Hibridação de veículo automóvel

Hibridação de veículo automóvel Bruno Filipe de Oliveira Magalhães Relatório do Projeto Final / Dissertação do MIEM Orientador na FEUP : Professor José Ferreira Duarte Coorientador na FEUP: Professor Armando Luís Sousa Araújo Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Ramo de Projeto, Desenvolvimento e Engenharia Automóvel fevereiro de 2014 i RESUMO i RESUMO No presente, temas como a redução drástica das reservas e instabilidade do preço do petróleo, redução da emissão de gases de efeito de estufa e aquecimento global são problemas que necessitam de respostas imediatas e que levaram ao reforço da legislação sobre as emissões de gases poluentes e economia de combustível, através de tratados e acordos. De forma a respeitar estes novos acordos e tratados assinados quase na globalidade por todos os países, a Indústria Automóvel, os governos e alguns particulares, têm vindo a investir avultadas verbas na investigação e desenvolvimento de novas tecnologias para fazer face ao maior desafio que a população mundial irá porventura enfrentar nos próximos 50 anos. Estas tecnologias têm como objetivo tornar viável a penetração no mercado de veículos de motorização elétrica, sejam eles híbridos elétricos, puramente elétricos ou elétricos a célula de combustível. Os veículos elétricos, quando comparados com os veículos convencionais, permitem uma redução das emissões poluentes e economia de combustível. Os veículos híbridos elétricos (HEVs – Hybrid Electric Vehicles), alvo de estudo nesta dissertação, são mais eficientes ao nível do consumo de combustível, devido à utilização do motor de combustão interna (MCI) num regime ótimo de funcionamento, e também ao uso de tecnologia como a travagem regenerativa, que permite a recuperação da energia cinética durante a travagem. O desenvolvimento de novas tecnologias e soluções para a implementação destes veículos, levou ao aparecimento do veículo híbrido elétrico “plug-in” (PHEV) que é uma evolução do HEV. Esta evolução é considerada como uma das mais promissoras para, a curto prazo, tornar os meios de transporte menos poluentes e mais económicos. Quando comparados com o seu antecessor (HEV), os PHEVs permitem o carregamento do seu sistema de armazenamento de energia através da rede elétrica convencional, cuja energia pode ter origem numa fonte renovável, como por exemplo, energia eólica, hidroelétrica, solar ou geotérmica. Os veículos híbridos elétricos permitem a utilização em simultâneo de várias tecnologias, sendo que a componente eletrónica tem especial importância. De uma forma geral, existe um aumento do número de componentes elétricos e eletrónicos, entre motores elétricos,baterias,supercondensadores,sensores,microcontroladores, etc. Para além destes, existe ainda a presença dos elementos mecânicos e hidráulicos, e do motor de combustão interna. Assim, o objetivo desta dissertação é estudar a viabilidade de transformação de um veículo convencional num veículo híbrido elétrico “plug-in”, reduzindo os custos ao mínimo e evitando alterações estéticas no veículo adquirido. Foram estabelecidos requisitos que o veículo deverá respeitar e que serão apresentados com mais detalhe no respetivo capítulo. iii ABSTRACT iii Hybridization of vehicle ABSTRACT At present, issues such as drastic reduction of stocks and instability of oil prices, reduction of greenhouse gases and global warming are issues that need immediate answers and that led to the strengthening of legislation on exhaust emissions and economy fuel through treaties and agreements. In order to meet these new agreements and treaties signed almost in its entirety by all countries, the automobile industry, governments and some private, invested millions of euros in research and development of new technologies to meet the greatest challenge that the world population will perhaps face in the next 50 years. These technologies aims to make possible the penetration of electric vehicle powertrain market, be they hybrid electric, pure electric or fuel cell electric. As we will see during the presentation of this dissertation, electric vehicles compared to conventional vehicles, allow for a reduction of emissions and fuel economy. The hybrid electric vehicles ( HEVs - Hybrid Electric Vehicles) , subject of study in this dissertation , are the most efficient fuel consumption level due to the use of the internal combustion engine ( MCI ) in a great operating system , and also the use of technology such as regenerative braking , allows recovery of kinetic energy during braking . The development of new technologies and solutions for the deployment of these vehicles, led to the emergence of hybrid electric vehicle "plug-in" (PHEV) which is an evolution of HEV. This development is regarded as one of the most promising in the short run, making transportation cleaner and more economical. When compared to its predecessor (HEV), the PHEVs allow the loading of your storage system power through conventional power grid, whose energy may come from a renewable source such as wind, hydroelectric, solar or geothermal. The electric hybrid vehicles allow the simultaneous use of various technologies, and the electronic component has special importance. In general, there is an increase in the number of electrical and electronic components, including electric motors, batteries, supercapacitors, sensors, microcontrollers, etc. Besides these, there is still the presence of mechanical and hydraulic components, and the internal combustion engine. The objective of this dissertation is to study the feasibility of transforming a conventional vehicle into a hybrid electric vehicle "plug-in", reducing costs to a minimum and avoiding aesthetic changes on the vehicle purchased. Requirements that the vehicle must comply and which will be presented in more detail in the appropriate chapter were established. v AGRADECIMENTOS v AGRADECIMENTOS Aos meus pais, por todo o seu apoio, encorajamento e sacrifícios em prol da minha formação académica e enquanto homem. Ao meu orientador, professor José Ferreira Duarte pela sua capacidade de orientação na fase final do curso, assim como por toda a disponibilidade, empenho pessoal e orientação durante a elaboração deste trabalho de dissertação. Ao meu coorientador, professor Armando Luís Sousa Araújo pela disponibilidade, interesse e orientação dada no decurso deste trabalho. À Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto pela disponibilização das suas instalações e recursos necessários à elaboração deste trabalho. A minha esposa, Susana, pela sua compreensão, apoio e encorajamento ao longo destes anos, fazendo-me acreditar que é possível concretizar o objetivo a que me propus. Aos meus colegas de curso e amigos, Carlos Dias e Pedro Rodrigues, pela sua amizade e apoio demonstrados ao longo do curso, e pelo seu auxílio na realização deste trabalho. vii CONTEÚDO vii CONTEÚDO RESUMO ................................................................................................................... i ABSTRACT ............................................................................................................... iii AGRADECIMENTOS ................................................................................................... v CONTEÚDO ............................................................................................................ vii LISTA DE FIGURAS.................................................................................................... ix LISTA DE TABELAS ................................................................................................... xv SIGLAS E ABREVIATURAS ....................................................................................... xvi 1 INTRODUÇÃO .................................................................................................... 1 1.1 Enquadramento ................................................................................................. 1 1.2 Objetivos do trabalho ........................................................................................ 5 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ................................................................................... 7 2.1 Conceito de HEV (Veículo hibrido elétrico) ....................................................... 7 2.2 História dos HEVs ............................................................................................... 7 2.3 Porquê HEV? .................................................................................................... 12 2.4 Conceito do Sistema de Propulsão de um HEV ............................................... 14 2.5 Como categorizar os veículos híbridos elétricos (HEVs) .................................. 17 2.5.1 Configurações disponíveis para um veículo HEV ...................................... 17 2.5.2 Grau de Hibridização ................................................................................ 26 2.5.3 Classificação em função do método de reabastecimento ..................... 28 2.6 Tecnologias tipicamente utilizadas nos veículos híbridos ............................... 29 2.6.1 Travagem regenerativa ............................................................................. 29 2.6.2 "Start and Stop” automático .................................................................... 31 2.6.3 Assistência elétrica ................................................................................... 31 2.7 Comparação entre HEVs: Micro, Médio, Completo e "Plug-in" vs. Tecnologia 32 2.8 Principais Componentes dos HEVs .................................................................. 33 2.8.1 Motor de Combustão Interna ................................................................... 33 2.8.2 Motores Elétricos ..................................................................................... 36 2.8.3 Sistema de Armazenamento de Energia .................................................. 46 3 DESENVOLVIMENTO ........................................................................................ 61 Figura 3.72 | Vista traseira. ............................................................................................ 98 Figura 3.73 | Vista em perspetiva. ................................................................................. 98 Figura 3.74 | Dimensões do rolamento de esferas selecionado. [73] ........................... 99 Figura 3.75 | Dimensões do rolamento de esferas selecionado. [73] ........................... 99 Figura 3.76 | Produção do suporte traseiro em curso ................................................. 101 Figura 3.77 | Flange para motor/gerador .................................................................... 101 Figura 3.78 | Fase inicial da produção do suporte frontal para motor/gerador ......... 101 Figura 3.79 | Caixa para controladores. ....................................................................... 102 Figura 3.80 | Suporte com sistema de fixação. ............................................................ 102 Figura 3.81 | Montagem da caixa com respetivo suporte. .......................................... 102 Figura 6.1 | Distribuição das tensões no suporte do motor tração (MPa) .................. 112 Figura 6.2 | Distribuição das tensões no suporte do motor tração (MPa) .................. 113 Figura 6.3 | Deslocamento máximo sofrido pelo suporte do motor (mm) ................. 113 Figura 6.4 | Deslocamento máximo sofrido pelo suporte do motor (mm) ................. 114 Figura 6.5 | Distribuição das tensões no suporte do motor tração (MPa) .................. 115 Figura 6.6 | Distribuição das tensões no suporte do motor tração (MPa) .................. 116 Figura 6.7 | Deslocamento máximo sofrido pelo suporte do motor (mm) ................. 116 Figura 6.8 | Deslocamento máximo sofrido pelo suporte do motor (mm) ................. 117 xv LISTA DE TABELAS xv LISTA DE TABELAS Tabela 2.1 | Características dos BEVs, HEVs e FCEVs. [1] .............................................. 13 Tabela 2.2 | Tabela comparativa entre veículos com diferentes tipos de propulsão. [19] ........................................................................................................................................ 14 Tabela 2.3 | Comparação entre as diferentes configurações com um veículo convencional.[26] ........................................................................................................... 24 Tabela 2.4 | Cortesia da Power System Design. [40] ..................................................... 32 Tabela 2.5 | Motor de combustão interna utilizados em alguns veículos híbridos. [45] ........................................................................................................................................ 36 Tabela 2.6 | Avaliação dos sistemas de propulsão elétrica. [46] ................................... 45 Tabela 2.7 | Características das baterias Chumbo-ácido. [56] ...................................... 49 Tabela 2.8 | Características das baterias Ni-MH. [56] .................................................... 49 Tabela 2.9 | Características das baterias Ni-Cd. [56] ..................................................... 50 Tabela 2.10 | Características das baterias de Iões de Lítio. [56] .................................... 51 Tabela 2.11 | Características das baterias de Lítio-Polímero. [56] ................................ 51 Tabela 2.12 | Comparação entre os diferentes tipos de baterias para EVs e HEVs. ..... 52 Tabela 3.1 | Características do veículo adquirido. [45] ................................................. 62 Tabela 3.2 | Características dos equipamentos usados como motor/gerador elétrico. [70] .................................................................................................................................. 66 Tabela 3.3 | Especificações técnicas do alumínio AW7075. [71] ................................... 71 Tabela 3.4 | Especificações técnicas do alumínio AW7075. [71] ................................... 71 Tabela 3.5 | Especificações técnicas do alumínio AW7075. [71] ................................... 71 Tabela 3.6 | Relações finais Smart ForTwo adquirido. .................................................. 74 Tabela 3.7 | Dados de entrada no software MaximizerPro 3.0. .................................... 81 Tabela 3.8 | Polias e correia selecionadas. .................................................................... 82 Tabela 3.9 | Dados de entrada no software MaximizerPro 3.0. .................................... 89 Tabela 3.10 | Polias e correia selecionadas. .................................................................. 90 Tabela 3.11 | Especificações técnicas do aço CK 45. ..................................................... 94 Tabela 3.12 | Especificações técnicas do aço CK 45. ..................................................... 94 Tabela 3.13 | Especificações técnicas do aço CK 45. ..................................................... 94 Tabela 6.1 | Valores máximos de tensão e deslocamento atingidos........................... 114 Tabela 6.2 | Valores máximos de tensão e deslocamento atingidos........................... 117 SIGLAS E ABREVIATURAS BEV Veículo elétrico a bateria; DEEC Departamento de Engenharia Eletrotécnica e de Computadores; DEMec Departamento de Engenharia Mecânica; E-REV Veículo elétrico com extensor de autonomia; FCEV Veículo elétrico a célula de combustível; FEUP Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto; HEV Veículo híbrido elétrico; HF Fator de Hibridização; IM Motor de indução; IMA Integrated Motor Assist; MCI Motor de Combustão Interna; MIEM Mestrado Integrado de Engenharia Mecânica; Motor DC Motor de corrente contínua; OFSTM Oficina de Serralharia de Tecnologia Mecânica OPEP Organização Países Exportadores de Petróleo; PHEV Veículo híbrido elétrico plug-in; PMI Ponto morto inferior; PMS Ponto morto superior; SAE Society of Automotive Engineers; SoC Estado da carga; ZEV Veículo com zero emissões; A 50 [%] Alongamento; Ah Ampere-hora, é uma unidade de carga elétrica; (1Ah = 3600 C) Al Liga de Alumínio; Brinell [HB] Medição de dureza utilizada principalmente nos materiais metálicos; C (A.s) Coulomb, unidade de carga elétrica no sistema internacional cc Cilindrada ou volume varrido do motor E (GPa) Módulo de Young ou módulo de elasticidade; g/km Gramas por quilómetro; h Hora, unidade de tempo no sistema internacional; i Relação de transmissão; kg Quilograma, unidade básica de massa no sistema internacional; SIGLAS E ABREVIATURAS xvii km Quilómetro, unidade de comprimento no sistema internacional; kW Quilowatt, unidade de potência no sistema internacional; l Litro, unidade básica de volume no sistema internacional; m Metro, unidade de comprimento no sistema internacional; mm Milímetro, unidade de comprimento no sistema internacional; MPa Mega Pascal, a unidade padrão de pressão e tensão no sistema internacional; Rp0,2(MPa) Tensão limite de escoamento; Rm [MPa] Tensão limite de cedência à tração; s Segundo, unidade de tempo no sistema internacional; T (N.m) Binário; v (Km/h) Velocidade em quilómetros por hora; V Volt, unidade de tensão elétrica no sistema internacional; ω (rad/s) Velocidade angular; € Moeda oficial da União Europeia; ° Grau; σ (MPa) Tensão limite elástico; 1 1 INTRODUÇÃO 1.1 Enquadramento Apesar de os veículos puramente elétricos (BEVs), híbridos (HEVs) e célula de combustível (FCEVs) estarem a ser objeto de investigação e desenvolvimento, estes não são recentes, ao contrário daquilo que se possa pensar. Sir William Grove, em 1839, apresentou uma célula de combustível básica ao mundo, contudo não teve o sucesso desejado, devido ao facto de a eletricidade ainda não estar desenvolvida e existir um desconhecimento do seu funcionamento. [1] Figura 1.1 | Veículo elétrico construído por Gustave Trouvé.[2] Por sua vez, o primeiro veículo elétrico foi construído em 1881 pelo francês Gustave Trouvé, e era um triciclo com um motor DC com 0,07 KW alimentado por baterias de chumbo-ácido. Outros veículos elétricos foram produzidos, contudo acabaram por não ter grande expressão, pois na altura a tecnologia não estava suficientemente desenvolvida, não conseguindo mesmo competir com as carroças de cavalo. A sua velocidade máxima era de 15 km/h com uma autonomia de 29 km o que os tornava pouco atrativos face a potenciais consumidores. [3] No entanto estávamos no início de uma nova era, e assim foi nos 20 anos seguintes, em que a tecnologia elétrica conheceu grandes desenvolvimentos, que levaram ao aparecimento de novos veículos, novas tecnologias, e durante algum tempo os veículos elétricos detiveram o recorde de velocidade, obtido pelo francês Camille Jenatzy em 1899 quando o seu veículo "La Jamais Contente" atingiu os 105,8 km/h. [3] Cap. 1 INTRODUÇÃO 2 Figura 1.2 | Veículo La Jamais Contente, obteve recorde de velocidade.[4] Por sua vez, Ferdinand Porsche criou o primeiro híbrido elétrico em 1900, com o nome Lohner-Porsche Semper Vivus. No entanto, quer esta versão quer a evolução mais comercial que foi lançada no ano seguinte não tiveram sucesso, devido ao seu elevado custo e complexidade, situação que se verificou até aos anos 70. [3] Os veículos elétricos tiveram especial relevo nesta fase inicial do século XX, sendo os mais procurados. Nesta altura já existiam veículos elétricos, a vapor e a gasolina, mas o elétrico era de longe o mais fiável, ecológico, silencioso, e sendo que as viagens eram maioritariamente dentro das localidades (curtas) a baixa autonomia não tinha grande influência. [3] Já no início de século XX a indústria automóvel sofreu uma enorme evolução, em especial devido á crescente evolução dos motores de combustão interna, que se tornaram mais potentes, flexíveis, fáceis de manusear, com maior fiabilidade e uma maior autonomia quando comparados com os elétricos. Aliado a tudo isto, ocorreu também uma melhoria das infraestruturas rodoviárias em todo o mundo, o que "aproximou" as cidades e tornaram possíveis as viagens mais longas, logo favorecendo os motores de combustão interna. O alto custo dos veículos elétricos foi também um entrave á sua evolução nesta fase, isto apesar de ter sempre estado á frente tecnologicamente sob o ponto de vista da eficiência. O tempo de carregamento e o preço das baterias foram também outros fatores que prejudicaram o desenvolvimento dos veículos elétricos. Em 1932, a tecnologia de células de combustível conheceu o primeiro sucesso, com Francis Bacon, que apresentou uma célula de combustível alcalina. Esta tecnologia apesar de utilizada pela NASA em viagens espaciais, nunca conseguiu ter expressão no mundo automóvel, devido ao pouco desenvolvimento tecnológico. [3] Todos estes fatores conjugados levaram, nos sessenta anos seguintes, ao quase desaparecimento dos veículos elétricos e híbridos. Os veículos elétricos ainda ocuparam lugares de menor expressão, sendo utilizados em carrinhos de golfe ou de transporte de pequenas dimensões. [3] Cap. 1 INTRODUÇÃO 3 Figura 1.3 | Linha de produção em massa da Ford [5] Tinha começado uma nova era no mundo automóvel, com a evolução dos motores de combustão interna, com a descoberta de novas reservas de petróleo que permitiu uma redução no preço da gasolina. Daí á produção em massa de veículos com motor de combustão interna, iniciada por Henry Ford, foi um pequeno passo. O Modelo T da Ford, vendido entre os 500 e os 1000 dólares, veio acentuar ainda mais a diferença de custo para os veículos elétricos, cujo preço continuava a aumentar. [6] O reaparecimento dos veículos elétricos e híbridos surge entre 1960 e 1970 quando devido à crise de petróleo, originada pela criação da OPEP (Organização Países Exportadores de Petróleo) se iniciaram os embargos aos Estados Unidos e à Europa. A constante instabilidade no preço do petróleo, levou à procura de uma alternativa ao uso da gasolina. [1] Mas nem só esta instabilidade fomentou esta nova necessidade de encontrar alternativas ao petróleo, dado ser um bem não renovável as suas reservas podem-se esgotar a curto-médio prazo, bem como os elevados índices de poluição que tem alarmado todo o mundo e que os países vêem-se agora obrigados a controlar após a assinatura de vários tratados. [3] A poluição do ar e o aquecimento global são atualmente temas em discussão quase diariamente, e não é por acaso que nas últimas décadas há um grande investimento em pesquisas de tecnologias mais ecológicas mas ao mesmo tempo eficientes que permitam combater este grande flagelo. [3] A Figura 1.4 apresenta a distribuição em % das emissões de dióxido de carbono (CO2) entre 1980 e 1999, Cap. 1 INTRODUÇÃO 4 Figura 1.4 | Distribuição das emissões de dióxido de carbono entre 1980 e 1999 [3] A Figura 1.5 apresenta a evolução destas emissões ao longo de 25 anos (1975 e 2000), Figura 1.5 | Evolução das emissões de dióxido de carbono [3]. O aquecimento global é resultado do designado "efeito de estufa", provocado pela presença de dióxido de carbono e outros gases, como metano, óxido nitroso, entre outros, que se designam como gases de efeito de estufa. Estes gases absorvem alguma dessa energia de volta para a superfície, resultando num aumento de energia absorvida Cap. 1 INTRODUÇÃO 5 pela superfície e como tal no aquecimento da mesma. Assim o excesso destes gases de efeito de estufa, provocam uma subida de temperatura da superfície terrestre originando grandes danos ecológicos nos ecossistemas, podendo estar na origem de vários desastres naturais que com mais frequência assolam o nosso planeta. [3] Assim, nas últimas décadas têm sido feitas muitas investigações e desenvolvido uma série de atividades na área dos transportes de modo a ser possível o fabrico de veículos com elevada eficiência, ecológicos e seguros. E assim surgiram as propostas para que os veículos convencionais fossem substituídos por veículos puramente elétricos (EVs), veículos híbridos elétricos (HEVs) e veículos a célula de combustível (FCVs) num futuro próximo. [3] Comparativamente aos veículos convencionais, os veículos elétricos (BEVs) são energeticamente mais eficientes e produzem, na sua utilização, zero emissões para a atmosfera. Contudo estes veículos não tiveram grande sucesso até ao momento devido ao seu elevado custo, aliado ao peso das baterias, limitação da distância que podem percorrer e ainda a falta de infraestruturas a nível mundial para o recarregamento das suas baterias. Os veículos híbridos elétricos (HEVs) foram desenvolvidos de forma a preencher as lacunas deixadas quer pelos veículos com motores de combustão interna quer pelos veículos puramente elétricos, e oferecem uma melhoria na economia de combustível, baixas emissões de CO2, e ao invés dos BEVs os HEVs tiram partido da rede de abastecimento de combustível já existente, contudo dependem ainda inteiramente do petróleo para o carregamento das baterias. Por último as células de combustível (FCs) evoluíram bastante no último século, estando a ser usadas na indústria dos transportes, militar, telecomunicações, entre outros. No entanto o seu elevado custo e os desafios tecnológicos que ainda terá de enfrentar deverão limitar a sua entrada no mercado nos próximos 10 ou 15 anos. [7] 1.2 Objetivos do trabalho O objetivo principal deste trabalho consiste na conversão de um veículo Smart ForTwo convencional com motorização a gasolina de 599 cc, num veículo híbrido elétrico série plug-in. Este trabalho é resultado de uma parceria entre o DEMec (Departamento de Engenharia Mecânica) e o DEEC (Departamento de Engenharia Eletrotécnica e de Computadores). Este projeto teve o seu início em Março de 2013. O trabalho desta dissertação, iniciou-se com o estudo e análise detalhada do trabalho desenvolvido no projeto até Setembro de 2013, foi analisada a seleção do motor e gerador elétrico, bem como todos os cálculos necessários para esse dimensionamento (parte desenvolvida por estudantes do DEEC) e análise da solução mecânica para o acoplamento dos mais diversos componentes (parte desenvolvida por estudantes do DEMec). Na fase inicial do projeto foram definidos os objetivos de funcionamento, assim como alguns pré-requisitos que é importante apresentar: Cap. 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 12 estudo das Nações Unidas. Este estudo foi feito em 2009, sendo que as barras entre 2009 e 2013 são projeções. [17] Figura 2.9 | UNEP, United Nations Environment Programme-2009Hybrid Electric Vehicles.[17] 2.3 Porquê HEV? Os veículos elétricos a baterias, ou puramente elétricos (BEVs) e os veículos elétricos a célula de combustível (FCEVs) são os principais concorrentes dos veículos híbridos elétricos (HEVs) na substituição dos veículos convencionais, que visa a diminuição das emissões, maior eficiência energética, redução ou eliminação da dependência do petróleo.[1] Figura 2.10 | O caminho para a tecnologia híbrida (Cortesia da Toyota) [1] Cap. 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 13 Na Tabela 2.1 é possível comparar as principais características dos BEV,HEV e FCEV: Tabela 2.1 | Características dos BEVs, HEVs e FCEVs. [1] Tipos Veículos Elétricos Elétrico Bateria (BEV) Híbrido Elétrico (HEV) Elétrico a Célula Combustível (FCEV) Propulsão - Elétrica - Elétrica - Motor Combustão Interna - Elétrica Sistema Energia - Baterias - Ultracapacitores - Baterias - Ultracapacitores - Motor Combustão Interna - Célula de Combustível - Baterias ou Ultracapacitadores (aumentar a densidade potência necessária no arranque) Fontes de energia e Infraestruturas - Rede elétrica - Unidades de Carregamento - Postos Gasolina - Rede elétrica - Unidades de carregamento (para veículos Plug-In) - Hidrogénio - Produção hidrogénio e infraestrutura de transporte Características - Zero emissões - Elevada eficiência energética - Independência do petróleo - Curtas distâncias - Custo inicial elevado - Tecnologia Comercial - Emissões muito baixas - Poupança de combustível elevada comparando com veículo convencional - Longas distâncias - Dependência petróleo (veículos sem Plug-in) - Custo mais elevado quando comparado com veículo convencional - Tecnologia Comercial - Zero emissões - Elevada eficiência energética - Independência do petróleo (se não for usada gasolina na produção do hidrogénio) - Longas distâncias - Elevado custo - Tecnologia em desenvolvimento Questões importantes - Baterias - Gestão de baterias - Unidades de carregamento - Custo - Controlo, otimização e gestão de diversas fontes de energia - Dimensionamento e gestão das baterias - Custo das células combustível, ciclo vida e a segurança - Infraestrutura para o Hidrogénio Analisando a tabela, nas questões das emissões, tecnologia e independência do petróleo a escolha mais sensata seria o veículo elétrico a bateria (BEV), contudo a sua baixa autonomia restringe a sua utilização em percursos mais longos. Do lado oposto aparecem o veículo elétrico híbrido (HEV) e o veículo elétrico a célula de combustível (FCEV) que não possuem essa limitação. Analisando agora o FCEV, é possível verificar que, tal como BEV, é livre de emissões na sua utilização, contudo o facto de ser uma tecnologia ainda em desenvolvimento, questões de segurança, transporte e implementação de infraestruturas capazes de armazenar o hidrogénio são um problema que limita a sua aplicação no curto/médio prazo. [1] Assim sendo, enquanto não houver um desenvolvimento na tecnologia de armazenamento de energia e no seu custo associado que permita ao veículo elétrico a bateria (BEV) ser mais competitivo, o veículo Cap. 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 14 elétrico híbrido (HEV) continuará a ser a melhor alternativa aos veículos convencionais. [18] Por último, o investimento inicial é um fator muito importante a ser analisado, sendo que aqui o HEV toma clara vantagem pois das três tecnologias apontadas como alternativa ao veículo convencional é a que apresenta um custo mais baixo, apesar de nestes últimos anos ter sido feito um grande desenvolvimento na redução de custos das outras duas tecnologias, contudo ainda não conseguiram ser competitivas como o HEV. A Tabela 2.2 faz a comparação entre quatro veículos com características e especificações muito idênticas, com o pormenor de usarem quatro tecnologias distintas: MCI,HEV,BEV e FCEV. [19] Tabela 2.2 | Tabela comparativa entre veículos com diferentes tipos de propulsão. [19] MCI (VW Golf 1.4 TSI) HEV (Toyota Prius III) BEV (Nissan Leaf) FCEV (Honda FCX Clarity) Fonte de Energia MCI MCI Motor Elétrico Bateria e Motor Elétrico PEM Células Combustível e Motor Elétrico Combustível Gasolina, Gasóleo e Alternativos Gasolina/Gasóleo como principais Eletricidade Hidrogénio Vel. Máx (km/h) 199 180 151 160 Aceleração (s) 9,5 10,4 7 10 Distância (km) 888,4 1152,3 117,5-175,4 386,2 Custo Aquisição 21.508€ 24.434€ 30.177€ 58.524€ Custo combustível por km percorrido 0,16€ 0,10€ Desde 0,01€ Desde 0,05€ Consumo Combustível (l aos 100km) 5,2 3,3 2,4 2,9 Emissões CO2 (g/km) 144 89 0 0 A análise da Tabela 2.2, permite constatar algumas características importantes que distinguem claramente os quatro veículos com diferentes tipos de propulsão. Verificase que a autonomia e o custo de aquisição dos BEV e FCEV podem ser um entrave à sua afirmação no mercado automóvel quando comparados com os veículos convencionais e com os HEVs. No entanto, apresentam também algumas vantagens, tal como a economia de combustível, a redução das emissões poluentes (zero emissões na sua utilização) e o custo por quilómetro percorrido. 2.4 Conceito do Sistema de Propulsão de um HEV Por definição, o veículo híbrido é um veículo que possui duas ou mais fontes de energia, e caso possua uma propulsão elétrica é designado de veículo híbrido elétrico (HEV). Por outras palavras representa um cruzamento de um veículo convencional com um veículo Cap. 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 15 elétrico. Combinam um sistema de transmissão elétrico, incluindo baterias ou outro método de armazenamento de energia, com uma fonte de energia rapidamente reabastecível como motores a gasolina ou a gasóleo. [20] Figura 2.11 | Representação conceptual de um veículo híbrido elétrico. [3] A figura apresenta, do ponto de vista conceptual, o fluxo de potência de um veículo híbrido elétrico com duas fontes de energia distintas e independentes. No caso de uma hibridização em que a fonte (1) é de combustão (combustível e motor de combustão interna) e a fonte (2) é elétrica (bateria e motor elétrico), estamos na presença de um HEV - veículo híbrido elétrico. Como é possível observar existe várias formas de combinar o fluxo de potência de forma a satisfazer as necessidades de performance do veículo: 1. A fonte (1) sozinha fornece potência às rodas: O motor de combustão interna é o único responsável pela propulsão do veículo. Esta situação pode ocorrer quando as baterias estiverem completamente descarregadas e o motor de combustão não tiver capacidade para carregar as baterias, ou quando as baterias estiverem completamente carregadas e o motor de combustão consegue sozinho fornecer a potência requerida pelo veículo. 2. A fonte (2) sozinha fornece potência às rodas: Apenas o motor elétrico é responsável pela propulsão do veículo, neste caso está a funcionar como um veículo puramente elétrico. Esta situação pode ocorrer quando o motor de combustão interna não consiga ser eficiente devido ao veículo se deslocar a baixas velocidades ou circular em áreas em que as emissões de gases são restritas. 3. As duas fontes, em simultâneo, fornecem potência às rodas: O motor de combustão interna e o motor elétrico são ambos responsáveis pela propulsão do veículo. É uma situação de propulsão híbrida importante quando é Cap. 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 16 requerida mais potência pelo veículo para obter uma maior aceleração ou vencer uma inclinação íngreme. 4. A fonte (2) obtém potência através das rodas (travagem regenerativa): Através de um dispositivo mecânico é possível transformar a energia cinética libertada durante a travagem em energia elétrica. Assim a energia elétrica gerada durante a travagem é armazenada nas baterias para ser usada quando necessário. 5. A fonte (2) obtém potência da fonte (1): Nesta situação o motor de combustão interna apenas é usado para carregar as baterias. 6. A fonte (2) obtém potência em simultâneo do motor de combustão e das rodas: Neste modo as baterias são carregadas quer pelo motor de combustão interna quer pela travagem regenerativa. 7. A fonte (1) fornece potência às rodas e à fonte (2) em simultâneo: O motor de combustão interna é simultaneamente responsável pela propulsão do veículo e pelo carregamento das baterias. 8. A fonte (1) fornece potência à fonte (2) e esta às rodas: Neste modo o motor de combustão elétrica carrega as baterias, e estas por sua vez fornecem energia ao motor elétrico, que será responsável pela propulsão do veículo. 9. A fonte (1) fornece potência às rodas e estas à fonte (2): O motor de combustão é o responsável pela propulsão do veículo, sendo as baterias carregados por travagem regenerativa. Com os diferentes modos de operação, um veículo híbrido torna-se muito mais flexível do que um veículo convencional. Com uma configuração e controlo apropriado, aplicada de forma específica para cada condição de operação é possível otimizar o desempenho global, a eficiência e os níveis de emissões poluentes. [3] Figura 2.12 | Representação da potência total em potência média (constante) e dinâmica. [3] O nível de potência requerido por um veículo varia muito durante o seu período de funcionamento real devido às contantes acelerações, desacelerações, subidas e descidas. O nível de potência requerido pelo veículo, na prática, pode ser dividido em Cap. 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 17 duas componentes: a potência média (com valor constante) e a potência dinâmica como podem ser observadas na Figura 2.12. Num veículo híbrido uma das fontes de energia irá favorecer o requerimento de potência média (motor de combustão interna) e a outra a potência dinâmica (motor elétrico). [3] 2.5 Como categorizar os veículos híbridos elétricos (HEVs) Os HEVs podem ser categorizados de variadas formas que vão desde as ligações mecânicas (configurações), pelo seu nível de hibridização, nível de potência elétrica e funções do motor elétrico, ou ainda pelo método de reabastecimento energético. 2.5.1 Configurações disponíveis para um veículo HEV A escolha da configuração de um HEV é influenciada por vários fatores, que limitam os projetos e afetam as performances do veículo. Derivado a isso, a configuração a ser escolhida para um veículo HEV é fundamental e deve ser analisada ainda na parte do projeto. O motor de combustão interna, o motor elétrico, o sistema de armazenamento de energia, o conversor de potência e o sistema de transmissão às rodas são elementos comuns em todos os HEV sendo necessário uma coordenação muito cautelosa do fluxo de energia entre as diversas partes envolvidas. As configurações base são classificadas com base na interligação entre as duas fontes de energia: híbrido série, híbrido paralelo e híbrido série-paralelo. [18] Figura 2.13 | Veículos híbridos - Configuração bases dos HEVs. [1] As designações destas configurações foram recentemente alteradas pela SAE (Society of Automotive Engineers). Os híbridos séries passaram a ser denominados como veículos elétricos com extensor de autonomia (E-REV -Extended Range Electric Vehicle). Sendo assim, os veículos que são considerados híbridos passam a ser apenas os híbridos paralelos e os híbridos série-paralelo. [12] Cap. 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 18 2.5.1.1 Híbrido Série (elétrico com extensor de autonomia) Um veículo com esta configuração é essencialmente um veículo elétrico com um carregador de baterias a bordo. O motor de combustão interna (MCI) trabalha no seu ponto de funcionamento ótimo, sendo responsável por mover um gerador elétrico que produz energia elétrica. Esta energia pode ser utilizada de duas formas: carregamento das baterias ou para acionamento do motor elétrico. De forma a manter o nível de energia das baterias num valor pré-determinado (65 a 75% da capacidade total) o MCI entra em funcionamento sempre que necessário. Como é possível observar na figura a propulsão do veículo será de inteira responsabilidade do motor elétrico, pelo que não existe qualquer ligação mecânica entre o motor de combustão interna e as rodas motrizes. [8] Figura 2.14 | Configuração de um híbrido série (elétrico com extensão de autonomia). [3] Com esta solução o MCI pode funcionar a uma velocidade e carga constante, situação que lhe permite operar num regime ótimo de funcionamento melhorando a sua eficiência, reduzindo o consumo de combustível, o ruído e as suas emissões poluentes. [18] Durante a desaceleração ou travagem o motor elétrico pode funcionar como gerador de energia elétrica, esta energia (sob forma de corrente elétrica) é depois usada para carregar as baterias. [21] Este tipo de configuração tem potencialmente os seguintes modos de funcionamento: [9] 1. Com o motor de combustão interna desligado, o motor elétrico é o único responsável pela propulsão do veículo, sendo alimentado pelas baterias; 2. O motor elétrico, responsável pela propulsão do veículo, recebe energia proveniente apenas do conjunto motor de combustão interna e gerador elétrico; Cap. 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 19 3. A propulsão do veículo pode ser garantida pela combinação dos dois últimos modos, isto é, o motor elétrico será alimentado quer pelo conjunto motor de combustão interna e gerador elétrico quer também pelas baterias; 4. O conjunto motor combustão interna e gerador alimenta quer as baterias quer o motor elétrico; 5. O conjunto motor de combustão e gerador apenas alimentam as baterias, sendo que o motor elétrico está desligado, não existindo propulsão; 6. Travagem regenerativa, quer conjunto motor de combustão e gerador quer o motor elétrico funcionam como geradores carregando as baterias. A configuração híbrido série (elétrico com extensor de autonomia) apresenta uma série de vantagens: [3]  Como o motor de combustão interna não está ligado às rodas motrizes, permite que este funcione num regime de funcionamento ótimo, que permite uma melhor eficiência, economia de combustível, redução de ruído e emissões poluentes;  Existe apenas uma única fonte de binário motor para as rodas motrizes, simplificando desta forma o controlo de velocidade do veículo;  Como a relação binário/velocidade de rotação do motor elétrico é muito próxima da ideal, ele não necessita de uma caixa de velocidades, permitindo uma simplificação de construção e de redução de custos; Contudo, esta configuração tem algumas desvantagens: [3]  Duas conversões distintas de energia (energia mecânica do motor de combustão para energia elétrica através do gerador, e de novo para energia mecânica através do motor elétrico);  Necessidade de possuir duas "máquinas térmicas" (um gerador e um motor elétrico);  O motor de tração (motor elétrico) geralmente é de grandes dimensões para que as suas características cumpram os requisitos do sistema;  Baixo rendimento da conversão de energia, contudo superior a um veículo convencional. 2.5.1.2 Hibrido Paralelo Com a configuração híbrido paralelo tanto o motor de combustão interna como o motor elétrico estão conectados, em paralelo, à transmissão. A propulsão do veículo pode ser assegurada assim quer pelo motor de combustão interna quer pelo motor elétrico, ou ainda pelos dois em simultâneo, sendo possível escolher qualquer uma destas combinações de modo a alimentar o veículo com o binário requerido. [8] O binário motor será obtido pela soma dos binários fornecidos por cada um dos motores. [22] Cap. 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 20 Figura 2.15 | Configuração de um híbrido paralelo. [3] Se a potência requerida pelo veículo for superior à potência que o motor de combustão interna tem à sua saída, o motor elétrico será ligado, desta forma quer o motor de combustão interna quer o motor elétrico fornecem binário à transmissão. No caso da potência requerida ser inferior à potência que o motor de combustão interna tem à sua saída, a energia restante é utilizada no carregamento das baterias. O conceito de "Travagem Regenerativa" é possível de ser aplicado neste tipo de configuração, o motor elétrico é usado como gerador permitindo assim o carregamento das baterias. [23] Este tipo de configuração tem potencialmente os seguintes modos de funcionamento: [3] 1. O motor de combustão interna é desligado e a propulsão do veículo é assegurada pelo motor elétrico; 2. O motor de combustão interna é o responsável pela propulsão do veículo, estando o motor elétrico desligado; 3. Modo em que quer o motor de combustão interna quer o motor elétrico fornece o binário propulsor ao veículo; 4. O motor elétrico é o responsável quer pela propulsão do veículo quer pelo carregamento das baterias; 5. Modo de carregamento estacionário, onde apenas são carregadas as baterias, com o veículo parado; 6. Travagem regenerativa, modo em que o motor de combustão interna está desligado ou desacoplado. O motor elétrico funciona como gerador, sendo que a energia cinética ou potencial do veículo é convertida em energia elétrica e usada para carregar as baterias. Cap. 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 21 A configuração híbrido paralelo apresenta uma série de vantagens: [9]  Como quer o motor de combustão interna quer o motor elétrico fornecem diretamente binário às rodas motrizes e não existe conversão de energia, proporciona que as perdas de energia sejam menores;  Menor atravancamento devido a não ser necessário a existência de um gerador elétrico, e devido também à menor dimensão do motor elétrico. Figura 2.16 | Tipos de acoplamentos mecânicos mais utilizados. [3] Na Figura 2.16 estão representados os diferentes tipos de acoplamento mecânico mais utilizados. [3] Contudo, esta configuração tem algumas desvantagens:  Devido ao acoplamento mecânico entre o motor de combustão interna e as rodas motrizes, o motor de combustão interna não pode operar sempre num regime ótimo de funcionamento, e assim as embraiagens são necessárias; [24]  A maior complexidade da estrutura e do controlo; [9]  Configuração com custos mais elevados;  Necessita de alta voltagem para ser mais eficiente. [23] 2.5.1.3 Híbrido Série-Paralelo Esta configuração incorpora as características das outras duas configurações atrás definidas: híbrido série (elétrico com extensor de autonomia) e o híbrido paralelo. Cap. 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 28 Figura 2.25 | Híbrido completo Toyota Prius. [32] 2.5.3 Classificação em função do método de reabastecimento 2.5.3.1 Em postos de abastecimento Este tipo de veículo é reabastecido com gasolina ou gasóleo num posto de abastecimento. A maioria dos veículos HEVs presentes no mercado pertence a esta categoria. 2.5.3.2 Híbrido "Plug-In"(PHEV) Um veículo híbrido plug-in (PHEV) é um veículo elétrico com a capacidade de extrair e armazenar energia a partir de uma rede elétrica. É "somente" uma evolução do conceito de veículo híbrido elétrico, sendo que esta nova função permite combinar a energia de combustíveis fósseis com uma variedade de fontes de energia elétrica. Esta nova característica é importante e terá impacto no consumo de petróleo, emissões de gases poluentes, mas também no desempenho e composição da rede elétrica. [33] Figura 2.26 | Esquema de um híbrido série (elétrico com extensor de autonomia) "plug-in". [34] Os veículos híbridos “plug-in” têm um sistema de armazenamento de energia que pode ser completamente carregado através de uma tomada elétrica comum. Este sistema de armazenamento de energia é o responsável pela propulsão do veículo híbrido elétrico para distâncias curtas. Em distâncias mais longas, e uma vez atingido um determinado estado de carga (SOC - State of charge), o veículo passa para modo híbrido. [7] Cap. 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 29 A configuração de um veículo híbrido "plug-in" incorpora um MCI e um motor elétrico, e tal como nos HEVs convencionais estes componentes podem estar em configurações série (elétrico com extensor de autonomia), paralelo ou série-paralelo. [33] No caso da Figura 2.26 estamos na presença de um esquema híbrido série "plug-in". O veículo híbrido série "plug-in" utiliza uma rede de energia elétrica comum para recarregar as baterias. Ele utiliza um gerador elétrico alimentado por um pequeno motor de combustão interna para aumentar o alcance (distância percorrida) pelo veículo. Neste tipo de configuração, o motor de combustão interna pode ser utilizado para carregar as baterias, para alimentar diretamente o motor elétrico ou realizar as duas tarefas em simultâneo. [35] Figura 2.27 | Chevrolet Volt híbrido "Plug-in". [15] 2.6 Tecnologias tipicamente utilizadas nos veículos híbridos Os veículos híbridos elétricos utilizam algumas inovações tecnológicas que lhes permitem realizar poupanças adicionais no consumo de combustível e na diminuição de emissões de gases poluentes. [36] 2.6.1 Travagem regenerativa Uma das características mais importantes dos veículos elétricos híbridos é a sua capacidade de recuperar quantidades significativas de energia na travagem, através da chamada travagem regenerativa. O motor elétrico dos veículos híbridos podem ser controlados para passarem a atuar como gerador durante a travagem, convertendo energia cinética do veículo em energia elétrica que pode ser guardada no sistema de armazenamento de energia, para mais tarde ser reutilizada. Num veículo convencional, toda a energia cinética seria desperdiçada sob a forma de calor como é possível observar na Figura 2.28. [3] Cap. 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 30 Figura 2.28 | Sistema travagem de um veículo híbrido e de um veículo convencional. [37] Usualmente, a travagem regenerativa é utilizada apenas no eixo motor do HEV. A travagem mecânica do eixo motor e do eixo movido são perdas de energia, assim como as perdas resultantes da transmissão e do gerador elétrico, conforme é demonstrado na Figura 2.29. Figura 2.29 | Travagem Regenerativa. [38] No entanto, o desempenho de travagem de um veículo afeta diretamente a segurança do veículo. Numa situação de travagem de emergência, o sistema de travagem do veículo deve garantir que: o veículo deve parar na menor distância possível, e manter o controlo da direção do mesmo. Para a primeira situação, o sistema de travagem deve ser capaz de fornecer um binário de travagem suficiente em todas as rodas, enquanto que para a segunda situação, exige que esta força de travagem seja igualmente distribuída por todas as rodas. Geralmente, o binário requerido na travagem é maior do que o binário que o motor elétrico consegue produzir, logo assim nos veículos híbridos, o sistema de travagem mecânico tem de coexistir com a travagem regenerativa elétrica. Torna-se necessário então que exista um controlo efetivo, para que os dois sistemas atuem de forma conjunta e eficiente. [3] Este controlo efetivo pode ser materializado de duas formas distintas:  Travagem Regenerativa em Paralelo Nesta situação o motor elétrico (funcionando como gerador) e o travão mecânico trabalham em simultâneo com o objetivo de reduzir a velocidade do veículo. O sistema Cap. 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 31 de travagem mecânico é controlado, como no caso convencional, diretamente pelo pedal do travão, transformando parte da energia cinética em calor. Embora não seja o método mais eficiente de travagem regenerativa, possuí vantagens como a simplicidade de controlo, facilidade de implementação e baixo custo. Uma outra vantagem é no aspeto da segurança, pois em caso de falha no sistema de travagem regenerativa, o sistema mecânico serve como apoio. [36]  Travagem Regenerativa em Série Na travagem regenerativa em série o grande objetivo passa pela utilização do motor elétrico como redutor da velocidade. Sempre que a força de travagem solicitada for menor do que a força disponibilizada pelo motor elétrico, a redução de velocidade ocorre somente através da regeneração de energia, funcionando o motor elétrico como gerador de energia. Se a força de travagem solicitada for superior à força disponibilizada pelo motor elétrico, este opera para reduzir a velocidade com o seu binário máximo e o restante é aplicado pelo sistema de travagem mecânico. [3] A principal vantagem deste método é a maior eficiência, já que mais energia cinética é convertida em energia elétrica. As desvantagens são o seu elevado custo associado à complexidade do controlo. Este sistema exige ainda a presença de um sistema de travagem mecânico redundante para o caso de falha do sistema de travagem regenerativo. [36] 2.6.2 "Start and Stop” automático Com esta tecnologia, o motor de combustão interna é automaticamente desligado no momento em que o veículo para e o carro se encontra em ponto morto, e entra de novo em funcionamento assim que o pedal da embraiagem for pressionado. O objetivo desta tecnologia é diminuir a energia desperdiçada quando o veículo se encontra parado, prevendo-se uma poupança de cerca de 10% de combustível nestas situações, bem como redução de emissões poluentes, ruído, maior conforto e segurança para os ocupantes. [21] Figura 2.30 | Funcionamento da tecnologia “Start and Stop da Audi”. [39] 2.6.3 Assistência elétrica O motor elétrico fornece potência adicional para ajudar o motor de combustão interna na aceleração. Esta capacidade permite a utilização de um motor de combustão interna Cap. 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 32 de menores dimensões. Em alguns casos, o motor elétrico fornece potência quando o veículo circula a baixas velocidades, pois é precisamente a zona de funcionamento em que o motor de combustão interna é menos eficiente. [21] 2.7 Comparação entre HEVs: Micro, Médio, Completo e "Plug-in" vs. Tecnologia Tabela 2.4 | Cortesia da Power System Design. [40] Funções / Tecnologia Micro Híbrido Híbrido Médio Híbrido Completo Híbrido "Plug-in" Puramente Elétrico Start and Stop Travagem Regenerativa Assistência Elétrica Energia elétrica para médias distâncias Energia elétrica para longas distâncias e recarregamento em rede elétrica Economia de energia [%] 5-10 (até 25 em cidade) 10-25 25-40 50-100 100 Potência Elétrica [kW] 1.5-10 5-20 30-75 70-100 30-100 Exemplos de veículos Citroën C3 Honda Civic Toyota Prius GM Volt Nissan Leaf Na análise à tabela é possível concluir que o PHEV (híbrido elétrico plug-in) é seguramente o mais completo, não só a nível das funcionalidades, bem como ao nível da autonomia. Como já foi anteriormente referido essa é uma das principais limitações dos veículos puramente elétricos, situação que não se verifica com o PHEVs dado possuírem duas fontes de energia. O sistema de armazenamento de energia é o responsável pela propulsão do veículo híbrido elétrico para distâncias curtas. Em distâncias mais longas, e uma vez atingido um determinado estado de carga, o veículo passa para modo híbrido. Ao nível da economia de combustível e emissão de gases poluentes, o PHEV tem também uma vantagem sobre o micro híbrido, o híbrido médio e o híbrido completo. Relativamente ao EV, o híbrido “plug-in” estará ligeiramente atrás ao nível das emissões de gases poluentes durante a sua utilização. No entanto é importante ressalvar que hoje em dia, o tema de emissões de gases poluentes não se resume ao período de utilização do veículo, mas de uma forma geral desde o período de conceção até ao abate do veículo. Cap. 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 33 2.8 Principais Componentes dos HEVs Os veículos híbridos, tal como os veículos convencionais, possuem uma grande quantidade de componentes. Entre esses componentes, três deles destacam-se quer pela importância no funcionamento do veículo quer pelo custo associado. São eles o motor de combustão interna, o motor elétrico (que pode ser usado como gerador) e o sistema de armazenamento de energia. 2.8.1 Motor de Combustão Interna O motor de combustão interna (funcionando a pistão) foi inventado no século XIX, revolucionando toda a sociedade e nível de vida da população. Este é definido como uma máquina térmica, pois transforma energia térmica em energia mecânica útil. a energia térmica provém da combustão de uma mistura combustível-comburente, que liberta a energia química do combustível (na maioria das máquinas, o ar é o comburente). [41] Figura 2.31 | Sistema biela-manivela, motor de combustão interna. [42] O motor de combustão interna aproveita o aumento de pressão que resulta da combustão do combustível-comburente para provocar um movimento de rotação do veio do motor. O motor é constituído por cilindros como o da Figura 2.31, dentro dos quais deslizam pistões ligados a uma cambota (veio motor) pelas bielas. O movimento de rotação da cambota, origina a subida e descida dos pistões dos diversos cilindros, inversamente, a pressão a que é submetido o pistão faz rodas a cambota. Para garantir que o motor não para quando o pistão está a comprimir e para garantir um movimento regular, a cambota possui um volante de energia que acumula energia cinética numa das suas extremidades. O ponto mais alto que o pistão pode atingir dentro do cilindro denomina-se de ponto morto superior ou PMS. Ao ponto mais baixo que o pistão pode atingir dentro do cilindro denomina-se de ponto morto inferior ou PMI. Assim a distância percorrida entre o PMS e o PMI é denominado de curso, sendo que o raio da manivela é metade do curso. [41] Cap. 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 34 Figura 2.32 | Esquema Cilindro (PMS,PMI e curso). [43] O motor pode funcionar com vários combustíveis, sendo que os mais usados na indústria automóvel são a gasolina, gasóleo (diesel), gás (gás natural ou GPL) e o biodiesel. [41] O motor de combustão interna mais usual é o motor a gasolina, denominado de motor de ignição comandada ou ignição por faísca, derivado à sua combustão iniciar-se por meio de uma descarga elétrica (de tensão elevada) dentro da câmara de combustão. Um outro motor de combustão interna é o motor a gasóleo, denominado de motor de ignição por compressão, este não possui um sistema de ignição, a combustão é resultado do aumento da pressão, que provoca um aumento da temperatura, o suficiente para garantir a inflamação do gasóleo à medida que é injetado no seio do ar. [41] Os motores de ignição comandada funcionam de modo semelhante ao ciclo ideal Otto (ciclo a volume constante), por sua vez os motores de ignição por compressão funcionam de forma semelhante ao ciclo ideal Diesel (ciclo a pressão constante). a principal diferença entre estes ciclos ideais reside no fornecimento de calor, esta no ciclo Diesel ocorre a pressão constante. Existem ainda outros ciclos, como o ciclo Miller ou Atkinson. [41] O ciclo de Atkinson (ciclo teórico a volume constante e expansão total) foi inventado por James Atkinson em 1882, este ciclo dá prioridade à eficiência em detrimento da potência. É utilizado em alguns veículos híbridos e elétricos tais como o Toyota Prius, Ford Fusion Hybrid, Mercedes S400 Blue Hybrid, entre muitos outros. Os motores de combustão a pistão podem também ser classificados quanto ao número de tempos motor que apresentam. Assim podemos ter:  Motores a dois tempos;  Motores a quatro tempos. Cap. 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 35 Figura 2.33 | Os 4 tempos do motor de combustão interna a gasolina. [44] Os veículos híbridos, na quase sua totalidade, utilizam motores a quatro tempos a gasolina ou diesel. Estes motores dizem-se a quatro tempos pois o seu ciclo de operação apresenta quatro estágios distintos como se pode ver na Figura 2.33:  Admissão: quando o pistão efetua o percurso descendente, estando a válvula de admissão aberta. A descida do pistão provoca uma depressão no interior do cilindro, e induz a mistura ar-combustível para dentro do mesmo. Assim se dá o enchimento do cilindro, com o pistão a movimentar-se desde o seu PMS até ao seu PMI;  Compressão: ocorre quando com as válvulas de admissão e escape fechadas, o pistão sobe do PMI até ao PMS, comprimindo os gases que foram admitidos durante a admissão. A compressão irá provocar um aumento da pressão e consequentemente da temperatura, vaporizando parte da gasolina (ainda no estado liquido) e homogeneizando a mistura. Este estágio permitirá que a combustão seja mais completa, libertando mais calor e reduzindo a quantidade de produtos não queimados (altamente poluentes).  Explosão (expansão): No momento em que o pistão termina o seu movimento ascendente no curso da compressão (PMS), uma faísca elétrica de elevada tensão é libertada entre os elétrodos da vela, na câmara de combustão. A mistura, pré-aquecida durante a compressão, queima rapidamente. A pressão obtida é muito elevada, provocando o movimento descendente do pistão violentamente até ao PMI. Esta descida é a responsável pelo movimento do veio motor (cambota), sendo designado por tempo motor, pois é o único estágio em que o motor fornece trabalho.  Expulsão (escape): com a válvula de escape aberta após o final do tempo motor (em PMI), os gases queimados escapam por ela a grande velocidade. O Cap. 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 36 movimento ascendente do pistão, vai permitir a limpeza do cilindro dos gases queimados, sendo a válvula de escape fechada quando o pistão atingir novamente o seu PMS. Os gases após percorrerem o escape, são descarregados na atmosfera. O ciclo é o conjunto dos quatro estágios: admissão, compressão, expansão e expulsão. Este ciclo repete-se continuamente durante o funcionamento do motor de combustão interna. No caso dos motores de ignição por compressão não existe um sistema de preparação da mistura exterior nem sistema de ignição, a combustão é resultado do aumento da pressão, que provoca um aumento da temperatura, o suficiente para garantir a inflamação do gasóleo à medida que é injetado no seio do ar. [41] Os veículos híbridos elétricos têm sido desenvolvidos de forma a combinar os benefícios dos motores de combustão interna e dos motores elétricos. Assim os motores elétricos são usados para compensar algumas deficiências que os MCI possuem, permitindo que estes apenas sejam utilizados no regime ótimo de funcionamento, permitindo maior eficiência e redução de emissões poluentes. Por sua vez, os MCI permitem uma maior autonomia ao veículo híbrido elétrico, pois para além de poder ajudar na propulsão do veículo, pode carregar as baterias fornecendo energia a um gerador de energia. Desta forma, esta aberto o caminho à utilização de MCI de dimensões mais reduzidas, quando comparados com os veículos convencionais. [9] Exemplos de motores utilizados em veículos híbridos elétricos: Tabela 2.5 | Motor de combustão interna utilizados em alguns veículos híbridos. [45] Modelo do veículo Motor de combustão interna 1997 a 2009 -Toyota Prius (XW10, XW20) 4 Cilindros em linha,1497cc,ciclo Atkinson Desde 2009 - Toyota Prius (XW30) 4 Cilindros em linha,1797cc,ciclo Atkinson 2000 a 2006 - Honda Insight (ZE1) 3 Cilindros em linha,995cc,gasolina 2010 - Chevrolet Volt 4 Cilindros em linha,1398cc,gasolina 2.8.2 Motores Elétricos Nos veículos híbridos elétricos os motores elétricos podem ter duas funções, consoante as configurações adotadas para o veículo. O motor elétrico pode ser utilizado para converter energia elétrica em energia mecânica para ser utilizada na propulsão do veículo, como pode transformar energia mecânica em energia elétrica (funcionando como gerador) para alimentar o sistema de armazenamento de energia. [1] A escolha dos motores elétricos para serem utilizados nos sistemas de propulsão híbridos tem-se revelado ao longo dos anos um verdadeiro desafio, não sendo de estranhar a contínua procura dos construtores de automóveis, do mais apropriado sistema de propulsão elétrica para os veículos híbridos. Os construtores têm procurado fundamentalmente três características chave: eficiência, confiança e custo. [46] Cap. 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 37 Esta tarefa de escolher o sistema de propulsão híbrido mais adequado é difícil, pois depende de outros fatores que nem sempre são fáceis de conciliar: expetativa do condutor, restrições impostas pelo veículo (dimensões, peso, área frontal, entre outros) e a fonte de energia. [46] Do ponto de vista da indústria, os quatro tipos de motores elétricos, adotados ou que correm sério risco de o serem, para serem usados nos veículos híbridos elétricos são:  Motor elétrico DC  Motor elétrico de indução  Motor elétrico de ímanes permanentes  Motor elétrico de relutância variável Figura 2.34 | Secções transversais dos motores. [46] A análise de diversos artigos relacionados com o estado de arte dos sistemas de propulsão elétricos, permitiu-me observar que o motor elétrico de indução e o de imanes permanentes são atualmente os mais utilizados, os de relutância variável começam a ganhar bastante interesse e em sentido descendente de interesse aparecem os motores DC. [46] Segundo o estudo efetuado por Zeraoulia, Benbouzid e Diallo, as principais exigências do sistema de propulsão dos veículos híbridos elétricos são:  Potência instantânea elevada, assim como uma alta densidade de potência;  Um elevado binário a baixa velocidade para o arranque e em subida, assim como uma alta potência a uma velocidade elevada contante;  Uma gama de velocidade muito ampla nas regiões de binário e potência constantes;  Uma resposta rápida de binário;  Eficiência elevada acima das gamas de velocidade e binário;  Eficiência elevada no modo de travagem regenerativa;  Alta fiabilidade e robustez para várias condições de funcionamento;  Custo razoável. A Figura 2.35 ilustra o gráfico característico de um motor elétrico comum, usado em veículos híbridos elétricos. Cap. 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 44 Figura 2.48 | Conjunto motor combustão interna, motor elétrico de relutância variável e caixa de velocidades do Holden ECOmmodore. [53] O funcionamento do motor de relutância variável é extremamente simples. O estator e o rotor de ferro são magnetizados por uma corrente que passa através de uma bobina presente no estator. Sempre que o rotor não estiver alinhado com o campo magnético do estator, um binário de rotação será produzido para o rotor rodar e minimizar o espaço de ar (relutância) entre os dois, permitindo que o campo magnético seja simétrico. No momento em que o rotor está alinhado com o estator, a corrente é desligada e o rotor move-se até uma posição em que a corrente possa, de novo, ser aplicada. [36] Figura 2.49 | Gráfico característico do motor de relutância variável (SRM). [46] Estes motores podem inerentemente operar numa faixa de potência constante extremamente longa. Contudo, apresentam, algumas desvantagens como o seu ruído acústico, binário oscilante (ondulação do binário motor) e interferência eletromagnética. [46] Cap. 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 45 Exemplos de aplicação: Figura 2.50 | Holden ECOmmodore Hybrid. [53] 2.8.2.5 Comparação entre os diferentes motores elétricos Os motores elétricos de indução (IM - induction motors) aparentam ser os candidatos mais adaptados para a propulsão dos veículos híbridos urbanos. A Tabela 2.6, que será apresentada, é baseada nas principais características dos veículos híbridos com propulsão elétrica, cada uma delas graduadas de 1 a 5 pontos, sendo que 5 pontos será a pontuação máxima. No estudo foi atribuído o mesmo peso a todas as características de forma a abranger uma vasta gama de HEVs. Contudo, é necessário ter em conta que o peso de cada uma destas características depende da sua aplicação, como por exemplo, na escolha do motor elétrico são tidos em conta basicamente três fatores: peso, eficiência e custo. Já no caso por exemplo de um veículo de combate em que os fatores de fiabilidade e maturidade tecnológica são muito mais importantes do que a eficiência. [46] Tabela 2.6 | Avaliação dos sistemas de propulsão elétrica. [46] Tipos de Motor DC Indução Imanes Permanentes SRM Características Densidade de Potência 2.5 3.5 5 3.5 Eficiência 2.5 3.5 5 3.5 Controlo 5 5 4 3 Fiabilidade 3 5 4 5 Maturidade Tecnológica 5 5 4 4 Custo 4 5 3 4 ∑ Total 22 27 25 23 Cap. 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 46 2.8.3 Sistema de Armazenamento de Energia A eficiência e autonomia totalmente elétrica dos veículos híbridos elétricos dependem da capacidade do seu sistema de armazenamento de energia. Este é utilizado para armazenar grandes quantidades de energia, mas também deve possuir a capacidade de fornecer rapidamente, em função do que o sistema de tração exigir. As características mais importantes dos sistemas de armazenamento de energia utilizados neste tipo de veículos incluem a densidade de energia, densidade de potência, eficiência, ciclo de vida, custo e manutenção. Atualmente, as baterias e os supercondensadores são as soluções mais adotadas para os sistemas de armazenamento de energia. As baterias possuem elevadas densidades de energia e armazenam a maior parte da energia a bordo dos veículos elétricos. Os supercondensadores, por sua vez, possuem elevadas densidades de potência e garantem um longo ciclo de vida com elevada eficiência e rápida resposta para carregar/descarregar. No presente, nenhum simples sistema de armazenamento de energia consegue responder aos requisitos dos veículos híbridos elétricos e veículos elétricos. [54] 2.8.3.1 Baterias para HEVs, EVs e PHEVs As baterias são, até ao presente, o sistema de armazenamento de energia predominante nos veículos elétricos, devido às suas características em termos de elevada densidade de energia, fiabilidade, robustez, portabilidade e baixo custo. [54] As baterias eletroquímicas, mas vulgarmente designadas por "baterias", são dispositivos eletroquímicos que convertem energia elétrica em energia potencial química durante o período de carregamento, e convertem a energia química em energia elétrica durante o período de descarregamento. [3] Estas consistem tipicamente numa solução eletrolítica, dois elétrodos (um positivo e um negativo) e um separador (material eletricamente isolante e poroso). Os dois elétrodos são feitos de materiais diferentes, os quais reagem quimicamente com o eletrólito, através de uma solução iônica, ver Figura 2.51. Cap. 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 47 Figura 2.51 | Funcionamento de uma bateria. [55] As características mais importantes das baterias com aplicação nos veículos automóveis são o ciclo de vida, potência específica, energia específica, custo e segurança da tecnologia. [29] As baterias são especificadas pelo fabricante através da sua capacidade coulométrica (amperes x hora), sendo definido como o valor em ampere x hora obtido na descarga, a partir de um estado de carga completa até que a tensão nos seus terminais decresça até à sua tensão de corte. Na Figura 2.52 está um desses casos típico. Figura 2.52 | Voltagem "Cut-off" de uma bateria. [3] É importante lembrar que uma mesma bateria apresenta valores de capacidade diferentes para taxas de descarga diferentes, normalmente a capacidade de uma bateria decresce com o aumento da taxa de descarga. Os fabricantes de baterias especificam as baterias em função da sua capacidade em Ah juntamente com a taxa de corrente. Por exemplo, para uma bateria com a designação de 100 Ah a uma taxa C5, teria uma capacidade de 100 amperes x hora a uma taxa de descarga de 5 horas (Corrente Descarga=100/5= 20A). [3] Cap. 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 48 Figura 2.53 | Características de descarga de baterias de chumbo-ácido. [3] Outro parâmetro importante da bateria é o estado de carga (SOC - State-of-charge). Este é definido como o rácio entre a capacidade num dado momento e o estado de carga completa, onde 100% significa que a bateria está completamente carregada e 0% significa que está completamente descarregada. [3] As baterias viáveis para veículos elétricos (EVs) e veículos híbridos elétricos (HEVs) são atualmente: [54]  Chumbo-ácido  Hidreto metálico de níquel (Ni-MH)  Níquel-cadmio (Ni-Cd)  Iões de lítio  Lítio-polímero  Baterias Chumbo-ácido As baterias chumbo-ácido são compostas por um cátodo de óxido de chumbo, uma esponja de chumbo que funciona como ânodo e uma solução eletrolítica de ácido sulfúrico. Durante a descarga ambos os materiais são transformados em sulfato de chumbo. [54] Estas baterias possuem uma série de vantagens, tais como fiabilidade, robusta, tolerante aos abusos, tolerante à sobrecarga, vasta gama de tamanhos e capacidades disponíveis, muitos fornecedores por todo o mundo, impedância interna baixa e pode fornecer correntes muito altas. Porém, este tipo de baterias não é apropriado para grandes descargas superiores a 20% da sua capacidade nominal. Quando é sujeita a ciclos de descarga profundos, o seu ciclo de vida baixa consideravelmente. Ver Tabela 2.7, [54] Cap. 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 49 Tabela 2.7 | Características das baterias Chumbo-ácido. [56] Baterias chumbo-ácido Voltagem por célula [V] 2.0 Energia específica [Wh/kg] 35 Potência específica [W/kg] 180 Densidade de energia [Wh/l] 100 Eficiência [%] > 80 Ciclo de vida [ciclos] 1000 Custo de produção [€/kW.h] 45 Taxa auto-descarga [por mês %] 3 - 4  Baterias de hidreto metálico de níquel As baterias de hidreto metálico de níquel usam uma solução alcalina como eletrólito. O elétrodo positivo (cátodo) da bateria Ni-MH é composto por hidróxido de níquel, sendo que o seu elétrodo negativo consiste numa liga de absorção de hidrogénio, como por exemplo, liga de vanádio, titânio, níquel e outros metais. Esta característica permite que este tipo de baterias possa possuir uma capacidade superior duas a três vezes comparativamente com as baterias de Ni-Cd. Os componentes da bateria Ni-MH são amigos do ambiente, e além disso, podem ser reciclados. As principais vantagens das baterias Ni-MH é que são seguras a trabalharem a altas tensões, longo ciclo de vida, gama de temperatura de utilização elevada, e resistência a sobrecarga e descarga. Contudo em casos de descarregamentos sucessivos, pode ver o seu ciclo de vida reduzido (200 - 300 ciclos). A sua melhor performance de operação é alcançada quando é descarregada entre 20 a 50% da sua capacidade nominal. Ver Tabela 2.8 [54] Tabela 2.8 | Características das baterias Ni-MH. [56] Baterias Ni-MH Voltagem por célula [V] 1.2 Energia específica [Wh/kg] 70 - 95 Potência específica [W/kg] 200 - 300 Densidade de energia [Wh/l] 180 - 220 Eficiência [%] 70 Ciclo de vida [ciclos] <3000 Custo de produção [€/kW.h] 150 - 190 Taxa auto-descarga [por mês %] 20 - 30 Cap. 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 50  Baterias de Níquel-Cádmio As baterias de níquel-cádmio contêm o pólo positivo e negativo no mesmo recipiente. O pólo positivo (cátodo) está coberto de hidróxido de níquel, e o seu pólo negativo (ânodo) coberto de metal de cádmio. Ambos os elétrodos encontram-se mergulhados numa solução alcalina de hidróxido de potássio, que permite a condução dos iões. Estas baterias possuem um longo tempo de vida e podem ser completamente descarregadas pois não sofrem qualquer dano. Contudo, e apesar de estas baterias poderem ser recicladas, o cádmio é um tipo de metal pesado inimigo do ambiente, que no caso de não ser corretamente tratado, torna-se numa ameaça ambiental. O custo deste tipo de baterias é uma das suas desvantagens. Ver Tabela 2.9. [54] Tabela 2.9 | Características das baterias Ni-Cd. [56] Baterias Ni-Cd Voltagem por célula [V] 1.2 Energia específica [Wh/kg] 50 - 80 Potência específica [W/kg] 200 Densidade de energia [Wh/l] 300 Eficiência [%] 75 Ciclo de vida [ciclos] 2000 Custo de produção [€/kW.h] 180 - 220 Taxa auto-descarga [por mês %] 10 - 20  Baterias de Iões de Lítio Os três componentes funcionais deste tipo de baterias são os dois elétrodos e a solução eletrolítica. Geralmente, o elétrodo negativo das baterias de iões de lítio são feitos de carbono, enquanto o elétrodo positivo é composto por um óxido de metal (cobalto). A solução eletrolítica é um sal de lítio dissolvido num solvente orgânico. Quando a bateria está a descarregar os iões de lítio fluem no pólo negativo para o pólo positivo, invertendo o sentido quando a bateria está a carregar. Este tipo de baterias apresenta uma alta densidade de energia, um bom desempenho a altas temperaturas e é reciclável. Como principais características, estas baterias apresentam um baixo efeito de memória, potência específica elevada, alta energia específica e um longo tempo de vida útil. Ver Tabela 2.10. [54] Cap. 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 51 Tabela 2.10 | Características das baterias de Iões de Lítio. [56] Baterias iões de lítio Voltagem por célula [V] 3.6 Energia específica [Wh/kg] 118 - 250 Potência específica [W/kg] 200 - 430 Densidade de energia [Wh/l] 200 - 400 Eficiência [%] > 95 Ciclo de vida [ciclos] 2000 Custo de produção [€/kW.h] 110 Taxa auto-descarga [por mês %] 5 - 10  Baterias de Lítio-Polímero As baterias de lítio-polímero são uma evolução das baterias de iões de lítio. Nestas baterias os eletrólitos de sais de lítio não são retidos por um solvente orgânico, existe por sua vez um material compósito de polímero sólido como o óxido de polietileno ou poliacrilonitrilo. [57] Este tipo de baterias apresentam vantagens importantes como uma taxa muito baixa de auto-descarga (cerca de 5% ao mês), capacidade de fabrico numa grande variedade de formas e tamanhos, e design seguro (devido à reduzida atividade do lítio com o eletrólito sólido). Contudo, apresentam como desvantagem um desempenho relativamente fraco a baixa temperatura devido à dependência da temperatura da condutividade iônica. Ver Tabela 2.11. [3] Tabela 2.11 | Características das baterias de Lítio-Polímero. [56] Baterias lítio-polímero Voltagem por célula [V] 3.7 Energia específica [Wh/kg] 130 - 225 Potência específica [W/kg] 260 - 450 Densidade de energia [Wh/l] 200 - 250 Eficiência [%] --- Ciclo de vida [ciclos] > 1200 Custo de produção [€/kW.h] 110 Taxa auto-descarga [por mês %] 5 Cap. 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 52 2.8.3.2 Comparação entre os diferentes tipos de baterias Atualmente existem 5 tipos de baterias disponíveis no mercado que podem ser aplicados ao sistema de transporte rodoviário. A Tabela 2.12 apresenta todas as tecnologias e características dessas baterias. As baterias chumbo-ácido são as comuns atualmente pela sua utilização nos veículos convencionais. Destacam-se das demais pelo seu baixo custo de produção, e são uma boa solução quando o seu peso não é importante para o projeto. No entanto estas baterias não são amigas do ambiente, e causam problemas ambientais quer no seu fabrico quer no processo de eliminação. [56] As baterias de níquel, por exemplo, as de níquel-cádmio (Ni-Cd) possuem um efeito de memória que não é adequado para usar em altas taxas de carga/descarga, como acontece nas aplicações automóveis, no entanto apresenta um bom desempenho em condições de trabalho rigorosos. Este tipo de baterias contém também materiais tóxicos e ainda um elevado custo de produção e de manutenção. [56] As baterias de hidreto metálico de níquel (Ni-MH), por sua vez, são amigas do ambiente e podem ainda possuir duas a três vezes uma capacidade superior ao de uma bateria de Ni-Cd. No entanto, esta bateria tem uma taxa de auto-descarga cerca de 50% mais elevada quando comparada com as baterias de Ni-Cd. Outro dos inconvenientes passa pelo seu tempo de carregamento, que é superior às baterias de chumbo-ácido e às NiCd, gerando uma enorme quantidade de calor durante o carregamento. [56] Consequentemente, a bateria Ni-MH requer algoritmo de carga mais complexo e carregadores mais dispendiosos. [56] Tabela 2.12 | Comparação entre os diferentes tipos de baterias para EVs e HEVs. Baterias Características fundamentais das baterias Energia Específica [Wh/kg] Potência Específica [W/kg] Densidade Energia [Wh/l] Eficiência [%] Ciclo de vida [ciclos] Custo Produção [€/kW.h] Chumboácido 35 180 100 > 80 1000 45 Ni-MH 70 - 95 200 - 300 180 - 220 70 < 3000 150 - 190 Ni-Cd 50 - 80 200 300 75 2000 180 - 220 Iões de lítio 118 - 250 200 - 430 200 - 400 > 95 2000 110 Lítiopolímero 130 - 225 260 - 460 200 - 250 --- > 1200 110 As baterias de lítio são, na atualidade, os mais promissores dispositivos de armazenamento de energia devido às suas características. O seu baixo peso, elevada energia específica, potência específica e densidade de energia fazem com que sejam as mais evoluídas tecnologicamente quando comparadas com as baterias Chumbo-ácido, Hidreto metálico de Níquel e as de Níquel-Cádmio. Acrescentando ainda o facto não terem nenhum efeito de memória, bem como a ausência de metais tóxicos, como o chumbo, cádmio ou mercúrio, permitindo que sejam amigas do ambiente. [56] Cap. 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 53 De forma a reduzir o custo das baterias de iões de lítio, estão a ser usadas as baseadas em manganês ao invés das de níquel. [3] Figura 2.54 | Pack de baterias Ni-MH. [58] Figura 2.55 | Pack de baterias de Iões de lítio. [59] Figura 2.56 | Comparação dos diferentes tipos de baterias. [7] 2.8.3.3 Supercondensadores Os supercondensadores armazenam energia através da separação física das cargas positivas e negativas. As cargas são armazenadas em dias placas paralelas e divididas por um isolante. Como não existem variações químicas sobre os elétrodos, os supercondensadores apresentam um longo ciclo de vida, mas uma baixa densidade energética. A Figura 2.57 apresenta a estrutura de uma célula individual de um supercondensador. [54] 61 3 DESENVOLVIMENTO 3.1 Seleção do veículo Na fase inicial do trabalho foi necessário selecionar um veículo convencional existente no mercado, que serviria como plataforma base para o projeto. Foram então analisados diversos veículos, com características diferentes, pois à luz do código da estrada, uns são considerados automóveis enquanto outros são considerados quadriciclos. Nesta análise foram tomados em consideração diversos aspetos tais como, dimensões do veículo, categoria de circulação (possibilidade de circular em autoestrada), nível de consumo de combustível e performance. De uma lista extensa de veículos, ficamos reduzidos a cinco, sendo que dois deles estão classificados, pela legislação portuguesa atual, como quadriciclos:  Fiat Seiscento;  Toyota iQ;  Smart ForTwo;  Aixam 400 (quadriciclo);  Ligier Ixo Urban C (quadriciclo). Figura 3.1 | Fiat Seicento. [62] Figura 3.2 | Toyota iQ. [63] Figura 3.3 | Smart ForTwo. [64] Figura 3.4 | Aixam 400. [65] Figura 3.5 | Ligier Ixo Urban C. [66] Os quadriciclos Aixam 400 e o Ligier Ixo Urban C foram preteridos, devido a não poderem circular em autoestradas que é um dos requisitos impostos a este trabalho, os veículos devem estar autorizados a circular em percursos extraurbanos. A seleção fica agora Cap. 3 DESENVOLVIMENTO 62 reduzida a três veículos, todos eles de classe B (segundo a legislação portuguesa). A opção do Toyota iQ foi colocada de parte, devido ao seu elevado custo de aquisição quando comparado com os outros dois veículos. Restando apenas o Smart ForTwo e o Fiat Seicento, a escolha recaiu sobre o primeiro. Esta escolha é facilmente justificada com o facto de se pretender fazer uma análise dos consumos e performances dos veículos, sendo que o modelo Smart já existe nas versões a gasolina, diesel e elétrico, permitirá efetuar uma comparação entre todos. Com o objetivo de reduzir o custo de aquisição do veículo, e de manter um orçamento reduzido para todo o projeto, a escolha recaiu sobre o Smart ForTwo da primeira geração. Ver Figura 3.6. Figura 3.6 | Smart ForTwo 1ª geração - veículo adquirido. Tabela 3.1 | Características do veículo adquirido. [45] Características do veículo adquirido para elaboração do projeto Modelo Smart & Pure Combustível Gasolina Motorização 599 cm3 / 3 cilindros / turbo Potência Nominal 30kW/41HP a 5250RPM Binário Nominal 70 Nm a 3000RPM Emissão de CO2 90 g/km Pneus Dianteiro: 145/65 R15; Traseiro: 175/55 R15 Peso 795 kg Dimensões (mm) 2500 (comp.) x 1515 (larg.) x 1549 (alt.) Distância entre eixos 1812mm Velocidade Máxima 135 km/h (limitada eletronicamente) Cor Vermelho Preço 2500€ Cap. 3 DESENVOLVIMENTO 63 3.2 O Smart e a sua história A origem do Smart remonta aos finais dos anos 90 quando Nicolas Hayek, CEO da SMH, empresa detentora da marca de relógios Swatch, idealizou desenvolver um micro automóvel que tivesse por base as mesmas estratégias de produção e personalização dos relógios. A empresa privada de Hayek, a Hayek Engineering AG, começou então a desenvolver um novo veículo com capacidade para 2 passageiros e com motor híbrido. [67] Hayek sabendo que os principais fabricantes de automóveis podiam encarar o aparecimento do Smart como uma ameaça, procurou desde logo encontrar um parceiro de negócio que o ajudasse no desenvolvimento do projeto. Assim e após várias tentativas, em Julho de 1991, Hayek assinou um acordo de cooperação com a Volkswagen. Contudo este projeto não durou mais que dois anos e foi terminado com a entrada de Ferdiand Piëch para CEO da Volkswagen, que justificou esta decisão com o projeto já em curso do futuro Lupo. [66] Figura 3.7 | Nicholas Hayek, criador do veículo Smart. [68] Nicholas Hayek estabeleceu então novos contactos e após ter sido recusado pela BMW, Fiat, General Motors e Renault, conseguiu uma nova parceria, desta feita com a DaimlerBenz AG, e em conjunto formaram a MCC (Micro Compact Car AG) com sede na Suíça. [66] Em 1995 foi criada uma fábrica para a produção do veículo Smart (acrónimo de Swatch/Mercedes e Art) em França, mais precisamente em Hambach. Tendo sido apresentado, em 1997, o primeiro veículo Smart no Salão Automóvel de Frankfurt, a sua comercialização aconteceu no ano seguinte em 9 países europeus (Bélgica, Alemanha, França, Itália, Luxemburgo, Áustria, Suíça, Espanha e Holanda). Devido ao pouco entusiasmo que o Smart conseguiu captar, a Mercedes de forma a manter a empresa viável (necessitou de ser recapitalizada) adquiriu a totalidade da empresa. Essa decisão viria a revelar-se acertada, pois no início do século XXI, o Smart tornou-se num dos principais ícones do mercado automóvel, de tal forma que chegou a ser produzido uma versão de quatro lugares (ver Figura 3.8) em 2003, que acabou por não se revelar tão popular e deixou de ser produzida em 2005. Desde 2007 até ao presente, a Smart tem vindo a ganhar terreno com a nova geração do veículo de dois lugares, o Smart ForTwo. Cap. 3 DESENVOLVIMENTO 64 O Smart ForTwo teve até ao presente duas gerações, a primeira geração, cujo modelo é utilizado neste projeto (ver Figura 3.9), utilizou três motorizações distintas: duas a gasolina e uma a gasóleo (diesel). As cilindradas variavam entre os 599cc e 698cc para o Smart a gasolina e 799cc para o Smart a gasóleo. A segunda geração (ver Figura 3.10) passou a dotar o Smart a gasolina de motores com 999cc, sendo disponibilizadas versões com e sem turbo. [66] Figura 3.8 | Smart ForFour. [69] Figura 3.9 | ForTwo 1ª geração. [64] Figura 3.10 | ForTwo 2ª geração. [64] 3.3 Soluções Construtivas para a hibridização do Smart No seguimento de uma parceria entre o DEMEC (Departamento de Engenharia Mecânica) e o DEEC (Departamento de Engenharia Eletrotécnica e de Computadores) em que foram realizados dois projetos para a hibridização de um veículo, surgiu um novo projeto que tem por finalidade a implementação da tecnologia híbrida no Smart ForTwo. Na fase inicial deste novo projeto, foram analisadas as considerações tomadas nos projetos anteriores, nomeadamente:  Ligação mecânica entre o motor elétrico e rodas;  Ligação mecânica entre o motor de combustão interna e o gerador elétrico;  Equipamento de suporte para motor elétrico e para gerador;  Atravancamento geral de todos os componentes e localizações;  Dimensionamento do motor/gerador elétrico. Na fase da análise ao dimensionamento do motor/gerador elétrico foi detetado a inexistência de uma folha de cálculo em que nos deveríamos basear para justificar a seleção do motor elétrico. Essa folha de cálculo deverá definir qual o binário de arranque que o motor elétrico deverá possuir, a partir de prossupostos assumidos para o veículo. No caso, o veículo estando parado, deveria ser capaz de vencer uma inclinação de 10%, a uma velocidade de 20 km/h. A elaboração da folha de cálculo, ver Figura 3.11, em que foram considerados dados específicos do veículo (peso máximo de transporte, área frontal, pneus, entre outros), a relação de transmissão antes da caixa, a relação da caixa de velocidades (em função da velocidade escolhida), permitiu a determinação do binário de arranque que o motor elétrico necessita para satisfazer os requisitos do veículo. Cap. 3 DESENVOLVIMENTO 65 Figura 3.11 | Folha de cálculo utilizada para determinação do binário de arranque do motor. Após a análise dos resultados, verificou-se que o motor elétrico inicialmente selecionado, o LEM200 motor DC de ímanes permanentes com escovas (ver Figura 3.12), não satisfazia os requisitos do veículo, sendo necessário a seleção de um outro motor elétrico. Em consenso com o Eng.º Ferreira Duarte e o Eng.º Armando Araújo, ficou decidido selecionar o motor elétrico EMRAX (ver Figura 3.13), quer como motor quer como gerador. No entanto, as características do motor EMRAX, os binários e esforços envolvidos obrigaram a uma reformulação das soluções construtivas anteriormente apresentadas. Assim, foi necessário elaborar uma nova solução construtiva que levou a alteração da ligação mecânica entre motor elétrico e caixa de velocidades, entre o motor de combustão interna e o gerador, diferentes suportes do motor/gerador e ainda uma nova localização do gerador elétrico. Figura 3.12 | Motor Elétrico LMC LEM200. 3.3.1 Solução Construtiva Adotada A necessidade de uma nova solução construtiva obrigou a uma nova análise para a localização dos mais diversos componentes. Este projeto implica a presença de duas "máquinas elétricas", um funcionando como motor elétrico e responsável pela tração do veículo, e outro como gerador elétrico (alimentado pelo motor de combustão interna presente no veículo) e responsável pelo Cap. 3 DESENVOLVIMENTO 66 carregamento do sistema de armazenamento de energia ou por fornecer diretamente energia elétrica ao motor elétrico. 3.3.1.1 Seleção do motor/gerador elétrico Os motores elétricos escolhidos foram os motores EMRAX 228 para funcionar como motor elétrico e o motor EMRAX 207 para funcionar como gerador elétrico. Ambos os motores podem ser refrigerados (ar ou líquido), e são caracterizados por terem todas as dimensões iguais, exceto o seu diâmetro, que são 228 mm e 207 mm respetivamente. Figura 3.13 | Motor Elétrico EMRAX. [70] Tabela 3.2 | Características dos equipamentos usados como motor/gerador elétrico. [70] Características Motores EMRAX Dados Técnicos EMRAX 207 Medium Voltage EMRAX 228 Medium Voltage Refrigeração Líquido Ar Líquido Ar Peso [kg] 8,9 8,8 12,1 11,9 Diâmetro/Largura [mm] 207 / 85 228 / 86 Gama tensão da bateria [Vdc] 50 - 250 (*290) 50 - 350 (*450) Potência max. [kW] 70 100 Potência contínua [kW] 20 - 35 20 - 30 30 - 50 25 - 40 Vel. Rotação max. [rpm] 5000 (*6000) 4000 (**5000) (*6000) Binário max. [Nm] 150 240 Binário contínuo [Nm] 75 125 Eficiência nominal [%] 93 - 96 93 - 96 * Testado pelo fabricante durante poucos segundos ** Testado pelo fabricante durante poucos minutos Cap. 3 DESENVOLVIMENTO 67 Nas figuras seguintes, serão apresentados os gráficos de potência e os mapas de eficiência dos motores elétricos EMRAX 207 e EMRAX 228 High Voltage. Estes gráficos são em tudo idênticos aos do Medium Voltage, segundo informação do fabricante. Figura 3.14 | Gráfico de potência do motor EMRAX 207 High Voltage. [70] Figura 3.15 | Gráfico do mapa de eficiência do motor EMRAX 207 High Voltage. [70] Cap. 3 DESENVOLVIMENTO 68 Figura 3.16 | Gráfico de potência do motor EMRAX 228 High Voltage. [70] Figura 3.17 | Gráfico do mapa de eficiência do motor EMRAX 228 High Voltage. [70] A análise das características do motor EMRAX 207, Tabela 3.2 e da folha de cálculo apresentada na Figura 3.11, permitem concluir que é possível selecionar este motor como o motor responsável pela tração, pois cumpre os requisitos do veículo. No entanto e neste caso em especial, o motor escolhido foi o EMRAX 228, que está claramente Cap. 3 DESENVOLVIMENTO 69 sobredimensionado para este projeto, no entanto o facto de ele já estar disponível nas instalações da faculdade e de permitir economizar recursos financeiros na compra de um novo motor EMRAX 207, levou a que se optasse pela sua utilização. Caraterísticas como a sua velocidade de rotação, binário disponibilizado e potência estiveram na base da escolha dos motores EMRAX 207 e 228, para funcionamento como gerador elétrico e motor de tração respetivamente. 3.3.1.2 Localização do motor e gerador elétrico no Smart Ambos os motores elétricos, quer o responsável pela tração quer o gerador elétrico, estão colocados na parte inferior do veículo. O motor elétrico responsável pela tração estará no lado do condutor, enquanto o gerador elétrico do lado do passageiro como pode ser observado na Figura 3.18. Figura 3.18 | Localização do motor e gerador elétrico no Smart. Figura 3.19 | Espaço disponível para colocação do motor e gerador elétrico. Cap. 3 DESENVOLVIMENTO 76 Figura 3.26 | Suporte frontal do motor de tração. Figura 3.27 | Suporte frontal do motor de tração. Por sua vez, o suporte traseiro do motor de tração, está aparafusado ao motor de tração, numa parte fixa (sem rotação). Entre o motor de tração e o suporte, foi colocado um guiamento/suporte do resolver que irá permitir controlar eletronicamente o motor/gerador e também devido à espessura da sua base (2 mm) evitar o contacto do suporte com outra qualquer parte do motor. Cap. 3 DESENVOLVIMENTO 77 Figura 3.28 | Suporte traseiro do motor de tração. Figura 3.29 | Suporte traseiro do motor de tração Ambos os suportes serão depois fixados ao tubo estrutural, por um encaixe posteriormente aparafuso ao suporte. De forma a garantir o posicionamento dos suportes, serão usados dois parafusos de guiamento entre o encaixe dos suportes e o tubo estrutural. A montagem do motor de tração com os respetivos suportes e demais componentes pode ser visualizado da Figura 3.30 à Figura 3.34 Figura 3.30 | Montagem da solução adotada para o motor de tração, suporte frontal. Cap. 3 DESENVOLVIMENTO 78 Figura 3.31 | Montagem da solução adotada para o motor de tração, suporte traseiro. Figura 3.32 | Montagem da solução adotada para o motor de tração, encaixe e guiamento. Figura 3.33 | Montagem da solução adotada para o motor de tração, ligação entre suportes e encaixe. Cap. 3 DESENVOLVIMENTO 79 Figura 3.34 | Montagem da solução adotada para o motor de tração, vista isométrica. A solução adotada usa outros componentes além dos suportes, encaixe e motor de tração, que tiveram de ser projetados. Esses componentes são o espaçador, a flange, veio da polia tensão e o suporte do veio da polia de tensão. Além destes, temos ainda os parafusos, anilhas, anéis de retenção, rolamentos, casquilhos, polias e correias que foram devidamente dimensionados para satisfazer a solução adotada. Todos estes componentes serão apresentados mais à frente, pois são usados também na solução adotada para o gerador elétrico. 3.3.1.4.4 Sistema de transmissão de potência O sistema de transmissão escolhido foi polias/correias, sendo que para a seleção de ambas foi tomado em consideração a velocidade de rotação necessária para o veículo atingir os 120 km/h (velocidade rotação máxima) e a potência fornecida pelo motor elétrico a essa velocidade de rotação. Estes dois dados são fundamentais para a seleção das polias e correias, dado que as correias, em particular, têm de suportar a potência que será fornecida pelo motor elétrico a uma dada velocidade de rotação. A velocidade de rotação que o motor elétrico deverá possuir é de ≅4534 rpm como já foi demonstrado anteriormente. Para saber qual a potência fornecida pelo motor elétrico a esta velocidade, recorre-se ao gráfico de potência do EMRAX 228, e verificase que para as ≅4534 rpm, o motor elétrico fornece aproximadamente 55 kW de potência, ver Figura 3.35. Cap. 3 DESENVOLVIMENTO 80 Figura 3.35 | Gráfico de potência do motor EMRAX 228. [70] Com estes dados, podemos agora avançar para a seleção das polias e correia que serão utilizados nesta solução. A ideia é utilizar elementos comerciais e que sejam facilmente encontrados em empresas especializadas. A escolha recaiu sobre a empresa Goodyear, um dos maiores fabricantes mundiais destes tipos de componentes, e detentor do programa MaximizerPro 3.0, especificamente desenvolvido para análise e seleção de polias e correias, ver Figura 3.36 e Figura 3.37. Figura 3.36 | Programa MaximizerPro 3.0. Cap. 3 DESENVOLVIMENTO 81 Figura 3.37 | Interface do programa MaximizerPro 3.0. A seleção das polias e correia parte com base nos dados de entrada, introduzidos pelo utilizador, e são os seguintes: distância entre eixos, velocidade de rotação do motor elétrico, velocidade pretendida no eixo movido, número de dentes das polias, potência fornecida pelo motor elétrico e ainda fator de serviço. Na Tabela 3.7, são apresentados os dados de entrada para a solução adotada: Tabela 3.7 | Dados de entrada no software MaximizerPro 3.0. Parâmetros de entrada Valores Distância entre eixos [mm] 448,00 Velocidade rotação do motor [rpm] 4750 Velocidade do eixo movido [rpm] 4750 Número dentes das polias 28 Potência fornecida ao motor elétrico [kW] 55 Fator de serviço 1,5 Dos parâmetros de entrada, o destaque vai para a velocidade de rotação escolhida. Foi utilizada uma velocidade de rotação superior à velocidade de rotação real que o motor irá ter, contudo esta escolha deve-se por motivos de segurança, garantindo desta forma que a correia poderá suportar a título excecional uma velocidade superior sem romper. Cap. 3 DESENVOLVIMENTO 82 Podemos também observar que quer a velocidade de rotação do motor, quer a do eixo movido tem o mesmo valor, isto significa que não irá ser utilizada qualquer redução no sistema de transmissão de potência. Por último, o fator de serviço, este valor foi definido tendo em conta quer a utilização diária do sistema, quer as cargas envolvidas. Com os valores de entrada definidos para a correia, o software calculou quais seriam as polias e correia síncronas comerciais produzidas pela marca e indicadas para esta aplicação, ver Figura 3.38. Figura 3.38 | Seleção do programa MaximizerPro para as polias e correia. Tabela 3.8 | Polias e correia selecionadas. Seleção das Polias e correia Correia Falcon HTC 8GTR-1120-36 Polias Falcon HTC GTR-28G-8M-36-MPB Os resultados da seleção do programa MaximizerPro podem ser observados na Tabela 3.8. A potência que a correia pode transmitir é de 66,2 kW, estando claramente acima do que o motor elétrico irá fornecer (aproximadamente 55 kW). Quanto ao fator de serviço, a correia, encontra-se com um patamar confortável de segurança, dado que o fator de serviço requerido é de 1,5 sendo que o fator de serviço permitido pela correia é de 1,7. Para além destas informações podem ainda ser observados outros dados importantes, como o diâmetro e largura da polia, largura e passo da correia, entre outros. Cap. 3 DESENVOLVIMENTO 83 Figura 3.39 | Pormenor correia Falcon HTC. [72] Figura 3.40 | Dimensões da correia Falcon selecionada. [72] Figura 3.41 | Exemplo polia Falcon HTC. [72] Com a seleção dos componentes responsáveis pelo sistema de transmissão de potência, a solução adotada para o motor de tração é apresentada da Figura 3.42 à Figura 3.44. Nas figuras apresentadas é possível visualizar a caixa de velocidades com o eixo primário invertido, o motor de combustão interna, e o sistema de transmissão de potência adotado para esta solução. A polia de tensão tem nesta solução uma dupla função, é importante para o tensionamento da correia e também para evitar o contacto entre o tubo estrutural e a própria correia do sistema de transmissão de potência. Cap. 3 DESENVOLVIMENTO 84 Figura 3.42 | Sistema de transmissão de potência entre motor elétrico e veio primário da caixa de velocidades. Figura 3.43 | Sistema de transmissão de potência entre motor elétrico e veio primário da caixa de velocidades, com montagem do motor combustão interna. Figura 3.44 | Sistema de transmissão de potência entre motor elétrico e veio primário da caixa de velocidades, vista isométrica. Cap. 3 DESENVOLVIMENTO 85 3.3.1.5 Gerador elétrico: Implicações e respetivo suporte O gerador elétrico, como foi referido anteriormente, será colocado na parte inferior do veículo, do lado do passageiro. Esta solução apresenta, como no caso do motor de tração, algumas situações que necessitam ser analisadas:  Desacoplamento do volante de inércia, polias e correias do motor de combustão interna que não sejam necessárias para a execução da solução adotada;  Desenvolvimento de um suporte para o gerador elétrico que permita manter a posição relativa entre o motor de combustão e o gerador elétrico;  Implementação de um sistema de transmissão de potência, entre o veio do motor de combustão interna e o veio do gerador elétrico;  Estudar a possibilidade de um possível deslocamento (se necessário) do depósito de combustível. 3.3.1.5.1 Desacoplamento do volante de inércia do motor de combustão interna A decisão do desacoplamento do volante de inércia do motor de combustão surgiu na sequência da parceria no projeto do DEEC. Os alunos deste departamento, sugeriram a utilização do gerador elétrico como responsável pelo arranque do veículo, em substituição do volante de inércia (dado o regime de funcionamento do motor de combustão e o binário resistente do gerador). Desta forma, o gerador elétrico, produzirá um binário (carga), que realizará a função de equilibragem do motor, até aqui realizada pelo volante de inércia. Contudo, existe ainda um desafio que tem de ser ultrapassado, que é conhecer a posição da cambota em qualquer instante, função antes realizada pelo volante de inércia por intermédio de um sensor. Este pequeno desafio, ficou a cargo dos alunos do DEEC. O alternador e a bateria serão mantidos com vista a permitir que todos os equipamentos auxiliares do veículo, tais como luzes, aquecimento, limpa para-brisas, etc., sejam alimentados pelo sistema original do veículo. 3.3.1.5.2 Definição dos suportes do gerador elétrico A solução adotada para o gerador elétrico, é em tudo semelhante à usada no caso do motor elétrico. O gerador elétrico terá dois suportes, um frontal e um traseiro, que vão suportar o peso próprio do motor, todos os componentes necessários ao acoplamento da transmissão, e ainda outros componentes necessários como rolamentos, flanges, etc. O suporte frontal do gerador elétrico é composto por duas polias e uma correia que será conectada a uma polia acoplada ao veio (cambota) do motor de combustão interna, permitindo a transmissão de potência do motor de combustão interna para o veio do gerador elétrico. Uma das polias acopladas no suporte frontal do gerador elétrico tem somente a função de tencionar a correia que transfere o movimento e o binário do Cap. 3 DESENVOLVIMENTO 92 Figura 3.57 | Sistema de transmissão de potência entre gerador elétrico e veio do motor de combustão interna, vista isométrica. Apresentada individualmente cada uma das soluções adotadas do motor elétrico (responsável pela tração do veículo),e do gerador elétrico (responsável por alimentar o sistema de armazenamento), pode-se visualizar da Figura 3.58 à Figura 3.60 a solução conjunta. Figura 3.58 | Montagem das soluções adotadas, vista topo. Cap. 3 DESENVOLVIMENTO 93 Figura 3.59 | Montagem das soluções adotadas, vista superior. Figura 3.60 | Montagem das soluções adotadas, perspetiva global. 3.3.1.6 Componentes projetados para as soluções adotadas Conforme foi referido anteriormente, foram projetados vários componentes que permitiram chegar à solução apresentada. Entre esses componentes estão a flange, o veio e o suporte da polia de tensão, o veio para controlo eletrónico do motor, o encaixe Cap. 3 DESENVOLVIMENTO 94 dos suportes e ainda o guiamento/suporte do resolver (transdutor de posição absoluto que gera sinais analógicos). Os componentes que em seguida serão apresentados foram aplicados em ambas as soluções adotadas (motor de tração e gerador elétrico). Alguns destes componentes, como é o caso da flange, veio do suporte para a polia de tensão, veio para controlo eletrónico do motor/gerador e o guiamento/suporte do resolver foram produzidos em aço CK45, cujas especificações técnicas são apresentadas em seguida: Tabela 3.11 | Especificações técnicas do aço CK 45. Aços de construção (carbono) Norma DIN / AISI CK45 / 1045 Marca F 10 Composição química 45% Carbono, ≤ 40% Silício, 65% Manganês Fornecimento/Estado Normalizado Tabela 3.12 | Especificações técnicas do aço CK 45. Propriedades Mecânicas Dependentes do diâmetro Limite de escoamento Rp0,2 [MPa] ≥ 33 Limite de resistência à tração Rm [MPa] ≥ 59 Alongamento A 50 [%] ≥ 4 Dureza, Brinell [HB] 207 Tabela 3.13 | Especificações técnicas do aço CK 45. Propriedade Físicas Valores Típicos Densidade [g/cm³] 7,84 Módulo de elasticidade [MPa] 190 - 210 Condutividade térmica [W/m · K] 11,6 - 15,1 3.3.1.6.1 Flange A flange, ver Figura 3.61 e Figura 3.62, é o componente responsável pela transmissão de movimento do motor/gerador elétrico para as polias do sistema de transmissão de potência. O componente está diretamente aparafusado ao motor/gerador por intermédio de seis parafusos M8 de cabeça hexagonal com flange. Cap. 3 DESENVOLVIMENTO 95 A flange irá acomodar um casquilho (espaçador), um rolamento que estará inserido no próprio suporte, e uma polia chavetada na extremidade do componente. Esta polia será "fixa" à flange através de um anel de retenção. Do lado onde irá encostar o motor, a flange possui um furo roscado M12 passo fino, para acomodar um veio que terá como função controlar eletronicamente o motor. Figura 3.61 | Flange motor/gerador. Figura 3.62 | Flange motor/gerador. 3.3.1.6.2 Veio e Suporte da polia de tensão Estes componentes, em conjunto com a polia, permitem a realização de duas funções: tencionar a correia e evitar o contacto entre a correia e o tubo estrutural. O suporte para o veio está fixo ao suporte frontal por intermédio de um parafuso M8 e uma anilha, sendo que este suporte é ajustável permitindo tencionar desta forma a correia. O suporte frontal tem um guiamento, no qual o suporte para o veio irá acoplar ficando desta forma o seu movimento limitado. Estes pormenores podem ser analisados da Figura 3.63 à Figura 3.65. Figura 3.63 | Suporte do veio para polia de tensão. Figura 3.64 | Suporte do veio para polia de tensão. Cap. 3 DESENVOLVIMENTO 96 Figura 3.65 | Montagem no suporte do veio para polia tensão. 3.3.1.6.3 Veio para controlar eletronicamente o motor/gerador elétrico O projeto deste veio surgiu já na fase final do projeto, e foi proposto pelo DEEC, com a finalidade de ser utilizado no controlo eletrónico do motor/gerador elétrico. Figura 3.66 | Veio para controlo do motor/gerador elétrico. Este veio tem nas suas duas extremidades diferentes funções. Na extremidade roscada, o veio ficará diretamente aparafusado à flange anteriormente apresentada, garantindo assim o controlo da transmissão de movimento do motor/gerador. A outra extremidade ficará acoplada a um suporte/guiamento do resolver, o qual será fixado por intermédio de uma anilha e um parafuso M5 ao veio, ver Figura 3.66. 3.3.1.6.4 Encaixe para fixação dos suportes do motor/gerador elétrico Este componente é o responsável pela fixação de ambos os suportes (frontal e traseiro), que vão acoplar o motor/gerador elétrico, ao tubo estrutural (chariot) do veículo. Este componente irá ficar aparafusado a cada suporte por dois parafusos M8. Por forma a garantir o posicionamento da estrutura de suporte, vão ser usados dois parafusos M10 que vão fixar o suporte ao tubo estrutural (com ligação tipo pino), evitando desta forma que exista uma rotação em torno do eixo do tubo estrutural. O encaixe utilizado nas duas soluções, quer para o motor de tração quer para o gerador elétrico, pode ser visualizado da Figura 3.67 à Figura 3.69. Cap. 3 DESENVOLVIMENTO 97 Figura 3.67 | Encaixe, vista frontal. Figura 3.68 | Encaixe, vista lateral. Figura 3.69 | Encaixe, em perspetiva. 3.3.1.6.5 Guiamento/Suporte do Resolver Este componente surgiu já na parte final do projeto, na sequência da parceria com o DEEC (Departamento de Engenharia Eletrotécnica e de Computadores). Após apresentados os requisitos por parte do DEEC, este componente foi projetado de forma a satisfazer esses mesmos requisitos, que permitem o controlo eletrónico do motor/gerador elétrico. O guiamento/suporte pode ser visualizado da Figura 3.70 à Figura 3.73. Cap. 3 DESENVOLVIMENTO 98 Figura 3.70 | Vista frontal. Figura 3.71 | Vista lateral. Figura 3.72 | Vista traseira. Figura 3.73 | Vista em perspetiva. 3.3.1.7 Outros componentes utilizados nas soluções adotadas Neste capítulo será feita referência a outros componentes utilizados nas soluções apresentadas, tais como rolamentos e anéis de retenção. Todos estes componentes foram devidamente dimensionados, no caso dos rolamentos, foram tidas em consideração as forças envolvidas de forma a garantir a correta seleção dos mesmos. Quanto aos anéis de retenção foi tido em consideração os diâmetros dos veios/caixas e ainda as tolerâncias exigidas para o projeto de desenho de fabrico. 3.3.1.7.1 Rolamentos Para o correto dimensionamento dos diversos rolamentos utilizados no nosso projeto, foi utilizado o software de cálculo da empresa Schaeffler. Foram escolhidos para este projeto, rolamentos de esferas, com proteção anticorrosiva e vedação de lábio de ambos os lados. Cap. 3 DESENVOLVIMENTO 99 Os rolamentos selecionados para cada um das polias que estarão nas flanges, foi selecionado o rolamento S6306-2RSR da FAG, as suas dimensões principais podem ser visualizadas na Figura 3.74. Figura 3.74 | Dimensões do rolamento de esferas selecionado. [73] Os rolamentos utilizados nas polias de tensão (dois em cada uma), serão os rolamentos de esferas 6301-2RSR também da FAG, as suas dimensões principais podem ser visualizadas na Figura 3.75. Figura 3.75 | Dimensões do rolamento de esferas selecionado. [73] Cap. 3 DESENVOLVIMENTO 100 3.3.1.7.2 Anéis de Retenção Nas soluções adotadas foram usados anéis de retenção internos e externos. Os anéis de retenção internos foram usados na caixa do suporte frontal, de forma a garantir o posicionamento do rolamento S6306-2RSR. Os anéis de retenção externos foram usados nas extremidades dos veios das flanges e nos veios suporte das polias de tensão. No primeiro caso, com o objetivo de garantir o posicionamento da polia utilizada para a transmissão de potência entre o veio da flange e o veio primário da caixa de velocidades. No segundo cado para garantir o posicionamento do rolamento S6301-2RSR. 3.4 Elaboração dos projetos em 2D, desenhos de execução Apresentadas as soluções a adotar, com recurso ao software de modelação em 3D Solidworks, o projeto avançou para os desenhos de fabricação em 2D. Esses desenhos serão utilizados para a posterior fabricação dos mais diversos componentes projetados. Os desenhos de fabricação podem ser analisados no Anexo B. É importante referir que, os desenhos foram projetados tendo em atenção o seu processo de fabrico, de forma a facilitar as operações de maquinagem e torneamento das peças. 3.5 Orçamentação e encomenda do material Com o objetivo de manter os custos associados ao projeto reduzidos, foram feitos vários pedidos de orçamentos para os diversos materiais e componentes. Assim, e após análise desses mesmos orçamentos foi decidido trabalhar com a empresa F.Ramada (aços), PolyLanema (alumínios) e HarkerSolutions (polias e correias). 3.6 Produção das peças nas oficinas Após a conclusão dos desenhos de fabricação de todos os componentes projetados para solução a implementar, e com a aquisição do material que seria utilizado para a fabricação desses componentes, o projeto avançou para a fase de fabrico na OFSTM (Oficina de Serralharia e Tecnologia Mecânica) nas instalações da FEUP. Ver da Figura 3.76 à Figura 3.78. Cap. 3 DESENVOLVIMENTO 101 Figura 3.76 | Produção do suporte traseiro em curso Figura 3.77 | Flange para motor/gerador Figura 3.78 | Fase inicial da produção do suporte frontal para motor/gerador 3.7 Outros componentes projetados Foram ainda projetados outros componentes para serem utilizados neste projeto. Entre esses componentes está o armazenamento dos controladores e a fixação deste armazenamento ao veículo adquirido, ver Figura 3.79, Figura 3.80 e Figura 3.81. A fixação do suporte da caixa à carroçaria do veículo será assegurada por seis parafusos M10. Cap. 5 REFERÊNCIAS 108 24. Chan, C.C., A. Bouscayrol, and K. Chen, Electric, hybrid, and fuel-cell vehicles: architectures and modeling. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2010. 59(2): p. 589-98. 25. Rohloff. Planetery gears. 2014 [cited 2014 03-01-2014]; Available from: www.rohloff.de/. 26. Toth-Nagy, C., Investigation and simulation of the Planetary Combination Hybrid Electric Vehicle. 2000, West Virginia University: United States -- West Virginia. p. 112-112 p. 27. Taylor, S.P., Design and Simulation of High Performance Hybrid Electric Vehicle Powertrains. 2001, West Virginia University. 28. Xin, L. and S.S. Williamson. 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Tabela 6.1 | Valores máximos de tensão e deslocamento atingidos. Tensão máxima 21,0 MPa Deslocamento máximo 0,166 mm Cap. 6 Anexos 115 A.3 Análise de tensões e deslocamentos para o suporte traseiro Momento a simular: 𝑇 󰇍 =| 0 269,285 −230,338|[𝑁.𝑚] Ponto de aplicação: 𝑃→(−0,200 0,060 0,085)[𝑚] Força a aplicar: 𝐹 =|−2000 −550 −500|[𝑁] Com base nesta força resultante foi possível, através do software SolidWorks 2013, testar o suporte traseiro, ver da Figura 6.5 à Figura 6.8. Figura 6.5 | Distribuição das tensões no suporte do motor tração (MPa) Cap. 6 Anexos 116 Figura 6.6 | Distribuição das tensões no suporte do motor tração (MPa) Figura 6.7 | Deslocamento máximo sofrido pelo suporte do motor (mm) Cap. 6 Anexos 117 Figura 6.8 | Deslocamento máximo sofrido pelo suporte do motor (mm) A Tabela 6.2 apresenta os valores máximos de tensão e deslocamento sofridos pelo suporte do motor de tração. Tabela 6.2 | Valores máximos de tensão e deslocamento atingidos. Tensão máxima 22,0 MPa Deslocamento máximo 0,175 mm 25 25 2 X R5 6 X 45° 85 30 42,50 10 28 5 20 15 H7 Data: 18/11/2013 1ºDiedro A4 Suporte Polia de Tensão Toleranciam. Geral: ISO 8015 ISO 2768 ESC. 1:1 VER. CÓP. PROJ. DES. Tese -Hibridação de veículo automóvel por Bruno Magalhães TÍTULO: 40 47 74 106 148 167 200 39 54 65 83 117 122,53 129,40 138 R50 8 X R8 23 R45 17,50 25 10 120 2 x M12x1.75 - 6H 2x45 2x45 35 2xR6 M10x1.5 -6H 90 40 125 32 67,50 130 137,50 2xR1 32 24 3 2x45 2x45 30 25 27 35 8 2,65 H13 72 H7 75 H12 2x45 TÍTULO: Tese -Hibridação de veículo automóvel por Bruno Magalhães DES. PROJ. CÓP. VER. ESC. 1:2 Toleranciam. Geral: ISO 8015 ISO 2768 Suporte Gerador Frontal A3 1ºDiedro Data: 18/11/2013 40 130 R40 25 34 45° 135° 5x 9 200 R39 R48 R31 1x 45 30 10 25 120 15 2x45 2x45 15 2 xM12x1.75 - 6H 115,76 145,71 87 164,43 41,41 45 58 65 80 126,46 133 139,42 8 X R8 R50 24,39 117,63 47 125 1x 45 TÍTULO: Tese -Hibridação de veículo automóvel por Bruno Magalhães DES. PROJ. CÓP. VER. ESC. 1:2 Toleranciam. Geral: ISO 8015 ISO 2768 Suporte Gerador Traseiro A3 1ºDiedro Data: 18/11/2013 40 90 200 67,50 130 125 32 2 X R6 R45 M10x1.5 - 6H 137,50 R40 2x45 2x45 25 10 120 2 xM12x1.75 - 6H 2 X 45° 2 X 45° 35 17,50 40 47 74 106 148 167 23 39 54 83 65 117,47 123 129,40 138 R50 8 X R8 2x45 3 24 32 25 34 2xR1 2x45 2x45 35 27 8 2,65 H13 75 H12 72 H7 TÍTULO: Tese -Hibridação de veículo automóvel por Bruno Magalhães DES. PROJ. CÓP. VER. ESC. 1:2 Toleranciam. Geral: ISO 8015 ISO 2768 Suporte Motor Frontal A3 1ºDiedro Data: 18/11/2013 40 87,05 112,95 146 164,86 23 44,25 58 81,37 126,87 133,86 141 R50 8 X R8 5X 9 R39 117 34 25 47 1x45 30 10 120 2x M12x 1,756H 2x45 2x45 15 25 15 200 125 130 45° 135° R48 1x45 R31 Data: 18/11/2013 1ºDiedro A3 Suporte Motor Traseiro Toleranciam. Geral: ISO 8015 ISO 2768 ESC. 1:2 VER. CÓP. PROJ. DES. Tese -Hibridação de veículo automóvel por Bruno Magalhães TÍTULO: