Avaliação do Consumo de Energia de Micro-ônibus Elétrico

O Laboratório de Avaliação de Tecnologia Veicular, LETEV (Laboratorio de Evaluación de Tecnologías Vehiculares) é um projeto do Instituto de Engenharia da Universidade Nacional Autônoma do México (UNAM). O Ministério da Educação, Ciência, Tecnologia e Inovação (SECTEI) da Cidade do México está financiando o projeto, que busca, entre outras coisas, determinar a demanda energética e a autonomia de veículos com motorizações híbridas e elétricas em condições de condução de carretilha no México Cidade. 

Para isso, foram iniciados testes de campo em veículos comerciais e protótipos. Os testes tiveram que integrar os dados de um banco de dados específico de ciclovias da Cidade do México nas linhas do sistema de transporte urbano Metrobús.

For this purpose, field tests on commercial vehicles and prototypes were initiated. The tests had to integrate the data from a specific database of Mexico City driving cycles on lines of the urban transport system Metrobús.

Testes piloto em um micro-ônibus elétrico

Durante os primeiros meses de 2022, o LETEV definiu a necessidade de implementar e instalar um sistema portátil de aquisição de dados dentro de um micro-ônibus elétrico utilizado pelo sistema de transporte "METROBÚS". Como resultado, o laboratório optou por um sistema SIRIUS-R2DB por ter a autonomia necessária para realizar esse tipo de teste.

Sensores de tensão e corrente combinados com o sinal do módulo de geoposicionamento "GPS" foram utilizados dentro do micro-ônibus para registrar dados instantâneos das variáveis ​​associadas às viagens do veículo. Uma ênfase especial foi dada à medição da tensão e corrente demandadas pelo banco de baterias. A Figura 1 mostra o veículo elétrico - um mini ou micro-ônibus - no qual o LETEV fez o teste.

Por que Dewesoft?

Um sistema totalmente autônomo que não dependia de uma linha de energia para funcionar foi essencial para cobrir as necessidades de teste. Outro fator decisivo reside na capacidade do referido sistema de observar os gráficos gerados a partir da aquisição em tempo real e ter uma taxa de amostragem de até 1 MS/s. Finalmente, o sistema deve ter a capacidade de obter a posição do micro-ônibus e correlacioná-la com as medidas correspondentes de tensão e corrente consumida.

Um  sistema SIRIUS-R2DB  com um cartão SIRIUSir-HS8xLV e um cartão SIRIUS-HS-2xHV-2xSTG+-DUAL atende a esses critérios. O SIRIUS-R2DB é um sistema de aquisição de dados móvel compacto com um registrador de dados integrado, poderoso computador de processamento de dados, tela sensível ao toque, mouse, teclado e baterias internas para trabalho autônomo. Quando necessário, a Dewesoft fornece baterias Li-ION para aplicações autônomas, em veículos ou de teste e medição remotos.

Além disso, a LETEV utilizou a solução Dewesoft Power Analysis para facilitar a análise dos dados obtidos e definir a capacidade do banco de baterias quanto à velocidade, distância e capacidade de carga do micro-ônibus. Tais dados podem, entre muitas outras coisas, ser úteis para o desenvolvimento de baterias - análise de eficiência, caracterização de células, testes de resistência, testes de choque, análise de curto-circuito, testes de superaquecimento/sobrecarga, testes de envelhecimento, etc. , registro transiente, análise de carga e descarga, etc.).

Muitos parâmetros podem influenciar o consumo de energia e a autonomia dos veículos elétricos. Esses parâmetros podem ser parâmetros ambientais, como temperatura, condições climáticas, qualidade da estrada, diferentes situações de direção (subida, descida, cidade, sujeira ou condução mista) ou diferentes estilos de direção. O Power Analyzer da Dewesoft permite a análise de energia levando em consideração todos esses parâmetros durante os testes de direção.

Lista de componentes usados ​​para medição

• SIRIUS-R2DB com um cartão SIRIUSir-HS-8xLV e um cartão SIRIUS-AMP-2xHS-HV2xHS-STG+-DUAL

• DS-CLAMP-1800DC - Pinça amperímetro de efeito Hall

• DS-GPS-SYNC-10Hz - Receptor/antena GPS de 10 Hz com protocolo PPS e NMEA

Características do micro-ônibus

O micro-ônibus elétrico utilizado durante os passeios foi do modelo Jest da empresa turca Karsan. O Jest obtém sua potência de um motor BMW 100% elétrico que oferece alto desempenho de aceleração. As baterias de íon de lítio da BMW e a tecnologia de carregamento alimentam o micro-ônibus.

Os testes

A metodologia utilizada para preparar os testes foi a seguinte:

• Defina a(s) rota(s) de interesse.

• Realize pelo menos três viagens instrumentadas na(s) linha(s) de interesse para cada condição de carga. Os casos extremos - uma viagem sem passageiros e uma viagem com a capacidade máxima do veículo - foram avaliados.

• Realizar processamento e análise de dados.

• Quantificar o consumo de energia das unidades de transporte.

• A rota 4 do sistema de transporte METROBÚS foi selecionada para realizar a avaliação. A trajetória começou no CETRAM Pantitlán, chegando na estação Hidalgo, localizada ao lado do shopping central da Cidade do México, e retornando ao ponto de partida. Durante a avaliação, a trajetória seguiu rotas identificadas pela linha amarela na visão de satélite da Figura 3. A distância média percorrida é estimada em 19,3 km por trecho.

As características dos testes realizados no micro-ônibus elétrico podem ser vistas na Tabela 2.

A Figura 4 mostra a instalação do equipamento de aquisição de dados dentro do veículo elétrico, os sensores de corrente foram instalados nas linhas de energia do banco de baterias e no painel de instrumentos do veículo

Seis dos nove testes foram feitos com lastro estático, conforme mencionado na Tabela 2. A Figura 5 mostra a disposição das baterias de chumbo-ácido utilizadas para esse fim.

As Figuras 6, 7 e 8 são exemplos de dados de velocidade instantânea coletados durante os testes no veículo elétrico. Os dados foram processados ​​estatisticamente para obter um mapa de direção de cada trajetória e realizar simulações de diferentes configurações de veículos.

Adicionalmente, as Figuras 9, 10 e 11 mostram a tensão de operação do micro-ônibus elétrico durante viagens em três diferentes situações de condução na linha 4 do sistema de transporte MB.

Os resultados

O LETEV realizou três tipos diferentes de testes; Na primeira, o micro-ônibus foi conduzido sem regulador de velocidade e com o número mínimo de pessoas necessárias para o desenvolvimento dos testes (quatro passageiros e o operador). No segundo tipo de experimento, cerca de 45 baterias de chumbo-ácido foram usadas como lastro estático; velocidade permaneceu irrestrita. O terceiro tipo de passeio foi realizado com a velocidade máxima do micro-ônibus elétrico regulada em 50 km/h. 

Foram realizados três tours para cada tipo de teste proposto; foram assim obtidos dados de um total de nove percursos na linha 4 do sistema de transporte "METROBÚS". 

O gráfico da Figura 12 apresenta um exemplo de potência instantânea registrada durante os trajetos na linha 4 da MB; a linha vermelha indica quando o motor elétrico demanda energia, enquanto a linha verde representa os momentos ativos do sistema de regeneração.

Os resultados médios obtidos no processamento dos nove testes executados podem ser consultados na Tabela 3; o consumo diário projetado foi obtido considerando a distância equivalente a 14,23 viagens por dia e o consumo específico registrado no veículo.

Conclusões

Com base nas rotas experimentais desenvolvidas na linha 4 do sistema de transporte "METROBÚS" na Cidade do México, pode-se mencionar que:

• Os passeios de avaliação tiveram duração média de 84,33 min.

• A distância média percorrida por viagem é de 19,3 km.

• Considerando um tempo de funcionamento diário de 20 horas, o consumo projetado por unidade é de 91,76 kWh. Sabendo que a energia utilizável do banco de baterias é de 79,2 kWh (90% de 88 kWh), será necessário aumentar a autonomia do veículo selecionado para operar no percurso do sistema de transporte, ou estabelecer logística adequada para recarregar o unidades durante os períodos de operação.

• Para obter um valor representativo da autonomia de um veículo, é fundamental obter valores instantâneos de velocidade, tensão, corrente, etc. Ter um sistema de aquisição de dados portátil e de fácil configuração, como o SIRIUS da Dewesoft, facilitou o desenvolvimento dos testes experimentais .

• Os dados coletados durante os passeios permitiram obter uma característica de "ciclo de condução" da linha 4 norte do sistema de transporte CDMX "METROBÚS"; essas informações foram inseridas no sistema de simulação AVL CRUISE M, buscando prever o consumo de energia de unidades maiores. Os resultados obtidos forneceram ferramentas para uma melhor seleção das unidades elétricas que serão incorporadas ao sistema de transporte. A partir disso, foi possível prever que a demanda de energia necessária para unidades maiores seria menor do que a sugerida pelo fabricante e, assim, conseguir uma redução considerável nos custos.

Trabalho futuro

Há um aumento contínuo e rápido na adoção de veículos elétricos (EV) em muitos países devido a preços mais baixos, incentivos governamentais e subsídios; bem como a necessidade de independência energética e os problemas ambientais. Espera-se que os veículos elétricos dominem o mercado de carros particulares em alguns anos.

Esses veículos elétricos carregam suas baterias na rede elétrica e podem causar sérios efeitos se não forem manuseados adequadamente. Por outro lado, eles podem fornecer muitos benefícios à rede elétrica e gerar renda para os proprietários, se administrados adequadamente.

Em fases futuras da operação do projeto "Laboratório de Avaliação de Tecnologías vehiculares" (LETEV), serão analisados ​​os possíveis impactos negativos do carregamento de veículos elétricos nos sistemas elétricos de potência, principalmente relacionados ao carregamento descontrolado. O projeto estabelecerá como esses impactos podem ser reduzidos por meio de carregamento e descarregamento controlados.

Para isso, serão utilizados data loggers e sensores Dewesoft durante testes de campo que permitem quantificar:

• os impactos do carregamento descontrolado de veículos elétricos no aumento da demanda de ponta, 

• desvio de tensão dos limites aceitáveis, 

• desequilíbrio de fase devido a carregadores monofásicos, 

• distorção harmônica e

• sobrecarga dos equipamentos do sistema de potência e aumento das perdas de potência.

Graças a

• Secretaria de Educação, Ciência, Tecnologia e Inovação da Cidade do México. 

• O sistema de transporte da Cidade do México "METROBÚS". 

• Os colaboradores do Laboratório de Avaliação de Tecnologias de Veículos "LETEV"