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Análise de veículos híbridos com o Simcenter Amesim


Como a engenharia digital impulsiona a eletrificação? Os veículos híbridos vêm sendo desenvolvidos como uma forma de mobilidade alternativa para cumprir as crescentes regulações internacionais para um futuro sustentável. Nesse cenário de grandes mudanças nas políticas e evolução tecnológica acelerada, um modelo digital é fundamental para manter tempos de desenvolvimento competitivos, identificar gargalos de projeto ainda nas fases iniciais e reduzir ou eliminar o custo de construção de protótipos desnecessários.


Construção de Modelos

Considere o cenário inicial de um projeto de eletrificação: tenho as especificações do meu veículo, uma variedade de componentes para avaliar e ainda diversas configurações possíveis para o arranjo desses componentes. Como analisar o impacto dessas escolhas no desempenho final? Tradicionalmente, os engenheiros responsáveis usam heurísticas para reduzir o universo de decisões a um punhado de possibilidades, que podem então ser avaliadas pela equipe nas semanas inicias do projeto. Alternativamente, é possível montar uma representação digital do sistema no Simcenter Amesim, como na simulação abaixo.


Configuração de um veículo híbrido paralelo


Configuração de um veículo híbrido série


A configuração dos componentes a partir de dados comerciais permite avaliar rapidamente as principais métricas do sistema em diferentes cenários. Para a comparação de desempenho entre as duas arquiteturas escolhemos três ciclos de condução representativos de condições reais:

  • Urban Dynamometer Driving Schedule (UDDS): teste padronizado estadunidense que representa condições urbanas de condução

  • Highway Fuel Economy Test cycle (HWFET): ciclo de condução em rodovias com perfil de alta velocidade usado para determinar as taxas de economia de combustível de veículos leves

  • Meu caminho diário ao trabalho: o ciclo é gerado automaticamente pelo Amesim através de dados públicos de GPS e tráfego.


De maneira geral, o motor de uma configuração paralela pode ser menor do que o utilizado em uma arquitetura série, pois transfere trabalho direto às rodas sem perder energia para conversão eletromecânica. Para esse estudo, o mesmo motor foi utilizado nas duas configurações, e os demais componentes foram escolhidos para serem o mais parecidos quanto possível.


Análise

Após alguns segundos de simulação obtemos um sumário conciso do desempenho das configurações em cada ciclo.



Em uma análise rápida podemos perceber que a arquitetura série é um pouco mais eficiente em condições de direção urbana. Além disso, os resultados do ciclo de direção obtidos por GPS são condizentes com os obtidos pelo UDDS.


Outro parâmetro crítico é o consumo e economia de energia da bateria durante o ciclo de direção. Isso é chamado de SOC (State of Charge). As baterias são recarregadas durante frenagens ou quando o SOC atinge certos limites, determinados pela estratégia de controle escolhida.


O que tudo isso significa?

Como visto acima, o Simcenter Amesim representa o sistema do veículo elétrico por um diagrama compreensível e altamente personalizável, que permite uma determinação rápida de subsistemas do veículo a partir de dados comerciais para validação rápida de novos componentes e configurações em etapas de pré-projeto. Em etapas mais avançadas, é possível detalhar as estratégias de controle e curvas de desempenho de componentes críticos, como baterias e motores, para uma simulação de fatores críticos — por exemplo, aquecimento e demanda energética. Tudo isso permite avaliar o funcionamento do projeto em condições próximas às reais desde as etapas iniciais.


A única maneira de balancear uma grande quantidade de variáveis é considerá-las de maneira abrangente desde o começo do processo. No mundo digital, a avaliação de diversos cenários é otimizada para economizar o tempo de trabalho da equipe, diminuir o tempo para o mercado do produto final e permitir decisões de projeto baseadas em evidências, resultando em maior valor agregado ao produto final.


Para além da modelagem de sistemas, quando os aspectos geométricos e distribuição espacial das grandezas envolvidas são relevantes, a engenharia digital emprega prototipagem virtual multifísica em 3 dimensões, considerando efeitos fluidodinâmicos, térmicos, químicos, estruturais, acústicos, eletromagnéticos, materiais complexos, formas construtivas e processos de manufatura.


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