Aula carro2-1
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Pós-graduação em Ciência e Engenharia de MateriaisProf. Orestes Alarcon | Doutorando Alexandre Galiotto
Universidade Federal de Santa CatarinaDepartamento de Engenharia mecânica e MateriaisPós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
Well to Wheel - W2W
EFICIÊNCIA GLOBAL
Do poço a roda
Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
EFICIÊNCIA GLOBAL
Gaso-duto
Poço ao Tanque Tanque à roda Roda
Poço à Roda (Well to Wheel) Tanque
Distri- buiçãoCom-
pressor (Posto)sor
Compressor
Tanque MotorCaixa d Marcha
Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
100 80 - 85
16 - 18
= SETOR PETRÓLEO x VEÍCULO 0,17
SETOR PETRÓLEO = 0,8 - 0,85
VEÍCULO 0,17
EFICIÊNCIA GLOBAL
Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
POLÍT.TRANS
P.
Geometria,peso,tipo acionamento
motor etc.
CONFRTO,
HÁBITOSη=ƒ( )xƒ´( )
EFICIÊNCIA NOS TRANSPORTES
Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
• Melhoria da eficiência dos motores convencionais (MCI)
• Emprego da tração elétrica
Resistência do ar
Em espera/parado
Perdas no motor
Acessórios
Perdas transmissão
Frenagem
Inércia
Resistência rolamento
EFICIÊNCIA DOS CARROS CONVENCIONAIS
Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
O veículo elétrico (cuja sigla em inglês é EV, de electric vehicle) é um tipo de
veículo que utiliza propulsão por meio de pelo menos um motor elétrico em sua
tração para se transportar ou conduzir pessoas, objetos ou uma carga específica.
Ele é um sistema composto por um sistema primário de energia, uma ou mais
máquinas elétricas e um sistema de acionamento e controle de velocidade ou
torque.
VEÍCULOS ELÉTRICOS – VE'S
Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
• Mais torque• Zero emissões• Tax breaks• Não necessita de transmissão• Partidas mais eficientes
– Pode desligar o motor quando parado
MOTORES ELÉTRICOS
Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
Combustível líquido ou GNV
Ene
rgia
Elé
tric
a
VEB
VEH “Plug-in”
VEH
• Trólebus Rede (durante o trajeto)
• Bateria Rede (carga)
• Híbrido Combustível*
• Híbrido plug-in Rede (carga) +
Combustível*
• Célula a combustível Hidrogênio**
• Solar (teste, competições) Sol * Gasolina, diesel, álcool, gás natural** Hidrogênio ou metano, metanol, ... em reformador
Tipo Fonte de Energia Elétrica
CLASSIFICAÇÃO
Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
• 1839: Primeiro veículo elétrico
• 1886: Táxi na Inglaterra com motor elétrico
• 1890-1910: Significantes melhoras na tecnologia
de baterias(ácido-chumbo, níquel-ferro)
BREVE HISTÓRICO
Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
1898: Dr. Ferdinand Porsche, 23 anos, construiu seu primeiro carro: Lohner Electric Chase (primeiro do mundo com tração dianteira).
Segundo carro: um híbrido com m.c.i. para acionar um gerador que fornecia energia elétrica a motores localizados nos eixos das rodas.
Só na bateria rodava cerca de 40 milhas.
1899: Dois híbridos no Salão de Paris
BREVE HISTÓRICO
http://autoestrada.uol.com.br/interno.cfm?file=conhecimento&id=24
Camille Jenatzy in electric car La Jamais Contente, 1899
Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
1903: Krieger Hybrid: usava motor a gasolina para alimentar um conjunto de baterias
1921: Owen Magnetic Hybrid: usava motor a gasolina para acionar um gerador que
fornecia energia elétrica para motores montados em cada roda traseira.
BREVE HISTÓRICO
Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
BREVE HISTÓRICO
Thomas Edison e um carro elétrico em 1913
1912 Detroit Electric advertisement
Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
• 1970’s: Embargo petróleo árabe; VW Táxi híbrido
• 1979: Carro híbrido construído com motor de cortador de grama.
• 1991: US Advanced Battery Consortium lançou o maior programa para
produzir uma “super” bateria
BREVE HISTÓRICO
Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
• 1997: Toyota Prius disponível no Japão
• 1999: Honda Insight lançado nos EUA (70 mpg)
• 2000: Toyota Prius disponível nos EUA
• 2002: Honda Civic Hybrid lançado.
• 2004: Toyota Prius II e Ford Escape Hybrid lançados.
BREVE HISTÓRICO
Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
Eletricidade
Gasolina
Álcool
Diesel/Biodiesel
GNV
HidrogênioH2
GNV/H2
Célula a combustível
Tanque
COMBUSTÍVEIS PARA VE'S
Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
• VEB - Veículo elétrico a bateria Baterias• VEH - Veículo elétrico híbrido Gerador acionado por m.c.i• VECC - Veículo elétrico de célula a combustível Célula a Combustível
VES combinam•Alta eficiência energética•Baixo nível de ruído•Baixo nível de emissões de poluentes•Conforto•Baixo custo operacional
Tecnologias de VETecnologias de VE
CCaracterizadas pela fonte de energia elétrica usada a bordoaracterizadas pela fonte de energia elétrica usada a bordo
Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
VEH – CONFIGURAÇÃO SÉRIE
Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
VEH – CONFIGURAÇÃO PARALELA
Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
Fonte: EPRI Journal – Fall 2005
VEH Plug-inVEH Plug-in
* Electric Power Research Institute (EPRI)
Sprinter Plug-in da Daimler no mercado em 2008
Conversão em “oficinas”
Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
•Fatores motivadores• Questão ambiental (poluição do ar, sonora)• Eficiência no uso de energia
- Estímulos para aquisição
VEs Nenhuma ou muito pouca emissão de gases no local Arrancadas e frenagens mais suaves (mais conforto) Baixo ruído Frenagem regenerativa Motores elétricos eficientes Baterias eficientes Motor de combustão interna menor e funcionando na regiãode maior eficiência ou desligado Não gasta energia quando parado
EVOLUÇÃO
Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
•Fatores inibidores
•Custo de aquisição mais alto (bateria, outros componentes,
baixa escala de produção, tecnologia na infância)
•No caso dos elétricos a bateria, autonomia limitada e
tempo de recarga alto
•Pouca disponibilidade de modelos
•Complexidade
EVOLUÇÃO
Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
2005 2010 2015
Híbrido
Bateria
Célula a combustível
2000
As grandes famílias de veículos elétricos encontram-se em estágios distintos de desenvolvimento
Híbrido plug-In
?
CRONOLOGIA
Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
• Energia e aquecimento global são preocupações centrais de nosso
tempo
• Uso do petróleo é um dos principais problemas que pressionam o
mundo atual
• As conseqüências para o meio ambiente local, regional e global das
emissões do cano de escape clamam por ações urgentes
• As preocupações principais são relacionadas a uma possível crise de
energia quando não houver mais combustível fóssil e, principalmente,
uma muito possível exaustão da capacidade do meio ambiente
absorver a poluição
A eficiência só avança
CONCLUSÕES
Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
• Mercado, política energética ou ambiental?
• Federal, Estadual ou Municipal?
• Nichos: transporte público, individual, frotas?
• Barreiras: econômicas, tecnológicas, culturais e legais?
BRASIL
Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
- Ônibus: alguns modelos em teste no exteriorUm desenvolvimento no Brasil- Empilhadeiras em teste
Vários modelos em teste pelos grandes fabricantes
Há vários modelos em teste.
- Vários modelos no exterior.- Veículos para entregas e serviços urbanosEmpilhadeiras, reboques e paletadeiras
- Vários modelos no exterior usados para usos urbanos. - - Um entrante no Brasil
- Há muitos tipos e fabricantes, alguns no Brasil-Motos com potencial para substituir as convencionais em certos usos-Uma fábrica de motonetas em Manaus-Soluções para ambientes fechados e portadores de necessidades especiais
- Ônibus: alguns fabricantes no exterior e 2 no Brasil-Caminhões em teste no exterior-VEH-P: um ônibus no Brasil
-12 a 15 modelos nos EUA-VEH-P: hoje é um VEH adaptado. Poderá ser uma opção de fábrica no futuro
Não há notícia.
LEV
ÍSS
IMO
SLE
VE
SP
ES
AD
OS
VEHVEB VECaC
Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
•Stop/start (S/S) – Desliga e liga o mci•Economia de combustível* - 7%
•Integrated Starter Alternator With Damping (ISAD) – Opera em 42V e, além do S/S, permite contribuição de alguma potência do sistema de tração elétrica•Economia de combustível* - 11% e 10% a mais no torque
•Integrated Motor Assist (IMA) – Opera 114V, tem motor elétrico e baterias maiores que no ISAD, o que possibilita mais potência auxiliar•Economia de combustível* - 17% e 15% a mais no torque
•Full Hybrid (FH) - Sistemas 300+V com possibilidade de tração exclusivamente elétrica, além de suplementar a potência do mci•Economia de combustível* - 29% e 20% a mais no torque•Para utilitários: economia – 26% e 15% a mais no torque
* Environmental Protection Agency (EPA)
Uma classificação dos VEHs (automóveis e utilitários)Uma classificação dos VEHs (automóveis e utilitários)
Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
VEs Plug-ins
Eletricidade
Tanque
Gasolina
Álcool
Diesel/Biodiesel
GNV
Hidrogênio
CilindroGNV/H2
Tanque
Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
•Motores de combustão internaÊnfase passa da potência para eficiência
•Células a combustívelCustoConfiabilidadeVida útilE associado os problemas de produção, armazenamento e distribuição do hidrogênio
•Sistemas de controleCustoConfiabilidade
Tecnologias críticasTecnologias críticas
Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
•Sistemas de abastecimento de energia•Baterias
Melhores relações kWh/kg e kWh/l autonomia 150 - 300 km Custo menor Redução do tempo de carga Vida útil – de 3 /4 anos 8 a15 anos
Tecnologias críticasTecnologias críticas
Fonte: EPRI Journal – Fall 2005
Automóvel a bateria4 a 6 km/kWh
300kg de LI- possibilita a um VEB autonomia de170 a 250 km
Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
• Sistemas de abastecimento de energia•Carga de baterias / Eletropostos
Estratégias para recarga que garantam a saúde das baterias-Mais eficiência (economia)-Sem degradação da performance das baterias-Redução do tempo de recarga (cargas rápidas)
Interface EUA – 1.000 eletropostos e mais de 50.000 VEBs
•Supercapacitores Custo Retenção da energia
Motores elétricos / geradoresJá existem motores bastante eficientes
– ex., engrenagem + motor: 93%Vida útil longa é característica deste componenteProjetos avançados como motores embutidos narodaNecessidade de queda nos custos (escala)
Tecnologias críticasTecnologias críticas
Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
•EUA Califórnia - início anos 90: Proporção crescente de novos carros do tipo Zero Emission Vehicles (ZEV) 1993 - Governo cria Partnership for New Generation of Vehicles (PNGV) – US$ 1 bi - governo cobre metade dos investimentos das montadoras
Meta 80 mpg (34 km/h) sem fixar tecnologia 1998 Neighborhood Electric Vehicles (NEV) autorizados a circular em vias públicas com velocidade limitada a 40 km/h 2003 Projeto Independence – VECaC 2005 – Energy Policy Act – estímulos monetários para aquisição de VEBs, VEHs, VECaC
•Europa França nos anos 90: governo estimulou principais montadoras a lançar VEBs dando subsídios e incentivos fiscais aos compradores e fazendo compras via estatais Taxa para circular no centro das cidades Proibição para circulação de veículos convencionais nos centros históricos ou quando poluição do ar supere certo nível Incentivos à aquisição de veículos menos poluentes
EvoluçãoEvolução
Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
•VEs de célula a combustível•Sem viabilidade econômica no horizonte
(custo do veículo precisa ser dividido por pelo menos 10, investimentos na produção e distribuição do hidrogênio)•Solução VEH CaC Plug-in poderá ser uma intermediária•Veículos pesados devem se viabilizar antes dos leves•Célula a combustível estacionária será comercial antes
Perspectivas no mundo e no BrasilPerspectivas no mundo e no BrasilHorizonte 2015Horizonte 2015
Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
The Batteries Behind It All
• Early Prius and Insight NiMH D Cells– Stick Arrangement
((http://www.peve.panasonic.co.jp/catalog/e_maru.htmlhttp://www.peve.panasonic.co.jp/catalog/e_maru.html))
Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
Prismatic Ni-MH
• 15% pack volume reduction• 25% pack weight reduction• Less battery module per pack number
http://www.peve.panasonic.co.jp/catalog/e_kaku.html
Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
Metal Case Prismatic Ni-MH
• Improvement– 14% less volume– 40% higher cooling
((http://www.peve.panasonic.co.jp/catalog/e_kinnzoku.htmlhttp://www.peve.panasonic.co.jp/catalog/e_kinnzoku.html))
Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
ECU
• Electronic Control Unit
• Regulates temperature and state of charge
• Ensures safe and reliable driving http://www.peve.panasonic.co.jp/catalog/e_bms.html
Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
Study: Battery Usage and Thermal Performance of Prius and Insight
• Honda Insight vs. Toyota Prius
Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
Charge, Discharge and SOC
• http://www.nrel.gov/docs/fy02osti/31306.pdf
Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
Battery Energy and Battery Temperatures
Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
Hybrid Cars TodayTable 1. Light-Duty Hybrid Electric VehiclesOEM Model Body Style Power Type Fuel Date Introduced/Announced Production DateCurrently in Production DaimlerChrysler Ram Pickup Contractor Special Truck Mild Hybrid Diesel Nov-00 2004 (Limited)
Ford Escape SUV Hybrid Gasoline Jan-01 2004 General Motors Silverado/Sierra Truck Mild Hybrid Gasoline Jan-01 2004 (Limited) Honda Accord Sedan IMA1 Hybrid Gasoline Jan-04 2005 Honda Insight Coupe IMA1 Hybrid Gasoline Dec-99 2000 Honda Civic Sedan IMA1 Hybrid Gasoline Jan-00 2002 Lexus RX400h SUV Hybrid Gasoline Jan-03 2005 Toyota Prius Sedan Parallel Hybrid Gasoline Jun-00 2000 Toyota Highlander SUV Hybrid Gasoline Jan-04 2005 Suzuki Twin Mini Hybrid Gasoline Nov-02 2003 (Japan) Toyota Estima Minivan Parallel Hybrid Gasoline Jun-01 In Japan Only Toyota Crown Sedan Mild Hybrid Gasoline Aug-01 In Japan Only Toyota Alphard Minivan Hybrid Gasoline Jul-03 In Japan Only Planned for Production Ford Fusion Sedan Full Hybrid Gasoline Apr-03 2006 General Motors Silverado/Sierra & Tahoe/Yukon Truck & SUV Strong Hybrid Gasoline Nov-03 2007
General Motors Equinox SUV Hybrid Gasoline Jan-03 2006 General Motors Malibu Sedan BAS2 Hybrid Gasoline Jan-03 2007 General Motors Graphyte SUV Full Hybrid Gasoline Jan-05 2006 Hyundai Click Sedan Hybrid Gasoline Nov-03 2005/06 (Korea) Mercury Mariner SUV Full Hybrid Gasoline Apr-04 2005 (limited)2006 (full) Nissan Altima Sedan Hybrid Gasoline Jun-04 2006 Saturn Vue SUV BAS2 Hybrid Gasoline Jan-03 2006 Toyota Camry Sedan Unknown Gasoline Unknown Unknown Toyota Sienna Minivan Hybrid Gasoline 2003 2007 Recent Concepts - Production Plans Unknown Honda ASM Minivan IMA1 hybrid Gasoline Oct-03 Unknown Ford Focus C-MAX Sedan Hydrogen ICE Hydrogen Jul-04 Unknown Daewoo S3X SUV Unknown Unknown Oct-04 Unknown Opal Astra Sedan Unknown Diesel Jan-04 Unknown Mercury Meta One Unknown Hybrid Diesel Jan-04 Unknown Mercury Milan Unknown Unknown Unknown Jan-04 Unknown
1 Integrated motor assist.2 Belt alternator starter.(Source: Collected by Robb Barnitt and Leslie Eudy, National Renewable Energy Laboratory, from various sources)Table from http://www.nrel.gov/docs/fy05osti/37777.pdf
Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
Future of Hybrid
• Hybrid buses– ~1,000 in use– Seattle– California
• Tax Break Increase
Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
Future of Hybrid Cars
Toyota Volta
3.3 liter V6 gas engine
Toyota Hybrid Sports Toyota Hybrid Sports CarCar
408 horsepower
30 miles per gallon
Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
Definitions
• Combustion vs. Electric (http://auto.howstuffworks.com/hybrid-car1.htm)
• Parallel vs. Series Hybrid (http://auto.howstuffworks.com/hybrid-car2.htm)
– Honda Insight– Toyota Prius
• Full Hybrid• Mild Hybrid
– Stop/Start Hybrid– Integrated Starter Alternator with Damping (ISAD)– Integrated Motor Assist (IMA)
• Plug-in Hybrid
DEFINIÇÕES
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Gasoline
• Higher energy density than batteries– 1,000 pounds of batteries = 1 gallon (7
pounds) of gas• Cheaper initial cost for car
– Hybrids are $3500-5000 more• Reliable, more history
Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
Cost Per Mile Electric vs. Gas