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Aula carro2-1

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Aula carro2-1

  1. 1. Universidade Federal de Santa CatarinaDepartamento de Engenharia mecânica e MateriaisPós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais Prof. Orestes Alarcon Ciência e Engenharia de Materiais Galiotto Pós-graduação em | Doutorando Alexandre
  2. 2. EFICIÊNCIA GLOBALWell to Wheel - W2W Do poço a roda Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
  3. 3. EFICIÊNCIA GLOBAL Poço à Roda (Well to Wheel) Tanque Poço ao Tanque Tanque à roda Roda Compr Com-Gaso-duto essor Distri- buição pressor (Posto) Caixa d Marcha sor Tanque Motor Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
  4. 4. EFICIÊNCIA GLOBAL100 80 - 85 SETOR PETRÓLEO = 0,8 - 0,85 16 - 18 VEÍCULO V 0,17 1 = =SETOR PETRÓLEO x VEÍCULO V 0,17 Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
  5. 5. EFICIÊNCIA NOS TRANSPORTES POLÍT. CONFRT Geometria,peso,η=ƒ( TRANS P. O, HÁBITOS )xƒ´( tipo acionamento motor etc. ) Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
  6. 6. EFICIÊNCIA DOS CARROS CONVENCIONAIS Resistência do ar Em espera/parado Resistência rolamento Acessórios Inércia Perdas transmissão Frenagem Perdas no motor• Melhoria da eficiência dos motores convencionais (MCI)• Emprego da tração elétrica Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
  7. 7. VEÍCULOS ELÉTRICOS – VESO veículo elétrico (cuja sigla em inglês é EV, de electric vehicle) é um tipo deveículo que utiliza propulsão por meio de pelo menos um motor elétrico em suatração para se transportar ou conduzir pessoas, objetos ou uma carga específica.Ele é um sistema composto por um sistema primário de energia, uma ou maismáquinas elétricas e um sistema de acionamento e controle de velocidade outorque. Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
  8. 8. MOTORES ELÉTRICOS• Mais torque• Zero emissões• Tax breaks• Não necessita de transmissão• Partidas mais eficientes – Pode desligar o motor quando parado Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
  9. 9. CLASSIFICAÇÃO Tipo Fonte de Energia Elétrica• Trólebus Rede (durante o trajeto)• Bateria Rede (carga) VEB Energia Elétrica• Híbrido Combustível* VEH “Plug-in” VEH• Híbrido plug-in Rede (carga) + Combustível* Combustível líquido ou GNV• Célula a combustível Hidrogênio** * Gasolina, diesel, álcool, gás natural• Solar (teste, competições) Sol ** Hidrogênio ou metano, metanol, ... em reformador Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
  10. 10. BREVE HISTÓRICO• 1839: Primeiro veículo elétrico• 1886: Táxi na Inglaterra com motor elétrico• 1890-1910: Significantes melhoras na tecnologiade baterias(ácido-chumbo, níquel-ferro) Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
  11. 11. BREVE HISTÓRICO1898: Dr. Ferdinand Porsche, 23 anos, construiu seu primeiro carro: Lohner Electric Chase (primeiro do mundo com tração dianteira). Segundo carro: um híbrido com m.c.i. para acionar um gerador que fornecia energia elétrica a motores localizados nos eixos das rodas. Só na bateria rodava cerca de 40 milhas.1899: Dois híbridos no Salão de Paris Camille Jenatzy in electric car La Jamais Contente, 1899 http://autoestrada.uol.com.br/interno.cfm?file=conhecimento&id=24 Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
  12. 12. BREVE HISTÓRICO1903: Krieger Hybrid: usava motor a gasolina para alimentar um conjunto de baterias1921: Owen Magnetic Hybrid: usava motor a gasolina para acionar um gerador quefornecia energia elétrica para motores montados em cada roda traseira. Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
  13. 13. BREVE HISTÓRICO1912 Detroit Electric advertisement Thomas Edison e um carro elétrico em 1913 Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
  14. 14. BREVE HISTÓRICO• 1970’s: Embargo petróleo árabe; VW Táxi híbrido• 1979: Carro híbrido construído com motor de cortador de grama.• 1991: US Advanced Battery Consortium lançou o maior programa paraproduzir uma “super” bateria Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
  15. 15. BREVE HISTÓRICO• 1997: Toyota Prius disponível no Japão• 1999: Honda Insight lançado nos EUA (70 mpg)• 2000: Toyota Prius disponível nos EUA• 2002: Honda Civic Hybrid lançado.• 2004: Toyota Prius II e Ford Escape Hybrid lançados. Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
  16. 16. COMBUSTÍVEIS PARA VESEletricidadeGasolina T aÁlcool n q uDiesel/Biodiesel e GNV/H2 GNV Hidrogênio H2 Célula a combustível Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
  17. 17. Tecnologias de VECaracterizadas pela fonte de energia elétrica usada a bordo• VEB - Veículo elétrico a bateria Baterias• VEH - Veículo elétrico híbrido Gerador acionado por m.c.i• VECC - Veículo elétrico de célula a combustível Célula a Combustível VES combinam •Alta eficiência energética •Baixo nível de ruído •Baixo nível de emissões de poluentes •Conforto •Baixo custo operacional Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
  18. 18. VEH – CONFIGURAÇÃO SÉRIE Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
  19. 19. VEH – CONFIGURAÇÃO PARALELA Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
  20. 20. VEH Plug-in Sprinter Plug-in da Daimler no mercado em 2008 Fonte: EPRI Journal – Fall 2005 Conversão em “oficinas”* Electric Power Research Institute (EPRI) Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
  21. 21. EVOLUÇÃO• Fatores motivadores • Questão ambiental (poluição do ar, sonora) • Eficiência no uso de energia - Estímulos para aquisição VEs  Nenhuma ou muito pouca emissão de gases no local  Arrancadas e frenagens mais suaves (mais conforto)  Baixo ruído  Frenagem regenerativa  Motores elétricos eficientes  Baterias eficientes  Motor de combustão interna menor e funcionando na região de maior eficiência ou desligado  Não gasta energia quando parado Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
  22. 22. EVOLUÇÃO•Fatores inibidores • Custo de aquisição mais alto (bateria, outros componentes, baixa escala de produção, tecnologia na infância) • No caso dos elétricos a bateria, autonomia limitada e tempo de recarga alto • Pouca disponibilidade de modelos • Complexidade Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
  23. 23. CRONOLOGIAAs grandes famílias de veículos elétricos encontram-se em estágios distintos de desenvolvimento Bateria Híbrido Híbrido plug-In Célula a combustível ? 2000 2005 2010 2015 Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
  24. 24. CONCLUSÕES• Energia e aquecimento global são preocupações centrais de nosso tempo• Uso do petróleo é um dos principais problemas que pressionam o mundo atual• As conseqüências para o meio ambiente local, regional e global das emissões do cano de escape clamam por ações urgentes• As preocupações principais são relacionadas a uma possível crise de energia quando não houver mais combustível fóssil e, principalmente, uma muito possível exaustão da capacidade do meio ambiente absorver a poluição A eficiência só avança Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
  25. 25. BRASIL• Mercado, política energética ou ambiental?• Federal, Estadual ou Municipal?• Nichos: transporte público, individual, frotas?• Barreiras: econômicas, tecnológicas, culturais e legais? Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
  26. 26. VEB VEH VECaC - Há muitos tipos e fabricantes, alguns no Brasil -Motos com potencial para substituir as convencionais em certos usos Não há notícia. Há vários modelos em teste. -Uma fábrica de motonetas em Manaus -Soluções para ambientes fechados e portadores de necessidades especiais -12 a 15 modelos nos EUA Vários modelos em teste pelos grandes f- Vários modelos no exterior usados para usos urbanos. - - Um entrante no Brasil -VEH-P: hoje é um VEH adaptado. Poderá ser uma opção de fábrica no futuro - Vários modelos no exterior. - Ônibus: alguns fabricantes no exterior e 2 no Brasil - Ônibus: alguns modelos em teste no - Veículos para entregas-Caminhões em teste no exterior desenvolvimento no Brasil e serviços urbanos Um - e paletadeiras Empilhadeiras, reboques VEH-P: um ônibus no Brasil - Empilhadeiras em teste Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
  27. 27. Uma classificação dos VEHs (automóveis e utilitários) amping (ISAD) – Opera em 42V e, além do S/S, permite contribuição de% a mais no torque a 114V, tem motor elétrico e baterias maiores que no ISAD, o que possibili% a mais no torque ossibilidade de tração exclusivamente elétrica, além de suplementar a potê% a mais no torque a mais no torque Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
  28. 28. VEs Plug-ins T a n q u eEletricidadeGasolina T a n qÁlcool u eDiesel/Biodiesel Cilindro GNV/H2 GNV Hidrogênio Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
  29. 29. Tecnologias críticasores de combustão internafase passa da potência para eficiêncialas a combustívelstonfiabilidadeda útilssociado os problemas de produção, armazenamento e distribuição do hidr mas de controlestonfiabilidade Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
  30. 30. Tecnologias críticas• Sistemas de abastecimento de energia •Baterias  Melhores relações kWh/kg e kWh/l M autonomia 150 - 300 km  Custo menor  Redução do tempo de carga  Vida útil – de 3 /4 anos V 8 a15 anos Automóvel a bateria 4 a 6 km/kWh 300kg de LI- possibilita a um VEB autonomia de 170 a 250 km Fonte: EPRI Journal – Fall 2005 Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
  31. 31. Tecnologias críticas• Sistemas de abastecimento de energia •Carga de baterias / Eletropostos  Estratégias para recarga que garantam a saúde das baterias -Mais eficiência (economia) -Sem degradação da performance das baterias -Redução do tempo de recarga (cargas rápidas)  Interface  EUA – 1.000 eletropostos e mais de 50.000 VEBs •Supercapacitores  Custo  Retenção da energia Motores elétricos / geradores Já existem motores bastante eficientes – ex., engrenagem + motor: 93% Vida útil longa é característica deste componente Projetos avançados como motores embutidos na roda Necessidade de queda nos custos (escala) Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
  32. 32. Evoluçãoscente de novos carros do tipo Zero Emission Vehicles (ZEV)Generation of Vehicles (PNGV) – US$ 1 bi - governo cobre metade dos inveogiaV) autorizados a circular em vias públicas com velocidade limitada a 40 kmnetários para aquisição de VEBs, VEHs, VECaCrincipais montadoras a lançar VEBs dando subsídios e incentivos fiscais aovencionais nos centros históricos ou quando poluição do ar supere certo ní poluentes Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
  33. 33. Perspectivas no mundo e no Brasil Horizonte 2015mica no horizonte isa ser dividido por pelo menos 10, investimentos na produção n poderá ser uma intermediáriam se viabilizar antes dos leves tacionária será comercial antes Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
  34. 34. The Batteries Behind It All • Early Prius and Insight NiMH D Cells – Stick Arrangement(http://www.peve.panasonic.co.jp/catalog/e_maru.html) Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
  35. 35. Prismatic Ni-MH• 15% pack volume reduction• 25% pack weight reduction• Less battery module per pack number http://www.peve.panasonic.co.jp/catalog/e_kaku.html Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
  36. 36. Metal Case Prismatic Ni-MH • Improvement – 14% less volume – 40% higher cooling(http://www.peve.panasonic.co.jp/catalog/e_kinnzoku.html) Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
  37. 37. ECU• Electronic Control Unit• Regulates temperature and state of charge• Ensures safe and reliable driving http://www.peve.panasonic.co.jp/catalog/e_bms.html Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
  38. 38. Study: Battery Usage and Thermal Performance of Prius and Insight• Honda Insight vs. Toyota Prius Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
  39. 39. Charge, Discharge and SOC • http://www.nrel.gov/docs/fy02osti/31306.pdf Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
  40. 40. Battery Energy andBattery Temperatures Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
  41. 41. Hybrid Cars TodayTable 1. Light-Duty Hybrid Electric VehiclesOEM Model Body Style Power Type Fuel Date Introduced/Announced Production DateCurrently in ProductionDaimlerChrysler Ram Pickup Contractor Special Truck Mild Hybrid Diesel Nov-00 2004 (Limited)Ford Escape SUV Hybrid Gasoline Jan-01 2004General Motors Silverado/Sierra Truck Mild Hybrid Gasoline Jan-01 2004 (Limited)Honda Accord Sedan IMA1 Hybrid Gasoline Jan-04 2005Honda Insight Coupe IMA1 Hybrid Gasoline Dec-99 2000Honda Civic Sedan IMA1 Hybrid Gasoline Jan-00 2002Lexus RX400h SUV Hybrid Gasoline Jan-03 2005Toyota Prius Sedan Parallel Hybrid Gasoline Jun-00 2000Toyota Highlander SUV Hybrid Gasoline Jan-04 2005Suzuki Twin Mini Hybrid Gasoline Nov-02 2003 (Japan)Toyota Estima Minivan Parallel Hybrid Gasoline Jun-01 In Japan OnlyToyota Crown Sedan Mild Hybrid Gasoline Aug-01 In Japan OnlyToyota Alphard Minivan Hybrid Gasoline Jul-03 In Japan OnlyPlanned for ProductionFord Fusion Sedan Full Hybrid Gasoline Apr-03 2006General Motors Silverado/Sierra & Tahoe/Yukon Truck & SUV Strong Hybrid Gasoline Nov-03 2007General Motors Equinox SUV Hybrid Gasoline Jan-03 2006General Motors Malibu Sedan BAS2 Hybrid Gasoline Jan-03 2007General Motors Graphyte SUV Full Hybrid Gasoline Jan-05 2006Hyundai Click Sedan Hybrid Gasoline Nov-03 2005/06 (Korea)Mercury Mariner SUV Full Hybrid Gasoline Apr-04 2005 (limited)2006 (full)Nissan Altima Sedan Hybrid Gasoline Jun-04 2006Saturn Vue SUV BAS2 Hybrid Gasoline Jan-03 2006Toyota Camry Sedan Unknown Gasoline Unknown UnknownToyota Sienna Minivan Hybrid Gasoline 2003 2007Recent Concepts - Production Plans UnknownHonda ASM Minivan IMA1 hybrid Gasoline Oct-03 UnknownFord Focus C-MAX Sedan Hydrogen ICE Hydrogen Jul-04 UnknownDaewoo S3X SUV Unknown Unknown Oct-04 UnknownOpal Astra Sedan Unknown Diesel Jan-04 UnknownMercury Meta One Unknown Hybrid Diesel Jan-04 UnknownMercury Milan Unknown Unknown Unknown Jan-04 Unknown1 Integrated motor assist.2 Belt alternator starter.(Source: Collected by Robb Barnitt and Leslie Eudy, National Renewable Energy Laboratory, from various sources)Table from http://www.nrel.gov/docs/fy05osti/37777.pdf Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
  42. 42. Future of Hybrid• Hybrid buses – ~1,000 in use – Seattle – California• Tax Break Increase Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
  43. 43. Future of Hybrid Cars Toyota Volta 3.3 liter V6 gas engine408 horsepower 30 miles per gallon Toyota Hybrid Sports Car Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
  44. 44. Definitions DEFINIÇÕES• Combustion vs. Electric (http://auto.howstuffworks.com/hybrid-car1.htm)• Parallel vs. Series Hybrid (http://auto.howstuffworks.com/hybrid-car2.htm) – Honda Insight – Toyota Prius• Full Hybrid• Mild Hybrid – Stop/Start Hybrid – Integrated Starter Alternator with Damping (ISAD) – Integrated Motor Assist (IMA)• Plug-in Hybrid Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
  45. 45. Gasoline• Higher energy density than batteries – 1,000 pounds of batteries = 1 gallon (7 pounds) of gas• Cheaper initial cost for car – Hybrids are $3500-5000 more• Reliable, more history Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
  46. 46. Cost Per MileElectric vs. Gas Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais

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