Aula carro2

Universidade Federal de Santa Catarina
Departamento de Engenharia mecânica e Materiais
Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais

Prof. Orestes AlarconEngenharia de Materiais
Pós-graduação em Ciência e | Doutorando Alexandre Galiotto

EFICIÊNCIA GLOBAL

Well to Wheel - W2W

Do poço a roda


EFICIÊNCIA GLOBAL

Poço à Roda (Well to Wheel) Tanque

Poço ao Tanque Tanque à roda Roda

Com-
Compr Distri- pressor Caixa d
Gaso-duto essor buição (Posto) Marcha
sor Tanque Motor


EFICIÊNCIA GLOBAL

100 80 - 85

SETOR PETRÓLEO = 0,8 - 0,85

16 - 18

VEÍCULO V 0,17
1 = = SETOR PETRÓLEO x VEÍCULO V 0,17


EFICIÊNCIA NOS TRANSPORTES

Geometria,peso,
η=ƒ( POLÍT. CONFRTO,
TRANSP. HÁBITOS )xƒ´( tipo acionamento
motor etc.
)


EFICIÊNCIA DOS CARROS CONVENCIONAIS

Resistência
do ar
Em espera/parado
Resistência
Acessórios rolamento

Inércia
Perdas transmissão

Frenagem
Perdas no motor

Melhoria da eficiência dos motores convencionais (MCI)

Emprego da tração elétrica

VEÍCULOS ELÉTRICOS – VE'S

O veículo elétrico (cuja sigla em inglês é EV, de electric vehicle) é um tipo de veículo que utili

Ele é um sistema composto por um sistema primário de energia, uma ou mais máquinas elétr


MOTORES ELÉTRICOS

• Mais torque
• Zero emissões
• Tax breaks
• Não necessita de transmissão
• Partidas mais eficientes
– Pode desligar o motor quando parado


CLASSIFICAÇÃO

Tipo Fonte de Energia Elétrica

Trólebus Rede (durante o trajeto)

Bateria Rede (carga) VEB

Energia Elétrica
VEH “Plug-in”
Híbrido Combustível*
VEH
Híbrido plug-in Rede (carga) +
Combustível*
Combustível líquido ou GNV

Célula a combustível Hidrogênio**
* Gasolina, diesel, álcool, gás natural
Solar (teste, competições) Sol ** Hidrogênio ou metano, metanol, ... em reformador


BREVE HISTÓRICO

• 1839: Primeiro veículo elétrico

• 1886: Táxi na Inglaterra com motor elétrico

• 1890-1910: Significantes melhoras na tecnologia

de baterias(ácido-chumbo, níquel-ferro)


BREVE HISTÓRICO

1898: Dr. Ferdinand Porsche, 23 anos, construiu seu primeiro carro: Lohner
Electric Chase (primeiro do mundo com tração dianteira).
Segundo carro: um híbrido com m.c.i. para acionar um gerador que
fornecia energia elétrica a motores localizados nos eixos das rodas.
Só na bateria rodava cerca de 40 milhas.
1899: Dois híbridos no Salão de Paris

Camille Jenatzy in electric car La Jamais Contente,
1899
http://autoestrada.uol.com.br/interno.cfm?file=conhecimento&id=24

BREVE HISTÓRICO

1903: Krieger Hybrid: usava motor a gasolina para alimentar um conjunto de baterias
1921: Owen Magnetic Hybrid: usava motor a gasolina para acionar um gerador que
fornecia energia elétrica para motores montados em cada roda traseira.


BREVE HISTÓRICO

1912 Detroit Electric advertisement

Thomas Edison e um carro elétrico em 1913

BREVE HISTÓRICO

• 1970’s: Embargo petróleo árabe; VW Táxi híbrido

• 1979: Carro híbrido construído com motor de cortador de grama.

• 1991: US Advanced Battery Consortium lançou o maior programa para

produzir uma “super” bateria


BREVE HISTÓRICO

• 1997: Toyota Prius disponível no Japão

• 1999: Honda Insight lançado nos EUA (70 mpg)

• 2000: Toyota Prius disponível nos EUA

• 2002: Honda Civic Hybrid lançado.

• 2004: Toyota Prius II e Ford Escape Hybrid lançados.


COMBUSTÍVEIS PARA VE'S

Eletricidade

Gasolina
T
Álcool a
n
q
u
Diesel/Biodiesel e

GNV/H2
GNV

Hidrogênio
H2
Célula a combustível

Tecnologias de VE

Caracterizadas pela fonte de energia elétrica usada a bordo
VEB - Veículo elétrico a bateria
Baterias
VEH - Veículo elétrico híbrido
Gerador acionado por m.c.i
VECC - Veículo elétrico de célula a combustível
Célula a Combustível

VES combinam
Alta eficiência energética
Baixo nível de ruído
Baixo nível de emissões de poluentes
Conforto
Baixo custo operacional


VEH – CONFIGURAÇÃO SÉRIE


VEH – CONFIGURAÇÃO PARALELA


VEH Plug-in
Sprinter Plug-in da Daimler no mercado em 2008

Fonte: EPRI Journal – Fall 2005

Conversão em “oficinas”
* Electric Power Research Institute
(EPRI)

EVOLUÇÃO

Fatores motivadores
Questão ambiental (poluição do ar, sonora)
Eficiência no uso de energia
- Estímulos para aquisição
VEs
Nenhuma ou muito pouca emissão de gases no local
Arrancadas e frenagens mais suaves (mais conforto)
Baixo ruído
Frenagem regenerativa
Motores elétricos eficientes
Baterias eficientes
Motor de combustão interna menor e funcionando na região
de maior eficiência ou desligado
Não gasta energia quando parado


EVOLUÇÃO

Fatores inibidores

Custo de aquisição mais alto (bateria, outros componentes, bai

No caso dos elétricos a bateria, autonomia limitada e tempo de

Pouca disponibilidade de modelos

Complexidade


CRONOLOGIA

s famílias de veículos elétricos encontram-se em estágios distintos de desenvo

Bateria

Híbrido

Híbrido plug-In

Célula a combustível

?
2000 2005 2010 2015

CONCLUSÕES

Energia e aquecimento global são preocupações centrais de nosso tempo

Uso do petróleo é um dos principais problemas que pressionam o mundo at

As conseqüências para o meio ambiente local, regional e global das emissõe

As preocupações principais são relacionadas a uma possível crise de energia


BRASIL

Mercado, política energética ou ambiental?

Federal, Estadual ou Municipal?

Nichos: transporte público, individual, frotas?

Barreiras: econômicas, tecnológicas, culturais e legais?


VEB VEH VECaC
Há muitos tipos e
fabricantes, alguns no Brasil
Motos com potencial para
substituir as convencionais
em certos usos Há vários modelos em
Não há notícia.
Uma fábrica de motonetas teste.
em Manaus
Soluções para ambientes
fechados e portadores de
necessidades especiais
12 a 15 modelos nos
EUA
- Vários modelos no exterior Vários modelos em teste
VEH-P: hoje é um VEH pelos grandes fabricantes
usados para usos urbanos. -
adaptado. Poderá ser
- Um entrante no Brasil
uma opção de fábrica
no futuro
- Ônibus: alguns
- Vários modelos no exterior. fabricantes no exterior e - Ônibus: alguns modelos
- Veículos para entregas e 2 no Brasil em teste no exterior
serviços urbanos Caminhões em teste no Um desenvolvimento no
Empilhadeiras, reboques e exterior Brasil
paletadeiras VEH-P: um ônibus no - Empilhadeiras em teste
Brasil


Uma classificação dos VEHs
(automóveis e utilitários)
Stop/start (S/S) – Desliga e liga o mci
Economia de combustível* - 7%

Integrated Starter Alternator With Damping (ISAD) – Opera
em 42V e, além do S/S, permite contribuição de alguma potência do
sistema de tração elétrica
Economia de combustível* - 11% e 10% a mais no torque

Integrated Motor Assist (IMA) – Opera 114V, tem motor elétrico
e baterias maiores que no ISAD, o que possibilita mais potência
auxiliar

Full Hybrid (FH) - Sistemas 300+V com possibilidade de tração
exclusivamente elétrica, além de suplementar a potência do mci
Para utilitários: economia – 26% e 15% a mais no torque

* Environmental Protection Agency (EPA)

VEs Plug-ins

T
a
n
q
u
e
Eletricidade

Gasolina T
a
n
Álcool q
u
e
Diesel/Biodiesel

C
GNV il GNV/H2
i
n
d
Hidrogênio r
o


Tecnologias críticas

Motores de combustão interna
Ênfase passa da potência para eficiência

Células a combustível
Custo
Confiabilidade
Vida útil
E associado os problemas de produção, armazenamento e
distribuição do hidrogênio

Sistemas de controle
Custo
Confiabilidade



Sistemas de abastecimento de energia
Baterias
Melhores relações kWh/kg e kWh/l Mautonomia 150 - 300 km
Custo menor
Redução do tempo de carga
Vida útil – de 3 /4 anos V 8 a15 anos

Automóvel a bateria
4 a 6 km/kWh

300kg de LI- possibilita a um
VEB autonomia de
170 a 250 km

Fonte: EPRI Journal – Fall 2005


Sistemas de abastecimento de energia
Carga de baterias / Eletropostos
Estratégias para recarga que garantam a saúde das baterias
Mais eficiência (economia)
Sem degradação da performance das baterias
Redução do tempo de recarga (cargas rápidas)
Interface
EUA – 1.000 eletropostos e mais de 50.000 VEBs
Supercapacitores
Custo
Retenção da energia
Motores elétricos / geradores
Já existem motores bastante eficientes
– ex., engrenagem + motor: 93%
Vida útil longa é característica deste componente
Projetos avançados como motores embutidos na
roda
Necessidade de queda nos custos (escala)


Evolução
EUA
Califórnia - início anos 90: Proporção crescente de novos carros do
tipo Zero Emission Vehicles (ZEV)
1993 - Governo cria Partnership for New Generation of Vehicles
(PNGV) – US$ 1 bi - governo cobre metade dos investimentos
das montadoras
Meta 80 mpg (34 km/h) sem fixar tecnologia
1998 Neighborhood Electric Vehicles (NEV) autorizados a circular
em vias públicas com velocidade limitada a 40 km/h
2003 Projeto Independence – VECaC
2005 – Energy Policy Act – estímulos monetários para aquisição
de VEBs, VEHs, VECaC
Europa
França nos anos 90: governo estimulou principais montadoras a
lançar VEBs dando subsídios e incentivos fiscais aos
compradores e fazendo compras via estatais
Taxa para circular no centro das cidades
Proibição para circulação de veículos convencionais nos centros
históricos ou quando poluição do ar supere certo nível
Incentivos à aquisição de veículos menos poluentes

Perspectivas no mundo e no Brasil
Horizonte 2015

VEs de célula a combustível
Sem viabilidade econômica no horizonte
(custo do veículo precisa ser dividido por pelo
menos 10, investimentos na produção e
distribuição do hidrogênio)
Solução VEH CaC Plug-in poderá ser uma intermediária
Veículos pesados devem se viabilizar antes dos leves
Célula a combustível estacionária será comercial antes


The Batteries Behind It All

• Early Prius and Insight NiMH D Cells
– Stick Arrangement

(http://www.peve.panasonic.co.jp/catalog/e_maru.html)


Prismatic Ni-MH

• 15% pack volume reduction
• 25% pack weight reduction
• Less battery module per pack number

http://www.peve.panasonic.co.jp/catalog/e_kaku.html


Metal Case Prismatic Ni-MH
• Improvement
– 14% less volume
– 40% higher cooling

(http://www.peve.panasonic.co.jp/catalog/e_kinnzoku.html)


ECU
• Electronic Control Unit
• Regulates temperature and state of charge
• Ensures safe and reliable driving

http://www.peve.panasonic.co.jp/catalog/e_bms.html


y Usage and Thermal Performance of Pri
• Honda Insight vs. Toyota Prius


Charge, Discharge and SOC

• http://www.nrel.gov/docs/fy02osti/31306.pdf

Battery Energy and
Battery Temperatures


Hybrid Cars Today
Table 1. Light-Duty Hybrid Electric Vehicles
OEM Model Body Style Power Type Fuel Date Introduced/Announced Production Date
Currently in Production
DaimlerChrysler Ram Pickup Contractor Special Truck Mild Hybrid Diesel Nov-00 2004 (Limited)
Ford Escape SUV Hybrid Gasoline Jan-01 2004
General Motors Silverado/Sierra Truck Mild Hybrid Gasoline Jan-01 2004 (Limited)
Honda Accord Sedan IMA1 Hybrid Gasoline Jan-04 2005
Honda Insight Coupe IMA1 Hybrid Gasoline Dec-99 2000
Honda Civic Sedan IMA1 Hybrid Gasoline Jan-00 2002
Lexus RX400h SUV Hybrid Gasoline Jan-03 2005
Toyota Prius Sedan Parallel Hybrid Gasoline Jun-00 2000
Toyota Highlander SUV Hybrid Gasoline Jan-04 2005
Suzuki Twin Mini Hybrid Gasoline Nov-02 2003 (Japan)
Toyota Estima Minivan Parallel Hybrid Gasoline Jun-01 In Japan Only
Toyota Crown Sedan Mild Hybrid Gasoline Aug-01 In Japan Only
Toyota Alphard Minivan Hybrid Gasoline Jul-03 In Japan Only
Planned for Production
Ford Fusion Sedan Full Hybrid Gasoline Apr-03 2006
General Motors Silverado/Sierra & Tahoe/Yukon Truck & SUV Strong Hybrid Gasoline Nov-03 2007
General Motors Equinox SUV Hybrid Gasoline Jan-03 2006
General Motors Malibu Sedan BAS2 Hybrid Gasoline Jan-03 2007
General Motors Graphyte SUV Full Hybrid Gasoline Jan-05 2006
Hyundai Click Sedan Hybrid Gasoline Nov-03 2005/06 (Korea)
Mercury Mariner SUV Full Hybrid Gasoline Apr-04 2005 (limited)
2006 (full)
Nissan Altima Sedan Hybrid Gasoline Jun-04 2006
Saturn Vue SUV BAS2 Hybrid Gasoline Jan-03 2006
Toyota Camry Sedan Unknown Gasoline Unknown Unknown
Toyota Sienna Minivan Hybrid Gasoline 2003 2007
Recent Concepts - Production Plans Unknown
Honda ASM Minivan IMA1 hybrid Gasoline Oct-03 Unknown
Ford Focus C-MAX Sedan Hydrogen ICE Hydrogen Jul-04 Unknown
Daewoo S3X SUV Unknown Unknown Oct-04 Unknown
Opal Astra Sedan Unknown Diesel Jan-04 Unknown
Mercury Meta One Unknown Hybrid Diesel Jan-04 Unknown
Mercury Milan Unknown Unknown Unknown Jan-04 Unknown

1 Integrated motor assist.
2 Belt alternator starter.
(Source: Collected by Robb Barnitt and Leslie Eudy, National Renewable Energy Laboratory, from various sources)
Table from http://www.nrel.gov/docs/fy05osti/37777.pdf Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais

Future of Hybrid
• Hybrid buses
– ~1,000 in use
– Seattle
– California

• Tax Break Increase


Future of Hybrid Cars

Toyota Volta

3.3 liter V6 gas engine

408 horsepower

30 miles per gallon

Toyota Hybrid Sports Car


Definitions
DEFINIÇÕES

• Combustion vs. Electric (http://auto.howstuffworks.com/hybrid-car1.htm)

• Parallel vs. Series Hybrid (http://auto.howstuffworks.com/hybrid-car2.htm)

– Honda Insight
– Toyota Prius
• Full Hybrid
• Mild Hybrid
– Stop/Start Hybrid
– Integrated Starter Alternator with Damping (ISAD)
– Integrated Motor Assist (IMA)
• Plug-in Hybrid

Gasoline
• Higher energy density than batteries
– 1,000 pounds of batteries = 1 gallon (7 pounds) o
• Cheaper initial cost for car
– Hybrids are $3500-5000 more
• Reliable, more history


Cost Per Mile
Electric vs. Gas


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