Estudo sobre a Utilização de um Sistema Auxiliar Elétrico para a Propulsão de Veículos Leves de ...

199 Pages·2016·16.92 MB·Portuguese

UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
Faculdade de Engenharia Mecânica

DIEGO MORENO BRAVO

Estudo sobre a Utilização de um Sistema
Auxiliar Elétrico para a Propulsão de
Veículos Leves de Baixa Cilindrada

CAMPINAS
2016

Agência(s) de fomento e nº(s) de processo(s): Não se aplica.
Ficha catalográfica
Universidade Estadual de Campinas
Biblioteca da Área de Engenharia e Arquitetura
Elizangela Aparecida dos Santos Souza - CRB 8/8098

Bravo, Diego Moreno, 1990-
B739e BraEstudo sobre a utilização de um sistema auxiliar elétrico para a propulsão
de veículos leves de baixa cilindrada / Diego Moreno Bravo. – Campinas, SP :
[s.n.], 2016.

BraOrientador: Pablo Siqueira Meirelles.
BraDissertação (mestrado) – Universidade Estadual de Campinas, Faculdade
de Engenharia Mecânica.

Bra1. Hibridização. 2. Veículos a motor - Dinâmica. 3. Consumo de
combustível. 4. Veículos elétricos híbridos. 5. Heurística. I. Meirelles, Pablo
Siqueira,1956-. II. Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de
Engenharia Mecânica. III. Título.
Informações para Biblioteca Digital
Título em outro idioma: Study on the utilization of an electric auxiliary system for the
propulsion of lightweight vehicles with small-displacement engines
Palavras-chave em inglês:
Hybridization
Motor vehicles - Dynamics
Fuel consumption
Hybrid electric vehicles
Heuristic
Área de concentração: Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico
Titulação: Mestre em Engenharia Mecânica
Banca examinadora:
Pablo Siqueira Meirelles [Orientador]
Waldyr Luiz Ribeiro Gallo
Décio Crisol Donha
Data de defesa: 23-02-2016
Programa de Pós-Graduação: Engenharia Mecânica
Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)

Dedico este trabalho a toda minha família, em especial, aos meus pais, Léo e Marcia.
AGRADECIMENTOS

Este trabalho não poderia ter sido realizado sem o apoio de diversas pessoas e empresas, às
quais presto meus profundos agradecimentos:
⋅ Aos meus pais, Léo e Marcia, pelo apoio incondicional e incentivo em todas as fases da
minha vida;
⋅ A todos os professores que participaram da minha formação, desde a pré-escola até os
dias de hoje;
⋅ Ao meu orientador, Prof. Dr. Pablo Siqueira Meirelles que, além de ter apoiado
fortemente todas as atividades extracurriculares da Faculdade de Engenharia Mecânica,
me guiou e aconselhou durante os trabalhos que desenvolvi ao longo do mestrado;
⋅ Ao Instituto de Pesquisas Eldorado pelo apoio financeiro ao longo de todo o
desenvolvimento deste estudo e por compreender as necessidades de pesquisa e
desenvolvimento tecnológico no Brasil, em especial a Jean Marcos Andery Baracat,
José Eduardo Bertuzzo e Mauro Massanori Miyashiro;
⋅ Aos amigos das equipes FSAE Unicamp (Fórmula SAE Combustão) e Unicamp E-
Racing (Fórmula SAE Elétrico) pelo companheirismo, pelas experiências inesquecíveis
e por todo o aprendizado que me proporcionaram, em especial a Filipe Antonio de
Barros Reis e Alexandre Ayres de Souza que muito me ensinaram sobre a parte elétrica
dos carros que projetamos e construímos juntos, criando uma base de conhecimento
essencial para o desenvolvimento deste trabalho;
⋅ Aos amigos Fellipe Saldanha Garcia, Marcelo Rodrigues Soares e Prof. Dr. Ennio Peres
da Silva, pelo apoio e confiança depositada em mim e na Equipe Unicamp E-Racing
desde o início de sua criação;
⋅ Aos amigos e voluntários da competição do Fórmula SAE Brasil, Ricardo Takahira e
Aldo Fantelli, sem os quais a criação da categoria de veículos elétricos para a
competição de 2012 não teria sido possível;
⋅ Aos amigos do Laboratório de Mobilidade Autônoma (LMA), especialmente ao Helder
Daiha, ao Vinicius Bomfim Falchetto, ao Randerson Araújo de Lemos e ao Olmer
Garcia Bedoya, que me acolheram e contribuíram direta ou indiretamente para a
conclusão deste trabalho;
⋅ À Siemens PLM Software pela disponibilização de uma licença acadêmica do software
LMS Imagine.Lab AMESim (a principal ferramenta empregada no desenvolvimento
deste trabalho), pelos treinamentos técnicos realizados em suas instalações, em São
Caetano do Sul, e especialmente aos engenheiros Fabio Orefice e Emerson Umbinger
pela assistência durante todo o processo de desenvolvimento do modelo computacional
no AMESim;
⋅ Aos amigos Robson Vieira de Souza, Thiago Bruschi Martins, Rafael Tedim Terra,
Walace Giallonardo, Danilo Alcântara de Oliveira, Alberto Jorge Sales de Oliveira
Junior, Rodolfo Oliveira Jaccoud e Ricardo Torquato Borges pela ajuda em pontos
específicos e imprescindíveis para o completo desenvolvimento do trabalho;
⋅ Aos amigos Eduardo Yada Matias, James Igor Carvalho Goulart, Willen Grimm
Balaniuc e Pablo Giovanni Silva Carvalho, pelos anos de convivência e
companheirismo;
⋅ Aos amigos do LabSIn, em especial a Fabio Mazzariol Santiciolli, Jony Javorski Eckert,
Fernanda Cristina Corrêa, pela ajuda com o material bibliográfico e discussões
construtivas relacionadas a veículos elétricos híbridos.
“Faça as coisas o mais simples que puder, porém não as mais simples”
Albert Einstein

“A simplicidade é o mais alto grau da sofisticação”
Leonardo da Vinci
RESUMO
Bravo, Diego Moreno. Estudo sobre a utilização de um sistema auxiliar elétrico
para a propulsão de veículos leves de baixa cilindrada. 2016. 199p. Faculdade de Engenharia
Mecânica, Universidade Estadual de Campinas, Campinas.

Nos últimos anos tem-se buscado aumentar a eficiência energética dos veículos
automotores bem como reduzir a emissão de gases poluentes e de efeito estufa associadas à
queima de combustíveis fósseis. Uma solução frequentemente adotada para tanto é a
diminuição (downsizing) dos motores de combustão interna que equipam os automóveis em
questão, levando muitas vezes a uma piora expressiva no desempenho de aceleração. Tal fato
evidencia-se ainda mais em carros que, além de motores de baixa cilindrada, contam com
acessórios que consomem uma parcela da potência mecânica produzida pelo motor, como
sistemas de ar-condicionado e direção hidráulica, por exemplo. Uma possibilidade para
compensar essa piora no desempenho e elevar ainda mais a eficiência do veículo é a
hibridização de seu powertrain, ou seja, a adição de um motor elétrico que possa prover
potência adicional ao motor de combustão interna em momentos críticos e recuperar uma
parte da energia cinética do veículo durante frenagens (frenagem regenerativa). O propósito
deste trabalho, portanto, é determinar se a adição de um sistema propulsor auxiliar elétrico em
veículos leves convencionais é tecnicamente viável, quantificando seus efeitos sobre o
consumo de combustível e desempenho em aceleração. Para atingir tal objetivo, um modelo
computacional foi construído usando dois softwares que operam simultaneamente (co-
simulação). O software principal é o LMS Imagine.Lab AMESim (Advanced Modeling
Environment for Simulations) no qual a maioria dos componentes usados para construir o
modelo já encontra-se modelada, bastando definir os paramêtros de cada subsistema (motor
de combustão interna, motor elétrico, baterias, dinâmica veicular longitudinal, entre outros).
O segundo software empregado é o MATLAB/Simulink, utilizado para implementação das
estratégias de controle e de gerenciamento de energia. Inicialmente, um carro convencional
equipado com um motor de combustão interna de 1000cc e ar-condicionado foi modelado e
teve seus paramêtros ajustados de forma a apresentar resultados coerentes com aqueles
encontrados no mundo real. Tal modelo passa então a ser utilizado como referência para
avaliar os resultados obtidos nas simulações das estratégias de controle propostas. Após essa
etapa, uma VCU (Vehicle Control Unit), um motor elétrico, um conversor eletrônico de
energia e um banco de baterias foram incluídos no modelo. Diversas estratégias de controle e
gerenciamento de energia baseadas em regras heurísticas foram então implementadas e
testadas, sempre buscando-se propor as soluções mais simples possíveis. Cada proposta é
então comparada com o modelo de referência em termos de consumo de combustível e
desempenho de aceleração (tempos que o veículo, inicialmente parado, leva para acelerar até
60km/h e 100km/h). Reduções significativas são observadas no consumo de combustível e
uma melhoria considerável é obtida no desempenho de aceleração nos modelos equipados
com o sistema propulsor auxiliar elétrico proposto.

Palavras-chave: hibridização, veículos a motor – dinâmica, consumo de combustível,
veículos elétricos híbridos, heurística.