamento dos
veículos a gasolina mais fácil. Além disso o custo dos veículos a gasolina caiu
consideravelmente em relação aos veículos elétricos devido ao modelo de produção
fordista e a descoberta de petróleo no Texas, que reduziu o custo da gasolina. Além disso,
2
durante a década de 20, cidades já eram interligadas por estradas fazendo com que a
demanda do consumidor fosse voltada para veículos que possuíssem maior autonomia.
Logo, a facilidade de adquirir combustível favoreceu os veículos a gasolina frente aos
elétricos, estes que não podiam ter sua bateria trocada com a mesma facilidade limitando
a distância máxima percorrida por eles. (BARAN et al., 2011).
Com isso os carros elétricos quase que desapareceram do mercado enquanto os
carros à gasolina passaram a ser comercializados mundo afora. Picos de produção de
veículos elétricos vieram a ocorrer em momentos de crise onde houve racionamento de
combustíveis, como é o caso do Japão no pós-guerra. (BARAN et al., 2011).
Nos últimos anos alguns fatores têm contribuído para o desenvolvimento de
veículos elétricos e híbridos. Crises recorrentes no petróleo aumentaram o desejo das
grandes potências como Estados Unidos e países da Europa em se tornarem menos
dependentes do petróleo estrangeiro incentivando o desenvolvimento de energia e
veículos alternativos. Além disso as consequências à saúde nas grandes cidades advinda
do uso de veículos a gasolina e as mudanças climáticas tem movido a opinião pública a
favor dos veículos elétricos.
Desde da década de noventa vem sendo observado um esforço de algumas
companhias e governos em promover o desenvolvimento de veículos elétricos. Em 1993
o governo de Clinton criou uma iniciativa com o nome de Patnership for a New
Generation Vehicles (PNGV) que tinha como objetivo um desenvolvimento de um
automóvel com consumo de 4 litros/100 km. O programa resultou na criação de 3
protótipos, todos híbridos. Em 1997 era lançado pela Toyota o Prius, veículo sedã híbrido
de quatro portas. Ao mesmo tempo a Audi lançava o Duo, um modelo híbrido no mercado
europeu. Em 1999 a Honda lança seu híbrido, Insight, nos Estados Unidos e em 2000 o
Prius chega no mercado americano. Em 2003 a Honda lança o Civic híbrido e em 2004 a
Ford lançava o Escape com versão híbrida. (BARAN et al., 2011).
Uma alternativa que surgiu aos veículos são os veículos movidos à célula a
combustível. Em 1997 a Daimler-Benz se comprometeu em até 2004 inserir veículos com
células a combustível no mercado. Em 2006 a Volkswagen desenvolveu um ônibus
movido à célula a combustível. O desenvolvimento de tais Ônibus também tem ocorrido
no Brasil, em 2013 a Empresa metropolitana de Transportes Urbanos de São Paulo
(EMTU/SP) em parceria com o Ministério de Minas e Energia e outros institutos de
pesquisa tem conduzido o desenvolvimento de um Ônibus movido a célula a combustível.
3
Nos últimos anos o desenvolvimento de tais veículos tem ganhado mais destaque
dentro das montadoras. Montadoras alemãs como Audi, Daimler, BMW já possuem
protótipos e produção em pequena escala. A Audi divulgou em 2018 um plano para o
desenvolvimento de modelos movidos a célula a combustível para os próximos anos. O
destaque do mercado tem sido, no entanto da montadora japonesa Toyota que lançou em
2014 no Japão o seu modelo movido a célula a combustível chamado de Mirai com
autonomia de 500 km usando dois tanques de hidrogênio. Atualmente o modelo já se
encontra sendo comercializado em outros países como Estados Unidos e países da
Europa.
1.2 Objetivo do trabalho
O desenvolvimento de veículos híbridos, elétricos e movidos a célula a combustível
tem sido de extrema importância na redução dos impactos ambientais e conseguido
grandes avanços. No entanto, tais veículos ainda encontram algumas limitações para
maior penetrabilidade no mercado.
Especialmente para os veículos movidos a células a combustível o principal
limitante é baixa infraestrutura hoje presente nas grandes cidades para a recarga de
combustível no veículo. Na Alemanha as estações têm sido construídas pela Daimler em
parceria com a empresa Linde, Shell, H2 Mobility e com apoio do governo alemão. Até
o ano 2017 a Alemanha contava com apenas 32 estações de recarga espalhadas pelo País.
(SAPO).
Com poucas estações disponíveis os veículos a célula a combustível encontram dois
cenários para o futuro. Em um, os governos participarão de forma ativa na construção e
ampliação dos postos de recarga de hidrogênio, no outro a propagação será reduzida e
praticamente estimulada pela indústria privada.
Visando o pior cenário, para que os veículos a célula a combustível possam penetrar
o mercado deverão apresentar um menor consumo de combustível de forma a
proporcionar maior liberdade ao motorista permitindo que o mesmo possa percorrer
longas distâncias sem a necessidade de encher o tanque.
Este trabalho se propõe a avaliar a influência de alguns parâmetros sobre o consumo
de combustível. São eles:
• Impacto do estado de carga inicial da bateria sobre o consumo de
combustível
4
• O grau de hibridização.
• Temperatura Inicial da célula a combustível
• A massa total do veículo
O objetivo deste trabalho é de levantar quais mudanças produziriam um impacto
positivo na redução de consumo de combustível. Como modelo foi utilizado o veículo
produzido pela Toyota, o Mirai.
1.3 Descrição dos capítulos
O presente trabalho foi dividido em 9 capítulos, que apresentam o conceito de
veículos elétricos e híbridos, os veículos movidos a célula a combustível dando pequeno
destaque as células, apresenta também a ferramenta usada para as simulações, o modelo
nela construída e os resultados das simulações.
O segundo capítulo apresenta o conceito de veículos elétricos e elétricos híbridos,
apresentando sua estrutura, gerenciamento de energia, tipos, suas vantagens e
desvantagens.
O terceiro capítulo apresenta os veículos movidos a célula a combustível, foco deste
trabalho. É apresentado sua estrutura, seu gerenciamento de energia e outros conceitos
relevantes como o grau de hibridização.
O quarto capítulo apresenta um pouco da teoria por detrás das células a combustível,
explicando seu funcionamento e perpassando pelos seis principais tipos de célula a
combustível atuais.
O quinto capítulo apresenta a ferramenta usada para as simulações. É apresentado
seu funcionamento, as telas da interface gráfica e a comparação com outros softwares.
O sexto capítulo apresenta o modelo que foi criado no software e os parâmetros que
foram utilizados para recriação do veículo Toyota Mirai. São apresentados também
alguns resultados e o seu desvio dos valores reais.
O sétimo capítulo apresenta as análises que foram conduzidas neste trabalho e seus
resultados. O capítulo avalia o consumo de combustível pela perspectiva de duas variáveis
e em três diferentes ciclos de condução.
O oitavo capítulo contém as conclusões em cima dos resultados encontrados no
sétimo capítulo.
O nono capítulo contém sugestões para trabalhos futuros levando em conta os
resultados aqui obtidos e as limitações encontradas durante a execução deste trabalho.
5
2 Veículos elétrico e híbrido
Esse capítulo tem como objetivo apresentar os conceitos chaves sobre veículos
elétricos e híbridos.
2.1 Veículo elétrico
Os veículos elétricos possuem dois componentes principais, o motor elétrico e uma
fonte de energia. O motor elétrico é responsável por converter a energia elétrica
proveniente da fonte em torque, tracionando o veículo. A fonte de energia, que pode ser
uma bateria, uma célula a combustível ou ultra capacitores, é responsável por fornecer
energia elétrica ao veículo. Justamente por não usar um motor de combustão interna, os
veículos elétricos são livres da emissão de poluentes além de possuírem alta eficiência e
operação silenciosa. O veículo elétrico pode ser subdivido em três subsistemas:
1) Subsistema de propulsão
a) Controle do veículo
b) Conversor eletrônico
c) Motor elétrico
d) Transmissão mecânica
e) Pneus
2) Subsistema de fonte energia
a) Fonte de energia
b) Unidade de gerenciamento de energia
c) Unidade de reabastecimento de energia
3) Subsistema auxiliar
a) Unidade de direção hidráulica
b) Unidade de suprimento auxiliar
c) Unidade de controle de clima
6
A figura 2-1 exibe uma visão esquemática de todos os subsistemas e o seu fluxo de
comunicação.
Figura 2-1 Sistemas de um carro elétrico (EHSANI, et al., 2010)
A figura mostra as comunicações elétricas entre os subsistemas de fonte de energia,
subsistema auxiliar e o subsistema de propulsão elétrica. A fonte de energia, no
subsistema de fonte de energia, faz a comunicação com os dois outros subsistemas. Os
controladores se comunicam principalmente com as fontes de energia, sendo responsáveis
pelo gerenciamento de energia. Por fim, a comunicação mecânica ocorre apenas entre o
motor elétrico e a transmissão mecânica e entre a transmissão mecânica e os pneus.
2.2 Veículo Híbrido
Os veículos elétricos híbridos (VEH) combinam diferentes formas de propulsão
com o objetivo de aumentar a autonomia dos veículos. Os sistemas de propulsão
utilizados são um motor de combustão interna (MCI) que pode utilizar gasolina, diesel
ou etanol e um sistema de propulsão elétrica. Devido a presença do motor de combustão
interna os veículos híbridos apresentam uma melhor performance por não ficarem apenas
7
na dependência da bateria e podendo operar o MCI apenas nos pontos de máxima
eficiência.
Nestes veículos ainda estão presentes um banco de baterias para armazenamento
de energia e um conversor de frequência. A forma como o sistema de propulsão elétrica
se comunica com os demais sistemas do veículo define a arquitetura do mesmo, que pode
ser em série ou em paralelo. Na configuração em série apenas uma fonte de energia está
ligada diretamente ao sistema de tração, a outra fonte energia alimenta a fonte primária.
Portanto temos duas conversões de energia, da fonte secundária para a primária e da
primária para o sistema de tração. Por executar duas conversões de energia esse tipo de
configuração apresenta uma menor eficiência em relação à configuração em paralelo. A
configuração em paralelo apresenta ambas as fontes de energia ligadas ao sistema de
tração. Tais arquiteturas serão apresentadas em seções subsequentes.
Quanto ao grau de hibridização, que é determinada pelas características
operacionais de tração do veículo, os veículos híbridos podem ser classificados em quatro
classes, denominadas Micro Híbrido, Meio Híbrido, Híbrido Completo, Híbrido “Plug-
in”. A Tabela 1 mostra as principais características presentes em cada classe.
Tabela 1 - Resumo das características dos tipos de veículos Híbridos
Micro
Híbrido
Meio Híbrido Híbrido
Completo
Híbrido
Plug-In
Automaticamente
liga/desliga o
MCI conforme o
veículo anda/para
x
x
x
x
Freio
regenerativo
x x x
Motor elétrico
auxilia MCI
x x x
Pode ser
tracionado
apenas pelo
Motor elétrico
x x
Recarrega a
bateria na rede
x
8
Observa-se da tabela que o veículo Plug-In é o que apresenta o maior número de
características, se caracterizando principalmente por poder recarregar a bateria em rede.
O veículo Híbrido apresenta como principais características a utilização do motor elétrico
de forma a auxiliar o motor de combustão interna em momentos de alta demanda de
potência, além do freio regenerativo recuperando parte da energia na frenagem
aumentando a eficiência energética do sistema.
2.2.1 Arquitetura em série
Na arquitetura em série o motor elétrico é o único responsável pela tração do
veículo. Este recebe energia da bateria que é recarregada pelo motor de combustão. Como
o motor de combustão opera independentemente das demandas de tração sua operação
pode ser otimizada de forma a alcançar melhores eficiências e reduzir a emissão de
poluentes.
Em situações de baixas demandas de potência apenas a bateria fornece energia
elétrica para o motor elétrico. No entanto, em situação de aceleração onde a demanda de
potência é alta o motor de combustão fornece energia ao gerador, e o gerador juntamente
com a bateria fornecem energia para o motor elétrico. Em situações de cruzeiro, o motor
de combustão fornece energia ao motor elétrico e à bateria. A figura 2-2 ilustra a árvore
de decisão do fluxo de energia para a arquitetura em série.
9
Figura 2-2- Fluxo de energia para arquitetura em série de veículos híbridos (EHSANI, et al., 2010)
2.2.2 Arquitetura em paralelo
Nessa configuração ambos os motores, o elétrico e o de combustão interna, podem
ser acionados separadamente para tracionarem o veículo. Em baixas velocidades a
bateria, completamente carregada, fornece energia para o motor elétrico e este traciona o
veículo. Em situações de aceleração o motor de combustão traciona o veículo juntamente
com o motor elétrico. Em cruzeiro o motor de combustão interna traciona o veículo e
simultaneamente pode carregar a bateria.
Nessa configuração o motor elétrico e o motor de combustão estão diretamente
acoplados. O acoplamento pode ser de dois tipos, de velocidade ou de torque. O
acoplamento de torque soma o torque dos dois motores ou divide o torque do motor de
combustão interna entre acionamento e recarga da bateria. O acoplamento de velocidade
pode ser feito de duas maneiras, uma delas usando engrenagens planetárias e a outra
usando um motor elétrico. É possível ainda combinar os dois tipos de acoplamento. Na
figura 2-3 é apresentando o esquema lógico do fluxo de energia para arquitetura em
paralelo.
10
Figura 2-3 - Fluxo de energia para arquitetura em paralelo (EHSANI, et al., 2010)
11
3 Veículo a célula a combustível
Esse capítulo tem como objetivo apresentar os conceitos chaves sobre os veículos a
célula a combustível.
3.1 Arquitetura do veículo movida a célula a combustível
Os veículos de célula a combustível utilizam um sistema de células a combustível,
também denominado pilha a combustível, para gerar energia elétrica que pode ser usada
tanto para carregar a bateria quanto para acionar o motor elétrico. Esse tipo de veículo
apresenta algumas vantagens como baixa emissão de poluentes e uma boa eficiência
energética. Porém o uso da célula a combustível apresenta algumas desvantagens:
• Unidade de energia pesada, uma vez que a densidade energética da célula a
combustível é baixa.
• Tempo de inicialização longo
• Tempo de resposta longo
• Baixa eficiência em aplicações de propulsão, com alta saída de energia em
momentos de aceleração e baixa potência em velocidades baixas. (EHSANI,
et al., 2010)
Uma forma de contornar as desvantagens acima listadas é o uso de uma fonte de
potência auxiliar para as situações de pico (PPS), como por exemplo o uso de uma bateria.
O uso da bateria reduz o consumo de energia por permitir freio regenerativo,
recuperando assim energia da frenagem e a implementação de estratégias de
gerenciamento de energia que operem o sistema de células a combustível em condições
de melhor eficiência. (ROCHE, et al., 2015)
Uma esquematização da estrutura de um veículo de célula a combustível é
apresentada na figura 3-1.
12
Figura 3-1 - Arquitetura de um veículo de célula a combustível (EHSANI, et al., 2010)
Na figura 3-1 o veículo movido a célula a combustível apresenta os seguintes
componentes: 1: pedal de aceleração, 2- pedal de frenagem, 3- Controlador do veículo,
4- Sistema de células a combustível, 6 – interface eletrônica, 7- Controlador do Motor, 8
– Motor de tração, 9 – sinal de energia da fonte do pico de potência. O funcionamento
segue como descrito: o controlador do veículo (3), de acordo com os sinais que recebe
de aceleração (1) ou frenagem (2), controla a saída de potência, torque e energia que flui
do sistema de célula a combustível (4) para a fonte de pico de potência (bateria) (5) e para
o sistema de transmissão (9). Em situações onde a potência máxima é requerida, tanto a
célula a combustível quanto a fonte de pico de potência fornecem energia ao motor
elétrico. Durante a frenagem o motor elétrico opera como um gerador armazenando parte
da energia na fonte de pico de potência. A mesma ainda pode ser carregada pela célula a
combustível em situações onde a demanda de potência for baixa. (EHSANI, et al., 2010)].
13
3.2 Fluxo de Potência
Uma bateria pode ser usada como fonte de potência auxiliar. Essa configuração
exige um bom controle do fluxo de potência entre o sistema auxiliar, célula a combustível
e o motor elétrico, de forma a assegurar que a saída de potência do motor atenda a
demanda do veículo e que tanto o sistema auxiliar de energia quanto a célula a
combustível operem em uma faixa ótima.
Há três modos de operações:
1) Modo de paralização: Nenhuma das fontes de potência fornecem energia ao motor
elétrico.
2) Modo de frenagem: A célula a combustível é mantida inativa e o sistema auxiliar de
potência, no caso a bateria, é carregada pelo motor elétrico.
3) Modo de tração: O modo de tração varia de acordo com a demanda de potência.
Se a potência requerida for maior que a potência nominal da célula a combustível
o sistema auxiliar de potência é acionado de forma a suprir a diferença. É importante
ressaltar que a potência nominal da célula a combustível não necessariamente é a
maior potência que ela pode fornecer, mas sim a maior potência fornecida na faixa de
operação ótima.
Se a potência requerida for menor que a nominal da célula a combustível e o
sistema auxiliar de potência encontra-se em um estado de carga abaixo do mínimo
permitido pelas configurações do sistema, a célula fornece a potência nominal que
será distribuída entre o motor e o sistema auxiliar.
Se a potência requeria for menor que a potência nominal da célula a combustível
e o sistema auxiliar não precisa ser carregado, quem fornece potência ao motor é o
sistema auxiliar.
3.3 Principais componentes do veículo a célula a combustível
Segundo (EHSANI, et al., 2010) há três parâmetros principais para o design de um
veículo movido a célula a combustível. Sendo eles o motor elétrico, a célula a combustível
e a fonte auxiliar de potência.
A característica do motor elétrico de maior importância é a sua potência que deve ser
tal que atenda aos requisitos de performance da aceleração.
14
A célula a combustível deve ser projetada de tal forma que forneça potência ao veículo
em condições de cruzeiro em altas velocidades, pois o sistema auxiliar é projetado apenas
para fornecer potência em curtos períodos de alta demanda.
A fonte auxiliar de potência tem a potência calculada pela equação 1,
Ppps =Pm
ηm− Pc
(1)
Na fórmula (1) o prefixo m significa motor e c, célula a combustível. Outro parâmetro
relevante para a fonte de energia auxiliar é a capacidade energética, que é dada pela
varrição energia entre a energia que ela fornece ao sistema de tração e a energia recebida
durante frenagem através do freio regenerativo. A equação 2 mostra como ela é calculada.
E = ∫(Ppps,c − Ppps,d)dt
(2)
Na fórmula (2) o prefixo c significa carregado e d, descarregado.
O sistema auxiliar de potência não demanda uma capacidade energética muito
grande para auxiliar em condições normais de condução. Devido ao tempo longo para
que a célula a combustível entre em total operação, quem assume a propulsão do veículo
é o sistema auxiliar e é com base nessa situação que o tamanho da capacidade energética
do sistema auxiliar deve ser calculado.
3.4 Grau de hibridização do veículos a célula a combustível
Segundo (CAI et al., S/D) o grau de hibridização para véiculos movidos a célula a
combustível pode ser calculada pela equação 3,
DOH =(Pt − Pc)
Pt
(3)
Na fórmula (3) o prefixo “t” significa total e o “c”, célula a combustível.
15
4 Célula a Combustível
A célula a combustível desempenha um papel central nos veículos que a usam como
fonte de energia. Uma célula a combustível é uma célula galvânica que converte energia
química em energia elétrica através de reações químicas. Sua alta eficiência para veículos
elétricos advém do fato que ela converte a energia da combustão do combustível
diretamente em energia elétrica.
A célula a combustível pode ter seu funcionamento interpretado analogicamente
como o de uma bateria de funcionamento contínuo. Nela um combustível gasoso,
normalmente hidrogênio por ser altamente reativo, é fornecido de maneira contínua à um
dos eletrodos (ânodo) onde é oxidado produzindo uma corrente elétrica contínua. No
eletrodo oposto, o cátodo, os elétrons reagem com os íons positivos e com o oxigênio
produzindo essencialmente água. Os eletrodos são separados por um eletrólito que possui
como principal função impedir a mistura dos gases reagentes de cada eletrodo. A figura
4-1 ilustra seu princípio de funcionamento.
Figura 4-1 - Funcionamento de uma célula a combustível (EHSANI, et al., 2010)
A célula a combustível necessita de componentes auxiliares para o seu perfeito
funcionamento. Os principais componentes são a bomba de ar, a bomba de combustível,
a bomba de circulação de refrigerante, o ventilador e controladores eletrônicos. Todos os
16
componentes demandam potência que na situação ideal deve ser fornecida pela própria
célula a combustível. Desses componentes a bomba de ar é a que mais consome energia,
em torno de 10% da energia gerada pela célula. Outro fator importante para o
funcionamento da célula a combustível é a pressão do ar sobre o eletrodo, que deve ser
maior que a pressão atmosférica. Essa compressão do ar também consome uma grande
quantidade de energia. Levando em consideração estes componentes a faixa de operação
ótima da célula é entre 7%-55% da corrente máxima. O limite superior se deve as quedas
de tensão e o limite inferior se deve a mínima energia necessária para alimentar os
equipamentos auxiliares.
Existem atualmente 6 tipos de célula a combustível quanto ao material e
combustível utilizado que serão apresentados nas seções subsequentes.
4.1 Energia e eficiência da célula a combustível
A energia liberada pela reação química é calculada pela variação da energia livres
de Gibb’s. Em um processo reversível a variação da energia livre de Gibb’s é convertida
completamente em energia elétrica, evidenciado na equação 4,
Δ𝐺 = ΔH − 𝑇Δ𝑆
(4)
E a eficiência da célula a combustível é dada pela equação 5,
𝜂𝑖𝑑 =Δ𝐺
Δ𝐻= 1 −
Δ𝑆
(Δ𝐻 ∗ 𝑇)
(5)
Observa-se que a eficiência está diretamente relacionada com a temperatura.
Quanto maior for a temperatura da célula maior será a sua eficiência. Numa comparação
com máquinas de Carnot, a eficiência teórica da célula a combustível é superior quando
operada nas faixas de temperatura de 100°C a 1000°C, segundo (EHSANI, et al., 2010).
A conversão eletroquímica do metano tem eficiência teórica beirando nos 100%
tornando-o o armazenador primário preferido para células a combustível. As equações
acima consideram que as reações químicas que ocorrem na célula a combustível ocorrem
isotermicamente e são reversíveis.
17
4.2 Tensão da célula a combustível
A tensão gerada por uma célula a combustível pode ser expressa conforme a equação 6,
𝑉𝑟0 = −
Δ𝐺0
𝑛𝐹
(6)
A dependência da tensão gerada das reações químicas é descrita pela equação 7,
𝑉𝑟 = 𝑉𝑟0 −
𝑅𝑇
𝑛𝐹∑ 𝑉𝑖
𝑖
ln [∏(𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑖𝑡𝑖𝑒𝑠 𝑜𝑓 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑠)
∏(𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑖𝑡𝑖𝑒𝑠 𝑜𝑓 𝑟𝑒𝑎𝑐𝑡𝑎𝑛𝑡𝑠)]
(7)
Se os reagentes e produtos foram gasosos a equação se reduz à equação 8,
𝑉𝑟 = 𝑉𝑟0 −
𝑅𝑇
𝑛𝐹∑ 𝑉𝑖
𝑖
ln (𝑝𝑖
𝑝𝑖0)
(8)
Onde 𝑝𝑖0é a pressão em condições normais e Vi o número de mols.
A tensão de fato gerada pela célula é menor do que calculada pelas fórmulas acima
apresentadas. A diversos fatores que causam uma queda na tensão gerada. Em (EHSANI,
et al., 2010) é apresentado uma hipótese de funcionamento que considera que a reação
que ocorre no eletrodo sofre impedimento cinético que gera uma queda de tensão que é
influenciada pelo material do eletrodo e pelo tipo de eletrólito usado e pode ser descrita
pela equação 9,
ΔVΩ = Rei
(9)
Onde 𝑅𝑒 é a resistência do eletrólito. Outra perda de tensão é causada pelo fato de
parte da energia é perdida para elevar a energia dos reagentes químicos à energia de
ativação, para que assim possam reagir quimicamente. Essa queda de tensão é descrita
pela equação 10,
18
Δ𝑉𝑎 =𝑅𝑇
β𝑛𝐹∑ 𝑉𝑖
𝑖
ln (𝑖
𝑖0)
(10)
Há ainda uma queda de tensão denominada queda de tensão por concentração e se
deve a diferença de concentração de íons nos eletrodos. Quando a densidade de corrente
é pequena essa queda é insignificante. Porém conforme a densidade de corrente aumenta
essa queda assume valores cada vez mais expressivos até atingir um limite. O cálculo
dessa queda de voltagem no anodo e no cátodo é dada pelas equações 11 e 12,
respectivamente.
Δ𝑉𝑐1 =𝑅𝑇
𝑛𝐹ln (
𝑖𝐿
𝑖𝐿 − 𝑖)
(11)
Δ𝑉𝑐2 =𝑅𝑇
𝑛𝐹ln (
𝑖𝐿 + 𝑖
𝑖𝐿)
(12)
Por fim, há uma queda de tensão causada pela mudança de pressão, oriunda do
consumo de oxigênio na superfície do eletrodo que reduz imediatamente a pressão parcial
na superfície. É calculada pela equação 13,
Δ𝑉𝑐𝑔 =𝑅𝑇
𝑛𝐹ln (
𝑝𝑠
𝑝0)
(13)
A figura 4-2 descreve a curva da tensão gerada pela densidade de corrente
considerando todas as quedas de tensões acima mencionadas.
19
Figura 4-2 - Tensão gerada pela célula a combustível (EHSANI, et al., 2010)
Observa-se que a queda na tensão devido as perdas acima descritas podem chegar
a quase 50% em densidades de corrente maiores do que 1 𝐴/𝑐𝑚2.
A figura 4-3 apresenta a curva de potência e de eficiência da célula a combustível
em função da densidade de corrente.
20
Figura 4-3 - Curva de potência e eficiência da célula a combustível em função da densidade de corrente (EHSANI, et
al., 2010)
Observa-se que a eficiência decai com o aumento da densidade corrente enquanto
que a densidade de potência aumenta. Logo, a região de melhor eficiência gera uma
menor potência. Por isso deve-se se atentar a quantidade de potência que está sendo
gerada pela célula pois ela deve no mínimo se igualar a potência demanda pelos
componentes auxiliares da célula a combustível.
4.3 Tipos de combustível para a célula a combustível
4.3.1 Hidrogênio puro
O hidrogênio puro no estado líquido ou gasoso é o combustível ideal para a célula
a combustível. Considerando o hidrogênio como combustível as reações típicas presentes
nos eletrodos são descritas pelas equações 14, 15 e 16,
21
𝐻2 → 2 𝐻+ + 2 𝑒−
(14)
2 𝐻+ + 2 𝑒− +1
2𝑂2 → 𝐻2𝑂
(15)
𝐻2 +1
2𝑂2 → 𝐻2𝑂
(16)
As reações fundamentais das células a combustível são a de dissociação do
hidrogênio e do oxigênio. Tais reações são catalisadas nas superfícies do eletrodo. O
material a ser empregado no eletrodo para atuar como catalisador dependerá da
temperatura de operação da célula. Em baixas temperaturas é comumente empregado
metais nobres como a platina. Já em altas temperaturas utiliza-se o próprio metal do
eletrodo como catalisador das reações.
Eletrodos de difusão gasosa possuem uma estrutura porosa condutora de elétrons
que maximiza a interface trifásica sólido-líquido-gasoso acelerando as reações químicas.
Esse tipo de eletrodo deve apresentar duas características importantes, a alta atividade
catalítica de forma a produzir uma alta densidade de corrente e força capilares baixas nos
poros, de forma a evitar que os mesmos expulsem o eletrólito. Esse tipo de eletrodo
possui espessuras variando de 0,1 mm à 0,5 mm.
Uma unidade de célula a combustível tem o potencial aberto entre 1 a 1,2V, e
libera sob solicitação 0,5 a 0,7 V DC. Devido a esses valores baixos vem a necessidade
de empilhamento de várias unidades de células (200 a 300) de forma a gerar potenciais
práticos entre 150 a 200 V. (WENDT, et al., 1999)
A partir das reações acima apresentadas identifica-se uma das grandes vantagens
advindas do uso das células a combustível, a ausência da emissão de poluentes.
4.3.2 Metanol
A produção de hidrogênio gasoso e líquido ainda é custosa, soma-se a isso o fato
de que o armazenamento do hidrogênio como combustível é de alta complexidade com
várias medidas de segurança necessárias e o fato de ainda não haver uma rede de
distribuição desse combustível. Todos esses fatores limitam a propagação dos veículos
movidos a células a combustível utilizando hidrogênio puro.
22
A indústria buscou uma alternativa para essa situação, extraindo o hidrogênio de
outras fontes, sendo uma delas o metanol. Sua reforma é simples (e ocorre a 200°C) e
pode ser realizada a bordo do veículo. O problema em se utilizar o metanol é que sua
reforma produz gás de síntese que contêm até 1% de CO, que é venenoso e danifica a
platina. A solução é ou a metanização desse CO ou a sua oxidação. Conforme as equações
17 e 18 demonstram.
CO + 3 H2 → CH4 + H2O
(17)
CO +1
2O2 → CO2
(18)
O ideal seria oxidação direta do metanol, para isso seria necessária ter
catalisadores que não fossem envenenados pela alta quantidade de CO. O catalisador
comumente usado é o binário Ru/Pt, porém seu custo é inviável para ser inserido em
veículos automotores.
Uma outra solução é o aumento da temperatura da célula de 90°C para 200°C.
Isso aceleraria todas as etapas de oxidação direta do metanol e diminuiria a adsorção do
CO pela platina. Porém essa temperatura inviabiliza o uso da membrana de Nafion.
4.4 Tipos de células a combustível
A Tabela 2 resume as principais informações das células a combustível hoje
comercialmente disponíveis.
23
Tabela 2 - Tipos de célula a combustível ( WENDET, et. all )
Tipo Eletrólito Faixa de
temperatura
(°C)
Vantagens Desvantagens Aplicações
Alcalina (AFC) KOH (OH-) 60 -90 Alta eficiência
(83% teórica)
- Sensível a gás
carbônico
- Sem reforma
de combustível
- Espaçonaves
- Aplicações
militares
Membrana
(PEMFC)
Polímero
Nafíon(𝐻3𝑂−)
80-90 Alta densidade - Custo da
membrana
- Contaminação
do catalisador
com CO
- Veículos
automotores e
catalisador
- Espaçonaves
- Mobilidade
Ácido fosfórico
(PAFC)
𝐻3𝑃𝑂3 (𝐻3𝑂+) 160-200 Maior
desenvolvimento
tecnológico
- Controle da
porosidade do
eletrodo.
- Sensibilidade a
CO
- Eficiência
limitada pela
corrosão
- Unidades
estacionárias até
100 kW.
- Cogeração
Carbonatos
fundidos
(MCFC)
Carbonatos
Fundidos
(𝐶𝑂32−)
650 – 700 - Eletrodos à
base de Ni
- Tolerância a
CO
- Problemas de
materiais
- Necessidade
de reciclagem
de Co2
- Interface
trifásica de
difícil controle
Unidades
estacionárias
- Cogeração
Cerâmicas
(SOFC) 𝑍𝑟𝑂2(𝑂2−) 800 - 900 - Alta eficiência
- A reforma do
combustível
pode ser feita na
célula
- Problemas de
materiais
- Expansão
térmica
- Necessidade
de pré-reforma
Unidades
estacionárias
- Cogeração
24
4.4.1 Célula a ácido fosfórico – PAFC
O ácido fosfórico é um liquido viscoso contido na capilaridade de uma matriz
porosa de carbeto de silício. O íon conduzido no eletrólito é o H+, e as reações são bem
similares às reações presentes nas células de membrana polimérica.
O ácido fosfórico (eletrólito barato) deve ser mantido acima dos 42°C (seu ponto
de congelamento). Portanto, é necessário um sistema para aquecer o conjunto, o que
dificulta a aplicação desse tipo de célula em veículos elétricos. Há ainda uma grande perda
de energia na forma de calor que ocorre quando a célula é desligada. Essa célula também
emprega um catalisador de platina encarecendo-a. A célula ainda apresenta as seguintes
desvantagens como baixa eficiência, risco de corrosão e emissão de gás carbônico.
A sua principal aplicação é no setor espacial. A células de ácido fosfórico foram
as primeiras a terem aplicabilidade na indústria, tanto que seu desenvolvimento foi
voltado para a queima de metano. A principal vantagem delas é que não se contaminam
com dióxido de carbono e suportam até 1% CO no gás.
Uma estação de célula desse tipo tem potência na faixa de 200 kW. É importante
salientar que a reforma do combustível é externa a célula.
4.4.2 Célula de óxido sólido – SOFC
Esse tipo de célula possui uma membrana cerâmica para a condução de íon de
oxigênio ou hidrogênio, e opera a altas temperaturas (1000-1200°C) o que permite que
funcione com hidrocarbonetos ao invés de hidrogênio puro. As altas temperaturas
praticamente reduzem as perdas de energia por energia de ativação.
Essa célula possui as mesmas desvantagens advindas das altas temperaturas além
da cerâmica ser frágil, o que o torna pouca aplicável à veículos uma vez que vibrações
comuns em veículos podem vir a danifica-la.
Além disso as altas temperaturas dificultam a escolha dos materiais da célula, uma
vez que causam corrosão, tensões térmicas, fadiga, etc.
As etapas que ocorrem numa célula SOFC são:
25
𝐶𝑂 + 𝐻2𝑂 → 𝐶𝑂2 + 𝐻2
(19)
𝑂2− + 𝐻2 → 𝐻2𝑂 + 2𝑒−
(20)
𝑂2 + 4 𝑒− → 2𝑂2−
(21)
--------------------------------------------------
𝐻2 +1
2𝑂2 → 𝐻2𝑂
(22)
𝐶𝑂 +1
2𝑂2 → 𝐶𝑂2
(23)
A reação da equação 19 ocorre no ânodo, a reação representada na equação 20
ocorre na interface do ânodo com o eletrólito, a reação da equação 21 no cátodo. As
reações das equações 22 e 23 são as reações globais.
4.4.3 Célula de membrana polimérica – PFMC
As células de membrana polimérica, comumente conhecidas de PFMC, utilizam
uma membrana polimérica como eletrólito. A partir da Tabela 2 contata-se que é a célula
com a aplicação mais adequada em veículos automotores. Isso se deve as suas principais
características de baixo peso, alta densidade de corrente, temperaturas baixas, fácil
fabricação, longevidade, fácil acionamento e desligamento. Além disso funciona a baixas
temperaturas e possui emissão zero de nitretos.
A membrana mais usada é a de Nafion. Incialmente usava-se fios de platina no
eletrodo o que encarecia seu custo significativamente. Atualmente usa-se carvão ativo,
ativado com platina. Porém ainda possui um custo elevado, além disso tem
envenenamento por gás carbônico e necessidade de um controle da umidade da célula.
26
4.4.4 Células Alcalinas – AFC
Esse tipo de célula usa uma solução aquosa de hidróxido de potássio (KOH), de
forma que o íon carregado no eletrólito é OH-. Água é produzida no anodo e requerida
no catodo, o que gera uma necessidade dessa célula por um gerenciamento de água. A
água que não é consumida nas reações químicas é eliminada na forma de vapor. Essa
célula é capaz de operar em maiores temperaturas (80 a 230°C) e em pressões variando
de 2.2 a 45 atm.
A cinética rápida do OH-, pois a reação do oxigênio é mais rápida numa solução
alcalina do que numa solução ácida, a baixa energia de ativação e a possibilidade de
utilização do níquel e cobre como catalisadores fornecem a célula uma boa relação de
eficiência com custo.
O grande problema dessa célula é a grande afinidade do eletrólito com o gás
carbônico, formando um íon que não reage nas reações químicas da célula, diminuindo
assim a sua performance. Ainda há o risco de o carbono precipitar e obstruir os eletrodos.
Uma forma de evitar isso seria na aplicação de um filtro de gás carbônico na entrada de
ar.
A vantagem dessa célula é que ela usa catalisadores baratos, tem boa eficiência e
trabalha em baixas temperaturas.
4.4.5 Célula de combustível de carbonato fundido – MCFC
São células de alta temperatura (550°C a 800°C). Utilizam-se de um sal fundido
para condução de íons, geralmente carboneto de lítio-potássio ou carboneto de lítio-sódio,
sendo o carbeto como íon conduzido. As reações consomem dióxido de carbono, e não
usam hidrogênio na forma pura retirando-o dos hidrocarbonetos. Essa é a sua maior
vantagem e o que torna interessante para aplicação em veículos. As altas temperaturas
também aumentam a velocidade das reações químicas permitindo o uso de catalisadores
mais baratos.
Porém sua alta temperatura o torna perigoso para o uso em veículos, e como é
alcalino é altamente corrosivo. A alta temperatura também pode derreter o eletrodo, o que
limita o uso das células em situação estacionária. Outra desvantagem da célula é o seu
27
início demorado já que precisa atingir as altas temperaturas para estar em melhor
operação, porém quando o atinge apresenta ótima eficiência.
4.4.6 Célula de metanol direto
Esse tipo de célula utiliza o metanol como combustível. Como o metanol é líquido
pode ser facilmente armazenado no veículo, e sua distribuição poderia usar a
infraestrutura de postos de gasolina, ele se torna uma opção atraente para aplicação em
veículos. O metanol ainda pode ser produzido de fontes naturais como petróleo e gás
natural. Como catalisador é usado platina ou ligas de platina.
O eletrólito é o ácido triflourometano sulfúrico. As reações que ocorrem no anodo
e no catodo são dadas pelas equações 24 e 25 respectivamente. A equação 26 representa
a reação global:
𝐶𝐻3𝑂𝐻 + 𝐻2𝑂 → 𝐶𝑂2 + 6𝐻+ + 6𝑒−
(24)
3
2𝑂2 + 6𝐻+ + 6𝑒− → 3𝐻2𝑂
(25)
𝐶𝐻3𝑂𝐻 +3
2𝑂2 → 𝐶𝑂2 + 2𝐻2𝑂
(26)
Operam geralmente ente 50°C e 100°C. É uma tecnologia nova em comparação
com as outras células a combustível. Apresenta menor densidade de potência, resposta de
devagar a demanda de potência e baixa eficiência.
28
5 Software
Para executar os estudos que foram mencionados no capítulo 1 avaliou-se os
softwares presentes no mercado e recorrentes na literatura. Segundo, (TURKMEN et al,
S/D) um software deve permitir a construção de modelos completos e sólidos
matematicamente e fisicamente, o que aqui significa a construção dos diversos tipos de
veículos (híbridos e não-híbridos) e de diferentes células a combustível.
A Tabela 3 retirada do mesmo artigo traz um levantamento de alguns softwares
disponíveis para o estudo.
Tabela 3 - Softwares de simulação de veículos disponíveis no mercado (TURKMEN, et al, S/D)
Nome Fonte Célula a Combustível
HYZEM Ricardo Consulting Engineers
Ltd.
Não
Elvis Southwest Research Institute Não
Path Southwest Research Institute Não
PSAT Southwest Research Institute
ans Argonne National
Laboratories
Sim
Advisor National Renewable Research
Laboratory
Sim
Simplev Idaho National Engineering
and Enviromental Laboratory
Não
Avte UC-Davis, ITS Não
UC Davis -
Hydrogen
UC-Davis, ITS Sim
29
A figura 5-1 mostra o desenvolvimento desses Softwares entre 1990 e os anos 2000.
Figura 5-1 - Evolução dos Softwares ao longo dos anos (TURKMEN et al, S/D)
A “Southwest Research Institute (SWRI)” desenvolveu os programas Elvis, path,
Apace e o seu último PSAT, que foi desenvolvido inicialmente em uma parceria com o
setor privado. A “National Renewable Energy Institute (NREL)” desenvolveu o software
Advisor e o disponibiliza publicamente para download o que facilitou a sua propagação
e uso nos meios acadêmicos. É também responsável pelo FASTSim, também utilizado
neste trabalho para validação de dados do Mirai.
A UC-Davis desenvolveu inicialmente o “Advanced Vehicle Test Emulator
(AVTE)” e o “AVTE direct hydrogen fuel cell vehicle model” voltado especificamente
para veículos movidos a célula a combustível. Ambos os softwares advêm do Advisor.
Como o ADVISOR não apresentava custo para aquisição, é correntemente
referido na literatura, já possui uma quantidade considerável de trabalhos executados em
cima de sua plataforma tanto na indústria quanto em centros de pesquisa, foi selecionado
para ser usado neste trabalho.
Além do mais o software apresentava ainda as seguintes vantagens:
• É opensource e pode ser usado offline. Dessa forma a NREL fez parcerias com
universidade e fabricantes automobilísticas para tornar os modelos cada vez mais
acurados. (KATRASNIK , 2010)
30
• Interface gráfica amigável
• Utiliza o Simulink para executar as simulações, o que proporciona flexibilidade
na construção de modelos, facilidade em fazer mudanças no algoritmo e no
entendimento do algoritmo.
• Desenvolvido para suportar análise de sistemas lineares e não lineares.
• Disponibilização de diversos ciclos de condução já configurados entre eles o ciclo
oficial utilizado pela Environmental Protection Agency (EPA).
5.1 Como o ADVISOR funciona
O ADVISOR foi desenvolvido pela NREL em 1990 e descontinuado em 2003,
apesar disso o software continua a ser utilizado em pesquisas. Foi desenvolvido para
permitir modelagem tanto direta quanto reversa. Ele possui como foco principal a
simulação de veículos elétricos, híbridos e movidos a célula a combustível. O programa
já oferece um banco de dados com diversos modelos para os veículos acima mencionados
e até mesmo para veículos convencionais.
A figura 5-2 mostra a lógica de funcionamento por detrás do ADVISOR.
Figura 5-2 - Diagrama de blocos geral utilizado no Advisor
No fluxo de dados podemos estabelecer 4 grandes tipos de “agente”.
• Input Scripts: São os arquivos que definem as variáveis no ambiente de trabalho
ou os arquivos que chamam outros arquivos do tipo input.
• Diagrama de blocos: São os diagramas de bloco feitos no Simulink. São eles que
possuem as funções de transferência que vão calcular as saídas do sistema, como
por exemplo, o consumo de combustível. Eles são efetivamente os modelos.
31
• Output Scripts: São os arquivos que plotam os resultados obtidos no espaço de
trabalho e as mensagens de erro.
• Control Scripst: São arquivos que podem desenvolver entradas e processar saídas.
Exemplo, Advisor Guide User Interface (GUI) e o arquivo de otimização de
rotinas.
É possível aprimorar o ADVISOR de acordo com as necessidades do usuário. Devido
ao alto número de variáveis envolvidas o mais recomendado a se fazer para a
implementação de algum novo modelo é reescrever um arquivo de algum modelo já
existente e salva-lo com outro nome. Há, portanto, duas formas de se criar um modelo de
veículo: Editando um arquivo original ou alterando as variáveis na interface gráfica do
software. Durante este trabalho todas as mudanças foram feitas através da interface
gráfica ou GUI.
5.2 Usando o ADVISOR
O programa oferece uma interface gráfica amigável, GUI. Ao todo o usuário
perpassa por três telas. Na primeira tela, exposta na figura 5-3, o usuário pode configurar
as características de seu modelo. A tela é dividida em duas partes, do lado esquerdo o
usuário visualiza as informações do modelo criado e do lado direito o usuário pode alterar
as configurações do modelo.
32
Figura 5-3 - Tela 1 do Advisor
Abaixo são enunciadas algumas configurações possíveis nessa tela:
• Em “Load File” o usuário pode escolher um modelo entre os diversos
disponíveis ou carregar um modelo próprio criado diretamente no
Matlab/Simulink.
• Em “Vehicle” estão listados os tipos de carroceria existentes.
• Em “Energy/Storage” o usuário pode escolher o tipo de bateria que deseja
utilizar. Lateralmente o usuário pode configurar o número de módulos da
bateria, sendo mostrado automaticamente a nova voltagem nominal da
bateria e o seu peso.
• Em “Motor” o usuário pode escolher um dos motores disponíveis na
plataforma e lateralmente alterar sua potência máxima e sua eficiência.
• Em “Variable List” é possível selecionar qualquer uma das variáveis do
modelo e alterar seu valor. Por exemplo, nela alterou-se para a criação do
modelo utilizado neste trabalho o coeficiente de arrasto, coeficiente de
rolamento, área frontal, massa da carroceria, estado de carga máximo e
33
mínimo, potência requerida pelos acessórios, raio da roda e distância do
centro de gravidade.
A figura 5-4 mostra a tela seguinte. Após configurar as características do modelo o
usuário deverá escolher qual tipo de simulação será executada. Do lado esquerdo são
exibidas informações gerais sobre o ciclo selecionado. Do lado direito o usuário pode:
• Escolher qual ciclo será executado e quantos vezes em sequência.
• Em “Trip Builder” o usuário pode criar o próprio ciclo através da
combinação de ciclos existente, infelizmente durante este trabalho esta
opção apresentava erros que podem estar ligados à versão do Matlab
utilizada (2018).
• É possível ainda alterar as condições iniciais do veículo, como o estado de
carga inicial e temperatura inicial dos componentes.
• Configurar o teste de aceleração
• Configurar o teste de “gradeability”
• Configurar estudo paramétrico
• Carregar as informações referente a simulação
34
Figura 5-4 - Tela 2 Advisor
Na última tela, exibida na figura 5-5, o usuário obtém as informações referentes a
simulação. Em “Plot Control” o usuário pode configurar a exibição dos resultados nos
gráficos da forma que achar mais adequado.
35
Figura 5-5 - Tela 3 Advisor
5.3 O modelo de célula a combustível
O ADVISOR apresenta as seguintes opções de modelo de veículo: Convencional,
series, paralel, paralel_sa, fuel cell, Eletric vehicle, prius_jpng, insight e custom. O
modelo denominado como “fuel cell” representa os veículos movidos a célula a
combustível.
A figura 5-6 mostra o esquema do modelo de célula a combustível utilizado no
ADVISOR.
36
Figura 5-6 - Modelo de veículo movido a célula a combustível do Advisor
Na imagem “Energy Storage System” significa sistema de estocagem de energia;
“Power Bus” é o gerenciador de energia; “Fuel Converter”, conversor de combustível e
neste caso representa a célula a combustível; “Gearbox” é a caixa de marchas, “Final
Drive” é a transmissão e “Wheel” são os pneus.
Da tradução direta da documentação do ADVISOR obtém-se a seguinte descrição do
modelo: “Os componentes do veículo da célula a combustível incluem um conversor de
combustível, baterias e um motor. É muito semelhante ao híbrido da série, com uma célula
de combustível substituindo o conversor de combustível e o gerador. A caixa de
velocidades padrão é de uma velocidade. A estratégia de controle padrão é um
“termostato”, no qual o conversor de combustível liga quando o SOC alcança o ponto de
ajuste baixo (cs_lo_soc) e desliga quando o SOC alcança o ponto de ajuste alto
(cs_hi_soc). Os acessórios híbridos possuem uma carga elétrica constante.”
37
6 Modelagem e simulação
O objetivo deste capítulo é de apresentar o modelo criado no Advisor para
representação do Mirai, se atentando nos principais detalhes da configuração do veículo
e da ferramenta. E de apresentar os ciclos que foram utilizados para validação dos dados
e nas análises posteriormente executadas.
6.1 Especificações do Mirai
A Tabela 4 apresenta um compilado das informações do ADVISOR. As
informações do Mirai foram retiradas do programa FASTSim da NREL e do arquivo
oficial da Toyota.
Tabela 4 - Dados Toyota Mirai (FASTSim)
Toyota Mirai
Nome Valor Unidade
Célula a Combustível
Tipo Célula de combustível de eletrólito de
polímero sólido
-
Potência 114 kW
Motor
Tipo Motor de Ima permanente síncrono - AC -
Potência 113 kW
Torque máximo 335 Nm
Bateria
Tipo NiMH -
Número de módulos 34 -
Voltagem Nominal 244,8 V
Potência 33 kW
SOC máximo 0,8 -
SOC mínimo 0,4 -
Tração
Tipo Tração dianteira -
38
Tanque
Volume interno 122,4 L
Pressão do tanque 70 MPa
Combustível
Tipo Hidrogênio gasoso -
Características do veículo
Coeficiente de arrasto 0,29 -
Coeficiente de rolamento 0,0076 -
“Curb Mass” 1848,4 kg
Massa da carroceria 1172 kg
Área Frontal 2,786 𝑚2
Distância do centro de massa
ao solo
0,53 m
Pneus
Raio 0,335 m
6.2 Ciclos de Condução
O ADVISOR disponibiliza em seu banco de dados uma variedade de ciclos de
condução. Com objetivo de validar o modelo comparando-se o consumo de combustível
em milhas por galão equivalente se fez necessário reproduzir o ciclo “Urban
Dynamometer Driving Schedule” (UDDS) e o “Highway Fuel Economy Test” (HWFET)
ambos utilizados pela EPA que utiliza 55% do UDDS e 45% do HWFET, o cálculo do
MPPGe é apresentado na equação 27.
MPPGe =1
0,55MPPGeUDDS
+0,45
MPGGeHWFET
(27)
A EPA é um órgão governamental americano responsável por fazer a avaliação de
emissão de poluentes nos veículos automotores. Em 2014, eles lançaram a medida
MPGGe com o objetivo de poder comparar veículos híbridos e elétricos com veículos
convencionais. A unidade foi bastante aceita e se tornou recorrente na literatura e nos
dados técnicos dos veículos.
Os dados característicos dos ciclos são apresentados nas Tabelas 5, 6 e 7.
39
Tabela 5 - Características do ciclo HWFET (ADVISOR)
Highway Fuel Economy Test - HWFET
Nome Valor
Tempo (s) 765
Distância (km) 16,51
Velocidade media (km/h) 77,58 km
Velocidade máxima (km/h) 96,4 km/h
Máxima aceleração (𝑚/𝑠2) 1,43
A figura 6-1 apresenta a velocidade pelo tempo ao longo ciclo HWFET.
Figura 6-1 - Velocidade vs Tempo ciclo HWFET
Tabela 6 - Características do ciclo UDDS (ADVISOR)
Urban Dynamometer Driving Schedule - UDDS
Nome Valor
Tempo (s) 1369
Distância (km) 11,99
Velocidade media (km/h) 31,51
Velocidade máxima (km/h) 96,25
Máxima aceleração (𝑚/𝑠2) 1,48
40
A figura 6-2 observa-se a velocidade pelo tempo ao longo do ciclo UDDS.
Figura 6-2 - Velocidade vs Tempo ciclo UDDS
Adicionalmente, também se avaliou neste trabalho os resultados do ciclo “New
European Driving Cicle” (NEDC), ciclo utilizado pela união europeia tendo em vista que
os mercados mais promissores para penetração dos veículos elétricos são o Europeu e o
Americano. A Tabela 7 contém as características do ciclo.
Tabela 7 - Características do ciclo NEDC (ADVISOR)
New European Driving Cycle - NEDC
Nome Valor
Tempo (s) 1184
Distância (km) 10,93
Velocidade media (km/h) 33,21
Velocidade máxima (km/h) 120
Máxima aceleração (𝑚/𝑠2) 1,06
A figura 6-3 mostra velocidade ao longo do ciclo.
41
Figura 6-3 - Velocidade vs Tempo ciclo NEDC
É possível observar que os ciclos UDDS e NEDC se assemelham por possuírem
mais momentos de aceleração e desaceleração, enquanto que o ciclo HWFET permanece
a maior parte de seu trajeto a uma velocidade constante. Essas características determinam
qual ciclo exige mais potência do sistema e, portanto, qual cenário consome mais
combustível.
6.3 Validação do modelo
Todas as variáveis presentes na tabela podiam ser inseridas diretamente no modelo
do ADVISOR, exceto a potência da bateria que tinha que ser inserida indiretamente
combinando o número de módulos com a voltagem nominal de cada módulo.
A Tabela 8 apresenta o nome da variável e o valor fornecido a ela para a criação do
modelo que reproduzisse o ADVISOR.
Tabela 8 - Variáveis usadas no Advisor para construção do Mirai
Modelo - Toyota Mirai
Nome/Comentário Valor Unidade Váriavel
Célula a Combustível
Tipo de célula e combustível FC_ANL50H2 - Fuel Converter
Potência 114 kW Fc_max_pwr
Motor
Tipo Motor AC - MC_AC83
42
Potência 113 kW Max_pwr
Escala de torque: altera o
torque máximo do motor
1,3624 - Mc_trq_scale
Bateria
Tipo ESS_NiMH28_Ovonic - Energy Storage
Número de módulos 32 - Ess_module_num
Escala que altera a
capacidade em Ah.
0,55 - Ess_cap_scale
SOC máximo 0,8 - cs_soc_hi
SOC mínimo 0,4 - cs_soc_lo
Características do veículo
Coeficiente de arrasto 0,29 - Veh_CD
Coeficiente de rolamento 0,0076 - Wh_1st_rrc
“Curb Mass”: deixou-se ser
calculada automaticamente
1848,4 kg -
Massa da carroceria 1172 kg Veh_glider_mass
Área Frontal 2,786 𝑚2 Veh_FA
Distância do centro de massa
ao solo
0,53 m Veh_cg_height
Pneus
Raio 0,335 m Wh_radius
É importante salientar que algumas variáveis presentes na Tabela 8 não foram
diretamente inseridas no ADVISOR e sim construídas usando-se outras variáveis como
no caso da bateria.
Além disso, a massa total é calculada somando-se a massa de cada componente, é
possível escrever uma massa total desejada que irá se sobrepor a massa total calculada.
Neste modelo a massa total calculada foi de 1856 kg apenas 8 kg acima da massa ideal o
que representa uma variação de apenas 0,4%. Por isso optou-se por manter a massa total
calculada pelo próprio ADVISOR.
Os resultados obtidos em comparação com os resultados reais para economia de
combustível e tempo de aceleração estão apresentados nas Tabelas 9, 10 e 11.
43
Tabela 9 - Validação do modelo com consumo de combustível
Consumo de Combustível em Milha por galão equivalente - MPGGe
Valor Real Simulação Variação
67 68,6 2,44%
Tabela 10 - Validação da modelo pelo tempo de aceleração
Teste de aceleração 0 km/h – 96,6 km/h [s]
Valor Real Simulação Variação
9 11,4 27,7%
Tabela 11 - Validação modelo pela velocidade máxima
Velocidade máxima [km/h]
Valor Real Simulação Variação
178 158 11,1%
Os resultados apresentados foram considerados satisfatórios para que o modelo
fosse usado no resto do trabalho.
O consumo de combustível representado pela varável “milhas por galão
equivalente” (MPGGe) apresentou uma variação de apenas 2,44% um resultado
considerado ótimo tendo em vista que o objetivo do trabalho é de avaliar o consumo de
combustível.
A performance da aceleração apresentou a maior variação em relação ao valor real
com 27,7%, apesar dos esforços em melhorar o resultado.
As figuras 6-4, 6-5 e 6-6 apresentam o comportamento do estado de carga da
bateria ao longo do ciclo.
44
Figura 6-4 -SOC x Tempo do ciclo - HWFET
Figura 6-5 - SOC x Tempo do ciclo - HWFET
45
Figura 6-6 - SOC x Tempo do ciclo – NEDC
Como esperado o estado de carga da bateria decresce, significando que a bateria
está fornecendo potência para o motor elétrico. Em todos os ciclos, a duração dos mesmos
não é longa o suficiente para levar a bateria ao estado de carga mínimo a partir do qual a
bateria teria que ser carregada pelos sistemas de células a combustível.
Há momentos no qual o estado de carga apresenta leve elevação, esse fenômeno
está associado as situações de frenagem no ciclo que devido ao freio regenerativo
destinam energia à bateria.
46
7 Resultados e Análises
O objetivo deste capítulo é o de apresentar a análises que foram conduzidas e seus
resultados utilizando-se do modelo apresentado no capítulo 6.
Foram conduzidas no total quatro análises diferentes, todas com o objetivo de avaliar
o impacto no consumo do combustível que foi avaliado em milhas por galão gasolina
equivalente (MPGGe), por ser um dado comumente apresentado pelas fabricantes e L/km,
para assim sugerir mudanças tanto na configuração do veículo quanto nas suas condições
de operação. As simulações foram feitas em três ciclos diferentes. Os ciclos UDDS e
HWEFT foram utilizados por serem os ciclos utilizados pela EPA.
A primeira análise estudada foi o impacto do estado de carga em longas distâncias,
esse estudo foi feito para ciclos consecutivos de forma a abranger uma maior distância
percorrida.
O segundo estudo conduzido foi o grau de hibridização do veículo. A terceira análise
foi sobre a temperatura de partida da célula a combustível e a quarta sobre o impacto da
redução da massa no consumo de combustível utilizando-se (GONZÁLEZ et al., 2015)
como referência.
7.1 Análise do estado de carga inicial da bateria
O veículo Plug-in apresenta a vantagem de poder carregar a bateria em rede, de
forma que podemos partir do princípio que no início de cada ciclo ou quando o motorista
começa a utilizar o veículo a bateria se encontra inicialmente com 100% da carga.
Para avaliar o verdadeiro impacto da carga inicial da bateria fez-se um estudo
comparativo avaliando o consumo de combustível para longas distâncias percorridas em
dois cenários: partindo com a bateria com um estado de carga de 100% e partindo-se de
um estado de carga de 0%, representando um veículo sem a possibilidade recarga na rede.
A simulação foi conduzida nos ciclos UDDS, HWFET e NEDC. Para aumentar a
quilometragem percorrida ao longo do ciclo o método utilizado foi aplicar ciclos idênticos
subsequentes. Os resultados são apresentados nas figuras 7-1,7-2 e 7-3.
A figura 7-1 mostra os resultados para o ciclo UDDS. Nela podemos observar que
a diferença do consumo equivalente de combustível (MPGGe) entre o veículo Plug-In e
o veículo não Plug-In até aproximadamente 100 km percorridos é significativa indo de
47
quase 45 para 10. A partir dos 100 km percorridos os valores continuam numa tendência
de aproximação, porém à uma taxa mais baixa de forma que aos 600 km a diferença é de
aproximadamente 2.
Para curtas distâncias percorridas o veículo Plug-In aproveita o potencial energético
presente na bateria acionando o sistema de células a combustível com menor frequência
e assim consumindo menos combustível e melhorando o consumo equivalente de
combustível (MPGGe). Conforme o veículo percorre longas distâncias a bateria será
descarregada e passará a entrar no ciclo de carregamento e descarregamento conforme as
demandas do veículo, exigindo mais do sistema de células a combustível. Nesse cenário
o ganho energético trazido pelo potencial inicial da bateria se torna cada vez mais
insignificante em relação a energia gasta pela célula de combustível aproximando os
valores do consumo equivalente de combustível (MPGGe) para os veículos Plug-In e não
Plug-In, como é observado em todos os ciclos de condução avaliados.
Figura 7-1 - Comparação MPGGE veículo Plug-In vs não Plug-In Ciclo UDDS
48
Figura 7-2 - Comparação MPGGE veículo Plug-In vs não Plug-In Ciclo HWFET
Figura 7-3 - Comparação MPGGE veículo Plug-In vs não Plug-In Ciclo NEDC
49
As figuras 7-1, 7-2 e 7-3 mostram que quanto maior a quilometragem percorrida
mais insignificante se torna o estado de carga inicial da bateria, uma vez que a partir de
aproximadamente 300 km para os ciclos UDDS e NEDC e aproximadamente 400 km
para o HWFET. A tendência de queda da diferença no consumo e alinhamento dos
consumos entre os veículos se aproxima conforme a distância percorrida aumenta. Para o
ciclo UDDS a diferença no consumo é de aproximadamente 0,2 L/km à 600 km
percorridos.
As Tabelas 12, 13 e 14 contém a diferença em porcentagem entre os valores do
consumo equivalente de combustível (MPGGe) entre os veículos Plug-In e não Plug-In
para cada um dos ciclos. Observa-se que a queda na variação em pontos percentuais é
mais acentuada para pequenas distâncias percorridas e se atenua para grandes distâncias,
devido ao fato dos valores do consumo equivalente de combustível (MPGGe)
convergirem. Esses resultados reforçam que o estado de carga inicial da bateria se dilui
com a distância.
Tabela 12 - Variação percentual MPGGe pela distância - HWFET
Variação em percentual do MPGGe - HWFET
Variação % Distância percorrida [km]
35,6 16,5
28,1 49,5
22,9 66
19,1 82,5
16,4 99
10,5 165,1
5,4 330,1
3,7 495,2
2,8 660,3
2,2 825,3
50
Tabela 13 - Variação percentual MPGGe pela distância - UDDS
Variação em percentual do MPGGe - UDDS
Variação % Distância percorrida [km]
65,3 12
32,6 36
26,3 48
22,1 60
19,1 71,9
12,5 119,9
6,5 239,8
4,4 359,7
2,8 479,6
2,6 599,5
Tabela 14 - Variação percentual MPGGe pela distância - NEDC
Variação em percentual do MPGGe - NEDC
Variação % Distância percorrida [km]
68,7 12
37,4 36
29,7 48
25,1 60
21,5 71,9
14 119,9
7,35 239,8
5,2 359,7
3,9 479,6
3 599,5
Para uma melhor visualização do impacto no consumo de combustível plotou-se
o consumo em litros por cada quilometro rodado. As figuras 7-4, 7-5 e 7-6 mostram os
resultados.
51
Figura 7-4 - Consumo em L/km – HWFET
Figura 7-5 - Consumo em L/km – UDDS
52
Figura 7-6 - Consumo em L/km - NEDC
Oberava-se que em média para longas distância a diferença entre os consumos se
reduz de 1 L/km para 0,1~0,2 L/km
Dos dados acima conclui-se que o impacto do estado de carga inicial sobre o
consumo do combustível é relevante para pequenas distâncias percorridas diariamente.
Considerando os seguintes trajetos de carro, apresentados na Tabela 15.
Tabela 15 - Distância média Rio de Janeiro
Ponto de partida Destino Distância [km] Ida e Volta [km]
Barra da Tijuca Ilha do Fundão 34,5 69
Duque de Caxias Centro 24,5 49
A distância média percorrida diariamente em uma grande cidade como o Rio de
Janeiro é entre 50 km e 70 km, ou seja, na faixa no qual o veículo Plug-In apresenta um
menor consumo de combustível em relação ao não Plug-In. Para situações diárias dentro
de grandes cidades como Rio de Janeiro e São Paulo o efeito do estado de carga inicial
da bateria se torna relevante.
53
7.2 Estudo do grau de hibridização - DOH
O estudo do grau de hibridização proporciona um maior entendimento sobre a
configuração do veículo a célula a combustível. A análise aqui efetuada fixou o valor da
potência da célula a combustível, levando em consideração que todos as células
encontradas nos modelos das montadoras possuíam a mesma faixa de potência, e
aumentou-se a potência da bateria.
Para efetuar a variação na potência da bateria alterou-se sua capacidade em Ah e o
número de módulos. As mudanças foram feitas sempre em conjunto de forma a seguir um
padrão e usou-se a nova massa total, que variava conforme a massa da bateria aumentava
com as mudanças.
Os valores das potências, a massa total e o grau de hibridização são mostrados na
Tabela 16.
Tabela 16 – Influência do grau de hibridização na massa do veículo
DOH % Potência bateria
[kW]
Potência Célula a
Combustível [kW]
Massa total [kg]
22,4 33 114 1856
25 38 114 1869
30 49 114 1889
45 61 114 1914
40 76 114 1933
45 93 114 1972
50 114 114 2016
55 139 114 2062
Os resultados do MPPGe e do consumo em L/km para cada um dos ciclos são
mostrados 7-7, 7-8 e 7-9.
A figura 7-7 mostra a variação do consumo equivalente de combustível (MPGGe)
para os ciclos UDDS e HWFET e o resultado combinado delas. O ciclo UDDS apresenta
uma taxa de variação baixa até o grau de hibridização de 45%. A partir deste valor ele
apresenta uma variação no consumo equivalente de combustível (MPGGe) de quase
54
1264%. O resultado levantou suspeitas quanto a precisão do software em representar a
situação real em tais circunstâncias. Em (ROCHE, et al., 2015) é apresentado um estudo
de otimização de um veículo movido à célula a combustível, e o ganho apresentando no
veículo otimizado ao final do estudo para um ciclo semelhante foi de apenas 30%.
A curva para o ciclo HWFET também apresenta um comportamento semelhante,
apresentado um crescimento no consumo equivalente de combustível (MPGGe) de quase
900%. A curva do ciclo combinado acompanha o comportamento das outras curvas.
Figura 7-7- Consumo de combustível (MPGGe) x Grau de Hibridização (DOH) - EPA
55
Figura 7-8 - Consumo de combustível (MPGGe) x Grau de Hibridização (DOH) - NEDC
56
Figura 7-9 - Consumo de combustível (L/km) x Grau de Hibridização (DOH) - EPA e NEDC
A figura 7-8 apresenta o comportamento para o ciclo NEDC semelhante ao
observado na figura 7-7, apresentando uma variação de 328%. A figura 7-9 mostra o
resultado para o consumo em L/km. Acompanhando o resultado do consumo equivalente
de combustível (MPGGe), o consumo cai drasticamente chegando a valores menores que
0,1 L/km.
Pode se concluir que o a potência da bateria se tornou de tal forma significativa ao
veículo que em todos os ciclos avaliados se tornou capaz de atender as altas demandas de
potência sem a necessidade de utilizar a célula a combustível, reduzindo
significativamente o consumo de combustível. Para averiguar tal hipótese avaliou-se o
grau de hibridização para distâncias maiores. Todos os ciclos foram percorridos 10 vezes
em sequência, de forma aumentar a distância final percorrida. Para o ciclo UDDs
percorreu-se no final 119 km, para o ciclo HWEFT 165,1 km, para a combinação de
ambos os ciclos 137,8 km e para o ciclo NEDC percorreu-se 109,3 km. Os resultados para
o consumo equivalente de combustível (MPGGe) são mostrados nas figuras 7-10 e 7-11.
Nas figuras 7-12 e 7-13 são mostrados os resultados para o consumo de combustível em
L/km.
57
Figura 7-10 - Consumo de combustível (MPGGe) x Grau de Hibridização (DOH) – EPA
58
Figura 7-11 - Consumo de combustível (MPGGe) x Grau de Hibridização (DOH) – NEDC
Os novos resultados se mostram mais plausíveis com uma elevação do consumo de
combustível em MPGGe para os ciclos UDDS, HWEFT, combinado e NEDC de 9,72 %,
11,7 % ,10,4% e 12,7%, respectivamente.
59
Figura 7-12 - Consumo de combustível (L/km) x Grau de Hibridização (DOH) – EPA
60
Figura 7-13 - Consumo de combustível (L/km) x Grau de Hibridização (DOH) - EPA e NEDC
Para o consumo em L/km, as figuras 7-12 e 7-13 mostraram uma redução no
consumo menos abrupta que anteriormente. Para o ciclo NEDC a redução no consumo
foi de 11,20% e para o ciclo combinado foi de 8,16%. Já o ciclo HWEFT apresentou
redução de 11,1% e o UDDS de apenas 6,25%, o que condiz com as suas características
por possuir mais situações de aceleração e desaceleração exigindo mais do sistema como
um todo.
7.3 Estudo da temperatura
Do capítulo 4 foi apresentado os diferentes tipos de célula combustível e na figura
4-5 a sua faixa de temperatura de operação. O modelo de célula a combustível utilizado
no modelo deste trabalho procura reproduzir a célula PFMC, que é a célula a combustível
utilizada no Mirai. Ela possui faixa de operação entre 60°C e 110° C.
O ADVISOR seta como default a temperatura inicial da célula a combustível em
20°C. O que se propôs aqui foi de alterar a temperatura inicial da célula a combustível
para se avaliar o ganho na eficiência da célula a combustível. O esperado era uma redução
61
no consumo do combustível e uma elevação no consumo equivalente de combustível
(MPGGe).
Os resultados podem ser visualizados nas figuras 7-14 e 7-15. As Tabelas 17 e 18
mostram a variação em percentual no consumo equivalente de combustível (MPGGe) e
no consumo em L/km, respectivamente, entre a temperatura mínima usada, 0° C e a
máxima, 110°C. Observa-se que o ganho foi de apenas 10% para o consumo equivalente
de combustível (MPGGe) e de 9% para o consumo em litros.
A figura 7-14 mostra a decaimento no consumo em L/km conforme a temperatura
aumenta até que se estabiliza a partir da temperatura de 80 °C.
Tabela 17 - Variação em percentual do MPGGe entre a máxima e a mínima temperatura de partida da célula a
combustível
Variação do MPGGe -%
UDDS HWFET Combinado NEDC
9,91 9,73 9,83 9,97
Tabela 18 - Variação em percentual do consumo em L/km entre a máxima e a mínima temperatura de partida da
célula a combustível
Variação do Consumo L/km -%
UDDS HWFET Combinado NEDC
8,95 8,79 8,88 9,05
62
Figura 7-14 - Consumo (L/km) x Temperatura inicial da célula a combustível
Figura 7-15 - MPGGe x Temperatura inicial da célula a combustível
63
O mesmo observado na figura 7-14 se reflete na figura 7-15, onde observa-se que
todos os ciclos apresentam o mesmo comportamento em relação a temperatura inicial da
célula a combustível e que a partir dos 80°C não houve mais mudanças no consumo
equivalente de combustível (MPGGe) que permaneceu constante. A causa para isso
acredita ser alguma configuração no modelo que limita temperatura máxima em 80°C.
7.4 Estudo da redução da massa total do veículo
O objetivo neste estudo era o de avaliar o impacto da redução da massa. Como base
tomou-se o (GONZÁLEZ et al., 2015) que faz um estudo da redução da massa visando a
melhoria nas emissões de forma a atender as demandas dos países Europeus e dos Estados
Unidos. Neste trabalho, reduzimos em 10% a massa total do Mirai.
O ADVISOR permite um estudo paramétrico na tela de simulação. É possível
inserir qual parâmetro deverá ser analisado e sob quais extremos. Os resultados para cada
um dos ciclos são apresentados nas figuras 7-16, 7-17 e 7-18. Para o estudo utilizou-se
20 pontos levando-se em consideração tempo de simulação e impacto na precisão dos
resultados.
64
Figura 7-16 - MPGGe x Massa do veículo - HWFET
Figura 7-17 - MPGGe x Massa do veículo - UDDS
65
Figura 7-18 - MPGGe x Massa do veículo – NEDC
A Tabela 19 evidencia o ganho em percentual no consumo equivalente de combustível
(MPGGe) para cada ciclo,
Tabela 19 - Variação MPGGe em % em relação a redução da massa do veículo
Variação do MPGGe -%
UDDS HWFET NEDC
7,73 4,65 6,75
A média para os 3 ciclos é uma melhora de 6,4% no consumo equivalente de combustível
(MPGGe).
66
8 Conclusões
O objetivo do presente trabalho foi o de avaliar o impacto que alguns parâmetros
possuíam sobre o consumo de combustível em um veículo movido a célula a combustível
usando o ADVISOR, software gratuito desenvolvido pela NREL.
O trabalho simulou o veículo Toyota Mirai que é um dos veículos comerciais
propelidos a célula a combustível.
Quatro simulações foram conduzidas, cada uma avaliando o impacto sobre o
consumo de combustível.
A primeira simulação mostrou que o efeito do estado de carga inicial da bateria
sobre o consumo de combustível é desprezível quando se analisa grandes distâncias
percorridas já que a energia do potencial inicial da bateria é bem menor do que o gerado
pelo sistema de células a combustível. Em contrapartida em distâncias menores que 100
km o estado de carga inicial da bateria apresenta vantagens significativas para o consumo
de combustível, uma vez que a bateria passa a atuar como fonte principal de energia do
motor acionando o sistema de células a combustível com menos frequência.
O estudo grau de hibridização apresentou para curtas distâncias percorridas um
aumento elevado no consumo equivalente de combustível (MPGGe), refletindo que a
bateria estava tracionando de maneira praticamente por conta própria o veículo. Após
elevar a distância percorrida pode se observar valores mais próximos da realidade, além
da tendência do consumo se reduzir conforme o grau de hibridização se eleva. Importante
ressaltar o fato do aumento do consumo equivalente de combustível (MPGGe) apesar do
aumento de quase 200 kg na massa total do veículo, devido a bateria mais pesada, o que
representa quase 10% da massa total do Mirai.
A variação da temperatura inicial da célula a combustível apresentou resultados
positivos para a economia de combustível, apesar de menores do que o observado pelo
estado de carga da bateria. Da mesma forma a redução de massa também trouxe uma
redução no consumo de combustível com valores menores do que os constatados pelas
análises percussoras.
Os resultados aqui obtidos neste trabalho indicam que pequenos ganhos ainda
podem ser adquiridos nos atuais modelos de veículos a célula a combustível sem a
necessidade de se alterar o atual sistema de células a combustível. Bons resultados podem
vir da combinação de uma redução da massa total do veículo com um aquecimento da
célula a combustível.
67
9 Sugestões para trabalhos futuros
Futuros trabalhos poderiam empregar outras ferramentas de simulação para efeito
voltadas para veículos a célula a combustível, como o “Advanced Vehicle Test Emulator
(AVTE)” e o “AVTE direct hydrogen fuel cell vehicle model” da UC-Davis que são
voltados especificamente para veículos movidos a célula combustível.
O modelo aqui estudado foi construído através da interface gráfica do Advisor, que
possui suas limitações. A construção de um modelo mais fiel ao real pode ser feita
criando-se um arquivo novo no diretório do Matlab, o que permite a inserção de
características mais especificas do modelo como a criação de uma bateria mais fiel a
bateria utilizada pelo Mirai.
Um estudo do impacto da bateria usada também é sugestão do autor, levando em
conta que a baterias de Lítio-Íon apresentam melhores resultados que as de níquel metal
hidreto.
68
Referências
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Preprint prepared for IEEE Transactions on Vehicular Technology, NREL,
70
Apêndice A – Código Matlab para geração de gráficos
Consumo por longa distância percorrida
figure(1)
x_UDDS_PI=[0.509 0.619 0.626 0.63 0.633 0.638 0.642 0.643 0.644 0.644];
x_UDDS_NPI=[1.464 0.919 0.851 0.809 0.782 0.728 0.687 0.673 0.662 0.662];
y_UDDS=[12 36 48 60 71.9 119.9 239.8 359.7 479.6 599.5];
h=plot(y_UDDS,x_UDDS_PI,'ok-',y_UDDS,x_UDDS_NPI,'dr-')
set(h(1),'linewidth',2);
set(h(2),'linewidth',2);
title ('Consumo de combustível (L/km) x Distância percorrida (km) - UDDS');
legend('Plug-In','Não Plug-In');
ylabel('Consumo em L/km')
xlabel('Distância percorrida [km]')
grid('on')
figure(2)
x_HWFET_PI=[0.505 0.522 0.528 0.53 0.532 0.536 0.539 0.54 0.541 0.541];
x_HWFET_NPI=[0.786 0.727 0.684 0.656 0.637 0.599 0.571 0.561 0.556 0.554];
y_HWFET=[16.5 49.5 66 82.5 99 165.1 330.1 495.2 660.3 825.3];
h=plot(y_HWFET,x_HWFET_PI,'ok-',y_HWFET,x_HWFET_NPI,'dr-')
set(h(1),'linewidth',2);
set(h(2),'linewidth',2);
title ('Consumo de combustível (L/km) x Distância percorrida (km) - HWFET');
legend('Plug-In','Não Plug-In');
ylabel('Consumo em L/km')
xlabel('Distância percorrida [km]')
grid('on')
figure(3)
x_NEDC_PI=[0.471 0.583 0.596 0.602 0.607 0.616 0.622 0.624 0.625 0.626];
x_NEDC_NPI=[1.503 0.92 0.847 0.804 0.775 0.716 0.672 0.658 0.65 0.646];
y_NEDC=[10.9 32.8 43.7 54.7 65.6 109.3 218.6 327.9 437.3 546.6];
h=plot(y_NEDC,x_NEDC_PI,'ok-',y_NEDC,x_NEDC_NPI,'dr-')
set(h(1),'linewidth',2);
set(h(2),'linewidth',2);
title ('Consumo de combustível (L/km) x Distância percorrida (km) - NEDC');
legend('Plug-In','Não Plug-In');
ylabel('Consumo em L/km')
xlabel('Distância percorrida [km]')
grid('on')
Comparação veículos Plug-In com Híbridos simples
figure(1)
x_UDDS_pi=[68.3 56.1 55.5 55.1 54.5 54.1 54 54 53.9];
x_UDDS_npi=[23.7 37.8 40.9 42.9 47.7 50.6 51.6 52.5 52.5];
y=[12 36 48 60 119.9 239.8 359.7 479.6 599.5];
h=plot(y,x_UDDS_pi,'ok-',y,x_UDDS_npi,'dr-')
set(h(1),'linewidth',2);
71
set(h(2),'linewidth',2);
title ('Consumo de combustível (MPGGe) x Distância percorrida (km) - Ciclo UDDS');
legend('Plug-In','Não Plug-In');
ylabel('Consumo de combustível (MPGGe)')
xlabel('Distância percorrida (km)')
grid('on')
figure(2)
x_UDDS_pi=[68.7 66.5 65.9 65.5 65.3 64.8 64.4 64.3 64.3 64.2];
x_UDDS_npi=[44.2 47.8 50.8 53 54.6 58 60.9 61.9 62.5 62.8];
y=[16.5 49.5 66 82.5 99 165.1 330.1 495.2 660.3 825.3];
h=plot(y,x_UDDS_pi,'ok-',y,x_UDDS_npi,'dr-')
set(h(1),'linewidth',2);
set(h(2),'linewidth',2);
title ('Consumo de combustível (MPGGe) x Distância percorrida (km) - Ciclo
HWFET');
legend('Plug-In','Não Plug-In');
ylabel('Consumo de combustível (MPGGe)')
xlabel('Distância percorrida (km)')
grid('on')
figure(3)
x_UDDS_pi=[73.8 59.6 58.3 57.7 57.2 56.4 55.8 55.7 55.6 55.5];
x_UDDS_npi=[23.1 37.3 41 43.2 44.9 48.5 51.7 52.8 53.4 53.8];
y=[10.9 32.8 43.7 54.7 65.6 109.3 218.6 327.9 437.3 546.6];
h=plot(y,x_UDDS_pi,'ok-',y,x_UDDS_npi,'dr-')
set(h(1),'linewidth',2);
set(h(2),'linewidth',2);
title ('Consumo de combustível (MPGGe) x Distância percorrida (km) - Ciclo NEDC');
legend('Plug-In','Não Plug-In');
ylabel('Consumo de combustível (MPGGe)')
xlabel('Distância percorrida (km)')
grid('on')
DOH
figure(1)
x_UDDS=[68.6 71.1 73.9 91.2 119.6 174.2 942.7 1003.9];
x_HWFET=[68.8 88.9 162.1 97.2 135.9 200.8 403.9 741.6];
%x_NEDC=[74.2 78.2 95.4 152.9 176.5 255.6 284.5 261.3];
x_combinado=[68.69 78.14 97.86 93.81 126.42 185.24 589.08 866.06];
y_DOH=[22.4 25 30 35 40 45 50 55];
h=plot(y_DOH,x_UDDS,'ok-',y_DOH,x_HWFET,'db-',y_DOH,x_combinado,'sr-')
set(h(1),'linewidth',2);
set(h(2),'linewidth',2);
set(h(3),'linewidth',2);
%set(h(4),'linewidth',2);
title ('Consumo de combustível (MPPGe) x Grau de Hibridização (DOH)');
legend('UDDS','HWFET','Combinado');
ylabel('Consumo de combustível (MPGGe)')
72
xlabel('Grau de Hibridização (DOH)')
grid('on')
figure(2)
%x_UDDS=[0.506 0.488 0.470 0.381 0.291 0.199 0.037 0.035];
%x_HWFET=[0.503 0.390 0.214 0.358 0.256 0.173 0.086 0.047];
x_NEDC=[0.469 0.445 0.364 0.227 0.197 0.136 0.122 0.133];
x_combinado=[0.505 0.439 0.306 0.370 0.274 0.186 0.050 0.040];
y_DOH=[22.4 25 30 35 40 45 50 55];
h=plot(y_DOH,x_combinado,'sr-',y_DOH,x_NEDC,'^g-')
set(h(1),'linewidth',2);
set(h(2),'linewidth',2);
%set(h(3),'linewidth',2);
%set(h(4),'linewidth',2);
title ('Consumo de combustível (L/km) x Grau de Hibridização (DOH)');
legend('Combinado', 'NEDC');
ylabel('Consumo de combustível (L/km)')
xlabel('Grau de Hibridização (DOH)')
grid('on')
figure(3)
%x_UDDS=[68.6 71.1 73.9 91.2 119.6 174.2 942.7 1003.9];
%x_HWFET=[68.8 88.9 162.1 97.2 135.9 200.8 403.9 741.6];
x_NEDC=[74.2 78.2 95.4 152.9 176.5 255.6 284.5 261.3];
%x_combinado=[68.69 78.2 95.4 152.9 176.5 255.6 284.5 261.3];
y_DOH=[22.4 25 30 35 40 45 50 55];
h=plot(y_DOH,x_NEDC,'og-');
set(h(1),'linewidth',2);
%set(h(2),'linewidth',2);
%set(h(3),'linewidth',2);
%set(h(4),'linewidth',2);
title ('Consumo de combustível (MPPGe) x Grau de Hibridização (DOH)');
legend( 'NEDC');
ylabel('Consumo de combustível (MPGGe)')
xlabel('Grau de Hibridização (DOH)')
grid('on')
figure(4)
x_UDDS=[54.5 54.1 53.8 55 56.1 57 57.7 59.8];
x_HWFET=[64.8 68.3 69.6 69.3 70.1 70.9 71.9 72.3];
%x_NEDC=[74.2 78.2 95.4 152.9 176.5 255.6 284.5 261.3];
x_combinado=[58.7 59.7 59.9 60.6 61.6 62.5 63.3 64.8];
y_DOH=[22.4 25 30 35 40 45 50 55];
h=plot(y_DOH,x_UDDS,'ok-',y_DOH,x_HWFET,'db-',y_DOH,x_combinado,'sr-')
set(h(1),'linewidth',2);
set(h(2),'linewidth',2);
set(h(3),'linewidth',2);
%set(h(4),'linewidth',2);
title ('Consumo de combustível (MPPGe) x Grau de Hibridização (DOH)');
legend('UDDS','HWFET','Combinado');
73
ylabel('Consumo de combustível (MPGGe)')
xlabel('Grau de Hibridização (DOH)')
grid('on')
figure(5)
%x_UDDS=[0.638 0.643 0.646 0.632 0.620 0.610 0.602 0.600];
%x_HWFET=[0.536 0.509 0.499 0.501 0.496 0.49 0.483 0.481];
x_NEDC=[0.616 0.587 0.579 0.577 0.566 0.556 0.559 0.547];
x_combinado=[0.588 0.575 0.570 0.565 0.557 0.549 0.542 0.540];
y_DOH=[22.4 25 30 35 40 45 50 55];
h=plot(y_DOH,x_NEDC,'ok-',y_DOH,x_combinado,'db-')
set(h(1),'linewidth',2);
set(h(2),'linewidth',2);
%set(h(3),'linewidth',2);
%set(h(4),'linewidth',2);
title ('Consumo de combustível (L/km) x Grau de Hibridização (DOH)');
legend('NEDC','Combinado');
ylabel('Consumo de combustível (L/km)')
xlabel('Grau de Hibridização (DOH)')
grid('on')
figure(6)
x_NEDC=[56.4 59.1 60 60.2 61.4 62.5 62.2 63.5];
y_DOH=[22.4 25 30 35 40 45 50 55];
h=plot(y_DOH,x_NEDC,'og-');
set(h(1),'linewidth',2);
title ('Consumo de combustível (MPPGe) x Grau de Hibridização (DOH)');
legend( 'NEDC');
ylabel('Consumo de combustível (MPGGe)')
xlabel('Grau de Hibridização (DOH)')
grid('on')
temperatura
figure(1)
x_UDDS=[67.6 67.6 67.8 68 68.3 68.4 68.6 69 69.3 69.7 70.1 70.6 71.1 71.6 73 74.3
74.3 74.3 74.3];
x_HWFET=[67.8 68 68.2 68.4 68.7 68.9 69.1 69.5 69.9 70.3 70.8 71.3 71.9 72.6 73.7
74.4 74.4 74.4 74.4];
x_NEDC=[73.2 73.2 73.3 73.5 73.8 74 74.2 74.5 74.9 75.3 75.7 76.2 76.7 77.2 78.5
80.5 80.5 80.5 80.5];
x_combinado=[67.69 67.78 67.98 68.18 68.48 68.62 68.82 69.22 69.57 69.97 70.41
70.91 71.46 72.05 73.31 74.34 74.34 74.34 74.34];
y_temp=[0 5 10 15 20 22 25 30 35 40 45 50 55 60 70 80 90 100 110];
h=plot(y_temp,x_UDDS,'ok-',y_temp,x_HWFET,'ob-',y_temp,x_combinado,'or-
',y_temp,x_NEDC,'og-')
set(h(1),'linewidth',2);
set(h(2),'linewidth',2);
set(h(3),'linewidth',2);
set(h(4),'linewidth',2);
74
title ('MPPGe x Temperatura inicial célula a combustível');
legend('UDDS','HWFET','Combinado', 'NEDC');
ylabel('MPGGe')
xlabel('Temperatura -°C')
grid('on')
figure(2)
x_UDDS=[0.514 0.514 0.513 0.511 0.509 0.508 0.506 0.504 0.501 0.498 0.495 0.492
0.489 0.485 0.476 0.468 0.468 0.468 0.468];
x_HWFET=[0.512 0.511 0.51 0.508 0.505 0.504 0.503 0.50 0.497 0.494 0.491 0.487
0.483 0.478 0.471 0.467 0.467 0.467 0.467];
x_NEDC=[0.475 0.475 0.474 0.473 0.471 0.47 0.469 0.466 0.464 0.461 0.459 0.456
0.453 0.45 0.443 0.432 0.432 0.432 0.432];
x_combinado=[0.513 0.513 0.512 0.510 0.507 0.506 0.505 0.502 0.499 0.496 0.493
0.490 0.486 0.482 0.474 0.468 0.468 0.468 0.468];
y_temp=[0 5 10 15 20 22 25 30 35 40 45 50 55 60 70 80 90 100 110];
h=plot(y_temp,x_UDDS,'ok-',y_temp,x_HWFET,'ob-',y_temp,x_combinado,'or-
',y_temp,x_NEDC,'og-')
set(h(1),'linewidth',2);
set(h(2),'linewidth',2);
set(h(3),'linewidth',2);
set(h(4),'linewidth',2);
title ('L/km x Temperatura inicial célula a combustível');
legend('UDDS','HWFET','Combinado','NEDC');
ylabel('L/Km')
xlabel('Temperatura -°C')
grid('on')
75
Apêndice B – Milhas por Galão Gasolina Equivalente
(MPGGe)
A unidade de medida, MPGGe, foi desenvolvida pela EPA para possibilitar a
comparação de veículos híbridos com veículos convencionais.
Para um ciclo analisado, é feito um cálculo considerando-se a energia gasta pelo
veículo híbrido durante o trajeto analisado e considerando que 1 galão de combustível
possui 33 Kwh de energia.
O MPGGe representa quantos milhas o veículo híbrido percorreria se consumisse
combustível tendo a mesma eficiência energética.
![30112011 [Plug] Apostila Python 2.0b](https://img.document.onl/doc/110x75/55721323497959fc0b91ad3e/30112011-plug-apostila-python-20b.jpg)
