FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO
Recuperação de Energia em Veículos
Pesados
Bruno Filipe Azevedo Costa
VERSÃO DE TRABALHO
Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores
Orientador: Adriano da Silva Carvalho (Prof. Doutor)
3 de Julho de 2013
c© Bruno Azevedo, 2013
Resumo
O mercado dos transportes de mercadorias e passageiros vê-se confrontado, por um lado,com o aumento do preço do combustível, e por outro, com as políticas europeias, no que dizrespeito à redução das emissões de gases poluentes. Neste sentido, verifica-se uma evolução emtermos estratégicos e de investimento por parte dos fabricantes mundiais. Os níveis de avanço edesenvolvimento da tecnologia relacionada com os sistemas de armazenamento e tração elétricatêm permitido a evolução e renovação dos conceitos de mobilidade e transporte.
O presente documento trata as tecnologias e métodos de armazenamento, controlo, conversãoe produção de potência elétrica nos veículos pesados. Passando pelo estudo do alternador até àapresentação das vantagens de utilização de novas fontes de energia, tenta-se demonstrar as váriaspossibilidades que permitem conceber sistemas com baixa manutenção, ausência de ruído, baixoconsumo de energia e um longo ciclo de vida.
É apresentado um conceito que transforma em proporção o tamanho e peso de um Veículo Pe-sado numa vantagem energética, e até numa possibilidade de controlo e equilíbrio da rede elétrica.
No sentido de descentralizar e diversificar de fontes de energia num veículo, propõe-se umsistema modelar, portável, flexível e facilmente adaptável às arquiteturas de veículos existentesno mercado. Este sistema compreende a produção fotovoltaica, recuperação de energia duranteas travagens e ainda integra um sistema de gestão e controlo dos fluxos de potência entre ossubsistema, alargando o nível de hibridização.
É apresentada uma solução mecânica para a integração deste conceito num camião rígido,abrindo caminho para a validação experimental dos resultados teóricos obtidos ao longo da disser-tação.
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Abstract
The market of transportation of goods and passengers has to face, on one hand, the rising fuelcosts and, on the other hand, the european policies in regard of the emission of polluting gases. Assuch, there is a tend in strategic and investment terms from manufacturers all over the world. Thelevel of progress and advancement that the technology required for storage systems and electrictraction has been enabling the devolpemnt and renewal of mobility and transportation concepts.
This paper addresses storage methods and technologies, control, conversion and production ofelectrical power in vehicles. By describing the study of the alternator and presenting the advanta-ges in the usage of new energy sources, this paper attempts to demonstrate the various possibilitiesthat allow the conceptualization of systems with low maintenence, absence of noise, low energyconsumption and large life cycle.
Therefore, it is presented a concept that transforms the proportion of size and weight of aheavy vehicle in an advantage energy wise and even in the control and balance of an electricalgrid.
In order to decentralize and diversify energy sources in a vehicle, it is proposed a system that ismodel, portable, flexible and easily adaptable to the vehicle arquitectures currently on the market.This system encompasses the photovoltaic production, the recovery of energy lost during brakingand incorporates a system to manage and control power flows in-between subsystems, wideningthe level of hybridization.
All in all, in this document it is presented a mechanical solution for the implementation of theconcept explained above in heavy vehicles, thus opening, the validation of the theorical resultsattained during the dissertation.
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Agradecimentos
A execução da presente dissertação teve por base um somatório de esforços e saberes prove-nientes de um leque variado de pessoas a quem desejo agradecer. Ao longo deste percurso tive ameu lado pessoas que, de forma direta ou indireta, foram fundamentais para a sua concretização.
Um agradecimento particular ao Professor Adriano Carvalho que influenciou, desde sempre, arealização deste trabalho com o seu conhecimento, exigência e disponibilidade. Professor AdrianoCarvalho, o meu sincero obrigado, não apenas pelas competências e estímulos transmitidos, masigualmente pela amabilidade e partilha de experiências que se revestiram como importantes pilarespara a execução deste projeto.
Agradeço à Engenheira Cláudia Trindade e ao Professor José Ferreira Duarte pelo seu contri-buto, disponibilidade e colaboração que contribuíram para o rigor e fidedignidade deste projeto.
Aos meus companheiros com quem trabalhei lado a lado, agradeço o empenho, a dedicaçãoe a colaboração ao longo de todo este processo. Rodrigo Pires e Sérgio Almeida, um grandeobrigado pela clareza e ajuda em ultrapassar certos obstáculos que me proporcionaram momentosde reflexão, crescimento pessoal e profissional e, acima de tudo, a amizade que guardo comigo.
O meu muito obrigado ao André Choupeiro, Bruno Gonçalves, Diogo Silva, João Carvalho,João Lemos e Ricardo Rodrigues que sempre estiveram ao meu lado, quer pelo interesse motivadorcomo também pelo apoio constante e os momentos vividos que enriqueceram este meu caminho.
À minha namorada Denise, um especial agradecimento por todo o apoio, compreensão e aber-tura para partilhar as minhas ambições, os meus receios e os meus momentos do dia-a-dia. A tuaforça e o teu carinho tornaram mais fácil este caminho.
E por fim, aos meus pais, pelo espírito de trabalho e pelos valores transmitidos porque cons-truíram os degraus para eu alcançar os meus objetivos.
A todos, um muito obrigado!
Bruno Filipe Azevedo Costa
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“Life is like riding a bicycle.To keep your balance, you must keep moving.”
Albert Einstein
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Conteúdo
1 Introdução 11.1 Motivação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.3 Estrutura do Documento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2 Estado da Arte 52.1 Sistemas de Produção de Energia Elétrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.1 Energia Rotativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.1.2 Sistema Integrado Alternador/Motor de Arranque . . . . . . . . . . . . . 72.1.3 Recuperação de Energia na Travagem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.1.4 Produção Fotovoltaica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2 Tecnologias de Armazenamento de Energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.2.1 Baterias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.2.2 Super Condensadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.2.3 Células de Combustível . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.2.4 Volantes de Inércia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.2.5 Hibridização de Sistemas de Armazenamento de Energia . . . . . . . . . 18
2.3 Conversão de Potência e Estratégias de Controlo . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.3.1 Conversores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.3.2 Inversores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242.3.3 Estratégias de Controlo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252.3.4 Plataformas de Controlo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3 Análise e Projeto do Sistema 293.1 Análise da Dinâmica do Veículo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.1.1 Modelo de forças . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293.1.2 Transmissão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.2 Análise dos Ciclos de Condução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333.3 Análise e Dimensionamento dos Subsistemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.3.1 Unidade auxiliar - Sistema frigorífico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363.3.2 Subsistemas de Produção de Energia Elétrica . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.3.2.1 Travagem regenerativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383.3.2.2 Produção fotovoltaica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.3.3 Subsistema de Armazeamento de Energia . . . . . . . . . . . . . . . . . 433.4 Arquitetura do Sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.4.1 Análise de Necessidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453.4.2 Requisitos do Sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463.4.3 Conceito do Sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
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x CONTEÚDO
3.5 Desempenho da Arquitetura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493.6 Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4 Sistema de Travagem Regenerativa 554.1 PMSM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.1.1 Tipos de Máquinas PMSM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 574.2 Modelação e Controlo do PMSM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.2.1 Estratégia de Controlo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 624.2.2 Estabelecimento do Binário de Travagem Regenerativa . . . . . . . . . . 634.2.3 Filtro no Barramento CC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 654.2.4 Controladores PI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.3 Desempenho do STR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 694.3.1 Resultados de Simulação Computacional . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.4 Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5 Integração do Sistema e Desenvolvimento do Protótipo 755.1 Projeto do Subsistema Mecânico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 755.2 Gestão do Sistema de Armazenamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 835.3 Modelação e Controlo do Barramento CC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.3.1 Conversor CC/CC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 855.3.1.1 Dimensionamento da bobine . . . . . . . . . . . . . . . . . . 875.3.1.2 Dimensionamento da Condensador . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.3.2 Arquitetura do Barramento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 885.4 Desempenho do Sistema Integrado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
5.4.1 Resultados de Simulação Computacional . . . . . . . . . . . . . . . . . 905.5 Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
6 Conclusões 936.1 Conclusões da Dissertação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 936.2 Desenvolvimentos Futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
Referências 95
A Tabelas 99A.1 Ciclos de Condução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100A.2 Dados de operação do sistema frigorifico durante o mês de Maio 2013 . . . . . . 101
B Fórmulas 103B.1 Dimenisonamento da correia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
Lista de Figuras
1.1 Consumo Final de Energia, por setor, EU-27 (Mtep) . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Dados do Eurostat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2.1 Diagrama de cargas do automóvel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.2 Curva característica de um alternador: nL - velocidade com motor ao ralenti, nN -
velocidade à corrente nominal, IL - corrente com o motor ao ralenti, IN - correntenominal, P1 - Potência de entrada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.3 ISG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.4 ISG acoplado por correia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.5 Desempenho da hibridização dos sistemas de travagem . . . . . . . . . . . . . . 92.6 Esquema da arquitetura de um sistema de travagem regenerativa paralela . . . . . 102.7 Curva característica corrente-tensão e potência-tensão num PV . . . . . . . . . . 112.8 Diagrama de operação da Célula de Combustível . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.9 Esquema da estrutura de um volante de inércia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.10 Topologias de Sistemas Híbridos de Armazenamento de Energia . . . . . . . . . 192.11 Conversores CC/CC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.12 Unidades básicas usadas para construir conversores multiporto bidirecionais . . . 222.13 Esquema da estrutura convencional e estrutura multiporto . . . . . . . . . . . . . 232.14 Topologias de Inversores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242.15 Comparação do controlo PWM e SVM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252.16 Diagrama de blocos de uma célula lógica numa FPGA . . . . . . . . . . . . . . 26
3.1 Diagrama de forças que atuam no veículo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303.2 Arquitetura da transmissão do veículo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323.3 Diagrama do ciclo de condução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343.4 Visão geral dos consumos de potência e energia nos veículos . . . . . . . . . . . 353.5 Potência ao longo do percurso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363.6 Esquema do sistema frigorifico Carrier R© Supra 950 Mt (imagem adaptada a par-
tir da folha de especificações) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373.7 Relação da energia de tração com a energia de travagem . . . . . . . . . . . . . . 393.8 Relação da energia de travagem com a energia consumida pelo Sistema frigorifico 393.9 Relação da energia da energia de travagem com a velocidade do camião . . . . . 403.10 Distribuição da potência pela energia de travagem . . . . . . . . . . . . . . . . . 403.11 Distribuição da potência de travagem pela gama de velocidades . . . . . . . . . . 413.12 Planta da DAF FA CF75 (valores apresentados em milímetros) . . . . . . . . . . 413.13 Variação da corrente e tensão na bateria e no Super Condensadores (SC) com um
degrau de corrente na saída . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
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xii LISTA DE FIGURAS
3.14 Evolução diária do total de energia consumida pelo Sist. Frigorifico em relação àenergia recup. na travagem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.15 Proposta da arquitetura do sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483.16 Características de potência-binário-velocidade do motor EMRAX R© standard com
IP21 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503.17 Relação entre a energia total de tração e a energia total regenerada com o motor
de 80 kW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503.18 Relação entre a energia total consumida pelo Sist. frigorifico e a energia total
regenerada com o motor de 80 kW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513.19 Variação diária do estado de carga dos sistema de armazenaento . . . . . . . . . 513.20 Binário aplicado pelo travão mecânico no sistema convencional e no sistema com
travagem regenerativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523.21 Potência aplicada pelo travão mecânico no sistema convencional e no sistema com
travagem regenerativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.1 Esboço do camião com o STM e STR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554.2 Configurações do rotor do PMSM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 584.3 PMSM com rotor interior e exterior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 584.4 Circuito equivalente do PMSM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 604.5 Diagrama vetorial, em regime permanente, do PMSM no referencial d-q . . . . . 614.6 Diagrama do sistema de controlo do PMSM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 624.7 Visão geral do controlador para os sistemas de travagem . . . . . . . . . . . . . 644.8 Algoritmo para estimação da referencia de binário para o STR . . . . . . . . . . 644.9 Diagrama de Bode do filtro LC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 664.10 Lugar Geométrico de Raízes da função transferência do filtro LC . . . . . . . . . 674.11 Controlador PI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 684.12 Curva do binário-potência do PMSM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 694.13 Sistema de potência implementado em PSIM R© . . . . . . . . . . . . . . . . . . 704.14 Operação do EMRAX como gerador, para um binário negativo constante . . . . . 714.15 Operação do EMRAX como gerador, para um binário negativo dinâmico . . . . . 714.16 Operação do EMRAX como gerador, para um binário negativo variável à veloci-
dade limite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 724.17 Comportamento do STR para um pedido de binário de travagem variável . . . . . 734.18 Operação do EMRAX como motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.1 Planta da cadeia de transmissão do DAF FA75. 1- Semi-eixos, 2 - Veio com luvaentrada do diferencial, 3 - veio fico saída caixa, 4 - caixa de velocidades . . . . . 76
5.2 Peça de aperto ao veio para suporte da cremalheira . . . . . . . . . . . . . . . . 775.3 Esquema do acoplamento do STR. 1- Local de aplicação, 2 - Barra de suporte para
motor, 3 - Suporte central do veio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 785.4 Esquema de fixação do motor à barra do chassi . . . . . . . . . . . . . . . . . . 795.5 Cálculo do passo métrico da correia. Eixo x: Potência [kW . . . . . . . . . . . . 805.6 Esquema do sistema polias e correia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 815.7 Esquemas da polia e do dispositivo de fixação de veios. . . . . . . . . . . . . . . 825.8 Esquema do sistema polias e correia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 835.9 Diagrama da estratégia de gestão do barramento . . . . . . . . . . . . . . . . . . 845.10 Conversor CC dois quadrantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 865.11 Esquema da arquitetura do barramento, seleção de fontes . . . . . . . . . . . . . 885.12 Sistema integrado de controlo de barramento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
LISTA DE FIGURAS xiii
5.13 Esquema da arquitetura do barramento adotado . . . . . . . . . . . . . . . . . . 905.14 Resultados da simulação do barramento com seleção de fontes . . . . . . . . . . 915.15 Resultados da simulação do barramento adotado, durante a operação do sistema
em travagem regenerativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 915.16 Resultados da simulação do barramento adotado, durante a operação do sistema
em travagem regenerativa dinâmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
xiv LISTA DE FIGURAS
Lista de Tabelas
2.1 Eficiência de módulos PV baseados em diferentes tecnologias . . . . . . . . . . 122.2 Comparação dos diferentes tipos de baterias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.3 Vantagens e desvantagens dos Super Condensadores . . . . . . . . . . . . . . . . 142.4 Características das diferentes categorias dos UC . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.5 Tipos de células de combustível . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.6 Estimativa de pesos do HSAE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202.7 Comparação entre a estrutura convencional e multiporto . . . . . . . . . . . . . . 23
3.1 Valores do coeficiente de resistência aerodinâmica para os vários tipos de veículos 303.2 Coeficientes de resistência ao rolamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313.3 Especificações consideradas no cálculo das expressões (dados retirados da folha
de especificações do veículo) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333.4 Resumo dos valores das forças e binários . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343.5 Dados de funcionamento do sistema frigorifico . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383.6 Radiação solar e energia produzida a partir dos painéis fotovoltaicos . . . . . . . 423.7 Peso do sistema de armazenamento de energia (SAE) apenas com uma tecnologia
de armazenamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453.8 Parâmetros do sistema hibrido de armazenamento de energia . . . . . . . . . . . 45
4.1 Parâmetros do motor EMRAX inseridos no simulador . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.1 Parâmetros calculados para o dimensionamento da correia e polia . . . . . . . . 815.2 Características da Polia dentada cega 40-14M . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 835.3 Características do tolok TLK401120x165 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 835.4 Parâmetros utilizados na simulação do barramento . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
A.1 Características do ciclo de condução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100A.2 Características do ciclo de condução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
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xvi LISTA DE TABELAS
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xviii ABREVIATURAS E SÍMBOLOS
Abreviaturas e Símbolos
AFC Alkaline Fuel Cell
Ah Amperes horaa-Si silício amorfoBLDC Brushless DC Electric Motor
BSG Belt Starter Generator
CA Corrente AlternadaCAE Conversor de Acoplamento ElétricoCAM Conversor de Acoplamento MagnéticoCC Corrente ContinuaCIGS Cobre Índio Gálio SelenietoC-ISG Cranckshaft Integrated Starter Generator
CORDIC Coordinate Rotation by Digital Computer
DC Direct Current
DSP Digital Signal Processors
DMFC Direct Metanol Fuel Cell
ELDC Condensadores de Dupla CamadaEMF Força Contra EletromotrizEPC Condensadores Pseudo EletromecânicosFC Fuel Cell
FOC Field Oriented Control (controlo por orientação de campo)FPGAs Field Programmable Gate Array
HSAE Sistemas de Armazenamento de Energia HíbridosIsc Current Short Circuit
ISG Integrated Starter Generator
MCFC Molten Carbonate Fuel Cell
MIMO Multi-Input Multi-Output
MPP Maximum Power Point
Mtep Milhões de toneladas equivalentes de petróleoNi-Cd Níquel-CádmioNi-MH Níquel- Metal HídricoPAFC Phosphoric Acid Fuel Cell
PEMFC Proton Exchange Membrane Fuel Cells
PI Proporcional IntegralPM Permanent Magnets (ímanes permanentes)PMSM Permanent Magnet Synchronous Motor
PV Painéis FotovoltaicosPWM Pulse width modulation
SCs Super CondensadoresSOC State of Charge
SOFC Solid Oxide Fuel Cell
SAE Sistema de Armazenamento de EnergiaSRM Switched reluctance Motor
STM Sistema de Travagem MecânicoSTR Sistema de Travagem RegenerativaSVM Space Vector Modulation
UC Ultra Condensadores
ABREVIATURAS E SÍMBOLOS xix
A ÁreaD Duty cycle
M Massa do veículoKp Ganho ProporcionalKi Ganho Integralg Aceleração da gravidadefr coeficiente de resistência de rolamento do pneuρa densidade do arδ fator de inérciaυ velocidadeω velocidade angularτ binário
Capítulo 1
Introdução
Neste capítulo será apresentada a motivação e o enquadramento do tema que foi objeto de es-
tudo e análise, durante a Dissertação. Desta forma, e no seguimento deste trabalho, serão apresen-
tados na secção 1.2 os objetivos a atingir com este trabalho, seguindo-se um resumo da estrutura
deste documento na secção 1.3.
1.1 Motivação
Os níveis de consumo e o preço da energia utilizada no sector dos transportes determinam a
flutuação do valor das mercadorias e bens transacionados, afetando de certa forma os produtos
adquiridos pelo consumidor final. Esta cadeia está fortemente dependente do valor do petróleo, e
para além disto, este mostra-se responsável pelos desequilíbrios ambientais verificados nos últimos
anos. Pelos dados do Eurostat [1], em 2010, o sector dos transportes representou quase 32% do
Figura 1.1: Consumo Final de Energia, por setor, EU-27 (Mtep) [1]
1
2 Introdução
consumo final de energia na EU-27 (figura 1.1). Dentro do setor dos transportes o maior consumo
de energia verifica-se nos transportes terrestres (figura 1.2a).
Será fácil perceber que este consumo é necessário para alimentar o sistema de propulsão dos
Veículos Pesados (VP), como camiões e autocarros, e para além destes, é essencial para alimentar
unidades de geração de energia elétrica nos sistemas de refrigeração de contentores e reboques.
Estes veículos incluem vários equipamentos para o acondicionamento e tratamento das merca-
dorias, e estes representam um consumo significativo da potência disponibilizada pelo motor de
combustão. Por conseguinte, a poupança de combustível passa também pelo controlo e otimização
dos sistemas auxiliares, podendo atingir uma redução de 5% a 10% no consumo, dependendo do
sistema [2].
(a) Consumo final de energia, por modo de transporte,EU-27 (Mtep)
(b) Consumo energético final nos transportes, porcombustível, EU-27 (Mtep)
Figura 1.2: Dados do Eurostat [1]
Analisando o VP noutra perspetiva, este pela dimensão que apresenta, torna-se um desafio para
as redes energéticas do futuro. Tendo em conta a área da superfície dos reboques e carroçarias, a
aplicação de Painéis Fotovoltaicos (PV) pode assistir e alimentar as cargas elétricas dos veículos.
Pode, ainda em parque, assistir a rede elétrica durante as horas de ponta, tornando-se, desta forma,
numa fonte de rendimento. De outro modo, comparativamente com os veículos ligeiros podem ser
vistos como uma potencial carga para a rede durante o carregamento das suas baterias [3]. Desta
forma, os VPs apresentam um elevado potencial de recuperação de energia, reduzindo os níveis
de consumo e a dependência dos derivados de petróleo.
Posto isto, o presente tema foca-se na recuperação de energia durante as desacelerações e
travagens e o armazenamento desta em baterias, com vista alimentar o sistemas de refrigeração
da carroçaria e/ou reboque. Esta configuração propõe diminuir o número operações por hora do
gerador a gasóleo ao longo do tempo, que é utilizado exclusivamente neste sistema auxiliar (nos
sistemas atuais). Esta solução pode, futuramente, evoluir com a substituição total da unidade
geradora a gasóleo e componentes associados.
1.2 Objetivos 3
1.2 Objetivos
O foco da dissertação aponta para o estudo e análise dos ciclos de funcionamento de VPs de
mercadorias com sistema de refrigeração e plataforma elevatória, concretamente num camião DAF
FA CF75. O interesse passa pela aplicação de um sistema de travagem regenerativa e pela instala-
ção de PV na superfície da viatura, o que permite o carregamento das baterias e a alimentação do
sistema de frigorífico.
Desta forma pretende alcançar-se no decorrer da dissertação os seguintes objetivos:
- Analisar a dinâmica do veículo e os ciclos de condução tipicos do VP em causa;
- Projetar uma solução/estrutura capaz de responder aos requisitos funcionais;
- Modelar e simular os conversores para o sistema;
- Análise do desempenho dos subsistemas.
- Projetar um protótipo que integre os vários subsistemas no veículo.
1.3 Estrutura do Documento
O documento encontra-se dividido em 6 capítulos, sendo que em cada um deles serão aborda-
dos os seguintes aspetos:
Capítulo 1 - Contextualização do tema e os motivos para o seu desenvolvimento, os objetivos
da dissertação e a estrutura do documento;
Capítulo 2 – Estado da arte das fontes de energia elétrica, sistemas de armazenamento, conver-
sores de potência e estratégias de controlo. É apresentado ao longo do capítulo 2 uma descrição
sumária de cada uma das tecnologias, apontando as vantagens e desvantagens, bem como o respe-
tivo âmbito de aplicação;
Capítulo 3 - Análise da dinâmica do veículo, ciclos de condução e sistemas auxiliares. Neste,
será apresentado a arquitetura do sistema que suporta a análise de necessidades e respetivos requi-
sitos do projeto;
Capítulo 4 – Análise e projeto do subsistema de travagem regenerativa;
Capítulo 5 – Acoplamento do subsistema de produção de energia durante a travagem e res-
petivo sistema de armazenamento no veículo. Análise da integração dos subsistemas com vista à
construção de um protótipo;
Capítulo 6 – Apresentação das conclusões da dissertação e as sugestões para desenvolvimentos
futuros.
4 Introdução
Capítulo 2
Estado da Arte
Neste capítulo pretende fazer-se a revisão bibliográfica apontando para os sistemas de produ-
ção, conversão e armazenamento de energia. Serão apresentadas tabelas que resumem e facilitam
a leitura das tecnologias disponíveis no mercado, de forma a diversificar as soluções para os re-
quisitos e necessidades do projeto.
2.1 Sistemas de Produção de Energia Elétrica
O tipo de construção de um gerador para automóvel é determinado pela necessidade da energia
elétrica imposta pelo equipamento e baterias do veículo.
Esta secção apresenta o estado da arte relativamente aos métodos de produção de energia
utilizados nos VPs, fazendo ainda uma revisão da tecnologia solar fotovoltaica. Esta justifica-se,
pelo facto de despertar interesse entre construtores e investigadores, tendo-se intensificado a partir
do momento que um avião voou mais de 24 horas alimentado pela energia do sol [4].
Este subcapítulo desenvolve-se a partir da solução convencional, o alternador, passando pela
sua evolução que constitui um sistema, que integra neste a função, de motor de arranque. Alinhado
com a tecnologia implementada pela DAF R© e pela Volvo R© [5], nos seus camiões híbridos, este
também faz referência aos sistemas de travagem regenerativa e volante de inércia.
2.1.1 Energia Rotativa
Nos veículos com motor de combustão interna, quando este está parado a bateria é a fonte de
alimentação do sistema elétrico do automóvel. Quando este entra em funcionamento, o alternador
torna-se a fonte de produção de energia, responsável pelo carregamento da bateria e alimentação
das cargas elétricas do veículo (figura 2.1). A eficiência deste aumenta com a velocidade de rotação
ditada pela relação de transmissão com a cambota, que nos veículos comerciais é mais de 1:5 [6].
Trata-se de uma máquina com enrolamento trifásico no estator e um enrolamento de excitação
no rotor. De maneira a alimentar as cargas do veículo em CC, com uma tensão de saída constante
ao longo da gama de velocidades e variação da carga do motor, o alternador é composto por um
5
6 Estado da Arte
Figura 2.1: Diagrama de cargas do automóvel
circuito que retifica a corrente de saída, um de regulação da tensão e outro que controla a corrente
de excitação [6].
O circuito de retificação é composto por uma ponte trifásica com 6 díodos de potência. Para
além da retificação da corrente alternada gerada nos três enrolamentos, estes separam o alternador
e a bateria do sistema elétrico do automóvel, prevenindo assim o descarregamento da mesma
quando a sua tensão é superior à do alternador, mesmo quando o veículo está parado.
O regulador de tensão controla o nível de corrente de excitação, por sua vez o campo magnético
e com ele a tensão induzida podem ser reforçados ou enfraquecidos, aumentando ou diminuindo a
corrente CC que flui no enrolamento. Assim como a eficiência, também o desempenho varia com
Figura 2.2: Curva característica de um alternador: nL - velocidade com motor ao ralenti, nN -velocidade à corrente nominal, IL - corrente com o motor ao ralenti, IN - corrente nominal, P1 -Potência de entrada [6]
2.1 Sistemas de Produção de Energia Elétrica 7
a velocidade de rotação, sendo este capaz de operar para velocidades diferentes, dando resposta ao
consumo de potência das cargas ligadas, mesmo com o motor ao ralenti, ou seja a baixas rotações.
A figura 2.2 apresenta a curva característica do alternador.
Deste gráfico, na figura 2.2, retira-se informação relativa à potência de entrada, que deve ser
tida em conta nos cálculos da potência necessária para acionar o alternador numa dada velocidade.
Depreende-se através da observação do gráfico que com o aumento gradual da velocidade média,
a curva característica de potência sobe contra as altas velocidades.
Importa salientar que a potência de entrada e de saída podem ainda ser usadas para calcular a
eficiência desta máquina.
2.1.2 Sistema Integrado Alternador/Motor de Arranque
A percentagem de combustível que é usada pelo motor para manter o alternador em funciona-
mento, e simultaneamente, suportar o seu peso juntamente com o do motor de arranque e bateria é
de aproximadamente 5% nos automóveis de média dimensão. Isto significa que numa viagem de
100 km e um peso de 10 Kg, ou uma potência de saída do alternador na ordem dos 100W, a média
de consumo será aproximadamente 0,1 L/100km [6].
Por conseguinte, e considerando o aumento dos requisitos de energia por parte dos sistemas
elétricos nos automóveis, é evidente a necessidade de elevar o valor de tensão que se encontra nos
atuais 14V nos veículos ligeiros e 28V nos pesados. Desta forma, a corrente excede o valor de
segurança, que ronda os 200 A. Em alternativa, foi acordado a nível internacional o uso dos 42 V,
permitindo a utilização de uma potência total que pode chegar aos 9 KW. [7]
Figura 2.3: ISG [8]
Desta maneira, surge uma nova arquitetura que integra o motor de arranque e o alternador
num só componente. Este sistema denomina-se Integrated Starter Generator (ISG). Esta solução
apresenta como vantagem o arranque do motor dentro de 200 ms ao invés dos normais 800 ms, e
facilita a operação de start/stop, uma funcionalidade presente na maioria dos últimos modelos de
automóveis [6].
8 Estado da Arte
Este pode ser acoplado à entrada da transmissão, denominando-se por Cranckshaft Integrated
Starter Generator (C-ISG) como ilustra a figura 2.3, ou simplesmente por uma correia, substi-
tuindo o alternador convencional e tomando a designação de Belt Starter Generator (BSG), apre-
sentado na figura 2.4. [9]
Figura 2.4: ISG acoplado por correia [8]
Esta tecnologia possibilita quatro modos de operação, sendo eles:
• Arranque do motor de combustão;
• Produção de energia para carregar a bateria e alimentar as restantes cargas a 42V;
• Produção de energia durante a travagem: Regenera nas reduções do motor se a tensão da
bateria for inferior a 58V. Caso esta esteja a cima desse valor, entra em modo dissipação de
energia;
• Aumento de binário: Auxilia o motor nas acelerações quando a bateria está carregada.
Este tipo de aplicações recorre a motores trifásicos de corrente alternada. Dentro destes,
consideram-se os motores de indução devido à sua robustez, baixo nível de manutenção e baixa
ondulação de binário; o Motor Síncrono de Ímanes Permanentes (PMSM) por apresentar um ele-
vado nível de eficiência e densidade de potência; e ainda o Motor de Relutância Variável (SRM)
que apresenta bom desempenho a elevadas rotações e uma construção de baixo custo. Por outro
lado, este último possui uma elevada ondulação do binário, vibrações e ruído.
O PMSM mostra-se, atualmente, a máquina que corresponde aos requisitos desta aplicação.
O seu rótor apresenta um campo magnético constante imposto pelos ímanes, sendo atraído ou
repelido pelo estator dependendo da sua posição, causando um binário de rotação. A comutação
da corrente deve estar sincronizada com a posição do mesmo, usando-se geralmente sensores que
se encontram ligados ao inversor que controla a frequência CA.
2.1 Sistemas de Produção de Energia Elétrica 9
2.1.3 Recuperação de Energia na Travagem
Como foi referido na secção anterior, o motor elétrico pode ser controlado para operar como
gerador. Assim, quando um veículo está a desacelerar ou a travar, pode converter a energia cinética
em energia elétrica. Esta pode ser armazenada ou alimentar diretamente os sistemas auxiliares do
veículo.
Perceber a energia e a potência de travagem torna-se crucial no dimensionamento da potência
do motor e da capacidade do sistema de armazenamento. Desta forma é possível recuperar uma
elevada percentagem de energia consoante os regimes de condução sem sobredimensionamento
do sistema.
Por conseguinte, a potência nas rodas do veículo pode ser calculada pela seguinte expressão:
P =V
1000
(
Mg fr +12
ρaCDAV 2 +MδdV
dt
)
(kW ) (2.1)
onde M é a massa do veículo, g a aceleração da gravidade, fr o coeficiente de resistência de
rolamento do pneu, ρa a densidade do ar com o valor de 1,205Kg/m3, CD o coeficiente de arrasto
aerodinâmico, A a área frontal do veículo em m2, δ o fator de inércia e v a velocidade do veículo
em m/s.
Quando, a potência, P > 0 o veículo está a tracionar, e quando P < 0 o veículo encontra-se
em desaceleração e a energia cinética é dissipada nas pastilhas e discos de travão. Integrando a
equação 2.1 tem-se nas rodas a energia de tração e de travagem, num determinado tempo, num
ciclo de condução [10].
(a) Estratégia da travagem regenerativa série (b) Estratégia de travagem regenerativa paralela
Figura 2.5: Desempenho da hibridização dos sistemas de travagem [8]
Geralmente, o binário de travagem necessário é maior do que aquele que o motor elétrico
produz, especialmente em veículos pesados. No seguimento, o sistema de travagem mecânico
coexiste com o sistema de travagem elétrico, suavizando-a e reduzindo simultaneamente, a carga
sobre os componentes mecânicos [11].
10 Estado da Arte
Assim, na literatura, devido a hibridização destes dois sistemas, consideram-se duas tipologias
de travagem regenerativa, a paralela e a série [10, 11].
Na travagem paralela, ambos os sistemas funcionam sempre que o pedal de travão é acionado,
contudo, apesar de simples e apresentar baixo custo, não mostra níveis de eficiência significativos.
Para este método, o sistema mecânico sofre pequenas alterações e o algoritmo de controlo para o
motor pode ser facilmente implementado. Sendo os sistemas de travagem um sistema crítico para a
segurança e estabilidade do veículo, esta arquitetura apresenta uma vantagem importante. Em caso
de falha do sistema elétrico, a redundância do sistema é assegurada pelo mecânico convencional
[10, 11].
O sistema de travagem regenerativa série recorre a um motor elétrico e a um controlador. O
controlador é usado para gerir a travagem elétrica, baseada na velocidade da roda, força do pedal
de travão (separado do circuito hidráulico), da condição de carga do sistema de armazenamento e
pelas regras embebidas no controlador. Esta distingue-se por apresentar um nível de eficiência e
complexidade superior à topologia paralela.
Figura 2.6: Esquema da arquitetura de um sistema de travagem regenerativa paralela [7]
2.1.4 Produção Fotovoltaica
O consumo total de combustível pode ser reduzido pela incorporação de sistemas fotovoltaicos
na superfície dos veículos. De facto, a produção fotovoltaica é uma tecnologia conhecida pela
vantagem de ser leve, silenciosa, livre de manutenção e de operar continuamente (até mesmo
2.1 Sistemas de Produção de Energia Elétrica 11
quando o automóvel não se encontra em movimento). Desta forma, isto permitirá manter a bateria
carregada mesmo com motor desligado [12].
Alguns construtores de automóveis já começaram a incluir PV nos tejadilhos dos veículos
com uma potência até 130 W. O Toyota Prius é um exemplo de aplicação que utiliza a energia
proveniente das células fotovoltaicas para refrigerar o interior [3].
Na seleção dos PV é necessário ter atenção os seguintes critérios: Ponto de Potência Máxima
(MPP), o valor de Potência Máxima (Pmax), tensão em circuito aberto (Voc), corrente de curto-
circuito (Isc), fator de preenchimento e eficiência do painel.
Figura 2.7: Curva característica corrente-tensão e potência-tensão num PV
Os painéis fotovoltaicos podem ser constituídos por células de silício policristalino (poly-Si),
de silício monocristalino (c-Si) ou silício amorfo (a-Si).
Os desenvolvimentos nesta área têm-se, essencialmente, focado nas tecnologias thin-film que
se traduzem em finas camadas de material semicondutor aplicado sobre um material sólido. Con-
sequentemente, estas células são mais leves e económicas, representando atualmente 15% das
vendas no mercado [3].
Em condições normais, o limite máximo de eficiência para o silício cristalino é cerca de 29%.
De facto, isto é possível em painéis monocristalinos e comercialmente já se encontra no mercado
tecnologias que excedem os 24% de eficiência. Outro aspeto importante é o facto destes disposi-
tivos poderem manter a sua potência de saída elevada durante 25 anos [3].
Para uma aplicação em veículos, a principal vantagem dos PV thin-film é sobretudo o seu baixo
peso, a sua flexibilidade e o baixo custo. Atualmente são desenvolvidas tecnologias nesta área com
folhas de polímeros flexíveis contabilizando já com um recorde de eficiência que marca os 20,4%.
Estas células são baseadas em Cobre Índio Gálio Selenieto (CIGS), um material semicondutor
conhecido pelo seu potencial na razão custo benefício [13]. O seu desempenho com a temperatura
é melhor que as tecnologias de silício cristalino, já que a eficiência do poly-Si cai 0,15%-0,2% poroC, enquanto a do cristalino decresce 0,35-0,4% por oC. Este aspeto é uma vantagem importante,
12 Estado da Arte
uma vez que, a superfície do automóvel em parque pode chegar a uma temperatura de 70oC,
especialmente os de superfície escura. [3]
Tabela 2.1: Eficiência de módulos PV baseados em diferentes tecnologias [14]
Classe dos Painéis Tecnologia EficiênciaSilicio Mono-Cristalino SunPower 22,4 – 23,4
Sanyo Hit 22,3Suntech Pluto Technology 20,3
Plocristalino String Ribbon 16 – 18Emitter Wrap Trhought (EWT) 15
Thin Film Silício amorfo (a-Si) 9,5 – 13,2Copper Indium diSulphide (CIS or GIGS) 16,7 – 19,9Cadmium telluride (CdTe) 15 – 16,5Silício Cristalino em Vidro (GaAS) 8 - 10,4
2.2 Tecnologias de Armazenamento de Energia
Neste subcapítulo serão abordados os sistemas de armazenamento de energia que têm dado
resposta às necessidades dos VP e recentes VP híbridos. Devido às mudanças nos ciclos de con-
dução, causadas pela condução sobre condições de densidade do tráfego, numerosas travagens e
as extensas paragens, têm despoletado a combinação de várias formas de armazenamento para
atingir a solução ideal e mais completa. Assim,o presente subcapítulo será complementado com a
utilização de tabelas que concentram e organizam as tecnologias analisadas de acordo com os seus
critérios relevantes.
2.2.1 Baterias
As baterias são um dispositivo de armazenamento de energia, com uma ou mais células ele-
troquímicas. Estas convertem a energia elétrica em energia potencial química durante a carga, e a
energia química em energia elétrica durante a descarga.
No processo de decisão e escolha de uma bateria é necessário considerar alguns parâmetros,
tais como os que se apresentam seguidamente.
A capacidade é definida pelo número de Amperes-hora (Ah) e, para a mesma bateria pode ter
valores diferentes dependendo das correntes, visto que a mesma é proporcional à taxa da corrente
de descarga. Em regra, os fabricantes especificam o número de Ah juntamente com a taxa de
descarga. Por exemplo, 100 Ah a C/4 significa que tem 100Ah de capacidade durante 4 horas para
uma taxa de descarga a 100/4=25 A. Já a energia armazenada, dada em Watt-hora (Wh) relaciona
a capacidade com a tensão média durante o seu descarregamento [10].
Outro parâmetro importante é o estado de carga da bateria (SOC). Este indica, em percenta-
gem, a relação da carga elétrica que pode ser entregue pela bateria a uma corrente (I), e a capaci-
dade nominal desta. O estado da carga pode ser expresso pela equação 2.2:
2.2 Tecnologias de Armazenamento de Energia 13
SOC = SOC0 −∫
idt
Q(t)(2.2)
onde SOC0 é o estado de carga inicial, e Q(i) é a capacidade da bateria para uma corrente I.
Na descarga, a corrente tem sinal positivo e durante a carga sinal negativo. Assim, o SOC diminui
durante o fornecimento de energia e aumenta com o carregamento da bateria.
Para além dos critérios descritos consideram-se também a energia específica (Wh/Kg), potên-
cia específica (W/Kg), densidade energética (Wh/L), a percentagem de auto descarga, eficiência
de carga, o custo, o risco de impacto ambiental e os ciclos de vida. A energia específica é a relação
entre a energia fornecida pela bateria e o seu peso. A potência específica relaciona a potência com
o peso ou a potência com o volume. O efeito de auto-descarga consiste nas perdas de energia de-
vido às reações internas durante o armazenamento quando o circuito externo está aberto, ou seja,
sem cargas ligadas à saída da bateria.
A bateria de chumbo-ácido é a mais usada nos veículos convencionais. Os camiões geralmente
utilizam este tipo de baterias com um líquido eletrólito que deve ser encimado com água. Neste
tipo de veículos as baterias podem durar 7 anos com 1200 a 1500 ciclos, isto porque a mesma
é descarregada em média 7-8 horas, enquanto nos veículos ligeiros é em 2 horas, reduzindo o
Tabela 2.2: Comparação dos diferentes tipos de baterias [10, 12, 14]
Tipo de Bateria Energia Potência Ciclos Eficiência Auto CustoEspecífica Específica de vida (%) descarga (U$/kWh)(Wh/Kg) (W/kg) (% p/48h)
Bateria Chumbo ÁcidoChumbo ácido 35 180 1000 >80 0,6 60Chumbo ácido avançado 45 250 1500 - - 200Válvula regulada 50 150 700+ - - 150Folha de Metal 30 900 500+ - - -Baterias de NíquelNíquel Ferro 50-60 100-150 2000 75 3 150-200Níquel – zinco 75 170-260 300 76 1,6 100-200Níquel- Cadmio 50-80 200 2000 75 1 250-300Níquel metal hídrico 75-95 200-300 <3000 70 6 200-250Baterias de LítioLítio - sulfureto de ferro 150 300 1000+ 8 - 110Lítio - fosfato de ferro 120 200-4500 >2000 - - 350Iões de Lítio - polímero 130-225 260-450 >1200 - - 150Iões de lítio 118-250 200-430 2000 >95 - 150Lítio - titânio 80-100 4000 18000 - - 2000Lítio - Ar 1800 - - - - -Baterias de Metal-ArAlumínio – ar 220 60 - - - -Zinco – ar 460 80-140 200 60 - 90-120
14 Estado da Arte
número de ciclos de carga/descarga [6].
As baterias de Níquel-cadmio (Ni-Cd) estão a ser substituídas pelas de Níquel-metal-hídrico
(Ni-MH) devido ao perigo que o cadmio representa para o ambiente. Para além disso, as Ni-MH
apresentam maior densidade energética e número de ciclos carga/descarga que as de Ni-Cd e são
compostas por uma boa percentagem de material reciclável.
As baterias baseadas no Lítio são caracterizadas pela sua elevada densidade energética e por
apresentarem maior tensão por célula.
A tabela 2.2 apresenta as tecnologias que se encontram no mercado e as respetivas caracterís-
ticas, onde a energia específica é calculada pela equação 2.3:
Energiaespeci f ica =nFVr
3,6.ΣMi
(Wh/kg) (2.3)
onde n é o número de eletrões transferidos na reação, F = 96,495 é a constante de Faraday, Vr
é a tensão reversível da célula e ΣMi é o somatório do peso molecular das espécies envolvidas nas
reações da bateria [10].
2.2.2 Super Condensadores
Tendo em conta as limitações das baterias, nomeadamente o reduzido número de ciclos de
carga, a baixa densidade de potência e o tempo considerável que demoram até ficar completa-
mente carregadas, os SC ou Ultra Condensadores (UC) são conhecidos pela elevada densidade de
potência, número de ciclos de vida e pelo reduzido tempo de carga. [12]
Os SC apresentam pouca energia específica para serem usados como fonte primária de arma-
zenamento de energia, contudo apresentam uma potência específica que pode atingir os 3kW/Kg.
As vantagens dos SC combinadas com as das baterias podem criar um sistema com elevada
densidade de potência, um elevado número de ciclos de carga/descarga e uma densidade energética
considerável.
Tabela 2.3: Vantagens e desvantagens dos Super Condensadores
VantagensElevada densidade de potênciaMais de 1 milhão de ciclos de carga/descargaCarregamento rápidoElevada eficiênciaAmpla gama de temperatura de funcionamento (-40oC a +65oC)
DesvantagensBaixa densidade energéticaElevado custoElevado fator de auto descargaBaixo valor de tensão por célulaQueda de tensão linear
2.2 Tecnologias de Armazenamento de Energia 15
Um condensador simples é constituído por dois elétrodos com uma determinada área (A),
separados uma distância (d) por um material dielétrico (com determinado coeficiente ε). A sua
capacidade pode ser expressa pela equação 2.4:
C = εA
d(2.4)
e a sua energia pela expressão:
E =12
CV 2 (2.5)
onde V é a tensão entre os elétrodos. As equações clarificam que a densidade de energia é pro-
porcional à área dos elétrodos, e inversa à distância entre estes. Graças aos avanços tecnológicos
é possível reduzir a distância efetiva e criar estruturas com uma grande superfície, resultando num
aumento da capacidade total.
Estes, dependendo da sua estrutura, podem ser divididos em três categorias:
1. Condensadores de dupla camada (ELDC);
2. Condensadores pseudo eletromecânicos (EPC);
3. Super condensadores híbridos.
Tabela 2.4: Características das diferentes categorias dos UC [12]
Ultra Condensador Energia Esp. Potência Esp. Ciclos de Eficiência(Wh/kg) (W/kg) Vida (%)
EDLC 5-7 1-2M 40 anos >95EPC 10-15 1-2M 40 anos >95Condensadores híbridos 10-15 1-2M 40 anos >95
Outro benefício descrito é a facilidade de medir o seu estado de carga (SOC) através da medi-
ção do valor da tensão aos seus terminais. Assim, o SOC pode ser calculado pela equação 2.6:
SoC =ESC
ESCMax=
12 .CTotal.V
2Total
12 .CTotal.V
2TotalMax
(2.6)
16 Estado da Arte
2.2.3 Células de Combustível
Figura 2.8: Diagrama de operação da Célula de Combustível [15]
As células de combustível são dispositivos capazes de converter a energia armazenada no
combustível em energia elétrica. Estas consistem em dois elétrodos e uma membrana que forma
uma câmara de reação com reagentes externos armazenados. O princípio de funcionamento é
semelhante ao das baterias, no entanto, neste caso específico, os elétrodos são continuamente
reabastecidos. Estes podem ser recarregados assegurando a fonte de eletricidade continua durante
um longo período de tempo [10].
Existe vários tipos de células de combustível no mercado, desde células de combustível diretas
do metanol (DMFC), proton exchange membrane fuel cells (PEMFC), com eletrólito alcalino
(AFC), com ácido fosfórico (PAFC) , com carbonato fundido (MCFC) e as com óxido sólido
(SOFC). Todas usam um elemento como combustível e um segundo elemento como oxidante, que
na maioria dos casos é o ar.
Atualmente, as DMFC são usadas em dispositivos portáteis como Tablets, Laptops e PDAs, por
apresentarem baixa temperatura de funcionamento, rápida recarga e maior capacidade energética.
Comparada com as baterias de iões de lítio que possuem uma densidade de 620 Wh/L, o metanol
apresenta 4390 Wh/l [12].
A principal vantagem da célula de combustível (FC) na aplicação aos transportes é a capaci-
dade de funcionar com elevada eficiência, baixo nível de emissões, baixo nível de ruido e pela
simplicidade do sistema. Por este motivo, o autocarro da Mercedes, o Citaro, e o Honda FCX
Clarity já recorrem a esta tecnologia [12].
2.2 Tecnologias de Armazenamento de Energia 17
Tabela 2.5: Tipos de células de combustível [15, 16]
Tipo Célula de Eletrólito Temperatura Potência Eficiência DensidadeCombustível de Func. máxima (%) de
(oC) de saída Potência(KW) (KW/m3)
Eletrólito de Polímero 80 250 40-50 3,8 -6,5membrana polímera Orgânico(PEM)
Alcalinas (AFC) Hidróxido de 150-200 12 50 1Potássio
Ácido fosfórico Ácido fosfórico 150-200 250 40 0,8-1,9(PAFC)
Carbonato Fundido Lítio e Carbonato 650 2MW >50 1,5 – 2,6(MCFC) de sódio ou
potássio
SOFC Óxido sólido 800-1000 1,7MW >50 0,1 -1,5estabilizado
DMFC Membrana de 60-200 1MW 40 0,2 – 0,4polímero sólido
2.2.4 Volantes de Inércia
Esta tecnologia, também conhecida por Flywheel, é um mecanismo que usa um volante de
inércia para armazenar energia cinética (energia rotacional). A energia é transferida para o volante
através da aplicação de um binário, aumentando assim, a sua velocidade de rotação e consequen-
temente, a sua energia armazenada. Esta é proporcional ao quadrado da velocidade de rotação do
volante [16].
Devido à elevada velocidade de rotação, e para reduzir as perdas aerodinâmicas, o interior da
flywheel encontra-se em vácuo. Para minimizar as perdas por fricção são utilizados anéis magné-
ticos eliminando, desta forma, o contacto.
Atualmente, o motor de ímanes permanentes DC sem escovas (BLDC), devido à sua elevada
eficiência, densidade de potência e pelo facto de não produzir calor, minimizando as perdas nos
enrolamentos, é adotado para a utilização em ambientes de vácuo.
O SRM também é um promissor candidato, devido à sua estrutura simples e eficiência a altas
velocidades, como referido em secções anteriores. Apresentam também uma larga região de ve-
locidades com potência constante. Nesta região, apenas o fluxo de excitação da máquina é que é
variado, sendo o seu controlo facilmente implementado [10].
18 Estado da Arte
Figura 2.9: Esquema da estrutura de um volante de inércia [10]
Este sistema pode atingir 10-150 Wh/kg de energia e 2-10 KW/Kg de potência. Comparado
com o SC, estes tem uma elevada densidade de potência e de energia [12].
Devido à elevada potência que pode ser produzida, este sistema em caso de falha ameaça
provocar graves danos ao veículo. Outro inconveniente prende-se com as forças giroscópicas que
reduzem a manobrabilidade do mesmo [12].
2.2.5 Hibridização de Sistemas de Armazenamento de Energia
A hibridização dos sistemas de armazenamento de energia (HSAE) combina dois ou mais for-
mas de armazenamento, compensando entre si as desvantagens de cada uma. Como referido na
secção 2.2.1 as baterias têm elevada densidade de energia enquanto os SC, em 2.2.2, disponibili-
zam uma elevada densidade de potência. Desta forma, com a combinação de SC e baterias pode
atingir-se níveis de desempenho que não seriam atingidos apenas com uma das soluções.
Nesta secção apresentam-se 7 topologias de HSAE ilustradas na figura 2.10. Nestas, é utilizada
a ligação CC porque a maioria dos componentes são alimentados em CC. Por este motivo, recorre-
se a conversores CC/CC bidirecionais e/ou unidirecionais, controlando assim, a transferência de
energia entre os sistemas.
Na figura 2.10 tem-se:
a) As duas fontes são combinadas sem recorrer a conversores, desde que as duas estejam sem-
pre em paralelo e tenham o mesmo valor da tensão. Apesar de excluir o conversor, esta
limita a potência armazenada pelo SC, não aproveitando na sua totalidade;
2.2 Tecnologias de Armazenamento de Energia 19
(a) (b)
(c)
(d)
(e) (f)
(g)
Figura 2.10: Topologias de Sistemas Híbridos de Armazenamento de Energia[12, 17]
b) A tensão da bateria pode ser mantida acima ou abaixo da tensão do SC, e como este se
encontra ligado diretamente ao barramento CC funciona como um filtro passa baixo, permi-
tindo a variação da tensão do barramento;
c) Recorre a um conversor CC/CC que necessita de ser dimensionado de acordo com a potência
do SC, aumentando o custo e ao mesmo tempo reduzindo o aquecimento das baterias. Uma
20 Estado da Arte
vez que a bateria está diretamente ligada ao barramento, a sua tensão não pode variar, a
eficiência do inversor é maior neste caso porque a tensão entre o conversor e este não varia
com a do SC;
d) O SC descarrega a mesma energia, contudo pode efetua-la a razões de tensão e capacidade
diferentes. A potência do condensador pode ser completamente utilizada, até cerca de 75%
da sua energia;
e) Melhora a gama de funcionamento da bateria e do UC, possibilitando o desacoplamento de
ambas as fontes de energia;
f) Permite o desacoplamento das fontes de armazenamento com maior flexibilidade, estabili-
dade e eficiência. Desta forma, reduz-se o tamanho e o peso do sistema;
g) Esta tipologia assenta em múltiplos conversores isolados. Apresenta uma elevada eficiência
de potência, elevada fiabilidade e longo ciclo de vida de operação. No entanto, apresenta
um contributo significativo para o peso total do sistema.
Pela análise das configurações apresentadas na figura 2.10, pode concluir-se que a estraté-
gia de seleção da tensão está fortemente relacionada com as características da bateria e dos SCs
utilizados.
Se VUC < Vbat =VCC: o pack de baterias está ligado diretamente ao barramento CC e o UC
ligado a este a partir do conversor bidirecional. Esta estratégia utiliza a gama completa do SC,
quando a baixa tensão deste é necessária.
Se Vbat <VUC =VCC: o UC está ligado diretamente ao barramento, enquanto a bateria está ligada
pelo conversor. Neste caso, a tensão da bateria pode ser mantida abaixo da do barramento, e assim
não é necessário uma estratégia de balanceamento.
Se Vbat = VUC = VCC: significa que a bateria e o UC estão ligados em paralelo diretamente ao
barramento. Este arranjo não necessita de um conversor, no entanto a gama de trabalho do UC é
muito limitada.
Se Vbat 6= VUC 6= VCC: a bateria e os UCs são ligados ao barramento através de conversores ou
outros mecanismos [17, 18].
Assim sendo, pode analisar-se uma estimativa do peso total resultante da hibridização do sis-
tema de armazenamento, na tabela 2.6.
Tabela 2.6: Estimativa de pesos do HSAE
Chumbo/Ácido Ni-Cd Ni-MH Li-IPotência Específica (W/Kg) 378,5 581,4 703 1222Energia Específica (Wh/Kg) 26,5 40,7 49,2 85,5Peso da Bateria (Kg) 116 68 54 35Peso Do UC (Kg) 16,5 16,7 16,9 6,05Peso Total (Kg) 132 86 71 41
2.3 Conversão de Potência e Estratégias de Controlo 21
2.3 Conversão de Potência e Estratégias de Controlo
Esta secção apresentará as topologias de conversão implementadas nos veículos elétricos, para
combinarem as diferentes fontes de energia (secção 2.1). Serão abordados o conversor CC/CC
bidirecional e unidirecional, e os inversores CA/CC e CC/CA. Para além das tipologias, serão
apresentadas as estratégias de controlo dos respetivos.
2.3.1 Conversores
Os conversores CC/CC fazem a interface e o controlo do fluxo de potência entre dois sistemas
CC. A sua função é semelhante à dos transformadores em sistemas CA. Dependendo da direção da
corrente e da tensão de saída, os conversores podem ser classificados em unidirecional, permitindo
o fluxo de potência apenas num sentido, ou bidireccional possibilitando o fluxo de potência nos
dois sentidos [19].
Os conversores não isolados são, geralmente, usados em baixas relações de elevação ou dimi-
nuição do valor da tensão e quando não existe problemas com a entrada e a saída do conversor.
Por outro lado, os conversores isolados usam um transformador de alta frequência, garantindo o
isolamento completo da entrada e, apresentam uma razão de conversão elevada [20].
No projeto de um conversor para aplicações automóveis é essencial ter em consideração o
peso, a eficiência, o volume, interferência eletromagnética, ondulação da corrente e o fluxo de
potência sujeito a uma variação considerável da tensão [20].
As perdas consideradas num conversor são produzidas pelos semicondutores (IGBTs ou MOS-
FETs e diodos) e pelos componentes passivos (condensadores e bobinas). Posto isto, a eficiência
pode ser calculada pelas equações 2.8 e 2.7:
ΣP = pIGBT.cond + pIGBT.comut + pDiodo.cond + pDiodo.comut + pCondensador (2.7)
η =Pentrada −Σp
Pentrada
(2.8)
O conversor de meia ponte, figura2.11a, apresenta uma eficiência entre os 92% e 94% e tem
como vantagem o reduzido número de semicondutores, sujeitos a baixa tensão. Tem como des-
vantagens o facto dos interruptores comandados serem percorridos pela corrente duas vezes e
necessitarem de uma razão elevada de transformação, o que requer um condensador considerável
para eliminar a saturação do transformador [15].
Comparativamente, o conversor de ponte completa, figura2.11b, apesar de apresentar um
maior número de dispositivos e um controlo mais complexo, estes são percorridos por uma cor-
rente mais baixa, possibilitando uma comutação suave com baixa ondulação da corrente, contri-
buindo para uma eficiência na ordem dos 95% [15].
22 Estado da Arte
(a) Conversor CC/CC meia-ponte (b) b) Conversor CC/CC ponte completa
(c) Conversor CC/CC split-pi
(d) Conversor CC/CC multinível
Figura 2.11: Conversores CC/CC[12, 15]
O split-pi é uma tipologia de um conversor CC/CC bidirecional com uma eficiência acima
dos 97% constituído por componentes passivos de tamanho reduzido, baixo ruido de comutação e
conteúdo harmónico devido à forma de onda da corrente triangular [20].
Os conversores bidirecionais multinível, figura2.11d, apesar de não recorrerem a componentes
magnéticos (bobines) possuem elevada densidade de potência, baixa interferência eletromagnética
e uma eficiência de 98%, tamanho e peso reduzidos [20].
Figura 2.12: Unidades básicas usadas para construir conversores multiporto bidirecionais [21]
Pela lei da conservação de energia, equação 2.9, a potência fornecida deve ser igual ao total
da potência consumida pelas fontes, independentemente das perdas do sistema.
2.3 Conversão de Potência e Estratégias de Controlo 23
Parmazenada = −(
∑Pgerada −∑Pconsumida
)
(2.9)
Os conversores multiporto são potencialmente interessantes em aplicações de geração e ar-
mazenamento de energia que recorram a múltiplas fontes. A topologia mostra flexibilidade para
incorporar diversas entradas, por exemplo, FC, baterias, SC, PV, turbinas eólicas e cargas genéri-
cas.
A partir das células básicas de conversores apresentadas na figura 2.12 é possível ligar as
diferentes fontes a um barramento CC e controlá-las de forma independente, gerindo o fluxo de
potência no barramento [21].
(a) Estrutura convencional (b) Estrutura multiporto
Figura 2.13: Esquema da estrutura convencional e estrutura multiporto
O sistema de controlo do conversor multiporto apresenta uma situação multi-input multi-output
(MIMO) onde objetivo do sistema é estabelecer o fluxo constante de potência das fontes de energia
enquanto a carga varia. Estes podem ser estabelecidos pela tensão de saída, pela corrente ou
potência das fontes.
Desta forma, a estrutura multiporto apresenta vantagens relativamente à estrutura convencional
em termos do número de dispositivos de potência, graus de conversão e eficiência. Contudo,
no ponto de vista do controlo e do desenho do sistema o conversor multiporto mostra-se mais
complexo e ambicioso [22]. Na tabela 2.7, apresenta-se a comparação entre as duas estruturas.
Tabela 2.7: Comparação entre a estrutura convencional e multiporto [22]
Estrutura convencional Estrutura multiportoNecessita de um barramentoCC comum Sim NãoEtapas de conversão >1 minimisadoEsquema de controlo controlo disperso controlo centralizadoGestão do fluxo de potência complicado e lento simples e rápidoTransformador vários único com
múltiplos enrolamentosEsforço de implementação elevado baixo
24 Estado da Arte
2.3.2 Inversores
Os inversores CA/CC são amplamente usados, desde drivers corrente alternada (CA), fontes
de potência CC e equipamento de compensação harmónica. Como foi mencionada secção 2.1.1
deste capítulo, os alternadores recorriam a díodos de potência para efetuarem a retificação da
corrente CA para CC. Contudo, os díodos apenas permitem o fluxo unidirecional de potência e são
responsáveis pelo alto nível de harmónicos na corrente de entrada. Os inversores trifásicos apesar
de apresentarem uma modelação complexa, possuem baixa distorção harmónica, possibilitam uma
regulação do fator de potência de entrada e uma redução no tamanho do condensador do filtro CC
em certas aplicações [19], apresentando assim, uma eficiência cerca de 98%.
(a) Inversor trifásico (b) Inversor trifásico com conversor CC/CC bidireci-onal
(c) Inversor trifásico fonte Z bidirecional (d) Inversor trifásico fonte Z unidirecional
Figura 2.14: Topologias de Inversores[23]
As topologias básicas de inversores apresentadas na figura 2.14 são usadas nos veículos elé-
tricos (VE) e nos veículos híbridos (VEH). A topologia apresentada em 2.14a serve de base para
as restantes, variando conforme o âmbito da aplicação.
Normalmente recorre-se à configuração em 2.14b quando existe um transito de potência nas
duas direções. Assim, durante o regime de tração o conversor opera como elevador da tensão, de
outro modo é possível baixar a tensão, quando o motor opera como gerador, durante as travagens
e desacelerações.
Uma fonte Z, conhecida como Z-Source, pode ser aplicada a todo tipo de conversores (CC/CC,
CC/CA e CA/CA) aumentando o desempenho, diminuindo o número de componentes, contri-
buindo, desta forma, para o aumento do rendimento e redução do custo. Pode ser utilizada em FC
e PV que são fontes unidirecionais [12, 23].
2.3 Conversão de Potência e Estratégias de Controlo 25
2.3.3 Estratégias de Controlo
O controlo dos conversores é efetuado através da modelação dos sinais para os semicondutores
que o constituem. A técnica de modelação da onda quadrada, conhecida na literatura inglesa por
Pulse width modulation (PWM) determina o tempo e a ordem de comutação de cada interruptor,
contribuindo para a eficiência e qualidade da corrente de saída do mesmo [19].
No controlo de baixa precisão de motores, a intervenção passa pela frequência de alimentação
do motor que controla o fluxo e, por sua vez, a velocidade da máquina. Para a mesma tensão,
quando a frequência aumenta, o fluxo diminui e o binário desenvolvido pelo motor também. Ao
contrário, o fluxo e, consequentemente, o binário aumentam [19].
Desta forma, através do inversor trifásico apresentado na secção anterior é possível controlar
a magnitude, frequência e a fase da corrente do estator nos motores CA. Nestes motores, tais
como o motor de indução, PMSM, o SRM, o controlo vetorial é geralmente utilizado nos drivers
industriais e nos veículos elétricos, especialmente por contribuir para o aumento do desempenho
do controlo e do driver [20].
O binário mecânico produzido por um PMSM pode ser traduzido pela fórmula 2.10:
T =32
P[λ iq+(Ld −Lq)idiq] (2.10)
Será mais fácil estudar a corrente no estator através de um vetor em dois eixos invariantes
no tempo e no espaço. Controlando o corrente id e iq do motor, consegue-se controlar o binário
produzido no veio, daí passando do sistema de três eixos (a,b,c) para dois eixos (d,q) facilitando,
deste modo, a análise das correntes.
Figura 2.15: Comparação do controlo PWM e SVM
26 Estado da Arte
A modelação vetorial, conhecida por Space Vector Modulation (SVM) destaca-se pela possi-
bilidade de utilização em motores com ligação em estrela sem neutro, devido ao equilíbrio das
fases e circulação do conteúdo harmónico sem sobreaquecer os enrolamentos da máquina [20].
O princípio do SVM trata a tensão como um vetor de amplitude constante e rotação a frequên-
cia constante.
Em suma, esta técnica apresenta a vantagem de gerar baixo contudo harmónico das correntes
de cada enrolamento das 3 fases do motor. Em comparação com a modelação PWM apresenta
maior aproveitamento da fonte de tensão, como é ilustrado na figura 2.15. Consegue disponibilizar
à saída uma tensão até 2/3 VCC enquanto o PWM disponibiliza 1/2 VCC.
2.3.4 Plataformas de Controlo
Usualmente, para aplicações de controlo com algoritmos complexos, recorre-se a plataformas
como a DSP (Digital Signal Processor), que são processadores com enorme capacidade de proces-
samento desenvolvidos especialmente para aplicações com convolução de sinal e transformadas
de Fourier, por exemplo. Outra plataforma largamente utilizada são os microprocessadores, que
atualmente apresentam capacidades de processamento na ordem das centenas de MHz.
Em complemento, as Field Programmable Gate Array (FPGAs) são os dispositivos de lógica
programável mais versáteis e complexos da atualidade. Além disso, possuem um grande número
de portas lógicas, flip-flops e elementos de memória. Enquanto os microprocessadores executam
programas, estas devem ser vistas como circuitos modelares e configuráveis, com elevada veloci-
dade de processamento [20, 24].
Figura 2.16: Diagrama de blocos de uma célula lógica numa FPGA
A arquitetura geral de uma FPGA está dividida em blocos funcionais, nomeadamente, blocos
lógicos, de E/S (entradas/saídas), de computação, de memória e blocos de relógio. Em conjunto
com estes blocos funcionais gerais, pode ter ainda blocos do tipo processador, memória flash e
periféricos, tais como controladores ethernet, controladores de memória, conversores A/D (analó-
gico/digital) e comunicações série para SPI e I2C. As ligações entre os blocos são configuráveis o
que faz desta tecnologia um sistema versátil e cada vez mais complexo [24, 25].
2.3 Conversão de Potência e Estratégias de Controlo 27
Os blocos de relógio podem ser programados para gerarem frequências diferentes, baseadas no
mesmo sinal de relógio, atingindo a gama dos GHz. Isto permite o funcionamento de subsistemas
em paralelo a velocidades diferentes.
28 Estado da Arte
Capítulo 3
Análise e Projeto do Sistema
Neste capítulo será apresentada a análise efetuada a um VP, nomeadamente, um camião rígido
DAF FA CF 75.310 com caixa frigorífica, duplo-deck e plataforma elevatória traseira. Esta análise
teve suporte nos dados de operação da viatura, disponibilizados pela empresa proprietária. Desta
forma, serão apresentadas as conclusões do estudo do desempenho do veículo nos diferentes ciclos
de condução, durante um mês (Novembro de 2012).
Tendo por base os resultados, procedeu-se ao dimensionamento dos subsistemas, projetando
o sistema com o objetivo de suprir as necessidades e assim cumprir os requisitos enumerados na
secção 3.4.2.
3.1 Análise da Dinâmica do Veículo
O desempenho de um veículo terrestre refere-se à capacidade de acelerar, desacelerar e respon-
der às variações das condições do percurso. Os esforços de tração e/ou travagem transmitidos aos
pneus, e as forças resistivas que atuam no camião influenciam o seu desempenho e serão discutidas
e demonstradas nesta secção.
3.1.1 Modelo de forças
Na avaliação do comportamento da viatura, o esforço máximo de tração que o veículo tem que
desenvolver deve ser determinado. Identificam-se dois fatores que condicionam este esforço: um
determinado pela força da gravidade e do vento, coeficiente de aderência ao piso e inércia; outro
pelas características da arquitetura da transmissão e cadeia de potência do VP. No caso de um
camião trator-semi-reboque, como o eixo frontal do trator é que conduz o conjunto, no cálculo da
força de tração será necessário considerar o trator e o semi-reboque separadamente [26].
As forças que atuam no veículo estão representadas na figura 3.1, e podem ser descritas pelas
equações apresentadas de seguida.
fvento =12
ρarCarrastoA f rontal(vcamiao + vvento)2 (3.1)
29
30 Análise e Projeto do Sistema
Figura 3.1: Diagrama de forças que atuam no veículo
onde ρar é a densidade da massa de ar, Carrasto é o coeficiente de resistência/arrasto aerodinâ-
mico (tabela 3.1), A f rontal área frontal do veículo, que é a projeção da área do veículo na direção
da viagem, e por fim a soma quadrática da velocidade do camião (vcamiao) com a velocidade do
vento (vvento), que representa a velocidade do veículo relativa ao vento.
Tabela 3.1: Valores do coeficiente de resistência aerodinâmica para os vários tipos de veículos[26]
Coeficiente de arrasto aerodinâmicoTipo de veículo Carrasto
Veículo ligeiro 0.3-0.52Carrinhas de transporte 0.4-0.58Autocarros 0.5-0.8Trator - semi reboque 0.64-1.1Camião - reboque 0.74-1.0
A resistência aerodinâmica é gerada pelo fluxo de ar no chassi do veículo e pelo fluxo de ar que
atravessa o radiador e o interior do camião para fins de arrefecimento e ventilação do motor. De
notar que esta é proporcional ao quadrado da velocidade da viatura, o que requer que a potência
aumente com o cubo da velocidade, para superar o aumento da resistência aerodinâmica [10, 26].
Desta forma, o esforço pelo projeto de chassis aerodinâmicos implica uma redução do coe-
ficiente de arrasto aerodinâmico, reduzindo consequentemente as necessidades de potência e os
consumos de energia.
fg = Mcamiaogsin(α) (3.2)
fn = Mcamiaogcos(α) (3.3)
A força gravitacional ( fg) e a força normal ( fn) dependem da aceleração da gravidade (g), que
3.1 Análise da Dinâmica do Veículo 31
assume o valor de 9.81m/s2, da massa do veículo (Mcamiao) e do ângulo da superfície de rodagem,
pelo qual se determina a inclinação do percurso.
Crr = 0.01
(
1+3.6100
vcamiao
)
(3.4)
frr = fnCrr (3.5)
O coeficiente de resistência ao rolamento (Crr) compreende o material, estrutura, tempera-
tura e pressão do pneu; a geometria, rugosidade e material da estrada; contando ainda com a
presença/ausência de líquidos na via. Os valores típicos do coeficiente de resistência são apresen-
tados na tabela 3.2.
Tabela 3.2: Coeficientes de resistência ao rolamento [10]
Condições Coeficiente de resistência ao rolamentoCarro em estrada de asfalto 0.013Carro em estrada de cascalho 0.02Estrada não asfaltada 0.05Campo 0.1-0.35Camião numa estrada asfaltada 0.006-0.01Roda num caminho de ferro 0.001-0.002
Neste caso, é suficiente considerar o Crr como uma função linear com a velocidade (equação
3.4) [10, 20].
A força inercial pode ser expressa pela equação 3.6.
fI = Mcamiao
∂
∂ (t)vcamiao (3.6)
Considerando as equações apresentadas anteriormente obtém-se a força total ( ft) no veículo,
traduzida pela expressão 3.7.
ft = fI + fg + sign(vcamiao) frr + sign(vcamiao + vvento) fvento (3.7)
3.1.2 Transmissão
Pela figura 3.2 o cálculo do binário de tração (τt), do binário em cada roda (τroda), velocidade
angular na roda (ωroda), e a potência de tração (Pt) podem ser demonstradas pelas equações que se
apresentam seguidamente.
τt = ftrroda (3.8)
onde rroda é o raio da roda, que considera a distância desde o centro até à superfície do pneu.
32 Análise e Projeto do Sistema
Figura 3.2: Arquitetura da transmissão do veículo
τ =τt
2(3.9)
ωroda =υcamiao
rroda
(3.10)
Pt = ftυcamiao (3.11)
Percorrendo a cadeia de transmissão, das rodas até ao motor, o grupo cónico representado na
figura 3.2 incorpora o diferencial, responsável pela distribuição de binário aos dois semi-eixos, e
estabelece ao mesmo tempo uma relação de transmissão. Isto significa que o binário e a velocidade
angular em cada roda é diferente do binário e velocidade do veio de transmissão.
Desta forma, é necessário considerar as perdas mecânicas na transmissão, assumindo um ren-
dimento ηtrans=0,95. O binário produzido pelo veio (τs), a velocidade angular (ωroda) e a potência
(Ps) podem ser calculados pelas equações seguintes:
τs = ηtrans
τt
G, Pt < 0 τs =
τt
ηtransG, Pt ≥ 0 (3.12)
onde G é a relação de transmissão do diferencial,
ωs = Gωroda (3.13)
Ps = τsωs (3.14)
Conhecer as características reais do veículo é fundamental para atingir resultados precisos
3.2 Análise dos Ciclos de Condução 33
que suportem o projeto com um bom nível de confiança. Desta forma, a tabela 3.3 apresenta as
especificações do veículo e os parâmetros que possibilitam estabelecer as equações apresentadas
anteriormente.
Tabela 3.3: Especificações consideradas no cálculo das expressões (dados retirados da folha deespecificações do veículo)
Especificações do camião DAF FA CF75.310Potência (kW (hp)/rpm) 228 (310)/2200Binário (Nm/rpm) 1275/1100-1700Peso (kg) 19000Raio da roda (mm) 571.5Relação do diferencial 5.13Rendimento transmissão 0.9Área frontal (m2) 5.989Carrasto 0.6Crr 0.01
3.2 Análise dos Ciclos de Condução
Conhecidas as equações relevantes que descrevem o movimento do veículo, a interpretação do
tipo de percurso e operação a que este se destina é essencial para o projeto da arquitetura e cadeia
de potência do mesmo. Aspetos como a densidade do tráfego, variações da inclinação do percurso,
condições do piso, temperatura, distâncias e tipo de mercadoria a transportar são tidos em conta
na conceção do veículo. Pelo mesmo motivo, um veículo de longo curso possui características
diferentes de um destinado à distribuição urbana.
A monitorização destes parâmetros permite aproximar o dimensionamento dos subsistemas
às necessidades e requisitos impostos pela atividade a que se destina o VP, reduzindo o fator de
sobredimensionamento, otimizando assim os recursos. Tipicamente, as empresas de transportes
monitorizam as variáveis relevantes nesta análise e a tabela A.1, em anexo, resume os dados
analisados do camião em estudo. Esta encontra-se resumida no diagrama da figura 3.3.
A partir do diagrama da figura 3.3 compreende-se o comportamento do camião durante um
mês (Novembro 2012). Retira-se a informação de que no total dos 30 dias de operação a viatura
encontrou-se 83% do tempo estacionada, ou seja, com o travão de parque ativo, em situações tais
como cargas/descargas, repouso do condutor e paragens de fim de semana.
Durante o tempo de funcionamento, o motor trabalhou 95% desse período, cerca de 82% desse
tempo o veículo esteve em marcha e os restantes 18% encontrou-se ao ralenti.
Um aspeto importante para compreender o perfil e os requisitos do percurso é a relação entre o
número de atuações do travão e o número de atuações do acelerador. De forma pormenorizada, as
necessidades de travagem representam 55% das acelerações, e dentro destes números as variações
bruscas não atingem 0.7%, o que significa que a condução é cuidada, sem alterações bruscas de
estado.
34 Análise e Projeto do Sistema
Tempo Estacionado
Tempo parado
Tempo de Funcionamento
Tempo de Func. do motor
Tempo em marcha
Tempo ao relanti e tempo condução Cruise Control
Tempo em marcha de inércia --- > 535 km
--- > 113 L
--- > 4416 km
--- > 1169 L | 27 L/100km | 42 km/h vel.media
720 horas = 30 dias0
Figura 3.3: Diagrama do ciclo de condução
Durante o tempo da marcha, o camião percorreu cerca de 12% do percurso em marcha de
inércia, um indicador relevante que relaciona as necessidades de potência com as variações ins-
tantâneas do consumo.
Nesta análise, e indo de encontro à motivação desta dissertação, é importante encontrar a pe-
gada ecológica dos 4416 km percorridos pelo veículo, que toma valores de 322kg de CO2 emitidos
para a atmosfera. Este valor foi calculado com base na calculadora disponibilizada no sitio web
Tabela 3.4: Resumo dos valores das forças e binários
Valor mínimo Valor médio Valor máximoInclinação (graus) -20.70 0.003 20.37Aceleração (m/s2) -5.30 0.01 2.27Velocidade veículo (km/h) 0.00 37.10 95Velocidade angular da roda (rad/s) 0.00 6.50 46.20Crr 0.01 0.011 0.02fvento (N) 65.40 294.80 2200fq (N) -65982 9.3 64863fn (N) 174320 186370 186390frr (N) 1743 2114 3634fI (N) -100614 244 43120ftotal (N) -100549 1476,4 67985Eixo de rodagemBinário eixo (Nm) -57463 843 38853Binário na roda (Nm) -28731 421 19426Potência (kW) -530,10 18.90 670,80Veio de transmissãoVelocidade angular (rad/s) 0 33,6 236,9Rpm 0 883 2263Binário (Nm) -12446 185 8415Potência (kW) -477 21,30 745
3.3 Análise e Dimensionamento dos Subsistemas 35
do fabricante do camião [27].
Do ponto de vista da análise económica, tendo em conta o preço do gasóleo a 1.35 e/L, o
consumo de 1169 litros representou um custo de 1578eem combustível, afetando diretamente o
preço dos produtos transportados.
O tratamento dos dados, com recurso ao Excell R©, possibilitou calcular e conhecer durante
os 26 dias efetivos de operação (excluí-se os domingos) o valor das forças a que o veículo esteve
sujeito. No quadro 3.4 apresenta-se o resumo dos valores calculados. Esta tabela resume a variação
da potência, das forças externas, do binário e da velocidade ao longo do percurso, quer na roda,
quer no veio de transmissão, contemplando as perdas na cadeia de transmissão. A partir da análise
exaustiva destas variáveis, cuja leitura é apresentada na próxima secção com recurso aos gráficos
de relação, é possível projetar e dimensionar os subsistemas a incorporar no veículo com vista à
redução dos consumos e emissões de CO2.
3.3 Análise e Dimensionamento dos Subsistemas
Um veículo pesado possui um conjunto de sistemas que suportam o objetivo principal, o trans-
porte rápido e seguro de pessoas e mercadorias. Os equipamentos base, tais como, alternador,
bomba de água, bombas de óleo, ventoinha de refrigeração, compressor, compressor do ar condi-
cionado e a bomba de direção assistida, figura 3.4a, são comuns na maioria dos VP.
Ao mesmo tempo, a estrutura do veículo está preparada para integrar novos subsistemas con-
soante o sector de atividade a que se destina. Destes subsistemas, referem-se betoneiras, plata-
formas elevatórias, gruas e sistemas basculantes, sistemas frigoríficos, plataformas para recolha
de resíduos urbanos, entre outros. Ao longo desta dissertação, estes sistemas são designados por
unidades/sistemas auxiliares.
Pela análise da figura 3.4b verifica-se que nos veículos automóveis, tal como nos pesados,
atualmente a principal fonte de energia é o combustível armazenado no depósito. Isto significa que
(a) Resumo da potência consumida pe-las unidades auxiliares num VP (motor às1400 rpm) [2]
(b) Fluxo de energia tipico de um motor de combustão interna(ICE) convencional [12]
Figura 3.4: Visão geral dos consumos de potência e energia nos veículos
36 Análise e Projeto do Sistema
as necessidades energéticas na maioria dos veículos são suportadas unicamente pela transformação
desse combustível em energia.
Desta forma, a redução do consumo de combustível passa também pela melhoria do controlo
e otimização das unidades auxiliares.
A maioria destes sistemas auxiliares são acionados pelo motor, e o seu regime de funciona-
mento está limitado pela relação fixa de velocidades estabelecida. Esta limitação mecânica resulta
em perdas de energia associadas à ausência de flexibilidade e adaptação dos modos de operação
destes subsistemas às necessidades.
Por conseguinte, descentralizar a alimentação destas unidades, diversificando o tipo de fontes
de energia, e atingir o controlo total das cargas auxiliares reduz a dependência e a necessidade de
funcionamento do motor a combustão.
Figura 3.5: Potência ao longo do percurso
No gráfico da figura 3.5 está representada a variação da potência, apenas do veio de trans-
missão, ao longo do período de análise. Apesar desta representar a maior fatia dos consumos
energéticos, a intervenção na cadeia de transmissão para aproveitamento energético não é a única
solução para obter ganhos energéticos significativos.
3.3.1 Unidade auxiliar - Sistema frigorífico
Alguns camiões, em particular o que é objeto deste estudo, têm a particularidade de possuir
uma carroçaria refrigerada por um sistema frigorifico da Carrier R©, nomeadamente o modelo
Supra 950 Mt. A carroçaria tem dois compartimentos com controlo de temperatura independente.
Este subsistema é autónomo e independente do funcionamento do motor do veículo, isto porque,
estando em parque com o motor desligado, a carroçaria necessita de manter a temperatura dentro
dos parâmetros impostos pela mercadoria transportada. Desta forma, o sistema é ativado com o
propósito de manter temperatura pretendida durante o transporte.
3.3 Análise e Dimensionamento dos Subsistemas 37
Esta autonomia e isolamento é assegurado por um motor a diesel dedicado ao acionamento do
compressor do refrigerador, em detalhe na figura 3.6. Normalmente, este é alimentado a partir de
um depósito de combustível auxiliar com capacidade na ordem dos 130 litros de gasóleo.
Motor Stand By
Compressor
Motor, CT3.69TV
Figura 3.6: Esquema do sistema frigorifico Carrier R© Supra 950 Mt (imagem adaptada a partir dafolha de especificações)
Este sistema possui um motor de indução trifásico coma potência de 9 kW, identificado na
figura como motor Stand-by. Este é útil em situações de paragem, sempre que existe uma to-
mada trifásica disponível. Desta maneira, é possível eliminar as emissões de gases de escape e o
ruido durante operações de carga/descarga dentro de empresas ou zonas urbanas. Aplica-se tam-
bém em situações de estacionamento, poupando combustível e mantendo-se assim, a mercadoria
acondicionada.
Pelo registo de dados apresentados na tabela ?? compreender-se o comportamento e a ativi-
dade deste subsistema.
Os dados do veículo em estudo apontam para um consumo de 3,69 litros/hora útil de funcio-
namento, dependendo da temperatura exterior e do número de abertura das portas. Posto isto, não
existe a possibilidade de identificar com precisão os consumos energéticos deste sistema nem o
seu fator de serviço.
Visto que registou um tempo de funcionamento superior ao tempo de funcionamento do motor
a combustão, mas inferior às horas totais analisadas durante o mês de Novembro, para efeitos de
38 Análise e Projeto do Sistema
Tabela 3.5: Dados de funcionamento do sistema frigorifico
Mês Horas de frio Horas totaisMarço/2012 - 5630Abril/2012 133 5763Maio/2012 102 5865Agosto/2012 274 6139Setembro/2012 326 6465Outubro/2012 155 6620Novembro/2012 144 6764
Média horas/mês Média litros/mês126 465
estudo e análise, assumiu-se uma potência constante de 6 kW.
3.3.2 Subsistemas de Produção de Energia Elétrica
A partir da análise da dinâmica do veículo, secção 3.1, paralelamente com o estudo do ciclo de
operações do mesmo, secção 3.2, é possível identificar as formas de produção de energia elétrica
adequadas ao veículo em causa.
Tendo como ponto de partida os cálculos da potência, conhecer a energia envolvida é um
indicador importante para o dimensionamento dos sistemas de produção e armazenamento dessa
energia. Neste sentido, calculou-se a energia a partir da equação 3.15.
Energia =∫
Potencia dt (3.15)
Desta forma, estende-se a análise até atingir os dados e as relações que suportem o desenho da
arquitetura e as escolhas dos componentes associados.
3.3.2.1 Travagem regenerativa
Como foi referido na secção 2.1.3 quando a potência é positiva o veículo está a tracionar,
quando a potência é negativa significa que está a desacelerar ou a travar. Do ponto de vista da
análise, mostra-se essencial a partir do gráfico da figura 3.5 retirar a relação entre a energia de
travagem e energia de tração.
A figura 3.7 mostra que o total da energia de travagem nos percursos efetuados durante o
mês de Novembro representa cerca de 11% do total da energia de tração. Este valor varia com
as condições do percurso, pois em situações com maior densidade de tráfego este valor tende a
aumentar.
Por outro lado, representa cerca de 32% da energia total consumida pelo sistema frigorífico,
figura 3.8 . Este torna-se, indubitavelmente, um indicador relevante, pois tendo em conta os resul-
tados, alimentar esta unidade auxiliar a partir da energia de travagem em vez de tracionar o veículo
3.3 Análise e Dimensionamento dos Subsistemas 39
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
0 50 100 150 200
En
erg
ia K
Wh
Energia de tração vs Energia de travagem
Energia de Tração (2685 kWh) Energia travagem (306 kWh)
Figura 3.7: Relação da energia de tração com a energia de travagem
representará ganhos significativos, reduzindo também o seu risco e grau de complexidade ao nível
do controlo e implementação.
A relação da energia de travagem com a velocidade é uma informação útil para o controlo e
o dimensionamento de um sistema de travagem regenerativa. Identificar a gama de velocidades
onde a maioria da energia é dissipada revela-se crucial para otimizar o funcionamento do motor
elétrico como gerador, de maneira a que este opere na região de maior rendimento. Noutra gama,
a travagem regenerativa pode ser ignorada sem comprometer a recuperação de energia.
0
200
400
600
800
1000
1200
0 50 100 150 200
En
erg
ia K
Wh
Energia de travagem vs Energia do Sist. frigorífico
Energia de tragagem (306 kWh) Energia do Sist. Frigorifico (968 kWh)
Figura 3.8: Relação da energia de travagem com a energia consumida pelo Sistema frigorifico
O gráfico da figura 3.9 representa a distribuição da energia pela velocidade durante o ciclo de
condução, cujos parâmetros estão apresentados na tabela 3.4. Este, mostra que para velocidades
abaixo dos 15 km/h a energia recuperada é insignificante, tal se depreende que para obter uma
operação do motor elétrico com elevado grau de eficiência poderá desprezar-se as velocidades
abaixo deste valor, prevalecendo a travagem mecânica neste intervalo.
Outro fator importante é a comparação da energia de travagem com a potência de travagem.
Compreender esta relação é essencial no dimensionamento da potência do motor elétrico e da
40 Análise e Projeto do Sistema
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
En
erg
ia t
rav
ag
em (
kW
h)
Velocidade do camião (km/h)
Energia de travagem vs Velocidade
Figura 3.9: Relação da energia da energia de travagem com a velocidade do camião
capacidade do armazenamento de energia, de modo a que sejam capazes de recuperar e armazenar
o máximo de energia sem sobredimensionamento do sistema.
O gráfico da figura 3.10 mostra que cerca de 90% da energia total é dissipada abaixo dos
100kW. Este dado é um bom indicador para a escolha da potência do motor elétrico. Caso este
tenha uma potência de 100 kw será capaz de recuperar cerca de 90% da energia de travagem que
é dissipada.
0
50
100
150
200
250
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5
Pote
nci
a d
e tr
av
ag
em (
kW
)
Energia de travagem (kWh)
Potência de travagem vs Energia de travagem
Figura 3.10: Distribuição da potência pela energia de travagem
Outra consideração chave é a característica da potência de travagem em relação à velocidade
do veículo. Esta análise permite traçar o perfil de velocidades do motor elétrico. Pela análise
do gráfico da figura 3.11, constata-se que para potências acima dos 50kW este intervalo de ve-
locidades é reduzido para 20-90 km/h. Este dado reforça as conclusões retiradas do gráfico que
relacionava a energia com a velocidade, figura 3.9.
3.3 Análise e Dimensionamento dos Subsistemas 41
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 50 100 150 200 250
Vel
oci
da
de
(km
/h)
Potencia (kW)
Potência de travagem vs Velocidade
Figura 3.11: Distribuição da potência de travagem pela gama de velocidades
3.3.2.2 Produção fotovoltaica
A partir da figura 3.3 na secção 3.2 concluiu-se que o veículo encontrou–se estacionado cerca
de 83% do tempo. Depreende-se então, que não é possível produzir ou recuperar energia através
da técnica apresentada anteriormente, durante esse período, dado que o veículo não se encontra
em movimento.
Figura 3.12: Planta da DAF FA CF75 (valores apresentados em milímetros)
Uma particularidade dos VP, e também dos reboques, é o seu tamanho e a área da superfície
associada. Isto traduz-se num potencial significativo de aproveitamento energético a partir da ins-
talação de painéis fotovoltaicos. Assim sendo, parte-se para avaliação da superfície da carroçaria.
O veículo em estudo apresenta as dimensões enunciadas na figura 3.12, tendo como largura 2490
mm.
Estas dimensões mostram-se uma limitação na escolha dos painéis disponíveis no mercado.
Uma vez que se pretende atingir o máximo de potência instalada para a área de 20,5m2 (8,250m
42 Análise e Projeto do Sistema
x 2,490m ), respeitando os limites, as dimensões juntamente com a potência W p são critérios
relevantes na escolha do painel.
Foram avaliadas soluções de diversos fabricantes, inclusive a tecnologia thin-film. O painel
selecionado é o E19/245W p do fabricante americano Sunpower R©. Este possui uma eficiência
anunciada na ordem dos 19% e as características mecânicas suportam as condições da aplicação.
As suas dimensões, 798mm x 1559mm, possibilitam a instalação de 15 painéis, maximizando a
potência instalada para o valor de 3,7 kW .
Para quantificar o aproveitamento energético da superfície do veículo, recorreu-se ao software
Canadiano de análise de projetos de energia limpa, o RET ScreenInternational R©.
A partir deste obteve-se os valores da radiação solar diária horizontal (kWh/m2/dia), para
uma inclinação de 0o e a energia produzida (kWh) a partir deste conjunto de painéis. Os resultados
podem ser consultados na tabela 3.6.
Tabela 3.6: Radiação solar e energia produzida a partir dos painéis fotovoltaicos
Radiação solar diária - Radiação solar EnergiaMês horizontal diária - inclinada produzida (kWh)
(kWh/m2/dia) (kWh/m2/dia)
Janeiro 1,82 1,82 161Fevereiro 2,57 2,57 204Março 3,93 3,93 337Abril 5,21 5,21 427Maio 6,22 6,22 518Junho 6,86 6,86 544Julho 6,93 6,93 564Agosto 6,23 6,23 509Setembro 4,74 4,74 381Outubro 3,16 3,16 269Novembro 2,12 2,12 179Dezembro 1,64 1,64 145
Total 4238
Considerando o aproveitamento da energia do sol, consegue-se um aumento de 6% da energia
recuperada face à energia consumida pela tração, no mês em estudo. Extrapolando para o mês de
Julho conseguir-se-ia um aumento de 21%, que somado à energia de travagem representa 32% da
energia consumida pela tração.
Em analogia, alargando esta breve análise para o sistema frigorífico, conseguia-se suprir as
necessidades energéticas em 18%. Somando a energia recuperada pelo sistema fotovoltaico à
energia possível de aproveitar na travagem conseguia-se recuperar 49% da energia total consumida
por esta unidade. Mais uma vez, este valor é calculado para o mês de Novembro.
Durante o mês de Maio de 2013, tabela A.2 em anexo, o sistema frigorífico operou durante
131 horas, que representa 786 kWh de energia consumida. Considerando a energia recuperada
durante a travagem com a energia produzida pelos painéis, verifica-se um excesso de produção
durante este período, pelo que o motor de combustão auxiliar poderia ser dispensado.
3.3 Análise e Dimensionamento dos Subsistemas 43
3.3.3 Subsistema de Armazeamento de Energia
Como foi mencionado na secção 2.2 do capítulo 2 os supercondensadores são caraterizados
pela sua elevada densidade de potência e baixa densidade energética, quando comparados com as
baterias. Desse modo, e complementando-se as vantagens, apresenta-se nesta secção o dimensio-
namento de um sistema hibrido de armazenamento de energia elétrica.
O objetivo deste SAE é absorver os picos de energia durante a travagem, armazenar a ener-
gia produzida pelos PVs e suprir as necessidades de potência impostas pela carga. Neste caso é
necessário assegurar que a energia armazenada no SAE é suficiente.
Os requisitos de potência e energia dos sistemas a alimentar podem ser representados pelo
rácio energia/potência, definidos pela equação 3.16.
Re/p =Er
Pr
(3.16)
onde Er e Pr são, respetivamente, a energia e potência necessárias.
Figura 3.13: Variação da corrente e tensão na bateria e no SC com um degrau de corrente na saída[10]
Conhecido o Re/p pode dimensionar-se a bateria e o supercondensador, pelo que o rácio de
energia/potência é igual à expressão 3.17.
Mb.Eb +MSC.ESC
Mb.Pb +MSC.PSC
= Re/p (3.17)
onde Mb e MSC são a massa da bateria e do supercondensador, respetivamente, Eb e ESC são a
energia específica da bateria e do SC, respetivamente, e por fim a Pb e PSC são a potência especifica
da bateria e do SC, respetivamente.
44 Análise e Projeto do Sistema
MSC = k.Mb (3.18)
onde k é calculado pela seguinte equação:
K =Eb −Re/pPb
Re/pPc−ESC
(3.19)
então a energia específica do SAE é dada por:
Eesp =Mb.Eb +MSC.Ec
Mb +MSC
=Eb + kESC
1+ k(3.20)
e a potência específica por:
Pesp =Mb.Pb +MSC.Pc
Mb +MSC
=Pb + kPSC
1+ k(3.21)
Pela análise do gráfico da figura 3.10 na gama de potência selecionada para o motor elétrico
identifica-se que a máxima energia recuperada seria aproximadamente 3,2 kWh para 80 kW de
potência. Desta forma o valor do Re/p é de 0,04 h.
0
10
20
30
40
0 50 100 150 200
En
erg
ia K
Wh
Tempo (horas)
Energia de travagem vs Energia do Sist. frigorífico
Var. diária da Energia de travagem Var. diária da energia cons. Sist. frigorifico
Figura 3.14: Evolução diária do total de energia consumida pelo Sist. Frigorifico em relação àenergia recup. na travagem
Um indicador relevante para o dimensionamento do SAE é a evolução diária do total de energia
consumida pelo sistema frigorífico e a evolução do total de energia recuperada durante a travagem.
Isto porque, caso a cadência da energia de travagem esteja sincronizada com a do consumo por
parte da carga, o armazenamento de energia só necessita de compensar o défice. O gráfico da
figura 3.14 ajuda a compreender as necessidades energéticas diárias.
Pelo estudo deste gráfico conclui-se que a diferença média de energia é cerca de 13,62 kWh
e a máxima diferença é de 35 kWh, o que significa que seria necessário uma sistema com a capa-
cidade energética de pelo menos de 35 kWh para eliminar o motor auxiliar de combustão. Estes
3.4 Arquitetura do Sistema 45
dados não contemplam a energia produzida pelos PVs, pois considerando esta energia o SAE seria
redimensionado em baixa.
Com base na tabela 2.2 resumem-se as características de 4 tipos diferentes de baterias e dos
SCs no quadro 3.7.
Tabela 3.7: Peso do SAE apenas com uma tecnologia de armazenamento [10, 12]
Chumbo - Ácido Ni/Cd Ni/MH Li-I UltracondensadorPotência Especifica (W/kg) 75 120 140 430 2500Energia Especifica (Wh/kg) 35 50 64 200 2Peso total (Kg) 1066 667 571 186 6810
Combinando as duas tecnologias pode comparar-se o peso total do SAE através da tabela 3.8 .É
evidente que a hibridização das fontes reduz o peso do sistema significativamente, especialmente
com a bateria, que tem baixa densidade de potência.
Tabela 3.8: Parâmetros do sistema hibrido de armazenamento de energia
Chumbo - Ácido Ni/Cd Ni/MH Li-IPotência Especifica (W/kg) 195 227 344 909Energia Especifica (Wh/kg) 33 38,5 58 155Peso da bateria (kg) 390 272 213 68Peso dos SCs (kg) 20 19 20 20Peso total (Kg) 410 353 233 88
3.4 Arquitetura do Sistema
Nesta secção será apresentada a arquitetura do sistema que responde às diversas necessidades
identificadas e apresentadas de seguida.
3.4.1 Análise de Necessidades
No contexto da elaboração do projeto é essencial conhecer os obstáculos e ambições das em-
presas de transportes. Assim, tendo em conta o contacto com a empresa colaboradora na disserta-
ção, apresentam-se seguidamente as necessidades:
• Reduzir os consumos de combustível;
• Reduzir o grau de incerteza relativo à volatilidade dos preços dos combustíveis e derivados
do petróleo;
• Reduzir as emissões de gases poluentes;
• Reduzir os níveis de ruído;
• Alargar os intervalos de manutenção, reduzindo os custos e as necessidades de intervenção;
46 Análise e Projeto do Sistema
• Reduzir o desgaste dos componentes do veículo (pastilhas e discos de travão, filtros, óleo,
correias, etc),
• Melhorar o desempenho do veículo, com intervenções de baixo custo, pouco invasivas e que
não violem contratos de garantia e manutenção com as marcas;
• Diminuir os custos de operação;
• Aumentar o ciclo de vida do veículo;
• Rentabilização máxima do veículo e diminuição do seu break-even;
• Transportar as mercadorias cumprindo os requisitos e os parâmetros de qualidade.
3.4.2 Requisitos do Sistema
Para responder às necessidades encontradas especifica-se os requisitos do sistema. Estes
encontram-se divididos em requisitos do sistema e requisitos funcionais de controlo. Uma vez
que este projeto integrará vários subsistemas, os mesmos organizam-se respeitando a nomencla-
tura exemplificada de seguida, em que x pode tomar as seguintes designações:
1. Sistema fotovoltaico
2. Sistema de travagem regenerativa
3. Sistema de armazenamento de energia
4. Sistema de ligação à carga
Requisitos do sistema
RSx.i – Requisito número i do subsistema x.
RS1.1 O sistema deve ser robusto às variações das condições climatéricas, vibrações e deformações
da estrutura do veículo, e à velocidade do mesmo;
RS1.2 O sistema deve ser leve, modular e não exceder as cotas da superfície da carroçaria do
veículo;
RS1.3 A instalação não poderá interferir nem modificar a carroçaria;
RS1.4 Os custos de implementação devem ser reduzidos e manutenção inexistente, dentro do ciclo
de vida anunciado para o sistema.
RS2.1 O sistema deve ser robusto às variações das condições climatéricas, vibrações do veio e
estrutura do veículo, acelerações e gama de velocidades da viatura, às poeiras e penetração
de água;
RS2.2 O sistema deve ser redundante, ou seja, em caso de falha, a travagem deve ser assegurada
pelo sistema mecânico;
RS2.3 O sistema deve ser leve e modular;
RS2.4 A instalação não poderá interferir nem modificar a cadeia de transmissão da viatura;
RS2.5 Baixo custo de implementação e manutenção inexistente, dentro do ciclo de vida anunciado
para o sistema.
3.4 Arquitetura do Sistema 47
RS3.1 O sistema deve ser robusto às variações das condições climatéricas, vibrações da estrutura
do veículo, às poeiras e penetração de água;
RS3.2 O sistema deve ser leve e modular, protegido e de difícil acesso ou abertura;
RS3.3 A integração do sistema deve ser ajustada de acordo com as furações da estrutura do camião;
RS3.4 Baixo custo de implementação, manutenção inexistente, dentro do ciclo de vida anunciado
para o sistema.
RS4.1 A ligação deve ser segura do ponto de vista da utilização por parte do operador;
RS4.2 A interface deverá ser por conjunto ficha e tomada trifásica standart, 208V/230V - 3 - 50Hz.
Requisitos funcionais de controlo
RFCx.i – Requisito funcional de controlo número i do subsistema x.
RS1.1 Garantir o fluxo de energia unidirecional dos PVs para o barramento;
RS1.2 Fornecimento de energia à tensão do barramento;
RS1.3 Isolamento galvânico da estrutura do veículo e instalação de proteções automáticas e manu-
ais;
RS1.4 Monitorização da energia produzida e do estado do sistema;
RS1.5 Controlo MPPT e sistema seguidor solar, quando o veículo se encontra com o travão de
parque ativo.
RS2.1 Controlo de binário;
RS2.2 Atuação em paralelo com o sistema mecânico, aplicando binário máximo a velocidades
elevadas. Prioridade do sistema mecânico para velocidades abaixo dos 20 km/h;
RS2.3 Monitorização do sistema e das variáveis, tais como corrente, tensão, velocidade e potência.
RS3.1 Manter os SCs descarregados quando o veículo circula a velocidades elevadas;
RS3.2 Manter os SCs carregados quando o veículo se encontra a baixas velocidades;
RS3.3 Garantir o fornecimento de energia para o barramento à tensão do barramento;
RS3.3 Garantir fornecimento de energia às fontes à tensão nominal das mesmas;
RS3.4 Monitorizar o SOC do sistema;
RS3.5 Prioridade ao fornecimento de potência pelos SCs;
RS3.6 Prioridade ao fornecimento de energia pelas baterias;
RS3.7 Proteções contra sobrecargas;
RS3.8 Manter o SOC das baterias acima dos 40%.
RS4.1 Fornecer energia à carga sempre que a autonomia do SAE for superior a 10 min;
RS4.2 Monitorizar os consumos de energia e transito de potências;
RS4.3 Garantir o fluxo e controlo de energia com proteções contra sobrecargas;
RS4.4 Garantir o fornecimento de energia uma tensão 208V/230V - 3 - 50Hz.
48 Análise e Projeto do Sistema
3.4.3 Conceito do Sistema
A arquitetura a projetar deve garantir os fluxos de potência envolvidos neste sistema, isto é, as
diversas fontes de produção, armazenamento e consumo de energia.
Esta arquitetura pretende dar resposta às diversas necessidades analisadas anteriormente, no-
meadamente, alimentar o sistema de refrigeração e componentes associados, reduzindo assim, o
número de operações do gerador a diesel utilizado no Carrier R© 950 MT e simultaneamente di-
minuir o seu consumo e as emissões de gases inerentes ao seu funcionamento. Pretende-se ainda,
reduzir a utilização da caixa de velocidades nas desacelerações bem como a carga mecânica sobre
as pastilhas e discos de travão, diminuindo assim, o seu desgaste. Diretamente relacionado com
estes aspetos encontra-se a diminuição das necessidades de manutenção.
O sistema é constituído por um motor síncrono de ímanes permanentes, pelas razões apresen-
tadas ao longo do capítulo 2 (em detalhe no capítulo 4), dois inversores trifásicos, um conversor
bidirecional CC/CC, o SAE e um controlador. Estes componentes estruturam um possível sistema
de travagem regenerativa paralela a aplicar ao camião DAF FA CF35. Caso se considere incluir os
painéis fotovoltaicos será necessário acrescentar um conversor unidirecional CC/CC.
Figura 3.15: Proposta da arquitetura do sistema
A energia cinética convertida durante as travagens e desacelerações do veículo é transferia
do gerador para o barramento através do inversor trifásico, podendo carregar as baterias, os SCs
ou até alimentar diretamente a carga. Propõe-se a alimentação do motor de indução trifásica do
Carrier R© Supra 950 Mt, a partir do SAE, controlado pelo segundo inversor que também poderá
estabelecer ligação à rede.
O desenvolvimento deste conceito, figura 3.15, abre caminho para uma evolução que compre-
ende as seguintes fases:
1 Alargar a alimentação aos restantes sistemas auxiliares;
3.5 Desempenho da Arquitetura 49
2 Carregamento das baterias a partir da rede (sistema Plug-in);
3 Incorporar painéis solares fotovoltaicos na superfície dos reboques/carroçarias;
4 Desinstalar a unidade de combustão utilizada no Carrier R© 950 MT, e todos componentes
associados. Desta forma, o compressor será unicamente acionado pelo motor elétrico;
5 Aumentar a potência e capacidade energética do veículo, podendo assim, o gerador acoplado
ao veio auxiliar nas acelerações;
6 Implementar o sistema vehicle to grid, que consiste no veículo ou reboque fazerem inter-
face com a rede. Isto é, o veículo estando equipado com painéis fotovoltaicos e com as
baterias completamente carregadas, o excedente de potência poderá ser injetada na rede ou
até mesmo alimentar diretamente o armazém logístico;
7 Numa última fase, e com os novos sistemas de injeção direta que possibilitam controlo
total e independente da injeção e ignição em cada cilindro, o motor de combustão poderia
incorporar mais um modo de funcionamento. Sendo o motor de combustão destes veículos
normalmente constituído por 6 cilindros, estando este ao ralenti ou em desaceleração, dois
dos cilindros poderiam funcionar como compressor (princípio aplicado aos compressores
volumétricos alternativos [28]). Seriam necessárias modificações, como a implementação
de um novo sistema coletor e válvulas à saída do cilindro. Esta configuração permitiria
eliminar o compressor convencional que está acoplado ao motor, reduzindo o peso total
do sistema possibilitando a conversão de energia cinética em ar comprimido, durante as
reduções e travagens do veículo.
Estas, à exceção da sétima, encontram-se ilustradas na figura 3.15.
3.5 Desempenho da Arquitetura
A partir da análise efetuada ao longo deste capítulo, nesta secção apresentam-se os resultados
teóricos possíveis de alcançar com a arquitetura definida na secção 3.4 e o dimensionamento dos
subsistemas na secção 3.3.
Em comparação com o gráfico da figura 3.7 e, respeitando o dimensionamento, e optou-se por
um PMSM com o mesmo desempenho do representado no gráfico da figura 3.16 e uma potência
máxima de 80 kW. Este garante a recuperação de 88% da energia de travagem. Isto significa que
é possível regenerar 10% da energia total consumida pela tração.
Em consonância com o gráfico da figura 3.8, a energia recuperada, com este motor durante
a travagem, representa 28% da energia total consumida pelo sistema frigorífico, contra os 32%
possíveis de obter. Assumindo a energia produzida pelo subsistema fotovoltaico projetado anteri-
ormente, com um total de potência instalada de 3675W , somada à energia recuperada na travagem,
durante o mês de Novembro atingir-se-ia níveis de recuperação de energia na ordem dos 16% da
50 Análise e Projeto do Sistema
Figura 3.16: Características de potência-binário-velocidade do motor EMRAX R© standard comIP21 [29]
energia consumida na tração e 45% da energia consumida pelo sistema frigorífico. Estes valores
refletem-se na redução do consumo de combustível (na mesma amplitude).
A decisão de projetar o sistema para alimentar o motor frigorifico, do ponto de vista do pro-
jeto, exigirá um grau de complexidade e custos com material inferiores ao dimensionamento para
a cadeia de tração. Por sua vez, os ganhos obtidos face ao investimento e complexidade, são
superiores, dado que os consumos totais de combustível pelo sistema frigorifico são significativos.
A produção e recuperação de energia não são sincronizadas com os consumos. Deste facto,
mostra-se a necessidade de integração do sistema de armazenamento. Respeitando a arquitetura,
o carregamento deste sistema a partir da rede é um requisito. Deste modo, apresenta-se no gráfico
da figura 3.19 a evolução do SOC do SAE ao longo do dia. No início de cada dia, o estado da
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
0 50 100 150 200
En
ergia
KW
h
Energia de Tração vs Energia Regenerada
Energia de Tração (2685 kWh) Energia Regenerada (270 kWh)
Figura 3.17: Relação entre a energia total de tração e a energia total regenerada com o motor de80 kW
3.5 Desempenho da Arquitetura 51
0
200
400
600
800
1000
1200
0 50 100 150 200
En
erg
ia K
Wh
Energia do Sist. frigorifico vs Energia regenerada
Energia de regenerada (270 kWh) Energia do Sist. Frigorifico (968 kWh)
Figura 3.18: Relação entre a energia total consumida pelo Sist. frigorifico e a energia total rege-nerada com o motor de 80 kW
carga encontra-se a 100% logo, os valores de energia encontram-se nos 20kWh (capacidade total
do SAE com os painéis fotovoltaicos).
Verifica-se que durante 8 dias no mês de Novembro não seria necessário recorrer ao motor de
combustão do sistema frigorífico, para acionar o compressor.
Um outro aspeto importante importante é o contributo deste sistema para a redução das ope-
rações de manutenções. A Carrier R©, fabricante do sistema de frio, anuncia um intervalo de
manutenção de 1000 em 1000 horas de funcionamento. Deste modo, e uma vez que o sistema
reduz o tempo de funcionamento do motor diesel em 45% reflete-se num aumento dos intervalos
de manutenção em 450 horas.
Do ponto de vista da travagem, o motor elétrico quando regenera aplica um binário negativo ao
veio (sentido contrário ao movimento do veio) auxiliando na travagem e desaceleração do veículo.
Isto significa que o o esforço é distribuído pelo sistema mecânico e pelo Sistema de travagem
Regenerativa (STR).
-10
0
10
20
0 50 100 150 200
KW
h
Tempo (horas)
Estado de Carga da bateria
SOC
Figura 3.19: Variação diária do estado de carga dos sistema de armazenaento
52 Análise e Projeto do Sistema
0
100
200
300
400
500
600
0 50 100 150 200
Bin
ári
o k
Nm
Binário do travão sem e com travagem regenerativa
Binário aplicado pelo travão mecânico (435 kNm) Binário aplicado pelo travão mec. c/regenerativa (305 kNm)
Figura 3.20: Binário aplicado pelo travão mecânico no sistema convencional e no sistema comtravagem regenerativa
Esta distribuição do binário e da potência de travagem, apresenta-se traduzida nos gráficos das
figuras 3.20 e 3.21.
Da análise destes gráficos, conclui-se que a coexistência do sistema mecânico de travagem
com o STR suaviza e reduz a carga sobre os componentes.
O binário total aplicado pelo sistema de travagem mecânico é reduzido em 30% e a potência
total em 31%. Esta redução reflete-se diretamente na poupança dos consumíveis deste sistema,
nomeadamente pastilhas e discos de travão.
0
10
20
30
40
50
0 50 100 150 200
Po
ten
cia
MW
Potencia mecânica travão sem e com travagem regenerativa
Potencia aplicada travão mecânico (35 MW)
Potência Aplicada pelo travão mecânico com travagem regenerativa (24 MW)
Figura 3.21: Potência aplicada pelo travão mecânico no sistema convencional e no sistema comtravagem regenerativa
Para este veículo em estudo, conclui-se que a aplicação do STR possibilita uma poupança
anual de combustível no motor auxiliar do sistema frigorifico na ordem dos 41%. A instalação
dos painéis fotovoltaicos possibilita uma poupança de 46%. Com a implementação destes dois
subsistema, em conjunto, poder-se-á alcançar uma poupança de combustível anual até 87%.
3.6 Conclusão 53
3.6 Conclusão
Este capítulo desenvolveu as características do sistema a projetar, face aos requisitos funcio-
nais, apresentando os resultados a atingir com a aplicação deste num VP. No próximo capítulo vai
ser analisado especificamente, pelas suas características, o subsistema de travagem regenerativa.
54 Análise e Projeto do Sistema
Capítulo 4
Sistema de Travagem Regenerativa
O presente capítulo assentará no estudo do sistema de travagem regenerativa (STR), nomea-
damente no controlo do motor síncrono de ímanes permanentes (PMSM), apresentando as suas
caraterísticas na secção 4.1, a sua modelação, controlo e estratégia de estimação da referência de
binário na secção 4.2. Por último, na secção 4.3 apresentar-se-á a análise efetuada ao desempenho
deste subsistema com recurso ao software de simulação computacional PSIM R©.
Através do estudo efetuado na subsecção 2.1.3 do capítulo 2 depreende-se que um dos contri-
butos do STR é a conversão da energia cinética em energia elétrica. Consequentemente, o desgaste
dos componentes do sistema de travagem mecânico (STM), provocado pela fricção das pastilhas
com os discos, é reduzido e evitado em variadas circunstâncias.
Um dos pontos chave para a estratégia de controlo de um sistema híbrido de travagem é a
determinação da distribuição de binários entre os dois subsistemas, STM e STR, de acordo com as
especificações e objetivos de controlo. Da mesma forma, um outro objetivo passa por melhorar o
ECU
Válvula
Proporcional
Reservatório
Ar
comprimido
Pedal de Travão
PMSM
Inversor
SAE
-+
Figura 4.1: Esboço do camião com o STM e STR
55
56 Sistema de Travagem Regenerativa
desempenho e a resposta do sistema de travagem em regimes dinâmicos, maximizando a energia
recuperada e, simultaneamente, satisfazendo outras restrições, como por exemplo, o estado de
carga do sistema de armazenamento e a estabilidade do veículo.
Através desta hibridização, esquema da figura 4.1, o binário de travagem nas rodas é composto
pelo gerado durante o atrito nos travões e pelo binário negativo no veio, introduzido pelo STR. O
desenho de um controlador ótimo para o STR passa pela estimação do binário a aplicar, conside-
rando a posição do pedal de travão, a velocidade angular da roda, a velocidade angular do veio e
o estado da carga dos super condensadores e bateria.
O binário produzido pelo motor é transmitido às rodas através de um sistema de transmissão
constituído pelo veio propulsor, grupo cónico com diferencial e os semi-eixos das rodas. O STM
é um sistema que combina ar comprimido e pressão hidráulica para a operação de travagem. Os
componentes principais são o reservatório de ar, uma válvula proporcional, o circuito pneumático,
o circuito hidráulico, as maxilas de travão e os discos, tal como se encontra ilustrado na figura 4.1.
O reservatório é preenchido com ar a alta pressão e, a válvula proporcional, que é controlada
por uma unidade de controlo eletrónica (ECU), gere o fluxo do ar desde o reservatório até ao
pistão hidráulico. Uma câmara de travão contém um cilindro de ar e um cilindro hidráulico. Cada
cilindro é equipado com um pistão e um tirante. O diâmetro do pistão pneumático é superior ao
pistão hidráulico e desta diferença de diâmetros resulta uma pressão hidráulica superior à admitida
no cilindro com ar. Na roda, o óleo pressurizado força o pistão e este empurra as pastilhas de travão
contra os discos. Desta forma, o binário de travagem é produzido pela fricção.
A componente regenerativa (elétrica) do sistema de travagem opera, por razões de segu-
rança, embebida na componente mecânica transferindo a energia cinética numa energia elétrica,
armazenando-a. Funcionalmente é constituído por um gerador elétrico, seu controlador e o sistema
de armazenamento.
4.1 PMSM
Na conceção do STR, a aplicar no camião, considerou-se a utilização de uma máquina elétrica
tipo PMSM. Este motor apresenta como vantagens [10]:
• Elevada Eficiência: Por usar ímanes permanentes (PM) para a excitação, deixando de con-
sumir potência para o efeito. Não apresenta perdas por fricção, devido à ausência de comu-
tadores mecânicos e escovas;
• Compacto: A recente utilização de imanes com elevada densidade energética (imanes de
terras raras) tem permitido atingir densidades de fluxo elevadas, possibilitando a produção
de binários elevados;
• Fácil de controlar: Pode ser controlado como um motor DC devido ao desacoplamento do
fluxo e do binário em variáveis facilmente acessíveis;
• Fácil de arrefecer: Como não há circulação de corrente no rotor, o único ponto de produção
de calor é o estator, que é acessível por estar estático e na periferia do motor;
4.1 PMSM 57
• Baixa manutenção e longevidade: A ausência de escovas e comutadores mecânicos elemina
as necessidades de manutenção e de falhas associadas a estes componentes. A longevidade
é assegurada pelo isolamento dos enrolamentos, pelos rolamentos e pelo ciclo de vida dos
imanes;
• Baixa emissão de ruído: A frequência de comutação é elevada não existindo harmónicos
audíveis.
Em contrapartida, como desvantagens [10], tem-se em consideração:
• Custo: O preço dos ímanes de terras raras é mais elevado, resultando num aumento do preço
do motor;
• Gama de potência constante limitada: Uma larga gama de potência constante é importante
para atingir uma eficiência elevada. Com este motor, não se consegue atingir uma velocidade
máxima superior a duas vezes a velocidade nominal;
• Segurança: Em caso de acidente, se o motor continuar a rodar livremente, os seus ímanes e
a tensão elevada aos seus terminais podem, eventualmente, por em perigo os utilizadores;
• Desmagnetização dos ímanes: Podem ser desmagnetizados devido a elevadas forças mag-
néticas opostas ou a temperaturas elevadas durante a operação. Deve garantir-se o arrefeci-
mento do motor, especialmente nos de construção compacta;
• Capacidade a velocidades elevadas: Os motores com ímanes montados à superfície do rotor
não podem alcançar velocidades elevadas, devido às limitações mecânicas da montagem dos
PMs no rotor;
• Falhas no inversor: De facto, a rotação do rotor está sempre a induzir uma força contra ele-
tromotriz (EMF) nos enrolamentos curto-circuitados. A circulação de uma corrente muito
elevada neste enrolamento e, portanto um binário elevado pode bloquear o motor. Além
disso, uma corrente elevada, resultante de um curto circuito do inversor pode causar o risco
de desmagnetizar e destruir os ímanes.
4.1.1 Tipos de Máquinas PMSM
O rotor do motor pode apresentar configurações diferentes consoante a disposição dos ima-
nes. Distingue-se pela montagem dos imanes à superfície do rotor ou no seu interior, tal como é
ilustrado na figura 4.2.
Sob o ponto de vista da construção, a montagem dos ímanes na superfície torna-se mais sim-
ples e a disposição dos polos enviesados facilita a magnetização, minimizando assim, as oscilações
de binário. Como a permeabilidade dos PMs é próxima da permeabilidade do ar o rotor é isotró-
pico, ou seja, o fluxo é uniforme em todas as direções [19].
Os motores com rótor cujos os ímanes estão dispostos no interior são ótimos candidatos para
operarem a velocidades elevadas, uma vez que, o rótor é altamente anisotrópico, lidando com
duas componentes, a de excitação e a componente de binário. Por sua vez, estas são elevadas o
58 Sistema de Travagem Regenerativa
(a) PMSM com imanes montados na su-perfície do rotor
(b) PMSM com imanes montados no in-terior do rotor
Figura 4.2: Configurações do rotor do PMSM [10]
que possibilita uma densidade de binário significativa, fazendo com que estes atinjam velocidades
maiores [19].
Neste caso, os enrolamentos do estator têm duas classes definidas pela respetiva forma de onda
da EMF, trapezoidal ou sinusoidal. A trapezoidal tem como características a distribuição retangu-
lar do fluxo magnético no entre ferro, a forma de onda da corrente retangular e os enrolamentos
do estator concentrados. No caso da sinusoidal, esta apresenta uma distribuição do fluxo magné-
tico no entre ferro sinusoidal, formas de onda da corrente e distribuição dos condutores no estator
igualmente sinusoidais.
Figura 4.3: PMSM com rotor interior e exterior [20]
O estudo da geometria do motor é baseada na razão β , que é a relação entre a largura angular
do imane Lm e o passo do polo Lp. Esta relação é usada de forma a ajustar a largura angular do
imane de acordo com o passo do polo do motor [20].
4.2 Modelação e Controlo do PMSM 59
β =Lm
Lp
e Lp =π
p(4.1)
A relação entre a largura angular do dente principal e a largura angular do imane tem uma
influência significativa na forma da força eletromotriz do motor. Esta razão pode ser transcrita
pela equação representada seguidamente em 4.2:
Rldla =Adente
Lm
(4.2)
A geometria do motor, ou seja a disposição do rotor, é um aspeto estrutural importante. Os
resultados da comparação térmica entre o motor com rotor no interior e com rotor exterior, apre-
sentados na figura 4.3, demonstram que a temperatura do primeiro é sempre superior à dos motores
com rotor externo. As fontes de calor originam-se devido às perdas no cobre e às perdas no ferro
do estator, o que compromete a eficiência da máquina [20].
4.2 Modelação e Controlo do PMSM
Uma vez que, tipicamente, esta máquina é operada na função de gerador, a sua modelação e
análise do método de controlo são realizados na função de motor, considerando que a mudança de
função traduz-se simplesmente na mudança da posição angular dos vetores fluxo no entreferro e
corrente.
Como uma máquina síncrona que é, o campo do rotor deve girar à mesma velocidade do campo
do estator. De outra forma, as perdas de sincronização entre estes fazem com que o rotor rapida-
mente alterne entre o binário positivo e negativo, causando a paragem do motor. Por conseguinte
a velocidade da máquina é dada pela equação 4.3:
ws =we
P=
2π f
P(4.3)
onde ws(rad/s) é a velocidade angular do rotor, f (Hz) a frequência de alimentação do estator e
P é o número de pares de polos.
Quando os enrolamentos do estator são percorridos por uma corrente produzem um campo
magnético rotativo. De forma a controlar a rotação deste campo é necessário ter em conta as
correntes no estator. A interação entre o fluxo do estator e o fluxo do rotor produz um binário
traduzido pela expressão 4.9:
Tem =−→B estator ×
−→B rotor (4.4)
Esta equação mostra que se atinge o binário máximo se o campo magnético do estator e do
rotor forem ortogonais. Tal evidencia a necessidade de controlar o ângulo entre eles, de maneira
a manter os 90o, para assim, produzir o máximo binário e atingir uma elevada eficiência. Esta
60 Sistema de Travagem Regenerativa
sincronização necessita de conhecer a posição do rotor, que pode ser obtida pela integração da
velocidade.
Baseado no circuito da figura 4.4 o motor pode ser modelado pelas seguintes equações:
Figura 4.4: Circuito equivalente do PMSM
Vs = RsIs +Ls
dIs
dt+Es (4.5)
Es = KEωr (4.6)
Te = KT Is (4.7)
Te = TL + Jdωr
dt+Bwr (4.8)
onde Vs é a tensão da fonte, Rs e Ls representam a resistência e a indutância do enrolamento do
estator, respetivamente. Es representa a EMF induzida no enrolamento pela rotação do rotor, kE é
a constante EMF, KT a constante de binário, TL o binário da carga, B o coeficiente de viscosidade e
ωr a velocidade angular do rotor. J é a inércia do motor, e representa o atraso mecânico e elétrico
nas respostas em situações transitórias.
O binário eletromagnético do motor pode também ser definido pela equação 4.9
Tem =32
P [ψIq + IdIq(Ld −Lq)] (4.9)
Descrevendo o modelo dinâmico do motor no referencial d-q (figura 4.5), desacopla-se a com-
ponente do fluxo da componente de binário, podendo estas serem controladas de forma indepen-
dente pelas correntes Id e Iq, respetivamente.
Recorrendo às transformações:
4.2 Modelação e Controlo do PMSM 61
[
χd
χq
]
=23
[
cos(θ) cos(θ − 23 π) cos(θ + 2
3 π)
sin(θ) sin(θ − 23 π) sin(θ + 2
3 π)
]
χa
χb
χc
(4.10)
χa
χb
χc
=
cos(θ) sin(θ)
cos(θ − 23 π) sin(θ − 2
3 π)
cos(θ + 23 π) sin(θ + 2
3 π)(
[
χd
χq
]
(4.11)
onde χ pode representar corrente, tensão ou o fluxo.
Figura 4.5: Diagrama vetorial, em regime permanente, do PMSM no referencial d-q [19]
O resultado das equações diferenciais relacionadas com as componentes d e q do motor são
seguidamente apresentadas:
Vd = Rid +Ld
did
dt−Eq (4.12)
Eq = ωeLqiq (4.13)
Vq = Riq +Lq
did
dt+Ed (4.14)
Ed = ωeLd id +Kωm (4.15)
62 Sistema de Travagem Regenerativa
onde k é a constante elétrica da EMF. Esta pode ser calculada de acordo com as magnitudes
geométricas do motor, de modo a funcionar com uma velocidade elevada. Rd , Ld , Rq e Lq são
as resistências e indutâncias equivalentes do motor no domínio d-q. As correntes são traduzidas
pelas expressões 4.16 e 4.17:
Id =1
Ld.s+R(Vd +ωeLqIq) (4.16)
Iq =1
Lq.s+R(Vq −ωeLdId −Kωm) (4.17)
4.2.1 Estratégia de Controlo
Formuladas as equações que modelam o PMSM, pretende-se então, controlar o binário produ-
zido por este motor de acordo com a referência do pedal do travão.
Sendo assim, o controlo por orientação de campo (FOC) apresenta-se como um método capaz
de controlar separadamente o binário produzido e as componentes do fluxo de magnetização. Este
desacoplamento assegura o controlo fácil de um motor trifásico, de forma equivalente a um motor
DC com excitação separada. Isto significa que a corrente da armadura é responsável pelo binário,
e a corrente de excitação pelo fluxo.
M
+
-
VDC VDC
L
C
+
-
Filtro Inversor DC - AC
Ia Ib
S(V)PWMCalculo da
posição do
rotor
ωr
ᶿr
Estimador
de
binário
dq
abc
Va
Vb
Vc
Binário
medido
PI
PI
abc
dq
ᶿr
Id
Iq
Iq_ref
Cálculo
do fluxo
Iq
Id
Iq
SOCωr
Sinal
do
Pedal de
TravãoMicrocontrolador
T_ref
Id_ref+-
+-+-PI
IqId
ᶿr
Ia
Ib
Figura 4.6: Diagrama do sistema de controlo do PMSM
4.2 Modelação e Controlo do PMSM 63
O processo apresentado na figura 4.6 pode ser sumariado nos seguintes passos:
• São medidas as correntes em duas fases do motor. Esta medição fornece o valor das corren-
tes ia e ib, ic sendo calculado equação 4.18:
ia + ib + ic = 0 (4.18)
• É calculada a posição do rotor (θ) integrando a velocidade ou através dos sinais de seno e
cosseno devolvidos pelo resolver:
θ = arctan(seno(θ),coseno(θ)) (4.19)
A implementação deste cálculo pode ser baseada num algoritmo numérico e iterativo conhe-
cido por Coordinate Rotation by Digital Computer (CORDIC). Este é rápido necessitando
de menos memória que a implementação por vírgula flutuante;
• As correntes nas 3 fases são convertidas no sistema de coordenadas que está alinhado com o
fluxo do rotor, recorrendo às transformadas juntamente com a posição do motor, fornecida
pelo bloco do cálculo da posição do rotor. Desta transformação resultam os valores de id e
iq, que em regime permanente são constantes;
• Id e Iq são usados para a referência do controlo do fluxo de magnetização do rotor e para o
controlo de binário produzido pelo motor, respetivamente;
• A corrente Iq desejada (Iqre f ) é a saída do controlador proporcional-integrativo (PI) apres-
netando como entradas a referência de binário Tre f fornecida pela estimação do mesmo
(explicado mais adiante) e o binário do motor calculado a partir das correntes Id e Iq;
• Os sinais de erro das correntes Iq e Id são entradas dos controladores PI cujas saídas são
transformadas de novo para 3 fases, obtendo-se então, a referência de tensão para cada fase,
Va, Vb e Vc. As tensões nas 3 fases são usadas para calcular o novo duty-cycle do PWM para
gerar o vetor de tensão desejado (no caso da implementação do SVM);
• Os sinais gerados pelo bloco de SVPWM ou SPWM, no caso de implementação do PWM
sinusoidal, são enviados para as gates dos IGBTs do inversor, que controla o PMSM.
A análise comportamental, na simulação computacional, desta estratégia de controlo obriga
a analisar o comportamento dos seguintes blocos: filtro, estimador de binário, controladores PI e
S(V)PWM, uma vez que o modelo comportamental do motor já foi analisado, pela sua importância
central, na secção 4.1.
4.2.2 Estabelecimento do Binário de Travagem Regenerativa
Para iniciar a travagem regenerativa é necessário fornecer uma referência de binário, assim é
preciso estabelecer o binário ótimo em função do pedido de binário pelo pedal de travão, de modo
que embebida no sistema de travagem mecânica, o STR regenere o máximo de energia cinética.
64 Sistema de Travagem Regenerativa
De forma a simplificar a representação desta função, ao longo no texto será referido como
estimador de binário. A figura 4.7 representa o diagrama de blocos funcional deste estimador.
Estimador de Binário
Sinal de
Travão
SOC UC
ω
STR
T_ref
eletrico
Sistema
elétrico
Variação
travão
SOC Bat.
Figura 4.7: Visão geral do controlador para os sistemas de travagem
Neste caso, e cumprindo os requisitos RS2.2 e RS2.4 enumerados na subseção 3.4.2, a estra-
tégia passa por aproximar este sistema a um STR série. Isto porque, num STR paralelo ambos os
sistemas são acionados sempre que o pedal de travão é ativado.
Para o cálculo do valor da referência de binário para o motor elétrico, o algoritmo apresentado
na figura 4.8, baseado na figura 4.7, apresenta como entradas o sinal do pedal de travão, o estado
de carga dos UCs e a velocidade do veículo, representada na velocidade do rotor ωr.
A atuação do STR tem em conta a variação da força do pedal com o tempo (dSinal travão).
De facto, esta condição revela-se crucial para identificar situações de travagens bruscas e/ou de
Sinal travão
> 0
Inicio
D.sinal_travão
<
D.sinal_travão_limite
Não
Sim
Ref_binário STR = 0;
(Apenas travagem mecânica)
Não
Fim
Sim
Não
Sim
Não
Binário pedido
>
Binário máximo PMSM
Sim
Ref_binário_STR
=
Binário máximo PMSM
Ref_binário_STR
=
Binário nominal
Fim
SOC UC
< 100%Vel.camião
> 15 km/h
Ref_binário_STR
=
Binário pedido
Não
Sim
Fim
Fim
Fim
Figura 4.8: Algoritmo para estimação da referencia de binário para o STR
4.2 Modelação e Controlo do PMSM 65
emergência que possam danificar o sistema, afetar a dinâmica de travagem e a própria estabilidade
do veículo. Importa referir que nesta condições apenas opera o sistema mecânico.
Outra consideração importante é o SOC dos UCs, isto pelo facto da corrente e, consequente-
mente a energia produzida pelo PMSM durante a travagem, ser proporcional ao binário negativo
produzido. Desta forma, é essencial conhecer a capacidade do sistema de armazenamento para
absorver a energia produzida. Doutra maneira, e estando os SCs totalmente carregados, o motor
só poderá produzir um binário que não gere uma corrente que ultrapasse o limite que as baterias
suportam durante a carga, garantindo que estas não sejam danificadas. Posto isto, o valor é atuali-
zado de acordo com estado das variáveis, de maneira a produzir um binário dentro de uma gama
que não ultrapasse as restrições de carga da bateria.
4.2.3 Filtro no Barramento CC
Controlar um PMSM com um inversor sem filtro apresenta como desvantagens perdas por dis-
torção harmónica, perturbações no isolamento dos enrolamentos do motor, ruído e ondulação de
binário. Estes efeitos podem ser evitados se os harmónicos associados à frequência de comutação
forem atenuados. Posto isto, o filtro à entrada do inversor, representado na figura 4.4 é necessá-
rio para atenuar a amplitude dos harmónicos à frequência de comutação dos IGBTs, eliminar os
harmónicos de alta frequência, reduzir os harmónicos da tensão e diminuir a distorção da corrente
[30, 31].
O filtro L, de 1a ordem, é composto por uma bonina que atenua -20dB/década para a gama de
frequências, pois só apresenta um polo na sua função transferência. A frequência de comutação
do inversor deve ser aumentada para o filtro conseguir atenuar o ruído.
O filtro LC, de 2a ordem, apresenta uma atenuação eficaz dos harmónicos a altas frequên-
cias, pois decresce -40dB/década sendo a sua frequência de ressonância calculada pela seguinte
expressão:
fc =1
2π√
LC(4.20)
Dado que no filtro L a atenuação da comutação do inversor é baixa, é necessário usar um ele-
mento derivativo para atenuar (ainda mais) os harmónicos da frequência de comutação. É necessá-
rio sempre que a aplicação requer baixa carga à frequência de ressonância (inferior à frequência de
comutação) de modo a atenuar a amplitude que um filtro LC produz nestas condições. O conden-
sador é utilizado como elemento derivativo aumentando a componente reativa da potência [30].
Na gama de filtros passivos, pode contar-se ainda com o filtro LCL, de 3a ordem, que fornece
uma atenuação mais eficaz dos harmónicos de comutação. Este apresenta baixa produção de
reativa e tem uma atenuação de -60dB/década para frequências acima da frequência de corte,
obtida pela expressão:
fc =1
2π
√
L1 +L2
L1L2C(4.21)
66 Sistema de Travagem Regenerativa
com a indutância mais alta do lado do inversor. Este filtro consegue reduzir o nível de distorção
harmónica com baixa frequência de comutação [30].
No dimensionamento de um filtro é necessário ter em conta aspetos como as perdas, o volume,
o peso e o custo. A aplicação de um filtro LC é uma solução atrativa sob o ponto de vista de
implementação. Este filtro é capaz de atenuar a maioria dos harmónicos de baixa ordem da onda
da tensão de saída, e minimiza a distorção para cargas lineares e não lineares.
De forma a diminuir o peso e o volume, para uma frequência de corte especifica, deve maximizar-
se o condensador e minimizar a bobine. O aumento da frequência de comutação é um parâmetro
que contribui para a diminuição do tamanho dos componentes do filtro, desde que as perdas de
comutação não sejam significativas, e de forma a não comprometerem a eficiência do inversor.
É importante analisar a função transferência do filtro para compreender o seu comportamento,
Vo(s)
Vi(s)=
1
L.C.s2 + LR.s+1
(4.22)
esta pode ser reescrita com a frequência em rad/s, já que s = j.ω:
Vo(ω)
Vi(ω)=
1
−ω2
ω20+ ω
ω0.2 j.ξ +1
(4.23)
ξ =L
2.R.√
L.C(4.24)
onde ξ é o fator de amortecimento que descreve o ganho à frequência de corte. Assim, quanto
menor o fator de amortecimento maior é o ganho à frequência de corte. O limite ideal para amor-
tecimento zero seria ganho infinito, contudo a resistência interna dos componentes limita o ganho
Figura 4.9: Diagrama de Bode do filtro LC
4.2 Modelação e Controlo do PMSM 67
máximo.
O fator de amortecimento pode influenciar o funcionamento do circuito de controlo e cau-
sar oscilação. Posto isto recorre-se a variadas técnicas para amortecer ativamente os efeitos de
ressonância, que podem ser consultadas na referência [30].
Desta análise e do requisito de travagem ser feito em binário, que se traduz em corrente pró-
xima da nominal, o filtro dimensionado apresenta como valores do L = 2µ H, C = 200 µ F e
resistência R = 100 mΩ . Os resultados do seu desempenho no sistema podem ser observados na
subsecção 4.3.1 deste capítulo.
Na figura 4.9 está presente o diagrama de bode da função transferência do filtro LC onde se
comprova a sua atenuação de -40dB/dec. Observa-se a atenuação e o amortecimento do filtro para
vários valores da resistência R que reduz o pico da impedância de saída do filtro na frequência de
corte.
Figura 4.10: Lugar Geométrico de Raízes da função transferência do filtro LC
Conclui-se que, se o controlo de corrente tiver como frequência igual à frequência de comu-
tação, o sistema é estável, já que os polos de ressonância do filtro se encontram no semi-plano
esquerdo do lugar geométrico de raízes (figura 4.10), embora estejam perto do limiar para entrar
em instabilidade.
4.2.4 Controladores PI
Os controladores PI, figura 4.11 são usados para controlar o fluxo (valor de Id) e o binário do
rotor (valor de Iq) independentemente. Um controlador do tipo PI responde a um sinal de erro
de um controlo em malha fechada, tentando ajustar e controlar a saída para se obter a resposta
desejada do sistema, isto é, erro nulo em regime permanente. A variável a controlar pode ser o
valor de qualquer variável mensurável como, binário, corrente, tensão ou velocidade. O principal
68 Sistema de Travagem Regenerativa
benefício do PI é que este pode ser ajustado empiricamente através da variação de um ou mais
valores do ganho, observando a alteração da resposta do sistema.
Um PI digital é executado periodicamente num intervalo de amostragem, assumindo-se que
este está a operar a uma frequência suficiente para que o sistema possa ser devidamente controlado.
Figura 4.11: Controlador PI
O sinal de erro é formado pelo pela subtração do valor referência do parâmetro e pelo valor
medido pelo mesmo, sendo que este sinal indica a direção da mudança exigida pelo sinal de
controlo.
O termo proporcional (P) é formado pela multiplicação do erro pelo ganho P fornecendo uma
resposta em função da amplitude desse mesmo erro. À medida que o sinal do erro aumenta, o
termo P torna-se maior, proporcionando mais correção. O efeito do P tende a reduzir o erro global
no decorrer do tempo, no entanto, o seu efeito diminui à medida que o erro se aproxima de zero.
Na maioria dos sistemas, o erro fica muito próximo de zero mas não converge, resultando num
pequeno desvio em regime permanente.
Para eliminar este erro em regime permanente recorre-se ao termo integrativo (I). Este calcula
o total do erro em contínuo. Um pequeno erro acumula-se em regime permanente formando
um grande erro ao longo do tempo. Este sinal acumulado é multiplicado pelo fator de ganho,
tornando-se o I.
A sintonização de um PI inicia-se com a definição do ganho do integrador com valor zero.
Posteriormente aumenta-se o ganho proporcional (kp) até o sistema responder a variações pontu-
ais, sem um overshoot ou oscilações excessivas. Começando por valores baixos para o ganho P,
este vai controlar o sistema ligeiramente, e à medida que este valor aumenta o controlador ficará
próximo. Neste ponto, o sistema não irá convergir para o valor de ajuste.
Depois de selecionar o Kp, aumenta-se lentamente o ganho do I até forçar o erro do sistema
a zero. Na maioria dos sistemas um Ki baixo é suficiente, pois caso este valor seja elevado pode
superar a ação do P e atrasar a resposta, podendo fazer com que o sistema oscile em torno do valor
de ajuste. Caso ocorra uma oscilação, reduzindo o Ki e aumentando o Kp, geralmente, resolve-se
a situação.
Pode ainda considerar-se a aplicação de um termo para limitar o integrador, que ocorre se o
erro satura o termo integrativo. Desta forma, o erro acumulado vai ter que ficar abaixo do valor
que causou a saturação da saída. Este termo limita esta acumulação indesejada.
4.3 Desempenho do STR 69
4.3 Desempenho do STR
O motor é o componente fundamental para o funcionamento deste subsistema, sendo portanto
necessário compreender o seu desempenho através da relação do binário com a potência e com a
velocidade. Com efeito, apresenta-se na figura 4.12 o gráfico característico do PMSM que resume
as relações referidas.
Na simulação considerou-se o motor de ímanes permanentes da ENST ROJ R©, especificamente
o EMRAX standard LC, que se trata de um motor com rotor externo e arrefecido a água. Os parâ-
metros deste encontram-se descritos na tabela 4.1 e foram utilizados na simulação aproximando-a
ao contexto de aplicação real. Este motor responde às necessidades e enquadra-se nos requisitos
do sistema, sendo uma opção para implementação.
Figura 4.12: Curva do binário-potência do PMSM [19]
A figura 4.6, anteriormente destacada, apresenta o modelo do STR implementado no PSIM R©.
A partir desta, é possível identificar o filtro LC que está ligado ao inversor. Por sua vez este
controla o motor que se encontra ligado a uma carga mecânica que simula o veio do camião.
Tabela 4.1: Parâmetros do motor EMRAX inseridos no simulador [29]
Parâmetros do Motor EMRAXPeso: 12 kg
Rs: 0.018 OhmLd: 177 uHLq: 183 uH
Vpk/Krpm: 96No pares polos: 10
70 Sistema de Travagem Regenerativa
Figura 4.13: Sistema de potência implementado em PSIM R©
Os blocos de cálculo das transformadas, cálculo do binário e posição do rotor foram imple-
mentados em código C. Esta implementação, sem recurso às funções cosseno e seno engloba o
esforço de otimização e preparação do código para facilitar a sua transferência e aplicação direta
no microprocessador. Este código foi estruturado de forma a não usar funções trigonométricas,
uma vez que estas exigem bastante memória do lado da implementação. Assim recorreu-se à
utilização de vetores e rotinas que exigem menos memória e velocidade de processamento. Em
alternativa, pode considera-se nestes casos, o recurso a algoritmos específicos como o caso do
CORDIC. A maioria dos softwares de desenvolvimento já dispõe desta biblioteca de funções.
De seguida, mostram-se os resultados da implementação do sistema apresentado na figura 4.13
em PSIM R©, com principal ênfase à análise do binário produzido pelo motor, comportamento dos
controladores e desempenho do filtro.
4.3.1 Resultados de Simulação Computacional
Esta subseção reúne os resultados da simulação desenvolvida no software PSIM R©. Desta
forma, monstra-se o binário produzido pelo motor durante a travagem, para várias gamas de velo-
cidade, tendo em atenção a ondulação do binário. Sob ponto de vista da transferência da potência
para as baterias e/ou SCs, deve garantir-se um bom comportamento da corrente e da tensão do lado
4.3 Desempenho do STR 71
Figura 4.14: Operação do EMRAX como gerador, para um binário negativo constante
dos sistemas de armazenamento. Por este motivo procede-se à análise da evolução da corrente e
da tensão DC.
Pela análise dos gráficos da figura 4.14 verifica-se uma resposta rápida do motor para uma
referência de binário em degrau. É possível ainda observar que o motor mantém o binário com
uma oscilação de 2 Nm em 100 Nm, às 3000 Rpm. Depreende-se então, que este apresenta um
Figura 4.15: Operação do EMRAX como gerador, para um binário negativo dinâmico
72 Sistema de Travagem Regenerativa
ripple de 2%.
O sentido da corrente é evidenciado pelo valor negativo que apresenta, confirmando o carre-
gamento das baterias. O filtro LC apresenta um desempenho efetivo consolidando o seu dimensio-
namento ao verificar um ripple de corrente na ordem dos 5%. A tensão do barramento mantém-se
nos 300 V como esperado.
É importante analisar a resposta do sistema em regime dinâmico. Então, conclui-se pela aná-
lise da figura 4.15 que o sistema responde com rapidez e sem grandes perturbações a uma transi-
ção em degrau. Nos transitórios, a corrente apresenta uma oscilação, estabilizando rapidamente.
Atrasando a resposta do motor às variações do pedido de binário pela re-sintonização do PI, as
oscilações da corrente são consequentemente suavizadas.
Outra consideração essencial é a velocidade do motor. Verifica-se que para velocidades supe-
riores, apesar do pedido do binário de travagem ser o mesmo, a corrente fornecida às baterias é
superior, figura 4.16. Isto deve-se ao aumento de potência, uma vez que esta tem uma relação com
o binário e a velocidade, traduzida pela expressão:
P =τEmrax.nrpm
9,55.103 ,(kW ) (4.25)
Neste sentido, mostra-se essencial a análise do efeito do binário produzido pelo motor na
carga. Este é evidenciado pela diminuição da velocidade do veio (carga simulada) onde o motor
está acoplado, quando o binário negativo produzido aumenta, figura 4.17.
Simultaneamente, a energia produzida acompanha estas variações, verificando-se a diminuição
da corrente com a redução da velocidade, por exemplo.
Figura 4.16: Operação do EMRAX como gerador, para um binário negativo variável à velocidadelimite
4.3 Desempenho do STR 73
Figura 4.17: Comportamento do STR para um pedido de binário de travagem variável
Como foi referido anteriormente, esta máquina síncrona opera como gerador e como motor.
Como tal, procedeu-se à análise do comportamento desta como auxiliar de tração, necessário
em condições que serão analisadas no próximo capítulo, operando como motor. Este regime está
ilustrado na figura 4.18 comprovado pelo valor positivo da corrente que mostra o fluxo de potência
da fonte para o inversor.
Figura 4.18: Operação do EMRAX como motor
74 Sistema de Travagem Regenerativa
4.4 Conclusão
Neste capítulo foi estudado o sistema de travagem regenerativo, designado por STR, nome-
adamente a integração deste com o sistema de travagem mecânico (STM), equipado de série no
veículo. Foi analisada e desenvolvida a estratégia de controlo e estimação do binário do STR.
Este subsistema é baseado num PMSM. Assim, foram apresentadas as vantagens e desvanta-
gens da utilização desta máquina, passando por uma análise das várias configurações existentes
até à sua modelação e estratégia de controlo. O comportamento desta máquina síncrona mostra-se
adequado ao sistema em projeto.
Encontra-se neste capítulo a subseção que mostra os resultados da simulação deste subsistema
e do controlo do motor, passando pela análise da relação do binário produzido com as correntes
injetadas no barramento.
Capítulo 5
Integração do Sistema e
Desenvolvimento do Protótipo
Após se ter efetuado, no capítulo 3, a análise das soluções para recuperação e rentabilização
do potencial energético do veículo, especificando os subsistemas de armazenamento, produção
fotovoltaica e travagem regenerativa, no capítulo 4 apresentou-se o projeto, modelação e simulação
do subsistema de travagem regenerativa.
Por conseguinte, o presente capítulo envolve o projeto de integração do STR, do subsistema
híbrido de armazenamento de energia e do subsistema fotovoltaico no veículo, considerando a
interação entre estes subsistemas, com vista ao projeto de um protótipo. Pretende-se com a elabo-
ração da presente dissertação dar especial atenção ao STR, dado que sob o ponto de vista técnico
este é considerado mais exigente.
Com efeito, na secção 5.1, analisar-se-ão duas soluções de acoplamento do motor ao veio
do camião. Seguidamente na secção 5.2 apresenta-se-á a estratégia de gestão de energia para o
sistema e na secção 5.3 será apontada a arquitetura e modelação do barramento. Por último, na
secção 5.4 demonstra-se-á a partir da simulação computacional no PSIM R©, o desempenho do
STR com sistema híbrido de armazenamento.
5.1 Projeto do Subsistema Mecânico
Um dos principais aspetos referenciados pelas empresas prende-se com o facto de que o sub-
sistema a instalar não provoque alterações à viatura. Pretende-se que este seja rápido e fácil de
aplicar, e que possa ser transferido para outros veículos não colocando em causa os contratos de
garantia e manutenção com as marcas. Este refere-se aos requisitos RS2.2, RS2.3 e RS2.4 da lista
enunciada na subsecção 3.4.2.
Neste sentido, para implementar o STR no veículo, é necessário transferir o movimento das
rodas ao rotor do motor elétrico. Esta potência só é possível ser extraída da cadeia de transmissão
do veículo, representada na figura 5.1. Nesta figura encontram-se identificados e, devidamente
75
76 Integração do Sistema e Desenvolvimento do Protótipo
enumerados, os pontos possíveis de captação do movimento, passando a análise do acoplamento
em cada um deles:
Grupo
Cónico
(diferencial)
1
1
2234
Figura 5.1: Planta da cadeia de transmissão do DAF FA75. 1- Semi-eixos, 2 - Veio com luvaentrada do diferencial, 3 - veio fico saída caixa, 4 - caixa de velocidades
1. Representa os semi-eixos que estabelecem ligação entre o grupo cónico e as rodas. Este
grupo cónico, para além de impôr uma relação de transmissão, funciona também como
diferencial mecânico. É um local de difícil acesso com pouca área disponível, e para além
disso os semi-eixos apresentam rotações e binários diferentes quando o veículo descreve
uma curva. Na perspetiva da implementação, a instalação só num dos semi-eixos provocaria
desiquilíbrios na distribuição de binários afetando a estabilidade do veículo. Doutra forma,
seria necessário a aplicação de um motor em cada semi-eixo com diferencial eletrónico,
aumentando assim os custos e a complexidade da solução.
2. Veio oscilatório que estabelece ligação entre a barra fixa de apoio de veios e o grupo cónico.
Num regime de travagem , a transmissão de potência dá-se no sentido das rodas para o motor
(1 a 4). Como tal, neste veio consideram-se as perdas do grupo cónico, cujo o rendimento
é da ordem dos 90%. Este veio tem a particularidade de oscilar com a suspensão, daí
a existência de cardã em cada uma das suas extremidades. Este movimento oscilatório
vertical, em torno do eixo posicionado na fixação de veios, dificulta a aplicação do motor,
que teria que acompanhar estas oscilações.
3. Neste ponto, evidencia-se o veio que estabelece ligação entre a caixa e o veio 2. Este
encontra-se fixo já que, não acompanha o movimento da suspensão do veículo, encontrando-
se a uma altura do chão suficiente para proteger o motor, respondendo ao requisito RS2.1.
Outra particularidade, é que a existência deste tipo de veio é comum em todos os veículos
rígidos, variando apenas o seu diâmetro. Esta localização apresenta uma área de trabalho
razoável e, além disso, é de fácil acesso, pelo que facilita o acondicionamento dos compo-
nentes do STR. O veio é rápido de desmontar, necessitando apenas de intervir na fixação
central dos veios 2 e 3.
5.1 Projeto do Subsistema Mecânico 77
4. A caixa de velocidades, do ponto de vista da implementação, revela-se uma solução inte-
ressante para acoplamento do motor. Contudo apresenta como desvantagem a variedade de
configurações existentes no mercado, a gama de rotações e um fator de risco elevado para a
própria caixa e para o veículo, em caso de falha ou bloqueio do motor elétrico.
Desta análise, o ponto que reúne as condições para captação e transmissão de binário às rodas
localiza-se no veio 3.
Outro aspeto fundamental é a análise da forma ou mecanismo que estabelece a ligação entre o
veio do camião e o motor elétrico do STR, possibilitando a transmissão de potência. Dado que o
veio não pode ser cortado, soldado, perfurado ou maquinado, a solução passa pelo atravancamento
do mecanismo ao veio, garantindo que o binário de aperto não provoque o seu esmagamento.
Desta forma, consideram-se duas soluções:
1 - Conjunto composto por corrente, cremalheira e pinhão. Um dos inconvenientes é a apli-
cação da cremalheira no veio, tendo por isso a necessidade de projetar um dispositivo de
fixação personalizado para esta aplicação. Este dispositivo depois de idealizado e projetado
foi modelado com o apoio do Eng.João Duarte no software de modelação computacional
3D SolidWorks. A peça modelada para o efeito, apresenta-se na figura 5.2.
Figura 5.2: Peça de aperto ao veio para suporte da cremalheira
Trata-se de uma peça em alumínio, com espessura de 20 mm, com furações para parafusos
M8. Como se pode observar pela figura, esta encontra-se preparada para suportar no seu
topo uma cremalheira e dimensionada em comprimento para suportar binários de aperto
elevados. Apresenta-se dividida em duas metades, dado que o objetivo será não desmontar
o veio, e desta forma a cremalheira necessitará também de ser cortada em duas metades.
78 Integração do Sistema e Desenvolvimento do Protótipo
Uma vez que o veio poderá atingir as 2263 rpm e o motor capaz de produzir um binário até
aos 160 Nm, estes dados aumentarão o grau de exigência no dimensionamento da corrente.
Este sistema necessita de lubrificação, de proteção contra poeiras e não apresenta bons de-
sempenhos e longo ciclos de vida para velocidades elevadas. Além disso, apresenta perdas
mecânicas e é barulhento.
2 - A segunda solução é composta por um sistema polias e correia. Trata-se de uma forma eficaz
de transmissão de potência e utiliza-se especialmente em velocidades elevadas. Não neces-
sita de lubrificação, é de fácil manutenção, apresentando-se como uma solução económica.
Pode ser usada sempre que exista (ou não) necessidade de sincronismo [32].
As correias podem ser classificadas em síncronas ou assíncronas cujo o princípio de trans-
missão de potência é o atrito entre polia e correia. Sendo um requisito desta aplicação o
sincronismo, opta-se por uma correia síncrona, também conhecida por correia dentada.
Uma particularidade na utilização de correias síncronas é facto que o passo dos dentes da
polia têm que estar metricamente alinhados com os dentes da correia. Ao cortar a polia nas
duas metades para aparafusar ao dispositivo projetado (figura 5.2) perde-se-á a garantia de
Figura 5.3: Esquema do acoplamento do STR. 1- Local de aplicação, 2 - Barra de suporte paramotor, 3 - Suporte central do veio
5.1 Projeto do Subsistema Mecânico 79
sincronismo e engrenagem entre os dentes da polia e os dentes da correia. Tal acontece por-
que, durante o corte, o diâmetro da polia é diminuído à espessura da serra, reduzindo assim,
o passo da mesma na zona de corte causando a necessidade de ajustamento do diâmetro
durante a fixação.
Desta forma, a solução projetada não se mostra rentável, sendo necessário partir para a
análise de um método de atravancamento diferente. Este consiste num dispositivo de fixação
de polias ao veio, denominado Tollok, que segue o principio de cunhagem ou aperto por
bucha.
Posto isto, e como se pode observar na figura 5.3, são apresentados os aspetos gerais desta
aplicação e intervenção:
• Aplicação de uma polia dentada síncrona na zona apontada pelo número 1 através de
um sistema de fixação de veios (esquematizado na figura que se encontra à esquerda
da foto), apertando a mesma contra o veio;
• Montagem do suporte do motor, figura 5.4, na zona apontada pelo número 2 em am-
bas as figuras, mais especificamente, nas longarinas do chassi traseiro com ajuste às
furações de origem, mantendo o eixo do motor paralelo ao veio do veículo;
• Desmontagem do conjunto destacado (pelo circulo amarelo) na figura 5.3 para desta
forma possibilitar a entrada da polia até à sua zona de aplicação (número 1).
Figura 5.4: Esquema de fixação do motor à barra do chassi
Este sistema de acoplamento já contempla duas funcionalidades essenciais para esta fase ex-
ploratória e de protótipo do conceito. Uma delas prende-se com o facto de desacoplar o motor
elétrico do veio sempre que necessário, bastando apenas desengrenar a correia da polia do motor
80 Integração do Sistema e Desenvolvimento do Protótipo
ou da polia do veio. A outra prende-se com o facto de ser possível estabelecer uma relação de
transmissão entre o motor e o veio, a partir da relação do número de dentes das polias. Desta
maneira, consegue-se pois, projetar o regime de funcionamento do motor para a gama de rotações
do veio.
Neste âmbito importa salientar que no dimensionamento de uma correia é necessário ter em
atenção aos seguintes aspetos [32]
• Potência do motor;
• Tipo de carga acionar e o fator de serviço;
• Condições de operação;
• Velocidades de motor e do veio do camião;
• Relação de transmissão;
• Número de dentes ou o diâmetro da polia dentada do motor e do veio da viatura;
• Distância entre centros das polias.
Figura 5.5: ,Eixo y: Velocidade da polia com menor tamanho [rpm]]Cálculo do passo métrico da correia.
Eixo x: Potência [kW], Eixo y: Velocidade da polia com menor tamanho [rpm] [33]
Através da análise do gráfico da figura 5.5 é possível definir o passo da correia. Para efetuar
um dimensionamento preciso da largura, do passo e do comprimento da mesma, com base na
nomenclatura apresentada na figura 5.6, deve calcular-se os vários parâmetros tal como os que são
apresentados na tabela 5.1.
Na tabela 5.1, os fatores c1, c2, c3, c4, c6err, k1 e k2 são obtidos por consulta do catálogo da
CONTItech [33]. Os outros valores são obtidos a partir das equações que podem ser consultadas
no anexo B secção B.1.
5.1 Projeto do Subsistema Mecânico 81
Figura 5.6: Esquema do sistema polias e correia [33]
Tabela 5.1: Parâmetros calculados para o dimensionamento da correia e polia
Parâmetros para dimensionamento da correiaPotência máx. do Motor (P) 60 kWRotação máx. Motor (n1) 3000 rpmRotação máx. do veio (n2) 2300 rpmDiâmetro da polia do veio (dwg) 178,25 mmDistância do centro (a) 400 mmmFator de carga (c2) 2Fator de aceleração (c3) 0,1Fator de fadiga (c4) 0,2Fator total de serviço (c0 = c2 + c3 + c4) 2,3Passo da correira 14 MRelação de transmissão (i = n1/n2) 1,38No de dentes (zm) e diâmetro da polia motor (dwk) zm = 29 , dwk = 129,23 mmNo de dentes (zv) e diâmetro da polia veio (dwg) zv = 40 , dwg = 178,25 mmComprimento da correia (Lc) 1260 mmArco de contacto em torno da polia do motor (β ) 172,97o
Número de dentes a engrenar (ze) ze = 13,93Fator de engrenagem no dente (c1) 1Fator de comprimento (c5) 0,8Requisito da largura da correia c6 > c6err c6err = 3,47 c6 = 3,7Largura da correia 37 mmFator de serviço para a correia com largura selecionada c0err 1,7Comprimento de vão livre (L f ) 399 mmFator inicial de carga (k1) 1,25Fator inicial de serviço (k2) 1,16Carga no eixo (Fv) 2960 NTensão extensão estática (Fstat) 2218 N
82 Integração do Sistema e Desenvolvimento do Protótipo
O resultado do dimensionamento aponta para a seleção de um a correia CTD 1260-C14M-37,
uma polia P 29-14M-37 e uma P 40-14M-37.
Um aspeto a ter em conta na aplicação e montagem deste conjunto é o alinhamento das polias
com a correia. Este deve ser rigorosamente paralelo, já que esta é uma condição prévia essencial
para que a correia tenha uma longa vida útil.
Desvios excessivos resultam numa distribuição não uniforme da tensão na secção transversal
da correia derivando esta no sentido de uma flange. Tal acontecimento provoca um aumento de
ruído e como tal qualquer desvio não deve exceder 0,5% da distância do centro.
Para distâncias maiores, deve ser assegurada que o ângulo exterior da cinta não ultrapasse um
valor equivalente a 0,25o por metro de distância do centro. Um desvio acima destes valor pode
causar a desengrenagem da correia.
Para a fixação da polia ao veio do camião é necessário dimensionar o dispositivo de fixação.
Este encontra-se ilustrado na figura 5.7b.
(a) Polia do veio [34]
(b) Dispositivo de fixação [35]
Figura 5.7: Esquemas da polia e do dispositivo de fixação de veios.
A instalação deste tipo de conjuntos de atravancamento exercem a pressão na superfície Pn,
entre o anel de exterior de aperto e a superfície do cubo. Para calcular o diâmetro mínimo DM
(largura do anel) deve ter-se em conta o seguinte procedimento:
K =
√
σ +(C.Pn)
σ − (C.Pn)DM = D.K (5.1)
Dependendo da forma do cubo e do comprimento em relação à dimensão L1 dos sistemas de
bloqueio o fator C deve ser considerado em função do tipo de aplicação.
5.2 Gestão do Sistema de Armazenamento 83
Tabela 5.2: Características da Polia dentada cega 40-14M
No. dentes R [mm] S [mm] e [mm] H [mm] Y [mm] Z [mm] W [mm]40 178,25 175,46 186 148 69 15 40
Desta análise resulta o atravancamento com as características apresentadas na tabela 5.3
Tabela 5.3: Características do tolok TLK401120x165
Binário Impulso Pressão PressãodxD L1 | L2 | B Aperto Binário Axial supf. veio supf.cubo[mm] [mm] Ms [Nm] Mt [mm] Fax[KN] pw [N/mm2] pn[N/mm2]
120x165 60 | 70 | 80 49 13100 218 80 59
5.2 Gestão do Sistema de Armazenamento
Este projeto combina diferentes formas de produção e armazenamento de energia, através dos
painéis fotovoltaicos, do STR e ainda a possibilidade de carregar as baterias a partir da rede. Estes
sistemas apresentam características e comportamentos distintos, pelo que, do ponto de vista do
projeto, a sua interação em simultâneo aumenta o grau de complexidade do controlo.
Desta forma, esta secção atribui ênfase à estratégia de gestão e controlo, com o propósito de
maximizar a autonomia do sistema frigorifico alimentado a partir do sistema projetado, e sem
recurso, em termos médios, do motor auxiliar de combustão.
PV BATERIA SCs STR
230 V+
- 0 V
CARGA
32 4 51
+ -
Figura 5.8: Esquema do sistema polias e correia [33]
A topologia proposta, figura 5.8, é modular e de controlo integrado, permitindo vários estados
de partilha de energia e informação entre as fontes, contribuindo para o aumento do desempenho
como também da flexibilidade deste sistema. As setas, na figura, mostram o sentido do fluxo de
energia, destacando-se apenas o fluxo unidirecional nos painéis fotovoltaicos, já que estes apenas
fornecem energia ao barramento.
84 Integração do Sistema e Desenvolvimento do Protótipo
Relativamente às baterias, tal como os ultracondensadores, apresentam a possibilidade de for-
necer e receber energia, para armazenar. A seta bidireccional no STR deve-se ao facto do PMSM
operar como gerador ou motor. A carga, que é representada genericamente por uma ficha trifá-
sica, que pode estabelecer ligação com a rede e ao mesmo tempo está preparada para estabelecer
ligação com sistema frigorifico. Uma vez que estabelece ligação à rede, a partir desta é possível
fornecer energia ao barramento para ser armazenada nas bateria e/ou nos ultracondensadores.
Este sistema apresenta múltiplas entradas e saídas. As topologias multiporto, abordadas na
secção 2.3.1 do capitulo 2, podem ser classificadas em duas categorias: conversor de acoplamento
magnético (CAM) e conversor de acoplamento elétrico (CAE). A topologia CAM oferece maior
flexibilidade para os níveis da tensão de saída e isolamento galvânico, mas os circuitos periféricos
são complexos, e do ponto de vista de implementação a partilha da carga pelas diferentes fontes
e elementos de armazenamento de energia é complicada. Em contrapartida, a topologia CAE
oferece menos flexibilidade nos níveis da tensão de saída, mas é modular, de baixo custo e mais
atrativa para aplicações automóveis [36].
O facto de partilha de uma massa comum (0 V) atribui mais escalabilidade e versatilidade ao
sistema, podendo ser integradas mais fontes e componentes de armazenamento com características
diferentes. Deste ponto de vista, a modelação e o controlo dos subsistemas pode ser efetuada por
controlo individual.
Ref_binário <0
Início
1
Sim
Não SOC SC
> 30%
Sim
Descarregar
SC
Ref_binário <0
Não
Fim
NãoFim
Figura 5.9: Diagrama da estratégia de gestão do barramento
5.3 Modelação e Controlo do Barramento CC 85
Cada subsistema tem como funções a estabilização da tensão, a jusante do seu conversor, do
barramento DC e a regulação da potência de entrada, para aumentar o aproveitamento de ener-
gia. Pelo menos um deverá ser usado para estabilizar a tensão do barramento DC, sendo que os
restantes poderão contribuir para o controlo de fluxo de energia pela regulação das correntes de
entrada.
O controlo do sistema de forma integrada apresenta mais vantagens sobre um sistema distri-
buído convencional: primeiro porque os valores de referência e das variáveis de controlo podem
ser fornecidos para o controlo individual, sem propagação de atraso ou de erro; em segundo por-
que, é mais eficaz na aplicação em transições de estado.
Nesta abordagem é importante estabelecer a estratégia de controlo de forma a conseguir arma-
zenar o máximo de energia recuperada durante a travagem. Para isso estabeleceu-se o algoritmo
que garante a descarga dos SCs para as baterias, para que estes estejam preparados a receber os
picos energéticos de uma nova travagem. A figura 5.9 mostra o algoritmo que garante esta partilha
fora dos regimes de travagem. Na figura, o circulo com o numero 1 representa o estado em que os
SCs absorvem o máximo de corrente até atingirem o estado de carga máximo. Este aspeto pode
ser observado nos resultados de simulação apresentados neste capítulo.
Para esta abordagem ser efetiva, é necessário dotar o sistema de um controlador do barramento
CC, que é analisado de seguida.
5.3 Modelação e Controlo do Barramento CC
Como foi discutido anteriormente, cada subsistema apresenta especificações diferentes condu-
zindo ao seu controlo de forma independente. A interface entre estes com o barramento é estabele-
cida pelas unidades básicas de conversão, analisadas previamente no estado da arte ( 2.3.1). Neste
caso, aplica-se o conversor buck-boost de dois quadrantes como será apresentado de seguida.
A partir deste, é possível construir várias arquiteturas para o barramento, apresentando-se duas
análises diferentes.
5.3.1 Conversor CC/CC
O conversor CC/CC de dois quadrantes, figura 5.10, possibilita o fluxo de corrente nos dois
sentidos, mantendo a tensão sempre positiva. No sentido da fonte para a carga o conversor CC/CC
funciona como elevador de tensão (boost), funcionando como abaixador de tensão (buck) no sen-
tido oposto, permitindo utilizar fontes de tensão nominal inferior à tensão necessária no barra-
mento. O IGBT2 e o diodo D1 constituem o conversor boost, enquanto o IGBT1 e o diodo D2
constituem o conversor buck, sendo ambos os conversores controlados simultaneamente, alter-
nando os IGBT1 e IGBT2 entre si no estado de fecho e abertura, durante intervalos de tempo bem
definidos [37].
Relativamente ao controlo dos IGBTs, o erro verificado entre a referência pretendida e a ten-
são contínua no barramento, é aplicado num controlador PI, originando um sinal que comparado
86 Integração do Sistema e Desenvolvimento do Protótipo
Figura 5.10: Conversor CC dois quadrantes
com uma portadora, origina os pulsos de comando do IGBT (modulação por largura de impulso).
Quanto maior o erro verificado, maior a largura dos pulsos de comando do IGBT2, e consequen-
temente menor será a largura dos pulsos de comando do IGBT1.
A relação de tensão entrada-saída para o funcionamento do conversor como elevador, pode ser
obtida recorrendo à relação entre a corrente e a tensão na bobina, expressão 5.2. Considerando a
aproximação 5.3, e para o intervalo t = t1, tem-se a expressão 5.4 relativa à variação de corrente
na bobina I = I2 – I1. Para o intervalo t = t2, a variação de corrente na bobina é dada por 5.5.
VL = Ldil
dt(5.2)
diL
dt≈ ∆I
∆t(5.3)
∆I =Vf onte
Lt1 (5.4)
∆I =−Vf onte −VDC
Lt2 (5.5)
Igualando 5.4 a 5.5, e sabendo que t1 = L2T e t2 = (1−L2)T , tem-se a relação 5.6 entre a
tensão da fonte e a tensão contínua no barramento, dependente da largura dos pulsos de comando
do IGBT2, L2.
VDC =Vf onte
(1−D2)(5.6)
No funcionamento do conversor buck, recorrendo a 5.2 e à equação 5.3, tem-se para os
intervalos t = t1 e t = t2 respetivamente as expressões 5.7 e 5.8. Da igualdade entre estas e para
t1 = (1−L1)T e t2 = L1T , tem-se 5.9, dependente da largura dos pulsos de comando do IGBT1.
5.3 Modelação e Controlo do Barramento CC 87
Alternando os IGBT1 e IGBT2 entre si no estado de fecho e abertura, a relação entre as larguras
dos pulsos de comando destes é dada por 5.10, permitindo concluir que independentemente do
modo de funcionamento do conversor CC/CC, elevador ou abaixador, a tensão da fonte e a tensão
contínua no barramento mantêm-se aproximadamente constantes e com uma relação bem definida
entre elas.
∆I =Vf onte
Lt1 (5.7)
∆I =VDC −Vf onte
Lt2 (5.8)
Vf onte = D1.VDC (5.9)
D1 = 1−D2 (5.10)
5.3.1.1 Dimensionamento da bobine
No dimensionamento da bobina pode ser considerado tanto o funcionamento do conversor nos
dois modos, sendo idênticos os resultados obtidos. Optando pelo modo boost, a partir de 5.4 e 5.5
é possível determinar o período e frequência de controlo dos sinais de comando dos IGBTs, 5.10
e 5.11. Resolvendo em ordem a L, tem-se a expressão de cálculo da bobina, 5.13, dependente
das tensões de entrada e saída do conversor, frequência de controlo e ondulação na corrente
T = t1 + t2 = I∆IVDC
Vbat(VDC −Vf onte)(5.11)
f =1T
=1
L∆I
V f onte(VDC −Vf onte)
VDC
(5.12)
L =Vf onte(VDC −Vf onte)
∆I. f .VDC
(5.13)
5.3.1.2 Dimensionamento da Condensador
No dimensionamento do condensador de saída C apenas tem interesse o funcionamento como
elevador. Estando o IGBT2 em condução, o conversor encontra-se dividido em dois circuitos,
sendo a tensão de saída mantida pelo condensador C, que descarrega parte da energia armazenada,
diminuindo o nível de tensão, sendo negativa a corrente através deste. A tensão na carga mantém-
se positiva, assim como a corrente que durante este intervalo é igual à corrente no condensador.
Quando IGBT2 está em corte, parte da corrente da bobina L carrega o condensador, aumentando
o seu nível de tensão.
88 Integração do Sistema e Desenvolvimento do Protótipo
Considerando reduzida a variação na tensão de saída, a corrente na carga pode ser considerada
constante em termos do seu valor médio. Resolvendo em ordem a C, tem-se a expressão de cálculo
do condensador de saída, pode ser definida em função da frequência de controlo dos IGBTs, 5.14:
C =Vsaida
∆Vsaida
D2
f .Zeq
(5.14)
A largura dos pulsos de comando do IGBT2, D2, pode ser calculada segundo 5.6.
5.3.2 Arquitetura do Barramento
Analisado o conversor que possibilita a ligação das várias fontes de produção e armazenamento
de energia ao barramento CC, nesta secção destaca-se o estudo da arquitetura que dá resposta aos
requisitos do sistema.
No projeto da arquitetura do barramento, tendo em conta os custos, peso e o volume da imple-
mentação, inicialmente, considerou-se o recurso a um único conversor.
Figura 5.11: Esquema da arquitetura do barramento, seleção de fontes
Desta forma, apresenta-se a tipologia da figura 5.11. Esta baseia-se na seleção das fontes
que estão ligadas a um conversor bidireccional comum, por um par de IGBTs com um diodo
em paralelo para que não ocorra curto-circuito entre elas. Esta arquitetura permite que a tensão
nominal das fontes seja inferior à tensão do barramento CC, reduzindo os custo de implementação
e complexidade ao nível do balanceamento das células de bateria e SCs. O conversor opera no
modo elevador quando as fontes fornecem energia à carga, e no modo redutor quando a travagem
regenerativa é acionada, carregando as baterias e os SCs [38]. Como se pode comprovar na análise
dos resultados em 5.4.1 a partilha de energia entre as fontes só é possível caso estas se encontrem
à mesma tensão, reduzindo a flexibilidade na escolha do tipo de fontes a utilizar. Por este motivo,
5.3 Modelação e Controlo do Barramento CC 89
PV BATERIA SCs STR
230 V+
- 0 V
CARGA
32 4 51
+ -
F1 F2 F3 F4
Controlo
Tensão
D1 D2 D3 D4
V_referência
+
+ +++
-
-- - -
Gi1 Gi2 Gi3 Gi4
Gv
F5
+
-
D5
Figura 5.12: Sistema integrado de controlo de barramento
e prestigiando a flexibilidade e facilidade de controlo do sistema optou-se pela solução que se
apresenta de seguida, figura 5.13.
Esta configuração é constituída por dois conversores buck-boost bidireccionais, um conversor
boost unidirecional ligado aos painéis, e dois inversores trifásicos ligados ao STR e à carga, res-
petivamente. Desta forma, é possível implementar um controlo integrado, ilustrado na figura 5.12,
em que Gv é o ganho do sensor de tensão do barramento, Gix é o ganho do sensor de corrente,
Fx representa a seleção das fontes e Dx é o bloco com o controlo de corrente que fornece o ganho
para a modelação do PWM, em que x= 1,2,3,4,5.
Como mostra o diagrama da figura 5.12, a tensão do barramento é medida pelo sensor e com-
parada com a tensão de referência. Desta comparação resulta o erro que é amplificado pelo con-
trolador de tensão para gerar a referência de corrente. Esta referência de corrente é programada
para cada F , individualmente, de acordo com a estratégia de gestão de energia e controlo do bar-
ramento. Desde que cada referência de corrente para cada controlador de corrente é diferente, a
corrente em cada bobine pode ser controlada precisamente para a potência em despacho. Se não
for pedida nenhuma potência pela carga, então a energia pode ser partilha entre as fontes. O con-
trolo de cada F permite estabelecer a fonte responsável pela tensão do barramento, enquanto as
outras controlam a corrente a entregar à carga.
90 Integração do Sistema e Desenvolvimento do Protótipo
Na figura 5.12 é apresentado todo o sistema dando-se a perceber a escalabilidade do mesmo,
pois é um requisito e um fator importante para a escolha desta topologia. Desta forma, e estando
preparada para a integração de vários subsistemas, numa fase de protótipo e para esta dissertação
só será analisado em detalhe a integração do STR com o sistema híbrido de armazenamento,
concretamente a figura 5.13.
Figura 5.13: Esquema da arquitetura do barramento adotado
5.4 Desempenho do Sistema Integrado
Uma vez que os subsistemas foram dimensionados e projetados de forma isolada, a integração
dos mesmos provoca alterações na sua dinâmica. Desta forma, observar o comportamento das va-
riáveis, tais como o binário produzido pelo PMSM, tensão do barramento e ondulação da corrente
nos SCs e baterias, é fundamental para validação do sistema.
Recorrendo ao software PSIM R©, implementou-se a arquitetura do barramento apresentada
anteriormente, com os conversores dimensionados de acordo com os parâmetros que se apresen-
tam na tabela 5.4. A sintonização do controlador de tensão e corrente seguiram o procedimento
mencionado no capítulo 4, subsecção 4.2.4. O bloco de código desenvolvido incorpora a estratégia
de seleção das diferentes fontes, tal como apresentado no algoritmo da figura 5.9.
Tabela 5.4: Parâmetros utilizados na simulação do barramento
ParâmetrosTensão do Barramento: 230 V kg
Tensão da bateria: 50 VTensão dos SCs: 50 VTensã dos PVs: 50 V
Vpk/Krpm: 96
5.4.1 Resultados de Simulação Computacional
Esta subseção reúne os resultados da simulação desenvolvida no software PSIM R©. Desta
forma, monstra-se o binário produzido pelo motor durante a travagem, tendo mais uma vez em
5.4 Desempenho do Sistema Integrado 91
atenção a ondulação do binário e a dinâmica da resposta à variação da referência em degrau.
Do ponto de vista da transferência da potência para as baterias e/ou SCs, deve garantir-se um
bom comportamento da corrente e da tensão do lado dos sistemas de armazenamento, mantendo
a tensão do barramento de acordo com a referência. Por este motivo procede-se à análise do
comportamento da tensão no barramento, e à evolução da corrente e da tensão nas baterias e no
SCs.
Figura 5.14: Resultados da simulação do barramento com seleção de fontes
Figura 5.15: Resultados da simulação do barramento adotado, durante a operação em travagemregenerativa
Na figura 5.14 apresenta-se os resultados da simulação da arquitetura do barramento ilustrado
na figura 5.11, representado no inicio da subseção 5.3.2. Pela análise das variáveis depreende-se
92 Integração do Sistema e Desenvolvimento do Protótipo
que este responde funcionalmente à estratégia de controlo sem comprometer o desempenho do
STR.
Dado que a arquitetura adotada foi a segunda solução apresentada, os esforços de simulação
concentram-se nesta última. A partir da observação dos gráficos das figuras 5.15 e 5.15 é possível
observar a tensão no barramento, que se mantém nos 230V tal como pretendido, e a carga dos SCs
quando o estado de carga dos mesmos é inferior a 100%. Durante a carga, a corrente comporta-
se de acordo com o dimensionamento com uma ondulação de 20%. Outro aspeto importante é
a passagem da energia para as baterias, assim que os SCs atingem o estado de carga máxima,
mantendo-se a tensão do barramento em torno dos 230V.
Figura 5.16: Resultados da simulação do barramento adotado, durante a operação do sistema emtravagem regenerativa dinâmica
5.5 Conclusão
Neste capítulo foi projetada a solução de acoplamento e integração do STR no camião DAF.
Esta solução mecânica mostra-se adequada ao projeto, cumprindo todos os requisitos. Os efei-
tos previstos para esta implementação consideram-se mínimos, dada a sua ordem de grandezas,
que comparativamente às que o veículo suporta mostram-se reduzidas. Por conseguinte, e para
que a passagem de um contexto académico para a situação real de validação e experimentação
do sistema se efetue com sucesso, foi crucial o parecer do Professor José Ferreira Duarte, da
HarkerSumner R© e da Evicar R©, representante da DAF R© em Portugal, pois a solução foi vali-
dade na presença deste último.
Por último, foi apresentada a arquitetura do barramento que possibilita a integração dos dife-
rentes subsistemas de armazenamento e produção de energia, cumprindo o requisito de escalabili-
dade que abre caminho ao desenvolvimento do protótipo.
Capítulo 6
Conclusões
O presente e último capítulo desta dissertação apresenta as conclusões e os desenvolvimentos
futuros para o projeto.
6.1 Conclusões da Dissertação
O trabalho desenvolvido no âmbito da presente dissertação teve por base o estudo e análise
dos ciclos de funcionamento de VPs de mercadorias com sistema de refrigeração e plataforma
elevatória, mais concretamente um camião DAF FA CF75.
O estudo pormenorizado das variáveis associadas a esta viatura e as relações entre estas foram
cruciais na compreensão e no projeto do sistema.
Como resultado dessa análise foi concetualizada a arquitetura que motivou o desenvolvimento
deste trabalho de mestrado. Esta, pelo seu caracter inovador, apresenta um enorme potencial de
aplicação abrindo a possibilidade de revolucionar futuramente, o papel dos VPs na economia e na
rede elétrica.
Este conceito compreende a hibridização de diferentes tipos de sistemas de produção e apro-
veitamento de energia, nomeadamente, produção fotovoltaica, recuperação de energia durante a
travagem, e a hibridização das baterias com os Ultracondensadores. A interface com a rede elé-
trica amplifica os modos de operação e versatilidade do conceito, tornando o camião uma carga
significativa para a rede ou um potencial fornecedor de energia limpa.
Atribuiu-se principal destaque à análise do sistema de travagem regenerativa, pela sua com-
plexidade e pela dependência do sistema de travagem mecânica e da dinâmica e estabilidade do
veículo. O acoplamento deste subsistema no camião foi um requisito que mereceu o esforço
de abordagem numa área distinta da eletrotécnica (área mecânica), possibilitando a validação e
acreditação do conceito. Esta solução mostrou-se adaptável em qualquer veículo rígido, sendo
necessário um esforço reduzido de implementação apresentando consequentemente, baixo grau
de invasibilidade e risco para a viatura.
A gestão dos fluxos de energia entre as fontes, o sistema de armazenamento e as cargas fo-
ram incorporadas numa arquitetura de barramento flexível à utilização de diferentes subsistemas.
93
94 Conclusões
O recurso a ferramentas de simulação mostrou-se também, indispensável no desenvolvimento e
avaliação do projeto. Desta forma, permitiu analisar o desempenho dos sistemas em regimes críti-
cos. Os resultados obtidos foram motivadores e irão contribuir para a confiança na construção do
protótipo.
A realização desta dissertação possibilitou o desenvolvimento de diversas competências, im-
postas pela realização do projeto com vista à implementação e integração em sistemas reais com
um vetor de limitações técnicas e sociais que iterativamente tiveram que ser ultrapassados. Si-
multaneamente, este processo contribuiu para a consolidação dos conhecimentos, para o rigor e
diversidade de conceitos que melhoraram a minha perspetiva e habilidade no uso das ferramentas
que este curso me proporcionou.
Com isto, e analisando todo o trabalho desenvolvido, pode afirmar-se que foram atingidos
os objetivos inicialmente traçados, mediante os recursos disponíveis, e tendo por base a melhor
evidência científica disponível sobre o tema em questão.
Finalizando, a elaboração deste projeto constitui, indubitavelmente, para o meu desenvolvi-
mento não só a nível profissional, enquanto mestrando, como também a nível pessoal, pelo viven-
ciar realidades e participação em determinadas atividades inerentes à sua concretização.
6.2 Desenvolvimentos Futuros
Apesar dos objetivos da dissertação terem sido atingidos, esta deixa em aberto inúmeras pos-
sibilidades de inovar e melhorar o que foi desenvolvido. Desta forma, como trabalhos futuros
apresentam-se:
1. Análise e estudo pormenorizado dos consumos de energia e do comportamento do sistema
frigorifico;
2. O estudo e desenvolvimento de um sistema de aproveitamento de energia a partir das osci-
lações da suspensão pneumática do veículo;
3. O projeto e desenvolvimento de uma estrutura portável que suporte os painéis fotovoltaicos
preparada para operar como seguidor solar, quando o veículo estiver estacionado. Esta pode
ser implementada com recurso ao circuito de ar comprimido comum nos VPs;
4. Implementação de um controlador de lógica difusa para o cálculo da referência de binário
do STR, uma vez que foi apresentado o algoritmo que compreende as regras para imple-
mentação de um fuzzy. Substituição dos controladores PI por controladores de lógica difusa
ou redes neuronais, que permitissem atingir a solução ótima;
5. Melhorar o controlo e estratégia de gestão do barramento considerando a operação da carga
em regimes de operação próximos dos do sistema frigorifico;
6. Validação experimental dos resultados teóricos alcançados, através da construção de um
protótipo;
7. Implementação dos pontos referidos na subsecção 3.4.3 do capítulo 3.
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98 REFERÊNCIAS
99
100 Tabelas
Anexo A
Tabelas
A.1 Ciclos de Condução
Tabela A.1: Características do ciclo de condução
Parâmetros de operação
Total de dias de operação Distancia percorrida
26 4416 km
Total no de Ignições ON Total no de ignições OFF
459 454
Tempo de Funcionamento Tempo Estacionado
106h31m26s 598h59m51s
Tempo funcionamento do Motor Tempo ao ralenti
101h25m09s 17h30m24s
Tempo em marcha Tempo parado
83h55m33s 22h35m53s
Tempo em marcha de inércia Total de atuações do acelerador
10h31m18s 23848
Numero de acelerações bruscas Tempo em excesso de acelerações
55 56s
Numero de excesso de rotações Tempo excesso de rotações
58 00h03m34s
Total de atuações da embreagem Total de atuações do travão
9782 13154
Numero de travagens bruscas Tempo de excesso de travagens
85 00h01m33s
Tempo de condução em Cruise Control Consumo efetivo em Cruise Control
5h30m22s 113 Litros
Distancia percurso inércia Consumo efetivo em Litros
535 km 1169 Litros
Velocidade média Consumo médio
41.45 km/h 27.39 L/100km
A.2 Dados de operação do sistema frigorifico durante o mês de Maio 2013 101
A.2 Dados de operação do sistema frigorifico durante o mês de Maio
2013
Tabela A.2: Características do ciclo de condução
Data Horas totais de Funcionamento Litros abastecidos10-05-2013 9:15 7396 9013-05-2013 14:38 7421 6017-05-2013 07:29 7434 5020-05-2013 08:08 7455 5823-05-2013 15:04 7471 5127-05-2013 09:08 7494 7030-05-2013 15:38 7507 3603-06-2013 15:04 7527 69
102 Tabelas
Anexo B
Fórmulas
B.1 Dimenisonamento da correia
Comprimento da correia:
Lc ≈ 2.a+t
2.(zv + zm)+
[ tπ .(zv − zm]
2
4.a(B.1)
Arco de contacto em torno da polia de menor dimensão, neste caso da polia do motor:
β = 2.arcos[t.(zv − zm)
2.π.a] (B.2)
Fator de engrenagem do dente da correia na polia do motor:
ze = zm.β
360(B.3)
Cálculo da largura da correia:
C6 =P.c0
PN .c1.c5C6 ≥C6err (B.4)
Novo fator de serviço após seleção da largura da correia:
c0err =PN .c6.c1.c5
P(B.5)
Tensão na correia:
103
104 Fórmulas
Fv = k1.K2.60.106.P.sin
β2
t.zk.nk
(B.6)
Tensão estática:
Fstat =Fv
2.sinβ2
(B.7)
Vão de correia livre:
L f = a.sinβ
2(B.8)
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