SIMULAÇÃO DE VEÍCULOS ELÉTRICOS DE ALTO DESEMPENHO

SIMULAÇÃO DE VEÍCULOS ELÉTRICOS DE ALTO DESEMPENHO Utilização do PAMVEC para Simulação de Veículos Elétricos Silvio Carlos Aníbal de Almeida 1 Felipe Lourenço Angelim Vieira 2 RESUMO: Veículos elétricos são aqueles que utilizam pelo menos um motor elétrico para acionamento das rodas, caracterizando-se pelo baixo nível de ruído e de emissões. Desde a década de 1960, quando as questões ambientais vieram à tona, diversas montadoras se voltaram para o desenvolvimento desses veículos. No Brasil, destacam-se os esforços da Itaipu Binacional, que comercializa o Palio Weekend Elétrico desde 2006. Esse estudo visa simular o desempenho de um novo modelo de veículo elétrico de alto desempenho: o Tesla Modelo S. Essa análise será feita através da ferramenta PAMVEC que é baseada na plataforma Excel e que permite alterar as especificações das baterias e das plataformas veiculares de modo a analisar a influência desses parâmetros no consumo energético, nas emissões e autonomia de um veículo. O desempenho do Tesla é comparado com o de outro veículo elétrico estudado anteriormente na mesma plataforma, e cujos dados são amplamente conhecidos: o Fiat Palio Weekend Elétrico. O PAMVEC permitiu analisar a influência dos por diferentes tipos de baterias (Panasonic 18650, original do Modelo S, lítio-íon e a bateria Zebra, original do Palio Elétrico) no desempenho desses dois veículos. 1 - Silvio Carlos Aníbal de Almeida DSc - Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica da UFRJ, DEM Departamento de Engenharia Mecânica - - Telefone: (+55 21) 3938-8388 Email: silvioa@gmail.com 2 - Felipe Lourenço Angelim Vieira Graduando - Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica da UFRJ, DEM Departamento de Engenharia Mecânica - Telefone: (+55 21) 2285-5975 Email: felipeangelim@poli.ufrj.br 1

1 - INTRODUÇÃO O tempo de recarga e a autonomia dos carros elétricos (BEVs) sempre foram dois dos obstáculos para sua adoção no mercado. Logo após o surgimento das primeiras rodovias intermunicipais no início do século XX, a demanda por grandes deslocamentos prejudicou a procura por esses veículos e provocou o seu desaparecimento das estradas. O custo de produção, a autonomia e praticidade dos carros movidos à gasolina após a introdução do motor de partida privaram os veículos elétricos de uma participação ativa no mercado. Somente após a publicação de Primavera Silenciosa em 1962 por Rachel Carson e a sua repercussão sobre os problemas ambientais houve o interesse por parte das grandes montadoras no desenvolvimento de novos carros elétricos. Dentre os automóveis desenvolvidos, a primeira geração do híbrido Toyota Prius lançada em 1997 obteve destaque pelo seu sucesso, acumulando 37 mil vendas até o fim de sua produção em 2000 [1]. No Brasil, destaca-se o Fiat Palio Weekend Elétrico, o Itaipu, projetado em 2006 numa parceria entre a montadora, a Itaipu Binacional e a suíça KWO Grimselstrom. Alimentado por uma bateria de sódio (Zebra), possui uma autonomia de 120 km com carga completa e tempo de recarga de 8 horas se conectado a uma tomada de 220 volts [2]. No entanto, a autonomia e o tempo de recarga ainda eram dois grandes obstáculos para os veículos elétricos. Nessa perspectiva, a Tesla Motors introduziu em 2012 seu Modelo S ao mercado, alimentado por baterias lítio-íon Panasonic 18650 e com uma autonomia de 426 km na sua versão de 85 kwh [3]. Além da autonomia, o Tesla atende a rápidas recargas, sendo capaz de abastecer metade da capacidade de sua bateria em 20 minutos, nas estações providas de Superchargers. Conectado a uma tomada de 240 V convencional a carga completa é realizada em cerca de 9 horas [4]. 2

2 O PAMVEC Para comparar o desempenho dos veículos com os diferentes bancos de baterias, foi utilizada a ferramenta PAMVEC (Parametric Analytical Model of Vehicle Energy Consumption) [5], desenvolvida na universidade de Queensland e atualizada pelo grupo de pesquisa de veículos alternativos da UFRJ. O PAMVEC, elaborado na plataforma Excel, é uma planilha capaz de descrever análises paramétricas de emissões e do consumo energético dos veículos de acordo com o ciclo de direção, estrutura veicular e especificações de cada bateria. Para obter as previsões do software (outputs, ou dados de saída), é necessário fornecer dados de entrada (inputs). Entre as vantagens do programa está a sua implementação transparente no Excel, ou seja, é possível ver o modo como são interpretados os dados e calculados os resultados. Além disso, os cálculos são realizados de forma quase imediata. Assim que alteramos os dados de entrada (inputs), podemos obter os novos dados de saída (outputs). Entre os dados de entrada fornecidos na planilha Inputs, na qual são definidas as especificações do veículo e do ciclo de condução, pode-se citar: a massa da carroceria; fator do momento de inércia do veículo (km); fator de massa adicional para suportar a estrutura do veículo (Kestrutura); coeficiente de arrasto aerodinâmico (CdA); coeficiente de atrito dinâmico; massa total da carga transportada; 3

potência média dissipada pelos acessórios; aceleração; gradabilidade; velocidade máxima; autonomia. Na planilha Powertrain Components são fornecidos dados referentes às especificações das baterias, à fração de freio regenerativo e, também, às características dos combustíveis. Para simulação, foi escolhido o ciclo de condução UDDS (Urban Dynamometer Driving Schedule) já disponibilizado no PAMVEC, com as seguintes propriedades: velocidade média de 31,35 km/h, velocidade média cúbica de 44,52 km/h e aceleração característica de 0,171 m/s². A escolha vem de sua semelhança com o ciclo padronizado nacional NBR-6601 e por sua aprovação pela literatura especializada. Figura 1. Ciclo de condução UDDS (velocidade por tempo)[6] Dados de entrada 4

As tabelas a seguir exemplificam os dados de entrada relacionados aos veículos e às baterias para simulação, respectivamente: Tabela 1. Dados de entrada na aba inputs [3][7][8] Plataforma Fiat Palio Weekend Tesla Modelo S a massa da carroceria 899 kg 1505 kg fator do momento de inércia do veículo (km) 1,1 1,1 fator de massa adicional para suportar a estrutura do 1,15 1,15 veículo (Kestrutura) coeficiente de arrasto aerodinâmico (CdA) 0,79 0,75 coeficiente de atrito dinâmico 0,007 0,007 massa total da carga transportada 310 kg 310 kg potência média dissipada pelos acessórios 200 W 200 W Desempenho Fiat Palio Weekend Tesla Modelo S aceleração 0 a 60 km/h em 9 s 0 a 100 km/h em 5,6 s velocidade máxima 100 km/h 225 km/h Tabela 2. Especificações de cada bateria (Powertrain Components) Bateria BEV Na-NiCl2 (Zebra) [9] Potência Específica (W/kg) Energia Específica (Wh/kg) Eficiência Densidade energética(wh/l) 181 120 95% 177 BEV Li-íon [10] 1800 155 99% 309 BEV Panasonic [11] 1800 233 99% 630 Conforme observado na tabela 2, a bateria Panasonic 18650 tem uma energia específica (Wh/kg) e uma densidade energética (Wh/L) 50% e 104% maiores em relação à de Li-íon, respectivamente. 5

3 ANÁLISE DO DESEMPENHO DOS VEÍCULOS Serão feitas as seguintes análises: comparação do desempenho de um veículo Fiat Palio Weekend Elétrico com diferentes bancos de baterias, mantendo-se constantes as massas (a seguir se indicará como se calculam as massas das baterias em função da autonomia do veículo e do motor), e do desempenho de um veículo Tesla Modelo S com diferentes bancos de baterias. Na simulação do Tesla Modelo S, foi mantida constante a autonomia de 426 quilômetros. As baterias utilizadas para simulação foram: Bateria Zebra, bateria de sal fundido (Na-NiCl2), que é a bateria original do primeiro veículo; Bateria de lítio-íon Panasonic 18650, original do Tesla Modelo S; Bateria de lítio-íon convencional. Cálculo de massa da bateria Um parâmetro importante para análise do banco de baterias é a sua massa. Dada uma mesma capacidade energética, baterias mais eficientes possuem massas menores. No entanto, a massa do banco de baterias é um fator crítico no estudo do desempenho dos BEVs, uma vez que a razão da massa do banco de baterias sobre o peso do veículo é, em geral, elevada. No caso do Palio Weekend energizado com a bateria Zebra, essa relação é da ordem de 16%. Deve-se ter em conta que quanto maior é a massa do banco de baterias, menor é a autonomia do veículo. Ao mesmo tempo, quanto maior é autonomia desejada, maior é o volume do banco de baterias e, portanto, maior é a sua massa. Dessa forma, nesse item, será fixada a massa do banco de baterias e analisado o desempenho do veículo em função do tipo de bateria utilizada. 6

Como as densidades energéticas de cada tipo de bateria são distintas, dada uma massa, a autonomia referente ao banco de baterias será diretamente proporcional à eficiência energética. Assim, mantendo-se constantes as massas das baterias de acordo com o valor da original Zebra, foram feitas simulações no veículo Palio Weekend Elétrico. A massa de cada banco de bateria é calculada no PAMVEC de acordo com a expressão (1): Mbat = max[(pmotor/( Pespecífica); (Aut Ed)/Eespecífica] (1) Onde: Mbat é a massa da bateria [kg]; Pmotor é a potência máxima do motor [W]; é a eficiência do motor elétrico; Pespecífica é a potência específica da bateria [W/kg]; Aut é a autonomia estimada [km]; Ed é a energia média gasta por quilômetro [Wh/km]; Eespecífica é a energia específica da bateria [Wh/kg]. na figura 2. As autonomias do Fiat Palio Weekend Elétrico para cada banco de baterias são apresentadas 7

Autonomy [Km] BEV - Na-NiCl2 120 BEV - Li-Ion 221 Autonomy BEV - Panasonic 331 0 100 200 300 400 Figura 2. Autonomia do Fiat Palio Weekend Elétrico utilizando diferentes bancos de baterias A figura 2 nos mostra que o banco de baterias Panasonic 18650, devido a sua maior energia específica, fornece maior autonomia para o veículo. Ainda assim, a autonomia para essa bateria no Palio Weekend Elétrico equivale 78% da autonomia do Tesla Modelo S. Cálculo da vida útil da bateria Outro ponto crítico para um BEV é o custo de substituição de seu banco de baterias. O ciclo de vida de um banco de baterias em um veículo depende de uma série de fatores. O PAMVEC calcula a vida útil de uma bateria a partir da expressão (2): D = Aut Nciclos (2) Onde: D é a vida útil da bateria [km]; 8

Aut é a autonomia referente à bateria [km]; Nciclos é o número de ciclos da bateria. O fim da vida útil de uma bateria é definido pela redução de sua capacidade total de recarga a um valor na faixa de 70% a 80% de sua capacidade inicial. Uma empresa que desenvolve produtos para a análise de baterias [10] sugere que, durante esse período, há uma menor energia total disponível se em comparação a uma bateria ideal, que não possui redução de sua capacidade. Os dados dessa referência permitem estimar a vida útil da bateria através da expressão: D = Aut 0,85 Nciclos (3) O resultado obtido a partir da expressão (3) e através das especificações de cada bateria é apresentado na tabela 3. Tabela 3. Estimativa de vida útil das baterias Baterias Número de ciclos Autonomia [km] Vida útil da bateria [km] BEV - Na-NiCl2 (Zebra) 1000 120 102 000 BEV - Lítio-íon 800 [10] 221 150 280 BEV Panasonic 18650 800 [11] 331 225 080 Cálculo do consumo energético O consumo energético do veículo é calculado pela equação (4), tomando como base o consumo de energia por quilômetro no ciclo de direção e a eficiência de recarga. CE = 1000/(Eavg 9

Onde: CE é a quantidade de quilômetros rodados por kwh consumido [km/kwh]; Eavg é o consumo médio de energia por quilômetro no ciclo de condução [Wh/km]; é a eficiência de recarga. As estimativas dos custos energéticos de cada banco de bateria no Fiat Palio e no Tesla S estão representadas nas figuras 2 e 3. Energy Consumption [Km/KWh] BEV - Na-NiCl2 6,905 BEV - Li-Ion 7,329 Energy Comsumption BEV - Panasonic 7,332 6,000 8,000 Figura 3. Quilômetro rodado por kwh no Fiat Palio Weekend Elétrico Energy Consumption [Km/KWh] BEV - Na-NiCl2 1,914 BEV - Li-Ion BEV - Panasonic 4,718 5,142 Energy Consumption 0,000 2,000 4,000 6,000 Figura 4. Quilômetro rodado por kwh no Tesla Modelo S 10

A figura 3 mostra que para cada kwh fornecido na recarga, o Palio Weekend Elétrico, equipado com a bateria de Na-NiCl2, desloca-se por 6,905 quilômetros. A bateria de lítio-íon convencional, por sua vez, proporcionaria 7,329 quilômetros por quilowatts-hora, valor 6% acima da original do veículo, um resultado similar à Panasonic, de 7,332 km/kwh. Portanto, as duas baterias de lítio-íon apresentam maior eficiência energética. Devido ao peso do Tesla Modelo S, 78% maior que o peso do Fiat Palio Weekend Elétrico, e a sua maior potência, observa-se através da figura 4 a menor eficiência energética relacionada a esse veículo. Na simulação com o Modelo S, a bateria Panasonic também apresentou o melhor resultado para o consumo energético, enquanto o banco de baterias Zebra mostrou entre as simulações com os dois veículos uma queda de 72% de sua eficiência energética. Cálculo do preço por quilômetro Outro estudo, importante para checar a viabilidade do uso cotidiano dos veículos elétricos, é o cálculo do preço por quilômetro rodado. A partir dos dados de consumo energético (distância percorrida por kwh, vide figuras 3 e 4) e o preço do kwh médio do Brasil (0,44141 R$/kWh, segundo a Aneel [12]), podemos calcular o custo por quilômetro do Fiat Palio e do Tesla S com cada banco de bateria através da expressão (5): C = P/CE (5) Onde: C é o custo por quilômetro [R$/Km]; P é o preço do kwh [R$/kWh]; CE é o consumo energético do veículo no ciclo de condução [km/kwh]. 11

As tabelas 4 e 5 apresentam o preço por quilômetro para os veículos Fiat Palio Weekend Elétrico e para o Tesla Modelo S, respectivamente. Tabela 4. Estimativa dos custos para cada banco de bateria no Fiat Palio Weekend Elétrico Banco de Baterias Fiat Palio Weekend Elétrico Consumo energético (km/kwh) Preço por distância (R$/km) Na-NiCl2 (Zebra) 6,905 0,0639 Lítio-íon 7,329 0,0602 Panasonic 18650 7,332 0,0602 Tabela 5. Estimativa dos custos para cada banco de bateria no Tesla Modelo S Banco de Baterias Tesla Modelo S Consumo energético (km/kwh) Preço por distância (R$/km) Na-NiCl2 (Zebra) 1,914 0,2306 Lítio-íon 4,718 0,0936 Panasonic 18650 5,142 0,0858 Por meio da tabela 4, vemos que o custo por quilômetro do veículo Fiat Palio Weekend Elétrico com os bancos de baterias é próximo de 6 centavos, com uma pequena desvantagem de custo com o banco de baterias Zebra. Com relação ao veículo Tesla Modelo S (tabela 5), o menor custo por quilômetro é atribuído ao banco de baterias original (Panasonic 18650). Por outro lado, ocorre um aumento notável no custo por quilômetro relacionado à Zebra. Esse aumento é consequência da potência exigida para atender o 12

desempenho do Tesla Modelo S e à menor potência específica dessa bateria, como apresentada na tabela 2. Assim, a massa necessária do banco de baterias aumenta, conforme a expressão (1), elevando a massa total do veículo, o consumo energético e, então, o custo por quilômetro. 4 CONCLUSÕES O PAMVEC é uma ferramenta eficiente para analisar o desempenho de veículos elétricos. Fornecendo-se características básicas do veículo e do desempenho esperado pode-se obter informações sobre a eficiência e o custo energético em um dado ciclo de direção. Neste estudo foi analisado o desempenho do veículo Palio Weekend Elétrico energizado por três diferentes bancos de baterias: Zebra, lítio íon convencional e lítio-íon Panasonic 18650. Também se procedeu a análise de um Tesla Modelo S com os mesmos bancos de baterias. A análise da autonomia do Palio Weekend Elétrico em função do tipo de bateria mostra os melhores resultados da bateria Panasonic em relação às demais. No que diz respeito à vida útil, consumo energético e preço por quilômetro, essa bateria também apresentou uma vantagem sobre as outras simuladas nos dois veículos. Além disso, enquanto o veículo Tesla Modelo S apresenta maior autonomia, observou-se que o Fiat Palio Elétrico tem menor custo por quilômetro e maior eficiência energética. Apesar do baixo preço por quilômetro ser um benefício, o custo da tecnologia dos BEVs faz do preço inicial uma dificuldade para a concorrência com os veículos de combustão interna. No Brasil, a necessidade de recorrer à importação de peças para a fabricação eleva ainda mais os gastos nas fábricas e, portanto, o preço no mercado. O Fiat Palio Weekend Elétrico é um exemplo: enquanto o 13

preço de mercado do Fiat Palio Weekend 1.4 é estimado em R$ 30,7 mil [13], sua versão elétrica é estimada em R$ 140 mil[14], cerca de 350% a mais. Com o veículo Tesla Modelo S os preços de mercado são ainda maiores, variando entre R$ 220 mil e R$ 330 mil dependendo das características desejadas [3]. Os principais objetivos para o futuro devem incluir a fabricação das baterias em território nacional, diminuindo seu custo e introduzindo progressivamente os BEVs no mercado e nas ruas. Também se mostra fundamental a incorporação de estações para recarga dos BEVs, de modo a tornar possível e confortável o trânsito de grandes distâncias. Referências bibliográficas [1] Toyota Motor Corporation Global Website, General Status of Plants in Japan. Disponível em : <http://www.toyotaglobal.com/company/history_of_toyota/75years/data/automotive_business/production/production/japan/gener al_status/takaoka.html>. Acessado em: 28 de abril de 2015. [2] Fiat Automóveis do Brasil. Disponível em: <http://www.fiat.com.br/sustentabilidade/produto/palioweekend-eletrico.html>. Acessado em 28 de abril de 2015. [3] The Car Guide, 2015 Tesla Motors S 85. Disponível em: <http://www.guideautoweb.com/en/specifications/tesla/model-s/>. Acessado em: 28 de abril de 2015. [4] Tesla Motors, Premium Eletric Vehicles. Disponível em : <http://www.teslamotors.com/>. Acessado em: 28 de abril de 2015. [5] SIMPSON, A. G. Parametric modelling of energy consumption in road vehicles. Dissertação (PhD) School of Information Technol and Elec Engineering, The University of Queensland, 2005. 14

[6] DiselNet. Emission Test Cycles : FTP-72 (UDDS). Disponível em : <https://www.dieselnet.com/standards/cycles/ftp72.php>. Acessado em: 18 de Junho de 2015. [7] BUENO, M. da F.; ALMEIDA, S. C. A. de. Simulação de veículo elétrico utilizando a ferramenta PAMVEC. Dissertação (Graduação) Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2010. [8] TESLARATI, Tesla Model S Weight Distribution. Disponível em: <http://www.teslarati.com/tesla-models-weight/>. Acessado em 18 de Junho de 2015. [9] Itaipu Binacional, Veículo Elétrico. Disponível em : <https://www.itaipu.gov.br/ve/>. Acessado em: 28 de abril de 2015. [10] ESI, Energy Storage Instruments, Lithium Ion Battery Analyzer Cycle Life Test. Disponível em: <http://www.esi-technology.com/>. Acessado em : 14 de maio de 2015 [11] ANDERMAN, M. The Tesla Battery Report. Advanced Automotive Batteries. Disponível em <https://www.advancedautobat.com/industry-reports/2014-tesla-report/index.html>. Acessado em: 6 de março de 2015 [12] ANEEL, Agência Nacional de Energia Elétrica. Disponível em: <http://www.aneel.gov.br/area.cfm?idarea=493>. Acessado em: 13 de junho de 2015. [13] icarros, Tabela Fipe. Disponível em: <http://www.icarros.com.br/tabela-fipe/fiat-palio-weekendattractive-1.4-8v-flex/14,215,2012,12477.html>. Acessado em: 19 de junho de 2015. [14] MASSIGNAN, R. Andamos com o Palio Weekend Elétrico. Gazeta do Povo. Disponível em: <http://www.gazetadopovo.com.br/automoveis/andamos-com-o-palio-weekend-eletricobnkisle3xz9qo37vnbn9lt7bi>. Acessado em: 19 de junho de 2015. 15