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A Shell Eco-Marathon (SEM) é uma competição automobilística internacional, na qual os participantes competem, dentre outros prêmios, por apresentar um protótipo de carro elétrico que realize o percurso planejado com o menor consumo de energia possível. Os competidores são, em sua maioria, times de estudantes universitários buscando incrementar  seu currículo acadêmico com atividades extracurriculares. As equipes são incentivadas a elaborar um modelo Urbano que seja não apenas eficiente, como sustentável, confortável e acessível.

Quem somos

A equipe Ecocar UNICAMP, sediada na Universidade Estadual de Campinas, é composta por aproximadamente 40 universitários de diversos cursos: Engenharia mecânica, Engenharia de controle e automação, Engenharia elétrica, Midialogia, Administração, dentre outros. Temos como missão elaborar um projeto criativo de sucesso, enquanto aprofundamos nosso conhecimento técnico, desenvolvemos habilidades interpessoais e colaboramos para a disseminação de conhecimento científico no Brasil.

Nossa história

Nossa equipe foi fundada em 2004, inicialmente participando da Maratona de Eficiência Energética. Em 2016, a competição Shell Eco-Marathon veio para o Brasil e passamos a competir nesse novo meio. Atualmente, estamos participando da modalidade de protótipo de carro elétrico Urbano, após dois anos de suspensão das atividades presenciais da SEM. 

Nossas principais conquistas dos últimos anos incluem o 1º lugar mundial na premiação Pitch The Future “Electric Mobility” de 2020, o 1º lugar Regional do Off-Track “Data And Telemetry” de 2021 e 2022 e o 6º lugar no ranking mundial de 2021.

Organização da equipe

Nossa equipe é formada por universitários voluntários, escolhidos por processos seletivos semestrais, que se dividem em 3 grandes áreas de trabalho principais: Elétrico, Mecânico e Administrativo. Dentro dessas áreas, os integrantes se subdividem em departamentos gerenciados por um Diretor de Departamento, e o projeto, como um todo, é gerido por um Capitão de Equipe. Cada departamento é responsável por um segmento do protótipo final, com este modelo de divisão de responsabilidades sendo recomendado para grupos profissionais, a equipe como um todo consegue ser mais eficiente em seus trabalhos e entregar melhores resultados.

Fluxograma da organização da equipe Ecocar UNICAMP
                                                                           Organização da equipe Ecocar UNICAMP 

Protótipo do Carro Elétrico – Área Mecânica  

Estrutura e aerodinâmica

O departamento de Estrutura e Aerodinâmica é o responsável por projetar, otimizar e manufaturar componentes mecânicos tanto estruturais, que fornecerão suporte e sustentação aos outros projetos, quanto aerodinâmicos, os quais visam principalmente uma melhoria na eficiência energética do veículo. Portanto, podemos dizer que este departamento fornece o esqueleto e a casca para o carro.

A parte estrutural se baseia na construção de um Chassis Tubular, feito a partir de tubos quadrados de alumínio, um material interessante por apresentar uma boa resistência mecânica e ser relativamente mais leve que outros metais estruturais. Em relação à aerodinâmica, utilizamos em nossos protótipos a tecnologia de compósitos, sendo aplicada a partir do processo de laminação: uma combinação de fibra de carbono com um sistema de resinas, o que nos proporciona uma carenagem leve e resistente.

Por se tratar de um veículo elétrico de alta eficiência, otimizações de redução tanto de peso quanto de forças do ar que atuam contra o movimento do carro são muito importantes. Para isto, além de estudos específicos nestas áreas, softwares de CAD 3D e que realizam simulações de Estática, para o chassis, e de Fluxo de ar, para a carenagem, são utilizados no protótipo de carro elétrico e nos fornecem resultados precisos e confiáveis.

Montagem do chassi feito a partir do Solidworks
                                                                         Montagem do chassi feito a partir do Solidworks

Direção e Freios

O departamento de Direção e Freios atua principalmente na parte mecânica do carro e também dimensionando alguns projetos em paralelo com a telemetria e o powertrain, como é o caso do volante. O escopo principal é o dimensionamento e análise de todo o sistema de suspensão e de freios do projeto, além da manufatura do sistema de direção que envolve a caixa de direção e o volante.

Para melhor eficiência, utilizamos em nosso projeto um sistema de suspensão duplo-A fixa,que não requer o dimensionamento de molas e amortecedores. Para isso, contamos com o estudo de bibliografias automotivas e de dimensionamento de carros de alta eficiência. Já a parte de freios, buscamos utilizar peças disponíveis no mercado, como

O sistema de freios da Honda CBX 250, que conta com freio a disco. Em relação a manufatura da caixa de direção e do volante, partimos para a utilização de peças em 3D, de modo a diminuir significativamente o peso do sistema. O volante desenvolve-se em paralelo com o departamento de telemetria e o de powertrain, visto que é necessário alocar algumas funções que irão ser configuradas no volante.

Todo o dimensionamento e desenvolvimento de cada peça do projeto é feita com a ajuda de softwares específicos de modelagem e simulação, como o SolidWorks. Com isso, conseguimos obter uma maior segurança na construção e manufatura do projeto.

Simulação estática manga de direção do carro elétrico
                           Simulação estática manga de direção do carro elétrico
Montagem da Manga Dianteira do protótipo de carro elétrico feita no Solidworks
                Montagem da Manga Dianteira do protótipo do carro feita no Solidworks

Transmissão

O departamento de transmissão serve como a ponte entre o mecânico e o elétrico, seja diretamente, com o movimento do motor elétrico sendo transferido às rodas por meio do sistema de transmissão, ou indiretamente, com tarefas paralelas que envolvem as duas áreas. O projeto principal deste departamento é o primeiro: projetar, simular e otimizar como a rotação do motor gera a rotação das rodas. 

Para projetar esse sistema, é necessário um modelo de dinâmica veicular. De modo geral, forças mecânicas dissipativas e o motor são analisadas para encontrar uma razão de transmissão ideal, e, a partir desta, inicia-se a modelagem das duas engrenagens principais. Como o objetivo é ser o mais eficiente possível, é necessário selecionar um material leve porém resistente para as engrenagens. Aqui entram as simulações estáticas (análise de forças), paramétricas (análise de materiais) e topológicas (análise de onde material pode ser removido). Com tudo isso feito, basta analisar as fixações de cada componente no carro elétrico e realizar a montagem!

Além do projeto principal, este departamento também é responsável pelo novo sistema do Urban Concept: o limpador de para-brisas. Como o Urban tem como finalidade ser mais semelhante a carros cotidianos, esse sistema de segurança se torna essencial. Para projetar tal sistema, é preciso trabalhar com a área elétrica diretamente, pois a rotação do limpador de para-brisa vem de um motor (elétrico) separado. Assim, os cálculos mecânicos são realizados – torque necessário, qual palheta usar, o tamanho do braço – e o acionamento é projetado com os membros do elétrico.

Montagem da transmissão feita no Solidworks
                                                                               Montagem da transmissão feita no Solidworks

Protótipo do Carro Elétrico – Área Elétrica

Powertrain

O departamento do powertrain, em tradução literal “trem de potência”, é responsável por todo o sistema de armazenamento, gerenciamento e distribuição de energia, e no caso do veículo elétrico, pelo seu uso para propulsão através de motor(es) elétrico(s), além de projetar e instalar os circuitos elétricos auxiliares, como iluminação, buzina, etc.

Partindo do armazenamento, uma escolha popular em veículos é a bateria de íon-lítio devido a sua alta densidade energética, ou seja, quanta energia pode armazenar para uma unidade de massa, o que é um parâmetro crítico para a eficiência energética. Esta bateria é composta por várias células associadas em série e em paralelo para obter-se a tensão e capacidade de carga desejadas, em nosso caso 48,1V e 5200 mAh respectivamente. Por fim, a sua carga deve ser gerenciada por um BMS (battery management system), sistema que impede a sobretensão ou sobrecarga das células e iguala suas cargas, dado que células desbalanceadas podem ser perigosas.

Para distribuir a energia, precisamos cumprir uma série de procedimentos de segurança para que depois a energia seja distribuída para os sistemas de setas, iluminação, limpador de para-brisas, ventilação, buzina e sistema controlador e motor, que serão abordados em detalhes nos próximos artigos.

Portanto, as otimizações possíveis no departamento serão feitas nos sistemas auxiliares para que consumam o mínimo de energia possível através da escolha de componentes eficientes, no controlador de forma que a placa gaste o mínimo de energia ao converter a corrente para o motor e na seleção deste com boa densidade de potência, ou seja, alto torque para uma unidade de massa, além de alta eficiência de conversão de energia elétrica em energia mecânica.

Telemetria

A telemetria é responsável pelo diagnóstico do veículo, funcionando como um “médico da equipe”, visto que permite visualizar e identificar a performance do projeto com gráficos e valores. Por meio de sensores localizados em pontos de interesse, é possível coletar dados de operação do carro funcionando, como por exemplo, velocidade, temperatura do motor e bateria, corrente e tensão em subsistemas, dentre outros.

Para coleta de dados, nosso veículo implementa um protocolo de comunicação descentralizada chamado CAN (Controller Area Network), formado por “nós” (microcontroladores) que podem trocar informações de maneira independente por um canal de comunicação central chamado CAN Bus. Utilizamos Arduinos Nano para esses nós, que são responsáveis por coletar os dados de um grupamento de sensores. Os valores são recebidos por um processador principal localizado na traseira do veículo, que faz um refinamento desses dados e os enviam para um computador da equipe, através de um módulo de rádio XBee. No computador, esses dados serão salvos, tratados e exibidos em um aplicativo de dashboards desenvolvido em linguagem Python. Um display no cockpit do protótipo elétrico também permite a visualização da velocidade atual do carro pelo piloto.

Por meio da análise de dados, é possível entender a dinâmica de nosso projeto na pista, já que conseguimos investigar problemas de eficiência no carro ao associar diferenças de seu comportamento esperado para o real. Também nos permite observar em quais situações de pilotagem a performance do carro é prejudicada, e seu consumo de energia elétrica.

Modelo reduzido do projeto de telemetria aplicado no carro
                                                                    Modelo reduzido do projeto de telemetria aplicado no carro

Protótipo do Carro Elétrico – Área Administrativa

O departamento administrativo é subdividido em:

Gestão, que tem como objetivo o planejamento financeiro da equipe, busca e formalização de parcerias com patrocinadores, logística para competição (transporte do carro, da equipe, estadia) e, principalmente, monitorar a equipe de modo que todos os departamentos  dialoguem entre si e caminhem juntos com o projeto. Assim, garantimos que as expectativas e metas do veículo estejam adequadas à todos os membros.

Marketing, responsável pela organização de eventos da equipe, divulgação das parcerias e processos seletivos, e integração da equipe nas redes sociais, bem como o design das camisetas e da parte estética do carro. Dessa forma, conseguimos chamar atenção para nossas conquistas e futuros eventos.

Nossa equipe sempre busca colher feedback de nossos membros para nos adaptarmos às mudanças e imprevistos em nosso projeto. Desse modo, podemos estar sempre trabalhando juntos para construir o melhor protótipo de carro elétrico possível.

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