Aula carro2-1

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

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

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

Compr Com-
Gaso-duto essor Distri- buição pressor (Posto) Caixa d 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

POLÍT. CONFRT Geometria,peso,
η=ƒ( TRANS
P.
O,
HÁBITOS )xƒ´( tipo acionamento
motor etc.
)


EFICIÊNCIA DOS CARROS CONVENCIONAIS

Resistência do ar

Em espera/parado
Resistência rolamento
Acessórios

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 utiliza propulsão por meio de pelo menos um motor elétrico em sua

tração para se transportar ou conduzir pessoas, objetos ou uma carga específica.

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

máquinas elétricas e um sistema de acionamento e controle de velocidade ou

torque.


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
• Híbrido Combustível* VEH “Plug-in”

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
a
Álcool 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,

baixa escala de produção, tecnologia na infância)

• No caso dos elétricos a bateria, autonomia limitada e

tempo de recarga alto

• Pouca disponibilidade de modelos

• Complexidade

CRONOLOGIA

As grandes famílias de veículos elétricos encontram-se em estágios
distintos de desenvolvimento

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 atual

• As conseqüências para o meio ambiente local, regional e global das
emissões do cano de escape clamam por ações urgentes

• As preocupações principais são relacionadas a uma possível crise de
energia quando não houver mais combustível fóssil e, principalmente,
uma muito possível exaustão da capacidade do meio ambiente
absorver a poluição
A eficiência só avança

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
Não há notícia. Há vários modelos em teste.
-Uma fábrica de motonetas em Manaus
-Soluções para ambientes fechados e portadores de necessidades especiais

-12 a 15 modelos nos EUA Vários modelos em teste pelos grandes f
- Vários modelos no exterior usados para usos urbanos. - - Um entrante no Brasil
-VEH-P: hoje é um VEH adaptado. Poderá ser uma opção de fábrica no futuro

- Vários modelos no exterior.
- Ônibus: alguns fabricantes no exterior e 2 no Brasil
- Ônibus: alguns modelos em teste no
- Veículos para entregas-Caminhões em teste no exterior desenvolvimento no Brasil
e serviços urbanos Um
- e paletadeiras
Empilhadeiras, reboques VEH-P: um ônibus no Brasil - Empilhadeiras em teste


Uma classificação dos VEHs (automóveis e utilitários)

amping (ISAD) – Opera em 42V e, além do S/S, permite contribuição de
% a mais no torque

a 114V, tem motor elétrico e baterias maiores que no ISAD, o que possibili
% a mais no torque

ossibilidade de tração exclusivamente elétrica, além de suplementar a potê
% a mais no torque
a mais no torque


VEs Plug-ins

T
a
n
q
u
e
Eletricidade

Gasolina T
a
n
q
Álcool u
e
Diesel/Biodiesel

Cilindro
GNV/H2
GNV

Hidrogênio


Tecnologias críticas

ores de combustão interna
fase passa da potência para eficiência

las a combustível
sto
nfiabilidade
da útil
ssociado os problemas de produção, armazenamento e distribuição do hidr

mas de controle
sto
nfiabilidade



• Sistemas de abastecimento de energia
•Baterias
 Melhores relações kWh/kg e kWh/l M autonomia 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

scente de novos carros do tipo Zero Emission Vehicles (ZEV)
Generation of Vehicles (PNGV) – US$ 1 bi - governo cobre metade dos inve
ogia
V) autorizados a circular em vias públicas com velocidade limitada a 40 km

netários para aquisição de VEBs, VEHs, VECaC

rincipais montadoras a lançar VEBs dando subsídios e incentivos fiscais ao

vencionais nos centros históricos ou quando poluição do ar supere certo ní
poluentes


Perspectivas no mundo e no Brasil
Horizonte 2015

mica no horizonte
isa ser dividido por pelo menos 10, investimentos na produção
n poderá ser uma intermediária
m se viabilizar antes dos leves
tacionária 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


Study: Battery Usage and Thermal
Performance of Prius and Insight
• 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) of gas
• Cheaper initial cost for car
– Hybrids are $3500-5000 more
• Reliable, more history


Cost Per Mile
Electric vs. Gas


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