Projeto e análise ao funcionamento de carros elétricos

Abstract

No presente trabalho pretendeu-se fazer uma abordagem à mobilidade elétrica em vários campos, tanto teórico como numa perspectiva experimental e industrial. A análise teórica consistiu num estudo aprofundado ao estado da arte e na modelação de um veículo elétrico, incluindo a elaboração de um método para estimar o seu consumo e autonomia. A parte prática foi feita em colaboração com a empresa SMS (Fafe) e consistiu em dois trabalhos: a conversão de um “Buggy” de motorização a gasolina para motorização elétrica e a optimização dos parâmetros do controlador de um veículo real, o Little4. No estudo ao estado da arte, contextualiza-se o tema e expõem-se questões que impedem a proliferação dos carros elétricos. Faz-se referência aos motores e aos sistemas de armazenamento de energia e órgãos de transmissão. Abordam-se os tipos de motores mais favoráveis á implementação em veículos elétricos. Faz-se referência ao motor síncrono de relutância comutada (SRM) que, embora não seja usado em veículos, mostra boa aptidão para esse efeito. Aborda-se também o conceito de motor na roda (in-wheel motor). São referidos sistemas de armazenamento de energia, baterias, ultracondensadores e células de combustível (Fuel Cell). Abordam-se também sistemas mecânicos de armazenamento de energia (menos convencionais, embora bastante difundidos na competição automóvel), como o volante de inércia, sistemas a ar comprimido e um sistema hidráulico. É feita uma análise teórica (modelação) de um veículo elétrico (VE), na qual se inclui um estudo que refere o rendimento geral do carro elétrico, focando os órgãos onde existem maiores perdas. Elabora-se um método para obter um mapa de rendimento de um motor elétrico através de perdas já conhecidas em motores elétricos. É concebido um algoritmo em Matlab, através das forças dinâmicas que atuam num veículo, para estimar o seu consumo e autonomia. É desenvolvido um método em Matlab Simulink para simular a velocidade e aceleração de um VE para terrenos de diferentes declives. Desenvolve-se o cálculo que permite dimensionar o motor e a bateria, conforme os requisitos do veículo. No primeiro trabalho prático a empresa SMS forneceu um Buggy (com motor a combustão) no qual foi realizada a verificação da estrutura com vista a uma futura conversão para motorização elétrica. Nessa verificação foi detetada uma anomalia na direção e fez-se um estudo de forma a corrigi-la. Elaborou-se um desenho 3D da estrutura de forma a proceder ao atravancamento dos novos órgãos necessários à referida conversão. Fez-se também o dimensionamento e simulação (em Inventor) dos suportes para o motor elétrico. O segundo trabalho prático consiste na optimização dos parâmetros do controlador do motor de um veículo real, o Little4 (carro produzido pela SMS), por forma a reduzir o sobreaquecimento do motor. Através desses parâmetros procedeu-se ao ajuste das correntes máximas fornecidas ao motor, assente num compromisso entre o desempenho e o sobreaquecimento deste. Transferiu-se a travagem regenerativa do pedal do acelerador (no estado de repouso) para o pedal do travão. Suavizou-se a ação do acelerador, principalmente em marcha-atrás e procederam-se pequenos ajustes de configuração através da datasheet dos componentes do carro. Na parte final deste trabalho são indicadas algumas sugestões para melhoria do Little4, após isso são tecidas as conclusões.

The present work had the objective of approaching electric mobility in various fields, both theoretically, experimentally and on an industrial perspective. The theoretical analysis consisted on the study of the State of the Art, on the performance analysis of an electric vehicle, including the elaboration of a method for estimating its consumption and autonomy. In the practical component of the work, held in collaboration with the company SMS (Sustainable Mobility Solutions), two tasks were performed: the conversion project of a "Buggy", from gasoline to electric motorization and also the optimization of the controller operation in a real vehicle, the Little4. This work highlighted and discussed the main advantages of electric mobility as well as the drawbacks that hinder the proliferation of electric cars. The main powertrain and energy storage systems as well as transmission components were analyzed and their merits as well as disadvantages were discussed. In particular, the main types of engines which are more easily implemented in electric vehicle were analyzed. A special reference is made to the switched reluctance motor (SRM). Although it is still not used in vehicles, the latest developments in this technology might make it especially suitable for that application. The promising concept of the in-wheel motor is also addressed, as well as the various energy storage systems such as batteries, ultra capacitors and fuel cells. Mechanical energy storage systems such as flywheels, compressed air and hydraulic systems are also covered. Although less conventional, they are being increasingly used in motorsports. The theoretical component of the present work was focused on the analysis of the overall efficiency of the electric car, focusing on the areas where there are greater losses. Two main fields were explored. On one hand a method for estimating the performance map of an electric motor based on the various sources electromagnetic losses in electric motors. On the other hand, a model for estimating the consumption and autonomy of an electric vehicle was developed in Matlab. This model analyses the various forces that act on a vehicle. Using the two aforementioned models a submodel was also developed in Matlab Simulink to estimate the speed and acceleration of a VE for different terrain slopes. These calculations allowed determining the required motor power as well as battery power and capacity for prescribed driving requirements. The first practical application of the work to real vehicles of the industrial partner SMS consisted on preparing the adaptation of a gasoline Buggy to electric motoring, including the inspection of the suitability of the chassis and subsystems. Namely, several improvements were proposed for the steering system. A 3D drawing of the structure was elaborated in order to facilitate the assembly of the new components used for the conversion. There was also the dimensioning and simulation (using software INVENTOR) of the supports for the electric motor. The second practical work consisted on the optimization of the parameters of the motor controller from SMS’s model Little4. Some of the adjustments included the tuning of the current supplied to the motor so as to optimize performance while avoiding overheating. In order to improve driving smoothness the regenerative braking that being activated whenever the accelerator pedal was release was eliminated. Instead, the regeneration control was assigned to the brake pedal. Other modifications included the softening of the throttle action (mainly in reverse gear) and other minor adjustments to the default configuration of the components of the car. Before the conclusions, some suggestions for improvement of the Little4 are made in the final part of this work.