Análise à conversão de um veículo citadino tradicional para a propulsão elétrica com extensor de autonomia

Abstract

As sucessivas restrições à circulação de veículos com motores de combustão interna têm tornado o desenvolvimento de motores Diesel e gasolina cada vez mais difícil e caro, tendo já levado ao progressivo e generalizado interesse das marcas pela mobilidade elétrica. Os veículos elétricos, comparativamente aos veículos convencionais, permitem reduzir as emissões poluentes e de gases com efeito de estufa no seu uso, recorrendo a fontes de energia renovável, evitando o uso de combustíveis fósseis, que não são renováveis. No entanto, a maioria dos veículos elétricos comercializados até ao presente são da classe média-alta com custos, pesos e potências demasiado elevadas para as necessidades da circulação urbana. O objetivo principal do trabalho foi analisar a viabilidade técnica e económica da conversão de um pequeno veículo citadino existente (e.g. tipo Citroën C1) para um veículo de tração elétrica, com uma autonomia de 100 km, 100 km/h de velocidade máxima e um consumo inferior a 10 kWh/100 km. Foi feita também a análise da viabilidade de montar um pequeno motor térmico (cerca de 125 cc, 4T) acoplado a um gerador elétrico como extensor de autonomia (range extender). O veículo seria apenas para circulação urbana e suburbana (estradas nacionais). Para a autonomia em modo eléctrico de 100 km seriam suficientes baterias com capacidade até 10 kWh. Com as baterias descarregadas, o range extender deveria ser suficiente para manter o veículo em circulação suburbana a uma velocidade média de 50 km/h. Todos os componentes utilizados na sua conversão deverão ser de produção em série e com preço relativamente baixo. O trabalho começou pelo dimensionamento dos principais componentes (motor eléctrico, baterias, motor de combustão, gerador, controlador, etc), de modo que o veículo consiga cumprir um circuito citadino real e um circuito por estrada, em andamento semelhante a um veículo normal. Para isso foi utilizado um software, desenvolvido em Excel, que contabiliza todos os fluxos energéticos relevantes (e.g. energias motora, de atrito, travagem, etc), durante o funcionamento de um veículo, seguindo um qualquer percurso real ou um ciclo normalizado. Foi também utilizado o software AVL Suite, habitualmente usado pelos construtores de veículos e que inclui o módulo Boost (motores de combustão) e Cruise (simulação de ciclos de condução). Os resultados indicam que, para um veículo de uma tonelada, será suficiente um motor elétrico com 10 kW de potência contínua e 30 kW de pico. Para os ciclos WLTC foi possível obter consumos de 8 kWh/100 km em modo elétrico e cerca de 3 L/100 km em modo "só gasolina", o que ultrapassou os objetivos pretendidos. No entanto a viabilidade económica será difícil, sobretudo face à inexistência no mercado de range extenders de pequena dimensão e potência.

Successive restrictions on the circulation of vehicles with internal combustion engines have made the development of Diesel and patrol engines increasingly difficult and expensive, having already led to the progressive and widespread interest of brands in electric mobility. Electric vehicles, compared to conventional vehicles, allow reducing pollutant emissions and greenhouse gases in their use, using renewable energy sources, avoiding the use of fossil fuels, which are not renewable. However, most electric vehicles sold to date are of the upper-middle class with costs, weights and powers that are too high for the needs of urban traffic. The main objective of the work was to analyze the technical and economic feasibility of converting an existing small city vehicle (e.g. Citroën C1 type) to an electric traction vehicle, with a range in electric mode of 100 km, 100 km/h maximum speed and fuel consumption less than 10 kWh/100 km. An analysis was made of the feasibility of assembling a small thermal engine (about 125 cc, 4T) coupled to an electric generator as a range extender. The vehicle would only be used for urban and suburban traffic (national roads). For autonomy in electric mode of 100 km would be enough batteries with a capacity of up to 10 kWh. With the batteries discharged, the range extender should be enough to keep the vehicle in suburban traffic at an average speed of 50 km/h. All the components used in its conversion must be of series production and with a relatively low price. The work started with the dimensioning of the main components (electric motor, batteries, combustion engine, generator, controller, etc.). so that the vehicle can complete a real city circuit and a road circuit, in a similar way to a normal vehicle. For this, a software, developed in Excel, was used, which accounts for all relevant energy flows (e.g. motor, friction, braking energies, etc.), during the operation of a reference vehicle (without defined traction system) following a any real path or a normalized cycle. The AVL Suite software, commonly used by vehicle manufacturers, was also used, which includes the Boost module (combustion engines) and Cruise (driving cycle simulation). The results indicate that, for a one-ton vehicle, an electric motor with 10 kW of continuous power and 30 kW of peak power will be sufficient. For the WLTC cycles, it was possible to obtain consumptions of 8 kWh/100 km in electric mode and about 3 L/100 km in "petrol only" mode, which exceeded the intended objectives. However, economic viability will be difficult, especially given the lack of small and powerful range extenders in the market.