Sistema hidráulico-pneumático de frenagem regenerativa e hibridização de veículos comerciais

Abstract

Nesta tese é apresentado um novo conceito de sistema híbrido veicular. O sistema proposto é composto por um sistema hidráulico integrado a um sistema pneumático, que possibilita a transformação da energia de frenagens de veículos comerciais em energia potencial, armazenada na forma de gás comprimido. Diferentemente dos atuais sistemas híbridos-hidráulicos, que são destinados para aplicações no trânsito urbano, o conceito de veículo híbrido apresentado acrescenta a capacidade de recuperar a energia potencial liberada durante os períodos de translado em pistas descendentes de rodovias. A quantidade de energia recuperada pode exceder em mais de dez vezes à quantidade de energia atualmente armazenada nos acumuladores hidráulicos. O emprego do sistema pneumático viabiliza que esta energia seja utilizada nos dispositivos auxiliares do próprio veículo e amplia as opções de uso do ar comprimido, uma vez que a quantidade de energia que pode ser regenerada excede à requerida por estes periféricos. Para avaliar o sistema, foi desenvolvido um modelo matemático do veículo híbrido utilizando a ferramenta MATLAB®/ SIMULINK. Um aparato experimental, em escala de 1:20, foi construído como prova de conceito para obtenção de dados, análise sistêmica e validação dos modelos. Com o propósito de controlar o veículo sob diferentes condições de tráfego foi desenvolvido um sistema de supervisão e controle, a partir do qual os diversos subsistemas são controlados discreta e/ou analogicamente em cinco modos de operação. Adicionalmente, é feita a análise das condições de trabalho do sistema pneumático a fim de avaliar os principais parâmetros de projeto que influenciam na eficiência do compressor e sistema de armazenamento. Desta análise, foi gerado um procedimento que auxilia no dimensionamento do compressor baseado no ganho de energia do veículo por meio da hibridização. Os resultados mostram que é possível recuperar uma quantidade de energia acima de 10 MJ quando o veículo trafega por longas distâncias em declive. A quantidade de energia recuperada, bem com a eficiência do sistema híbrido depende de vários fatores, como a inclinação da rodovia, a distância percorrida, a velocidade e a carga do veículo. Nesse sentido, a aplicação do ar comprimido para suprir o consumo dos dispositivos auxiliares pode tornar o veículo autossuficiente neste item e ainda proporcionar uma redução do consumo de combustível, entre 3 e 5 % nas rodovias e entre 8 e 20%, no trânsito urbano.<br>

Abstract : In this thesis is presented a new concept of hybrid system for commercial vehicles. The proposed system consists of a hydraulic system integrated with a pneumatic system, which enables the energy of braking of medium and heavy vehicles to be transformed into useful potential energy stored in the form of compressed gas. Unlike current hybrid-hydraulic solutions, which are intended for applications in urban traffic, the hybrid vehicle presented herein adds the capacity to recover the energy available during the periods of courses on downhill runways. The amount of energy recovered can exceed by more than ten times the amount of energy currently stored in the hydraulic accumulators. The use of the pneumatic system allows this energy to be used in the auxiliary devices of the vehicle and extends the options of use of the compressed air, since the amount of energy that can be regenerated exceeds the required by these devices. To evaluate the system, a mathematical model of the hybrid vehicle was developed using the MATLAB®/SIMULINK platform. An experimental apparatus in scale approximately of 1:20 was built as proof of concept for data collection, systemic analysis and model validation. In order to control the vehicle under different traffic conditions, a supervisory and control system was developed, from which the various subsystems are controlled in five modes of operation. In addition, the operational conditions of the pneumatic system were analyzed to evaluate the main design parameters that influence the efficiency of the hybrid system. From this analysis, a procedure was developed in order to assist the selection of the air compressor, which is based on the expectation of energy gain by hybridization. The results show that it is possible to recover an amount of energy above 10 MJ when the vehicle travels for long distances on slope. The quantity of the recovered energy and the efficiency of the hybrid system depends on several factors, such as highway slope, distance traveled, speed and load of the vehicle. In this way, its application as a source of compressed air can make the vehicle self-sufficient in this regard and still provide a reduction in fuel consumption, between 3 and 5 % on highways and between 8 and 20 % in urban traffic.