Desenvolvimento de uma Aeronave Elétrica Tripulada controlada por LabVIEW FPGA (cRIO) e IHM Touch Panel - P014_APH (ACS)

Aerospace & Defense Day 2016

18/10/2016

1. Objetivo

2. Sora-e

3. Envolvidos

4. Eventos

5. Justificativa – Potência Dissipada

6. Justificativa – Toque variável

7. Justificativa – Ponto ótimo do motor Lycoming

8. Requisitos

9. Pulmão Energético

10. Benchmarking

11. Classificação

12. Eficiências

13. Análise

18/10/16 2

Tópicos

14. Análise de solução

15. Comparativo de soluções

16. Soluções

17. Sistemas

18. Sistemas Embarcados

19. Análise perfil puramente elétrico

20. Análise puramente elétrico – mesmo voo

21. Análise puramente elétrico – retorno de investimento

22. Diagrama Elétrico APH

23. Testes em Laboratório

24. Cálculo de elevação de temperatura no cabo por perfil de voo

25. Seleção da Bateria interna

26. Calibração dos Sensores para Ensaio da Bateria

18/10/16 3

Tópicos

27. Resultado do Ensaio da Bateria de Potência

28. Soluções e Análise

29. Conclusões

30. Trabalhos Futuros

31. Fontes

32. Agradecimentos

33. Contatos

18/10/16 4

Tópicos

5

IV. Potências dissipadas Objetivo

Desenvolvimento de uma aeronave híbrida/elétrica. Com intuito de aumentar a eficiência (redução do custo por hora de voo), como também à diminuição da emissão de poluentes*.

O sistema desenvolvido é um conceito e pode ser migrado para aeronaves de grande porte, para isto devem-se realizar algumas mudanças, que na maior parte envolvem apenas as potências envolvidas (quantidades ou tamanho dos motores).

*tráfego aéreo é responsável por cerca de 2,2% das emissões globais de CO2 (Fonte 1)

18/10/16

18/10/16 6

Sora-e

Voo 19/05/2015

18/10/16 7

Envolvidos

18/10/16 8

Envolvidos

9

2012

- Requisitos - Benchmark - Seleção - Opções - Lista de partes

2013 (aguardando a chegada do material)

- Memorial - Documentos de fabricação - Esquemáticos - Lista de acessórios -Arquitetura do software - Documentação bancada / vôo

2013 (chegada do material)

- Actuação do motor - Ensaios do sistema de refrigeração - Testes na bancada - Ensaios em vôo

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Eventos

10

IV. Potências dissipadas

Motor a

combustião Gerador Driver 1 Driver 2 Bateria

Motor

elétrico

Eficiência do componente (%)

Fase Motor a combustão Gerador Driver 1 Bateria Driver 2 Motor elétrico

Decolagem

- 0,940 0,950 0,996 0,950

0,93 (3500 rpm)

Subida 0,955 (3500 rpm)

Cruzeiro 1 0,955 (3000 rpm)

Cruzeiro 2 0,955 (3000 rpm)

Loiter 0,957 (2200 rpm)

Descida 2 0,957 (2200 rpm)

Pouso 0,957 (2200 rpm)

Potência dissipada (W)

Fase Motor a combustão Gerador Driver 1 Bateria Driver 2 Motor elétrico

Decolagem

Entre 16797 e 33594 3359 2632

325 4051 5388

Subida 177 2204 1885

Cruzeiro 1 131 1634 1397

Cruzeiro 2 135 1676 1433

Loiter 103 1287 1051

Descida 2 103 1287 1051

Pouso 103 1287 1051

Hipótese : 50 kW na entrada da bateria Para cada 100 W disponível, 30-60 W são dissipados

18/10/16

Justificativa – Potência Dissipada

11

0

50

100

150

200

250

To

rqu

e (

Nm

)

RPM

Gráfico Torque (Nm) vs RPM

AeroVee 2.1 ASE MPE 750 TC JPX 4TX90 Simonini Victor 2 Super

MWFly B22L MWFly B22R SMART M160/1

18/10/16

Justificativa – Toque variável

0

20

40

60

80

100

120

140

1500 2000 2500 3000

En

erg

ia (

kW

.h)

RPM

Motor Lycoming

Ponto ótimo do motor Lycoming : Rotação : 2250 rpm

Potência : 65 hp (48,5 kW)

Consumo : 21,9 L/h Energia disponível com 60 L : 132,8 kW.h

Ponto ótimo do motor Smart M : Rotação : ???? rpm

Potência : 70 hp (52,2 kW)

Consumo : 14 L/h Energia disponível com 60 L : 223,7 kW.h

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Justificativa – Ponto ótimo do motor Lycoming

12

Desempenho

Velocidade máxima de 220 km/h**;

Velocidade de Stall Vs – 83 km/h**;

Climb speed – mínimo de 450 ft/min;

93.9 hp (70 kW) por 1 minuto;

53.6 hp (40 kW) por 3 minutos até atingir 1500 ft;

Distância para decolagem 400 m;

Distância para pouso 450m (pista seca).

Autonomia

Autonomia – 3 horas + 45 minutos reserva (Para o Híbrido);

Alcance – 540 km + 45 minutos reserva (Para o Híbrido);

Pulmão (baterias) – Vide tabela (Para o Híbrido).

** É um requisito da categoria LSA (desejável, não obrigatório).

18/10/16

Requisitos

13

Empuxo

Hélice passo fixo;

Capacidade Contínua de 35 kW (46.9 hp) (Potência continua de

cruzeiro).

Peso Total de máximo de decolagem até 700 kg (SORA BR 01 Padrão).

Economia Redução do custo de voo no combustível em pelo menos 30%.

Emissão de Poluentes Redução da emissão em poluentes em pelo menos 20% para o mesmo

perfil de voo.

18/10/16 14

Requisitos

Segurança Derating mínimo de 30% desejável 80% quando possível e justificável;

Redundância para itens críticos (quando possível aplicar) preferencialmente paralela ativa;

Capacidade do pulmão definida para permitir alcançar 1500 ft sem uso de motor a combustão.

18/10/16 15

Requisitos

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Descarga (Decolagem)

Conjunto Motor

Híbrido

Bateria

(Pulmão)

Propulsão

Legenda

Recarga (Cruzeiro) Descarga (Decolagem) Fluxo de Energia

Recarga (Cruzeiro)

Conjunto Motor

Híbrido

Bateria

(Pulmão)

Propulsão

Pulmão Energético

Aeronáutico

Híbrido

Aeronave DA 36 E-Star (EADS, SIEMENS, Diamond Aircraft): propulsão puramente elétrica (motor SIEMENS 70 kW), energia armazenada em bateria e é gerada pelo motor a combustão de 30 kW trabalhando em regime constante Vídeo

Pipistrel Phantera: Híbrido (redução de 41% do consumo), 10 galões/h (37.85 L/h), venceu o concurso de eficiência energética da Nasa. 4 passageiros, 197 hp, 200 knots (370 km/h), painel touch screen e espaço para bagagem, custa 335 mil euros. Vídeo

18/10/16 17

Benchmarking

Aeronáutico

Elétrico (somente bateria)

Pipistrel Phantera versão Elétrica: 400 km de autonomia.

Em Paris Air Show, piloto francês Hugues Duval estabeleceu um recorde mundial de velocidade para todo-elétricos aviões quando seu avião pequeno avião Cristaline quebrou o record de velocidade 175 mph (282 km/h), superando o recorde anterior em 13 mph (21 km/h). O pequeno avião minúsculo tem uma envergadura de 16 metros e pesa apenas 200 quilos. Usa dois motores paralelos (bimotor) de 35 hp (26 kW) e duas baterias de 1,5 kWh (total de 3kWh) que mantém a velocidade máxima por pouco momento, mas a 65 mph (105 km/h) o avião pode voar cerca de 25 minutos. Vídeo

Sonex Electric Powered Flight, EAA AirVenture Oshkosh 2007. Vídeo

18/10/16 18

Benchmarking

Automotivo Ônibus Eletra: Ônibus de 12 m (motor típico de 210 hp) utilizando motor

diesel de 80 hp em regime ótimo constante (máximo rendimento), carregando um sistema de baterias (pulmão energético) que fornece a potência de pico exigida no tráfego. Possui sistema de controle de potencia, aceleração e regeneração parcial da frenagem;

Mercedes S400;

Volt; Vídeo 1, Vídeo 2

Prius; Vídeo 1, Vídeo 2

Fusion: Acionamento do motor a combustão acima dos 75 km/h ou após ter consumido 50% da bateria. Vídeo

18/10/16 19

Benchmarking

Híbrido-Paralelo: Motor a explosão com acoplamento direto ao eixo

de tração e um motor elétrico como sistema extra para melhorar o

desemprenho, muito utilizado em maquinas de pequeno porte.

Híbrido-Série: O motor a combustão é utilizado para gerar energia

(gerador) utilizada para locomoção e carga de baterias, utilizado em

maquinas de grande porte.

Híbrido-Misto: O terceiro é o sistema híbrido misto, que combina

aspectos do sistema em série com o sistema paralelo, que tem como

objetivo maximizar os benefícios de ambos. Este sistema permite

fornecer energia para as rodas do veículo e gerar eletricidade

simultaneamente, usando um gerador, diferentemente do que ocorre

na configuração paralela simples. É possível usar somente o sistema

elétrico, dependendo das condições de carga. Também é permitido

que os dois motores atuassem de forma simultânea.

18/10/16 20

Classificação

18/10/16 21

Classificação

18/10/16 22

Eficiências

18/10/16 23

Eficiências

Funcionamento por Histerese

Perfil de voo: Taxi (10 min)

Decolagem

Climb

Cruzeiro

Descida

Loiter

Pouso

18/10/16 24

Análise

Potência requerida no perfil

18/10/16 25

Análise

Perfil de voo: Distância

0 50 100 150 200 2500

1000

2000

3000

Tempo (min)

Altitude (

m)

Altitude

7500 ft

1150 ft

0 50 100 150 200 2500

200

400

600

800

Tempo (min)

Dis

tancia

(km

)

Distancia

18/10/16 26

Análise

Perfil de voo: Potência Requerida

18/10/16 27

Análise

Perfil de voo:

Energia

0 50 100 150 200 2500

1000

2000

3000

Tempo (min)

Altitude (

m)

Altitude

7500 ft

1150 ft

0 50 100 150 200 2500

50

100

150

X: 12

Y: 12.46Tempo (min)

Energ

ia (

kW

h)

Energia Gasta

18/10/16 28

Análise

Perfil de voo LSA: Range

Energia

0 10 20 30 40 50 60 70 80 900

1000

2000

3000

Tempo (min)

Altitude (

m)

Altitude

7500 ft

1150 ft

0 10 20 30 40 50 60 70 80 900

50

100

150

200

X: 84

Y: 172.4

Tempo (min)

Dis

tancia

(km

)

Distancia

0 10 20 30 40 50 60 70 80 900

1000

2000

3000

Tempo (min)

Altitude (

m)

Altitude

7500 ft

1150 ft

0 10 20 30 40 50 60 70 80 900

10

20

30

X: 84

Y: 27.37

Tempo (min)

Energ

ia (

kW

h)

Energia Gasta

18/10/16 29

Análise

Voo SORA BR: Range

Tempo

18/10/16 30

Análise

Perfil de voo: Cruzeiro BR e LSA

100 120 140 160 180 200 220 24020

40

60

80

Velocidade (km/h)

Potê

ncia

(kW

)

Razão de comsumo BR 660kg

100 120 140 160 180 200 220 2402

4

6

8

Velocidade x Potência

Razão de Consumo

100 120 140 160 180 200 220 2401

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Velocidade (km/h)

Razão

Razão de Comsumo Cruzeiro BR x LSA 660kg

Razão de Consumo BR

Razão de Consumo LSA

18/10/16 31

Análise

Eficiência: Ponto ótimo

1000 1500 2000 2500 3000 35000

5

10

15

20

25

30

35

Rotação (RMP)

Consum

o (

L/h

)

Potência x Consumo

5 Hp

10 Hp

20 Hp

30 Hp

40 Hp

50 Hp

60 Hp

70 Hp

80 Hp

90 Hp

100 Hp

110 Hp

1000 1500 2000 2500 3000 35000.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

2.2

Rotação (RMP)

Consum

o E

specíf

ico (

L/h

/Hp)

Potência x Consumo

5 Hp

10 Hp

20 Hp

30 Hp

40 Hp

50 Hp

60 Hp

70 Hp

80 Hp

90 Hp

100 Hp

110 Hp

18/10/16 32

Análise

Motor: 1 min 80 kW (107 hp)

2 min 50 kW (67 hp)

Cont. 40 kW (53.7 hp)

0,2 L/s at 20°C Água/Glycol limite 120°C, 200 kPa

18/10/16 33

Análise de solução

Hélice: Velocidade na ponta da pá com TAS=0

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000100

150

200

250

300

350

400

450

500

Rotação (RPM)

Velo

cid

ade n

a P

onta

da H

élic

e (

m/s

)

Velocidade na Ponta da Hélice, Vsom = 340 m/s, TAS = 225km/h

84"

80"

76"

72"

68"

64"

mach 1.0

mach 0.90

mach 0.85

mach 0.75

18/10/16 34

Análise

Potência: Gráfico de uso do motor

Tensão do controlador

Rotação Hélice

18/10/16 35

Análise de solução

Baterias: ****

18/10/16 36

Análise de solução

Baterias: ****

Evolução da densidade de energia de lítio, NiMH e NiCD

Potencial e desenvolvimento das baterias em função do tipo de tecnologia

18/10/16 37

Análise de solução

Baterias: ****

18/10/16 38

Análise de solução

Baterias: ****

18/10/16 39

Análise de solução

Baterias: ****

18/10/16 40

Análise de solução

Baterias: Boston Power (Exemplo)

18/10/16 41

Análise de solução

Baterias: Boston Power (exemplo)

****

18/10/16 42

Comparativo de soluções

Driver do motor: SAC 41 (exemplo)

18/10/16 43

Análise de solução

Recarregador: Piktronik (Exemplo)

18/10/16 44

Análise de solução

Tensões

Rotações

1000 1500 2000 2500 3000 3500 400050

100

150

200

250

300

350

400

450

Rotação (RPM)

Velo

cid

ade n

a P

onta

da H

élic

e (

m/s

)

Velocidade na Ponta da Hélice, Vsom = 340 m/s

84"

80"

76"

72"

68"

64"

mach 1.0

mach 0.8

mach 0.8

mach 0.7

18/10/16 45

Soluções

Recarregador: Análise de limites

Tempo de recarga

Análise do autotrafo

18/10/16 46

Análise de solução

18/10/16 47

Sistemas

18/10/16 48

Sistemas

18/10/16 49

Sistemas

Problema do Arrefecimento com:

Aeronave Parada

Aeronave Decolando

Aeronave Em pane

Arrasto

Piktronik

cRIO

18/10/16 50

Soluções

Controle e monitoramento do motor

Loops paralelos

Salva dados de voo

Monitoramento das baterias

Cálculo de autonomia das baterias

18/10/16 51

Soluções

18/10/16 52

Interface Homem Máquina

Funções monitoradas

Tensão

Corrente

Energia

Temperatura

Rotação do motor

Potência do motor

Componentes monitorados

Motores

Baterias

Drivers

Sistemas Embarcados

18/10/16

Descida

1

Tempo

Altitude 4500

ft Subida

Decolagem

Descida

2

Cruzeiro

Pouso 2000

ft

Tempo total do voo : 65 min

Range total : 194 km

Phase Potência disp Tempo Velocidade Razão de

subida Range Altitude

Ganho de altitude

- kW hp - km/h mph fpm km ft ft

Taxi 6,4 8,6 10 min 48,3 30,0 - - 2000 0

Decolagem 71,6 96,0 1 min 110,1 68,4 - - 2000 0

Subida 60 80,5 2,8 min 156,2 97,1 896 7,2 4500 2500

Cruzeiro 31,3 42,0 54,3 min 190,0 118,1 - 172,0 4500 0

Descida 1 (planeio)

- - 1,4 min 146,6 91,1 -734 3,3 3500 -1000

Descida 2 25,2 33,7 4,8 min 144,3 89,7 -304 11,4 2050 -1450

Pouso 25,2 33,7 < 1 min 120,5 74,9 -342,5 - 2000 -50

53

Análise perfil puramente elétrico

54

S=0,79; C=0,79; L=0,79 S=0,79; C=0,79; L=0,82

S=0,79; C=0,79; L=0,85 S=0,79; C=0,82; L=0,79

S=0,79; C=0,82; L=0,82 S=0,79; C=0,82; L=0,85

S=0,79; C=0,85; L=0,79 S=0,79; C=0,85; L=0,82

S=0,79; C=0,85; L=0,85 S=0,82; C=0,79; L=0,79

S=0,82; C=0,79; L=0,82 S=0,82; C=0,79; L=0,85

S=0,82; C=0,82; L=0,79 S=0,82; C=0,82; L=0,82

S=0,82; C=0,82; L=0,85 S=0,82; C=0,85; L=0,79

S=0,82; C=0,85; L=0,82 S=0,82; C=0,85; L=0,85

S=0,85; C=0,79; L=0,79 S=0,85; C=0,79; L=0,82

S=0,85; C=0,79; L=0,85 S=0,85; C=0,82; L=0,79

S=0,85; C=0,82; L=0,82 S=0,85; C=0,82; L=0,85

S=0,85; C=0,85; L=0,79 S=0,85; C=0,85; L=0,82

S=0,85; C=0,85; L=0,85

880,0 890,0 900,0 910,0 920,0 930,0 940,0

Range cruzeiro + subida (km)

Range VS Eficiência da hélice S : eficiência da hélice durante a Subida, C : ‘’ Cruzeiro, L : ‘’ Loiter

18/10/16

Análise perfil puramente elétrico

18/10/16

Avião SORA convencional

100 L de combustivel SORA elétrico

config AABB - 2000 ciclos (90%)

Custo do voo

(R$/km) 0,40 0,11

(R$/h de vôo) 72,6 19,1

Custo da manutenção

(R$/h de operação) 25,0 29,2

TOTAL : Custo do vôo + custo da manutenção

(R$/h de operação) 97,6 48,3

Custo do material FOB

R$ 60 860,70 148 000,00 *

* FOB estimado

Análise puramente elétrico – mesmo voo

55

18/10/16

* Custo total = custo do material + custo do voo + custo da manutenção

0

50000

100000

150000

200000

250000

300000

350000

400000

0 500 1000 1500 2000 2500

Cu

sto

to

tal (R

$)

*

Tempo de operação (h)

SORA Convencional

SORA elétrico 2000ciclos

1780 h

56

Análise puramente elétrico – retorno de investimento

18/10/16 57

Diagrama Elétrico APH

18/10/16 58

Testes em Laboratório

18/10/16 59

Testes em Laboratório

18/10/16 60

Testes em Laboratório

Perfil conservativo

Tabela 6 – Cálculo de elevação de temperatura no cabo

Tabela 7 – Cálculo de elevação de temperatura no cabo

18/10/16 61

Cálculo de elevação de temperatura no cabo por perfil de voo

18/10/16 62

Seleção da Bateria interna

18/10/16 63

Calibração dos Sensores para Ensaio da Bateria

18/10/16 64

Resultado do Ensaio da Bateria de Potência

18/10/16 65

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 5020

21

22

23

24

25

26

27

28

29

X: 1.033

Y: 21.21

Tempo(min)

Tem

pera

tura

(C)

Temperaturas na Célula Ensaiada 2C 3.6L

X: 34.75

Y: 27.79

Temp sup cel

Temp inf cel

Temp sup agua

Temp Ar Ext

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50-100

0

100

200

300

400

500

X: 2

Y: 370.3

Tempo(min)

Para

mêtr

os E

létr

icos

X: 2.034

Y: 124.1

X: 2.034

Y: 7.61

X: 1.9

Y: 445.6

X: 25.98

Y: 294.7

Paramêtros Elétricos da Célula Ensaiada 2C 3.6L

X: 26.07

Y: 316.8

X: 26.07

Y: 105.7

X: 25.97

Y: 152.8

X: 0.5835

Y: 418.4

X: 1.234

Y: 470.9

X: 1.033

Y: 130.2

X: 0.9835

Y: -0.172

Tensao (cV)

Corrente (A)

Potencia (W)

Energia (W*h)

Resultado do Ensaio da Bateria de Potência

18/10/16 66

3 células em serie 24 em paralelo - 4 fans push-pull laterais Temperatura máxima: 47,4⁰C Diferença máxima de temperatura entre as células: ≈ 8⁰C

Soluções e Análise

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Soluções e Análise

18/10/16

Mudanças Estruturais

d

l

φ

68

O estudo e análise do sistema híbrido demonstrou-o como promissor obtendo ganhos superiores a 40 % e diminuição das poluição superior a este número, além de poder usar combustíveis renováveis;

O sistema puramente elétrica atende a casos particulares (é muito dependente da densidade energética das baterias (hoje já esta disponível no mercado baterias comerciais com o dobro da densidade energética)

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Conclusões

Desenvolvimento de um sistema Híbrido

Aplicação a aeronave de maior porte

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Trabalhos Futuros

Internet: 1. https://www.swe.siemens.com/portugal/web_nwa/pt/PortalInternet/QuemSomos/negocios/Industry/IA_DT/Notici

as_Eventos/noticias/Pages/Siemens_apresenta_primeiro_aviao_hibrido_do_mundo.aspx

Apresentações

Do desenvolvimento da Aeronave de Propulsão Elétrica/Híbrida – ACS/FINEP

Links sobre o Projeto http://economictimes.indiatimes.com/slideshows/science-technology/sora-e-a-carbon-fiber-

made-electric-powered-aircraft/dual-electric-engine/slideshow/47796425.cms

http://economia.uol.com.br/noticias/redacao/2014/08/28/prototipo-de-aviao-eletrico-e-testado-e-

deve-fazer-1-voo-ate-novembro.htm

http://www.progresso.com.br/caderno-a/brasil-mundo/brasil-realiza-testes-com-aviao-eletric

http://www.clickfozdoiguacu.com.br/itaipu-testa-primeiro-aviao-eletrico-tripulado-da-america-

latina/o-tripulado

https://www.brasil.gov.br/infraestrutura/2014/08/comecam-testes-com-primeiro-aviao-eletrico-

tripulado

http://portaliguacu.com.br/noticias-gerais/itaipu-inicia-testes-com-o-primeiro-aviao-eletrico-

tripulado-da-america-latina-4954

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Fontes

Por contratar/apoiar/apresentar o desenvolvimento do projeto, ceder

imagens e informações agradecemos a:

ACS www.acs-solutions.com.br

FINEP www.finep.gov.br/

ITAIPU www.itaipu.gov.br

National Instruments www.ni.com

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Agradecimentos

KRYPEM – Sistemas e Soluções

São José dos Campos – SP – BR

Fone/Fax: +55 (12) 3302-1032

www.krypem.com

Glêvson Diniz Franco - Eng. Sist.

Cel.: +55 (12) 8123-6056

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