SIMULAÇÃO DE UM VEÍCULO ELÉTRICO: NISSAN LEAF

Matheus Lima de Deus

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: Silvio Carlos Anibal de Almeida

Rio de Janeiro

Maio de 2017

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica

DEM/POLI/UFRJ

SIMULAÇÃO DE UM VEÍCULO ELÉTRICO: NISSAN LEAF

Matheus Lima de Deus

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:

RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL

MAIO DE 2017

Deus, Matheus Lima de

Título do Projeto Final/ Matheus Lima de Deus. – Rio de Janeiro: UFRJ/ Escola Politécnica, 2017.

XII, 31 p.: il.; 29,7 cm.

Orientador: Silvio Carlos Anibal de Almeida

Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/ Curso de Engenharia Mecânica, 2017.

Referências Bibliográficas: p. 32-33.

1. Introdução 2. Simulação de veículos elétricos no PAMVEC. 3. Estudo de Caso. 4.Resultados. 5.Conclusões. I. Almeida, Silvio Carlos. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica, Curso de Engenharia Mecânica. III. Simulação de um veículo elétrico: Nissan Leaf.

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Agradecimentos Primeiramente à Deus, àquele que em todos os momentos da vida está presente nos dando força e empenho para vencer a cada obstáculo e desafio da vida, e que nunca nos abandona. “Mudaste o meu pranto em dança, a minha veste de lamento em veste de alegria, para que o meu coração cante louvores a ti e não se cale. Senhor, meu Deus, eu te darei graças para sempre.“ Salmos 30:11-12.

À minha mãe Isabel Cristina por todo apoio incondicional durante todo o período acadêmico, que nas horas mais alegres esteve ao meu lado para dar alegres risadas e nas horas mais difíceis esteve com seu ombro materno para me consolar.

Ao meu irmão Engenheiro Paulo Arthur por sua parceria ao longo de todo o curso, por suas dicas e todo o apoio dado para que esse dia chegasse. Também pelos bons dias vividos que passamos nas idas e vindas para a faculdade, onde um apoiava o outro.

À Julia Eloy, que esteve ao meu lado para o que der e vier durante toda a faculdade, que não hesitou em deixar de cumprir seus deveres para estar ao meu lado e me confortar nas semanas de prova unificada, nos trabalhos para entregar... Muito obrigado por seu apoio.

A meu pai Orival que me apoiou também em diversos momentos da faculdade e que me ofereceu ajuda quando eu precisei. Muito obrigado por seu apoio.

A todos os meus amigos que criei durante todo o período letivo e que me ajudaram em muitos aspectos, desde estudar juntos para as provas de EleMaq1 até filosofar sobre a vida. É muito difícil e traiçoeiro citar nomes, por isso vou citar apenas os que criei no LMT: Gabriel de Carvalho (este foi desde o CEFET/RJ), Daniel Santana, Jorge Antunes e Matheus Di Vaio. E não poderia deixar de fora uma menção prometida: Daniel Turci, entendedores entenderão.

Aos mestres que me ajudaram nessa caminhada, doando um pouco de si próprios a fim de formar os melhores engenheiros que eles puderam. Em especial ao meu orientador, Prof. Silvio Carlos, por todo o apoio durante a elaboração desse trabalho e pela sua amizade.

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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 um veículo elétrico: Nissan Leaf

Matheus Lima de Deus

Maio/2017

Orientador: Silvio Carlos Anibal de Almeida

Curso: Engenharia Mecânica

Veículos elétricos estão sendo cada vez mais utilizados pelos consumidores e produzidos pelas indústrias, tendo em vista sua importância para minimizar efeitos do aquecimento global e o menor custo por km. A fim de acompanhar o desenvolvimento dos veículos elétricos, são necessárias ferramentas que simulem diversas condições do veículo a fim de se desenvolver novas tecnologias para um melhor funcionamento. Neste contexto, este trabalho visa realizar diversas análises com um veículo elétrico muito utilizado atualmente, o Nissan Leaf, e obter conclusões satisfatórias. Para isso, foi utilizada a ferramenta de simulação PAMVEC (Parametric Analytical Model of Vehicle Energy Consumption), que é uma plataforma em Excel que permite ao usuário efetuar diversas análises com veículos de diferentes configurações veiculares (veículos à combustão interna, veículos à célula de combustível, veículos elétricos à bateria, entre outros), bastando ao usuário introduzir os inputs dos respectivos veículos e das fontes de energia associadas a estes. Num primeiro momento, serão avaliados os dados de performance do veículo (como consumo de combustível em km/L, consumo energético, entre outros). Em seguida, será feito uma comparação com um veículo à combustão interna de características dimensionais semelhantes, o Nissan March, a fim de se comparar o desempenho e custos de ambos os veículos.

Palavras-chave: Veículos elétricos, Nissan Leaf, PAMVEC.

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Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Mechanical Engineer.

Simulation of an electric vehicle: Nissan Leaf

Matheus Lima de Deus

May/2017

Advisor: Silvio Carlos Anibal de Almeida

Course: Mechanical Engineering

Electric vehicles have been increasingly used by the consumers and manufactured by the industries, given their importance in minimizing the effects of global warming and lower cost per km. In order to accompany the electric vehicles development, tools are needed to simulate many vehicle conditions to develop new technologies for a better operation. In this context, this work aims at doing different analyzes with a very common vehicle today, the Nissan Leaf, and getting satisfactory conclusions. To achieve that, it has been used the simulation tool PAMVEC (Parametric Analytical Model of Vehicle Energy Consumption), which is an Excel platform that allows the user to do many analyzes with vehicles of different vehicle configurations (internal combustion vehicles, fuel cell vehicles, battery electric vehicles, and so on), being enough to the user to introduce the inputs of the respective vehicles and of the energy sources associated to them. At first, the performance data of the vehicle (such as fuel consumption in km/L, energy consumption, among others) will be evaluated. Next, a comparison will be made with an internal combustion vehicle of similar dimensional characteristics, the Nissan March, in order to compare the performance and costs of both vehicles.

Keywords: electric vehicles, Nissan Leaf, PAMVEC

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SUMÁRIO

1 Introdução .................................................................................................................... 1 1.1 Conceitos Gerais ................................................................................................ 1 1.2 Objetivos ........................................................................................................... 1 1.3 Metodologia ....................................................................................................... 2 1.4 Organização do Trabalho .................................................................................. 2

2 Simulação de Veículos Elétricos no PAMVEC ......................................................... 3 2.1 Veículos Elétricos .............................................................................................. 3 2.1.1 Veículos Elétricos à Bateria (BEV) ...................................................... 3 2.1.2 Veículos à Célula de Combustível (FCEV) .......................................... 4 2.2 Veículos à Combustão Interna (ICV) ................................................................ 5 2.3 PAMVEC .......................................................................................................... 6 2.3.1 Interface da Plataforma ......................................................................... 6 2.3.1.1 Aba Inputs ................................................................................ 6 2.3.1.2 Aba Powertrain Components ................................................... 8 2.3.1.3 Aba BEV – Leaf ...................................................................... 9 2.3.1.4 – Aba de Resultados ............................................................... 10 2.3.2 Modelagem do PAMVEC ................................................................... 10 2.3.2.1 Consumo específico equivalente ............................................ 15 2.3.2.2 Emissões de CO2 .................................................................... 15

3 Estudo de Caso ........................................................................................................... 17 3.1 Veículo Elétrico ............................................................................................... 17 3.2 Veículo à Combustão Interna .......................................................................... 20

4 Resultados ................................................................................................................... 22 4.1 Consumo específico ......................................................................................... 22 4.2 Custo por km ................................................................................................... 23 4.3 Simulação de acordo com o consumo energético ............................................ 24 4.4 Simulação de acordo com a massa do banco de baterias ................................ 25 4.5 Análise da influência da Frenagem Regenerativa na Energia Recuperada ..... 25 4.6 Análise da influência do Ar condicionado de acordo com o ciclo de direção 27 4.7 Análise comparativa de desempenho do veículo elétrico com o veículo convencional à combustão interna .................................................................................. 29

5 Conclusões .................................................................................................................. 31

Referências Bibliográficas ............................................................................................ 32

viii

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 – Emissão de gases no Brasil por diferentes tipos de veículos ........................ 1

Figura 2 – Princípio de Funcionamento do PAMVEC ................................................... 2

Figura 3 – Banco de Baterias de Íons de Lítio ................................................................. 4

Figura 4 – Exemplo de uma célula de combustível ......................................................... 4

Figura 5 – Estrutura de funcionamento de uma célula de combustível .......................... 5

Figura 6 – Estrutura básica de funcionamento de um veículo à combustão interna ....... 5

Figura 7 – Estrutura de funcionamento do PAMVEC ..................................................... 6

Figura 8 – Plataforma veicular (Aba inputs) ................................................................... 7

Figura 9 – Dados de performance (Aba inputs) ............................................................... 7

Figura 10 – Distribuição de velocidades no ciclo UDDS ................................................ 8

Figura 11 – Janelas da aba Powertrain Components ....................................................... 9

Figura 12 – Janela de cálculos da modelagem do PAMVEC .......................................... 9

Figura 13 – Ilustração do cálculo da massa da bateria .................................................. 11

Figura 14 – Ilustração e Dimensões do veículo estudado .............................................. 18

Figura 15 – Ilustração e Dimensões do veículo Nissan March Conforto 1.0 2016 ....... 21

Figura 16 – Selo oficial da EPA .................................................................................... 23

Figura 17 – Porcentagem de energia recuperada x Fração de frenagem regenerativa .. 27

Figura 18 – Comparativo da influência do ar condicionado pela velocidade média do ciclo ................................................................................................................................. 28

Figura 19 – Comparação segundo o consumo em km/Leq ............................................. 29

Figura 20 – Comparação segundo o consumo energético em Wh/km .......................... 30

Figura 21 – Comparação segundo o custo por km em R$/km ....................................... 30

ix

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 – Parâmetros padronizados para diferentes ciclos de direção ................. ......... 8

Tabela 2 – Dados de entrada sobre a configuração veicular do Nissan Leaf Visia e especificações das baterias .............................................................................................. 17

Tabela 3 – Dados do Motor Elétrico .............................................................................. 18

Tabela 4 – Dados da transmissão ................................................................................... 18

Tabela 5 – Fração de Freio Regenerativo ...................................................................... 19

Tabela 6 – Dados atuais e projeções de parâmetros veiculares ..................................... 19

Tabela 7 – Dados de entrada sobre a configuração veicular do Nissan March 1.0 12V Conforto (Flex) 2017 ...................................................................................................... 20

Tabela 8 – Resultado da simulação no PAMVEC de acordo com o consumo .............. 23

Tabela 9 – Resultado da simulação no PAMVEC de acordo com o custo para dirigir 25 milhas .............................................................................................................................. 24

Tabela 10 – Custo por km no Brasil do veículo elétrico ................................................ 24

Tabela 11 – Resultado da simulação no PAMVEC de acordo com o consumo energético ........................................................................................................................ 24

Tabela 12 – Resultado da simulação no PAMVEC de acordo com a massa do banco de baterias ............................................................................................................................ 25

Tabela 13 – Tabela de variação de energia recuperada em função da porcentagem de frenagem regenerativa ..................................................................................................... 26

Tabela 14 – Potências demandadas para manter uma temperatura confortável (entre 15oC e 24oC de acordo com a temperatura externa) ....................................................... 27

Tabela 15 – Dados das simulações para os diferentes cenários e ciclos de direção ...... 28

Tabela 16 – Resultados da simulação comparando os veículos elétrico e à combustão interna ............................................................................................................................. 29

x

LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS

CO – Monóxido de carbono

NOx – Óxidos de nitrogênio

CO2 – Dióxido de carbono

PAMVEC – Parametric Analytical Model of Vehicle Energy Consumption

BEV – Battery Electric Vehicle

FCEV – Fuel Cell Electric Vehicle

FCHEV – Fuel Cell Hybrid Electric Vehicle

HEV – Hybrid Electric Vehicle

ICV – Internal Combustion Vehicle

NYCC – New York City Cycle

NEDC – New European Driving Cycle

UDDS – Urban Dynamometer Driving Schedule

US06 - Supplemental Federal Test Procedure (SFTP)

HWFET - Highway Fuel Economy Test

EPA – Environmental Protection Agency

AESC – Automotive Energy Supply Corporation

EUA – Estados Unidos da América

𝒎𝒄𝒖𝒓𝒃 - massa total do veículo (sem passageiros)

𝒎𝒈𝒍𝒊𝒅𝒆𝒓 - massa da carroceria

𝒌𝒔𝒕𝒓𝒖𝒄𝒕 - fator de massa adicional do sistema de propulsão

𝒎𝒃𝒂𝒕 - massa do banco de baterias

𝒎𝒎𝒐𝒕𝒐𝒓 - massa do motor

𝒎𝒕𝒓𝒂𝒏𝒔 - massa do sistema de transmissão

𝑷𝒎𝒐𝒕𝒐𝒓 - potência máxima demandada pelo motor

𝝁𝒎𝒐𝒕𝒐𝒓 - eficiência do motor elétrico

𝑺𝑷 - potência específica da bateria

𝑨𝒖𝒕- autonomia de projeto

xi

𝑬𝑪 - energia média gasta por quilômetro

𝑺𝑬 - energia específica da bateria.

𝑷 - potência de tracionamento;

𝑷𝒃𝒂𝒕- potência média fornecida pelo banco de baterias;

𝑷𝒑𝒆𝒓𝒅𝒂𝒓𝒆𝒄𝒂𝒓𝒈𝒂- potência média perdida pela bateria na recarga.

𝑷𝒓𝒐𝒅𝒂- potência dissipada pela roda;

𝑷𝒇𝒓𝒆𝒊𝒐- potência dissipada pelos freios;

𝑷𝒂𝒄𝒆𝒔𝒔- potência dissipada pelos acessórios;

𝑷𝒕𝒓𝒂𝒏𝒔- potência dissipada pelo sistema de transmissão;

𝑷𝒑𝒆𝒓𝒅𝒂𝒃𝒂𝒕𝒆𝒓𝒊𝒂- perda dissipada pelas baterias.

𝝆- massa específica do ar;

𝑪𝒅 - coeficiente de arrasto aerodinâmico;

𝒗𝒓𝒎𝒄 - velocidade média cúbica do ciclo de direção;

𝒈 - módulo da aceleração gravitacional;

𝑪𝒓𝒓 - coeficiente de atrito (resistência ao rolamento);

𝒎𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍 - massa total do veículo incluindo o passageiro;

𝒗𝒂𝒗𝒈 - velocidade média do ciclo de direção.

𝒌𝒓𝒆𝒈𝒆𝒏 - fator de frenagem regenerativa;

𝒌𝒎 - fator inercial do veículo;

𝒂𝒄 - aceleração característica do ciclo de direção.

𝝁𝒕𝒓𝒂𝒏𝒔 - eficiência do sistema de transmissão.

𝝁𝒃𝒂𝒕 - eficiência do banco de baterias.

𝝁𝒓𝒆𝒄𝒂𝒓𝒈𝒃𝒂𝒕 - eficiência de recarga da bateria.

𝑷𝒎𝒆 - potência do motor elétrico;

𝑺𝑷𝒎𝒆 - potência específica do motor elétrico

𝑷𝒕𝒓𝒂𝒏𝒔 - potência do sistema de transmissão;

𝑺𝑷𝒕𝒓𝒂𝒏𝒔 - potência específica do sistema de transmissão.

𝑪𝒖𝒔𝒕𝒐 - custo da energia elétrica por quilômetro;

𝑪 - custo da energia elétrica na região.

𝒎𝒄𝒐𝒎𝒃 - massa de combustível;

xii

𝒎𝒎𝒄 - massa do motor convencional.

𝑬𝒄𝒐𝒎𝒃 - energia armazenada no combustível;

𝑺𝑬𝒄𝒐𝒎𝒃 - energia específica do combustível;

𝑷𝒎𝒄 - potência do motor convencional;

𝑺𝑷𝒎𝒄 - potência específica do motor convencional.

𝒈𝒂𝒍ã𝒐𝒈𝒂𝒔 - volume de gasolina em galões.

𝑪𝒐𝒏𝒔𝒖𝒎𝒐𝒆𝒒 - consumo equivalente para veículos elétricos (em 𝐿?@/100𝑘𝑚);

𝑬𝒏𝒆𝒓𝒈𝒊𝒂(𝑾𝒉/𝒌𝒎) - energia específica calculada pelo PAMVEC.

𝑬𝒄 - energia do combustível em kcal/L;

𝑨𝑭𝑹 - razão ar-combustível.

𝑬𝑪𝑶𝟐 - emissão de CO2 em g/km;

𝑪𝒐𝒏𝒔𝒖𝒎𝒐 - consumo específico do veículo em L/km.

𝑳𝒆𝒒 litros equivalentes

1

Capítulo 1

Introdução 1.1 – Conceitos Gerais

Veículos elétricos são veículos que utilizam propulsão por meio de motores elétricos para conferir potência para os eixos e componentes do veículo, diferentemente dos veículos tradicionais que utilizam um motor à combustão para tal fim. Uma grande característica dos veículos elétricos é sua capacidade de não emitir gases do efeito estufa (CO, NOx, entre outros), o que é de vital importância para a sociedade e para o mundo.

O Brasil ocupa a 8a posição na produção de automóveis no mundo, ficando atrás de China, Estados Unidos, Japão, Alemanha, Coréia do Sul, Índia e México [1]. Além desse fator, podemos ver na Figura 1 que a maior parcela de emissão de gases do efeito estufa no Brasil é proveniente de automóveis. Tendo em vista esse cenário, torna-se cada vez mais importante o estudo e aperfeiçoamento de carros elétricos no Brasil.

Figura 1 - Emissão de gases no Brasil por diferentes tipos de veículos. [2]

1.2 – Objetivos

O presente trabalho tem como objetivo analisar o desempenho de um veículo elétrico (Nissan Leaf Visia) através de uma plataforma de simulação em Excel que permite realizar várias análises, como consumo de combustível equivalente, análise da influência do freio regenerativo, entre outros.

2

Além disso, será realizada uma comparação com um veículo à combustão interna, a fim de analisar as diferenças de custo de combustível, emissões de CO2 evitadas, entre outros.

1.3 – Metodologia

Para realizar a simulação, foi utilizada a plataforma PAMVEC (Parametric Analytical Model of Vehicle Energy Consumption) (Simpson, 2005). O PAMVEC é uma plataforma gerada para funcionar no programa Microsoft Excel, o que confere a ela alta transparência e flexibilidade para suas funcionalidades.

O PAMVEC permite realizar diferentes análises para diferentes arquiteturas veiculares (motor a combustão interna, veículo híbrido em série, veículo híbrido em paralelo, veículo à célula combustível e veículo elétrico à bateria), bastando ao usuário apenas introduzir os dados referentes ao veículo que está sendo estudado. O programa irá realizar os cálculos segundo os dados da plataforma do veículo, dados de performance do veículo, dados do ciclo de direção utilizado e os dados do sistema de propulsão do veículo. A Figura 2 representa esquematicamente a estrutura de funcionamento do PAMVEC.

Figura 2 - Princípio de Funcionamento do PAMVEC

Uma descrição detalhada da modelagem da plataforma PAMVEC será apresentada no Capítulo 3 do presente trabalho.

1.4 – Organização do Trabalho

O presente trabalho foi organizado de forma que o leitor consiga absorver as ideias de maneira fácil e objetiva. No Capítulo 1 foi dado uma introdução do assunto a ser tratado. No Capítulo 2 será a descrição da plataforma PAMVEC, seus principais parâmetros e modelagens. No Capítulo 3 será vista a descrição dos veículos utilizados na simulação. Posteriormente, serão apresentados no Capítulo 4 os resultados obtidos. Finalmente, no Capítulo 5, serão apresentadas as conclusões do presente trabalho. Logo após o Capítulo 5 são listadas as Referências Bibliográficas.

3

Capítulo 2

Simulação de veículos elétricos no PAMVEC No presente capítulo será dada uma visão geral sobre os veículos elétricos (seus diferentes tipos de sistema de propulsão) e uma análise detalhada sobre a modelagem utilizada na plataforma PAMVEC.

2.1 – Veículos Elétricos

Veículo elétrico é a denominação para os veículos que utilizam um motor elétrico (que também atua como gerador) para obter a propulsão. Nesses veículos, a energia demandada pelo motor elétrico pode ser proveniente de um banco de baterias (chamados veículos elétricos à bateria), pode ser proveniente de uma reação de hidrogênio com o oxigênio (chamados veículos à célula combustível) e pode até trabalhar em conjunto com um motor à combustão interna (os chamados veículos híbridos). Nas seções a seguir vamos analisar mais detalhadamente cada tipo de veículo elétrico.

2.1.1 – Veículos Elétricos à Bateria (BEV)

Veículos elétricos à bateria (Battery Electric Vehicle) são veículos que utilizam a energia química armazenada num banco de baterias para alimentar o motor elétrico. Entre o banco de baterias e o motor elétrico, contudo, existe um conversor de potência, que sua finalidade é converter parte da energia dissipada na frenagem para realizar a recarga da bateria, o que é chamado de frenagem regenerativa.

Esses veículos têm a capacidade de não emitir gases do efeito estufa, pois não existe combustão incompleta, como nos veículos à combustão interna. Essa característica tem sido de vital importância para o desenvolvimento da indústria de veículos elétricos no mundo, tendo em vista o apelo ambiental cada vez mais intenso.

As baterias dos veículos elétricos podem ser de diferentes tipos. A mais usada para esse tipo de aplicação é a de íons de lítio [3], onde sua estrutura química é formada de um óxido de lítio-cobalto como catodo e grafite como anodo. Outras configurações de bateria usadas em veículos elétricos são as de chumbo ácido (usadas em carros e caminhões) e as de hidreto de níquel-metal (geralmente usada para os carros híbridos). Na Figura 3 podemos ver um exemplo de um banco de baterias de íons de lítio.

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Figura 3 - Banco de Baterias de Íons de Lítio [4]

2.1.2 – Veículos Elétricos à Célula de Combustível (FCEV)

Os veículos elétricos à célula de combustível (Fuel Cell Electric Vehicle) são veículos que utilizam a energia eletroquímica proveniente da célula de combustível para transferir para o motor elétrico. A célula de combustível é um aparelho conversor de energia eletroquímica. Tal aparelho é capaz de converter energia química de um combustível em eletricidade através de uma reação química com íons de hidrogênio carregados positivamente e o oxigênio ou outro agente oxidante [5].

As células de combustível são diferentes das baterias no sentido de requerer que os agentes redutores e oxidantes sejam utilizados de forma contínua, diferente das baterias onde os elementos químicos presentes reagem entre si para produzir força eletromotriz. As células de combustível podem conferir energia elétrica continuamente enquanto houver os agentes redutores e oxidantes. A Figura 4 mostra um exemplo de uma célula de combustível e a Figura 5 mostra a estrutura de funcionamento de uma célula de combustível.

Figura 4 – Exemplo de uma célula de combustível [5]

5

Figura 5 – Estrutura de funcionamento de uma célula de combustível [6]

2.2 – Veículos à combustão interna (ICV)

Os veículos à combustão interna (Internal Combustion Vehicle) são os veículos que utilizam a forma tradicional de sistema de propulsão, onde a energia necessária para acionar o sistema de transmissão é proveniente da combustão de um combustível.

Basicamente, esses sistemas utilizam um tanque de combustível para armazenamento, um motor à combustão interna e o sistema de transmissão que transfere a energia mecânica para as rodas do veículo.

Existem diversas configurações de veículos à combustão interna, onde podem ser variadas as formas de ignição (ignição por centelha, no caso de gasolina e álcool, ou por compressão, nos veículos à diesel), a razão ar-combustível, a taxa de compressão, entre outros. A Figura 6 ilustra a estrutura de funcionamento de um veículo à combustão interna.

Figura 6 – Estrutura básica de funcionamento de um veículo à combustão interna

6

2.3 – PAMVEC

O PAMVEC é uma plataforma em Excel, que permite ao usuário realizar simulações de acordo com as características do veículo. Para obter os resultados da simulação (os chamados outputs), é necessário introduzir os dados de entrada (os chamados inputs). Os dados de entrada são os dados relativos ao veículo (como dados de performance, dimensões), os dados do sistema de propulsão (como dados relativos ao banco de baterias, motor elétrico, transmissão) e do ciclo de direção utilizado na simulação (como já foi mostrado na Figura 2). Podemos ver na Figura 7 uma ilustração mais detalhada da estrutura de funcionamento do software.

Figura 7 – Estrutura de funcionamento do PAMVEC [7]

2.3.1 – Interface da plataforma

2.3.1.1 – Aba Inputs

A plataforma PAMVEC possui 3 abas principais para realizar as simulações. A primeira é a aba “Inputs”, onde são introduzidos os dados referentes ao veículo (características e performance) e o ciclo de direção de interesse. Os dados introduzidos na aba inputs são:

• massa da carroceria • fator de inércia do veículo • fator de massa do sistema de propulsão

7

• coeficiente de arrasto aerodinâmico x área frontal • coeficiente de atrito • carga de 2 pessoas • potência demandada pelos acessórios do veículo • aceleração • gradabilidade • velocidade máxima • autonomia

Abaixo podemos ver as janelas principais da aba inputs do PAMVEC.

Vehicle Platform

Glider mass (mglider) 1097,5 kg

Vehicle inertia factor (km) 1,1

Powertrain structural mass factor (kstruct) 1,15

Aerodynamic drag area (CDA) 0,80 m2

Rolling resistance coefficient (CRR) 0,0109

Cargo mass (2 person) 150 kg

Accesory load 700 W

Figura 8 – Plataforma veicular (Aba inputs)

Performance Targets

Acceleration: 0 to 100 kph in 11,5 sec

Gradability: maintain 0 kph grade of 0,0%

Top speed 144 kph

Driving range 135 km

135 km for BEV

Figura 9 – Dados de performance (Aba inputs)

Ainda na aba Inputs, são introduzidos os dados referentes ao ciclo de direção utilizado na simulação. Os ciclos de direção são representados por gráficos de velocidade x tempo, onde pode-se simular diversas condições de direção, como fortes acelerações ou frequentes paradas por exemplo. Os ciclos de direção são desenvolvidos por diferentes países para avaliar o desempenho de veículos segundo alguns parâmetros, como consumo de combustível e emissão de gases poluentes.

Os dados que o PAMVEC utiliza dos ciclos de direção são:

• velocidade média • velocidade cúbica média • razão de velocidades

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• aceleração característica

Tabela 1 – Parâmetros padronizados para diferentes ciclos de direção (Simpson, 2005)

Ciclo Velocidade Média (km/h)

Velocidade cúbica média

(km/h)

Razão de velocidades

Aceleração Característica

(m/s2) NYCC 11,4 20,6 1,81 0,293 NEDC 33,0 53,6 1,62 0,112 UDDS 31,4 44,5 1,42 0,171 US06 76,9 91,2 1,19 0,190

HWFET 77,2 80,0 1,04 0,069

Acima podemos ver na Tabela 1 os valores para os parâmetros acima citados para diferentes ciclos de direção.

O ciclo de direção utilizado na simulação foi o ciclo americano UDDS (Urban Dynamometer Driving Schedule), que simula uma rota urbana com paradas frequentes. O ciclo também é conhecido como FTP-72 [8]. A razão pela qual o ciclo foi utilizado foi de usar os dados da EPA (Environmental Protection Agency) para comparar os dados obtidos pela simulação. A Figura 10 ilustra a distribuição de velocidades do ciclo UDDS.

Figura 10 – Distribuição de velocidades no ciclo UDDS [8]

2.3.1.2 – Aba Powertrain Components

Já na segunda aba, são introduzidos os dados referentes ao sistema de propulsão. São introduzidos os dados referentes ao motor de combustão, à bateria, ao motor elétrico, à transmissão, ao combustível utilizado, à fração de freio regenerativo e ao grau de

Velocid

ade(m

ilhas/h)

Tempo(s)

9

hibridização do veículo (para o caso de veículos híbridos – que utilizam um motor elétrico e um motor à combustão).

Battery Specific power Specific energy Efficiency Energy density Density (W/kg) (Wh/kg) (%) (Wh/L) (kg/L) BEV - Li-Ion 420 157 92% 317 2,019

Motor/Controller Specific power Efficiency N Pmax/Peff (W/kg) (%) (-) (-) BEV 1027 85% 4,99 1,00

Transmission Specific power Efficiency (W/kg) (%) BEV 1625 89%

Figura 11 – Janelas da aba Powertrain Components

2.3.1.3 – Aba BEV – Leaf

A aba BEV – Leaf é onde é realizado todos os cálculos do PAMVEC seguindo a modelagem que será vista na Seção 2.3.2. Nessa aba são retirados os dados das abas anteriores de forma a exibir cada valor numérico de cada passo da modelagem. Podemos ver na figura abaixo uma figura que exemplifica os cálculos de cada passo da modelagem.

Drive Cycle UDDS

Average speed 31,35 kph Root-mean-cubed speed 44,52 kph Characteristic acceleration 0,171 m/s^2 Average wheel power 2416 W 77,1 Whpkm Average brake power 1331 W 42,5 Whpkm Average drive losses 1133 W 36,2 Whpkm Accessory power 700 W 22,3 Whpkm Average battery losses 189 W 6,0 Whpkm Average battery power 5769 W 184,0 Whpkm Average recharge losses 502 W 16,0 Whpkm Average electricity 6271 W 200,0 Whpkm Fuel consumption 2,24 L/100km_eq Fuel consumption 44,72 km/L_eq Fuel economy 105,2 MPG_eq

Figura 12 – Janela de cálculos da modelagem do PAMVEC

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2.3.1.4 – Aba de Resultados

A quarta aba da plataforma é a aba de resultados, onde são apresentados os dados obtidos da simulação da aba BEV – Leaf , como dados de consumo de energia, consumo equivalente de combustível, custo de combustível, emissões de CO2, e custo energético. Essa aba será melhor discutida no Capítulo 4 nos Resultados.

2.3.2 – Modelagem do PAMVEC

A modelagem no PAMVEC segue um modelo iterativo de cálculo, onde as variáveis são fixas e a plataforma calcula todos os dados novamente caso haja uma mudança nos inputs.

Um dos principais cálculos que a plataforma faz é o cálculo da massa total, fator de extrema importância para o melhor desempenho do veículo, tendo em vista que carros mais leves tendem a ser mais eficientes (mantendo as mesmas características). A massa total do veículo é modelada no PAMVEC para veículos elétricos segundo a Equação (1).

𝑚OPQR = 𝑚TUVW?Q +𝑘YZQPOZ 𝑚R[Z + 𝑚\]Z]Q +𝑚ZQ[^Y (1)

Onde:

𝒎𝒄𝒖𝒓𝒃 é a massa total do veículo (sem passageiros);

𝒎𝒈𝒍𝒊𝒅𝒆𝒓 é a massa da carroceria;

𝒌𝒔𝒕𝒓𝒖𝒄𝒕 é o fator de massa adicional do sistema de propulsão;

𝒎𝒃𝒂𝒕 é a massa do banco de baterias;

𝒎𝒎𝒐𝒕𝒐𝒓 é a massa do motor;

𝒎𝒕𝒓𝒂𝒏𝒔 é a massa do sistema de transmissão.

A massa total do veículo 𝑚OPQR geralmente é fornecida pelo fabricante, de modo que podemos calcular os outros parâmetros de interesse de forma iterativa. O fator de massa adicional do sistema de propulsão 𝑘YZQPOZ está relacionado a um aumento de massa necessário para suportar o sistema de propulsão.

De outro ponto de vista, um importante cálculo que a plataforma realiza é o cálculo da massa da bateria, que é um fator extremamente importante do ponto de vista de projeto, pois os fabricantes estão procurando cada vez mais melhorar a eficiência das baterias, visto que baterias de menor massa são mais eficientes (para a mesma capacidade de armazenar energia).

A massa do banco de baterias é modelada no PAMVEC fazendo uma comparação. A plataforma calcula se a demanda energética é maior para atender a autonomia do

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veículo ou para atender à potência do motor elétrico. A Figura 13 ilustra essa comparação de forma esquemática.

Figura 13 – Ilustração do cálculo da massa da bateria

Sendo assim, o PAMVEC realiza o cálculo da bateria seguindo a seguinte equação:

𝑚R[Z = 𝑚𝑎𝑥 abcdcefbcdce×ha

;jPZ×klhk

(2)

Onde:

𝑷𝒎𝒐𝒕𝒐𝒓 é a potência máxima demandada pelo motor;

𝝁𝒎𝒐𝒕𝒐𝒓 é a eficiência do motor elétrico;

𝑺𝑷 é a potência específica da bateria;

𝑨𝒖𝒕é a autonomia de projeto;

𝑬𝑪 é a energia média gasta por quilômetro;

𝑺𝑬 é a energia específica da bateria.

Para calcular a energia média gasta por quilômetro do veículo, temos que determinar a potência de tracionamento. Considerando que o veículo retorna ao ponto inicial no ciclo de direção com a mesma velocidade, as energias cinética e potencial não sofrem variação ao longo da análise (Simpson, 2005). Portanto, podemos modelar a potência de tracionamento como:

𝑃 = 𝑃R[Z +𝑃n?QW[Q?O[QT[ (3)

Massadabateria

Comparaçãodemassa

Autonomia

Potênciaespecíficada

bateria

Potênciadomotor

Energiaespecíficada

bateria

12

Onde:

𝑷 é a potência de tracionamento;

𝑷𝒃𝒂𝒕é a potência média fornecida pelo banco de baterias;

𝑷𝒑𝒆𝒓𝒅𝒂𝒓𝒆𝒄𝒂𝒓𝒈𝒂 é a potência média perdida pela bateria na recarga.

A potência média fornecida pelo banco de baterias 𝑃R[Z é a soma da potência dissipada pelo atrito das rodas, da potência perdida pelos freios, da potência dissipada pelos acessórios, da potência dissipada pelo sistema de transmissão e da potência dissipada pela própria bateria. A Equação (4) explicita o texto matematicamente.

𝑃R[Z = 𝑃Q]W[ +𝑃oQ?V] +𝑃[O?YY + 𝑃ZQ[^Y +𝑃n?QW[R[Z?QV[ (4)

Onde:

𝑷𝒓𝒐𝒅𝒂 é a potência dissipada pela roda;

𝑷𝒇𝒓𝒆𝒊𝒐 é a potência dissipada pelos freios;

𝑷𝒂𝒄𝒆𝒔𝒔 é a potência dissipada pelos acessórios;

𝑷𝒕𝒓𝒂𝒏𝒔é a potência dissipada pelo sistema de transmissão;

𝑷𝒑𝒆𝒓𝒅𝒂𝒃𝒂𝒕𝒆𝒓𝒊𝒂 é a perda dissipada pelas baterias.

A potência média dissipada pela roda pode ser escrita como:

𝑃Q]W[ = 0,5𝜌𝐶W𝑣Q\Ou + 𝑔𝐶QQ𝑚Z]Z[U𝑣[wT (5)

Onde:

𝝆é a massa específica do ar;

𝑪𝒅 é o coeficiente de arrasto aerodinâmico;

𝒗𝒓𝒎𝒄 é a velocidade média cúbica do ciclo de direção;

𝒈 é o módulo da aceleração gravitacional;

𝑪𝒓𝒓 é o coeficiente de atrito (resistência ao rolamento);

𝒎𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍 é a massa total do veículo incluindo o passageiro;

𝒗𝒂𝒗𝒈 é a velocidade média do ciclo de direção.

A potência média dissipada pelos freios é modelada como:

𝑃oQ?V] = 1 − 𝑘Q?T?^ 𝑚Z]Z[U𝑘\𝑎O𝑣[wT (6)

13

Onde:

𝒌𝒓𝒆𝒈𝒆𝒏 é o fator de frenagem regenerativa;

𝒌𝒎 é o fator inercial do veículo;

𝒂𝒄 é a aceleração característica do ciclo de direção.

As perdas do sistema de transmissão são modeladas no PAMVEC como:

𝑃ZQ[^Y = yzfbcdcefde{|}fbcdcefde{|}

𝑃Q]W[ + a~e��c

yz�e���|+ 1 − 𝜇\]Z]Q𝜇ZQ[^Y 𝑘Q?T?^𝑚Z]Z[U𝑘\𝑎O𝑣[wT (7)

Onde:

𝝁𝒕𝒓𝒂𝒏𝒔 é a eficiência do sistema de transmissão.

A potência dissipada pelo banco de baterias é modelada como:

𝑃n?QW[R[Z?QV[ = yzf�{d

fbcdcefde{|}0,5 + 0,5𝑘Q?T?^ 𝑚Z]Z[U𝑘\𝑎O𝑣[wT (8)

Onde:

𝝁𝒃𝒂𝒕 é a eficiência do banco de baterias.

A potência dissipada na recarga (que aparece na Equação (3)) é determinada de acordo com a Equação (9), explicitada a seguir:

𝑃n?QW[Q?O[QT[ = (yzf�{d)f�{d

𝑃R[Z (9)

Finalmente, chegamos ao consumo energético do veículo por km. O consumo energético é calculado no PAMVEC de acordo com a Equação (10):

𝐸𝐶 = aw{��fe��{e��{d

(10)

Onde:

𝝁𝒓𝒆𝒄𝒂𝒓𝒈𝒃𝒂𝒕 é a eficiência de recarga da bateria.

Calculando-se o consumo energético por km, conseguimos finalmente fazer a comparação explicitada na Equação (2) e calcular a massa do banco de baterias.

14

Além do cálculo da massa do banco de baterias, podemos a partir deste calcular a massa da carroceria 𝑚TUVW?Q de forma iterativa utilizando a Equação (1). Para isso, precisamos calcular 𝑚\]Z]Qe 𝑚ZQ[^Y . Estas são modeladas pelas Equações (11) e (12):

𝑚\]Z]Q = ab�hab�

(11)

𝑚ZQ[^Y = ade{|}hade{|}

(12)

Onde:

𝑷𝒎𝒆 é a potência do motor elétrico;

𝑺𝑷𝒎𝒆 é a potência específica do motor elétrico

𝑷𝒕𝒓𝒂𝒏𝒔 é a potência do sistema de transmissão;

𝑺𝑷𝒕𝒓𝒂𝒏𝒔 é a potência específica do sistema de transmissão.

A partir dos valores de 𝑚\]Z]Qe 𝑚ZQ[^Y calculados, podemos encontrar o valor da massa da carroceria 𝑚TUVW?Q utilizando-se a Equação (1), sabendo que o valor para 𝑘YZQPOZ utilizado foi de 1,15 [9].

Outro cálculo importante na modelagem do PAMVEC é o cálculo do custo por quilômetro de um veículo elétrico. Ele é obtido a partir do consumo energético e do custo da energia elétrica na região. O custo por quilômetro é modelado conforme a Equação (13):

𝐶𝑢𝑠𝑡𝑜 = 𝐸𝐶𝑥𝐶 (13)

Onde:

𝑪𝒖𝒔𝒕𝒐 é o custo da energia elétrica por quilômetro;

𝑪 é o custo da energia elétrica na região.

Para um veículo tradicional à combustão interna, a massa total do veículo é calculada como:

𝑚OPQR = 𝑚TUVW?Q +𝑘YZQPOZ 𝑚O]\R + 𝑚\O +𝑚ZQ[^Y (14)

Onde:

𝒎𝒄𝒐𝒎𝒃 é a massa de combustível;

𝒎𝒎𝒄 é a massa do motor convencional.

As massas do combustível e do motor convencional são modeladas no PAMVEC conforme as Equações (15) e (16).

15

𝑚O]\R = k�cb�hk�cb�

(15)

𝑚\O = ab�hab�

(16)

Onde:

𝑬𝒄𝒐𝒎𝒃 é a energia armazenada no combustível;

𝑺𝑬𝒄𝒐𝒎𝒃 é a energia específica do combustível;

𝑷𝒎𝒄 é a potência do motor convencional;

𝑺𝑷𝒎𝒄 é a potência específica do motor convencional.

2.3.2.1 – Consumo específico equivalente

A fim de podermos comparar com veículos de diferentes sistemas de propulsão, o PAMVEC faz o cálculo do consumo específico equivalente. Para isso, foi utilizada a fórmula de conversão [10]:

33,7𝑘𝑊ℎ = 1𝑔𝑎𝑙ã𝑜T[Y (17)

Onde:

𝒈𝒂𝒍ã𝒐𝒈𝒂𝒔 representa o volume de gasolina em galões.

O PAMVEC apresenta o consumo energético em Wh/km, logo, utilizando o dado da Equação (17), a base de cálculo utilizada para o consumo equivalente em 𝐿?@/100𝑘𝑚 foi:

𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜?@ =k^?QTV[(��/�\)y����uu,����

𝑥3,785412534 𝐿 𝑥100(𝑘𝑚) (18)

Onde:

𝑪𝒐𝒏𝒔𝒖𝒎𝒐𝒆𝒒 é o consumo equivalente para veículos elétricos (em 𝐿?@/100𝑘𝑚);

𝑬𝒏𝒆𝒓𝒈𝒊𝒂(𝑾𝒉/𝒌𝒎) é a energia específica calculada pelo PAMVEC.

1 galão = 3,785412534 L

2.3.2.2 – Emissões de CO2

Os veículos tradicionais emitem gases do efeito estufa como o CO2 devido à combustão que ocorre no interior dos cilindros. A modelagem de emissão de CO2 para um veículo à gasolina de acordo com Damasceno (2005) [11] pode ser descrita como:

𝐸O = 498,81𝑥𝐴𝐹𝑅 + 498,83 (19)

16

Onde:

𝑬𝒄 é a energia do combustível em kcal/L;

𝑨𝑭𝑹 é a razão ar-combustível.

Calculando a energia do combustível, podemos finalmente calcular a emissão de gases de CO2.

𝐸l�� = 𝐸O𝑥𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜𝑥0,2985 (20)

Onde:

𝑬𝑪𝑶𝟐 é a emissão de CO2 em g/km;

𝑪𝒐𝒏𝒔𝒖𝒎𝒐 é o consumo específico do veículo em L/km.

17

Capítulo 3

Estudo de Caso 3.1 – Veículo Elétrico

O veículo a ser estudado será o Nissan Leaf Visia 2016, que é energizado por um banco de baterias de íons de lítio da AESC (Automotive Energy Supply Corporation ®). As características da plataforma do veículo, de performance e do banco de baterias são mostradas na Tabela 2, e as dimensões do veículo são mostradas na Figura 14.

Tabela 2 - Dados de entrada sobre a configuração veicular do Nissan Leaf Visia e especificações das baterias.

Plataforma do veículo Inputs Dados de

performance Inputs Especificações

da bateria Inputs

Massa do veículof 1475 kg

Aceleração: 0 a 100 km/hf 11,5 s

Potência específicah

420 W/kg

Fator de inércia do veículo (km)b 1.1

Velocidade máximaf 144 km/h

Energia específicac

157 Wh/kg

Fator de massa estrutural do sistema de propulsão (kstruct) b 1.15 Autonomiai 135 km

Densidade de energiac 317 Wh/l

Coeficiente de arrasto aerodinâmico (Cd)f 0.29 m2 Eficiênciaa 92%

Coeficiente de resistência ao rolamento (Crr)e 0.0109

Eficiência de carregamentog 99%

Massa dos passageiros (duas pessoas)a 150 kg

Potência dos acessóriosh 700 W

a Valores estimados pelo autor, b [12], c [13], e [14], f [15], g [12], h [16], i [17]

Alguns dos dados apresentados na Tabela 2 foram informados pelo fabricante e alguns foram estimados pelo autor, seja por iterações de modo a concordar com as

18

especificações do veículo, outros de acordo com trabalhos científicos. As Tabelas 2, 3 e 4 mostram os dados utilizados para a simulação no PAMVEC.

A Tabela 2 é uma tabela de inputs, onde os dados apresentados são retirados de pesquisas científicas, de artigos acadêmicos e do catálogo do fabricante. Esta tabela foi a base para a simulação utilizada no PAMVEC.

Largura (mm) [15] 1770 Comprimento (mm) [15] 4445

Altura (mm) [15] 1550

Figura 14 – Ilustração e Dimensões do Veículo estudado

Tabela 3 – Dados do Motor Elétrico [16]

Motor/Controller Specific power Efficiency N Pmax/Peff (W/kg) (%) (-) (-)

BEV 1027 86 4,99 1,00 Os dados da Tabela 3 foram retirados de uma publicação em revista [16] e também de uma monografia [7].

Tabela 4 – Dados da transmissão [16]

Transmission Specific power Efficiency (W/kg) (%)

BEV 1625 89

19

Os dados da Tabela 4 foram retirados de uma publicação em revista [16].

Tabela 5 – Fração de Freio Regenerativo (Valor adotado pelo autor)

Regenerative Braking Fraction BEV 50%

Os dados da Tabela 5 foram adotados analisando trabalhos e simulações, e foi admitido que esse era um valor médio frequentemente utilizado para simulações.

Tabela 6 – Dados atuais e projeções de parâmetros veiculares [16]

PARÂMETRO Custo Energético Potência

Específica Eficiência Média (USD/kW) (W/kg) (%)

2012 2050 2012 2050 2012 2050 ICE (ICEV) 31 26 642 770 26,0 27,4 ICE (HEV) 31 26 642 770 30,5 32,1 Célula combustível 285 50 375 650 55,6 60,0 Motor/gerador (HEV) 23 6 1400 1400 70,0 70,0 Motor/gerador (BEV, FCHEV) 23 6 1027 1027 86,0 95,0 Controlador/inversor (HEV) 19 6 1400 1400 70,0 70,0 Controlador/inversor (BEV, FCHEV) 19 6 1027 1027 86,0 95,0 Transmissão (ICEV, HEV) 19 11 1300 1300 89,0 94,0 Transmissão (BEV, FCHEV) 11 7 1625 1625 89,0 94,0

A Tabela 6 mostra valores atuais (2012) e projeções para 2050 de custo energético, potência específica e eficiência média para diferentes componentes veiculares, como motor, transmissão, célula combustível, entre outros.

20

3.2 – Veículo à combustão interna

A fim de comparação, foi escolhido um veículo com características de massa e dimensões semelhantes com o veículo elétrico. Tal veículo escolhido foi o Nissan March 1.0 12V Conforto (Flex) 2017. As características do veículo são encontradas na Tabela 7.

Tabela 7 - Dados de entrada sobre a configuração veicular do Nissan March 1.0 12V Conforto (Flex) 2017.

Plataforma do veículo Inputs Dados de

performance Inputs

Especificações do sistema de

propulsão Inputs

Massa do veículod 950 kg

Aceleração: 0 a 100 km/hd 15 s

Potência específica do motore

642 W/kg

Fator de inércia do veículo (km)b 1.1

Velocidade máximad 154 km/h

Eficiência do motore 26%

Fator de massa estrutural do sistema de propulsão (kstruct) b 1.15

Potência específica da transmissãoe

1300 W/kg

Coeficiente de arrasto aerodinâmico (Cd)d 0.33 m2

Eficiência da transmissãoe 89%

Coeficiente de resistência ao rolamento (Crr)c 0.012

Massa dos passageiros (duas pessoas)a 150 kg

Potência dos acessóriose 700 W

a Valores estimados pelo autor, b [9], c [18], d[17], e [16]

A tabela acima é uma tabela de inputs, onde os dados são referentes ao veículo à combustão interna Nissan March, onde alguns dados foram informados pelo fabricante, outros foram retirados de artigos acadêmicos, de revistas, etc.

21

Largura (mm) [17] 1675 Comprimento (mm) [17] 3827

Altura (mm) [17] 1528

Figura 15 – Ilustração e Dimensões do veículo Nissan March Conforto 1.0 2016

22

Capítulo 4 Resultados Neste capítulo, serão apresentados os resultados obtidos nas simulações no PAMVEC utilizando os inputs já apresentados nas Tabelas 2, 3, 4 e 5 para o veículo elétrico e na Tabela 7 para o veículo à combustão interna. Como foi mencionado no Capítulo 2, o ciclo de direção utilizado nas análises a seguir foi o ciclo UDDS.

Neste capítulo serão analisados os parâmetros de consumo específico, o custo por km, o consumo energético, a massa total do banco de baterias, a influência da frenagem regenerativa no consumo energético, a influência do ar condicionado no consumo energético e uma comparação do ponto de vista do consumo energético e do custo do veículo elétrico com o veículo à combustão interna.

4.1 – Consumo específico

A primeira simulação será feita analisando o parâmetro de consumo de combustível do veículo em 𝐿/100𝑘𝑚, unidade frequentemente utilizada para análise de consumo do combustível. É válido lembrar ao leitor que o PAMVEC calcula o consumo de energia em Wh/km, portanto, para comparar o consumo com outros veículos, a plataforma transforma esse consumo em 𝐿?@/100𝑘𝑚, onde 𝐿?@ significa “litros equivalentes”, como foi explicitado na Seção 2.3.2.1.

Para efeito comparativo, foram utilizados os dados da EPA (United States Environmental Protection Agency) que é uma agência norte-americana que foi criada com a intenção de proteger a saúde humana e o ambiente, propondo normas e regulações baseadas em leis aprovadas pelo Congresso Americano. Abaixo podemos ver o selo oficial da EPA para o Nissan Leaf.

23

Figura 16 – Selo oficial da EPA [23]

Tabela 8 – Resultado da simulação no PAMVEC de acordo com o consumo

Consumo Dados da EPA [10] Resultado PAMVEC

Erro relativo (%)

Leq/100km 2,1 2,27 8,1 km/Leq 47,62 44,05 8,1

A Tabela 8 mostra que o valor encontrado para o consumo de combustível equivalente foi muito ao próximo ao valor oficial da EPA, fato que comprova a veracidade dos dados e do modelo utilizado.

4.2 – Custo por km

A próxima simulação será feita utilizando o parâmetro de custo em dólares para um veículo trafegar 25 milhas (40,2 km), parâmetro novamente indicado pelos resultados da EPA. O valor da gasolina média nos EUA que foi utilizado foi o de $2,210/galão [19]. Para isso, foi incluída no PAMVEC uma coluna com as unidades da EPA, na qual converte o valor em US$/km para US$/25milhas. Os resultados são apresentados na Tabela 9.

24

Tabela 9 – Resultado da simulação no PAMVEC de acordo com o custo para dirigir 25 milhas

Parâmetro Dados da EPA [10] Resultado PAMVEC

Erro relativo (%)

Custo para dirigir 25 milhas ($)

0,96 0,80 16,6

A Tabela 9 indica que o valor encontrado na simulação foi muito próximo ao valor oficial da EPA, apresentando um erro menor que 20%, o que mostra que o modelo utilizado pelo PAMVEC se assemelha muito com a realidade.

Adicionalmente à comparação com os dados da EPA, foi analisado qual seria o custo de combustível no Brasil do veículo elétrico, considerando o custo da energia elétrica no país como 0,62986 R$/kWh (valor para o mês de março de 2017 pela distribuidora Light no Rio de Janeiro).

Tabela 10 – Custo por km no Brasil do veículo elétrico

Consumo energético calculado pelo PAMVEC

(Wh/km)

Valor da energia elétrica considerado no cálculo

(R$/kWh)

Custo por km no Brasil (R$/km)

202 0,62986 0,13

Podemos observar da Tabela 10 que o custo por km do veículo elétrico foi baixo comparando-se com veículos de sistema de propulsão tradicionais no Brasil, que no caso do Nissan March nessa simulação alcançou um custo por km de R$0,25.

4.3 – Simulação de acordo com o consumo energético

A terceira simulação usa o parâmetro de consumo energético em kWh para um veículo trafegar 100 milhas (161 km), dado informado pelos resultados da EPA [10]. Para isso, foi adicionada ao PAMVEC uma coluna com a unidade utilizada pela EPA, na qual converte o valor do PAMVEC de Wh/km para kWh/100milhas. Os resultados são apresentados na Tabela 11.

Tabela 11 – Resultado da simulação no PAMVEC de acordo com o consumo energético

Parâmetro Dados da EPA [10] Resultado PAMVEC

Erro relativo (%)

Consumo energético

(kWh/100 milhas)

30 32,5 8,3

25

A Tabela 11 apresenta que o valor encontrado pela simulação tem uma grande semelhança com o resultado oficial da EPA, o que confere confiabilidade com o resultado da simulação do PAMVEC.

4.4 – Simulação de acordo com massa do banco de baterias

A quarta análise será feita do ponto de vista da massa do banco de baterias encontrada pelo PAMVEC e a massa real. Esse fator é de extrema importância no estudo dos veículos elétricos à bateria, tendo em vista que a maior massa do sistema de propulsão é proveniente do banco de baterias. A Tabela 12 mostra um comparativo da massa do banco de baterias.

Tabela 12 – Resultado da simulação no PAMVEC de acordo com a massa do banco de baterias

Parâmetro Dados da QNOVO [20]

Resultado PAMVEC

Erro relativo (%)

Massa do banco de baterias (kg)

295 204,2 30,8

Tendo em vista os dados da Tabela 12 pode-se concluir que houve um significativo erro no resultado da massa do banco de baterias do Nissan Leaf. Isto pode se dever ao fato de que os dados de inputs do motor elétrico podem estar desatualizados e não corresponder à realidade, o que influencia diretamente no cálculo da massa da bateria, como já foi explicitado na Seção 3.2.

4.5 – Análise da influência da Frenagem Regenerativa na Energia Recuperada

Esta análise foi feita a fim de avaliar a influência de porcentagem de frenagem regenerativa na energia recuperada do veículo. Foram realizadas 21 simulações variando a frenagem regenerativa em 5% partindo de 0% (0%, 5%, 10%, ..., 100%). Para cada simulação foi avaliado o valor de energia em Wh/km demandada pelo sistema de propulsão. Posteriormente, para cada iteração houve uma subtração do valor de energia de 0% de frenagem regenerativa, a fim de saber quantitativamente o quanto de energia foi recuperada. Os dados são mostrados na Tabela 13 e na Figura 15.

26

Tabela 13 – Tabela de variação de energia recuperada em função da porcentagem de frenagem regenerativa.

Freio Regenerativo (%) Wh/km L/100km_eq

Energia Recuperada(Wh/km)

Energia Recuperada(%)

0 239,2 2,67 0,0 0,00 5 235,5 2,63 3,7 1,55

10 231,8 2,59 7,4 3,09 15 228,1 2,55 11,1 4,64 20 224,4 2,51 14,8 6,19 25 220,6 2,47 18,6 7,78 30 216,9 2,43 22,3 9,32 35 213,2 2,38 26,0 10,87 40 209,5 2,34 29,7 12,42 45 205,8 2,30 33,4 13,96 50 202,0 2,26 37,2 15,55 55 198,3 2,22 40,9 17,10 60 194,6 2,18 44,6 18,65 65 190,9 2,13 48,3 20,19 70 187,2 2,09 52,0 21,74 75 183,4 2,05 55,8 23,33 80 179,7 2,01 59,5 24,87 85 176,0 1,97 63,2 26,42 90 172,3 1,93 66,9 27,97 95 168,6 1,88 70,6 29,52

100 164,8 1,84 74,4 31,10

Como podemos ver na Tabela 13, verificou-se que quanto maior a porcentagem de frenagem regenerativa, maior a energia recuperada. Para o caso do Nissan Leaf (que foi utilizado 50% de frenagem regenerativa) houve uma recuperação de energia de 15,55%. Além disso, foi verificado que a porcentagem de energia recuperada varia de forma linear com a porcentagem de frenagem regenerativa (vide Figura 17).

27

Figura 17 – Porcentagem de energia recuperada x Fração de frenagem regenerativa

4.6 – Análise da influência do Ar condicionado de acordo com o ciclo de direção

Nesta seção foi analisada a influência da potência demandada pelo ar condicionado em relação aos ciclos de direção. Para realizar tal análise, foi utilizado o valor de 700W como valor base. A partir deste valor base, foram analisados 3 cenários diferentes para a temperatura externa a qual o veículo estaria submetido. Podemos ver na Tabela 14 de acordo com [21], que para manter uma temperatura confortável entre 15oC e 24oC, são necessárias diferentes potências. Tais dados são apresentados na Tabela 14.

Tabela 14 – Potências demandadas para manter uma temperatura confortável (entre 15oC e 24oC de acordo com a temperatura externa) [21]

Temperatura externa (oC) Potência necessária (W) 25 850 35 1200 -5 2200

A partir de tais dados da Tabela 14, foram realizadas 4 simulações (uma para cada cenário) para cada ciclo de direção, totalizando 20 simulações (foram analisados 5 ciclos de direção diferentes). Tais dados das simulações são apresentados na Tabela 15.

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

30,00

35,00

0 20 40 60 80 100 120

%EnergiaRecuperadaxFraçãoFreioRegenerativo

28

Tabela 15 – Dados das simulações para os diferentes cenários e ciclos de direção

700 W (base) 850 W (25°C) 1200 W (35°C) 2200 W (-5°C)

Ciclo de Direção

Valor Simulado (Wh/km)

Valor Simulado (Wh/km)

Discrepância em Relação

a 700W

Valor Simulado (Wh/km)

Discrepância em Relação

a 700W

Valor Simulado (Wh/km)

Discrepância em Relação

a 700W

UDDS 202,0 207,3 2,62% 219,6 8,71% 256,1 26,78% NEDC 198,3 203,3 2,52% 214,9 8,37% 248,2 25,16% US06 291,1 293,2 0,72% 298,2 2,44% 312,5 7,35%

HWFET 193,0 195,2 1,14% 200,1 3,68% 214,3 11,04% NYCC 273,2 287,8 5,34% 321,6 17,72% 418,2 53,07%

A partir dos dados das simulações podemos concluir que o ciclo mais influenciado pela alteração da potência demandada pelo ar condicionado foi o ciclo NYCC (New York City Cycle), que simula condições de tráfego com baixa velocidade e muitas paradas (velocidade média de 7,1 milhas/h (11,43 km/h)) [22], típicas de centros urbanos. Por outro lado, o ciclo que foi menos influenciado pela alteração da potência demandada pelo ar condicionado foi o ciclo US06, que é um ciclo de aceleração agressiva e apresenta uma alta velocidade média de 48,37 milhas/h (77,9 km/h) [22].

A relação de quanto maior a velocidade média do ciclo, menos o ciclo é influenciado foi verificada para todos os casos. Podemos ver ilustrativamente na Figura 16 como isso ocorre.

Figura 18 – Comparativo da influência do ar condicionado pela velocidade média do ciclo

A Figura 18 mostra claramente que quanto maior a velocidade média do ciclo, menos o ciclo é influenciado pelo aumento de potência demandada pelo ar condicionado.

2,62% 2,52%

0,72% 1,14%

5,34%

0,00%

1,00%

2,00%

3,00% 4,00% 5,00%

6,00%

UDDS NEDC US06 HWFET NYCC

Discrepânciapara850W

19,59 20,87

48,37 48,30

7,10

0,00

20,00

40,00

60,00

UDDS NEDC US06 HWFET NYCC

Velocidademédiadociclo(milhas/h)

29

4.7 – Análise comparativa de desempenho do veículo elétrico com o veículo convencional à combustão interna

Na simulação foram comparados dois veículos de características semelhantes a fim de serem analisadas as diferenças de consumo, custo por km, emissões evitadas, entre outros. Os dados foram produzidos utilizando o mesmo ciclo de direção (UDDS). O preço da energia elétrica utilizado foi de US$ 0,1015 (aproximadamente R$0,32), um valor médio utilizado nos EUA.

Tabela 16 – Resultados da simulação comparando os veículos elétrico e à combustão interna

Parâmetro Nissan Leaf – Elétrico Nissan March - ICV Consumo (km/Leq) 44,51 14,65

Consumo energético (Wh/km)

202 610

Custo por km (R$/km) 0,065 0,16 Emissões CO2 (g/km) --- 158,84

A fim de uma melhor visualização dos dados obtidos na Tabela 16, foram plotados gráficos comparativos.

Figura 19 – Comparação segundo o consumo em km/Leq

Podemos analisar que no ponto de vista do consumo, o veículo elétrico foi 204% aproximadamente mais eficiente, mais que o triplo da eficiência do veículo convencional, garantindo maior autonomia com a mesma quantidade de combustível.

44,51

14,65

0

10

20

30

40

50

Consumoemkm/Leq

NissanLeaf NissanMarch

30

Figura 20 – Comparação segundo o consumo energético em Wh/km

Do ponto de vista do consumo energético, o veículo elétrico consumiu aproximadamente 67% menos energia que o veículo convencional, o que é extremamente vantajoso para o veículo elétrico.

Figura 21 – Comparação segundo o custo por km em R$/km

A respeito do custo por km, o custo do veículo elétrico foi aproximadamente 60% mais barato que o veículo convencional, proporcionando menor custo para o usuário ao utilizar o veículo.

A respeito das emissões evitadas pelo veículo elétrico podemos ver que se admitirmos uma estimativa anual de 20000 km, o veículo elétrico deixa de emitir aproximadamente 3,2 toneladas de CO2 na atmosfera, representando uma importante contribuição para o aquecimento global.

202

610

0

200

400

600

800

ConsumoenergéticoemWh/km

NissanLeaf NissanMarch

0,065

0,16

0

0,05

0,1

0,15

0,2

CustoporkmemR$/km

NissanLeaf NissanMarch

31

Capítulo 5 Conclusões De uma maneira geral, podemos concluir que o PAMVEC foi capaz de gerar resultados bastante condizentes com o esperado e com os dados de referência, nos permitindo avaliar os parâmetros com certa confiabilidade de forma prática e transparente. No entanto, é necessário a realização de mais testes e simulações a fim de trazer maior confiabilidade.

De acordo com a simulação, pudemos notar que os parâmetros simulados do veículo elétrico foram bem condizentes com os dados de referência da EPA, apresentando erros por exemplo menores que 10%. Contudo, houve um significativo erro no cálculo da massa da bateria (da ordem de 30%), que pode ser justificado pela desatualização dos inputs utilizados para o cálculo da massa da bateria.

Em respeito ao estudo da influência da frenagem regenerativa, pudemos observar que a taxa de frenagem regenerativa tem uma grande influência no consumo energético do veículo, podendo chegar até 20% de energia recuperada em muitos casos.

Em relação ao estudo da influência do ar condicionado, pudemos observar que houve uma relação entre o consumo energético com a velocidade média do ciclo, na qual o consumo energético foi maior para os ciclos onde a velocidade média é menor, demonstrando que o ar condicionado tem maior influência no consumo para os ciclos urbanos, onde há muitas paradas e retomadas e a velocidade média tende a diminuir.

Na comparação do veículo elétrico com o veículo tradicional, pudemos ver o quão promissor e eficiente é o veículo elétrico. Em relação ao veículo tradicional, o veículo elétrico foi mais de 3x mais eficiente quanto ao consumo energético, com um custo cerca de 2x menor e sem emissões de CO2 na atmosfera, evitando uma emissão de cerca de 3,2 ton de CO2 anualmente, como foi demonstrado na Seção 4.7.

Muitas melhorias podem ser feitas no PAMVEC a fim de aprimorar a performance do software, entre estas podemos citar: uma melhor interface gráfica, na qual os inputs ficassem de uma forma mais organizada; o desenvolvimento de um programa no qual permitiria realizar os cálculos iterativos de forma mais rápida e dinâmica, que introduzisse os dados das iterações de forma automática, sem a necessidade de introduzir os dados a cada iteração.

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