VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

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GODOFREDO WINNISCHOFER MODELAMENTO DE VEÍCULO HÍBRIDO-ELÉTRICO PARA TRANSPORTE COLETIVO Dissertação apresentada à Escola Politécnica da Universidade de São Paulo para a obtenção do Título de Mestre em Engenharia. São Paulo 2004

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GODOFREDO WINNISCHOFER

MODELAMENTO DE VEÍCULO HÍBRIDO-ELÉTRICO

PARA TRANSPORTE COLETIVO

Dissertação apresentada à Escola Politécnica da Universidade de São Paulo para a obtenção do Título de Mestre em Engenharia.

São Paulo 2004

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GODOFREDO WINNISCHOFER

MODELAMENTO DE VEÍCULO HÍBRIDO-ELÉTRICO

PARA TRANSPORTE COLETIVO

Dissertação apresentada à Escola Politécnica da Universidade de São Paulo para a obtenção do Título de Mestre em Engenharia.

Área de Concentração: Engenharia Elétrica

Orientador: Prof. Doutor Cícero Couto de Moraes

São Paulo 2004

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FICHA CATALOGRÁFICA

Winnischofer, Godofredo Modelamento de veículo híbrido-elétrico para transporte

coletivo. São Paulo, 2004. 110 p. Dissertação (Mestrado) - Escola Politécnica da

Universidade de São Paulo. Departamento de Engenharia de Energia e Automação Elétricas.

1.Tração elétrica 2.Equipamentos e máquinas elétricas 3.Simulação I.Universidade de São Paulo. Escola Politécnica. Departamento de Engenharia de Energia e Automação Elétricas II.t

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A Vilma, Henrique e Vitória, pela sua paciência e compreensão. À minha mãe, Yasko e, especialmente, ao meu pai, Godofredo Emílio Winnischofer.

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AGRADECIMENTOS

Agradeço a todas as pessoas e instituições que me possibilitaram a concretização

deste projeto, por longo tempo concebido e existente apenas no plano das idéias.

Ao PEA – Departamento de Engenharia de Energia e Automação Elétricas, pela

oportunidade de desenvolver este trabalho e pelo apoio recebido.

Ao Prof. Dr Cícero Couto de Moraes, meu orientador e interlocutor, que, com sua

experiência, indicou os caminhos para sua realização.

Aos professores desta instituição, que me incentivaram nesta empreitada e

contribuíram com sua experiência. Em especial, agradeço aos professores Dr José

Jaime da Cruz, Dr Carlos Shiniti Muranaka, Dr. Silvio Ikuyo Nabeta e aos meus

antigos colegas de trabalho Dr Carlos Antonio França Sartori e Dr Pedro Pereira de

Paula pelo apoio recebido; aos professores Dr Wilson Komatsu e Dr Clóvis

Goldenberg, meu obrigado pelas sugestões e críticas que enriqueceram este trabalho.

À Sra Luzia do Carmo Namiki, por sua atenção e preocupação.

À Eletra, fabricante nacional de ônibus híbrido, em atenção especial aos Srs Antônio

Vicente Souza e Silva, Paulino Fumio Hiratsuka e Elcio Alvaro Bottini, pela

acolhedora recepção durante visita às suas instalações e veículos.

À Hexel Engenharia Ltda pelo apoio financeiro na etapa final deste projeto e aos

meus colegas de trabalho, Engenheiros Ronaldo Santos e Tomaz Shintate.

À Rockwell Automation - Reliance Electric pela experiência adquirida em 10 anos

de serviço nesta companhia e, em especial, ao Engenheiro William Gripp pelo

incentivo recebido.

Ao meu colega, Engenheiro Cícero Marcos Ramos, que contribuiu com informações

e cujo estímulo me ajudou a superar o desânimo que por vezes surgia. À Sra Stela

Maris Battaglia pela revisão desta obra.

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RESUMO

Se a utilização de veículos elétricos oferece vantagens sobre o uso de veículos

convencionais, a combustão, no que diz respeito à eficiência energética e à poluição

ambiental, apresenta desvantagens em relação à autonomia e custo. Reduzir estas

desvantagens combinando as duas tecnologias, com a fabricação e uso de um

veículo híbrido-elétrico, é uma alternativa viável, principalmente em espaços

urbanos. O movimento cíclico do veículo, com constantes partidas e paradas permite,

através do armazenamento da energia cinética, a redução do motor a combustão e,

conseqüentemente, do consumo de combustíveis. Simulações de um modelo de

ônibus urbano híbrido-elétrico, implementado na linguagem do programa Simulink,

demonstram que a potência média exigida por este veículo no plano, bem inferior à

potência necessária para garantir um bom desempenho em termos de aceleração,

pode ser suficiente para acioná-lo nas mais diversas condições de rampas, desde que

o movimento cíclico seja mantido e determinadas rampas tenham sua extensão

limitada. Da análise dos testes realizados no modelo foram criados critérios para

definição de projetos e estabelecidas diretrizes para continuidade da pesquisa no

tema desenvolvido: o acionamento de veículos híbridos.

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ABSTRACT

If the utilization of electric vehicles presents advantages over the use of conventional

ones, with internal combustion engines, regarding energy efficency and

environmental pollution, it has disadvantages regarding autonomy and cost. The

reduction of those disadvantages, combining both technologies, with the

manufacturing and use of a hybrid-electric vehicle is a viable alternative, particularly

in urban areas. In this one, the cyclic movement of the vehicle, starting and stopping

sucessively, allows the reduction of the internal combustion engine and,

consequently, its fuel consumption through the kinetic energy storage. Simulations of

a hybrid-electric urban bus implemented in Simulink program prove, that the average

power needed by the vehicle on the plane, less than the one required to guarantee a

good performance during vehicle acceleration, can be enough to drive it in several

ramp grades, since the cyclic movement is kept and the extension for certain ramp

grades is limited. Projects definition criteria and research focus were established

from the analysis of the tests results.

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SUMÁRIO

LISTA DE FIGURAS

LISTA DE TABELAS

LISTA DE SÍMBOLOS

1 INTRODUÇÃO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.1 Objetivo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.2 Justificativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.3 O foco de aplicação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.4 Topologias existentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

1.4.1 Veículo Híbrido paralelo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

1.4.2 Veículo Híbrido série. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2 ESTADO DA ARTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.1 Motores elétricos e seus conversores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.2 Acumuladores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.3 Fontes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

3 MODELO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

3.1 Modelamento do sistema elétrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

3.2 Modelamento do veículo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

3.3 Aspectos computacionais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

3.4 Dimensionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

3.5 Seqüência de testes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

4 RESULTADOS: SIMULAÇÕES E CONCLUSÕES. . . . . . . . . . . . . . . 55

4.1 Ciclo único com capacidade ilimitada de geração e regeneração. . . . . . 55

4.2 Ciclo único com capacidade limitada de geração e regeneração . . . . . . 63

4.3 Simulações com ciclos sucessivos de partida e parada. . . . . . . . . . . . . . 77

4.4 Conclusões. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

ANEXO A – Detalhamento de blocos da figura 3.1 (modelo Simulink). 90

ANEXO B – Ensaios realizados com o programa Advisor. . . . . . . . . . . . . 90

LISTA DE REFERÊNCIAS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

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LISTA DE FIGURAS Figura 1.1 - Potência regime x Potência aceleração em automóveis. . . . . . 10

Figura 1.2 - Potência regime x Potência aceleração em ônibus . . . . . . . . . 11

Figura 1.3 - Veículo Híbrido-Paralelo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

Figura 1.4 - Veículo Híbrido-Série. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

Figura 1.5 - Fluxo de potência nas topologias série e paralela . . . . . . . . . 22

Figura 3.1 - Modelo do Veículo Híbrido-Série . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

Figura 4.1.1 - Velocidade do veículo no plano (km/h x s) . . . . . . . . . . . . . . . 55

Figura 4.1.2 - Velocidade do veículo em rampa de 6% (km/h x s). . . . . . . . 56

Figura 4.1.3 - Velocidade do veículo em rampa de 12% (km/h x s) . . . . . . . 56

Figura 4.1.4- Velocidade do veículo em rampa de 8% (km/h x s) . . . . . . . . 57

Figura 4.1.5 - Força resistente em declive de 2% (N x s). . . . . . . . . . . . . . . . 58

Figura 4.1.6 - Potência requerida em declive de 2% (PU x s) . . . . . . . . . . . . 58

Figura 4.1.7 - Potência requerida em declive de 12% (PU x s) . . . . . . . . . . . 59

Figura 4.1.8 - Potência requerida na desaceleração em rampa de 6%

(PU x s) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

60

Figura 4.1.9 - Potência requerida na desaceleração em rampa de 10%

(PU x s) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

60

Figura 4.1.10 - Potência requerida na desaceleração em declive de 6%

(PU x s) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

61

Figura 4.1.11 - Velocidade do veículo durante desaceleração em declive de 6% (km/h x s). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

61

Figura 4.1.12 - Velocidade do veículo durante desaceleração em declive de 12% (km/h x s). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

62

Figura 4.2.1 - Velocidade do veículo com capacidade limitada de geração e armazenamento de energia em rampa de 2% (km/h x s) . . . . .

63

Figura 4.2.2 - Velocidade do veículo em rampa de 6% com gerador de 2PU (km/h x s) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

64

Figura 4.2.3 - Velocidade do veículo em rampa de 12% com gerador de 2PU (km/h x s). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

64

Figura 4.2.4 - Tensão no capacitor durante e após aceleração do veículo em rampa de 12% com potência do gerador = 2PU (PU x s) . . . .

65

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Figura 4.2.5 - Tensão no capacitor durante e após aceleração do veículo em declives maiores que 6% (PU x s). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

65

Figura 4.2.6 - Tensão no capacitor durante a frenagem com acumulador de 1F e veículo no plano (PU x s). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

67

Figura 4.2.7 - Tensão no capacitor durante a frenagem com acumulador de 1xC e veículo no plano (PU x s) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

67

Figura 4.2.8 - Velocidade do veículo com gerador de 0,1PU e acumulador de 1xC, acelerando no plano (km/h x s). . . . . . . . . . . . . . . . . .

68

Figura 4.2.9 - Velocidade do veículo com gerador de 0,25PU e acumulador de 1xC, acelerando no plano (km/h x s). . . . . . . . . . . . . . . . . .

68

Figura 4.2.10 - Tensão no capacitor durante aceleração do veículo no plano com gerador de 0,25PU e acumulador de 1xC (PU x s) . . . . .

69

Figura 4.2.11 - Tensão no capacitor durante aceleração do veículo no plano com gerador de 0,5PU e acumulador de 1xC (PU x s) . . . . . .

69

Figura 4.2.12 - Velocidade do veículo em ciclo de partida e no plano com gerador de 0,25PU e acumulador de 1xC (km/h x s). . . . . . . .

70

Figura 4.2.13 - Tensão no capacitor em ciclo de partida e no plano com gerador de 0,25PU e acumulador de 1xC (PU x s). . . . . . . . .

71

Figura 4.2.14 - Velocidade do veículo durante e após partida em rampa de 2% com gerador de 0,25PU e acumulador de 1xC (km/h x s).

72

Figura 4.2.15 - Velocidade do veículo durante e após partida em rampa de 6% com gerador de 0,25PU e acumulador de 1xC (km/h x s).

72

Figura 4.2.16 - Velocidade do veículo durante e após partida em rampa de 2% com gerador de 0,25PU e acumulador de 2xC (km/h x s).

73

Figura 4.2.17 - Velocidade do veículo durante e após partida em rampa de 2% com gerador de 0,25PU e acumulador de 3xC (km/h x s).

73

Figura 4.2.18 - Velocidade do veículo durante e após partida em rampa de 2% com gerador de 0,38PU e acumulador de 1xC (km/h x s).

75

Figura 4.2.19 - Velocidade do veículo durante e após partida em rampa de 2% com gerador de 0,46PU e acumulador de 1xC (km/h x s).

75

Figura 4.2.20 - Velocidade do veículo durante e após partida em rampa de 2% com gerador de 0,25PU e acumulador de 1xC conectado ao barramento através de conversor estático (km/h x s) . . . . .

76

Page 11: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

Figura 4.3.1 - Velocidade do veículo no plano com partidas e paradas sucessivas (km/h x s). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

77

Figura 4.3.2 - Distância percorrida pelo veículo no plano durante partidas e paradas sucessivas (m x s). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

78

Figura 4.3.3 - Tensão no acumulador durante sucessivas partidas e paradas do veículo no plano (PU x s) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

78

Figura 4.3.4 - Corrente no gerador durante sucessivas partidas e paradas do veículo no plano (PU x s). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

79

Figura 4.3.5 - Tensão no acumulador durante sucessivas partidas e paradas do veículo em rampa de 3% (PU x s). . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

80

Figura 4.3.6 - Corrente no gerador durante sucessivas partidas e paradas do veículo em rampa de 3% (PU x s) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

80

Figura 4.3.7 - Velocidade do veículo em rampa de 6% com partidas e para-das sucessivas e intervalo de 20s entre ciclos (km/h x s). . . . .

81

Figura 4.3.8 - Tensão no acumulador durante sucessivas partidas e paradas do veículo em rampa de 6% (PU x s). . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

81

Figura 4.3.9 - Distância percorrida pelo veículo em rampa de 6% durante sucessivas partidas e paradas (m x s). . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

82

Figura 4.3.10 - Velocidade do veículo em rampa de 6% com partidas e para-das sucessivas e intervalo de 30s entre ciclos (km/h x s). . . . .

82

Figura 4.3.11 - Velocidade do veículo em rampa de 12% com partidas e pa-radas sucessivas e intervalo de 30s entre ciclos (km/h x s) . . .

83

Figura 4.3.12 - Distância percorrida pelo veículo em rampa de 12% durante sucessivas partidas e paradas (m x s). . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

83

Figura 4.3.13 - Tensão no acumulador durante sucessivas partidas e paradas do veículo em rampa de 12% (PU x s). . . . . . . . . . . . . . . . . . .

84

Figura 4.3.14 - Tensão no acumulador durante sucessivas partidas e paradas do veículo em declive de 1% (PU x s). . . . . . . . . . . . . . . . . . .

85

Figura 4.3.15 - Tensão no acumulador durante sucessivas partidas e paradas do veículo em declive de 3% (PU x s). . . . . . . . . . . . . . . . . . .

85

Figura A.1 - Cálculo do torque máximo disponível. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

Figura A.2 - Detalhamento do bloco de cálculo de torque disponível em função da carga do acumulador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

91

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Figura A.3 - Cálculo da velocidade angular do motor de tração. . . . . . . . . 92

Figura A.4 - Forças envolvidas durante movimento do veículo. . . . . . . . . . 93

Figura A.5 - Cálculo da força devido à componente gravitacional. . . . . . . 93

Figura A.6 - Componente estática da resistência de rolamento. . . . . . . . . . 94

Figura A.7 - Componente dinâmica da resistência de rolamento. . . . . . . . . 94

Figura A.8 - Componente devida ao arraste aerodinâmico. . . . . . . . . . . . . . 95

Figura A.9 - Representação do bloco J da figura 3.1. . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

Figura A.10 - Sub-sistema do gerador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

Figura A.11 - Sub-sistema de cálculo da corrente devida ao motor, após conexão do acumulador ao barramento CC através de conversor estático. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

97

Figura A.12 - Subsistema da frenagem dinâmica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

Figura A.13 - Sub-sistema do acumulador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

Figura B.1 - Entrada de dados no programa Advisor para simulação de um veículo convencional utilizado como ônibus. . . . . . . . . . .

99

Figura B.2 - Resultado da simulação feita pelo programa Advisor para veículo convencional utilizado como ônibus. . . . . . . . . . . . . .

100

Figura B.3 - Entrada de dados no programa Advisor para simulação de um veículo híbrido-elétrico utilizado como ônibus . . . . . . . . .

101

Figura B.4 - Resultado da simulação feita pelo programa Advisor para veículo híbrido-elétrico utilizado como ônibus . . . . . . . . . . . .

102

Page 13: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

LISTA DE TABELAS

Tabela I - Meios de transporte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

Tabela II - Comparação entre os diversos tipos de veículos. . . . . . . . . . . . . . 15

Tabela III – Comparação entre baterias no atual estado da arte. . . . . . . . . . . . 34

Tabela IV – Comparação bateria x ultra-capacitor (fonte: Maxwell Inc.) . . . . 36

Tabela V – Potência requerida no regime em função de rampa e velocidade máxima. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

52

Page 14: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

BDCM - Brushless Direct Current Motor

CA - Corrente Alternada

CC - Corrente Contínua

EEUU - Estados Unidos

EV - Electrical Vehicle

FESS - Flywheel Energy Storage System

HEV - Hybrid-Electric Emission Vehicle

ICE - Internal Combustion Engine

IGBT - Insulated Gate Bipolar Transistor

MOSFET - Metal Oxide Silicon Field Efect Transistor

PEM - Proton Exchange Membrane

PMSM - Permanent Magnet Synchronous Machine

PWM - Pulse Width Modulation

SR - Switched Reluctance

VE – Veículo Elétrico

ZEV - Zero Emission Vehicle

Page 15: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

LISTA DE SÍMBOLOS

g Aceleração da gravidade

Vc Tensão no capacitor

Ic Corrente no capacitor

C Capacitância

Ig Parcela da corrente no barramento CC devido ao gerador

Im Parcela da corrente no barramento CC devido ao motor de tração

If Parcela da corrente no barramento CC devido à frenagem dinâmica (A);

Pb Potência de base do sistema

Vb Tensão de base do sistema

Ib Corrente de base do sistema

Tmax Torque máximo do motor de tração elétrico

ωb Velocidade angular base do motor

ω Velocidade angular atual do motor

FS Fator de sobrecarga

Patual Potência atual requerida pelo motor

Tatual Torque atual requerido pelo motor

Vbus Tensão no barramento CC

F1 Componente da força gravitacional na direção do veículo

F2 Força de resistência de rodagem devidos aos pneus

F3 Força devido ao arraste aerodinâmico

F Força resistente total

FV Força total exigida pelo veículo

Facel Força de aceleração do veículo

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m Massa total do veículo;

� Ângulo de inclinação da rampa;

V Velocidade do veículo;

P Densidade do ar;

A Área frontal do veículo;

Co Coeficiente estático de fricção dos pneus;

C2 Coeficiente dinâmico de fricção dos pneus;

CD Coeficiente de arraste aerodinâmico

Tatual Torque total no motor

TV Torque no motor como reflexo da força devida ao veículo

Tacel Torque de aceleração do motor

R Raio da roda do veículo

i Fator de redução entre motor e roda do veículo

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1

1 INTRODUÇÃO

1.1 Objetivo

A discussão sobre o tema veículo elétrico e veículo híbrido-elétrico é bastante atual.

“É interessante que após um período no qual as atividades relacionadas com VEs no

Brasil se limitaram predominantemente às iniciativas do âmbito acadêmico, este

tema tem reaparecido sob um plano mais amplo aqui abordado. De fato, um

considerável número de publicações técnicas tem sido publicado. Um novo

panorama emerge no qual a indústria brasileira começa a comercializar VEs não

rodoviários e ônibus elétricos híbridos” (Peres; Hollanda; 2003). Na Europa, Estados

Unidos e Japão, montadoras de veículos estão desenvolvendo projetos de veículos

elétricos e híbrido-elétricos com comercialização de alguns modelos de passeio.

Se por um lado os veículos elétricos possuem alta eficiência energética, baixa

emissão de poluentes e operação silenciosa, por outro lado, a sua baixa autonomia é

um fator bastante negativo. O veículo híbrido-elétrico equaciona este problema. Ele

combina a eficiência do sistema de tração elétrico, com a autonomia do veículo

convencional. Tipicamente, tais veículos possuem um elemento de armazenamento

de energia elétrica como bateria, volante de inércia ou ultracapacitor, em combinação

com um motor de combustão interna, turbina a gás ou célula combustível, além de

um ou mais motores elétricos de tração (Stringer; Henderson, 1992). Esta

configuração permite a recuperação de energia durante as frenagens, operação mais

suave do motor a combustão, bem como sua redução de potência, o que garante o

rendimento superior e a redução na emissão de poluentes. Muitos artigos e, em

particular o relatório OTA-ETI-638 (Estados Unidos, 1995), indicam que protótipos

de veículos híbridos desenvolvidos por fabricantes ou centros de pesquisa

alcançaram um aumento de economia de combustível da ordem de 100%. Com

relação à emissão de poluentes, Peres; Hollanda (2003) apresentam dados indicativos

de obtenção de redução de quase 60% de monóxido de carbono, 98% de

hidrocarbonetos e 85% de óxido de nitrogênio, entre veículo híbrido e seu

equivalente a gasolina. A Eletra, fabricante nacional de ônibus híbrido, informa que

a redução de fuligem é de 95% e a dos demais gases, 70%. Em relação a veículos

Page 18: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

2

puramente elétricos, a combinação híbrida permite a redução do número de baterias,

para uma dada autonomia pretendida, e, conseqüentemente, seu peso.

Aqui duas observações devem ser feitas:

1.˚) O termo veículo híbrido é utilizado para uma ampla gama de veículos

acionados por uma combinação de 2 ou mais meios de conversão de

energia. Como neste trabalho será abordado apenas o veículo híbrido-

elétrico, os termos veículo híbrido e híbrido-elétrico serão usados

indistintamente.

2.˚) Conforme a definição anterior, alguns meios de transporte podem ser

identificados como pertencentes a esta classe de veículos, como por

exemplo: os trens diesel-elétricos e veículos pesados utilizados em

mineração. No entanto, o contexto deste trabalho contempla veículos leves

de passeio e veículos comerciais, como caminhões e ônibus, em que

prepondera a opção por combustão. Portanto, ao longo desta pesquisa,

sempre que for encontrado o termo convencional, este dirá respeito à opção

por combustão nesta classe de veículos.

No entanto, algumas desvantagens continuam a ser apontadas no uso dos veículos

híbridos-elétricos. Destacam-se, dentre elas, o custo final elevado, em comparação

aos similares a combustão, devido ao custo de seus componentes que não são

produzidos na mesma escala que a dos convencionais, e o baixo desempenho devido

ao peso elevado e à limitada capacidade de fornecimento de potência dos

acumuladores de energia. Com relação a este último ponto, o desempenho é, por

vezes, garantido às custas do aumento dos acumuladores, prejudicando a eficiência

do sistema (Estados Unidos, 1995).

A proposta do presente trabalho é demonstrar a viabilidade técnica do veículo

híbrido, mostrando suas vantagens sobre os puramente elétricos e os convencionais;

estabelecer critérios para elaboração de projeto e direcionar planos de pesquisa para

o desenvolvimento de protótipos avançados, bem como dos elementos que os

compõem. Perseguir o melhor rendimento de um veículo, reduzindo ao máximo o

consumo de combustível e aumentando sua autonomia em relação ao seu equivalente

a combustão é o motor propulsor deste trabalho. Como o consumo está relacionado à

Page 19: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

3

forma como se opera um veículo (pois um mesmo automóvel apresenta índices

diferentes de consumo na cidade e na estrada) será focalizado um segmento

específico de mercado que permita chegar a este objetivo. A razão disto é que a

indústria somente investe em novos produtos se estes tiverem rápida aceitação pelo

mercado. Promovendo a pesquisa, o desenvolvimento e o consumo de veículos para

um determinado segmento, serão criadas condições para que o mercado evolua

oferecendo componentes novos, mais adequados, a custos menores e desenvolvendo

recursos humanos, dominando assim esta tecnologia. Para atingir o objetivo,

diferentes etapas de trabalho conduzirão esta linha de pesquisa:

1) Discutir e identificar as vantagens obtidas com esta configuração;

2) Identificar o segmento de mercado em que as vantagens deste veículo sejam

mais evidentes (será visto adiante, na seção 1.3, que o ônibus urbano é o tipo

de transporte que mais se beneficia desta configuração);

3) Verificar as vantagens deste veículo sobre seus concorrentes, no segmento

acima identificado (uma vez que o ônibus urbano possui uma alternativa

puramente elétrica, são analisadas as vantagens que o veículo híbrido-elétrico

apresenta sobre o uso do trólebus, numa seqüência constante nessa linha de

raciocínio);

4) Identificar a melhor configuração para esta aplicação;

5) Modelar o sistema (capítulo 3);

6) Testar o modelo, via simulação (no capítulo 4 será feita a simulação,

validando esse dimensionamento. Nesta etapa será feito um estudo do

dimensionamento dos componentes, em particular do acumulador e do moto-

gerador, a fim de se chegar à relação ideal de grandeza para estes dois ítens);

7) Analisar os resultados e concluir, nos limites deste trabalho (a análise dos

resultados da simulação evidenciam a necessidade de desenvolvimento dos

acumuladores e prosseguimento de pesquisas nesta direção).

É importante notar que a concepção híbrida não é uma alternativa ao puramente

elétrico somente enquanto não existirem baterias adequadas ou células combustível.

Duas são as razões para se continuar a investir neste tipo de tecnologia:

Page 20: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

4

1.˚) O futuro de veículos elétricos, como apontam vários autores, é a célula a

combustível. Como será comentado no estado da arte, ela substituirá as

baterias, convertendo combustíveis em energia elétrica, sem combustão e

com muito mais eficiência. Porém, estas células não possuem a capacidade

de regeneração e, portanto, acumuladores serão necessários para garantir a

eficiência, obtendo uma configuração de veículo híbrido, como será visto

mais adiante no item de topologias existentes.

2.˚) Veículos elétricos a baterias são recarregados via rede elétrica. No caso do

Brasil, em que a maior parte da energia elétrica é de origem hídrica, e

portanto limpa, esta medida contribuiria de maneira eficiente para a redução

de poluição. No entanto, a capacidade de geração a partir destas fontes irá

se esgotar para atender a estas novas cargas, tornando necessária a

construção de novas usinas, muitas das quais serão termo-elétricas. A

utilização de veículos híbridos postergará a necessidade de investimentos

nesta área. Peres; Hollanda (2003) vão mais longe. Sugerem que se utilizem

os veículos híbridos como fontes de co-geração. No caso dos Estados

Unidos, segundo o relatório OTA-ETI-638, em que existem muitas usinas

termo-elétricas a carvão, numa análise global de sistema, os veículos

híbridos emitiriam menos poluentes que as usinas para gerar a mesma

quantidade de energia para os veículos puramente elétricos (Estados

Unidos, 1995).

Page 21: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

5

1.2 Justificativa

Os veículos elétricos sempre foram objeto de estudos por apresentarem vantagens

técnicas bastante superiores aos de combustão. Até o início do século passado, os

veículos elétricos eram concorrentes dos veículos a combustão. Depois, com a

evolução tecnológica dos veículos a combustão e a redução em seu custo, estes

predominaram no mercado. Com a primeira grande crise do petróleo, na década de

70, os veículos elétricos voltaram a merecer atenção devido ao rendimento

energético superior ao de seus similares a combustão, o que constitui sua principal

vantagem. Este rendimento superior se deve, basicamente, por dois motivos:

1.º) O rendimento do motor elétrico, superior ao do motor a combustão: o relatório

OTA-ETI-638, do Escritório de Avaliação Tecnológica (Office of Technology

Assessment) dos Estados Unidos indica que, em trânsito urbano, o rendimento típico

do conjunto de tração elétrico é de 75% a 80% contra 20% a 23% do conjunto a

motor a combustão (Estados Unidos, 1995).

2.º) O armazenamento de energia durante as frenagens: o sistema elétrico formado

por um (ou mais) motor(es) elétrico(s) de tração, seu(s) conversor(es) e

acumuladores, permite a recuperação parcial da energia durante a frenagem, seja

esta devido à desaceleração ou ao tráfego em declive, para posteriormente, reutilizá-

la durante a tração; além disso, não consome energia quando parado em

congestionamentos. O mesmo relatório acima citado indica que, 10,8% do consumo

de combustível de um veículo a combustão interna ocorre durante frenagens e

quando o veículo se encontra parado, com o motor em funcionamento. É ressaltado

ainda, que a perda de energia de um veículo convencional para os freios é de cerca

de 35% da energia trativa total. Devido às perdas do sistema e outras razões, como

capacidade de carga de bateria e necessidade de freio convencional, a energia

recuperada é menor que este valor. Em média, a autonomia do veículo elétrico

aumenta de 8% a 10%, devido à recuperação desta energia. Existem, no entanto,

casos em que o aumento da autonomia chega a 18%, como no Toyota EV e no

Cocconi CRX, que reportaram a melhor eficiência no sistema de frenagem

regenerativa.

Page 22: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

6

O relatório cita, ainda, como vantagem do veículo elétrico, a ausência de acessórios

que se tornam necessários em veículos convencionais como: a refrigeração do motor,

a direção hidráulica e o câmbio automático. No caso do veículo elétrico, a solicitação

de refrigeração do sistema é bem inferior, não se necessita de caixa de transmissão e

a direção hidráulica pode ser substituída por um sistema elétrico, cujo consumo de

energia é menor. A redução destes acessórios gera uma economia de combustível

correspondente a 9,5%, pelo teste da Agência de Proteção Ambiental, EPA

(Environmental Protection Agency), dos Estados Unidos (Estados Unidos, 1995).

Além da eficiência energética, uma preocupação mais recente, que tem impulsionado

a pesquisa de veículos elétricos é a questão ambiental. Grande parte da poluição

atmosférica existente nas cidades é provocada pelos veículos a combustão.

Metrópoles em todo o mundo têm tomado medidas na tentativa de restringir o uso

destes veículos nos centros urbanos, como meio de reduzir ou, ao menos, controlar a

poluição ambiental. Os Estados Unidos, que possuem a maior frota de automóveis do

mundo, estão trabalhando no sentido de reduzir as emissões de poluentes. O estado

da Califórnia, com mais veículos neste país, sancionou lei de incentivo para que, pelo

menos 2% de todos os automóveis vendidos no estado em 1998 fossem veículos de

emissão zero (ZEV's - Zero Emission Vehicles), aumentando esta parcela para 5%

em 2001 e 10% em 2003. Vários estados americanos seguiram a Califórnia ou, ao

menos, consideraram esta possibilidade (Rajashekara; Martin, 1992). No entanto esta

lei está sendo constantemente revista. Devido à rigidez inicial, sua aplicação tornou-

se inviável economicamente. Em 1996 foram retiradas as metas de 1998 e 2001. Em

1998 aumentou-se a modalidade de veículos contabilizados pelo programa, ou seja,

foram levados em consideração veículos com índices baixos de emissão e não

somente ZEV’s. Os veículos idealizados a princípio como ZEV’s eram veículos

puramente elétricos. Uma rápida análise do panorama apresentado acima permite

duas conclusões:

1.º) A intervenção do Estado é necessária para que se viabilize uma opção de veículo

diferente daquela que o mercado está acostumado a absorver;

2.º) Esta intervenção não é suficiente por si própria, pois, enquanto existir a lei de

mercado, esta será preponderante.

Page 23: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

7

No entanto, a baixa autonomia destes veículos quando comparados aos veículos a

combustão se deve ao fato de que o meio de armazenamento de energia nestes

veículos, que são as baterias eletroquímicas, não têm a mesma capacidade de

armazenamento de energia por unidade de massa que os combustíveis. Dettmer

(2001) aponta que a gasolina possui uma densidade de energia de cerca de 12500

Wh/kg enquanto que a bateria chumbo-ácido, atualmente a mais utilizada em

aplicações automotivas, apresenta uma energia específica de 25Wh/kg. O relatório

OTA-ETI-638 (Estados Unidos, 1995) apresenta números parecidos: a densidade

energética da gasolina é de 100 a 400 vezes a das baterias, mesmo considerando

novas tecnologias de bateria, com maior capacidade de armazenamento. A questão

da autonomia é, em determinadas aplicações, fundamental, pois reduz drasticamente

a disponibilidade de veículo, não somente pelo pouco tempo de carga dos

acumuladores, como pelo longo tempo de sua recarga.

A evolução de veículos puramente elétricos está condicionada ao desenvolvimento

das baterias eletroquímicas ou de uma alternativa viável para elas, como, por

exemplo, a célula combustível ou elementos de armazenamento de energia como

ultracapacitores ou volantes de inércia. Além de elevar o custo do automóvel e seu

peso e de restringir sua autonomia, devido à vida útil curta, de 300 a 400 recargas ou

3 anos, para a bateria chumbo-ácido, elevam também os custos de manutenção

(Estados Unidos, 1995). Uma alternativa é substituir parte das baterias por um

conjunto moto-gerador. Desta forma teremos um veículo elétrico, com uma fonte de

conversão interna, chegando à configuração híbrida.

A idéia do veículo híbrido não é nova. A primeira patente, segundo Wallmark (2001)

foi registrada em 1905 por H. Piper, informação esta confirmada por várias outras

fontes (Estados Unidos, 1995); (Dettmer, 2001); (Automedia.com, 2003). A razão de

seu invento foi que os veículos convencionais apresentavam problemas quando era

exigida uma mudança brusca em velocidade ou torque, exigindo uma aceleração

muito lenta. Os veículos, sendo híbridos, sanavam este problema, pois utilizavam o

motor elétrico durante a aceleração, que possuía uma resposta mais rápida que o

motor a combustão, no estado da arte de então. Com a rápida evolução na tecnologia

dos motores a combustão, o mercado preferiu estes últimos, devido ao custo. Outra

referência (Didik, 2003), menciona que, em 1903, a Compagnie Parisienne des

Page 24: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

8

Voitures Electriques já fabricava (embora poucas unidades tenham sido produzidas)

um veículo híbrido de nome Krieger e que vários carros híbridos foram produzidos

até 1910. Os veículos elétricos eram mais confiáveis, embora mais caros. Com o

desenvolvimento do motor de arranque, a preferência passou a ser pelos veículos a

gasolina, o que se deu por volta de 1915. O relatório OTA-ETI-638, (Estados

Unidos, 1995) menciona 1917 como a data do primeiro híbrido, o Woods Dual

Power coupe.

1.3 O foco de aplicação

Listando-se os diversos tipos de veículos existentes, é possível obter um indicativo

sobre qual segmento devemos focar os esforços desta pesquisa.

Tabela I – Meios de transporte

Meios de Transporte Tipo de acionamento

Pequenos veículos para transporte de pessoas em ambientes internos como: carro de rodas, carro de golfe, transporte interno de aeroportos, etc..

elétrico

Veículos médios para uso urbano/rodoviário: automóveis combustão

Veículos grandes para transporte urbano de passageiros: ônibus, bonde, trolley-bus combustão/elétrico

Veículos grandes para transporte rodoviário de passageiros: ônibus combustão

Veículos grandes para transporte urbano/rodoviário de cargas: caminhões combustão

Veículos extra-grandes para transporte de cargas: trens diesel-elétricos/elétricos

Veículos extra-grandes para transporte de passageiros: trens/metrôs elétrico

Embora a configuração híbrida permita uma série de vantagens que poderiam

direcionar a pesquisa no sentido de escolhê-la como opção para várias classes de

veículos, a linha desta pesquisa o faz em um sentido específico: o de utilizá-la como

alternativa ao veículo elétrico, enquanto a limitação da capacidade dos acumuladores

Page 25: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

9

for um empecilho ao seu desenvolvimento. Por esta linha de raciocínio, descartamos

os dois extremos da tabela I, pelos seguintes motivos:

• Os transportes de grande volumes, que são os trens de passageiros ou carga,

já foram questão bastante discutida. Estes veículos são elétricos ou diesel-

elétricos, configuração semelhante ao dos veículos híbridos série, abordados

neste trabalho e que serão discutidos no item “topologias existentes” ( porém

sem o acumulador de energia). A análise econômica determina um ou outro

tipo; são veículos que circulam em vias próprias, onde alimentadores externos

de energia elétrica implicam tão somente em custos.

• Os veículos pequenos, para transporte interno, porque já são elétricos e a

limitação dos acumuladores não compromete sua utilização, pois os trajetos a

serem percorridos não são longos, os locais em que operam apresentam

facilidade de recarga e seu uso permite que permaneçam certo tempo

indisponíveis para isto. Além disso, pelo tipo de serviço, normalmente é

esperado que nsejam veículos ZEV’s e silenciosos; portanto, não são

atrativos a se tornarem híbridos.

O foco de aplicação desta tecnologia encontra-se nos veículos de uso urbano e

rodoviário, como automóveis, ônibus e caminhões. São veículos que representam

uma grande parcela dos meios de transporte, contribuem com uma parcela

significativa da poluição ambiental e dividem as mesmas vias de tráfego, onde a

alimentação externa de energia se torna um grande desafio. Para restringir o campo

de aplicação será analisado em qual destes setores se tira o máximo de proveito da

concepção híbrida. Uma das vantagens do veículo híbrido reside no fato deste

possuir um acumulador, que o auxilia quando uma potência extra é solicitada, por

exemplo, na aceleração. Desta forma, o primeiro passo é analisar a relação existente

entre as potências envolvidas na aceleração e no regime. As forças presentes

durante o movimento do veículo são discutidas no capítulo 3 e, por um motivo de

organização, a fórmula para seu cálculo encontra-se nesse mesmo capítulo. Porém,

aqui foi feita uma análise breve, aplicando-se estas fórmulas. Em movimento, a força

resistente é resultante do atrito de rolamento mais o atrito aerodinâmico. Esta força

aumenta com o quadrado da velocidade. Portanto, veículos que trafegam por

Page 26: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

10

rodovias devem apresentar potência média superior aos que trafegam em cidades,

para uma mesma massa transportada, uma vez que a velocidade média é maior. Por

outro lado, existe uma força para acelerar os veículos dependente da sua inércia.

Quanto maior a massa, maior será a potência para aceleração. A aplicação das

fórmulas apresentadas no capítulo 3, estão apresentadas na forma de gráfico de

potência x velocidade para dois tipos de veículos, respectivamente nas figuras 1.1 e

1.2. A análise é bastante sucinta e faz algumas simplificações, como por exemplo,

mantém o torque de aceleração praticamente constante durante toda a faixa de

velocidade. No entanto, para a finalidade desta comparação, esta consideração é

apropriada.

Figura 1.1 - Potência regime x Potência aceleração em automóveis

Na figura 1.1, foram analisados 2 casos em forma de gráfico. Um corresponde a um

automóvel popular, tipicamente com motor de baixa potência e baixo consumo,

fornecendo uma aceleração de 0 a 100 km/h em 18s. Outro corresponde a um veículo

com peso elevado e motor maior, que permite uma aceleração levemente superior,

atingindo 100 km/h a partir de zero, em 16s.

Page 27: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

11

Figura 1.2 - Potência regime x Potência aceleração em ônibus

Na figura 1.2, também foram apresentados 2 casos. Um corresponde ao ônibus

urbano e outro ao ônibus rodoviário. Comparativamente, a massa transportada por

um ônibus urbano é maior, e a velocidade máxima menor, restringida por limites

estabelecidos dentro do perímetro urbano. A aceleração é mais ou menos próxima,

devendo ser limitada, principalmente no caso do ônibus urbano, a uma aceleração de

conforto para os passageiros, que é da ordem de 0,1 a 0,12g (Ellison; Bahmanyar,

1974). Normalmente ela é superior no ônibus urbano, como forma de elevar a

velocidade média que é reduzida devido às constantes paradas.

As relações entre a força de aceleração e a força resistente na velocidade nominal de

operação de cada veículo (equivalentes à razão entre potência de aceleração e

potência de regime), obtidas através dos gráficos acima, encontram-se a seguir.

• Automóvel 800 kg: 1,7 vezes

• Automóvel 1700 kg : 2,9 vezes

• Ônibus rodoviário 14ton: 1,9 vezes

• Ônibus urbano 18ton: 4,0 vezes

Page 28: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

12

Analisando-se estes gráficos, pode-se deduzir que a aplicação híbrida será mais

vantajosa para veículos pesados e lentos do que para veículos pesados e velozes, que

por sua vez, será melhor do que para veículos leves. Como a força resistente varia

com o quadrado da velocidade (mais uma parcela fixa), nota-se que a relação entre as

forças de aceleração e a resistente é tanto maior quanto menor for a máxima

velocidade atingida pelo veículo.

Foi visto acima, que o ônibus urbano apresenta uma vantagem sobre os demais. Em

uma concepção híbrida, ao ter sua potência de aceleração fornecida por um conjunto

de acumuladores, terá seu conjunto moto-gerador reduzido, em relação ao seu similar

convencional, em uma proporção bem maior que as outras aplicações. Da mesma

forma que a potência para acelerar é maior neste caso, também a potência exigida

para desacelerar, e, conseqüentemente, a energia recuperada durante o transitório de

frenagem seria proporcionalmente maior neste veículo.

Além disto, uma outra análise deve ser feita. Além da proporção destas potências, é

necessário observar a freqüência de ocorrências deste fenômeno. Um veículo que

necessitar partir e parar constantemente, ciclo este típico do tráfego nas cidades,

estará usufruindo mais desta caracterísitica de utilização temporária de energia

acumulada, tendo vantagens superiores quando transformado em híbrido. Desta

forma, tornam-se mais atrativos os veículos urbanos, em relação aos rodoviários.

Reunindo-se ambas as condições, teríamos como melhores opções a se tornarem

veículos híbridos: primeiro o ônibus e o caminhão em uso urbano, segundo o

automóvel em uso urbano, e depois destes, os mesmos veículos em uso rodoviário.

Como tanto os automóveis como os caminhões não são feitos para uso restrito em

uma determinada condição, os mesmos apresentam dificuldades de desenvolvimento

de projeto, pois seus usuários pretendem utilizá-los normalmente em ambas as

condições. Por outro lado, o ônibus urbano além de ter utilização restrita ao

perímetro urbano, possui ciclo definido de partidas e paradas, não só as devido ao

trânsito (semáforos), como também as devido ao seu itinerário, que são os pontos de

parada para embarque e desembarque de passageiros. Esta condição de operação

bastante previsível permitirá que se faça um projeto otimizado, como será observado

Page 29: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

13

nas simulações e comentado no capítulo 6. Desta forma, dimensionamos o moto-

gerador pela potência média e o elétrico, pela potência de pico. “Um ônibus urbano

tradicional operando a óleo Diesel requer um motor de cerca de 200HP, enquanto um

ônibus híbrido elétrico similar usa somente 80HP” (Peres; Hollanda; 2003).

O veículo, que se mostra primeiramente mais vantajoso a esta adaptação, é ao mesmo

tempo aquele que possui modelos consagrados nos dois extremos: a combustão e

puramente elétrico, que é o trólebus. Portanto, é necessário estudar se existem

vantagens da opção híbrida, uma vez que, como discutido anteriormente, a opção

totalmente elétrica tende a ser mais interessante se for analisada apenas do ponto de

vista da eficiência energética e poluição ambietal.

Brunton (2000), defensor do trólebus, menciona várias razões pelas quais este

veículo não obteve sucesso no Reino Unido, das quais são destacadas:

- o trólebus é fixo à sua rota;

- dificuldade de alteração e expansão de linhas existentes.

- linha áerea com custo alto de instalação e manutenção;

- poluição visual provocada pelas linhas aéreas;

- aumento do custo da energia elétrica;

As mesmas razões que contribuíram para que este veículo não obtivesse êxito no

Reino Unido podem ser aplicadas ao Brasil. Não se discute muito a questão de

poluição visual, mas este é um ponto a ser considerado. Mas, mais do que isto, as

outras razões podem justificar a opção por outro tipo de veículo. As cidades deste

país estão em constante expansão e a suas ruas sempre em obras de manutenção e

alteração de percurso. Com relação ao custo da energia, é necessário ressaltar a

questão da tarifa diferenciada. Essa se torna mais elevada no horário em que há

maior consumo por parte de trólebus também, além do fato de que, neste mesmo

horário, o sistema como um todo encontra-se mais carregado. Isto implica em um

ponto desfavorável. Uma pane no sistema de alimentação do trólebus imobiliza todos

os veículos ao mesmo tempo, sujeitando a que se fique sem este meio de transporte,

apesar de, individualmente, ser o trólebus o veículo com maior confiabilidade.

Neste ponto será feito um resumo do que foi feito até agora neste trabalho:

Page 30: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

14

1. Foi visto que o veículo elétrico apresenta vantagens sobre o veículo a

combustão e portanto merece atenção, no que diz respeito a investimentos de

pesquisa;

2. Foi visto que atualmente existem restrições a veículos elétricos e que veículos

híbrido elétricos são viáveis e devem consistir foco de pesquisa.

3. Devido às características de desempenho, como velocidade máxima,

velocidade média, ciclos de aceleração e desaceleração, o ônibus urbano

apresenta maior benefício comparativo em relação ao seu modelo

convencional; portanto, deve ser o foco de pesquisa;

4. Mesmo existindo opção totalmente elétrica para este veículo, a opção híbrida

se torna mais vantajosa.

Abaixo serão listados alguns outros motivos que justificam o enfoque no

desenvolvimento de tecnologia de veículo híbrido para o ônibus urbano.

1. Como foi visto anteriormente, o desenvolvimento desta tecnologia, a exemplo

dos Estados Unidos, está condicionado ao incentivo do Estado. O transporte

coletivo urbano é um dos meios em que há mais interferência do Estado e

menor presença do mercado, sendo um campo propício a se iniciar o

desenvolvimento de protótipos.

2. Ao contrário do trólebus, a ampliação de um sistema de transportes baseado

em veículos híbridos não depende do aumento da oferta de energia elétrica,

com aumentos na geração, transmissão e distribuição. O sistema de

transporte híbrido-elétrico é de fácil ampliação, permitindo ser levado a

regiões distantes onde o custo de transporte de energia elétrica é alto,

necessitando apenas de infra-estrutura de transporte de combustível, que

normalmente já existe.

3. O ônibus é, dentre os meios citados, o que tem maior comprometimento

individual com a poluição das cidades. Ele sempre trafega dentro do

perímetro urbano: necessariamente e constantemente. Outros veículos

trafegam eventualmente e parcialmente.

Page 31: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

15

A seguir, encontra-se na Tabela II um resumo comparativo das vantagens do veículo

híbrido frente a outras tecnologias existentes para meios de transporte.

Tabela II - Comparação entre os diversos tipos de veículos

Obs.: No item confiabilidade está sendo analisada a confiabilidade global do sistema

e não individual do veículo.

Elétrico s/pantógrafo

Elétrico c/pantógrafo Combustão Híbrido

Autonomia

Poluição

Impacto amb

Flexibilidade

Manutenção

Confiabilidade

Poluição sonora

Custo DESEMPENHO INFERIOR

DESEMPENHO NEUTRO

DESEMPENHO SUPERIOR

LEGENDA

Page 32: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

16

1.4 Topologias existentes

A possibilidade de se variar o motor a combustão, o elemento de armazenamento de

energia elétrica e o motor elétrico permite múltiplas combinações. São inúmeras as

configurações possíveis e é intenção deste trabalho, a partir de um esboço da melhor

aplicação, chegar àquela mais propícia à aplicação de transportes coletivos. Estas

configurações são divididas em duas básicas, que são os veículos híbridos paralelos e

os veículos híbridos série. Tal divisão é encontrada praticamente em toda literatura

sobre veículos híbridos. O relatório OTA-ETI-638 (Estados Unidos, 1995) aponta

uma sub-divisão destas topologias, não encontrada em nenhuma outra fonte

pesquisada durante este trabalho: veículos híbridos autônomos e não-autônomos. Os

autônomos são veículos que não necessitam de recarga externa de baterias, os não

autônomos necessitam desse tipo de recarga, ainda que tenham suas baterias

parcialmente recarregadas pelo gerador elétrico do veículo. O foco desta pesquisa é o

veículo autônomo, somente. Em ambos os casos, série ou paralelo, o motor de

combustão interna e o sistema elétrico podem ser de diferentes tamanhos com uma

ampla gama de possibilidades

Page 33: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

17

1.4.1 Veículo Híbrido paralelo

O veículo híbrido paralelo possui duas fontes de potência que o tracionam: o motor a

combustão, que aciona o veículo diretamente, como acontece no veículo

convencional, e o motor elétrico, que o auxilia quando é exigida uma força extra; por

exemplo na aceleração, suprindo a falta de torque do motor a combustão em baixas

velocidades, conforme mostrado na figura 1.3.

Figura 1.3 – Veículo Híbrido-Paralelo

O veículo híbrido paralelo pode, portanto, operar de três modos: somente a

combustão, com motor a combustão auxiliado pelo motor elétrico e somente com

motor elétrico (Dettmer, 2001). No modo híbrido, o motor elétrico deixa de operar

assim que o veículo retorna à condição de velocidade de regime, permanecendo

apenas o de combustão. As vantagens desta configuração em relação ao modelo

convencional, também presentes na configuração série, são:

1) redução da potência do motor a combustão (bem como do tamanho físico);

2) maior suavidade na operação do motor a combustão, com picos de torque

reduzidos;

3) maior controlabilidade do sistema.

4) frenagem regenerativa;

Page 34: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

18

5) redução da utilização dos freios convencionais;

6) redução do ruído sonoro.

Como vantagens desta topologia, sobre a de série pode-se citar:

1) aumento da potência final, em decorrência da somatória das potências dos

motores a combustão e elétrico;

2) possibilidade de eliminação do gerador, efetuando a recarga dos

acumuladores via motor de tração;

3) rendimento superior em velocidade constante, devido à eliminação das perdas

na etapa de conversão.

4) maior confiabilidade, podendo operar apenas com motor a combustão ou

apenas com motor elétrico.

Como os motores a combustão são mais eficientes quando operam em velocidade

constante, sem muita variação, conclui-se que esta topologia seja mais adequada em

aplicações em que o veículo permanece em regime em percursos de longo trajeto.

Esta aplicação é típica de veículos rodoviários. No entanto, o veículo híbrido paralelo

também pode operar em uso urbano, onde existe a constante necessidade de partidas

e paradas; porém, para manter o bom desempenho proporcionado pelo sistema

elétrico, é necessário o desligamento do motor a combustão. O veículo passa a operar

como se fosse um veículo puramente elétrico. Nesta condição, a autonomia do

veículo passa a ser determinada pela autonomia do conjunto acumulador.

Page 35: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

19

1.4.2 Veículo Híbrido série

Na configuração série, o motor a combustão interna aciona um gerador elétrico que

fornece eletricidade para os acumuladores e o sistema de propulsão, composto

apenas pelo(s) motor(es) elétrico(s) de tração, conforme mostrado na figura 1.4. Esta

configuração permite substituir o conjunto moto-gerador por célula combustível.

Figura 1.4 – Veículo Híbrido-Série

O acumulador é utilizado para armazenar energia proveniente da frenagem

regenerativa e, na maior parte, vinda do moto-gerador. O motor de tração pode ser

alimentado pelo moto-gerador, pelo acumulador ou por ambos simultaneamente.

Quando a exigência de potência do veículo for abaixo da capacidade do motor a

combustão, o excesso é aproveitado para recarregar o acumulador. Caso este tenha

reserva de energia suficiente, o veículo poderá operar como um elétrico puro,

desligando-se o gerador (Estados Unidos, 1995). Esta operação, teoricamente,

independe da velocidade, pois o motor elétrico possui a potência total; na prática,

porém, fica limitado a baixas velocidades, uma vez que, em altas rotações, a descarga

se dará em bem menos tempo. Como dito anteriormente, várias combinações de

tamanho são possíveis para o acumulador e o moto-gerador. Um extremo das

possibilidades seria o acumulador dimensionado de tal forma a acionar o veículo por

um longo período, independentemente do perfil do trajeto e da solicitação de

Page 36: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

20

arrancadas e paradas. O gerador elétrico acionado pelo motor a combustão poderia,

então, ser reduzido ao máximo, com capacidade apenas para repor parte da energia,

aumentando a autonomia do veículo. Desta forma, o veículo seria quase que um

veículo elétrico puro. No outro extremo do espectro, poderia ter um gerador

dimensionado a atender toda a solicitação do motor e o acumulador seria quase que

inexistente. Esta configuração não apresenta nenhuma vantagem na aplicação

estudada e as perdas totais do veículo seriam aumentadas, devido às perdas das

conversões eletromecânicas do gerador e do motor elétrico. A combinação ideal

encontra-se entre estes dois limites.

Tanto no caso série como no paralelo, o dimensionamento ideal do motor a

combustão tende a ser a potência exigida em regime e, portanto, igual em ambos os

casos. Em relação à configuração paralela, a série apresenta as seguintes vantagens:

1) constância na operação do motor a combustão, acionando o gerador em

velocidade fixa, independentemente da velocidade do veículo;

2) consideração de alternativas não convencionais para uso automotivo como

turbina a gás. O motor a combustão não cumpre mais o papel de acionar o

veículo e por isto, certas características, tais como alto torque em baixa

velocidade e resposta rápida às mudanças bruscas, deixam de ser necessárias

(Stringer, Henderson, 1992);

3) capacidade superior de frenagem em relação ao paralelo, reduzindo a

utilização dos freios mecânicos, aumentando a eficiência e a segurança do

sistema;

4) eliminação da caixa de transmissão e, conseqüentemente, aumento do

conforto na condução do veículo. Para ônibus urbano este é um grande

diferencial: um motorista chega a efetuar mais de quatro mil mudanças de

marcha em um dia de trabalho (informação verbal).

Nesta configuração, novas alternativas surgem, como acionar o veículo por mais de

um motor, acoplados a cada roda de maneira independente. Esta possibilidade tem

sido explorada também em veículos puramente elétricos, como é o caso do Impact,

da General Motors, e do FEV, da Nissan, que utilizam dois motores acionando as

duas rodas dianteiras, ou do Tokyo Electric IZA, que é acionado por 4 motores,

Page 37: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

21

acoplados diretamente às rodas, sem moto-redutores (Rajashekara; Martin, 1992);

(Stringer; Henderson, 1992); (Terashima et al., 1997). Conforme estes autores,

apesar desta última configuração parecer mais custosa à primeira vista, oferece as

seguintes vantagens:

5) eliminação de ítens mecânicos como diferencial, disponibilizando espaço

para os acumuladores;

6) redução da potência individual de cada motor, reduzindo, assim, seu tamanho

e, principalmente, a potência e o tamanho do conversor estático.

7) melhora da dirigibilidade do veículo, devido à distribuição do esforço nos

pneus tracionados.

8) aumento da confiabilidade, devido à redundância intrínseca: a falha de um

conjunto conversor-motor não impede que o veículo continue rodando, com

redução de potência.

Por permitir a rotação constante do motor a combustão, independentemente da

velocidade do veículo, possibilitando a operação daquele em seu ponto de maior

eficiência, esta configuração é mais vantajosa que a paralela em situações de trânsito

intermitente, típico das cidades. Em trajetos longos, inverte-se a situação, embora a

configuração série ainda opere satisfatoriamente.

Um gráfico de fluxo de potências foi criado e ilustrado na figura 1.5, a fim de

facilitar a compreensão de como os elementos contribuem para o esforço final de

tração ou frenagem, em diversas condições de operação. Verifica-se que, em ambos

os casos, configuração série e paralela, existe a possibilidade de se reduzir o motor a

combustão. O dimensionamento correto do grupo gerador e dos acumuladores

definirão a eficiência do sistema. No caso da configuração série, como os

acumuladores auxiliam o gerador no arranque do veículo, é demonstrável que haverá

uma correlação entre os dois, no sentido de que uma redução no tamanho do

acumulador implique em aumento do gerador e vice-versa. Tais elementos devem ser

reduzidos ao máximo possível, buscando-se o ponto ótimo de ambos, a fim de se

reduzir o volume e peso do veículo.

Page 38: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

22

Figura 1.5 – Fluxo de potência nas topologias série e paralela

Page 39: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

23

Cada sistema possui suas vantagens e desvantagens. O relatório OTA-ETI-638

(Estados Unidos, 1995) menciona que a maioria dos fabricantes que desenvolveram

protótipos de veículos híbridos escolheram a combinação série, com exceção feita à

VW, cujo engenheiros “acreditam que a topologia série é amplamente utilizada

porque é muito fácil de desenvolver, mas é ineficiente...”. De fato, o relatório acima

é de 1995. Percebe-se que desta época para cá, mais e mais protótipos de veículos

híbridos paralelos vêm sendo desenvolvidos, a exemplo da VW. No entanto, ela,

como as outras montadoras que vêm desenvolvendo este tipo de protótipo, estão com

suas pesquisas focadas em veículos de passeio. Uma vez que neste trabalho foi

definido como sendo o foco o ônibus urbano, pela análise das topologias já

realizadas, será adotada a configuração série.

Page 40: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

24

2 ESTADO DA ARTE

A seguir será feita uma breve descrição sobre o estado da arte dos elementos que

compõem os veículos híbridos, abordados em três áreas: motores e conversores,

acumuladores e fontes de energia.

2.1 Motor elétrico e conversor

Como a definição de um motor implica na definição de seu conversor, estes dois

ítens serão tratados conjuntamente. Para aplicação em tração elétrica, o motor deve

ser, sobretudo, robusto, de baixa manutenção e compacto. Além disto, devem ser

observadas também como qualidades: o baixo custo, utilização de materiais

conhecidos, a facilidade de controle e a possibilidade de operação em alta velocidade

e baixo ruído (Moraes, 1982); (Martins, 1986); (Rajashekara; Martin, 1992). Os

motores utilizados ou pesquisados são: o motor CC, o motor de indução trifásico, o

motor síncrono de ímãs permanentes, motor de relutância síncrono e, mais

recentemente, o motor de relutância chaveado.

Quanto à forma construtiva, tem-se pesquisado a adoção de motores de fluxo axial,

em substituição aos já consagrados motores de fluxo radial. Com esta mudança na

geometria, procura-se acoplar os motores diretamente às rodas, ou mesmo dentro

delas, obtendo-se um conjunto único denominado por “wheel motor” (Profumo et al.,

1997). Com esta solução, o diferencial mecânico e até mesmo a caixa de redução

podem ser eliminadas, em uma configuração multimotor.

Motor de corrente contínua

Estes motores são ainda bastante utilizados em tração, pelas vantagens que

apresentam, particularmente no motor série, as quais são discutidas por Moraes

(1982); no entanto, devido às vantagens dos motores CA em relação à manutenção e

custo, esses tendem a ser substituídos. Os protótipos e novos modelos de veículos

elétricos estão considerando apenas motores de corrente alternada, exceto o de

corrente contínua sem escovas, que será abordado no item sobre motor síncrono.

Os motores de corrente contínua são divididos em motores de campo série, ou

excitação série, de excitação paralela, conhecido como campo shunt e de excitação

independente. O relatório OTA-ETI-638 (Estados Unidos, 1995) cita ainda, além

Page 41: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

25

destes três, “tipos especiais como o motor de relutância chaveado”. O motor

mencionado, quando operando nesta configuração, passa a trabalhar como um motor

CC sem escovas, motivo pelo qual foi mencionado por este relatório; este assunto

será discutido mais adiante. Para veículos elétricos que possuem acumuladores e,

portanto, um barramento intermediário de corrente contínua, se faz necessária a

utilização de recortadores como conversores estáticos. Rajashekara; Martin (1992)

apontam como principais vantagens:

• simplicidade no controle, tendo entre as opções de motores, o conjunto de

eletrônica de controle com custo mais baixo;

• tecnologia consagrada.

Como desvantagens, apontadas por Rajashekara; Martin (1992) listam-se:

• dificuldade na refrigeração, devido à dissipação térmica do rotor;

• necessidade de constante manutenção e emissão de rádio-freqüência devido ao

fato de ser o conmutador mecânico alimentado por escovas.

• redução de confiabilidade devido à presença de escovas e do comutador.

• maior tamanho em relação a seus concorrentes, devido ao comutador;

• limitação de velocidade;

• limitação de tensão devido à tensão entre lâminas do comutador.

Motor de indução.

Os motores de indução (assíncronos) de rotor gaiola de esquilo vêm sendo apontados

como carro chefe para veículos elétricos (Estados Unidos, 1995) por várias razões:

são bastante robustos, dispensam manutenção, possuem capacidade de rodar a alta

velocidade e são menores que os motores de corrente contínua com escovas, para

uma mesma potência (Rajashekara; Martin, 1992). Moraes (1982) também concluiu

que, apesar das vantagens do motor CC, o motor de indução é mais conveniente para

aplicações em tração elétrica. O acionamento para tais motores é o inversor de

freqüência, constituído por uma ponte trifásica de semicondutores. No estado atual

da arte, o semicondutor utilizado para estes inversores é o IGBT (Insulated Gate

Page 42: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

26

Bipolar Transistor). Este transistor opera em freqüências de chaveamento de até 20

kHz, dissipando menos potência que os bipolares durante este processo (Estados

Unidos, 1995). A fim de controlar a velocidade, o inversor varia a freqüência da

tensão de alimentação. Até atingir a tensão nominal do sistema, a amplitude da

tensão é variada em função da freqüência, mantendo a característica V/Hz e,

conseqüentemente, o fluxo do motor constante. Atingindo a tensão nominal do

sistema, pode-se continuar elevando a freqüência, porém, com redução do fluxo

magnético e, portanto, do torque máximo disponível do motor, operando na faixa de

potência constante. Este controle do motor, mais complexo que o do motor CC, o

torna o mais custoso (Rajashekara; Martin, 1992)

O inversor pode operar em malha aberta, mantendo apenas a relação V/Hz, ou em

malha fechada, realimentado por taco digital ou resolver, com controle vetorial.

Obtém-se, com este último uma melhor resposta de torque em baixa velocidade; no

entanto, há elevação de custo e redução de confiabilidade, por adicionar um elemento

sujeito a falhas.

Como tais motores são acionados por inversores, não necessitam ser projetados para

freqüência nominal de 60 Hz / 50 Hz, como são projetados os motores industriais,

alimentados diretamente pela rede elétrica. O relatório OTA-ETI-638 (Estados

Unidos, 1995) menciona que vários protótipos utilizam motores com freqüência

máxima de alimentação de 400 Hz. Os motores utilizados no Impact, da GM e no

FEV, da Nissan, operam em até 500 Hz (Rajashekara; Martin, 1992). Isto implica

que a rotação do motor será superior (desde que a comparação seja feita entre

motores de mesmo número de pólos), o que torna estes motores menores fisicamente,

para uma mesma potência disponível na ponta de eixo. Por outro lado, existem

vários projetos em desenvolvimento, acoplando o motor diretamente à roda,

dispensando redutores. Estes motores, terão rotação máxima em torno de 800 a 900

rpm, para automóveis, que rodam em velocidades altas (rodovias) e possuem rodas

menores. Para ônibus e caminhões , que possuem rodas maiores, a rotação será mais

baixa. Para o caso deste estudo, de um veículo restrito à àrea urbana, onde a

velocidade máxima é menor, a rotação ficará em torno de 300 a 400 rpm. Como

vantagens deste motores podemos citar:

Page 43: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

27

• robustez;

• simplicidade;

• utilização de materiais e técnicas convencionais de fabricação;

• operação em altas velocidades sem problemas de comutação e faiscamento;;

• estanqueidade do motor, sem necessidade de ventilação interna.

Motor síncrono de ímãs permanentes

O rotor dos motores síncronos acompanha o campo girante produzido pelo estator.

Para criar um campo girante de velocidade variável, utiliza-se um inversor do mesmo

tipo que o usado para acionar o motor de indução. Este modo de controle não

apresenta nenhuma vantagem sobre o motor de indução. Porém, mantendo-se a

mesma eletrônica de potência e adicionando-se um transdutor de posição do rotor é

possível controlar o conjunto na configuração conhecida por motor síncrono auto-

pilotado ou motor auto-síncrono (Martins, 1986); (Nasar, 1993). Esta configuração é

chamada por alguns de motor de corrente contínua sem escovas, embora a maioria

deles utilize esta denominação para um caso particular, abordado a seguir. Esta

denominação é entendida quando analisado o conjunto motor-conversor. Cada fase

do motor é alimentada por uma ponte de semicondutores, que poderá fazer a corrente

circular em uma ou outra direção no enrolamento. Para motores trifásicos, as três

pontes podem ser combinadas, de forma que os transistores de potência sejam

utilizados em comum por dois enrolamentos, reduzindo-se, portanto, a quantidade de

semicondutores. Ao excitar-se uma determinada combinação de fases do motor, o

rotor tenderá a se alinhar ao campo magnético gerado. Um sensor de posição, ao

detectar o movimento do rotor, comutará a ponte inversora, de maneira a criar um

campo magnético em outra posição, de maneira a dar continuidade ao movimento.

Este sensor deverá indicar a posição relativa dos polos do rotor em relação às fases

do estator, sendo utilizados, preferencialmente, o encoder absoluto ou resolver. Desta

forma, o motor passa a ter comportamento semelhante ao do motor de corrente

contínua, em que seu próprio movimento promove a comutação da armadura, sendo,

porém, de forma eletrônica e não mecânica (portanto, sem escovas), encontrando-se

a armadura no estator e o indutor no rotor (Nasar, 1993). Recentemente, vários

Page 44: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

28

autores e a indústria em geral, têm aplicado o termo BDCM (“brushless DC motor),

motor CC sem escovas, a motores de ímãs permanentes com determinadas

características (citadas logo a seguir); no entanto, como mencionado por Murphy

(Murphy, 1988 apud Oliveira, 1993), “o termo ‘Brushless DC Motor’ é usado para

identificar a combinação de uma máquina C.A., inversor a estado sólido, e sensor de

posição que resulta em um sistema de acionamento com características lineares de

torque e rotação, como num motor C.C. convencional.”

Como vantagens deste tipo de motor, em configuração de motor cc sem escovas,

podemos citar:

• simplicidade no controle de velocidade, tornando-o, no caso de três fases,

mais econômico que o controle do motor de indução, segundo Rajashekara;

Martin (1992);

• desenvolvimento de torque em baixas velocidades sem necessidade de

algoritmo complexo de cálculo;

• facilidade de construção de motores com grande número de polos

(determinado pelo desenho do rotor e não pela distribuição de enrolamentos do

estator);

• possibilidade de construção com múltiplas fases, não restritas a um sistema

trifásico (Oliveira, 1993), reduzindo-se a potência por fase e,

conseqüentemente, a dos semicondutores, aumentando a confiabilidade do

sistema;

• baixa inércia do rotor;

• ausência de geração de calor no rotor.

Como principal desvantagem, cita-se a utilização de materiais e técnicas especiais de

construção, devido aos ímãs permanentes de terras-rara. Operacionalmente, o grande

inconveniente reside na natureza do campo ser permanente, o que não permite

operar o motor em velocidade estendida, na faixa de potência constante, devido à

força contra-eletromotriz gerada. Técnicas novas de desmagnetização com o motor

em funcionamento têm permitido atingir velocidades mais altas, o que exige, porém,

Page 45: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

29

um nível de sofisticação maior. Montadoras têm aplicado este motor em veículos

elétricos utilizando transmissão de duas velocidades (Estados Unidos, 1995).

Alguns autores, como Rajashekara; Martin (1992), Nasar; Boldea; Unnewehr (1993)

e Wallmark (2001) classificam os motores a ímãs permanentes conforme a

distribuição do fluxo magnético, conforme segue:

• máquina síncrona de ímãs permanentes (PMSM, do inglês: permanent

magnet synchronous machine), possui uma densidade de fluxo

aproximadamente senoidal no entreferro e é alimentada por uma corrente

estatórica senoidal;

• motor de corrente contínua sem escovas (BDCM), alimentado por inversores

controladores de corrente; possui uma distribuição trapezoidal de fluxo.

Devido à distribuição trapezoidal de fluxo, o BDCM é capaz de fornecer 15% a mais

de potência que o PMSM, para um mesmo tamanho de carcaça. Com relação à

distinção, esta é feita devido à dificuldade de se gerar uma onda senoida,l enquanto o

chaveamento da ponte inversora for ditado pela posição angular do rotor. A forma de

onda alcançada por esta estratégia de controle será, naturalmente, trapezoidal.

Motor de Relutância.

Os motores de relutância são motores síncronos sem excitação. O motor possui

apenas o torque de relutância. Quando um campo magnético é criado por um

enrolamento do estator, o rotor procura se posicionar de forma tal que, o fluxo

magnético percorra o circuito magnético de menor relutância. O circuito magnético é

composto apenas de ar e ferro. “Por este ponto de vista, esta máquina difere de todas

as demais máquinas elétricas” (Nasar, 1993). A diferença de relutância é obtida

variando-se a geometria do rotor ou utilizando-se materiais laminados anisotrópicos.

Tais motores são extremamente simples e, conseqüentemente, robustos. Possuem

tais características do motor síncrono de ímãs permanentes, com a vantagem de não

terem os magnetos de terras-rara (que são materiais quebradiços, passíveis de

sofrerem desmagnetização), não estando, portanto, limitados em velocidade pela

força contra-eletromotriz. É o motor que atinge a maior velocidade absoluta. Em

Page 46: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

30

contrapartida, possui as desvantagens de um motor com baixo fluxo, ou seja, baixo

fator de potência e elevada corrente no estator. Este motor apresenta também

problemas de estabilidade em baixa velocidade. Tal qual os motores síncronos de

ímãs permanentes, Rajashekara; Martin (1992) também divide os motores de

relutância em dois grupos:

• motor de relutância síncrono;

• motor de relutância chaveado (SR - Switched Reluctance).

O motor de relutância síncrono é controlado por um inversor, que alimentando o

enrolamento estatórico produzirá um campo girante a ser seguido pelo rotor. O motor

de relutância chaveado é, basicamente, um motor de passo, com chaveamento

contínuo, em função da posição do rotor (Nasar, 1993). Esta configuração o torna

também um motor CC sem escovas. Como o rotor não possui um campo magnético e

alinha-se somente procurando o caminho de menor relutância, é independente o

sentido do fluxo gerado pelo estator, importando apenas a posição angular. Desta

forma, o enrolamento não necessita uma ponte inversora por fase, mas apenas uma

chave eletrônica, reduzindo-se o custo da eletrônica de potência (Paula et al.2001 )

O relatório OTA-ETI-638 (Estados Unidos, 1995) registra que o motor de relutância

chaveado tem sido objeto de intensa pesquisa, pois tem potencial para ser muito

eficiente e barato. Pode ser construído com múltiplas fases e possui também

capacidade de operar com potência reduzida em caso de falha de um enrolamento;

podem atingir níveis de eficiência comparáveis aos motores de ímãs permanentes.

Page 47: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

31

2.2 Acumuladores

Os acumuladores de energia elétrica existentes no atual estado da arte são: baterias

(acumuladores na forma química), volante de inércia (acumuladores na forma

mecânica) e ultracapacitores (acumuladores na forma elétrica). O termo acumulador,

neste trabalho, será usado indistintamente para designar um destes tipos ou uma

combinação entre eles. Em um veículo elétrico, os acumuladores têm a função de

fornecer a energia ao motor elétrico de tração e absorver ao máximo possível a

energia regenerada durante a frenagem. No caso do veículo híbrido, os acumuladores

podem dividir o trabalho de suprir a máxima potência com o conjunto moto-gerador.

Desta forma, permitirão também ao motor de combustão operar em velocidade

constante, no caso da configuração série.

Dois termos utilizados com muita freqüência na literatura que aborda a questão dos

acumuladores são: energia específica (Estados Unidos, 1995) ou densidade de

energia (Dettmer, 2001), e potência específica ou densidade de potência. Energia

específica é uma medida da quantidade de energia total armazenada por unidade de

peso do acumulador. Potência específica é uma medida que quantifica a potência por

unidade de peso, possível de ser fornecida ou absorvida pelo acumulador, para

atender aos picos de demanda em acelerações e aclives. Um acumulador com alta

densidade de energia permite ao veículo uma autonomia maior, quando comparado a

outro, desenvolvendo o mesmo percurso e sendo exigido da mesma forma (mesma

potência média). Um acumulador com alta potência específica permitirá acelerações

mais rápidas e, portanto, melhor desempenho do veículo, com maior aproveitamento

da energia regenerada. Acumuladores com baixa potência específica terão maior

dificuldade em absorver a energia regenerada e o sistema terá de dissipá-la na forma

de calor. Assim, é usual que se utilizem em veículos puramente elétricos,

acumuladores com grande densidade de energia, e, tanto quanto possível, alta

potência específica. Caso o segundo item não possa ser atendido, estes veículos terão

desempenho inferior, mas razoável autonomia.

Os veículos híbridos, que têm sua autonomia determinada pela quantidade de

combustível que transportam, priorizam a potência específica, não somente para

garantir um desempenho aceitável, mas também para garantir a eficiência energética

Page 48: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

32

esperada, que é, se não a principal, ao menos uma das razões pelas quais vêm sendo

estudados. Este tem sido um dos maiores entraves ao desenvolvimento de veículos

híbridos. Um problema apontado pelo relatório OTA-ETI-638 (Estados Unidos,

1995) relativo à baixa densidade de potência das baterias é o de que, devido a este

fato, para garantir a potência esperada, os acumuladores são sobre-dimensionados em

veículos híbridos, aumentando seu peso e diminuindo sua eficiência. Este relatório

menciona que um veículo híbrido série com baterias chumbo-ácido comuns pode

atingir um nível de economia de combustível inferior a um veículo convencional,

devido ao excesso de peso.

Baterias

É o meio mais conhecido de armazenamento de energia elétrica. As baterias possuem

uma densidade de energia (Wh/kg) boa, mas uma densidade de potência ruim

(W/kg), quando comparadas aos outros dois acumuladores. Estes, por sua vez,

apresentam razoável densidade de potência, mas baixa densidade de energia. Desta

forma, dependendo do uso que se queira fazer, será preciso combinar mais de dois

meios de armazenamento de energia, o que vem sendo aplicado em veículos

puramente elétricos (Schaible; Szabados, 1994); (Zolot, 2003). A literatura que

aborda o tema é coincidente, ao levantar os problemas ocasionados por elas:

• utilização de elementos poluentes nas bateriais atuais, exigindo cuidados na

reciclagem;

• pequena longevidade das baterias;

• sérias restrições quanto ao ciclo de recarga. Elas possuem um tempo

relativamente longo de carga, ou seja, devem ser carregadas com uma potência

baixa para não comprometer a sua vida útil. As baterias são também compostas

por células cuja tensão é baixa. Para se obter uma tensão alta são necessárias

muitas baterias em série.

Atualmente, os únicos sistemas de armazenamento de energia disponíveis

comercialmente são a bateria chumbo-ácido e a bateria Níquel-Cádmio, ambas com

limitada capacidade. As baterias de níquel-cádmio possuem capacidade superior às

de chumbo-ácido, porém, são muito caras e requerem manutenção especial. A vida

Page 49: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

33

útil das baterias é baseada em dois critérios: tempo decorrido e ciclos de carga e

descarga. Baterias chumbo-ácido convencionais possuem vida média de 2 a 3 anos e

300 a 400 ciclos. Isto significa que, para se aproveitar ao máximo a vida útil de um

sistema de baterias, o ciclo de carga e descarga completo deveria ocorrer a cada 3

dias.

A seguir, será apresentado um resumo a respeito dos tipos de baterias que vêm sendo

estudadas para aplicações automotivas, retiradas do relatório OTA-ETI-638 (Estados

Unidos, 1995) e também abordadas por Rajashekara; Martin (1992).

Baterias chumbo-ácido: existem há décadas no mercado. Baterias chumbo-ácido

trácionárias mais avançadas, com alta potência e energia específica, bem como maior

durabilidade, estão sendo desenvolvidas.

Sistemas Alcalinos: são apontados 3 modelos com mais perspectivas de sucesso

nesta categoria, que são: Níquel-Cádmio, Níquel-Ferro e Níquel-Hidreto Metálico.

Um problema com estas baterias é que, em relação às chumbo-ácido, o aumento de

energia específica alcançado é inferior à elevação do custo. Fabricantes destes tipos

de baterias têm apresentado os seguintes valores de densidade de energia,

respectivamente aos tipos mencionados: 40Wh/kg, 50Wh/kg e 80 Wh/kg. Este

último apresenta densidade de potência de 200 W/kg. As baterias de Níquel-Ferro

produzem hidrogênio e oxigênio e, portanto, cuidados com segurança devem ser

tomados. O hidreto metálico utilizado na última bateria mencionada apresenta custos

altos de reciclagem.

Baterias de alta temperatura: nesta categoria estão incluídas as sódio-enxofre, sódio-

cloreto de níquel e lítio-disulfeto metálico. O inconveniente deste tipo de bateria é a

necessidade de mantê-las a uma temperatura de cerca de 300º C, exigindo um

sistema isolante sofisticado, além de energia para repor o calor perdido. No entanto,

sua densidade energética é bastante superior às alcalinas e chumbo-ácido, podendo

ser utilizada em veículos que operam constantemente.

Lítio-íon: são consideradas as baterias para uso futuro em veículos elétricos.

Possuem alta densidade de energia de até 110 Wh/kg, densidade de potência de 200

W/kg e vida útil de até 1.000 ciclos com descarga total, baixa manutenção e

viabilidade de redução potencial de custo.

Page 50: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

34

Baterias de eletrólito sólido: utilizam polímeros de alta-condutividade, o que

facilitará a sua produção e, portanto, a torna um potencial sucessor das baterias

chumbo-ácido. Um protótipo de laboratório, mencionado no relatório OTA-ETI-638

apresentou densidade de energia de 350 Wh/kg e de potência de 190W/kg.

O relatório OTA-ETI-638 menciona fabricantes de baterias e seus respectivos

produtos, já lançados ou em fase de pesquisa, com expectativa de lançamento breve.

Eles são apresentados na tabela III.

Tabela III - Comparação entre baterias.

Fabricante Modelo das

baterias

Classificação das

baterias

Energia

específica

Potência

específica

Ciclos de

carga

Delco Remy Chumbo-ácido Chumbo-ácido 35 Wh/kg 210 W/kg 800

Horizon Pseudo-bipolar Chumbo-ácido 42 Wh/kg 500 W/kg 900

Arias Bipolar Chumbo-ácido 47Wh/kg 900 W/kg NI(1)

Silent Power Sódio-Enxofre Alta temperatura 120 Wh/kg 230 W/kg NI(1)

Zebra Sódio-Cloreto de

níquel

Alta temperatura 80 Wh/kg 110 W/kg NI(1)

Obs.: (1) Não informado; porém é de conhecimento que estas baterias apresentam

problemas de corrosão nos eletrodos e, portanto, vida útil curta. Estão ainda em

desenvolvimento.

Um outro grupo de baterias não recarregáveis do tipo células de alumínio-ar e zinco-

ar é citado na literatura. O relatório OTA-ETI-638 classifica-o, no entanto, como

célula combustível. Esta célula não é eletricamente recarregável, porém, é

mecanicamente recarregável. Ela possui anodos de alumínio ou zinco imersos em

eletrólito líqüido. Ao gerar energia elétrica, tais anodos são consumidos e

dissolvidos no eletrólito. Com isto, uma vez descarregada a bateria, é necessária a

substituição dos anodos e do eletrólito. Algumas fontes citam que é possível

recarregar eletricamente tais baterias, recompondo o anodo, porém, não de forma

viável a operar em um veículo.

Page 51: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

35

Ultracapacitores

Burke (2001) descreve o ultracapacitor, também conhecido como capacitor

eletroquímico, como sendo um dispositivo de armazenamento de energia elétrica que

possui dois eletrodos imersos em um eletrólito. Embora seja um dispositivo

eletroquímico, não existem reações químicas envolvidas no mecanismo de

armazenamento. Este mecanismo é puramente eletrostático, tal qual os capacitores

convencionais. Os eletrodos são fabricados de um material poroso à base de carbono

e seus poros possuem dimensões nanométricas. A estrutura porosa permite que a área

total da superfície do material atinja 2000m²/g, valor este informado pela Maxwell

Tecnologies, INC, fabricante deste produto. A distância de separação das cargas, que

no caso de capacitores convencionais é dada pela espessura do material dielétrico

entre folhas metálicas, é determinada no ultracapacitor pelo tamanho dos íons

presentes no eletrólito (< 10 angstroms), que são atraídos pelo eletrodo carregado.

Desta forma, o ultracapacitor consegue armazenar muito mais carga em um mesmo

volume de dispositivo, quando comparado ao capacitor convencional. Infelizmente,

ao contrário destes, são obtidos apenas elementos com baixa tensão nominal, da

ordem de 2,5 Vcc, exigindo grandes associações série. As considerações e equações

aplicadas ao capacitor convencional também valem para o ultracapacitor (Burke,

2001). O que os difere é a capacidade de armazenamento, a resistência interna e,

conseqüentemente, a velocidade de carga e descarga, que determinará a densidade de

potência. Por possuir uma resistência interna mais alta, o tempo de carga e descarga

do ultracapacitor é maior e a densidade de potência é menor que a do capacitor,

porém, com uma densidade de energia muito superior.

Comparativamente às baterias, os ultracapacitores apresentam uma série de

vantagens:

• densidade de potência superior;

• vida útil longa, em torno de 10 anos (informação do fabricante: Maxwell

Inc.);

• capacidade de recarga superior: praticamente, a vida útil dos ultracapacitores

independe da quantidade de recargas e do nível de descarga, podendo ser

descarregado completamente e recarregados sucessivas vezes.

Page 52: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

36

Como desvantagens do ultracapacitor em relação às baterias, são apontadas:

• baixa densidade de energia (apesar de a densidade de potência ser alta, os

ultracapacitores não conseguem suprir esta potência por um tempo longo ou,

repetidamente, em intervalos curtos. Essa situação se fará presente quando for

realizada a simulação, porém, verificando-se, no caso analisado, que os ciclos

típicos exigidos por um ônibus urbano são coerentes com o dimensionamento

adotado);

• tendência à autodescarga superior: esta característica não representa problema

no caso do veículo híbrido, pois o tempo para carga e descarga devido à

operação do veículo é bem inferior que a constante de tempo de auto-

descarga.

Ultracapacitores comerciais estão disponíveis em 2600F, 2,5 V, pesando 0,5 kg e

ocupando um volume de 500cm³ ou em módulos integrados de 145 F, 42 V,

pesando16 kg e ocupando em torno de 21dm³. A tabela IV, informada pela Maxwell

(Maher, 2004), mostra um comparativo entre o ultracapacitor, a bateria chumbo-

ácido e o capacitor convencional.

Tabela IV - Comparação bateria x ultra-capacitor (fonte: Maxwell Inc.)

Característica Bateria Chumbo-ácido Ultracapacitor Capacitor

Convencional

Energia específica (Wh/kg) 10 a 100 1 a 10 <0,1

Potência específica (kW/kg) <1 <10 <100

Tempo de carga 1 a 5 hr 0,3 a 30s 10-3 a 10-6s

Tempo de descarga 0,3 a 3 hr 0,3 a 30s 10-3 a 10-6 s

Vida útil (ciclos) 1000 >500.000 >500.000

Eficiência (carga/desc.) 0,7 a 0,85 0,85 a 0,98 > 0,95

Page 53: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

37

Baterias eletromecânicas ou Volante de inércia

Os volantes de inércia são máquinas rotativas que acumulam a energia na forma de

energia cinética. Por este motivo, são conhecidos também por baterias

eletromecânicas. Cumpem seu papel acelerando uma massa girante suspensa por

mancais sem atrito, em um ambiente de quase vácuo, para reduzir as perdas ao

mínimo. O volante é acoplado ao rotor de uma máquina elétrica que funciona como

motor ou gerador, normalmente síncrona, de ímãs permanentes. Como motor,

absorve a energia elétrica do sistema, acelerando o volante, como gerador, fornece

energia elétrica ao sistema, desacelerando o volante. Tal qual os ultracapacitores, são

elementos com alta densidade de potência, mas baixa energia específica (apesar desta

ser superior no volante de inércia). O relatório OTA-ETI-638 (Estados Unidos, 1995)

menciona que a SatCon Technology Corporation, fabricante de volante de inércia

para o carro de corridas Patriot, da Chrysler, desenvolveu um modelo com energia

específica de 73 Wh/kg e potência específica de 1,7 W/kg. O equipamento fornecido

pesa 59 kg e armazena, portanto, 4,3 kWh com capacidade de suprir picos de

potência de 100 kW, o que é bastante atraente para utilização em veículos híbridos;

embora o custo seja ainda proibitivo, ele é um potencial sério candidato para o

futuro. Esta mesma companhia está fornecendo sistemas de volante de inércia com

rolamentos convencionais.

Também, como os ultracapacitores, os volantes de inércia possuem vida útil longa e

capacidade ilimitada de recarga, mas tendência ao auto-descarregamento. Por

perderem energia quando fora de operação, não são adequados como fonte de

energia, mas sim, como “niveladores” para os picos de potência. Desta forma, estes

elementos são normalmente combinados com baterias (Schaible; Szabados, 1994).

Apresentam, ainda, mais um inconveniente devido à alta rotação atingida pelo

volante, que chega a 12.000 rpm. Para garantir a segurança e manter a massa

confinada em caso de acidente, os reforços necessários para uma dada elevação de

potência geram um aumento de peso, proporcionalmente maior, de forma que, à

medida que se vai aumentando a potência do equipamento, diminui-se,

consideravelmente, sua potência específica (Acarnley, 1995); (Schaible; Szabados,

1994).

Page 54: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

38

O volante de inércia opera entre 50% e 100% da velocidade nominal do motor

síncrono. Dado que a energia cinética varia com o quadrado da velocidade, o

equipamento trabalha na faixa de 25% a 100% da capacidade de armazenamento.

Durante o nivelamento de carga, o motor do volante de inércia é utilizado para

converter os picos de energia cinética em elétrica e vice-versa. Para realizar este

trabalho, o conjunto motor-conversor deve operar continuamente próximo à região

de transição entre motoração e regeneração. Alguns projetos de volante de inércia

contemplam, ainda, um banco de capacitores entre o conversor e o banco de baterias,

separados por um recortador (chopper). A finalidade deste banco é ser um “tanque de

armazenamento de energia”, pois o banco de capacitores é o único elemento no

sistema de volante de inércia que consegue aceitar e fornecer energia quase que

instantaneamente (Schaible; Szabados, 1994). A tensão sobre este tanque não é

regulada: durante a frenagem, a tensão atingirá um pico e irá decair à medida que a

energia é transferida para o volante de inércia. Desta forma, a vida útil das baterias

pode ser aumentada consideravelmente. Neste caso, o autor fêz uma combinação dos

três acumuladores mencionados, a fim de obter o melhor desempenho.

Page 55: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

39

2.3 Fontes

Neste trabalho, este item aborda o conversor de energia do combustível em energia

elétrica. Logicamente, diz respeito apenas à configuração série. Serão discutidas

sucintamente as possibilidades de moto-geradores e célula combustível.

Moto-geradores

A literatura consultada não forneceu informações detalhadas sobre este tópico; no

entanto, na configuração série, em que o motor de combustão interna é utilizado

apenas para acionar o gerador, várias alternativas surgem, tanto para o motor de

combustão interna, como para o gerador, que, tal qual o motor elétrico, pode ser de

muitos tipos, com diferentes conversores estáticos. Devido à configuração, o gerador

deve entregar a energia elétrica em corrente contínua. As mesmas considerações

adotadas para o motor elétrico de tração valem para o gerador; portanto, muitas

possibilidades têm sido estudadas, deixando de lado o tradicional dínamo ou o

gerador síncrono. Devido ao estado da arte dos conversores estáticos, é possível

desenvolver geradores com máquinas que, tradicionalmente, não são utilizadas para

este fim como a máquina assíncrona. Javadekar; Spée (1992) propõem um gerador

composto de máquina assíncrona com duplo enrolamento trifásico conectado a um

inversor, que opere controlando a freqüência e a fase da tensão alternada, de forma a

obter sempre o máximo rendimento.

Os veículos em fabricação são, usualmente, equipados com motores 4 tempos, do

mesmo tipo que o utilizado em seu similar convencional. Isto devido a vários

motivos, como por exemplo: custo do motor, desenvolvimento de novas alternativas

não maduras, utilização consagrada junto ao cliente, restrição quanto à mão-de-obra.

No entanto, não existem motivos de ordem técnica para se restringir a este tipo. O

motor diesel, que usualmente equipa ônibus e caminhões, devido à sua característica

de alto torque, deixa de ser necessário para veículos pesados.

O motor Wankel, que tinha como desvantagem a incapacidade de operar como freio

motor, passa a ser uma alternativa viável (Stringer; Henderson, 1992). Devido às

suas características de possuir um movimento rotativo e, por isso, uma operação mais

Page 56: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

40

suave, sem vibrações, ter um volume menor que o motor convencional de mesma

potência e consumir menos combustível, torna-se bastante atrativo.

No entanto, a turbina a gás é a que mais atenção tem recebido como alternativa em

veículos híbridos. A turbina a gás, ou ciclo Brayton apresenta operação

excepcionalmente suave e baixa emissão em relação ao motor de pistões. O problema

que apresenta e impossibilita sua utilização em aplicações automotivas

convencionais, é o baixo desempenho quando operando fora da condição nominal,

que é contornado na configuração série. O conjunto motor-gerador pode ser ajustado

para operar somente na velocidade nominal da turbina, ponto de máximo rendimento.

Elevando-se a velocidade nominal do gerador para a da turbina, elimina-se o redutor,

além de reduzir o tamanho do gerador para uma mesma potência. Esta aplicação foi

utilizada pela Volvo em seu protótipo de veículo híbrido ECC. A turbina de 90.000

rpm aciona um gerador de 56HP, que, por esta medida, teve seu tamanho físico

reduzido em um fator de 10. Não se tem, no entanto, dados sobre a durabilidade do

gerador (Estados Unidos, 1995).

Célula combustível

Dentre as células combustível, as mais pesquisadas são aquelas que utilizam

hidrogênio puro, que, por este motivo, não emitem poluentes, liberando apenas água.

Esta célula é um elemento eletroquímico que produz energia elétrica a partir de uma

reação química do hidrogênio, sem combustão; por este motivo, possui alta eficiência

(>90%). Para fornecer o hidrogênio existem duas alternativas: uma é transportar-lo

em cilindros, o que, no caso de veículos, torna-se um inconveniente por motivos de

segurança; outra, obter o H2 a partir de combustíveis ricos em hidrogênio, como o

metanol. Neste caso, são utilizados equipamentos conhecidos por reformadores. A

utilização destes implica no aumento de peso do veículo. Gera-se, também, neste

caso, o CO2 ; eventualmente, o monóxido de carbono também pode ser produzido,

mas em quantidades muito inferiores aos gerados por motores a combustão e outros

gases, dependendo da composição molecular do combustível; este fato não torna a

célula uma opção menos interessante, uma vez que estes elementos seriam lançados

na atmosfera, seja por um processo de reforma feita fora do veículo, seja pela

combustão deste no veículo convencional. O problema maior em se utilizar

Page 57: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

41

reformadores está em se garantir um elevado grau de pureza do hidrogênio, processo

complicado e caro, sem o qual pode-se contaminar as células combustível. O sistema

torna-se menos eficiente, não apenas pelo aumento do peso total, como, também,

pelo rendimento do reformador. Estima-se que 25% da energia do metanol é

dispendida no processo de conversão do metanol em hidrogênio mais dióxido de

carbono (Estados Unidos, 1995). Existem vários tipos de célula combustível, sendo

que a mais estudada tem sido a PEM, do inglês Proton Exchange Membrane, devido

à sua baixa temperatura de operação (menor que 100ºC) e potencial de se obter alta

densidade de potência, além de apresentar custo inferior aos demais tipos. Esta

possui, basicamente, uma camada de eletrólito em contato com um anodo poroso e

um catodo no lado oposto. O combustível, rico em hidrogênio e gases oxidantes, flui

através do anodo e catodo, respectivamente, para dentro do eletrólito e gera energia

elétrica por oxidação eletroquímica do combustível e redução eletroquímica do

oxigênio (Estados Unidos, 1995); (Paula et al., 2001).

A conversão de energia direta de combustíveis em energia elétrica, com baixa

emissão de poluentes, torna a célula combustível potencial fonte de energia para os

veículos elétricos, no futuro. No entanto, como já mencionado anteriormente, a

incapacidade de regeneração desta, ao contrário das baterias, não a torna uma

substituta para este tipo de acumulador. Ela será a alternativa para grupos moto-

geradores, devendo-se manter todo o restante da topologia série, discutida neste

trabalho.

Page 58: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

42

3 MODELO E ANÁLISE

3.1 Modelamento do sistema elétrico

Como foi visto anteriormente, o veículo a ser modelado será um ônibus urbano em

configuração série. Terá, portanto, um conjunto moto-gerador, que alimenta um

barramento de corrente contínua, em que estão conectados o conjunto acumulador e

o conjunto de tração elétrica. O modelamento destes componentes seguirá o seguinte

critério:

Conjunto acumulador

Será modelado como sendo um ultra-capacitor. Este será um artifício de simulação.

Embora já existam ultra-capacitores com elevada capacidade, bem como protótipos

de veículos com estes elementos, existe ainda a dúvida da viabilidade de se fabricar

um ônibus apenas com ultra-capacitores. A partir dos resultados da simulação, será

estudada esta possibilidade, podendo-se concluir pela necessidade de sua substituição

por baterias chumbo-ácido, por exemplo. A capacidade deste conjunto será

determinada empiricamente, ao longo da simulação. Sua tensão nominal será a

mesma do barramento, adotada como 720Vcc. Este nível de tensão foi escolhido para

se reduzir as correntes, tanto do motor como do gerador. Adotou-se uma tensão

múltipla de 48Vcc, pois, sendo necessária a troca dos ultra-capacitores, esta será feita

por uma associação série de baterias de 24Vcc ou 48Vcc, que é uma tendência do

mercado de veículos comerciais. Para se obter uma simplicidade construtiva, o

conjunto acumulador está conectado diretamente ao barramento, de forma que a

tensão real nele é determinado pelo nível de carga deste conjunto. Embora os

ultracapacitores possam ser descarregados totalmente, o nível mínimo de carga será

limitado, de forma que a mínima tensão no barramento seja 85% da nominal. O

conjunto acumulador poderá ser carregado, ultrapassando a tensão nominal, porém

limitado a uma sobretensão de também 15%. Este nível é uma limitação do próprio

ultracapacitor. Posteriormente, será feita uma simulação, verificando o desempenho

do sistema, considerando que o conjunto acumulador está conectado ao barramento

de corrente contínua através de um conversor estático. Com isto, as tensões do

barramento e do ultracapacitor são independentes. O modelo para esta configuração

manterá a tensão do barramento constante na tensão nominal e permitirá uma

Page 59: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

43

descarga do ultracapacitor com uma queda de tensão superior a 15%. Em ambos os

casos, a tensão do capacitor será dada por:

Vc = 1/C � Ic .dt (3.1)

Sendo que:

Vc = tensão no capacitor (V);

Ic = corrente no capacitor (A);

C = capacitância (F).

A corrente Ic será determinada como:

Ic = Ig - Im - If (3.2)

Sendo que:

Ig = corrente contínua presente no barramento CC devido ao gerador (A);

Im = corrente contínua presente no barramento CC devido ao motor de tração (A);

If = corrente contínua presente no barramento CC devido à frenagem dinâmica (A);

Conjunto moto-gerador:

Será modelado como uma fonte que fornece corrente ao barramento CC em função

do nível de carga dos acumuladores, limitado à corrente nominal do gerador.

Frenagem dinâmica:

A frenagem dinâmica é um circuito de descarga do barramento CC. Fisicamente é

composta por um transistor em série com uma resistência. A frenagem dinâmica é

disparada toda vez que a tensão do barramento de corrente contínua ultrapassa o

nível de sobre-tensão admissível (15%) no ultra-capacitor. A corrente na frenagem

dinâmica é dada por:

If = Vc / (Vb / Ib) (3.3)

Sendo que:

Ib = Pb / Vb (3.4)

Page 60: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

44

Pb = potência de base = potência nominal do motor de tração elétrica (W);

Vb = tensão de base = tensão nominal do barramento de corrente contínua (V);

Ib = corrente de base (A);

Com este modelamento, a frenagem dinâmica terá capacidade de absorver toda a

potência regenerada pelo motor de tração, por tempo indeterminado. Este é também

um artifício de simulação. A frenagem dinâmica, quando dimensionada para um

veículo real, poderá ser de potência inferior; neste caso, os freios convencionais

devem atuar de forma tal que, a capacidade da frenagem dinâmica não seja excedida.

Este modelo, no entanto, auxilia na análise da energia desperdiçada na frenagem.

Motor elétrico de tração e respectivo conversor

O sistema de tração será monomotor, composto por um conjunto motor de indução e

inversor de freqüência. Esta consideração a respeito do modelo serve aos propósitos

deste trabalho, que é a análise do fluxo de potência entre os três elementos principais

do sistema de tração elétrica; este fluxo será semelhante para uma configuração

monomotor, bem como multimotor. Como os transientes elétricos são muito mais

rápidos que os transientes mecânicos e a análise deste trabalho se faz no âmbito deste

último, as equações elétricas serão consideradas em situação de regime. Uma análise,

levando-se em consideração, tantos os transientes elétricos como mecânicos era

inviável, face aos recursos computacionais existentes, no que se refere à capacidade

de processamento e memória. Não seria possível analisar o comportamento do

sistema com vários ciclos de carga e descarga do acumulador. Com a simplificação

adotada, o modelo utilizado para o motor de indução restringiu-se apenas à curva

característica do motor de indução.

Em face a uma situação de carga, o motor desenvolve um torque, que é limitado pelo

conjugado máximo do motor na velocidade em que se encontra e pela potência

disponibilizada pelo moto-gerador e pelo acumulador.

Tmax = Pb / ωb * FS para ω ≤ ωb (3.5)

ou

Tmax = Pb / ω * FS para ω > ωb (3.6)

Page 61: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

45

Sendo que:

Tmax = torque máximo do motor (Nm);

ωb = velocidade base do motor, alcançada sem redução de fluxo magnético (rad/s);

ω = velocidade atual do motor (rad/s);

FS = Fator de sobrecarga (adimensional);

A potência consumida pelo motor e a corrente drenada do barramento CC serão

dadas, respectivamente, por:

Patual = Tatual * ω (3.7)

Im = Patual / Vbus (3.8)

Sendo que:

Patual = potência atual requerida pelo motor (W);

Tatual = torque atual requerido pelo motor (Nm);

Vbus = tensão no barramento de corrente contínua (V).

Vbus é igual a Vc no caso do capacitor conectado diretamente ao barramento e Vbus é

igual a Vb no caso do capacitor conectado através de um conversor estático.

Uma vez que o torque exigido pelo veículo (determinado logo a seguir no item 3.2 -

modelamento do veículo) seja igual ao torque disponibilizado pelo motor, este se

manterá em velocidade constante. Caso este último seja superior ao torque resistente,

o motor e, consequëntemente, o veículo, serão acelerados. Em caso contrário, o

veículo perderá velocidade. A equação para o cálculo de velocidade será abordada no

final do item abaixo exposto.

Page 62: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

46

3.2 Modelamento do veículo

O modelamento do veículo consiste, basicamente, no equacionamento das forças

resistentes ao seu movimento. As equações para cálculo destas forças, encontradas na

literatura, especificamente em Stringer, Henderson (1992) estão apresentadas abaixo.

Estas mesmas equações são utilizadas no programa Advisor.

Em regime de velocidade, a força resistente é dada por três componentes. A primeira

componente, devida ao peso do veículo, que somente aparece em rampas, é dada

por:

F1 = m . g . sen . αααα (3.9)

uma segunda componente, de resistência ao rolamento dos pneus é dada por:

F2 = m . g . cos αααα . [Co + C2 . V2] (3.10)

e uma terceira componente devido ao arraste aerodinâmico é dada por:

F3 = P/2 . CD . A . V2 (3.11)

onde:

m = massa total do veículo (kg);

g = aceleração da gravidade (m/s2);

α = ângulo de inclinação da rampa (graus);

V = velocidade do veículo (m/s);

P = densidade do ar (kg/m3);

A = área frontal do veículo (m2);

Co = coeficiente estático de fricção dos pneus (adimensional);

C2 = coeficiente dinâmico de fricção dos pneus (s/m2);

CD = coeficiente de arraste aerodinâmico (adimensional).

A força resistente total, em regime de velocidade, será dada por:

F = F1 + F2 + F3 (3.12)

Durante a aceleração, além destas, existe a força necessária à aceleração da massa. A

força total devido ao veículo será dada, então, por:

FV = F + Facel (3.13)

Facel = m * dV/dt (3.14)

Page 63: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

47

Onde:

F = força resistente total (N);

FV = força devida ao veículo (N);

Facel = força de aceleração do veículo (N);

O torque no motor será dado por:

Tatual = TV + Tacel (3.15)

TV = FV * R / i (3.16)

Tacel = J * dωωωω / dt (3.17)

Portanto:

Tatual = F * R / i + m * dV/dt * R / i + J * dωωωω / dt (3.18)

Onde:

TV = torque no motor como reflexo da força devida ao veículo (Nm);

Tacel = torque de aceleração do motor (Nm);

R = raio da roda do veículo (m);

i = fator de redução entre motor e roda do veículo (adimensional);

Sendo:

V = ωωωω * R / i (3.19)

então:

Tatual = F * R / i + [m * (R / i)2 + J] * dωωωω / dt (3.20)

ωωωω = [m * (R / i)2 + J] -1 ����( Tatual - F * R / i )* dt (3.21)

Page 64: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

48

3.3 Aspectos Computacionais

O modelo matemático do veículo foi implementado no Matlab-Simulink, versão 6.1.

Uma visão geral desta implementação é mostrada na figura 3.1 e descrita ao longo

das páginas 48 e 49. Um detalhamento maior dos principais blocos encontra-se no

Anexo A.

Fig. 3.1 – Modelo do Veículo Híbrido-Série

O bloco A fornece a referência de velocidade (responsável pelos ciclos requeridos na

simulação), que, subtraído da velocidade real em B gera um erro, em função do qual

será fornecida a referência de torque, através do bloco C. Isto é um artifício de

simulação, pois, normalmente, o que se utiliza é o controle de torque; o controle de

velocidade é requerido quando se deseja operar o veículo no modo de cruzeiro

(Rajashekara; Martin, 1992). Esta situação é similar à dos veículos convencionais,

que possuem como comando de entrada o pedal do acelerador; quem cumpre o papel

da malha de velocidade, pode-se assim dizer, é o motorista. Porém, simular as

reações humanas seria bastante complicado e sem necessidade para o propósito deste

trabalho.

Page 65: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

49

Sendo assim, estes três blocos são responsáveis pela simulação do percurso do

veículo, representando o ciclo de aceleração e desaceleração, combinado com a

reação esperada do motorista. Não representam, exatamente, o controle existente no

veículo, embora seja desejável que alguns elementos desta representação sejam

implementados no protótipo do ônibus híbrido real, como por exemplo: a limitação

da taxa de aceleração do veículo para conforto dos passageiros. A limitação da

velocidade do veículo em rampas descendentes íngremes, por motivos de segurança,

também é desejável, como será visto logo a seguir no sub-item 4.1. Esta é, porém, de

implementação mais complexa, no que se refere à escolha do parâmetro indicativo

desta condição.

O torque aplicado ao motor, que é a saída do bloco D, corresponde ao torque

requerido pelo sistema, limitado ao máximo conjugado disponibilizado pelo motor;

esta limitação se dá por dois motivos: pela curva característica do motor, feita no

bloco E, em função da velocidade angular deste, e pela potência disponível no

sistema, em função da tensão do acumulador, feita no bloco J. O circuito de geração

e armazenamento de energia está implementado neste bloco.

A diferença entre o torque disponível e o torque exigido na ponta de eixo do motor

resulta no torque de aceleração. A integração deste sinal, feita no bloco F, fornece a

velocidade angular do motor, convertida em linear, do veículo, pelo bloco G. Esta

velocidade é utilizada no cálculo das forças resistentes, feita no bloco H, onde estão

implementadas as eq.(3.9), eq.(3.10) e eq.(3.11) e convertidas em torque na ponta de

eixo do motor pelo bloco I.

A leitura dos parâmetros é feita através da função ¨SCOPE¨ existente no Matlab,

fornecendo, na forma de gráfico, o valor do parâmetro em questão, em função do

tempo.

Page 66: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

50

3.4 Dimensionamento

Os dados para dimensionamento do veículo tais como peso, área frontal e diâmetro

de rodas foram adquiridos de folhas de dados nominais de ônibus convencionais e

comparados com dados utilizados em simulação do programa Advisor, programa

disponibilizado na internet pelo departamento de energia dos Estados Unidos. Este

programa possui rotinas desenvolvidas por vários especialistas e modelos de veículos

reais. Os coeficientes foram retirados do programa Advisor e comparados com os

utilizados por Stringer; Henderson (1992). A aceleração máxima adotada foi de 0,1g,

considerada uma aceleração de conforto para os passageiros, implicando em um

tempo de 17s, para atingir a máxima velocidade a partir de zero, conforme Hazard

(1968). A desaceleração máxima na simulação foi considerada a mesma da

aceleração. No protótipo real, ela não pode ser limitada por razões de segurança; no

entanto, o controle deve prever que, sempre que possível, esta taxa deva ser utilizada

para se fazer uma parada controlada.

Foram considerados os seguintes dados:

Veículo:

• Massa total do veículo carregado: 18000 kg

o Massa veículo: 12500 kg

o Massa acumulador: 1500 kg

o Massa máxima de carga: 4000 kg

• Área frontal: 8 m²

• Cd: 0,79

• máxima aceleração e desaceleração: 0,98 m/s2

Rodas:

• Co: 0,00938

• C2: 1,76 10-6 s/m2

• Raio: 0,507 m

Outros:

• P: 1,23 kg/m3

Page 67: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

51

-conjunto gerador sem capacidade de sobrecarga.

Dentro ainda dos requisitos operacionais, foram considerados como requisitos

mínimos (informação verbal)1:

velocidade máxima de 60 km/h no plano;

velocidade máxima de 54 km/h para rampa de 2%;

rampa máxima de 12%;

velocidade máxima de 35 km/h para rampas de 12%;

distância entre paradas = 300m;2

Sendo a velocidade máxima do veículo 60 km/h e o raio 0,507 m, chega-se a uma

velocidade angular de 32,87 rad/s (314 rpm) na roda. Foi considerado para a

aplicação um motor de velocidade nominal de 1800 rpm, com capacidade de

sobrevelocidade e redutor de 6:1 (desta forma, a 60 km/h, atinge-se 1884 rpm).

Cálculo de potência

O torque necessário e, conseqüentemente, a potência desenvolvida pelo motor

elétrico, para cada condição de rampa, foram calculados em planilha eletrônica,

apresentada na tabela IV. Os dados foram obtidos calculando-se o esforço trativo,

aplicando-se as eq. (3.9), (3.10), (3.11) e (3.12). Foi considerada velocidade máxima

de 60 km/h até rampa de 6% e velocidade reduzida para rampas superiores. Baseado

nos dados apresentados será escolhido um motor de 240 kW. Devido ao torque

requerido nas rampas elevadas (8 a 10%), este motor somente conseguirá

desenvolver este nível se uma velocidade básica inferior à velocidade nominal for

escolhida. Desta forma, o motor selecionado terá uma velocidade básica de 900 rpm.

1 Dados para dimensionamento de veículo elétrico, fornecidos pelo Prof. Dr Cícero Couto de Moraes. 2 Distância projetada, entre pontos de parada de ônibus, no município de Santo André; informação verbal dada pelo Eng.o Cícero Marcos Ramos.

Page 68: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

52

Tabela V – Potência requerida em regime em função de rampa e velocidade máxima

rampa veloc máx (km/h)

F1 eq. (3.9)

(N)

F2 eq. (3.10)

(N)

F3 eq. (3.11)

(N)

F eq. (3.12)

(N)

Potência (kW)

Torque no Motor (Nm)

0% 60 0 1741 1080 2821 47 238

2% 60 3527 1741 1080 6347 106 536

4% 60 7050 1739 1080 9870 164 834

6% 60 10565 1738 1080 13382 223 1131

8% 50 14067 1709 750 16526 230 1396

10% 40 17552 1685 480 19717 219 1666

12% 35 21017 1672 367 23057 224 1948

Page 69: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

53

3.5 Seqüência de testes

A análise foi feita em três etapas distintas, a saber:

1) Ciclo único com capacidade infinita de geração e regeneração;

2) Ciclo único com geração e regeneração limitados;

3) Simulação com múltiplos ciclos.

Na primeira etapa, o modelo do ônibus foi submetido a um ciclo único em diversas

condições de rampa, entre 0% e +/- 12%, com um barramento infinito alimentando o

motor. Isto significa que o conjunto formado pelo moto-gerador e acumulador tem a

capacidade de fornecer e absorver toda a energia necessária, configuração

semelhante à do trólebus. Este ensaio visou validar o dimensionamento do motor de

tração e permitir uma análise isolada das limitações deste elemento. Com esta

observação, identificam-se as limitações inseridas no sistema pelos outros elementos

(acumuladores e moto-gerador) nas estapas subseqüentes da simulação.

Foram analisadas a velocidade real (realimentação) do veículo, a força resistente e a

potência requerida pelo motor, entre outros parâmetros. Tendo o motor potência

disponível (superior à exigida na condição de rampa), a realimentação de velocidade

acompanha a referência; sendo esta insuficiente, a realimentação difere da referência,

estabilizando-se em um nível de velocidade inferior. Devido ao grande número de

curvas observadas, foram destacadas no capítulo 4, as curvas de velocidade,

indicadoras do desempenho do veículo. Outras curvas, como força resistente e torque

e potência no motor, foram também observadas; num primeiro momento para

constatar que o modelo implementado estava correto, e, em um segundo momento,

para auxiliar na análise do desempenho do sistema.

Na segunda etapa, após a validação do conjunto de tração, o modelo foi ensaiado nas

mesmas condições de rampa, limitando-se, porém, a potência do gerador e a

capacidade de armazenamento de energia do acumulador. Esta etapa visou analisar o

comportamento do conjunto gerador e acumulador e determinar empiricamente, o

dimensionamento destes elementos. Iniciaram-se os testes desta etapa com um

acumulador relativamente pequeno (em relação ao que se esperava obter ao final

Page 70: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

54

desta etapa) e um gerador com potência superior ao motor, reduzindo-se à potência

nominal do motor (até este ponto, o ensaio visava apenas certificar que o modelo do

circuito limitador estava correto). Reduziu-se ainda mais a potência do gerador, até à

potência média solicitada no plano. Aumentou-se o acumulador para absorver a

energia de frenagem máxima no plano. A potência do gerador e a capacidade do

acumulador foram variadas ao redor destes valores, adotando-se uma relação

considerada satisfatória, tendo em vista a limitação do ciclo (300m). Neste item,

além da velocidade, foi verificado o decaimento da tensão no barramento CC (Vc),

indicativo da carga do acumulador, a corrente do gerador e do condensador, e a

distância percorrida.

Na terceira etapa, o modelo do veículo foi submetido a múltiplos ciclos, com

sucessivas partidas e paradas, nas várias condições de rampa, a fim de validar o

dimensionamento do conjunto gerador-acumulador, determinado na etapa anterior.

Page 71: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

55

4 RESULTADOS: SIMULAÇÕES E CONCLUSÕES

4.1 Ciclo único com capacidade ilimitada de geração e regeneração

Primeiramente, foi aplicada, no plano, uma referência de velocidade de 60km/h,

obtendo-se como resultado o mesmo perfil de curva, mostrado na figura 4.1.1. Perfis

bastante próximos a este foram obtidos para rampas de até 3%. Notou-se que, para

estas rampas, apesar do esforço maior do motor, devido à força gravitacional, o

veículo conseguiu, ainda, atender aos requisitos de velocidade e aceleração.

Figura 4.1.1 - Velocidade do veículo no plano (km/h x s)

O mesmo teste foi repetido para rampa de 6%. Verificou-se, então, que o limite de

torque do veículo estava sendo atingido, conforme demonstra a curva de velocidade,

mostrada na figura 4.1.2. Neste caso, o veículo alcança a velocidade máxima mas

não consegue mais cumprir o requisito de aceleração. No entanto, este resultado é

aceitável, pois em parte do trajeto o veículo acelerou à taxa nominal; estender tal

desempenho ao longo de toda a faixa de velocidade implicaria em sobredimensionar

o motor.

Page 72: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

56

Figura 4.1.2 - Velocidade do veículo em rampa de 6% (km/h x s)

A razão disto deve-se ao fato de o motor entrar na zona de “enfraquecimento de

campo”. Com o torque reduzido, a aceleração fica comprometida na faixa próxima à

velocidade máxima. Nesta condição, comparando-se o gráfico da força resistente,

com o da plana, notou-se que, enquanto a força devido à gravidade representou quase

que o total da força resistente, a força de resistência à rodagem e à aero-dinâmica

não era tão significativa.

O mesmo teste para rampa de 12% forneceu o resultado da figura 4.1.4.

Figura 4.1.3 - Velocidade do veículo em rampa de 12% (km/h x s)

Page 73: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

57

O veículo não atingiu 60 km/h, como já era de se esperar. A velocidade de regime

para esta condição é de, aproximadamente, 40 km/h (11 m/s). Em decorrência dos

resultados obtidos anteriormente, notamos poucas diferenças em termos de resultado

final (aceleração e velocidade) entre rampas de 0% e 6%. No entanto, o desempenho

muda bastante entre 6% e 12%. Foi verificado o comportamento do veículo nesta

faixa, interpolando-se dois pontos, 8% e 10%, sendo apresentado o resultado para a

rampa de 8% na figura 4.1.4. O resultado para a rampa de 10% é intermediário entre

os obtidos para as rampas de 8% e 12%.

Figura 4.1.4 - Velocidade do veículo em rampa de 8% (km/h x s)

Para a rampa de 8% nota-se que, no início da aceleração o veículo cumpre a taxa de

aceleração esperada, reduzindo-a por ocasião do aumento da velocidade, acima da

básica. A velocidade final também é reduzida. Para rampa de 10%, tanto a aceleração

quanto a velocidade final ficam abaixo do nominal, tal como acontece na rampa de

12%.

Page 74: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

58

Os resultados dos testes de aceleração em declives encontram-se a seguir. Sendo o

declive uma condição mais favorável para o veículo, durante a aceleração, as curvas

de velocidade obtidas foram semelhantes à da figura 4.1.1. É interessante, entretanto,

comentar a respeito das curvas obtidas de força resistente e potência. Para o declive

de 2%, nota-se que, apesar de a força resistente ser negativa (figura 4.1.5), uma

potência positiva é necessária para vencer a inércia do veículo (figura 4.1.6). Nesta

declividade, em regime, praticamente não é solicitada potência do veículo, ou seja, a

força gravitacional equivale à resistente. Conclui-se também, que mesmo nesta

condição, quando operando com acumulador, será de se esperar que este se

descarregue durante a aceleração.

Figura 4.1.5 - Força resistente em declive de 2% (N x s)

Figura 4.1.6 - Potência requerida em declive de 2% (PU x s)

Page 75: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

59

Para rampa de –12%, verifica-se (figura 4.1.7) que a força da gravidade não só é

suficiente para acelerar toda a inércia do veículo, como também, exige a máxima

regeneração do motor.

Figura 4.1.7 - Potência requerida em declive de 12% (PU x s)

Neste caso, foi verificado que, limitando-se a velocidade em 40 km/h, o motor

conseguirá mantê-la, operando no modo regenerativo, na potência nominal do motor.

No entanto, caso a velocidade seja ultrapassada, devido à redução do torque, o motor

perde a capacidade de frenar o veículo e a tendência é a velocidade se elevar

descontroladamente. Como medida de segurança aos passageiros, deve ser reduzido

o limite de velocidade para rampas elevadas, além de se prever a utilização do freio

mecânico.

No passo seguinte, ainda nesta mesma etapa de análise, foi feito o estudo do

comportamento do veículo durante a frenagem. Ao veículo em regime de velocidade

foi imposta uma desaceleração de 0,98m/s², conforme figura 8, obtendo-se, como

resultado, o mesmo perfil de curva (figura 9). Para rampas, a força gravitacional

auxilia a frenagem, aliviando o motor de tração, que passa a operar como freio.

Tendo ele capacidade de acionar o veículo, certamente fará a frenagem. Portanto, a

análise será bastante sucinta em rampas positivas. Em declives, o peso do veículo se

torna uma dificuldade, devendo ser analisado mais cuidadosamente.

Page 76: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

60

A curva de potência para uma rampa de 6% delineia-se tal como mostra a figura

4.1.8.

Figura 4.1.8 - Potência requerida na desaceleração em rampa de 6% (PU x s)

Após a desaceleração, o motor continua aplicando torque, a fim de impedir que o

veículo se mova para trás. Para rampas de 10%, praticamente não é necessário

nenhum esforço durante a parada, conforme pode ser visto na figura 4.1.9. A força

gravitacional imprime a desaceleração desejada.

Figura 4.1.9 - Potência requerida na desaceleração em rampa de 10% (PU x s)

Page 77: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

61

O mesmo ocorre para rampas de 12%. O motor necessita continuar a tracionar, de

forma a impedir que a desaceleração ocorra mais rapidamente.

A curva de potência, durante a desaceleração em uma rampa de –6%, é mostrada na

figura 4.1.10.

Figura 4.1.10 - Potência requerida na desaceleração em declive de 6% (PU x s)

Para o declive de 6% nota-se que o fato de o motor regenerar em seu limite de

potência impede que se cumpra a taxa de desaceleração em toda a faixa, da mesma

forma que ocorre com a aceleração, conforme pode ser visto na figura 4.1.11.

Figura 4.1.11 - Velocidade em desaceleração para declive de 6% (km/h x s)

Page 78: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

62

Para as rampas de 8%, 10% e 12% ocorre o mesmo problema; porém, limitando-se a

velocidade, a frenagem obtida torna-se aceitável, como pode ser observado na figura

4.1.12, para um declive de 12%.

Figura 4.1.12 - Velocidade em desaceleração para declive de 12% (km/h x s)

Os testes realizados comprovam que o motor está dimensionado adequadamente.

Uma potência inferior ou uma velocidade básica superior iria comprometer o

desempenho do motor em rampas maiores que 10%.

Page 79: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

63

4.2 Ciclo único com capacidade limitada de geração e regeneração

A segunda etapa foi feita repetindo-se as simulações anteriores, reduzindo-se ao

máximo o gerador e o conjunto acumulador, a fim de se encontrar a relação ótima

entre as potências destes dois elementos. Ao contrário da etapa anterior, em que se

desejava atingir e manter a velocidade máxima do veículo para dada condição de

rampa, nesta etapa, foi observado o comportamento do veículo, com a ciência de que

este ocorre em ciclos limitados. Por exemplo: o comportamento apresentado na

figura 4.2.1 (testado em rampa de 2%), não seria aceitável na etapa anterior, pois

nesta condição de rampa esperava-se, ao menos, manter a velocidade em 54 km/h;

mas o que aconteceu foi que o veículo, após partir e chegar próximo a 60km/h,

começou a perder velocidade, porque o gerador não conseguiu suprir a potência

necessária e o acumulador havia se descarregado durante o processo de aceleração.

Figura 4.2.1 – Velocidade do veículo com capacidade limitada de geração e

armazenamento de energia em rampa de 2% (km/h x s)

Neste período, porém, o veículo já havia percorrido mais de 300 metros, devendo,

portanto, parar. Desta forma, o dimensionamento é aceitável. Este exemplo visou

apenas exemplificar, de forma sucinta, como a análise do sistema foi conduzida nesta

etapa do trabalho. Uma descrição mais pormenorizada encontra-se ao longo deste

item.

Para início dos testes, foi ajustada uma potência no gerador (Pg = 500 kW ≈ 2 PU)

superior à do motor, com um acumulador reduzido (C = 1 F), para verificar a

correção do modelo. As curvas obtidas foram semelhantes às da etapa anterior, a

Page 80: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

64

exemplo das curvas das rampas de 6% e 12%, mostradas, respectivamente, nas

figuras 4.2.2 e 4.2.3, idênticas às curvas das figuras 4.1.2 e 4.1.3.

Figura 4.2.2 – Velocidade do veículo em rampa de 6%

com gerador 2 PU (km/h x s)

Figura 4.2.3 – Velocidade do veículo em rampa de 12%

com gerador 2 PU (km/h x s)

A partir desta etapa, além das curvas monitoradas anteriormente, tornou-se

necessário acompanhar a tensão no acumulador e a corrente no gerador. Para a

rampa de 12% (cuja velocidade foi mostrada na figura 4.2.3), a tensão no

acumulador variou conforme curva da figura 4.2.4. Verificou-se, desta forma, que o

modelo estava correto: com uma elevada potência do gerador, o acumulador

praticamente não participa do processo, mesmo em uma condição que exige uma

potência alta, como esta; a pequena descarga ocorre enquanto o gerador não assume

completamente a carga, devido ao atraso na resposta de seu controle.

Page 81: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

65

Figura 4.2.4 - Tensão no capacitor durante e após aceleração do veículo em rampa de

12% com potência do gerador = 2PU (PU x s)

Para os declives de 6 e 12%, as curvas de tensão no barramento CC foram bastante

semelhantes entre si e à da figura 4.2.5.

Figura 4.2.5 - Tensão no capacitor durante e após aceleração do veículo em declives

maiores que 6% (PU x s)

A velocidade real, como observado anteriormente, acompanhou a referência, pois a

força gravitacional contribui para a aceleração do veículo. Logo após a aceleração, o

sistema de frenagem dinâmica passou a atuar continuamente, ou seja, a energia

potencial acumulada no veículo foi dissipada na forma de calor (a energia cinética

não foi dissipada, pois não foi uma condição de frenagem). No veículo convencional,

Page 82: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

66

esta energia é dissipada através do atrito das lonas de freio, mais o atrito do motor de

combustão (freio motor). Em um veículo veículo híbrido real, parte desta energia é

acumulada e parte é dissipada nos freios a lona. Isto ocorre para garantir a segurança

na frenagem ou por ser uma condição de declive excepcional, para o qual o sistema

de regeneração não foi dimensionado; é interessante que isto seja evitado tanto

quanto possível, aumentando a capacidade de armazenamento do acumulador, a fim

de aumentar a eficiência e poupar os freios.

Mantendo-se a capacitância de 1F e reduzindo-se a potência do gerador para a

mesma potência do motor, obtiveram-se os mesmos resultados da etapa anterior,

validando o modelamento do veículo.

O passo seguinte desta etapa da simulação foi elevar a capacidade do acumulador.

Foi utilizado como critério para seu dimensionamento, a condição de ele absorver a

energia cinética acumulada no veículo em sua velocidade nominal, sofrendo uma

elevação de 15% acima da tensão nominal do ultracapacitor, ou seja:

E = ½ m v2 = ½ C (V22 - V2

2) (4.1)

½ 18000* 172 = ½ C (8282 - 7202)

obtendo-se:

C ≈ 32 F

Adotou-se a capacitância de 32F como referência para testes posteriores, nomeando-

o 1xC. Preferiu-se esta notação, devido ao fato de o capacitor ser um artifício de

simulação e não, necessariamente, ser o elemento final em um eventual protótipo.

Dado que a potência do gerador continuou a mesma, as curvas obtidas foram

semelhantes, com exceção das curvas de tensão sobre o acumulador, durante a

frenagem. No plano, em que a variação da energia potencial é zero e o veículo atinge

a máxima velocidade, é onde se visualiza, da melhor forma, a influência do

acumulador.

Page 83: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

67

As figuras 4.2.6 e 4.2.7 mostram, respectivamente, as tensões sobre o acumulador

durante uma frenagem, de 60km/h a 0km/h, no plano, antes e após o aumento do

acumulador. Comprova-se que, nesta última condição, a frenagem dinâmica deixa de

atuar e, portanto, evita-se o desgaste dos freios convencionais.

Figura 4.2.6 - Tensão no capacitor durante a frenagem com acumulador de 1F e

veículo no plano (PU x s)

Figura 4.2.7 - Tensão no capacitor durante a frenagem com acumulador de 1xC e

veículo no plano (PU x s)

Page 84: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

68

Após este teste, mantendo-se o acumulador em 1xC, foram feitas várias acelerações,

com potências diferentes do gerador entre 10% e 100% da potência do motor. Visto

que o gerador não opera na desaceleração, não houve necessidade de repetir o ensaio,

nesta condição. Constatou-se que a velocidade final é reduzida na proporção da

potência do gerador, quando estas encontram-se abaixo da potência exigida em

regime de velocidade. No plano, as reduções de velocidade ocorrem para potências

do gerador inferiores a 25% da potência do motor, a exemplo das figuras 4.2.8 e

4.2.9 (para potências acima de 25%, a velocidade final é mantida).

Figura 4.2.8 – Velocidade do veículo com gerador de 0,1PU e acumulador de 1xC,

acelerando no plano (km/h x s)

Figura 4.2.9 – Velocidade do veículo com gerador de 0,25PU e acumulador de 1xC,

acelerando no plano (km/h x s)

Page 85: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

69

Na figura 4.2.8, percebe-se que a velocidade quase que atinge a nominal, para

depois começar a cair. Isto ocorre porque, no instante inicial, o acumulador contribui

com potência. Observando-se a tensão no acumulador, foi visto que, para uma

potência do gerador de 0,20 PU, o veículo não consegue recuperar a carga do

acumulador, se estiver trafegando à máxima velocidade. Após a descarga do

acumulador, a potência total fica limitada à potência do gerador, razão pela qual

perde-se velocidade em potências inferiores. Com um gerador de Pg = 0,25 PU, o

sistema levou 240s para retornar a tensão do acumulador ao seu nível nominal; o

tempo foi reduzido para, aproximadamente, 25 s com Pg = 0,5 PU, conforme

figuras 4.2.10 e 4.2.11.

Figura 4.2.10 - Tensão no capacitor durante aceleração do veículo no plano com

gerador de 0,25PU e acumulador de 1xC (PU x s)

Figura 4.2.11 - Tensão no capacitor durante aceleração do veículo no plano com

gerador de 0,5PU e acumulador de 1xC (PU x s)

Page 86: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

70

Este comportamento já era esperado. Conforme a tabela IV, a potência necessária em

regime, no plano, é de 47 kW. Ou seja, abaixo desta potência, o veículo não tem

capacidade de manter a velocidade. Acrescente-se a isto o fato de o barramento de

corrente contínua estar conectado diretamente ao acumulador, cuja queda de tensão

significará redução de potência, uma vez que a corrente máxima do gerador

permanece a mesma, enquanto a tensão sofre um decréscimo de 15%. Com isto, o

limite mínimo de potência do gerador passa a ser de, aproximadamente, 0,23 PU.

Com um gerador de 0,25 PU, existe um excedente de potência, o que permite a

recarga do acumulador. No entanto, devido ao valor do excedente ser reduzido, tem-

se um tempo longo de recarga. A potência de 0,5 PU parece ser, conforme o teste

recém realizado, o valor necessário ao bom desempenho do veículo. Ela consegue

suprir a potência de regime e repor rapidamente (25 s) a energia utilizada na

aceleração. No entanto, como a energia retornada ao acumulador durante a frenagem

é da mesma ordem de grandeza da dispendida durante a aceleração, será adotada

uma potência do gerador de 0,25 PU para prosseguimento dos testes. O percurso de

300m, entre pontos de paradas, justifica esta medida, pois a desaceleração inicia-se

logo após o fim de uma aceleração completa.

Um ciclo completo, de aceleração e desaceleração é mostrado nas figura 4.2.12.

Figura 4.2.12 – Velocidade do veículo em ciclo de partida e no plano com gerador de

0,25PU e acumulador de 1xC (km/h x s)

Page 87: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

71

A tensão no capacitor durante este ciclo aparece na figura 4.2.13. Nota-se que, ao

final do ciclo, o capacitor encontra-se com um nível de carga superior ao do início

do ciclo. A razão disto é que, durante o período em que o veículo estava em regime,

o gerador forneceu máxima corrente, recuperando parcialmente a carga do

acumulador. Durante a frenagem, a mesma energia retirada retornou ao acumulador,

somando-se àquela reposta pelo gerador, permanecendo em um nível maior.

Figura 4.2.13 – Tensão no capacitor em ciclo de partida e no plano com gerador de

0,25PU e acumulador de 1xC (PU x s)

Page 88: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

72

O comportamento do veículo foi observado em várias condições de rampa.

Logicamente, à medida que as inclinações das rampas vão se tornando maiores, tanto

as velocidades máximas alcançadas, como as de regime, são reduzidas, a exemplo

das curvas de velocidade mostradas nas figuras 4.2.14 e 4.2.15, para rampas de 2% e

6%, respectivamente. Conseqüentemente, tempos maiores são necessários para se

cumprir uma mesma distância. A redução na velocidade final se deve ao fato de que,

à medida que as rampas se tornam mais íngremes, mais potência é exigida.. Nos

primeiros instantes, o acumulador participa no fornecimento de energia, de forma

que, até sua descarga, os perfis das curvas de velocidade apresentam-se iguais.

Figura 4.2.14 – Velocidade do veículo durante e após partida em rampa de 2% com

gerador de 0,25PU e acumulador de 1xC (km/h x s)

Figura 4.2.15 – Velocidade do veículo durante e após partida em rampa de 6% com

gerador de 0,25PU e acumulador de 1xC (km/h x s)

Page 89: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

73

Observou-se que, com um acumulador maior, consegue-se atingir, para uma dada

condição de rampa, uma velocidade superior, ao final da aceleração; pode-se,

também, mantê-la por um tempo mais longo (como mostrado nas figuras 4.2.16 e

4.2.17), embora a velocidade final de regime seja, aproximadamente, a mesma. Estas

curvas foram obtidas com um acumulador da ordem de duas e três vezes superior ao

acumulador calculado anteriormente.

Figura 4.2.16 – Velocidade do veículo durante e após partida em rampa de 2% com

gerador de 0,25PU e acumulador de 2xC (km/h x s)

Figura 4.2.17 – Velocidade do veículo durante e após partida em rampa de 2% com

gerador de 0,25PU e acumulador de 3xC (km/h x s)

Page 90: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

74

Aqui cumpre uma observação: considerando os módulos fabricados pela Maxwell

Technologies Inc. (que fornece ultracapacitores montados em unidades de 145 F em

42 V, já com circuito de equalização de tensão e ventilação, medindo

195x265x415mm e pesando 16 kg), a construção de um acumulador formado por

ultracapacitores com 32 F em 720 Vcc ocuparia um volume de 1,54 m3 e pesaria

cerca de 1.200 kg. Ônibus híbridos equipados com baterias chumbo-ácido

transportam um peso de baterias equivalente ao acima mencionado. O volume de

1,54 m3 pode ser facilmente arranjado ao longo deste tipo de veículo. Portanto, o

conjunto acumulador formado por ultracapacitores, com capacidade de 1xC, substitui

em termos dimensionais, as baterias utilizadas. Caso o desempenho seja superior,

elas poderão substituir as baterias, sendo que, o único critério restante, será o do

custo. Já um acumulador da ordem de 2xC tem o dobro do peso e do volume,

tornando a combinação uma alternativa inadequada. Assim, o ensaio realizado teve

apenas o propósito de analisar o efeito do aumento do acumulador. Embora 2.400kg

seja um peso aceitável, visto que mesmo com este aumento o desempenho do veículo

é superior (comparando-se as figuras 4.2.14 e 4.2.16) e 3 m3 possam ser acomodados

no interior de um ônibus, a conclusão anterior não se altera, em face do resultado

obtido com o aumento da potência do gerador, como será visto logo a seguir.

Mantendo-se o acumulador com tamanho de 1xC, foram repetidos os testes

anteriores, variando-se a potência do gerador. Tomando-se dois casos, de potência do

gerador de 0,38 PU e 0,46 PU, com respectivas curvas de velocidade mostradas nas

figuras 4.2.20 e 4.2.21, pode-se observar que o aumento do gerador melhora

sensivelmente o resultado no regime, além de melhorar o desempenho do sistema na

região próxima ao transiente. Portanto, pode-se notar que determinar a relação entre

tamanhos de acumulador e gerador não é uma escolha simples: depende de se

estabelecer critérios de desempenho. Ciclos longos de descarga, ou seja, distâncias

longas entre paradas, exigirão uma potência maior do gerador, pois no atual estado

da arte, o custo do aumento deste é bem inferior ao de um conjunto acumulador

adicional. Distâncias mais curtas permitirão uma redução do gerador e aumento da

economia. Cumpre lembrar que, se o aumento do gerador e a redução do acumulador

garantem um desempenho superior a um custo menor, em uma rampa de subida, esta

mesma medida pode impedir o aproveitamento da energia na rampa de descida.

Page 91: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

75

Figura 4.2.18 – Velocidade do veículo durante e após partida em rampa de 2% com

gerador de 0,38PU e acumulador de 1xC (km/h x s)

Figura 4.2.19 – Velocidade do veículo durante e após partida em rampa de 2% com

gerador de 0,46PU e acumulador de 1xC (km/h x s)

Page 92: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

76

Tomando-se os dados anteriores de Pg = 0,25 PU e acumulador de 1xC, foi analisado

o desempenho deste mesmo veículo, isolando-se o acumulador através de um

conversor estático, o que permite a sua descarga até níveis bem inferiores aos

adotados anteriormente e a constância da tensão do barramento CC. Desta forma,

admitindo-se descarregar o capacitor até 50% de sua tensão nominal (critério similar

ao utilizado nos volantes de inércia), foi obtida a curva de velocidade da figura

4.2.20, para uma rampa de 2%.

Figura 4.2.20 – Velocidade do veículo durante e após partida em rampa de 2% com

gerador de 0,25PU e acumulador de 1xC conectado ao barramento através de

conversor estático (km/h x s)

Verificou-se que a energia cedida pelo acumulador em uma variação da tensão de

50% é quase o triplo (2,7 vezes) da que é obtida com uma variação de apenas 15%.

Obtém-se, desta forma, uma reserva de energia equivalente à obtida pelo aumento do

banco de ultracapacitores. Estes ensaios extrapolados para outras rampas, definiram

esta configuração como a ideal ao ônibus híbrido.

Durante a desaceleração e no movimento realizado em declive, as forças envolvidas

no processo contribuem no sentido de aliviar o gerador e de tornar o acumulador um

absorvedor de energia. Por este motivo, é desnecessário fazer uma análise isolada,

justificando sua realização na etapa final, quando existem ciclos combinados de

partida e parada.

Page 93: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

77

4.3 Simulações com ciclos sucessivos de partida e parada

O passo seguinte da simulação foi verificar o comportamento do sistema quando

submetido a um regime cíclico, com o modelo final alcançado na etapa anterior, ou

seja: Pg = 0,25 PU, C = 32 F conectado através de conversor estático, possibilitando

a descarga deste até 50% de sua capacidade.

A velocidade do veículo, a distância percorrida e a tensão no acumulador para

sucessivos ciclos realizados no plano encontram-se, respectivamente, nas figuras

4.3.1, 4.3.2 e 4.3.3. Os ciclos foram estimados de forma a fazer com que o veículo

percorresse uma distância maior ou igual a 300m, permanecendo parado 20s para

embarque e desembarque de passageiros. Nota-se que o veículo cumpre o trajeto em

condições nominais de aceleração e velocidade, percorrendo a cada ciclo as

distâncias previstas. A tensão no acumulador oscila em torno de 1 PU, ou seja, na

média permanece carregado em sua condição nominal.

Figura 4.3.1 – Velocidade do veículo no plano com partidas e paradas sucessivas

(km/h x s)

Page 94: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

78

Figura 4.3.2 – Distância percorrida pelo veículo no plano durante partidas e paradas

sucessivas (m x s)

Figura 4.3.3 – Tensão no acumulador durante sucessivas partidas e paradas do

veículo no plano (PU x s)

Page 95: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

79

O gerador participa no processo somente durante as acelerações, conforme mostra a

figura 4.3.4. Nota-se que uma otimização no seu controle poderia ainda ser feita, a

fim de obter uma constância no fornecimento de potência durante a operação no

plano, o que beneficiaria o motor de combustão interna.

Figura 4.3.4 – Corrente no gerador durante sucessivas partidas

e paradas do veículo no plano (PU x s)

Page 96: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

80

Os mesmos resultados em termos de curva de velocidade e, conseqüentemente,

distância percorrida, foram conseguidos para rampas de até 3%. A diferença

encontra-se na tensão do acumulador, que passa a oscilar em torno de um nível mais

baixo (aproximadamente 0,9 PU) e do gerador, que permanece mais tempo em

atividade e menos tempo em repouso, como pode ser observado nas figuras 4.3.5 e

4.3.6.

Figura 4.3.5 – Tensão no acumulador durante sucessivas partidas

e paradas do veículo em rampa de 3% (PU x s)

Figura 4.3.6 – Corrente no gerador durante sucessivas partidas

e paradas do veículo em rampa de 3% (PU x s)

Page 97: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

81

Entre rampas de 4% a 6% o veículo não atingiu a velocidade nominal e o acumulador

apresentou tendência ao descarregamento total, como pode ser visto,

respectivamente, nas figuras 4.3.7 e 4.3.8, sendo que, o gerador forneceu sua

potência máxima durante todo o tempo.

Figura 4.3.7 – Velocidade do veículo em rampa de 6%

com partidas e paradas sucessivas (km/h x s)

Figura 4.3.8 – Tensão no acumulador durante sucessivas partidas

e paradas do veículo em rampa de 6% (PU x s)

Constatou-se, também, através da figura 4.3.8, que, pela tendência do decaimento da

tensão do acumulador, este não conseguiria suprir potência por um tempo maior que

o mostrado neste gráfico (500s). Porém, verifica-se que durante este tempo, o veículo

Page 98: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

82

percorreu, aproximadamente, 2.700m, o que corresponde a um deslocamento na

vertical de cerca de 162m. Devido à ordem de grandeza da variação de altitude, esta

é uma situação que não ocorrerá. Ainda mais, o veículo percorreu a distância de

300m a cada ciclo, como pode ser observado na figura 4.3.9, sendo portanto, nesta

condição, satisfatório o seu dimensionamento.

Figura 4.3.9 – Distância percorrida pelo veículo em rampa de 6% (m x s)

Além disto, o tempo considerado para embarque e desembarque foi um tempo curto,

que pode ser aumentado (embora na prática seja uma variável que depende mais

quantidade de passageiros do que da vontade de terceiros). Para efeitos de estimativa,

adotou-se um tempo de, aproximadamente, 30s, obtendo gráfico de velocidade da

figura 4.3.10.

Figura 4.3.10 – Velocidade do veículo em rampa de 6% com partidas e

paradas sucessivas e intervalo de 30s entre ciclos (km/h x s)

Page 99: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

83

Nota-se que, praticamente, o veículo mantém sua máxima velocidade para esta

rampa em todos os ciclos. A tensão do acumulador decai bem mais lentamente,

validando o dimensionamento.

As rampas acima de 6% são aclives bastante acentuados. As análises feitas podem

ser resumidas no caso mais crítico, que é a rampa de 12%. Para este aclive, o gráfico

de velocidade obtido está mostrado na figura 4.3.11.

Figura 4.3.11 – Velocidade do veículo em rampa de 12% com partidas

e paradas sucessivas e intervalo de 30s entre ciclos (km/h x s)

O veículo percorre 300m, no mínimo, em cada um dos três primeiros ciclos, como

pode ser comprovado na figura 4.3.12.

Figura 4.3.12 – Distância percorrida pelo veículo em rampa de 12% (m x s)

Page 100: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

84

Nos ciclos seguintes, a distância percorrida é um pouco inferior. A rigor, o modelo

deveria contemplar uma correção, fazendo com que o veículo se mantivesse em

movimento por mais tempo, até atingir os 300m. No entanto, para a finalidade deste

trabalho, este modelo é aceitável. Analisando-se a tendência da tensão do

acumulador nesta condição (figura 4.3.13), percebe-se que o veículo não teria

problema em percorrer mais 2 ou 3 ciclos completos (300m). Porém, aqui repete-se o

comentário feito anteriormente: durante os três primeiros ciclos, o veículo percorreu

900m; em uma inclinação de 12%, isto corresponde a um deslocamento de 107m na

vertical, situação que não ocorrerá para um ônibus trafegando apenas em cidades,

validando o modelo geral.

Figura 4.3.13 – Tensão no acumulador durante sucessivas partidas

e paradas do veículo em rampa de 12% (PU x s)

Page 101: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

85

Com relação ao comportamento do veículo em declives, este sempre atinge a

velocidade nominal permitida para a rampa em questão, à taxa nominal de

aceleração. A preocupação, neste caso, refere-se à tensão do acumulador e à atuação

da frenagem dinâmica. Para o dimensionamento adotado até aqui, nota-se que, para o

declive de 1%, a frenagem dinâmica não atua, sendo o acumulador suficiente para

absorver a energia por tempo indeterminado, como mostra a figura 4.3.14.

Figura 4.3.14 – Tensão no acumulador durante sucessivas partidas

e paradas do veículo em declive de 1% (PU x s)

A partir de declives de 2%, a frenagem dinâmica passa a atuar. Nesta inclinação, o

disparo se dá ao final do segundo ciclo. Para todas as rampas maiores ou iguais a 3%,

o disparo já se dá ao final do primeiro ciclo (figura 4.3.14).

Figura 4.3.15 – Tensão no acumulador durante sucessivas partidas

e paradas do veículo em declive de 3% (PU x s)

Page 102: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

86

Constata-se, também, que mesmo em declive, o acumulador é necessário para

garantir o bom desempenho do veículo, verificado pelas quedas de tensão durante as

acelerações.

Uma alternativa para se minimizar estas dissipações seria elevar a capacidade do

acumulador. Aumentando-se a sobretensão admissível para 30%, ao invés de 15%, o

disparo da frenagem dinâmica acontecerá em diferentes momentos, dependendo da

inclinação do declive: a partir do sétimo ciclo, para um declive de 2%, do segundo

ciclo para os declives até 5% e a partir do primeiro ciclo para as demais inclinações

de rampa. Esta elevação na tensão exigirá a adição de 33 unidades de

ultracapacitores, elevando o peso em 528 kg e o volume em 0,71 m3. Outra

alternativa seria adicionar estes elementos em paralelo, mantendo-se a sobretensão

admissível no acumulador no mesmo nível anterior (15%), mas aumentando a

capacitância em 50%. Consegue-se atrasar o disparo da frenagem em relação à

condição original (sem modificação no acumulador), embora este ocorra mais

rapidamente que no caso anterior (para as rampas de até 2%, a partir do quarto ciclo);

e ainda com o benefício da melhora do desempenho durante a operação avante. No

entanto, a energia dissipada a cada disparo da frenagem em declive de 3% é de,

aproximadamente, 2,5x106 J. A menos que existam muitos aclives e declives

acentuados no percurso do veículo, torna-se desnecessário adotar medidas para a

melhora da frenagem regenerativa, visto que o dimensionamento do veículo atende

adequadamente às condições em que se exige o seu tracionamento.

Finalmente, um último ensaio foi realizado, com o propósito de verificar se o ônibus

poderia operar como um veículo puramente elétrico. Esta operação seria desejável

em congestionamentos, onde a velocidade do veículo é extremamente baixa. Nesta

condição foi imposta velocidade de 10 km/h ao veículo e este percorreu mais de

4km, durante 25 minutos, o que é condizente com a situação proposta.

Page 103: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

87

4.4 Conclusões

Ao longo do último capítulo foram feitas análises do comportamento do veículo,

muitas das quais acompanhadas de conclusões. Retomar todas as conclusões será

desnecessário e cansativo ao leitor. A idéia deste item será fazer uma síntese, com as

conclusões finais que serão divididas em três tópicos:

− sobre a pesquisa;

− sobre o ônibus híbrido;

− sobre o modelo de simulação e a metodologia adotada;

Quanto ao trabalho, conclui-se que atingiu plenamente os objetivos de pesquisa , ou

seja, contribuir para o aumento do conhecimento. Quando foi iniciado, no ano de

2000, pouco se ouvia falar a respeito da utilização de veículos híbridos no Brasil. Isto

pode ser comprovado pela escassez de publicações técnicas a respeito do assunto.

Em compensação, no mundo todo, uma série de projetos de pesquisa já estava em

desenvolvimento. Várias universidades nos Estados Unidos possuem projetos de

pesquisa multi-disciplinares em veículos híbridos. Este trabalho contribui em uma

área pouco explorada no Brasil e propõe a continuidade da pesquisa: ao longo deste

trabalho, notou-se a necessidade de se explorar vários assuntos, que abrem campo

para se desenvolver pesquisas afins. Destacam-se, entre elas:

• alternativas mais eficientes de motores a combustão e combustíveis;

• geradores especias para uso embarcado em veículos de pequeno porte;

• técnicas de limitação e controle de velocidade em veículos híbridos;

• exploração do uso de ultracapacitores e volantes de inércia;

• conversores estáticos para acumuladores;

• motores elétricos de tração, em particular o de ímãs permanentes e o de

relutância chaveado (ambos BDCM).

Além dos ítens acima, uma questão que foi estudada a fundo, e que não aparece

neste trabalho com a mesma intensidade com que foi analisada, é a questão das

Page 104: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

88

configurações. Uma vez escolhida a configuração série, pelas razões já apresentadas

neste trabalho, foi deixada de lado a configuração paralela. No entanto, ela possui

características e vantagens próprias, que mereceriam igualmente atenção, senão

maiores, justificando que pesquisas fossem conduzidas para a exploração das suas

possibilidades de uso.

Quanto ao veículo, há de se comentar que a proposta de priorizar a alternativa do

ônibus híbrido em face a veículos de outros segmentos foi acertada e que a simulação

comprova esta idéia. Adotar a configuração híbrida série também foi uma decisão

acertada. O dimensionamento proposto, em que um motor a combustão conduz o

veículo com um quarto da potência necessária, chama a atenção do leitor pelo

contraste entre as potências do motor a combustão e do motor de tração. Verificando

o comportamento do moto-gerador, percebe-se que esta topologia realmente é a

correta. Com relação ao dimensionamento, os testes mostraram que o

dimensionamento estabelecido não poderia acionar o veículo, se não fosse graças à

peculiaridade no seu funcionamento. O Brasil possui uma frota de ônibus urbanos

que impressiona pela sua quantidade. Parte destes veículos apresenta condição

precária, necessitando renovação. Existe, portanto, um campo amplo de exploração

desta tecnologia.

O modelo de simulação implementado no Simulink (bem como a metodologia de

testes utilizada) mostrou ser uma ferramenta adequada para se prever o

comportamento do sistema e auxiliar no desenvolvimento de projetos. Dificilmente

se chegará a um dimensionamento adequado, analiticamente. Devido à dinâmica do

sistema, os resultados somente podem ser verificados através de simulação. Por ser

um modelo simples, permite que se façam diferentes testes e adaptações. Com

respeito ao dimensionamento do ônibus, há de se notar, que, eventualmente,

diferentes projetos podem ser desenvolvidos, adequando-os à topografia local. Um

projeto padrão, como o de veículos convencionais, que atendem a todas as regiões do

país, talvez seja um paradigma sujeito a contestações neste segmento: cidades

totalmente planas permitem uma redução considerável de acumuladores, que

implicarão em redução de custo, peso e melhora do desempenho. O programa de

simulação se presta a este objetivo: o de adaptar os projetos às suas aplicações. O

Page 105: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

89

modelo implementado pode e deve sofrer melhorias, como o cálculo de perdas, do

consumo de combustíveis e da emissão de poluentes: campo para futuros trabalhos.

Finalmente, uma última observação a ser feita: como dito inicialmente, os

ultracapacitores seriam mais um artifício de testes do que a solução final

propriamente almejada. Ocorreu, porém, que ao longo da pesquisa, constatou-se que

o estado da arte de ultracapacitores permitia que fossem utilizados, tecnicamente,

como acumuladores. Não foi feito o estudo econômico, mas estima-se que tenha

custo demasiadamente elevado em comparação com baterias (o custo estimado por

Faraday indicou um custo total da ordem de R$ 70.000,00 em ultracapacitores). Os

dados obtidos foram inseridos no programa Advisor, utilizando um conjunto de

baterias correspondente. Sabe-se que, optando-se pelo ultracapacitor, o desempenho

estaria garantido, conforme foi visto na simulação deste trabalho. Foi feita uma

comparação entre um ônibus convencional (cujo resultado da simulação encontra-se

no Anexo B, nas páginas 99 e 100) com um ônibus híbrido com baterias, com

dimensionamento de motor e gerador obtido nesta simulação, cujo resultado

encontra-se neste mesmo Anexo, nas páginas 101 e 102. O conjunto de baterias

utilizado (pesando o equivalente ao acumulador da simulação deste trabalho e que,

como foi discutido anteriormente, equivale ao que vem sendo utilizado em protótipos

de ônibus híbridos, atualmente) permitiu ao veículo atender ao ciclo determinado,

equivalente ao do trânsito de Nova York. Para esta condição, a autonomia do veículo

subiu de 0,5 km/l de diesel para 1,39 km/l, ou seja, uma elevação de 178%. A

redução de poluentes é da ordem de 99% de HC, 82,5% de CO, 96% de NOx. Este

programa, que já contempla as perdas, confirma o acerto do dimensionamento feito.

Page 106: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

90

Anexo A

Detalhamento de blocos da figura 3.1 (modelo Simulink)

A seguir, encontram-se detalhados alguns dos blocos apresentados na figura 3.1. A

figura A.1 apresenta o bloco E (referente à figura 3.1), em que é feito o cálculo do

torque máximo disponível em função da curva de torque do motor e da carga do

acumulador. A figura A.2 detalha o bloco de limitação do torque em funcão da carga

do acumulador.

Figura A.1 – Cálculo do torque máximo disponível

Page 107: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

91

Figura A.2 – Detalhamento do bloco de cálculo de torque disponível em função da

carga do acumulador

Page 108: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

92

A figura A.3 apresenta o bloco F, em que é feito o cálculo da velocidade angular do

motor de tração, conseqüência da aceleração deste.

Figura A.3 – Cálculo da velocidade angular do motor de tração

Page 109: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

93

Na figura A.4 é apresentado o detalhamento do bloco H (eq. (3.12)). O sub-sistema,

referente à eq. (3.9), encontra-se na figura A.5.

Figura A.4 – Forças envolvidas durante movimento do veículo

Figura A.5 – Cálculo da força devido à componente gravitacional

Page 110: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

94

O sub-sistema, referente à eq. (3.10) e à eq. (3.11), está distribuído nas figuras A.6,

A.7 e A.8

Figura A.6 – Componente estática da resistência de rolamento

Figura A.7 – Componente dinâmica da resistência de rolamento

Page 111: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

95

Figura A.8 – Componente devida ao arraste aerodinâmico

Page 112: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

96

Na figura A.9 é apresentado o detalhamento do bloco J. Os subsistemas referentes

ao gerador, ao motor, à frenagem dinâmica e ao acumulador encontram-se

respectivamente nas figuras A.10, A.11, A.12 e A.13.

Figura A.9 – Representação do bloco J da figura 3.1

Figura A.10 – Sub-sistema do gerador

Page 113: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

97

Figura A.11 – Sub-sistema de cálculo da corrente devida ao motor, após conexão do

acumulador ao barramento CC através de conversor estático

Figura A.12 – Subsistema da frenagem dinâmica

Page 114: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

98

Figura A.13 – Sub-sistema do acumulador

Page 115: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

99

Anexo B

Ensaios realizados com o programa Advisor

Figura B.1 – Entrada de dados no programa Advisor para simulação de um veículo

convencional utilizado como ônibus

Page 116: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

100

Figura B.2 – Resultado da simulação feita pelo programa Advisor para veículo

convencional utilizado como ônibus

Page 117: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

101

Figura B.3 – Entrada de dados no programa Advisor para simulação de um veículo

híbrido-elétrico utilizado como ônibus

Page 118: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

102

Figura B.4 – Resultado da simulação feita pelo programa Advisor para veículo

híbrido-elétrico utilizado como ônibus

Page 119: VEICULO HIBRIDO-ELETRICO

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