[pt] Sistemas condicionadores de ar automotivos têm sido extensivamente estudados, buscando melhor eficiência de resfriamento e redução do consumo de combustível. O presente trabalho tem como objetivo o estudo de um sistema condicionador de ar automotivo operando nos modos de resfriamento e aquecimento, este último atendendo às necessidades de conforto em dias frios nos veículos elétricos, os quais não apresentam calor de rejeito do motor, como nos veículos convencionais. Para tal foi projetado e montado, no Laboratório de Refrigeração, Condicionamento de Ar e Criogenia da PUC-Rio, um aparato experimental composto por duas câmaras de temperatura e umidade controladas, uma simulando o compartimento de passageiros e a outra, o ambiente externo. Um típico sistema condicionador de ar automotivo, composto por componentes comercialmente disponíveis e utilizados nos veículos atuais, foi dotado de válvulas direcionais, permitindo a inversão do ciclo de compressão de vapor do modo de resfriamento para o modo de aquecimento, operando neste último como bomba de calor. Dados experimentais foram levantados sob operação em regime permanente e transiente (período de partida), com temperaturas entre – 5 graus Celcius e 45 graus Celcius. Para o modo de resfriamento, seguiu-se a norma SAE J2765 e, para o de aquecimento, na ausência de normas, foram cobertas as operações em modos de recirculação do ar da cabine e de renovação com ar externo, entre as temperaturas de -5 graus Celcius e 10 graus Celcius. Foi também realizada uma simulação numérica, validada pelos dados experimentais, utilizando as equações fundamentais da termodinâmica e transferência de calor. O sistema testado mostrou-se viável na aplicação em veículos elétricos, uma vez que nestes o calor de rejeito previsto (regeneração de frenagem e efeito Joule na eletrônica de potência) não é suficiente para o conforto térmico em dias frios. Demonstrou-se que a bomba de calor consome menos energia que resistências as elétricas atualmente utilizadas. / [en] Automotive air conditioning systems have been extensively studied, searching for better cooling efficiency and reduced fuel consumption. The present work aims to study a system of automotive air conditioner operating in cooling and heating modes, the latter satisfies the needs of comfort on cold days in electrical vehicles, which do not include waste heat from the engine as the conventional vehicles. To this was designed and assembled in the Refrigeration, Air Conditioning and Cryogenics Laboratory, in Puc-Rio, an experimental apparatus consists of two chambers with temperature and humidity controlled, one, simulating the passenger compartment and the other, the external environment. A typical automotive air conditioning system, composed of commercially available components used in current vehicles is provided with a directional valve, allowing the inversion of vapor compression cooling mode to the heating mode cycle, the latter operating as a heat pump.

[pt] Nesta dissertação apresenta-se a avaliação da eficiência energética do Veículo Elétrico Híbrido em Série mediante o desenvolvimento teórico de dois protótipos de sistemas de propulsão elétrica e o estudo experimental do consumo de combustível do veículo original. A análise experimental foi feita mediante o desenvolvimento de uma bancada de teste, composta principalmente por um dinamômetro de chassis, um piloto automático e um medidor de vazão de combustível, acompanhado de toda a eletrônica que fez possível a aquisição de dados em cada teste. Neste estudo desenvolvem- se dois modelos teóricos de arquitetura para o sistema de propulsão do VEH, o primeiro composto de quatro motores, cada um embutido nas rodas do veículo, e o segundo composto por dois motores, cada um embutido nas rodas do eixo traseiro do veículo. Existem diversos procedimentos para poder embutir um motor na roda do veículo, o que se deve ter em conta é o peso, a potência e a eficiência na transmissão de potência. No desenvolvimento teórico do sistema de propulsão em cada roda, faz-se necessário o uso do redutor cicloidal, o qual permite uma redução de 3:1 até 119:1 em um só estágio com uma eficiência de transmissão de 93 por cento, conjuntamente com um motor de corrente contínua sem escovas, o qual tem uma alta densidade de potência. Os resultados da avaliação do sistema de propulsão elétrica dos protótipos mostram que o modelo de quatro motores nas rodas é mais eficiente em comparação com o modelo de dois motores embutidos nas rodas. Isto se deve ao fato do segundo modelo ser mais pesado, já que precisa uma maior quantidade de baterias e além disso de motores mais robustos. Na avaliação do consumo energético do VEH em comparação com o modelo original a gasolina, obtiveram-se resultados interessantes referentes à economia na utilização do recurso energético. O VEH teve um comportamento melhor em ciclos urbanos que em ciclos de estrada e a economia do recurso energético alcança 57,6 por cento quando se testa com ciclos urbanos e 11,4 por cento em ciclos de estrada. / [en] This dissertation presents the evaluation of the energy efficiency of a series hybrid electric vehicle through the theoretical development of two electric propulsion systems and an experimental study of fuel consumption of the original vehicle. The experimental analysis was done by a test setting, consisting mainly by a chassis dynamometer, an autopilot system and a fuel flowmeter, all connected to the data acquisition system. In this study it was developed two theoretical models of propulsion systems for HEV. The first one consists of four in-wheel motors and the second one consists of two in-wheel motors on the rear axle. There are various methods for embedding a motor in the wheel. It is necessary to consider the weight, power and transmission efficiency. In the theoretical model it was considered a cycloidal reducer, which allows a reduction of 3:1 to 119:1 in one stage with an efficiency of 93 percent, together with a brushless DC motor, which has a high power density. The results of the evaluation of the electric propulsion systems show that the model with four in-wheel motors is more efficient than the model with two in-wheel motors. This is a consequence of the fact that the second model is heavier, because it needs a bigger amount of batteries and more robust motors. In the evaluation of the HEV energy consumption in comparison with the original gasoline model, it was observed interesting results regarding the energy savings. The HEV presents better performance in urban cycles that in road cycles, saving 57,6 per cent of the consumed energy in urban cycles and 11,4 per cent in road cycles.

[pt] Atualmente, uma das principais metas do governo alemão é o desenvolvimento do mercado de veículos elétricos no país. Para tanto, o real potencial de redução de emissões atmosféricas através do uso de carros elétricos precisa ser analisado em detalhes. Para que o impacto ambiental causado por veículos elétricos seja minimizado faz-se necessário o uso de energias renováveis. Considerando-se a intermitência de tais fontes energéticas, baterias estacionárias podem ser utilizadas para aumentar a eficiência do sistema energético. Um método quantitativo se faz então necessário para determinar se o uso de energia renovável produzida em pequena escala, incluindo o sistema de armazenamento, é ambientalmente mais vantajoso quando comparado ao uso da energia fornecida pela rede elétrica Alemã. Essa análise quantitativa é possível através do método chamado análise de ciclo de vida (LCA, sigla em inglês). Esse estudo aborda o caso da concessionária de energia de Braunschweig, Alemanha, BS Energy, que pretende instalar um sistema fotovoltaico com uma bateria estacionária para o carregamento de sua frota de veículos elétricos. Para tanto, o presente trabalho tem como objetivo realizar uma análise do ciclo de vida do sistema de carregamento da frota de veículos elétricos da BS Energy para avaliar o real impacto ambiental provocado por tal sistema e fazer uma comparação com o impacto gerado pelo uso de energia proveniente da rede elétrica de Braunschweig. Para dar suporte ao trabalho será realizada uma revisão de literatura sobre o método análise de ciclo de vida, veículos elétricos, baterias de lítio e geração de energia solar. Baseado em informações disponíveis na literatura, bem como nos dados fornecidos pela BS Energy, é construído e calculado o fluxo do ciclo de vida do sistema em questão. / [en] The stated aim of the German federal government is the market preparation and launch of battery electric vehicles in Germany. The potential of electric vehicles for reducing the harmful environmental impacts of road transport in everyday conditions has to be analyzed and evaluated in detail. If electric vehicles shall realize their potential to reduce emissions and minimize the consumption of resources, the use of renewable energy is necessary. Locally generated and stored energy could increase the use of renewable energy sources for electric vehicles. A quantitative method is necessary to determine if the use of local energy is environmentally advantageous in comparison to the use of renewable energy from the grid. Life cycle assessment is a method which quantifies potential environmental impacts, and, therefore, it is a suitable method to examine the research question. The local energy provider BS/ENERGY uses electric vehicles and plans on the installation of a stationary energy storage. Within this scenario the LCA method is applyed to analyze the environmental impacts of this solution.This work carries out a detailed life cycle assessment for the local energy storage system of BS/ENERGY. To support this work a theoretic background of the method life cycle assessment and of the local generation and storage of renewable energy is presented. Based on this information, a generic workflow for the LCA of the use of locally generated and stored energy for electric vehicles is created. This workflow serves as a basis to evaluate the key parameters for the result of the LCA, identifying hot spots and uncertainties. Finally, the specific case of BS/ENERGY is analyzed, with its specific battery chemistry and use pattern. With this, it is expected that the presente work will be able to support BS Energy decision of whether to invest on the stationary battery or not, from an envirionmental point of view.

[pt] Esta dissertação apresenta o estudo para o desenvolvimento de um powertrain elétrico com motorização independente na massa não suspensa do veículo, acoplado diretamente nas rodas In Wheel ou Hub-Motor . O desenvolvimento do sistema proposto visa à maximização da eficiência dos veículos elétricos pela minimização das perdas relacionadas a sistemas mecânicos, como na transmissão convencional utilizada em veículos com motorização única. Outro fator motivador para o desenvolvimento do powertrain com motorização independente é a aplicação de controles independentes para cada roda, possibilitando desenvolver e aplicar uma gama de controles no veículo, os quais com a motorização única não são possíveis ou possuem desempenho não satisfatório. O trabalho apresenta uma visão geral sobre os veículos elétricos, o estudo do comportamento dinâmico vertical com o aumento da massa não suspensa do veículo, desenvolvimento de um controle de velocidade para o powertrain proposto, desenvolvimento de um controle de frenagem ABS elétrico, simulação do sistema em ciclos de direção com o cálculo da eficiência energética do powertrain, e um experimento em um dinamômetro de bancada para validação da eficiência energética dos ciclos simulados. / [en] This paper presents a study for the development of an electric powertrain with independent engines in the vehicle mass not suspended, directly coupled to the wheels In Wheel or Hub-Motor . The development of the proposed system aims at maximizing the efficiency of electric vehicles by minimizing losses related to mechanical systems, as in conventional transmission used in vehicles with single engine. Another motivating factor for the development of powertrain with independent engines is the application of independent controls for each wheel, allowing for the development and application of a range of controls in the vehicle, which would not be possible or would have unsatisfactory performance if a single engine was used. This work presents an overview of electric vehicles, the study of the dynamic vertical behavior with increasing mass of the suspended vehicle, development of a speed control for the proposed powertrain, development of an electric ABS braking control, system simulation toward cycles to calculate the energy efficiency of the powertrain, and an experiment on a bench dynamometer to validate the energy efficiency of simulated cycles.