Modelamento matemático de baterias para veículos elétricos do tipo Fórmula SAE

Abstract

Visando ampliar o campo de conhecimento adquirido na graduação, universidades do Brasil inteiro adotam projetos de extensão como as equipes de Fórmula SAE. Na Universidade Federal de Santa Catarina, especificamente no Centro Tecnológico de Joinville, existe a equipe Formula CEM. Recentemente (2017) a equipe iniciou um projeto de veículo elétrico para concorrer na competição nacional realizada pela SAE Brasil. Um dos maiores desafios desse projeto é o dimensionamento de baterias. O banco de baterias deve ser capaz de suprir adequadamente o sistema trativo do veículo durante todas as provas dinâmicas da competição, incluindo um percurso de Enduro que consiste em 22 voltas de aproximadamente 1km. Um segundo aspecto relevante é a massa e o volume das baterias que precisam ser otimizados para aplicação em um veículo, buscando sempre a menor massa e menor volume possível. E por fim, o alto custo das baterias e o comum baixo orçamento das equipes brasileiras traz a necessidade de se obter ferramentas eficazes para dimensionar e selecionar a melhor bateria para o projeto visando a otimização do uso dos recursos disponíveis. A proposta deste trabalho é trazer um modelamento matemático executado no software livre Octave que engloba as características estáticas e dinâmicas dos veículos Formula SAE, exemplificados pelo protótipo de 2019 da equipe Formula CEM. Assim, apresentou-se os dados de massa, aerodinâmica, resistências e motorização do veículo e através de iterações do modelo matemático variando os dados de número de células, tensão, capacidade, energia específica, densidade energética e preço das baterias analisadas, pôde-se concluir que arranjos de células de baterias de lítio-polímero melhor se adequam aos requisitos de projeto da equipe Formula CEM.

Aiming to expand the engineering knowledge acquired during graduation, universities throughout Brazil adopt extension projects such as the Formula SAE teams. At the Federal University of Santa Catarina, specifically at the Joinville Technological Center, there is the Formula CEM team. Recently (2017) the team started an electric vehicle project to compete in the national competition held by SAEBrasil. One of the biggest challenges of this project is the sizing of batteries. The battery bank must be able to supply the vehicle’s traction system during all dynamic competition events, including an Endurance course consisting of 22 laps of approximately 1km. A second relevant aspect is the mass and volume of batteries that need to be optimized for application in a vehicle, always seeking the lowest possible mass and volume. And finally, the high cost of batteries and the common low budget of Brazilian teams bring the need to obtain effective tools to select the best battery for the project, aiming at optimizing the use of the available resources. The purpose of this work is to develop a mathematical modeling executed in the free software Octave that bring together the static and dynamic characteristics of the Formula SAE vehicles, exemplified by the 2019 prototype of the Formula CEM team. Thus, the data of mass, aerodynamics, resistance and motorization of the vehicle were presented and, through iterations of the mathematical model, varying the data of cell number, voltage, capacity, specific energy, energy density and price of the analyzed batteries, it was concluded that Lithium-polymer battery cell arrays best fit the design requirements of the Formula CEM team.