Como os reboques elétricos estão mudando a estabilidade dos caminhões: um estudo de simulação de sistemas
- Alvaro Filho
- há 15 horas
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Introdução
A eletrificação está a remodelar rapidamente a indústria de transporte rodoviário comercial, prometendo soluções de transporte mais limpas e eficientes. Impulsionada por novas regulamentações [1], a eletrificação de veículos pesados (VPP) e seus reboques é essencial para descarbonizar a logística de carga [2].
Uma inovação emergente é o eixo de tração eletrificado, ou eixo elétrico, integrado em veículos pesados e seus reboques para proporcionar frenagem regenerativa e tração adicional. No entanto, a introdução dessa tecnologia altera fundamentalmente as características dinâmicas de todo o veículo, trazendo novos desafios em termos de estabilidade, um aspecto crítico de segurança para caminhões pesados.
Nosso recente estudo baseado em simulação aprofunda-se nesses desafios, analisando como os reboques elétricos interagem com os sistemas de controle de veículos existentes, como ABS e ESP. O objetivo: identificar potenciais riscos de estabilidade, incluindo efeito tesoura, trepidação e capotamento [3], e descobrir como um sistema de controle supervisório inteligente poderia ajudar a garantir a operação segura em todas as condições de direção.
Metodologia
Para investigar a dinâmica complexa de um sistema de reboque elétrico, um modelo de simulação multicorpos detalhado foi desenvolvido usando o Simcenter Amesim. O Simcenter Amesim é uma plataforma poderosa para simulação de sistemas multidomínio, permitindo a modelagem de componentes mecânicos, hidráulicos, pneumáticos, térmicos e elétricos em um único ambiente.
2.1 Descrição do Modelo do Veículo
A configuração simulada do veículo consiste em um veículo articulado de 3 eixos: uma unidade tratora de 2 eixos acoplada a um semirreboque de 1 eixo com eixo de tração eletrificado. Foi utilizado o modelo de estrutura multicorpo VDCAR22DOF01, projetado especificamente para considerar questões críticas de estabilidade em veículos articulados, incluindo:
Canivete: O ângulo agudo formado entre o trator e o reboque.
Vibração: Oscilações de alta frequência da carroceria do veículo. (Balanço do reboque)
Capotamento: Instabilidade lateral que leva ao capotamento do veículo.
Combinação padrão de trator e semirreboque
Conjunto trator-semirreboque com eixos elétricos de tração no semirreboque
2.2 Sistemas de Controle
O modelo incorpora controladores de estabilidade de chassi realistas tanto para o trator quanto para o reboque:
Unidade tratora: Equipada com ABS (Sistema de Travagem Antibloqueio) e ESP (Programa Eletrónico de Estabilidade) [4].
Unidade de reboque: Equipada com ABS e TCU (Unidade de Controle de Tração).
As capacidades de frenagem regenerativa e tração elétrica do eixo elétrico são integradas por meio de estratégias de combinação específicas. As interações entre esses controles do eixo elétrico e os controladores de estabilidade convencionais do chassi são o foco central da análise.
Esboço do modelo Simcenter Amesim
Estratégia de combinação de tração "paralela" (máquina de reboque elétrico vs. motor de caminhão)
2.3 Modelo de Driver
Foi implementado um modelo de condução avançado, utilizando técnicas de Controle Preditivo por Modelo (MPC). Essa estratégia de controle robusta garante o seguimento preciso da trajetória e o controle eficaz da oscilação do reboque, proporcionando uma representação realista das ações do condutor durante diversas manobras.
2.4 Definição da Pista de Teste
As simulações foram realizadas em uma pista de testes virtual baseada em um trecho real de uma estrada em Croix-Rousse, Lyon, França. Este percurso desafiador inclui inclinações ascendentes e descendentes significativas, que são cruciais para avaliar o desempenho do eixo elétrico durante as fases de frenagem regenerativa e tração. As diferentes inclinações e curvas permitem avaliar a estabilidade do veículo sob diversas condições de carga e cenários de condução.
Seleção do trajeto da estrada com a Ferramenta de Planejamento de Rotas, utilizada na Ferramenta de Importação de Trajeto
Visualização da pista de corrida
Resultados e Discussão
As simulações do Simcenter Amesim forneceram dados abrangentes sobre o desempenho da máquina elétrica, o estado de carga da bateria (SOC) e a dinâmica geral do veículo.
Torque da máquina elétrica no eixo do reboque e estado de carga (SOC) da bateria.
3.1 Desempenho da máquina elétrica e SOC da bateria
Durante os trechos ascendentes da pista de testes (por exemplo, de 0 a 150 segundos), o eixo elétrico exigiu um torque de tração significativo para auxiliar o trator. Por outro lado, durante trechos descendentes importantes (por exemplo, de 250 a 300 segundos), o eixo elétrico utilizou a frenagem regenerativa de forma eficaz, resultando em um aumento considerável no estado de carga (SOC) da bateria. Isso demonstra o potencial do reboque elétrico para eficiência energética e menor dependência de freios de fricção. Mudanças rápidas no sinal de torque (de tração para regeneração) foram observadas antes e depois de contornar curvas, indicando a operação dinâmica do eixo elétrico.
3.2 Dinâmica Veicular e Situações Patológicas
As simulações revelaram diversas situações críticas “patológicas” que destacam os desafios de estabilidade introduzidos pelos eixos elétricos. Um desses casos ocorreu durante uma combinação de manobras bruscas do motorista e frenagem, em que se observou que uma roda do reboque estava prestes a perder contato com a estrada. Esse cenário, se não controlado, poderia levar a um capotamento.
Uma observação crucial dizia respeito à interação entre os controles da máquina elétrica e os controladores de estabilidade do chassi. Em certos casos, particularmente durante mudanças rápidas de torque ou demandas intensas de frenagem/tração, as ações individuais do ESP na unidade tratora, do ABS no reboque e do controle de torque do eixo elétrico não estavam harmonizadas. A ausência de um sistema de supervisão de alto nível para coordenar essas ações conjuntas foi identificada como um fator de risco significativo. Sem tal supervisão, o estudo indicou que uma instabilidade completa do conjunto caminhão + reboque poderia ocorrer previsivelmente em velocidades mais altas, destacando uma preocupação crítica de segurança.
Trajetória, velocidade alvo e ângulo de direção
3.3 Implicações para o Desenvolvimento da Estratégia de Controle
Os resultados enfatizam que a simples integração de um eixo elétrico com estratégias de controle independentes para frenagem regenerativa e tração é insuficiente. Uma integração eficaz requer um supervisor sofisticado de nível superior que possa combinar de forma inteligente as operações do eixo elétrico com os controladores de estabilidade do chassi convencionais. Esse supervisor precisaria ajustar dinamicamente a distribuição de torque, o esforço de frenagem e as forças de tração em todos os eixos para manter a estabilidade geral do veículo sob diferentes condições de estrada, comandos do motorista e modos de operação do eixo elétrico.
Estado do controlador do chassi (ESP e ABS)
Conclusão
As conclusões deste estudo destacam um ponto fundamental: os reboques elétricos são muito promissores, mas exigem uma coordenação sofisticada entre os sistemas de controle novos e os já existentes para manter os caminhões estáveis e seguros. Um sistema de supervisão de alto nível é essencial para evitar situações perigosas, como o levantamento das rodas e o capotamento, principalmente em altas velocidades.
Se você trabalha com design de veículos, desenvolvimento de sistemas de controle ou gestão de segurança de frotas, esta pesquisa oferece informações valiosas para orientar seu trabalho. Manter-se à frente na jornada da eletrificação significa adotar soluções integradas que priorizem a estabilidade.
Referências
[1] United Nations Economic Commission for Europe (UNECE). Global Forum for Road Traffic Safety (WP.1). Available at: https://unece.org/transport/publications/consolidated-resolution-road-traffic-re1
[2] European Automobile Manufacturers’ Association (ACEA). Commercial Vehicles: Decarbonisation. Available at: https://www.acea.auto/fact/commercial-vehicles-and-co2/
[3] G. G. P. Van Der Heijden, H. B. Pacejka, and J. M. J. Van Der Knaap, “Dynamic behaviour of articulated vehicles,” Vehicle System Dynamics, vol. 20, no. sup1, pp. 294-307, 1991. (General reference for articulated vehicle dynamics, not specific to e-trailers, but foundational).
[4] Bosch Global. ABS and ESP: The history of vehicle safety. Available at: https://www.bosch-mobility.com/en/mobility-topics/safety-for-all-road-users/driver-assistance-systems-for-commercial-vehicle/
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