“quando se aproximavam de jericó, estava um cego sentado...

O Cego de Jericó

“Quando se aproximavam de Jericó, estava um cego sentado, a esmolar, à beira da

estrada. Ouvindo a multidão que passava, perguntou o que era aquilo. Disseram-lhe que

era Jesus de Nazaré que ia a passar. Então bradou: «Jesus, Filho de David, tem

misericórdia de mim!» Os que iam à frente repreendiam-no, para que se calasse. Mas

ele gritava cada vez mais: «Filho de David tem misericórdia de mim!» Jesus parou e

mandou que lho trouxessem. Quando o cego se aproximou, perguntou-lhe: «Que queres

que te faça?» Respondeu: «Senhor, que eu veja!» Jesus disse-lhe: «Vê. Salvou-te a tua

fé». Naquele mesmo instante, recobrou a vista, e pôs-se a segui-Lo, glorificando a Deus.

E todo o povo, ao ver isto, deu louvores a Deus.”

Lc 18, 35-43

Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias iii

Agradecimentos

Desejo agradecer ao meu orientador João Luiz Afonso pela disponibilidade,

compreensão, cooperação, incentivo, e por ter permitido que usufruísse de um espaço

no laboratório de Electrónica de Potência, possibilitando a execução prática deste

trabalho.

A todos os meus colegas de laboratório, em especial aos investigadores Domingos

Gonçalves, Gabriel Pinto, Pedro Neves e Renato Alves pela amizade, pelas óptimas

sugestões e pelo excelente ambiente proporcionado.

A todos os técnicos do Departamento de Electrónica Industrial pela sua simpatia e

disponibilidade.

Aos meus pais João e Anabela pelo esforço e apoio dado ao longo de todo o meu

percurso académico. Agradeço-lhes também pelo amor que me deram e por permitirem

que eu lutasse por este sonho.

À minha noiva Carla agradeço-lhe pela paciência, pela confiança e por me dedicar

todo o tempo da sua vida.

A todas as pessoas não mencionadas.

A Deus por tudo.

Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias v

Resumo

A crescente aposta em veículos híbridos e eléctricos recorrendo a baterias, como

fonte primária ou secundária de energia, representa uma mais-valia para a

independência dos custos do petróleo e contribui para a redução da emissão de gases

com efeito de estufa, como o CO2. Todavia, com esta aposta pretende-se que o método

de carregamento das baterias seja benéfico, não só para prolongar ao máximo a vida útil

das baterias, mas também para o Sistema Eléctrico Nacional, de modo a preservar a

Qualidade da Energia Eléctrica.

Assim, esta Dissertação descreve a implementação de um Sistema Inteligente de

Carregamento de Baterias que visa carregar as baterias dos veículos híbridos e eléctricos

com o melhor algoritmo, de acordo com as informações do fabricante, e ao mesmo

tempo consumir corrente sinusoidal e em fase com a tensão. Para além do

carregamento, o Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias permite descarregar

as baterias directamente para uma carga, ou então, devolver a energia armazenada nas

mesmas para o Sistema Eléctrico Nacional, ou seja, o Sistema Inteligente de

Carregamento de Baterias apresentado funciona de forma bidireccional.

Ao longo desta Dissertação, numa fase inicial é apresentado o estado da arte sobre

tecnologias de baterias e sobre carregadores de baterias. Depois são descritos os

algoritmos utilizados no sistema de controlo, são apresentados os resultados de

simulação e os resultados experimentais obtidos, com os quais se pretende validar os

algoritmos de controlo proposto nesta Dissertação. Tais algoritmos permitem que o

Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias possa aplicar diferentes estágios de

carregamento às baterias e ao mesmo tempo manter sinusoidal a corrente no lado CA e

unitário o factor de potência.

Palavras-Chave: Carregamento Controlado de Baterias, Conversor Bidireccional,

Consumo Sinusoidal e Factor de Potência Unitário.

Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias vii

Abstract

The recent increase in hybrid and electric vehicles using batteries, as primary or

secondary source of energy, represent a gain for independence of the cost of the oil and

contributes to reducing the emission of greenhouse gases like CO2. However, with this

purpose it is also intended that the methods for charging batteries are beneficial, not

only to the lifespan of the batteries, but also to preserve the Power Quality of the

Electrical System.

In order to that, this dissertation describes the implementation of an intelligent

battery charging equipment designed to charge the batteries of hybrids and electrical

vehicles with the best algorithm according to information of the manufacturer, while

consuming a current waveform in phase with the voltage. In addition, the developed

equipment allows to discharge the batteries directly to a load, or to return the energy

stored in batteries to the Electric System, i.e., the Intelligent System for Charging

Batteries works in bidirectional mode.

First, this Dissertation describes the stat-of-art about batteries technologies and

their charging systems. Then, the algorithm used in the control system is described and

presented the simulations results and the experimental results, obtained to validate the

developed control algorithm, which determines the reference current and regulates the

voltage in the DC capacitor or the current in the AC inductance, of the Intelligent

Batteries Charging System developed in this Dissertation work.

Keywords: Control Charging Batteries, Bidirectional Converter, Sinusoidal

Current and Unity Power Factor.

Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias ix

Índice

Resumo ........................................................................................................................................................ v

Abstract ..................................................................................................................................................... vii

Lista de Figuras .......................................................................................................................................xiii

Lista de Tabelas ....................................................................................................................................... xxi

Lista de Abreviaturas ............................................................................................................................xxiii

CAPÍTULO 1 Introdução .................................................................................................................... 1

1.1. O Problema Energético nos Transportes ........................................................................................ 1

1.2. Enquadramento ............................................................................................................................... 2

1.3. Motivações ..................................................................................................................................... 2

1.4. Objectivos....................................................................................................................................... 2

1.5. Organização da Dissertação ........................................................................................................... 3

CAPÍTULO 2 Baterias Eléctricas ....................................................................................................... 5

2.1. Introdução....................................................................................................................................... 5

2.2. Baterias ........................................................................................................................................... 5

2.2.1. Baterias vs. Células de Combustível ................................................................................... 6

2.2.2. Baterias vs. Flywheel’s ........................................................................................................ 8

2.3. Cronologia das baterias ................................................................................................................ 10

2.4. “Efeito Memória” das Baterias ..................................................................................................... 10

2.5. Tecnologia das Baterias ................................................................................................................ 11

2.5.1. Baterias de Chumbo .......................................................................................................... 12

2.5.2. Baterias de Lítio ................................................................................................................ 16

2.5.3. Baterias de Níquel-Cádmio ............................................................................................... 19

2.5.4. Baterias de Níquel-Hidreto-Metálico ................................................................................ 22

2.6. Baterias Inovadoras ...................................................................................................................... 24

2.6.1. C.S.I.R.O. – UltraBateria ................................................................................................. 24

2.6.2. Bateria NanoSafe............................................................................................................... 24

2.6.3. Toshiba – S.C.i.B. ............................................................................................................. 25

2.6.4. UltraCondensador ............................................................................................................. 26

2.7. Sistemas de Gestão das Baterias ................................................................................................... 29

2.7.1. BMS para baterias TS-LFP90AHA da Thundersky ........................................................... 30

2.7.2. Lithium Balance BMS 23 Cell ........................................................................................... 30

2.7.3. Victron Energy .................................................................................................................. 31

2.7.4. PCM para Baterias de Lítio ............................................................................................... 32

2.7.5. Exemplo de Banco de Baterias com BMS para veículo Eléctrico ..................................... 33

2.8. Veículos Híbridos e Eléctricos ..................................................................................................... 34

2.9. Mobilidade dos Veículos Híbridos e Eléctricos ........................................................................... 40

2.10. Módulos de Baterias para Veículos Híbridos e Eléctricos ........................................................... 41

2.10.1. Saft Batteries ..................................................................................................................... 41

2.10.2. Valence ............................................................................................................................. 43

2.10.3. EnerDel ............................................................................................................................. 46

2.10.4. Thunder Sky ...................................................................................................................... 49

2.11. Características de Diferentes Tecnologias de Células de Baterias ............................................... 51

2.12. Características de Diferentes Tecnologias de Baterias ................................................................. 52

Índice

x Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias

2.13. Exemplos de Preços de Baterias ................................................................................................... 53

2.14. Conclusão ..................................................................................................................................... 54

CAPÍTULO 3 Carregadores de Baterias .......................................................................................... 55

3.1. Introdução..................................................................................................................................... 55

3.2. Processo de Carregamento de Baterias ......................................................................................... 56

3.3. Algoritmos de Carregamento de Baterias ..................................................................................... 56

3.3.1. Corrente Constante ............................................................................................................ 56

3.3.2. Tensão Constante .............................................................................................................. 57

3.3.3. Potência Constante ............................................................................................................ 57

3.3.4. Temperatura Máxima e Constante .................................................................................... 58

3.3.5. Corrente Constante Seguida de Tensão Constante (I) ....................................................... 58

3.3.6. Corrente Constante Seguida de Tensão Constante (II) ...................................................... 59

3.3.7. Corrente Constante Seguida de Tensão Constante (III) .................................................... 59

3.3.8. Corrente Constante Seguida de Tensão Constante (IV) .................................................... 60

3.3.9. “Negative Delta V” – Variação da Negativa da Tensão .................................................... 60

3.3.10. Corrente Constante e Pulsada ............................................................................................ 61

3.3.11. Variação da Tensão ........................................................................................................... 61

3.4. Conversores Electrónicos para Carregadores de Baterias ............................................................ 62

3.5. Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias ........................................................................ 68

3.5.1. Conversor Bidireccional como Conversor CA-CC ........................................................... 69

3.5.2. Conversor Bidireccional como Conversor CC-CA ........................................................... 72

3.6. Exemplos de Carregadores de Baterias ........................................................................................ 74

3.6.1. Werkraft WK-AFN9 ........................................................................................................... 74

3.6.2. Excel CF ............................................................................................................................ 74

3.6.3. Smart Charger Li-Ion Battery Pack .................................................................................. 75

3.6.4. Smart Charger LiFePO Battery Pack ............................................................................... 76

3.6.5. Smart Charger NiCd / NiMH Battery Pack....................................................................... 77

3.6.6. Smart Fast Charger Lead Acid Battery ............................................................................. 77

3.7. Conclusão ..................................................................................................................................... 78

CAPÍTULO 4 Simulações do Sistema de Carregamento de Baterias ............................................ 81

4.1. Introdução..................................................................................................................................... 81

4.2. Circuito de Potência ..................................................................................................................... 82

4.3. Circuito de Comando.................................................................................................................... 82

4.4. Modelo de Bateria ........................................................................................................................ 84

4.5. Resultados das Simulações ........................................................................................................... 86

4.5.1. Simulação de Carregamento com Algoritmo de Tensão Constante de um Banco de

Baterias de Chumbo-Ácido de 48 V e 44 Ah .................................................................................... 87

4.5.2. Simulação de Carregamento com Algoritmo de Corrente Constante de um Banco de

Baterias de Chumbo-Ácido de 48 V e 44 Ah .................................................................................... 92

4.5.3. Simulação de Carregamento com Algoritmo de Corrente Constante Seguido de

Tensão Constante de um Banco de Baterias de Chumbo-Ácido de 48 V e 44 Ah ............................ 98

4.5.4. Simulação de Descarregamento para a Rede Eléctrica com Algoritmo de Corrente

Sinusoidal no lado CA de um Banco de Baterias de Chumbo-Ácido de 48 V e 44 Ah .................. 104

4.6. Conclusão ................................................................................................................................... 106

CAPÍTULO 5 Implementação do Sistema de Carregamento de Baterias ................................... 109

5.1. Introdução................................................................................................................................... 109

5.2. Circuito de Potência ................................................................................................................... 109

5.2.1. Conversor Bidireccional.................................................................................................. 110

5.2.2. Indutância do Lado CA ................................................................................................... 111

Índice

Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias xi

5.2.3. Condensador do Lado CC ............................................................................................... 111

5.2.4. Circuito de Pré-Carga do Condensador do Lado CC ...................................................... 112

5.2.5. Banco de Baterias ............................................................................................................ 112

5.3. Circuito de Comando.................................................................................................................. 113

5.3.1. Sensores de Tensão de Efeito Hall .................................................................................. 113

5.3.2. Sensores de Corrente de Efeito de Hall........................................................................... 115

5.3.3. Condicionamento de Sinais ............................................................................................. 117

5.3.4. Microcontrolador PIC ..................................................................................................... 118

5.3.5. Circuito de Comando dos Sinais para os IGBT's ............................................................ 121

5.3.6. Circuito de Drivers .......................................................................................................... 122

5.3.7. Circuito de Detecção de Erros ......................................................................................... 123

5.3.8. Circuito do Conversor Digital Analógico ....................................................................... 124

5.3.9. LCD ................................................................................................................................ 124

5.4. Conclusão ................................................................................................................................... 125

CAPÍTULO 6 Resultados Experimentais do Sistema de Carregamento de Baterias ................. 127

6.1. Introdução................................................................................................................................... 127

6.2. Princípio de Funcionamento e Validação do Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias 127

6.3. Carregamento de um Banco de Baterias de Chumbo-Ácido com 48 V e 44 Ah ........................ 131

6.3.1. Carregamento do Banco de Baterias com Algoritmo de Tensão Constante .................... 131

6.3.2. Carregamento do Banco de Baterias com Algoritmo de Corrente Constante ................. 133

6.3.3. Carregamento do Banco de Baterias com Algoritmo de Corrente Constante Seguido

de Tensão Constante ....................................................................................................................... 135

6.4. Descarregamento de um Banco de Baterias de Chumbo-Ácido com 48 V e 44 Ah ................... 138

6.4.1. Descarregamento do Banco de Baterias Directamente para uma Carga CC com

Algoritmo de Controlo da Tensão das Baterias .............................................................................. 138

6.4.2. Descarregamento do Banco de Baterias com Algoritmo de Corrente Sinusoidal no

Lado CA 138

6.5. Conclusão ................................................................................................................................... 140

CAPÍTULO 7 Conclusões e Sugestões de Trabalho Futuro ......................................................... 143

7.1. Conclusões ................................................................................................................................. 143

7.2. Trabalho Futuro .......................................................................................................................... 144

Referências .............................................................................................................................................. 147

Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias xiii

Lista de Figuras

Figura 2.1 – Célula de combustível ElectraGen [3]. .................................................................................... 8

Figura 2.2 – Aspecto externo do flywheel e sua constituição interna [7]. ..................................................... 9

Figura 2.3 – Portátil Macintosh Portable equipado com baterias de chumbo [12]. ................................... 13

Figura 2.4 – Bateria de Deep Cycle YellowTop da Optima [13]. ................................................................ 13

Figura 2.5 – Exemplo de baterias Trojan Deep-Cycle [16]. ....................................................................... 15

Figura 2.6 – Curvas de carregamento das baterias Torjan Deep-Cycle [16]. ............................................. 15

Figura 2.7 – Principal risco associado às baterias de lítio: explosões [18]. ................................................ 17

Figura 2.8 – Exemplo de célula de bateria A123Systems [19]. ................................................................... 18

Figura 2.9 – Curvas de descarregamento que relacionam a tensão com a capacidade de carga

absoluta, a diferentes taxas de descarregamento, com temperatura de 25 ºC, das células

ANR26650m1 da A123Systems [19]. .......................................................................................................... 18

Figura 2.10 – Curvas de descarregamento que relacionam a tensão com a capacidade de carga

percentual a diferentes taxas de descarregamento e temperatura, das células ANR26650m1 da

A123Systems [19]. ...................................................................................................................................... 19

Figura 2.11 – Evolução do estado da capacidade de carga percentual ao longo do número de ciclos a

diferentes temperaturas e taxas de carregamento e descarregamento das células ANR26650m1 da

A123Systems [19]. ...................................................................................................................................... 19

Figura 2.12 – Célula de bateria de NiCd Cadnica da Sanyo [21]. .............................................................. 21

Figura 2.13 – Curvas de descarregamento que relacionam a tensão com o tempo total de

descarregamento para duas taxas de descarregamento distintas da célula de bateria de NiCd Cadnica

da Sanyo [21]. ............................................................................................................................................. 21

Figura 2.14 – Curvas de carregamento que relacionam a tensão com tempo total de carregamento

para diferentes temperaturas com uma corrente de carregamento de 0,7 A, da célula de NiCd

Cadnica da Sanyo [21]. .............................................................................................................................. 21

Figura 2.15 – Células de baterias de NiMH eneloop da Sanyo [22]. .......................................................... 23

Figura 2.16 – Curvas de carregamento que relacionam a tensão e o tempo total de carregamento, a

diferentes temperaturas, para uma corrente de carregamento de 2 A das células eneloop da Sanyo

[22]. ............................................................................................................................................................ 23

Figura 2.17 – Curvas de descarregamento que relacionam a tensão com a DOD a diferentes taxas de

descarregamento das células eneloop da Sanyo [22]. ................................................................................. 23

Figura 2.18 – UltraBateria da C.S.I.R.O. [23]. .......................................................................................... 24

Figura 2.19 – Bateria NanoSafe da Altairnano [24]. .................................................................................. 25

Figura 2.20 – Célula e módulo S.C.i.B. [26]. ............................................................................................. 26

Figura 2.21 – Constituição interna de um UltraCondensador [27]. ............................................................ 27

Figura 2.22 – UltraCondensador da NESSCAP UltraCapacitors de 5000 F e 2,7 V [28]. ......................... 27

Figura 2.23 – UltraCondensador da Batscap de 2600 F e de 2,7 V [29]. ................................................... 28

Figura 2.24 – Módulo de UltraCondensadores BMOD Power [30]. .......................................................... 28

Figura 2.25 – BMS para baterias TS-LFP90AHA da Thundersky [31]. ...................................................... 30

Figura 2.26 – Lithium Balance BMS 23 Cell [32]. ..................................................................................... 30

Figura 2.27 – Esquema de ligações do Lithium Balance BMS 23 Cell [32]. .............................................. 31

Figura 2.28 – Aspecto externo do Victron Energy [34]. ............................................................................. 31

Figura 2.29 – Gráfico obtido com o Victron Energy, modelo BMV 602 e o software VEBat software,

durante o carregamento de uma bateria [33]. ............................................................................................. 32

Lista de Figuras

xiv Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias

Figura 2.30 – PCM para baterias de lítio [35]. ........................................................................................... 32

Figura 2.31 – Diagrama de blocos de um banco de baterias com BMS para veículo eléctrico [36]. ......... 33

Figura 2.32 – BMS’s e módulo de bateria do banco de baterias de veículo eléctrico [36]. ........................ 33

Figura 2.33 – Banco de baterias do Tesla Roadster [41]. ........................................................................... 37

Figura 2.34 – Relação entre a aceleração e a eficiência energética para diferentes veículos visando

enaltecer o Tesla Roadster [42]. ................................................................................................................. 38

Figura 2.35 – Módulo de baterias NHE Module da Saft [56]. .................................................................... 41

Figura 2.36 – Curvas de descarregamento que relacionam a tensão com a DOD percentual, para

diferentes correntes de descarregamento, nos módulos NHE 10-100 Module da Saft [56]. ....................... 42

Figura 2.37 – Evolução do estado da carga percentual ao longo dos dias, às temperaturas de +23ºC e

+40ºC, nos módulos NHE 10-100 Module da Saft [56]. ............................................................................. 43

Figura 2.38 – Evolução do estado da capacidade de carga percentual ao longo do número de ciclos

de carregamento e descarregamento nos módulos NHE 10-100 Module da Saft [56]. ............................... 43

Figura 2.39. – Relação entre os picos de potência e a DOD percentual nos módulos NHE 10-100

Module da Saft [56]. ................................................................................................................................... 43

Figura 2.40 – Baterias XP Battery Module da Valence [57]. ...................................................................... 44

Figura 2.41 – Curvas de descarregamento que relacionam a tensão da bateria com a DOD percentual,

para diferentes taxas de descarregamento à temperatura de funcionamento de +23 ºC [57]. ..................... 45

Figura 2.42 – Evolução do estado da capacidade de carga percentual ao longo do número de ciclos

de carregamento e descarregamento à taxa de C / 2 e à temperatura de +23 ºC [57]. ................................ 45

Figura 2.43 – Curvas de carregamento que relacionam a capacidade de carga percentual com a

tensão da bateria e com o tempo total de carregamento [57]. ..................................................................... 46

Figura 2.44 – Células de bateria da EnerDel [59]. ..................................................................................... 46

Figura 2.45 – Bateria da EnerDel [59]. ...................................................................................................... 46

Figura 2.46 – Curva de descarregamento que relaciona a tensão da célula com capacidade de carga

absoluta nas células LiTiO [59]. ................................................................................................................. 47

Figura 2.47 – Curva de descarregamento que relaciona a tensão da célula com a DOD percentual

para uma taxa de descarregamento de 1 C à temperatura de 30 ºC [59]. .................................................... 48

Figura 2.48 – Comparação de baterias da EnerDel com as tradicionais de NiMH [58]. ............................ 48

Figura 2.49 – Evolução da capacidade de carga absoluta da bateria ao longo do número de ciclos

para as condições de carregamento e descarregamento especificadas [59]. ............................................... 48

Figura 2.50 – Bateria TS-LPF90AHA da Thunder Sky [60]........................................................................ 49

Figura 2.51 – Curvas de carregamento que relacionam a tensão da célula com a corrente e com a

capacidade de carga percentual ao longo do tempo [60]. ........................................................................... 50

Figura 2.52 – Curvas de descarregamento que relacionam a tensão da célula com a DOD percentual

para diferentes taxas de descarregamento [60]. .......................................................................................... 50

Figura 2.53 – Curvas de descarregamento que relacionam a tensão da célula com a DOD percentual

para diferentes temperaturas a uma taxa de descarregamento de 0,5 C [60]. ............................................. 50

Figura 3.1 – Evolução da tensão e da corrente ao longo do tempo, com o algoritmo: corrente

constante. .................................................................................................................................................... 57

Figura 3.2 – Evolução da tensão e da corrente ao longo do tempo, com o algoritmo: tensão constante. ... 57

Figura 3.3 – Evolução da tensão e da corrente ao longo do tempo, com o algoritmo: potência

constante. .................................................................................................................................................... 58

Figura 3.4 – Evolução da tensão e da corrente ao longo do tempo, com o algoritmo: temperatura

máxima e constante. ................................................................................................................................... 58


constante seguida de tensão constante (I). .................................................................................................. 59


Lista de Figuras

Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias xv

constante seguida de tensão constante (II).................................................................................................. 59


constante seguida de tensão constante (III). ............................................................................................... 60


constante seguida de tensão constante (IV). ............................................................................................... 60

Figura 3.9 – Evolução da tensão e da corrente ao longo do tempo, com o algoritmo: “Negative Delta

V”. .............................................................................................................................................................. 61


constante e pulsada. .................................................................................................................................... 61

Figura 3.11 – Evolução da tensão e da corrente ao longo do tempo, com o algoritmo: variação da

tensão. ......................................................................................................................................................... 62

Figura 3.12 – Conversor CA-CC com diodos e filtro capacitivo na saída. ................................................. 62

Figura 3.13 – Tensões e correntes no lado CA (ve, ie) e no lado CC (vs, is), do conversor CA-CC

com diodos e filtro capacitivo no lado CC. ................................................................................................ 63

Figura 3.14 – Utilização de um filtro indutivo série antes do conversor CA-CC com diodos e filtro

capacitivo no lado CC. ............................................................................................................................... 64

Figura 3.15 – Tensões e correntes no lado CA (ve, ie) e no lado CC (vs, is) do conversor CA-CC com

diodos e filtro capacitivo no lado CC, e com filtro indutivo série no lado CA. .......................................... 65

Figura 3.16 – Filtro LC antes do conversor CA-CC a diodos. ................................................................... 65

Figura 3.17 – Tensões e correntes à entrada (ve, ie) e à saída (vs, is) do conversor CA-CC com

diodos e filtro capacitivo no lado CC e filtro indutivo série e capacitivo paralelo no lado CA. ................. 66

Figura 3.18 – Conversor CA-CC a diodos seguido do conversor CC-CC Step-Up. ................................... 66


diodos seguido do conversor CC-CC Step-Up. .......................................................................................... 67

Figura 3.20 – Algoritmo de controlo do PWM a aplicar ao conversor CC-CC Step-Up. ........................... 67

Figura 3.21 – Conversor bidireccional CC-CC Step-Up e Step-Down. ...................................................... 68

Figura 3.22 – Conversor bidireccional, com consumo sinusoidal de corrente e factor de potência

unitário. ...................................................................................................................................................... 69

Figura 3.23 – Circuito completo do conversor bidireccional. .................................................................... 69

Figura 3.24 – Diagrama de blocos de controlo dos IGBT's do Sistema Inteligente de Carregamento

de Baterias. ................................................................................................................................................. 70

Figura 3.25 – Algoritmo de controlo de carregamento das baterias com tensão constante, com

corrente constante ou com corrente constante seguida de tensão constante. .............................................. 71

Figura 3.26 – Diagrama de blocos de controlo dos IGBT's do Sistema Inteligente de Carregamento

de Baterias. ................................................................................................................................................. 72

Figura 3.27 – Algoritmo de controlo do descarregamento das baterias como conversor CC-CA ou

directamente sobre uma carga. ................................................................................................................... 73

Figura 3.28 – Carregador de baterias Werkraft WK-AFN9 [69]. ................................................................ 74

Figura 3.29 – Carregador Excel CF [70]. ................................................................................................... 75

Figura 3.30 – Carregador Smart Charger Li-Ion Battery Pack [71]. .......................................................... 75

Figura 3.31 – Smart Charger LiFePO Battery Pack [72]. .......................................................................... 76

Figura 3.32 – Smart Charger NiCd / NiMH Battery Pack [73]. ................................................................. 77

Figura 3.33 – Smart Fast Charger Lead Acid Battery [74]. ....................................................................... 78

Figura 4.1 – Ambiente de trabalho do software PSCAD. ........................................................................... 81

Figura 4.2 – Circuito de potência implementado no PSCAD para simular o funcionamento do

Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias. ..................................................................................... 82

Figura 4.3 – Simulação dos sensores de tensão e de corrente e respectivo condicionamento de sinais. .... 83

Lista de Figuras

xvi Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias

Figura 4.4 – Simulação do circuito de ADC's. ........................................................................................... 83

Figura 4.5 – Modelo do microcontrolador desenvolvido e circuito de enable. .......................................... 84

Figura 4.6 – Definição, através do modelo do microcontrolador, do valor da tensão e da corrente, dos

ganhos e dos tempos de integração do controlador PI e dos tempos associados ao controlo do

Sistema de Carregamento. .......................................................................................................................... 84

Figura 4.7 – Modelo de bateria desenvolvido. ........................................................................................... 85

Figura 4.8 – Circuito interno do modelo de bateria, que permite o carregamento com tensão ou

corrente constante. ...................................................................................................................................... 85

Figura 4.9 – Circuitos de controlo do modelo de bateria para os casos em que é carregada com tensão

ou corrente constante. ................................................................................................................................. 86

Figura 4.10 – Tensão (ve) e corrente (ie) no lado CA, e corrente de referência (iref) para o lado CA,

em regime permanente. .............................................................................................................................. 87

Figura 4.11 – Tensão (vs) e corrente (is) no lado CC em regime permanente. ........................................... 88

Figura 4.12 – Parâmetros do modelo do banco de baterias para o carregamento com o algoritmo de

tensão constante. ......................................................................................................................................... 88

Figura 4.13 – Parâmetros correspondentes ao microprocessador para o algoritmo de carregamento

com tensão constante. ................................................................................................................................. 89

Figura 4.14 – Tensão (ve) e corrente (ie) no lado CA, tensão (vs) e corrente (is) no lado CC, e

corrente de referência (iref) para o lado CA, no transitório de ligação do Siema de Carregamento. ......... 89

Figura 4.15 – Potências no lado CA (p_rede) e no lado CC (p_carga), em regime permanente. .............. 90

Figura 4.16 – Valores RMS para o lado CA, da tensão (Ve_RMS), da corrente (Ie_RMS) e da

corrente de referência (Iref_RMS). ............................................................................................................. 90

Figura 4.17 – Gráficos dos harmónicos da tensão (ve) e da corrente (ie) no lado CA quando o

Sistema de Carregamento não está a funcionar (dois gráficos da esquerda) e quando está a funcionar

(dois gráficos da direita) ............................................................................................................................. 91

Figura 4.18 – Tensão (vs) e corrente (is) no lado CC no transitório de ligação do Sistema de

Carregamento. ............................................................................................................................................ 91

Figura 4.19 – Tensão (ve) e corrente (ie) no lado CA, e tensão (vs) e corrente (is) no lado CC, no

transitório de ligação do Sistema de Carregamento.................................................................................... 92

Figura 4.20 – Tensão (ve) e a corrente (ie) no lado CA e a corrente de referência para o lado CA

(iref) em regime permanente. ..................................................................................................................... 93

Figura 4.21 – Tensão (vs) e corrente (is) no lado CC em regime permanente. ........................................... 93



Figura 4.23 – Parâmetros correspondentes ao microprocessador para o método de carregamento com


Figura 4.24 – Tensão (ve) e corrente (ie) no lado CA, e tensão (vs) e corrente (is) no lado CC, assim

como corrente de referência (iref) para o lado CA. .................................................................................... 95

Figura 4.25 – Potências no lado CA (p_rede) e no lado CC (p_carga) em regime permanente. ............... 95

Figura 4.26 – Valores de RMS, para o lado CA, da tensão (Ve_RMS), da corrente (Ie_RMS) e da

corrente de referência (Iref_RMS). ............................................................................................................. 96

Figura 4.27 – Gráficos dos harmónicos da tensão e da corrente no lado CA com o Sistema de

Carregamento sem comutar (dois gráficos da esquerda) e a comutar (dois gráficos da direita). ................ 96


Carregamento. ............................................................................................................................................ 97


transitório de ligação do Sistema de Carregamento.................................................................................... 97

Figura 4.30 – Tensão (ve) e a corrente (ie) no lado CA e a corrente de referência para o lado CA

(iref) em regime permanente com corrente constante no banco de baterias. .............................................. 98

Figura 4.31 – Tensão (ve) e a corrente (ie) no lado CA e a corrente de referência (iref) para o lado

Lista de Figuras

Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias xvii

CA em regime permanente com tensão constante no banco de baterias. ................................................... 98

Figura 4.32 – Tensão (vs) e corrente (is) no lado CC no transitório entre estágios de carregamento. ........ 99


corrente constante seguido de tensão constante. ......................................................................................... 99


transitório entre estágios de carregamento. .............................................................................................. 100

Figura 4.35 – Parâmetros correspondentes ao microprocessador para este algoritmo de carregamento. . 100


como corrente de referência (iref) para o lado CA, no estágio de corrente constante. ............................. 101


como corrente de referência (iref) para o lado CA, no estágio de corrente constante. ............................. 101

Figura 4.38 – Potências no lado CA (p_rede) e no lado CC (p_carga), em regime permanente. ............ 102


corrente de referência (Iref_RMS), com o Sistema de Carregamento a funcionar, no estágio de

corrente constante e no estágio de tensão constante, respectivamente. .................................................... 102

Figura 4.40 – Gráficos dos harmónicos da tensão e da corrente no lado CA quando o Sistema de

Carregamento não está a funcionar (dois gráficos da esquerda) e quando está a funcionar (dois

gráficos da direita), durante o estágio de corrente constante. ................................................................... 103


Carregamento. .......................................................................................................................................... 103


transitório de ligação do Sistema de Carregamento, e antes do estágio de corrente constante. ................ 104

Figura 4.43 – Tensão (ve) e a corrente (ie) no lado CA, e a corrente de referência (iref) para o lado

CA, em regime permanente. ..................................................................................................................... 105

Figura 4.44 – Tensão (vs) e corrente (is) no lado CC em regime permanente. ......................................... 105

Figura 4.45 – Potências no lado CA (p_rede) e no lado CC (p_carga), em regime permanente. ............ 105


corrente de referência (Iref_RMS). ........................................................................................................... 106

Figura 4.47 – Gráficos dos harmónicos da tensão (ve) e da corrente (ie) no lado CA.............................. 106

Figura 5.1 – Circuito de potência com todos os seus elementos. ............................................................. 109

Figura 5.2 – Conversor bidireccional. ...................................................................................................... 110

Figura 5.3 – IGBT FGA25N120ANTD da Fairchild Semiconductor [75]. ............................................... 110

Figura 5.4 – Indutância utilizada no lado CA. .......................................................................................... 111

Figura 5.5 – Condensador utilizado no lado CC. ...................................................................................... 111

Figura 5.6 – Circuito de pré-carga do condensador do lado CC. .............................................................. 112

Figura 5.7 – Banco de baterias de chumbo-ácido com tensão nominal 48 V e capacidade nominal de

armazenamento 44 Ah. ............................................................................................................................. 112

Figura 5.8 – Circuito de comando potência com todos os seus elementos. .............................................. 113

Figura 5.9 – Sensor de tensão de efeito Hall LV 25-P da LEM [76]. ....................................................... 114

Figura 5.10 – Esquemático de ligações do sensor LV 25-P da LEM [77]. ................................................ 114

Figura 5.11 – Sensor de corrente LA 55-P da LEM [78]. ......................................................................... 116

Figura 5.12 – Esquemático de ligações do sensor LA 55-P da LEM [79]. ................................................ 116

Figura 5.13 – Esquemático do circuito que permite adicionar valor médio e ajustar o ganho aos sinais

com valor médio nulo. .............................................................................................................................. 117

Figura 5.14 – Esquemático do circuito de protecção e filtro RC. ............................................................. 118

Figura 5.15 – Placa de condicionamento de sinais desenvolvida. ............................................................ 118

Figura 5.16 – Constituição interna do microcontrolador PIC32MX360F512L [80]. ................................ 119

Lista de Figuras

xviii Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias

Figura 5.17 – Placa de desenvolvimento para o microcontrolador PIC32MX360F512L inserido no

PIC32MX Starter Kit. ............................................................................................................................... 120

Figura 5.18 – Ambiente de trabalho do MPLAB. ..................................................................................... 120

Figura 5.19 – Esquemático do circuito de comando dos sinais para os IGBT's. ...................................... 121

Figura 5.20 – Placa de circuito de comando dos sinais para os IGBT's desenvolvida. ............................ 121

Figura 5.21 – Esquemático do circuito de drivers para um IGBT. ........................................................... 122

Figura 5.22 – Placa de circuito de drivers desenvolvida. ......................................................................... 122

Figura 5.23 – Esquemático do circuito de detecção de excessos de corrente. .......................................... 123

Figura 5.24 – Esquemático do circuito de detecção de excessos de tensão no lado CC e detecção de

falha de dead-time. ................................................................................................................................... 123

Figura 5.25 – Placa de circuito de detecção de erros desenvolvida. ......................................................... 124

Figura 5.26 – Circuito externo do DAC712P. .......................................................................................... 124

Figura 5.27 – LCD utilizado para visualizar o estado de carregamento das baterias. .............................. 125

Figura 5.28 – Versão final do Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias desenvolvido. ............. 125

Figura 6.1 – Variac utilizado nos testes do Sistema de Carregamento. .................................................... 127

Figura 6.2 – Tensão (ve) e corrente (ie) no lado CA quando os IGBT’s do Sistema de Carregamento

não estão a comutar. ................................................................................................................................. 128

Figura 6.3 – Tensão (ve) e corrente (ie) no lado CA quando os IGBT’s do Sistema de Carregamento

estão a comutar. ........................................................................................................................................ 128

Figura 6.4 – Gráfico com os principais harmónicos da corrente no lado CA e o valor da THD total

dessa corrente, quando o Sistema de Carregamento não está a funcionar. ............................................... 129

Figura 6.5 – Gráfico com os principais harmónicos da corrente no lado CA e o valor da THD total

dessa corrente, quando os IGBT’s do Sistema de Carregamento estão a comutar. .................................. 129

Figura 6.6 – Tensão (ve) e corrente (ie) no lado CA, e tensão (vs) no lado CC, no transitório em que

os IGBT’s do Sistema de Carregamento começam a comutar. ................................................................ 130

Figura 6.7 – Tensão e corrente no lado CA, e tensão no lado CC, no mesmo transitório, numa escala

de tempo maior. ........................................................................................................................................ 130

Figura 6.8 – Tensão e corrente no lado CA, tensão no lado CC e corrente de referência (iref) para o

lado CA, no mesmo transitório. ................................................................................................................ 131

Figura 6.9 – Tensão no banco de baterias, ao longo de todo o tempo de carregamento, com tensão

constante de valor 55 V. ........................................................................................................................... 132

Figura 6.10 – Corrente de carregamento do banco de baterias, ao longo de todo o tempo de

carregamento, com tensão constante de valor 55 V.................................................................................. 132

Figura 6.11 – Sinais da tensão (ve) e da corrente (ie) do lado CA, corrente de referência (iref) para o

lado CA e tensão do lado CC (vs) na fase inicial do carregamento. ......................................................... 133


lado CA e tensão do lado CC (vs) na fase final do carregamento. ............................................................ 133

Figura 6.13 – Tensão no banco de baterias, ao longo de todo o tempo de carregamento, com corrente

constante de valor 1,2 A. .......................................................................................................................... 134

Figura 6.14 – Corrente de carregamento do banco de baterias, ao longo de todo o tempo de

carregamento, com corrente constante de valor 1,2 A. ............................................................................. 134


lado CA e tensão (vs) do lado CC na fase inicial do carregamento. ......................................................... 135


lado CA e tensão do lado CC (vs) na fase final do carregamento. ............................................................ 135

Figura 6.17 – Tensão no banco de baterias ao longo de todo o tempo de carregamento, com um

primeiro estágio de corrente constante de valor 1,2 A, seguido de um estágio de tensão constante de

valor 55 V. ................................................................................................................................................ 136

Lista de Figuras

Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias xix

Figura 6.18 – Corrente de carregamento do banco de baterias ao longo de todo o tempo de

carregamento, com um primeiro estágio de corrente constante de valor 1,2 A, seguido de um estágio

de tensão constante de valor 55 V. ........................................................................................................... 136


lado CA e tensão (vs) do lado CC na fase inicial do carregamento, ou seja, no estágio de corrente

constante. .................................................................................................................................................. 137


lado CA e tensão (vs) do lado CC na fase final do carregamento, ou seja, no estágio de tensão

constante. .................................................................................................................................................. 137

Figura 6.21 – Resistência de potência utilizada para o descarregamento do banco de baterias. .............. 138

Figura 6.22 – Corrente do lado CA quando o banco de baterias está a devolver a energia armazenada

à rede eléctrica. ......................................................................................................................................... 139


lado CA e tensão (vs) do lado CC, quando o banco de baterias está a devolver a energia armazenada

à rede eléctrica. ......................................................................................................................................... 139

Figura 6.24 – Sinais da tensão (ve) e da corrente (ie) do lado CA, e tensão (vs) do lado CC, quando o

banco de baterias está a devolver a energia armazenada à rede eléctrica. ................................................ 140

Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias xxi

Lista de Tabelas

Tabela 2.1 – Principais características nominais da célula de combustível ElectraGen [3]. ........................ 8

Tabela 2.2 – Principais características nominais do flywheel VDC-XE [7]. ................................................. 9

Tabela 2.3 – Estado percentual das baterias Torjan Deep-Cycle de 6 V e 12 V em função da tensão

em circuito aberto [16]. .............................................................................................................................. 16

Tabela 2.4 – Valores nominais da célula e do módulo S.C.i.B. [26]. ......................................................... 25

Tabela 2.5 – Características do UltraCondensador da Batscap [29]........................................................... 28

Tabela 2.6 – Valores nominais do módulo de Ultracondensadores BMOD Power [30]. ........................... 29

Tabela 2.7 – Características relevantes do PCM para baterias de lítio [35]. .............................................. 33

Tabela 2.8 – Comparação entre o Tesla Roadster e veículos não eléctricos [42]. ...................................... 37

Tabela 2.9 – Características nominais do NHE 10-100 Module da Saft [56]. ............................................ 42

Tabela 2.10 – Valores nominais da bateria U24-12XP da Valance [57]. ................................................... 44

Tabela 2.11 – Valores nominais da célula LiTiO da EnerDel [58][59]. ..................................................... 47

Tabela 2.12 – Valores nominais da bateria TS-LPF90AHA da Thunder Sky [60]. ..................................... 49

Tabela 2.13 – Características das diferentes tecnologias de células de baterias. ........................................ 51

Tabela 2.14 – Características das diferentes tecnologias de baterias. ......................................................... 52

Tabela 2.15 – Exemplos de fornecedores de baterias de diferentes tecnologias e valores nominais. ......... 53

Tabela 3.1 – Principais características do carregador Werkraft WK-AFN9 [69]. ....................................... 74

Tabela 3.2 – Principais características de um carregador Excel CF trifásico de 6600 W [70]. .................. 75

Tabela 3.3 – Principais características do carregador Smart Charger Li-Ion Battery Pack [71]. ............... 76

Tabela 3.4 – Principais características do carregador Smart Charger LiFePO Battery Pack [72]. ............ 76

Tabela 3.5 – Principais características do carregador Smart Charger NiCd / NiMH Battery Pack [73]. ... 77

Tabela 3.6 – Principais características do carregador Smart Fast Charger Lead Acid Battery [74]. ......... 78

Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias xxiii

Lista de Abreviaturas

ADC Analog to Digital Converter

AGM Absorption Glass Mat

BMS Battery Management System

CA Corrente Alternada

CC Corrente Contínua

DAC Digital to Analog Converter

DOD Depth of Discharge

IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor

LCD Liquid Crystal Display

LiFeMgPO Lithium Iron Magnesium Phosphate

LiFePO Lithium Iron Phosphate

LiMnO Lithium Manganese Oxygen

LiPol Lithium Polymer

LiTi Lithium Titanium

NiCd Nickel Cadmium

NiMH Nickel Metal Hydride

PCM Protection Circuit Module

PI Proporcional Integral

PIC Programmable Interface Controller

PSCAD Power System Computer Assisted Design

PWM Pulse Width Modulation

QEE Qualidade da Energia Eléctrica

RMS Root Mean Square

SLA Sealed Lead Acid

THD Total Harmonic Distortion

UPS Uninterruptible Power Supply

VRLA Valve Regulated Lead Acid

Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias 1

CAPÍTULO 1

Introdução

1.1. O Problema Energético nos Transportes

Ao longo das últimas décadas, a energia eléctrica tem-se revelado uma tal

utilidade que, actualmente, muito dificilmente alguém passaria sem ela, principalmente

para usufruir dos bens essenciais, tais como electrodomésticos e luz eléctrica. Esta

relação de dependência é cada vez maior, uma vez que os avanços tecnológicos são

constantes, no entanto, as soluções actuais para a produção da energia eléctrica

necessária, nem sempre são as mais benéficas, do ponto de vista ambiental, para o

planeta em que vivemos.

A nível mundial, o actual consumo energético, principalmente no sector dos

transportes, é bastante elevado e, infelizmente, grande parte dessa energia é proveniente

de fontes de energia não renováveis, como o petróleo ou o gás natural. Nas próximas

décadas, com a escassez destes bens para satisfazer as necessidades do consumo, é

necessário dirigir esforços para outras fontes de energia, que permitam colmatar esta

escassez. Assim, neste sector, a escolha óbvia para mitigar este problema, assenta na

aposta nos veículos híbridos e eléctricos, sendo que o desenvolvimento tecnológico

deste tipo de veículos tem sido alvo de forte aposta nos últimos anos, existindo já vários

modelos comercialmente disponíveis.

É no contexto dos veículos híbridos e eléctricos que surge o Sistema Inteligente

de Carregamento de Baterias, visando atender às necessidades de carregamento das

mesmas, respeitando as suas características construtivas e intrínsecas, assim como os

algoritmos de optimização do carregamento de modo a permitir prolongar a vida útil das

mesmas. Tais algoritmos consistem no fornecimento de energia eléctrica respeitando os

diferentes estágios de carregamento, quer a nível de tensão quer a nível de corrente.

Com a promissora mudança no paradigma dos transportes, o uso dos veículos

híbridos e eléctricos representa uma alternativa vantajosa do ponto de vista ambiental,

principalmente, porque reduz às emissões de gases com efeito de estufa. No entanto,

também é necessário garantir que a energia eléctrica fornecida às baterias não seja

produzida a partir de fontes de energia não renováveis. Outro aspecto de grande

importância prende-se com o facto do Sistema Eléctrico Nacional poder ser afectado do

ponto de vista da Qualidade da Energia Eléctrica (QEE) se o sistema de carregamento

das baterias não consumir corrente sinusoidal e não apresentar factor de potência

unitário. Por esta razão, o colmatar dos factores enunciados são as mais-valias do

Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias proposto nesta Dissertação.

Capítulo 1 – Introdução

2 Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias

1.2. Enquadramento

Fruto dos acordos políticos do governo português, na próxima década, Portugal

estará no caminho dos veículos híbridos e eléctricos como principal alternativa aos

veículos que utilizam combustíveis fósseis, sendo por isso de extrema importância dotar

o país de uma rede de carregamento das baterias destes veículos. Com esta aposta,

reduzem-se os problemas ambientais originários dos actuais veículos e a dependência

externa de combustíveis fosseis, que devido à crescente procura, apresentam reservas

que tendem a esgotar nas próximas décadas. Por esta razão, os construtores de veículos

estão convencidos do sucesso dos veículos híbridos e eléctricos e da rentabilidade que

os mesmos podem representar, sendo que actualmente, a aposta nestes veículos tem sido

elevada. Um destes exemplos provém da cooperação Renault-Nissan que prevê, para

curto prazo, o lançamento a nível mundial de modelos de veículos eléctricos.

Neste cenário, empresas de sectores como o tecnológico e o energético terão um

papel importante na colaboração com os fabricantes dos veículos, nomeadamente, para

dotar Portugal de infra-estruturas que permitam a circulação destes veículos sem

inconvenientes, principalmente, na criação de uma rede de carregamento das baterias.

Implicitamente, essas empresas também contribuirão para a expansão da inovação

tecnológica em Portugal, colocando-nos, a nível mundial, na vanguarda desta

tecnologia.

1.3. Motivações

A motivação primordial para o desenvolvimento do Sistema Inteligente de

Carregamento de Baterias é a crescente aposta em veículos híbridos e eléctricos por

parte dos grandes construtores de veículos, e não menos importante, os problemas

ambientais actuais e a escassez de alguns dos recursos utilizados na produção de energia

eléctrica. Com o desenvolvimento dos veículos híbridos e eléctricos, surge então a

necessidade de recorrer à electrónica de potência para satisfazer as suas principais

necessidades. Dentro da electrónica de potência a principal motivação foi a construção

de um conversor bidireccional. Relativamente ao software, a principal motivação foi a

elaboração de um sistema de controlo capaz de manter tensão ou corrente constante no

lado CC, conforme o algoritmo de carregamento das baterias, que ao mesmo tempo

consome corrente sinusoidal e mantém unitário o factor de potência.

1.4. Objectivos

Tendo em conta as necessidades dos veículos híbridos e eléctricos e do Sistema

Eléctrico Nacional, com o Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias proposto,

pretende-se carregar as diferentes tecnologias de baterias recorrendo a diferentes

algoritmos de carregamento, visando principalmente, prolongar a vida útil das mesmas e

preservar a QEE. Para este pressuposto, pretende-se que o Sistema de Carregamento se

possa adaptar a baterias com diferentes características nominais e a todas as suas



tecnologias. Com o Sistema de Carregamento apresentado pretende-se carregar as

baterias dos veículos híbridos e eléctricos através de um método de carregamento lento,

indicado para quando os veículos estiverem ligados à rede eléctrica por longos períodos

de tempo, como parques de estacionamento ou residências. Por outro lado, como

Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias pode funcionar de forma bidireccional

é possível que a energia armazenada nas baterias seja devolvida ao Sistema Eléctrico

Nacional, ajudando assim as centrais hidroeléctricas reversíveis a colmatar a crescente

aposta na energia eólica e solar, uma vez que a energia produzida a partir dos ventos e

radiação solar directa revela-se inconstante. Deste modo, o sistema apresentado nesta

dissertação poderá vir a ser, num futuro próximo, uma excelente solução para o

problema de carregamento de um elevado número de veículos híbridos e eléctricos

através do Sistema Eléctrico Nacional, sem que para o efeito prejudiquem a QEE.

Para a construção do Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias foi

imprescindível a pesquisa sobre os sistemas de carregamento de baterias existentes e

suas tecnologias, e com base nesta, é proposto a construção de um conversor

bidireccional que permite consumo sinusoidal de corrente e factor de potência unitário,

e ao mesmo tempo, mantém constante a tensão ou a corrente no lado CC.

Por fim, os objectivos a alcançar para que o Sistema Inteligente de Carregamento

de Baterias possa funcionar correctamente, resumem-se a:

• Permitir manter constante a tensão ou a corrente do lado CC, conforme o algoritmo de

carregamento das baterias.

• Em qualquer método de carregamento das baterias, o consumo de corrente por parte

do conversor CA-CC, deve ser sinusoidal e com factor de potência unitário.

• Permitir que o sistema possa ser bidireccional, ou seja, possa funcionar com conversor

CA-CC ou como conversor CC-CA.

1.5. Organização da Dissertação

De acordo com os objectivos anteriormente mencionados, esta Dissertação está

organizada em vários capítulos, descritos e enumerados de seguida.

No Capítulo 1, denominado Introdução, está descrito O Problema Energético nos

Transportes, o Enquadramento, as Motivações, os Objectivos e a Organização da

Dissertação.

No Capítulo 2, referente às Baterias Eléctricas, estão abordadas as principais

tecnologias de baterias de uso comum, e também baterias específicas para veículos

híbridos e eléctricos, assim como os respectivos algoritmos de carregamento.

No Capítulo 3, denominado Carregadores de Baterias, são abordados diferentes

algoritmos de carregamento das mesmas que podem ser implementados para as

diferentes tecnologias destas. Ainda neste capítulo são apresentados diferentes

carregadores de baterias comercialmente disponíveis, com indicação das suas



características, e em comparação com o carregador proposto no âmbito desta

Dissertação, referindo os seus algoritmos de controlo.

No Capítulo 4, denominado Simulações do Sistema de Carregamento, estão

apresentados e comentados os resultados computacionais obtidos no software PSCAD

relativos ao Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias proposto. Estes resultados

adquiridos para diferentes algoritmos de carregamento e descarregamento, ou seja, com

o conversor a funcionar de forma bidireccional.

No Capítulo 5, referente à Implementação do Sistema Inteligente de

Carregamento de Baterias, estão expostas todas as partes constituintes que conduziram à

sua implementação, nomeadamente, o circuito de potência e o circuito de comando.

No Capítulo 6, relativo aos Resultados Experimentais do Sistema Inteligente de

Carregamento de Baterias, estão apresentados os resultados obtidos aquando do

carregamento de um banco de baterias específico com diferentes algoritmos. Neste

capítulo são também apresentados os resultados obtidos quando a energia armazenada

nas baterias está a ser devolvida ao Sistema Eléctrico Nacional, isto é, quando o

conversor está a funcionar no modo CC-CA.

No Capítulo 7, por ser o último, refere-se às Conclusões e Sugestões de Trabalho

Futuro que se podem reter após a análise do funcionamento do Sistema de

Carregamento. Também estão apresentadas as sugestões de trabalho futuro, que visam

optimizar todo o Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias.


CAPÍTULO 2

Baterias Eléctricas

2.1. Introdução

O armazenamento de energia é uma necessidade intrínseca ao ser humano, sendo

que, o facto de ter que se alimentar constantemente para realizar as tarefas básicas

inerentes à sua sobrevivência é a primordial. Todavia, quando se faz referência ao

armazenamento de energia, associam-se várias formas desta, como por exemplo:

Energia Electroquímica: que consiste no armazenamento através de baterias eléctricas.

Energia Eléctrica: através de bobinas supercondutoras ou supercondensadores.

Energia Potencial: através da água contida nas albufeiras das barragens

hidroeléctricas.

Energia Mecânica: através de volantes de inércia (flywheel's), sistemas de ar

comprimido ou molas.

Apesar destes diferentes métodos de armazenamento de energia serem todos

relevantes, somente o armazenamento de energia através de baterias é abordado nesta

Dissertação.

2.2. Baterias

As baterias são dispositivos que armazenam a energia eléctrica que lhes é

fornecida através das reacções electroquímicas que se processam no seu interior. De

forma simplista, as baterias podem ser vistas como dispositivos que armazenam energia

por tempo teoricamente ilimitado e que fornecem essa mesma energia quando

necessário. Deste ponto de vista, considera-se que as baterias apenas trocam energia

entre sistemas, ou seja, recebem energia eléctrica, armazenam-na de forma química e

posteriormente devolvem essa mesma energia como energia eléctrica. No entanto, neste

processo de transformação de formas de energia existem sempre perdas inerentes,

principalmente de energia térmica [1].

Dependendo da finalidade a que se destinam as baterias, estas são classificadas

como primárias ou secundárias, sendo que o primeiro conceito diz respeito ao tipo de

baterias fabricadas com o intuito de fornecer energia eléctrica uma única vez. Por outro

lado, as baterias secundárias são aquelas que podem ser recarregadas um número finito

de vezes. Do ponto de vista ambiental, as secundárias são preferíveis às primárias,

porque podem ser reutilizadas, todavia, nos respectivos fins de vida, ambas podem ser

recicladas em locais próprios, evitando assim a poluição do meio ambiente, através dos

elementos químicos destas, como o cádmio, chumbo ou mercúrio. Deste modo, a

recolha e posterior reciclagem das baterias é de extrema importância em qualquer

circunstância e ainda mais com a previsível expansão, para as próximas décadas, dos

Capítulo 2 – Baterias Eléctricas


veículos híbridos e eléctricos.

Como referido anteriormente, a vida útil das baterias é finita, mas não depende

apenas do processo de construção, porque um dos pressupostos mais importante para a

longa durabilidade das baterias é o respeito pelos correctos procedimentos de

carregamento e descarregamento, sendo que cada tipo de bateria tem as suas próprias

especificações. Respeitando estes processos, consegue-se atingir a imprescindível

fiabilidade que se deseja obter com as baterias.

No que concerne à distinção entre baterias, basicamente, estas são distinguíveis

pelos elementos químicos que as constituem e pelo objectivo final a que se propõem.

Um exemplo típico, que evidencia a diferença de aplicabilidade, mas com a mesma

tecnologia, é o das baterias de chumbo utilizadas para o arranque de automóveis, que

fornecem corrente elevada por um período de tempo curto, ao passo que outras baterias,

também de chumbo, podem ser utilizadas para alimentar UPS's, de forma a fornecer

corrente constante durante um período de tempo relativamente longo.

Relativamente às características eléctricas das baterias, a capacidade de corrente

eléctrica que a mesma pode fornecer durante um período de tempo, expressa em Ah, e a

tensão que a mesma dispensa aos seus terminais, medida em V, são as mais relevantes.

No entanto, a par destas, a temperatura a que a bateria está sujeita durante o

carregamento, durante o descarregamento, e quando estão sem uso, também são

características muito relevantes, visto influenciar bastante o rendimento e a vida útil das

mesmas, sendo por isso difícil fazer estimativas exactas quanto ao rendimento das

baterias. Por exemplo, teoricamente, uma bateria de 12 V e 7 Ah é capaz de alimentar

um sistema com 12 V e fornecer uma corrente de 7 A durante uma hora, ou uma

corrente de 3,5 A durante duas horas, no entanto, o rendimento para ambas as situações

não é igual, nem é de 100 %, já que vão existir as perdas mencionadas anteriormente. A

lei de Peukert expressa a capacidade de carga de uma bateria de chumbo-ácido em

relação à taxa de descarregamento, permitindo efectuar estimativas da capacidade de

carga que a bateria possui quando descarregada com uma determinada corrente durante

um intervalo de tempo. Normalmente, a escolha das baterias baseia-se nas

características apresentadas, mas existem outros factores de relevada importância que

devem ser considerados, tal como a relação de energia por unidade de volume, a relação

de energia por unidade de kg, os custos de aquisição e o impacto ambiental.

2.2.1. Baterias vs. Células de Combustível

Analisando o que se obtém destes dois sistemas, as baterias e as células de

combustível são idênticas, pois em ambas, o resultado final dos processos químicos é a

energia eléctrica. Contudo, abordando estes processos mais pormenorizadamente,

facilmente se conclui que existem diferenças tecnológicas e físicas que limitam o uso

das células de combustível a casos específicos, como os veículos eléctricos. Por um

lado, as baterias estão limitadas à capacidade nominal, à relação de energia por unidade



de volume, à relação de energia por unidade de kg, e ao facto do processo de

carregamento ser moroso. Por outro lado, as células de combustível, enquanto tiverem

combustível para consumir estão sempre em funcionamento, dependendo apenas da

capacidade do reservatório de combustível, que em última instância, até pode ser um

gasoduto de hidrogénio. Todavia, se a questão for abordada em relação a sistemas

portáteis, existem questões pertinentes que favorecem as baterias, apesar de alguns

cépticos destas usarem como argumento o facto das células de combustível apenas

necessitarem de ser abastecidas, ou seja, o reservatório pode ser reposto com rapidez e

em qualquer lugar que tenha essas condições, assim como um veículo tradicional pode

ser abastecido do mesmo modo. Este factor parece revelar-se uma vantagem das células

de combustível em relação às baterias, mas apesar de as baterias requererem

carregamentos que podem ser longos, estas podem ser substituídas por outras que

estejam previamente carregadas. Por exemplo, nos veículos eléctricos, durante uma

viagem em que se pretende apenas paragens curtas, quando as baterias estiverem parcial

ou quase totalmente descarregadas, podem facilmente ser substituídas por outras num

local específico, tal como o carregamento do reservatório das células de combustível.

Quanto às células de combustível, além do hidrogénio, até ao momento mais

nenhum elemento químico, como o monóxido de carbono, butano, propano ou metano,

consegue obter resultados satisfatórios para as células de combustível, e mesmo que os

resultados na produção de energia eléctrica fossem mais aceitáveis, existem problemas

relacionados com a segurança de transporte, os níveis de toxidade, a facilidade de

combustão e o facto de alguns destes elementos químicos serem incolores e inodoros, o

que deve ser tomado em conta, caso contrário, pode-se estar perante uma situação

iminente de perigo por intoxicação sem que se dê pela existência de substâncias tóxicas.

Ainda assim, recentemente foram obtidos desenvolvimentos promissores com o

metanol, no entanto, para além de ser um gás que se pretende reduzir às emissões,

conforme disposto no Protocolo de Quioto, é também um gás inodoro e incolor, e que

quando misturado com o ar transforma-se numa mistura de alto teor explosivo. A par

destes inconvenientes, o metanol pode penetrar no corpo humano através da pele ou das

vias respiratórias, podendo provocar lesões irreversíveis como a cegueira ou, em caso

extremo, a morte. Por esta razão, o seu uso requer cuidados muito específicos, sendo

inclusive proibido o seu transporte em aviões [1].

Desta forma, o hidrogénio é o elemento químico que melhores resultados

apresenta para as células de combustível, no entanto, com inconvenientes

inquestionáveis, tais como custos, problemas com temperaturas inferiores a 0ºC e

dificuldade na sua produção, transporte e armazenamento. Relativamente ao peso,

devido às altas temperaturas de funcionamento das células de combustível a hidrogénio,

é necessário o uso de volumosos sistemas de isolamento térmico, contrariamente às

baterias. Apesar destas considerações, dependendo do sistema em causa, as baterias e as

células de combustível podem cooperar, seja como uma solução híbrida, ou com as



células de combustível a fornecerem energia eléctrica para o carregamento das baterias.

Comercialmente, várias empresas japonesas, como a NEC e a Toshiba, já

apresentaram os seus protótipos de utilização de células de combustível, no entanto,

todos eles são modelos externos que se conectam aos equipamentos, nomeadamente

computadores portáteis, através de cabos de alimentação ou conexões, inviabilizando

assim a substituição das baterias. Com a evolução tecnológica, estes sistemas podem

reduzir de tamanho a ponto de serem embutidos em equipamentos portáteis, porém,

fruto também da evolução tecnológica, as baterias poderão da mesma forma ter

características bastante superiores às actuais, limitando assim o uso das células de

combustível [2].

Um exemplo de célula de combustível disponível comercialmente é a ElectraGen

da empresa Chloride, apresentada na Figura 2.1. Na Tabela 2.1 estão apresentadas as

principais características nominais desta célula de combustível.

Figura 2.1 – Célula de combustível ElectraGen [3].

Tabela 2.1 – Principais características nominais da célula de combustível ElectraGen [3].

Potência Máxima (kW) 3

Tensão Nominal Saída (V) 48 e 24

Consumo H2 (standard liters per minute 1– slpm / kWh) 15

Temperatura de Funcionamento (ºC) -40 a +50

Dimensões (mm) 648 x 997 x 1345

Peso (kg) 220

2.2.2. Baterias vs. Flywheel’s

Os flywheel's são sistemas cuja funcionalidade consiste em conservar energia

cinética por intermédio de um rotor que gira no vácuo. Para tal, normalmente, é

induzida velocidade ao rotor através de um motor e posteriormente com um gerador

converte-se a energia armazenada neste sistema em energia eléctrica. Estes sistemas

1 slmp – Standard litres per minute significa, neste caso, o número de litros por minuto standard de

consumo de hidrogénio.



estão a progredir no mundo das tecnologias, devido às vantagens que apresentam,

nomeadamente, baixa manutenção, longa vida útil e não utilização de elementos

químicos susceptíveis de poluírem a Natureza [4].

Apesar de parecerem simples e vantajosos para determinados sistemas, os

flywheel's apresentam desvantagens que os tornam menos competitivos que as baterias

quando aplicados a veículos híbridos e eléctricos. Por exemplo, mecanicamente os

flywheel's devem ser concebidos para resistir a uma possível desintegração do rotor, não

devem possuir problemas de atrito, o efeito giroscópio não deve interferir com o

movimento do veículo e devem ser resistentes a choques mecânicos [5][6].

Um exemplo de flywheel disponível comercialmente é o VDC-XE da empresa

Chloride. Na Figura 2.2 está apresentado o aspecto externo desse flywheel e a sua

constituição interna. Na Tabela 2.2 estão apresentadas as principais características

nominais deste flywheel.

Figura 2.2 – Aspecto externo do flywheel e sua constituição interna [7].

Tabela 2.2 – Principais características nominais do flywheel VDC-XE [7].

Potência Máxima (kW) em 5,4 s 300

Rotações (krpm) 18,5 a 36

Tensão Nominal Entrada (V) 400 a 600

Eficiência (%) 99,4

Tensão Nominal Saída (V) 400 a 520


Dimensões (mm) 762 x 762 x 1,872

Peso (kg) 826



2.3. Cronologia das baterias

O inicio do armazenamento de energia, através do método electroquímico,

remonta aos finais do século XVIII. Durante as décadas seguintes e em especial na

segunda metade do século XX, os cientistas desta área, têm-se redobrado em esforços

para desenvolver modelos de baterias o mais eficiente possível. É neste pressuposto que

hoje em dia, num mercado cada vez mais necessitado de baterias eficientes, qualquer

avanço, por mais pequeno que seja, é digno de especial destaque. De seguida apresenta-

se uma pequena cronologia respeitante à evolução da tecnologia de baterias [8].

1789 – Galvani deduziu que metais produziam electricidade apenas em contacto com

tecido animal, nomeadamente músculos e células nervosas.

1800 – Alessandro Volta construiu a primeira pilha não recarregável, sem recorrer às

deduções de Galvani.

1854 – Sinstede utiliza pela primeira vez placas de chumbo mergulhadas em ácido

sulfúrico para armazenar electricidade.

1859 – Planté melhora a capacidade das baterias ácidas com uma técnica ainda

actualmente utilizada.

1881 – Faure faz avanços em termos de capacidade, usando pela primeira vez uma liga

de chumbo-antimónio.

1882 – Gladstone e Tribe desenvolvem as operações básicas das baterias ácidas. Tudor

abre no Luxemburgo uma fábrica de baterias ácidas.

1904 – Neste ano é utilizada madeira de cedro nos separadores das baterias.

1907 – É patenteada a liga de chumbo-cálcio.

1910 – O ferro folheado é introduzido na construção das baterias.

1915 – Willard introduz os separadores de borracha nas baterias.

1951 – Ligas de chumbo-cálcio são utilizadas nas baterias dos telefones por troca com

as baterias estacionárias de chumbo-ácido.

1958 – Jache descreve as baterias de gel VRLA (Valve Regulated Lead Acid).

1965 – Baterias de polipropileno SLI (Starting Lighting Ignition) começam a ser

utilizadas.

1968 – Bateria de SLI sem manutenção é desenvolvida.

1980 – Baterias VRLA estacionárias baseadas na tecnologia AGM (Absorption Glass

Mat) começam a ser desenvolvidas.

2.4. “Efeito Memória” das Baterias

O termo “efeito memória”, originário das baterias à base de níquel-cádmio,

significa que estas se podem “lembrar” da quantidade de energia descarregada

anteriormente, sendo por isso recomendável efectuar descarregamentos completos para

este tipo de baterias. Por esta razão, ainda hoje, o termo “efeito memória” é utilizado

para indicar a perda de capacidade nas baterias à base de níquel, porém, com as

melhorias tecnológicas este efeito tende a ser reduzido. Por exemplo, testes realizados



em laboratórios da Black&Decker, mostraram que o “efeito memória” na moderna

bateria de níquel-cádmio eram tão pequenos, que só podiam ser detectados com

equipamentos sensíveis [9].

Quimicamente, o “efeito memória” consiste na formação cristalina que ocorre

quando a bateria não é totalmente descarregada. Quando as baterias de níquel-cádmio

estão em perfeito estado, o material activo de cádmio está presente em cristais

finamente divididos, mas quando o volume destes cristais aumenta, devido a utilização

incorrecta, ocorre o “efeito memória”. Quando este efeito está em fase avançada, os

cantos afiados dos cristais podem crescer através do separador, dando origem a elevado

auto-descarregamento ou até curto-circuito da bateria, tendo como resultado a perda da

capacidade de armazenamento da energia. Outro processo que ocorre, e que também é

denominado “efeito memória”, é a formação de um composto inter-metálico de níquel e

cádmio, criando resistência interna extra na bateria [9].

Opostamente, as baterias à base de chumbo, ou as que são constituídas à base de

lítio, não são afectadas por este efeito, mas podem sofrer de corrosão (nas baterias à

base de chumbo) e de oxidação da placa (nas baterias à base de lítio). O “efeito

memória” nas baterias à base de níquel é irreversível, assim como a oxidação da placa

nas baterias à base de lítio, no entanto, os efeitos nas baterias de chumbo podem ser

parcialmente reversíveis [9].

2.5. Tecnologia das Baterias

Dependendo das características e da aplicação a que se destinam, existem

diferentes tecnologias de baterias [10][11]. Neste contexto, a seguir serão abordadas

algumas características das principais tecnologias de baterias utilizadas em veículos

híbridos e eléctricos, no entanto, não será feita uma descrição exaustiva dos detalhes de

construção, nem das fórmulas químicas envolvidas em cada tecnologia.

Independentemente da aplicação, todas as baterias apresentam vantagens e

desvantagens, todavia, todas visam obter a maior densidade energética possível, o maior

número de carregamentos e descarregamentos, baixo custo e o menor peso e volume

possíveis. Assim, as principais características das baterias são:

Tensão - Expressa em V indica qual a tensão nominal que a mesma disponibiliza aos

seus terminais.

Capacidade - Expressa em Ah determina a capacidade que a mesma tem em fornecer

corrente eléctrica durante um intervalo de tempo. Por exemplo, uma bateria de 10 Ah

pode fornecer uma corrente de 10 A durante uma hora. Neste caso concreto, se o

carregamento ou descarregamento for efectuado com uma corrente de 10 A, a bateria

apenas recebe ou fornece essa corrente durante uma hora, significando que esse

carregamento ou descarregamento foi efectuado a uma taxa de 1 C.

Densidade de energia - Expressa em Wh / l estabelece a relação entre a energia

nominal e o volume em litros.



Densidade de potência - Expressa em W / l estabelece a relação entre a potência

nominal e o volume em litros.

Energia específica - Expressa em Wh / kg indica a energia nominal da bateria por kg.

Potência específica - Expressa em W / kg indica a potência da bateria por kg.

Resistência interna - Expressa em mΩ determina a resistência interna da bateria

devido às características das células e/ou devido aos circuitos de protecção internos.

Ciclos - Expressos em unidades (por exemplo 1000 ciclos) informa o número de

ciclos de carregamentos e descarregamentos que podem ser efectuados sem

deterioração significativa das características nominais. O número de ciclos é

estabelecido para condições de carregamento e descarregamento nominais, caso

contrário, este número é seriamente afectado.

Estas características, intrínsecas a cada tecnologia de bateria, têm sido alvo de

constantes desenvolvimentos tecnológicos, porque cada vez mais, os equipamentos

requerem mais recursos energéticos por longos períodos de tempo e longa durabilidade.

Além destas, existem outras características também relevantes, como o preço, as

dimensões, taxas de carregamento e descarregamento, garantia de segurança, e a

operação em diferentes níveis de temperatura, quer durante o funcionamento quer

durante o armazenamento.

Actualmente, os elementos químicos primordiais para a constituição das baterias

são o chumbo, o níquel e o lítio, sendo que com estes elementos se podem desenvolver

outras tecnologias. Por exemplo, assente na tecnologia do lítio é possível construir,

entre outras, baterias de lítio-polímero (LiPol) ou de lítio-fosfato-ferro (LiFePO). Com

base nestes três elementos químicos de seguida são apresentados alguns exemplos de

baterias e/ou de células de baterias.

2.5.1. Baterias de Chumbo

Aplicação

Normalmente, as baterias de chumbo (Pb) são a principal opção para aplicações

de grande potência onde são primordiais o custo e a robustez, e em segundo plano o

peso. Entre outras aplicações, estas baterias são utilizadas no arranque dos veículos

tradicionais, em aplicações pouco exigentes em termos de eficiência, em UPS's, em

pequenos veículos eléctricos ou em sistemas de iluminação de emergência. No que

concerne aos veículos eléctricos estas foram as primeiras a ser utilizadas, e

possivelmente, com o avanço tecnológico podem representar uma óptima alternativa

para novos veículos híbridos e eléctricos. Noutra vertente é de referir que as baterias de

chumbo também já equiparam o portátil Macintosh Portable, lançado no ano de 1989 e

apresentado na Figura 2.3.



Figura 2.3 – Portátil Macintosh Portable equipado com baterias de chumbo [12].

Tecnologia de Construção

As baterias de chumbo são projectadas para poderem ter taxas de descarregamento

relativamente altas, mas com a limitação destas afectarem a vida útil das mesmas. Por

exemplo, as baterias de arranque dos veículos fornecem uma corrente elevada num

curto intervalo de tempo e não devem ser muito descarregadas. Por outro lado, as

baterias de uma UPS, normalmente, estão projectadas para fornecer pouca corrente

durante longos períodos de tempo e, tipicamente, permitirem descarregamentos mais

profundos. Apesar das baterias de chumbo comuns serem limitadas quanto à

profundidade da descarregamento, existem as denominadas Deep-Cycle, que permitem

descarregamentos mais profundos que as tradicionais. Entre outros, os fabricantes

destas baterias são a Trojan, Optima, Exide Technologies, Varta, VHB e DMS

Technologies. Os processos químicos utilizados nestas baterias são os mesmos que os

utilizados nas baterias de chumbo comuns, diferindo apenas na optimização da

utilização, ou seja, as baterias de Deep-Cycle são projectadas para fornecer uma

quantidade constante de corrente por um longo período de tempo, podendo ter ciclos de

descarregamento profundos sem o risco de ficarem danificadas.

Um exemplo de bateria de Deep-Cycle é a YellowTop da Optima, que está

apresentada na Figura 2.4. Esta bateria possui grande reserva de energia, estando

especialmente vocacionada para aplicações onde é necessário o fornecimento de

corrente eléctrica constante. Esta bateria incorpora a tecnologia Spiralcell e possuiu a

particularidade do ácido estar impregnado na fibra de vidro, que enrolada à volta de

finas placas de chumbo, formando um elemento em forma de espiral, comparável a um

rolo de papel com muitas camadas [14].

Figura 2.4 – Bateria de Deep Cycle YellowTop da Optima [13].



A bateria Yellow Top YT S 2,7 tem tensão nominal 12 V, capacidade nominal

38 Ah, e permite ser carregada de forma rápida, com tensão constante de 15,6 V sem

limite de corrente (desde que a temperatura da bateria permaneça abaixo dos 51,7 ºC),

até que esta seja inferior a 1 A, e permite um carregamento flutuante com tensão entre

13,2 V e 13,8 V e corrente de 1 A durante tempo indefinido. Esta bateria tem dimensões

de 237 mm x 129 mm x 227 mm e peso de 11,6 kg. As baterias da série Yellow Top

permitem 3500 ciclos para descarregamentos de 30 %, 700 ciclos para

descarregamentos de 60 %, e 350 ciclos para descarregamentos de 100 %, dispondo de

tensão constante e estável ao longo de todo o processo de descarregamento [13][14].

Relativamente à tecnologia de construção das baterias de chumbo, no que

concerne aos elementos químicos utilizados, principalmente o chumbo é de custos

relativamente baixos, permitindo a fácil comercialização. Neste tipo de baterias existem

três tipos de tecnologias distintas: as líquidas, as de AGM e as de gel. Nas primeiras, o

electrólito move-se livremente nos compartimentos das células, permitindo o acesso

para medições e adição de água destilada. Também existem baterias com electrólito

líquido construídas para baixa manutenção, não permitindo aceder ao electrólito, sendo

chamadas baterias SLA (Sealed Lead Acid). As baterias de AGM, baseiam-se na

tecnologia VRLA (Valve Regulated Lead Acid), que são as mais recentes no que

concerne a baterias de chumbo e utilizam fibra de vidro a envolver o electrólito,

contribuindo assim para uma melhor resistência a impactos. Por último, as baterias de

gel, em que o electrólito é envolvido pelo gel, também se baseiam na tecnologia VRLA,

e como são seladas, possuem um mecanismo de válvula para o escape dos gases. Nestas

baterias, que contêm um aditivo de sílica para envolver o electrólito, formam-se micro

fendas no gel para permitir as reacções e recombinações entre a placa positiva e a placa

negativa. Tipicamente, este tipo de baterias são mais pequenas que outros tipos de

baterias ventiladas e requerem menos manutenção [15].

Vida Útil

Relativamente à vida útil, as baterias de chumbo são influenciadas pela

temperatura de funcionamento, pela profundidade de descarregamento (Depth of

Discharge - DOD) e pelo número de ciclos de carregamento e descarregamento. Para

preservar ao máximo as características destas baterias o controlo dos processos de

carregamento e descarregamento é muito importante.

Carregamento

Dependendo das características das baterias à base de chumbo, existem diversos

métodos de carregamento das mesmas, sendo inclusive, a tecnologia de baterias que

permite ser carregada com os mais diversos métodos, uma vez que devido às suas

características intrínsecas, podem suportar diversos estágios de tensão e/ou corrente

constante, sem o risco das mesmas ficarem instáveis, no entanto os limites da bateria

têm que ser respeitados. Todavia, existem métodos de carregamento bastante populares

que permitem carregar de forma eficaz estas baterias. Um destes exemplos, consiste em



fornecer, num primeiro estágio corrente constante, e num segundo estágio aplicar tensão

constante. Depois destes estágios, ainda pode ser aplicado um terceiro, denominado de

carga flutuante, que consiste em aplicar um nível de tensão constante na bateria por

tempo indeterminado. O elevado tempo de carregamento destas baterias, pode

representar uma desvantagem para as mesmas.

Exemplo

Na Figura 2.5 está apresentada a bateria de gel 31-Gel 12V Deep-Cycle Gel

Battery do fabricante Trojan. Esta bateria tem tensão nominal de 12 V, capacidade

nominal de 102 Ah e pode ser associada em série ou paralelo. As dimensões desta

bateria são 329 mm x 171 mm x 245 mm e o peso de 31 kg. Através das curvas da

Figura 2.6, fornecida pelo fabricante, pode-se confirmar o método de carregamento mais

eficaz para esta bateria, que consiste em dois estágios de carregamento distintos, sendo

que inicialmente é fornecida corrente constante à bateria e a tensão aumenta até perfazer

80 % do carregamento de carga total, depois é aplicada tensão constante até que a

corrente decaia até próximo de zero. Na Tabela 2.3 está ilustrado o estado percentual da

capacidade de carga destas baterias em função da tensão em circuito aberto. Nesta

tabela também estão apresentados os valores para modelos de 6 V destas baterias.

Figura 2.5 – Exemplo de baterias Trojan Deep-Cycle [16].

Figura 2.6 – Curvas de carregamento das baterias Torjan Deep-Cycle [16].



Tabela 2.3 – Estado percentual das baterias Torjan Deep-Cycle de 6 V e 12 V em função da tensão

em circuito aberto [16].

2.5.2. Baterias de Lítio

Aplicação

As baterias de lítio são sem dúvida as mais utilizadas em equipamentos portáteis,

tais como computadores e telemóveis, pois apresentam maior densidade de energia, são

mais leves e possibilitam longas horas de uso quando correctamente utilizadas.

Contrariamente às baterias à base de níquel, estas baterias não necessitam de serem

descarregadas totalmente antes de voltarem a ser carregadas, isto é, não sofrem do

“efeito memória”. Tipicamente, o processo de descarregamento destas baterias não deve

ser excessivamente rápido para não provocar sobreaquecimentos indevidos, rupturas e,

em último caso, explosões, no entanto, algumas baterias comerciais, já têm incorporadas

protecções contra estes efeitos. Quando armazenadas devem estar parcialmente

carregadas, sendo que, tipicamente, os fabricantes recomendam guardar a bateria com

40 % da capacidade de armazenamento total.

Tecnologia de Construção

Este tipo de baterias é o mais recente, sendo bastante diferente das outras

tecnologias. O lítio é o mais leve de todos os elementos químicos usados em baterias,

tem o maior potencial electroquímico e apresenta a melhor relação energia / peso.

Basicamente, o processo químico intrínseco a estas baterias consiste na passagem de

iões de lítio de um eléctrodo para o outro através de um electrólito. Esta tecnologia tem

sido alvo de grande investigação tecnológica com o intuito de aumentar a sua

capacidade e rapidez de carregamento, visando especialmente os veículos híbridos e

eléctricos. Neste sentido, investigadores do MIT (Massachusetts Institute of

Technology) construíram um protótipo que pode ser carregado entre 10 a 20 segundos

em vez de vários minutos [17]. Assente na tecnologia de lítio e procurando obter o

melhor desempenho, têm surgido novas tecnologias tais como:



Lítio-polímero (LiPol).

Lítio-fosfato-ferro (LiFePO).

Lítio-ferro-magnésio-fosfato (LiFeMgPO).

Lítio-manganésio-oxigénio (LiMnO).

Lítio-titânio (LiTi).

Dependendo da aplicação, um inconveniente destas baterias é o alto custo de

aquisição, sendo por isso mais utilizadas quando o custo é secundário. Na Figura 2.7

está apresentado o principal risco associado às baterias de lítio, que está na possibilidade

de ocorrência de explosões.

Figura 2.7 – Principal risco associado às baterias de lítio: explosões [18].

Vida Útil

Relativamente à vida útil, as baterias de lítio são bastante influenciadas pelos

processos de carregamento e descarregamento, devendo ser inteiramente respeitadas as

características especificadas pelos fabricantes, principalmente níveis de tensão, de

corrente e de temperatura.

Carregamento

O processo de carregamento das baterias de lítio consiste, tipicamente, num

estágio de corrente constante seguido de um estágio de tensão constante. Como

apresentado anteriormente, este algoritmo de carregamento também pode ser aplicado a

baterias à base de chumbo, todavia, estas baterias requerem cuidados muito mais

específicos, principalmente, porque existem várias tecnologias de baterias associadas ao

lítio, e cada qual com valores nominais específicos, que caso não sejam inteiramente

respeitados, a bateria pode ficar instável e ocorrerem danos irreversíveis. Os principais

valores nominais a ter em conta aquando do carregamento destas baterias são a tensão, a

corrente e a temperatura.

Quando estas baterias estão associadas em série e/ou paralelo, o carregamento



destas deve ser acompanhado por um circuito externo que permita níveis de tensão e

corrente semelhantes em todas as baterias, caso contrário, pode ocorrer que algumas

ainda estejam a receber carregamento e outras já estejam plenamente carregadas e em

sobrecarga. A corrente de carregamento destas baterias, normalmente, cifra-se entre 1 C

e 2 C.

Exemplo

A célula de bateria ANR26650m1 da A123Systems, apresentada na Figura 2.8, é

um exemplo recente de célula de lítio. De acordo com o fabricante, esta célula pode

fornecer altas correntes de descarregamento e permite excelente tolerância a abusos de

utilização. A tensão nominal é de 3,3 V e a capacidade é de 2,3 Ah. O descarregamento

pode atingir 120 A durante 10 segundos, e no máximo pode ser descarregada

continuamente com uma corrente de 70 A. O peso desta célula é de 0,07 kg, a

resistência interna é de 10 mΩ e as dimensões são 65,15 mm x 26,62 mm [19].

As curvas que relacionam a tensão da célula e a capacidade de carga, para

diferentes taxas de descarregamento, à temperatura de 25 ºC, estão apresentadas na

Figura 2.9. Na Figura 2.10, está ilustrada a relação entre a tensão da célula e a

capacidade de carga percentual, para diferentes taxas de descarregamento a baixa

temperatura. Por fim, na Figura 2.11, está apresentada a relação entre o

descarregamento percentual e o número de ciclos para diferentes temperaturas e taxas

de carregamento e descarregamento.

Figura 2.8 – Exemplo de célula de bateria A123Systems [19].

Figura 2.9 – Curvas de descarregamento que relacionam a tensão com a capacidade de carga absoluta, a

diferentes taxas de descarregamento, com temperatura de 25 ºC, das células ANR26650m1 da

A123Systems [19].



Figura 2.10 – Curvas de descarregamento que relacionam a tensão com a capacidade de carga percentual

a diferentes taxas de descarregamento e temperatura, das células ANR26650m1 da A123Systems [19].

Figura 2.11 – Evolução do estado da capacidade de carga percentual ao longo do número de ciclos a

diferentes temperaturas e taxas de carregamento e descarregamento das células ANR26650m1 da

A123Systems [19].

2.5.3. Baterias de Níquel-Cádmio

Aplicação

As baterias de níquel-cádmio (NiCd), a par das baterias de lítio, também são

bastante utilizadas em equipamentos portáteis, no entanto, cada vez com menos

popularidade devido à grande expansão que as baterias de lítio apresentam. Nestas

baterias, o descarregamento completo é importante, porque quando omitido, causa o

“efeito memória”, passando a bateria a perder gradualmente a capacidade de reter

energia [9].

Tecnologia de construção

Fisicamente, estas baterias apresentam longa durabilidade, fruto dos materiais

resistentes usados na construção das placas. O mesmo não acontece, por exemplo, com

as baterias de chumbo, onde o chumbo que constitui as placas é corroído pelas reacções

químicas que ocorrem na bateria. É por esta razão que este tipo de baterias pode atingir



um elevado número de anos de uso mantendo as mesmas características físicas. Nestas

baterias, o pólo positivo e o pólo negativo encontram-se no mesmo compartimento, com

o pólo positivo coberto de hidróxido de níquel, e o pólo negativo coberto de material

sensível ao cádmio. Os pólos estão imersos numa substância electrolítica (geralmente

uma solução de hidróxido de potássio), que permite a condução dos iões [20].

Vida útil

As baterias de níquel têm longa vida útil em aplicações estacionárias2 e,

normalmente, são bastante resistentes a carregamentos e descarregamentos rápidos,

desde que os métodos correctos sejam aplicados. Devido ao “efeito memória” os

processos de carregamento e descarregamento devem ser inteiramente cumpridos de

modo a preservar ao máximo a vida útil destas baterias.

Carregamento

Relativamente ao método de carregamento, estas baterias permitem correntes de

carregamento mais elevadas que as restantes tecnologias de baterias mencionadas

anteriormente. Tipicamente, quando a taxa de carregamento é de 1 C a eficiência de

carregamento é de 91 %, e quando é de 0,1 C a eficiência é de 71 %, comprovando que

se obtêm melhores resultados com taxas de carregamento mais elevadas. Obviamente,

para além da maior eficiência do carregamento, o tempo do mesmo também é mais

reduzido.

Durante o processo de carregamento, nos primeiros 70 % do carregamento, a

eficiência é perto de 100 %, ou seja, quase toda a energia é absorvida e a bateria

permanece fria. Nos restantes 30 % a bateria gradualmente perde a capacidade de

aceitar o carregamento, diminuindo ainda mais quando a bateria alcança os 80 a 90 %

[9].

Normalmente, e ao contrário das restantes tecnologias, estas baterias são

carregadas com um único estágio de corrente constante. Durante este estágio de corrente

constante a tensão aumenta progressivamente até um ponto em que começa a estabilizar

e ao fim de um certo tempo, diminui um pouco, produzindo uma variação negativa da

tensão, dando por terminado o carregamento. Esta situação, conhecida como “Negative

Delta V”, traduz-se no método de detecção de fim de carregamento destas baterias. Por

exemplo, se a uma bateria com carregamento completo lhe for imposto novo

carregamento, o efeito “Negative Delta V” é bastante acentuado, ou seja, o término do

carregamento é praticamente instantâneo. Para se obter uma variação de tensão negativa

significativa, a taxa de carregamento deve ser de pelo menos 0,5 C, caso contrário,

torna-se mais difícil de detectar [9].

Exemplo

Na Figura 2.12 está apresentada a célula de bateria de NiCd Cadnica, da Sanyo. A

tensão nominal desta célula é de 1,2 V e a capacidade nominal de carga é de 7 Ah. As

2 As aplicações estacionárias referem-se a sistemas de baixa manutenção.



dimensões desta célula são 32,3 mm x 90 mm e o peso de 0,224 kg. As curvas que

relacionam a tensão da célula em função do tempo, para duas taxas de descarregamento

distintas, estão representadas na Figura 2.13. Na Figura 2.14 está apresentada a

evolução da tensão da célula ao longo do tempo para diferentes temperaturas, com uma

corrente de carregamento de 0,7 A [21].

Figura 2.12 – Célula de bateria de NiCd Cadnica da Sanyo [21].

Figura 2.13 – Curvas de descarregamento que relacionam a tensão com o tempo total de descarregamento

para duas taxas de descarregamento distintas da célula de bateria de NiCd Cadnica da Sanyo [21].

Figura 2.14 – Curvas de carregamento que relacionam a tensão com tempo total de carregamento para

diferentes temperaturas com uma corrente de carregamento de 0,7 A, da célula de NiCd Cadnica da

Sanyo [21].



2.5.4. Baterias de Níquel-Hidreto-Metálico

Aplicação

As baterias de níquel-hidreto-metálico (NiMH) são a mais recente tecnologia de

baterias à base níquel, e apresentam-se como uma nova alternativa para aplicações

portáteis. Essencialmente, estas baterias visam substituir as de NiCd e fazer

concorrência às baterias de lítio, sendo que neste sentido, grandes investimentos têm

sido feitos para apoiar a expansão desta tecnologia a veículos híbridos e eléctricos.

Como estas baterias assentam na tecnologia de níquel, também são afectadas pelo

“efeito memória”, no entanto, o efeito nestas não é tão pronunciado, ou seja, quando

correctamente manuseadas esse efeito pode ser imperceptível. Existem fabricantes

destas baterias que garantem que o “efeito memória” não existe mesmas.

Tecnologia de construção

Do ponto de vista químico e eléctrico as características desta tecnologia são muito

semelhantes às baterias de NiCd, sendo que a principal diferença consiste no uso de

hidreto-metálico, como material activo no eletrodo negativo ao invés do cádmio,

utilizado nas baterias de NiCd. O eletrodo de hidreto-metálico apresenta maior

densidade de energia que o eletrodo de cádmio. Normalmente, as baterias de NiMH

possuem maior capacidade de armazenamento que as de NiCd.

Vida útil

Este tipo de baterias tem um ciclo de vida ainda menor que as baterias de NiCd,

mas em contrapartida, normalmente, permitem descarregamentos mais profundos. Tal

como as baterias de NiCd, as de NiMH também são bastante resistentes a elevadas taxas

de carregamento e descarregamento, desde que os métodos correctos sejam aplicados.

Carregamento

O processo de carregamento destas baterias é semelhante às de NiCd, podendo em

muitos casos partilharem o mesmo carregador. Contudo, o método “Negative Delta V”

para detectar o fim do carregamento tem que ser mais preciso porque a queda de tensão

produzida nestas baterias é mais pequena. Tal como as baterias de NiCd, estas também

devem ser carregadas de modo rápido, ao invés de lento. Uma corrente de carregamento

mais elevada permite melhor detecção de fim de carregamento [9].

Exemplo

Na Figura 2.15 está apresenta a célula de bateria NiMH eneloop da Sanyo. Esta

célula tem tensão nominal 1,2 V e capacidade de carga 2 Ah. As dimensões desta célula

são 14,35 mm x 50,4 mm e o peso é de 0,027 kg. Na Figura 2.16 está representada a

relação entre a tensão da célula e o tempo de carregamento, a diferentes temperaturas,

para uma corrente de carregamento de 2 A. A relação entre a tensão da célula e a

capacidade de armazenamento para diferentes taxas de descarregamento está

representada na Figura 2.17 [22].



Figura 2.15 – Células de baterias de NiMH eneloop da Sanyo [22].

Figura 2.16 – Curvas de carregamento que relacionam a tensão e o tempo total de carregamento, a

diferentes temperaturas, para uma corrente de carregamento de 2 A das células eneloop da Sanyo [22].

Figura 2.17 – Curvas de descarregamento que relacionam a tensão com a DOD a diferentes taxas de

descarregamento das células eneloop da Sanyo [22].



2.6. Baterias Inovadoras

As baterias inovadoras que têm sido desenvolvidas apontam para carregamentos

extremamente rápidos e elevados números de ciclos sem perda significativa das

características nominais. Neste contexto, de seguida são apresentados alguns destes

exemplos.

2.6.1. C.S.I.R.O. – UltraBateria

Com a tecnologia em constante evolução para permitir obter os melhores

resultados possíveis, o instituto australiano C.S.I.R.O. desenvolveu e construiu a

denominada, por eles, UltraBateria. Basicamente, esta UltraBateria consiste na

combinação de um UltraCondensador com uma bateria de chumbo comum, e de acordo

com David Lamb, da C.S.I.R.O.: “Os testes mostraram que a UltraBateria tem um ciclo

de vida que é pelo menos quatro vezes superior e produz 50% mais potência do que os

sistemas de baterias convencionais. Esta bateria é também 70% mais barata do que as

baterias actualmente utilizadas nos automóveis híbridos eléctricos”. O baixo custo das

mesmas, permite que possam ser usadas para outros fins, como o armazenamento de

energia eléctrica proveniente de parques solares ou eólicos. Na Figura 2.18, está

representado o protótipo da UltraBateria [23].

Figura 2.18 – UltraBateria da C.S.I.R.O. [23].

2.6.2. Bateria NanoSafe

No que concerne a baterias de lítio, a recente investigação da empresa Altairnano

resultou nas baterias NanoSafe de lítio-titânio, como a ilustrada na Figura 2.19. Estas

baterias podem ser carregadas em poucos minutos, sendo que para carregar até 80% é

necessário apenas cerca de um minuto. A vida útil é de mais de 20 anos, permitem mais

de 15 mil ciclos, e podem funcionar a temperaturas que variam entre -60 ºC e 75 ºC. Em

situações críticas estas baterias não explodem e podem funcionar em ambientes hostis.

A bateria apresentada na Figura 2.19 tem tensão nominal de 13,8 V, capacidade de

carga nominal de 88 Ah e é composta por 48 células individuais (8 em paralelo e 6 em

série) de lítio. As dimensões desta bateria são 382 mm x 159 mm x 233 mm e o peso é

de 17 kg [24].

http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=ultrabateria-da-novo-impulso-a-veiculos-hibrido-eletricos&id=010115080125

http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=ultrabateria-da-novo-impulso-a-veiculos-hibrido-eletricos&id=010115080125



Figura 2.19 – Bateria NanoSafe da Altairnano [24].

2.6.3. Toshiba – S.C.i.B.

A Toshiba, com o intuito de dotar as baterias de maior capacidade e maior rapidez

de carregamento, desenvolveu a Super Charge ion Battery (S.C.i.B.), que chega a

carregar 90% da capacidade de armazenamento total em apenas 5 minutos [25][26].

Esta bateria foi desenvolvida com base na tecnologia de lítio.

Apesar da rapidez dos carregamentos, esta tecnologia garante a inviolabilidade

das características da bateria, num número de ciclos de carregamento que chega aos 3

mil, evitando assim substituições indesejadas. A perda da capacidade de armazenamento

depois de 3 mil ciclos é inferior a 10%, podendo-se prolongar além de 6 mil ciclos. Esta

bateria, por funcionar com maior estabilidade térmica, é mais segura, podendo resistir a

curto-circuitos internos e a possibilidade de ruptura ou de combustão é muito baixa. As

óptimas características de segurança da S.C.i.B. possibilitam o carregamento com uma

corrente de 50 A, permitindo efectuar carregamentos extremamente rápidos. Esta bateria

é adequada para aplicações de alta potência e opera bem sob temperaturas extremas,

com descarregamentos com temperaturas até -30 ºC, podendo ter ampla aplicação em

climas frios [25][26].

Recentemente, esta bateria foi escolhida pela Cannondale Sports Group, empresa

líder global em bicicletas, para fornecer o módulo de energia da nova bicicleta eléctrica

Tailwind. Segundo Shoshi Kawatsu, gerente da Transmission Distribution & Industrial

Systems Company: “A S.C.i.B. é uma inovação importante. É segura, tem alta potência

e recarregamento excepcionalmente rápido. Em termos de impacto ambiental, oferece

longa vida, o que ajuda a reduzir o desperdício”. Na Tabela 2.8 estão apresentadas as

principais características nominais das células individuais e do módulo S.C.i.B. [26].

Tabela 2.4 – Valores nominais da célula e do módulo S.C.i.B. [26].

Célula Módulo

Tensão Nominal (V) 2,4 24

Capacidade nominal (Ah) 4,2 4,2

Dimensões (mm) 62 x 95 x 13 100 x 300 x 45

Peso (kg) 0,150 2



Para além das bicicletas eléctricas, estes módulos podem ser aplicados em

motocicletas, Automatic Guided vehicle (AGV’s - Veículos Guiados Automaticamente),

e empilhadores eléctricos. Entre outras aplicações, a S.C.i.B. também pode ser utilizada

em sistemas de estabilização da energia eléctrica, em fontes de energia eléctrica de

emergência e em parques de energia solar e eólica. De futuro, quando se obtiverem

resultados satisfatórios, no desenvolvimento de uma célula S.C.i.B. de alto desempenho,

também está prometida, por parte da Toshiba, a sua aplicação em veículos híbridos e

eléctricos. Na Figura 2.20 está representada uma célula e um módulo S.C.i.B. [26].

Figura 2.20 – Célula e módulo S.C.i.B. [26].

2.6.4. UltraCondensador

Os UltraCondensadores, ou SuperCondensadores, teoricamente são baterias, pois

tal como as baterias electroquímicas tradicionais, têm a função de armazenar energia

com o intuito de a fornecer a um sistema assim que seja necessário. Apesar de a

essência ser a mesma, os processos envolventes são bastante diferentes. Contrariamente

às baterias, em que existem transformações electroquímicas, nos UltraCondensadores o

carregamento e o descarregamento são dependentes do campo eléctrico entre as

armaduras do condensador. Pelo facto do carregamento destes, basicamente depender da

capacidade3 dos mesmo e da resistência do circuito de carregamento, estes podem ser

carregados e descarregados em muito pouco tempo. Na Figura 2.21 está representada a

constituição interna de um UltraCondensador [27].

As principais vantagens dos UltraCondensadores em relação às baterias, são o

facto destes terem um número de ciclos de carregamento e descarregamento

teoricamente infinito e as perdas serem mais reduzidas. Actualmente, com

UltraCondensadores é possível obter capacidades de milhares de Farad em volumes

extremamente reduzidos, perdas praticamente nulas, e elevadas densidades de energia.

Quanto à aplicabilidade, os UltraCondensadores visam praticamente as mesmas

aplicações das baterias tradicionais, que podem ser os veículos híbridos e eléctricos,

especialmente úteis na travagem regenerativa, e combinação com fontes de energia

renovável.

3 A capacidade do condensador corresponde à quantidade de carga eléctrica armazenada para uma dada

diferença de potencial entre os terminais do condensador. A unidade de medida da capacidade é o Farad.



Figura 2.21 – Constituição interna de um UltraCondensador [27].

Na Figura 2.22 está representado um exemplo de um UltraCondensador, do

fabricante NESSCAP UltraCapacitors, de 5000 F e 2,7 V [28]. Outro exemplo de

UltraCondensador está apresentado na Figura 2.23. As características deste

UltraCondensador da Batscap estão apresentadas na Tabela 2.5 [29].

Figura 2.22 – UltraCondensador da NESSCAP UltraCapacitors de 5000 F e 2,7 V [28].



Figura 2.23 – UltraCondensador da Batscap de 2600 F e de 2,7 V [29].

Tabela 2.5 – Características do UltraCondensador da Batscap [29].

Tensão (V) 2,7

Capacidade a 100 A, 25 ºC (F) 2600

Energia Específica a 2,7 V, 25 ºC (Wh / kg) 5,3

Potência Específica a 2,7 V, 25 ºC (kW / kg) 18

Temperatura de Funcionamento (ºC) -30 a 60

Temperatura de Armazenamento (ºC) -30 a 70

Resistência Série CC (mΩ) 0,35

Resistência Série CA (mΩ) 0,2

Corrente Máxima Pico (A) 600

Peso (kg) 0,500

Para além dos UltraCondensadores individuais, existem módulos compactos

constituídos por UltraCondensadores individuais. Um exemplo destes módulos é o

BMOD Power, da Maxwel Techonologies, representado na Figura 2.24. Estes módulos

podem ser utilizados para os mesmos fins que os UltraCondensadores individuais.

Figura 2.24 – Módulo de UltraCondensadores BMOD Power [30].



Tabela 2.6 – Valores nominais do módulo de Ultracondensadores BMOD Power [30].

Tensão (V) 15

Capacidade (F) 52


Tolerância da Capacidade (%) ± 20

ESR4 (mΩ) 14,5

ERS, a 1 MHz (mΩ) 8

Máximo de Associações em Série 3


Peso (kg) 0,680

2.7. Sistemas de Gestão das Baterias

Estes sistemas dividem-se em dois tipos, os que permitem obter informações

relativas ao estado das baterias, nomeadamente, tensão, capacidade de carga e

temperatura, e os que permitem estabelecer padrões de segurança durante o

carregamento e o descarregamento, nomeadamente, protecções contra excessos de

correntes, tensões e temperaturas, e ao mesmo tempo igualar o estado de carregamento

de cada célula individual da bateria. Apesar de diferentes, ambos os sistemas são

importantes porque, por um lado, permitem acompanhar o estado de carregamento e

descarregamento das baterias e por outro, com a associação das células individuais em

série e/ou paralelo, evitam que umas carreguem ou descarreguem mais rápido que

outras. Apesar de equipamentos distintos, estes podem estar combinados num único

sistema capaz de gerir todas as funcionalidades.

O princípio básico de funcionamento destes equipamentos no processo de

carregamento consiste em abrir o circuito que alimenta a bateria quando esta atingir o

limite máximo de tensão e/ou corrente. Por outro lado, durante o processo de

descarregamento, quando a tensão atingir o limite mínimo aceitável o circuito fica

aberto. Em ambos os processos, estes equipamentos podem medir a tensão de cada

bateria e a corrente eléctrica de carregamento ou descarregamento ao longo do tempo e

a partir dessas informações determinar a capacidade restante da bateria em cada

instante.

Muitos módulos de baterias, principalmente os destinados aos veículos híbridos e

eléctricos, já possuem sistemas de gestão incorporados, no entanto, no mercado existem

muitos destes equipamentos de acordo com as características de cada bateria e/ou

célula, como por exemplo: o modelo BMS Battery Monitor System- CXC Smart

Periphera da Argus, o modelo Thunder Power RC 210V Lithium Battery Balancer da

4 Equivalent Series Resistance (ESR – Resistência Equivalente Série) é um parâmetro importante nos

condensadores pois representa a resistência resultante da combinação das conexões internas do

condensador.



Thunder Power, o modelo PakTrakr - Intelligent Battery Monitoring Systems da

PakTrakr, o modelo Precision Battery Monitoring da Victron Energy, o modelo GAIA

Advanced Lithium Battery Systems da GAIA ou o modelo Battery Equalizer da

PowerCheq.

2.7.1. BMS para baterias TS-LFP90AHA da Thundersky

Na Figura 2.25, está apresentado, numa bateria Thundersky, um Sistema de

Gestão das Baterias (Battery Management System – BMS), especialmente concebido

para as baterias TS-LFP90AHA da Thundersky. Este equipamento tem como finalidade

permitir o equilíbrio, em termos de tensão, em todas as células que compõem a bateria.

Figura 2.25 – BMS para baterias TS-LFP90AHA da Thundersky [31].

2.7.2. Lithium Balance BMS 23 Cell

Um exemplo de BMS para baterias de lítio está ilustrado na Figura 2.26. Este

Lithium Balance BMS 23 Cell permite controlar o carregamento e descarregamento de

23 células de lítio com tensão variável de 2,6 V a 4,2 V. A corrente máxima de

carregamento e descarregamento é de 30 A e 250 A, respectivamente. A corrente

máxima de bypass é de 1 A, a detecção de tensão mínima demora menos de um segundo

e a temperatura de funcionamento varia entre -20º C e +70º C. Este BMS também

permite estimar a capacidade de carga restante da bateria através do cálculo do integral

da corrente ao longo do tempo e posterior informação através de saída analógica. O

valor máximo desta saída é 10 VDC a que corresponde 100% da capacidade de carga e

0 VDC para 0%, com variação linear. Na Figura 2.27 está ilustrado o esquema de

ligações deste BMS [32].

Figura 2.26 – Lithium Balance BMS 23 Cell [32].



Figura 2.27 – Esquema de ligações do Lithium Balance BMS 23 Cell [32].

2.7.3. Victron Energy

Essencialmente, o Victron Energy tem como função monitorizar o estado da

capacidade de carga da bateria, sendo que para esse efeito calcula o integral da corrente

de descarregamento ao longo do tempo. No caso de uma corrente constante, a

integração consiste simplesmente na multiplicação dessa corrente pelo tempo. A

monitorização é feita recorrendo a microprocessadores programados com os algoritmos

necessários para a melhor precisão. Na Figura 2.28 está representado o aspecto externo

do Victron Energy [33].

Figura 2.28 – Aspecto externo do Victron Energy [34].

Dependendo do modelo, o Victron Energy pode estar equipado com comunicação

RS232, podendo, através de software apropriado, apresentar todas as informações sobre

o carregamento e descarregamento em ficheiro. Na Figura 2.29 está representado um

exemplo de informação obtida com o Victron Energy, modelo BMV 602 e o software

VEBat software, durante o carregamento de uma bateria [33].



Figura 2.29 – Gráfico obtido com o Victron Energy, modelo BMV 602 e o software VEBat software,

durante o carregamento de uma bateria [33].

2.7.4. PCM para Baterias de Lítio

O Protection Circuit Module (PCM – Circuito de Protecção de Módulos)

apresentado na Figura 2.30 funciona com módulos de baterias de 24 células de lítio.

Este circuito de protecção é especialmente concebido para células de lítio com tensão

nominal 3,7 V, ou seja, para módulos com tensão nominal de 3,7 x 24 = 88,8 V, e

corrente eléctrica de descarregamento de 60 A.

Figura 2.30 – PCM para baterias de lítio [35].

Para além das características normais para protecção, este PCM também

estabelece o equilíbrio entre células depois de o módulo ter sido carregado, para tal, o

PCM faz a leitura da tensão de cada célula e distribui das maiores tensões para as

menores, até que fiquem todas em equilíbrio. Em termos de protecções previne excessos

de carregamento, estabelece o equilíbrio entre células com um máximo de 4,325 V por

célula, protege o módulo contra excessos de descarregamento com limite de 2,5 V por

célula e limita o descarregamento a correntes inferiores a 60 A contínuos. Na Tabela 2.7

estão apresentadas outras características relevantes deste PCM [35].



Tabela 2.7 – Características relevantes do PCM para baterias de lítio [35].

Tensão de Máxima (V) 100,8

Tensão Balanceamento por Célula (V) 4,2±0,03%

Corrente Balanceamento por Célula (A) 0,170±0,01%

Máxima Corrente de Descarregamento (A) 60

Tempo Máximo de Detecção de Excesso de Carregamento (s) 0,5 a 1,5

Tempo Máximo de Detecção de Excesso de Descarregamento (s) 0,5 a 1,5



Peso (kg) 1,315


Preço (€) 148,48

2.7.5. Exemplo de Banco de Baterias com BMS para veículo Eléctrico

Na Figura 2.31 está apresentado um diagrama de blocos que permite construir um

banco de baterias de LiPol com 144 V e 200 Ah para ser aplicado num veículo eléctrico.

O conjunto é composto por um BMS “Master Module”, 2 x 20 BMS “Slave Module”,

40 módulos de baterias de LiPol com 3,7 V e 210 Ah com PCM, e 2 fontes de

alimentação de 84 V cada uma. Na Figura 2.32 estão representados, respectivamente, os

BMS’s e o módulo de bateria [36].

Figura 2.31 – Diagrama de blocos de um banco de baterias com BMS para veículo eléctrico [36].

Figura 2.32 – BMS’s e módulo de bateria do banco de baterias de veículo eléctrico [36].



2.8. Veículos Híbridos e Eléctricos

Com o uso massivo dos veículos movidos a combustíveis fósseis a qualidade de

vida nas grandes cidades, fruto dos elevados níveis de poluição, tende a diminuir. Para

além da referida poluição, as reservas destes combustíveis tendem a esgotar-se nas

próximas décadas, pelo menos o suficiente para não satisfazer as necessidades actuais,

principalmente para os veículos. Não menos importante, é a opinião pública que

incentiva a alternativas aos actuais veículos, sobretudo com a escalada dos preços dos

combustíveis predominante nos últimos tempos. Neste contexto, os veículos híbridos e

eléctricos representam uma mais-valia para colmatar estes factores, pois contribuem

para uma política sustentável de transportes “limpos”, eficientes e com menores custos

por deslocação. A par destes factores, valorizam-se os recursos energéticos “limpos”, e

a consequente redução de poluição, contribuindo, globalmente, para uma melhor

qualidade de vida.

Assim sendo, na conjuntura actual, a aposta passa pelos veículos híbridos e

eléctricos tendo como fonte, primária ou secundária de energia as baterias

electroquímicas, que podem ser carregadas directamente a partir da rede eléctrica e/ou

através de fontes de energia renováveis. Aquando da circulação dos veículos eléctricos a

emissão de gases poluentes é nula, no entanto, globalmente todo o processo depende do

modo como a energia eléctrica necessária ao carregamento das baterias é obtida, ou

seja, não é vantajoso que a energia necessária para carregar as baterias seja proveniente

de fontes de energia não renováveis. Por isso, prevê-se que com o avanço tecnológico

inerente às energias renováveis, surja uma óptima solução para fornecer a energia

eléctrica necessária ao carregamento de um elevado número de veículos híbridos e

eléctricos. Com a aposta em energias renováveis, a rede eléctrica fica dotada de maior

capacidade de resposta para fornecer essa energia ao banco de baterias dos veículos,

mas apresenta como desvantagem o facto de essa produção não ser constante, sendo

necessário recorrer a outras soluções que ajudem a colmatar este problema.

É no contexto do carregamento das baterias de um elevado número de veículos

através da rede eléctrica que surge o Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias.

Com o sistema proposto, além do carregamento das baterias com diferentes estágios de

carga, com consumo sinusoidal de corrente e factor de potência unitário, é possível

descarregar as baterias de forma controlada para a rede eléctrica, com corrente

sinusoidal e em oposição de fase com a tensão. Este conceito bidireccional de fluxo de

energia eléctrica entre o banco de baterias dos veículos e a rede eléctrica, é denominado

“Vehicle to Grid” [37]. Com este paradigma pretende-se que o banco de baterias dos

veículos híbridos e eléctricos funcionem como uma fonte de energia eléctrica, não só

para a locomoção dos veículos, que é a principal função dos mesmos, mas também para

a rede eléctrica. Actualmente, com a produção inconstante de energia eléctrica por parte

dos parques eólicos e solares, são as barragens que mantêm o equilíbrio entre a

produção e o consumo de energia eléctrica, por isso, com o conceito dos veículos



ligados à rede eléctrica por longos períodos de tempo, será possível que os mesmos

ajudem as barragens a manter esse equilíbrio, uma vez que os veículos possuem essa

capacidade de devolução de energia, e podendo-se efectuar essa transferência de forma

rápida. Este conceito faz ainda mais sentido tendo em conta que os veículos híbridos e

eléctricos estarão parados a maior parte das horas do dia, e se durante esses períodos de

paragem os veículos estiverem ligados à rede eléctrica, é possível que a energia eléctrica

armazenada no banco de baterias seja devolvida à rede eléctrica sempre que se

justifique, e noutros instantes dessa paragem, o banco de baterias esteja a ser carregado

sem prejudicar a vida útil das baterias, nem a qualidade da energia eléctrica, tal como é

proposto, nesta dissertação, com o Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias.

Neste sentido, para que este modelo de gestão de energia eléctrica funcione em

pleno é necessária uma empresa de gestão que permita o controlo bidireccional do fluxo

de energia eléctrica entre os veículos e a rede eléctrica, de modo a que não aconteçam

situações em que estejam muitos veículos a carregar e a rede eléctrica com pouca

capacidade de fornecer energia eléctrica a esses veículos. É por esta razão que é tão

importante que os veículos estejam ligados à rede eléctrica, mesmo que estejam

parados, como acontece na maioria das horas do dia. Neste contexto, podem-se

estabelecer distintos padrões de conexão entre os veículos e a rede eléctrica, sendo que

para este propósito já foram realizados alguns estudos, que visam analisar o impacto do

consumo e fornecimento de energia eléctrica por parte dos veículos eléctricos, ou seja, o

impacto energético do carregamento e descarregamento na rede eléctrica [38][39].

Com o Sistema de Carregamento apresentado é possível carregar as baterias com

diferentes algoritmos, com consumo sinusoidal de corrente e factor de potência unitário,

de forma a perseverar ao máximo a qualidade da energia eléctrica. Deste modo, com o

devido controlo, é possível carregar total ou parcialmente as baterias a qualquer hora do

dia, no entanto, enquadrando este Sistema de Carregamento numa “Vehicle to Grid” é

possível controlar automaticamente o carregamento com o intuito de estabilizar a rede

eléctrica. Com o sistema proposto, também é possível que as baterias devolvam,

controladamente, energia à rede eléctrica, com corrente sinusoidal e em oposição de

fase com a tensão, preservando também a qualidade da energia eléctrica. Deste modo, as

baterias podem deixar de ser carregadas continuamente, porque, mediante as

necessidades da rede eléctrica e de acordo com a gestão do controlo, as baterias podem

começar a actuar como uma fonte de energia para a rede eléctrica, passando o sistema

proposto a funcionar como conversor CC-CA com controlo da energia fornecida à rede

eléctrica. Com os veículos híbridos e eléctricos ligados à rede eléctrica também se

podem estabelecer soluções para possíveis falhas de energia, ou seja, o banco de

baterias dos veículos podem funcionar como “back-up” de energia, funcionando em

conjunto com a rede eléctrica. Este tipo de configuração é especialmente útil para redes

eléctricas isoladas, como por exemplo ilhas [40].

Para que este modelo de interface entre a rede eléctrica e os veículos híbridos e



eléctricos funcione em pleno é necessário que a vida útil do banco de baterias não seja

descurada, por isso é necessário respeitar os processos de carregamento e

descarregamento, como faz o Sistema de Carregamento proposto, e também o número

de ciclos que o banco de baterias permite efectuar, caso contrário, com ciclos de

carregamento e descarregamento muito elevados ao longo do dia, corre-se o risco de se

atingir em curto prazo o número de ciclos nominais do banco de baterias.

Assim, através desta interface entre a rede eléctrica e os veículos híbridos e

eléctricos, o preço de aquisição destes veículos, ou do banco de baterias, pode ser

atenuado devido ao fornecimento de energia à rede eléctrica, tal como acontece,

actualmente, com as energias renováveis.

Apesar da aposta nos veículos híbridos e eléctricos parecer recente, já existem

bastantes modelos de veículos eléctricos em comercialização ou em vias de

comercialização, como por exemplo: Chevrolet Volt, Fiat Palio Eléctrico, Nissan

LEAF, Citroen AX Electrique, Citroen SAXO, Citroen Berlingo, Subaru R1e, Eliica,

Tesla Whitestar, Tesla Roadster, Honda Civic IMA, GM EV1, Toyota Prius 1.5 VVT-i e

REVAi. Destes exemplos, destaca-se o Tesla Roadster cuja produção começou em

Março de 2008 e é um dos veículos da sua categoria mais satisfatório. Em termos de

características, este veículo acelera de 0 a 100 km/h em menos de 4 segundos e chega à

velocidade máxima de 200 km/h, constituindo assim um avanço tecnológico de

referência no que concerne aos veículos eléctricos. De acordo com o sistema proposto

pela Tesla, denominado “AC Propulsion Reductive Charging” é possível que as

baterias sejam completamente carregadas em apenas 3 horas e 30 minutos. O banco de

baterias utilizado é de lítio e quando está completamente carregado a autonomia destes

veículos é de 350 km, o que também constitui um grande avanço tecnológico, dado que,

tipicamente, os veículos eléctricos têm autonomia que varia entre 150 e 200 km [49].

Este banco de baterias é leve, reciclável e não é afectado pelo “efeito memória”, logo,

não é necessário efectuar um descarregamento completo, antes de voltar a carregar. De

acordo com a Tesla, este banco de baterias, só perde a sua qualidade máxima após

160000 km, no entanto, não tem que ser logo trocado. Este banco de baterias,

representado na Figura 2.33, é composto por 6831 células individuais de lítio,

associadas em série e paralelo, de forma a obter tensão nominal de 375 V e capacidade

nominal de 141,3 Ah, com um peso de 450 kg. O consumo energético deste veículo

cifra-se nos 0,11 kWh/km. A travagem regenerativa também é utilizada como forma de

recuperar alguma energia utilizada durante a travagem [41]. Na Tabela 2.8, está

apresentada uma comparação entre o Tesla Roadster e veículos que utilizam como

combustíveis: gasolina, diesel, gás natural, gás natural/eléctrico (híbrido) e hidrogénio.



Figura 2.33 – Banco de baterias do Tesla Roadster [41].

Tabela 2.8 – Comparação entre o Tesla Roadster e veículos não eléctricos [42].

Na Figura 2.34, está apresentada a relação entre a aceleração e a eficiência

energética para diferentes veículos que utilizam combustíveis fósseis como

combustível, visando mostrar as vantagens dos veículos eléctricos, em especial o Tesla

Roadster [42].

5 “well-to-wheel” é processo que vai desde a produção dos combustíveis na sua matéria-prima até ao seu consumo

para fazer girara as rodas do veículo.

Tecnologia Exemplo Consumo de

Combustível

Eficiência

(well-to-

wheel5)

[km / MJ]

Emissões CO2

(well-to-

wheel)

[g / km]

Tempo para

Aceleração

0 – 60 mph

(0 – 96,6 km/h)

[s]

Eléctrico Tesla Roadster 110 Wh/km 1,15 46,1 3,9

Gasolina

(Turbo 6

cilindros)

Porche Turbo 0,107 l/km 0,22 328,2 4,2

Gasolina

(V12)

Ferrari 550

Maranello 0,201 l/km 0,12 617,1 4,7

Gasolina (V8) Chevrolet

Corvette 0,094 l/km 0,25 288,8 4,8

Gasolina

(VTEC 4

cilindros)

Honda Civic

VX 0,046 l/km 0,52 141,6 9,4

Gasóleo (4

cilindros)

VW Jetta

Diesel 0,043 l/km 0,48 152,1 11

Gás Natural Honda CNG 0,067 l/km 0,32 165 12

Híbrido (3

cilindros

Gás/Eléctrico)

Toyota Prius 0,043 l/km 0,56 131,3 10,3

Hidrogénio Honda FCX 0,0097 kg/km 0,35 151,7 15,8



Figura 2.34 – Relação entre a aceleração e a eficiência energética para diferentes veículos visando

enaltecer o Tesla Roadster [42].

Como já referido anteriormente, para além da Tesla, outros grandes fabricantes já

construíram os seus modelos de veículos eléctricos. Assim, como exemplo, de seguida

são evidenciadas as principais características do Honda Civic IMA (Segunda Geração),

Toyota Prius 1.5 VVT-i, GM EV1 (1999) e REVAi. Posteriormente, são apresentadas as

principais características dos veículos eléctricos de média ou elevada performance e

desportivos [49].

Honda Civic IMA (Segunda Geração) [43]

Banco de baterias do tipo NiMH.

Tensão nominal de 158 V.

Capacidade de 5,5 Ah.

Velocidade máxima de 185 Km/h.

Toyota Prius 1.5 VVT-i [44]


Número de módulos de baterias 28.

Tensão nominal de 201,6 V.

Capacidade de 19,5 Ah.

Peso das baterias 39Kg.

Velocidade máxima de 170 km/h.



GM EV1 (1999) [45]




Capacidade de 77 Ah.

Peso das baterias 39 kg.


Consumo de 0,164 kWh/km.

REVAi [46][47]

Banco de baterias do tipo Pb-A.



Capacidade de 200 Ah.

Peso das baterias 280 kg.


Consumo médio de 0,12 kWh/km.

Veículos Eléctricos de Média Performance [49]

Carroçaria de um citadino tradicional, como por exemplo, Renault Clio ou Opel

Corsa.

Sistema propulsor de 15 kW a 25 kW.

Autonomia na ordem dos 100 km.

Velocidade de ponta 80 km/h.

Recarregável em qualquer tomada de 230 V.

Veículos Eléctricos de Elevada Performance [49]

Carroçaria de um veículo tradicional, como por exemplo, Honda Civic, Volvo 440 ou

Lancia Delta.

Sistema propulsor de 40 kW a 60 kW.




Com possibilidade de integrar um Sistema de Extensão de Autonomia com motor de

combustão interna acoplado a um gerador.

Veículos Eléctricos Desportivos [49]

Carroçaria de um veículo do tipo Jeep Grand Cherokee, Pick-up isuzu D-Max ou

Lancia Kappa.

Sistema propulsor de 100 kW.






Com possibilidade de integrar um Sistema de Extensão de Autonomia com motor de

combustão interna acoplado a um gerador.

2.9. Mobilidade dos Veículos Híbridos e Eléctricos

Com a necessidade de energia eléctrica para alimentar sistemas portáteis [48], a

tecnologia inerente às baterias desenvolveu-se até ao ponto desses avanços já serem

incorporados na produção de baterias para veículos híbridos e eléctricos, sendo que

estas baterias são recarregáveis e quando associadas em série e/ou paralelo podem

confiadamente fornecer energia eléctrica para a mobilidade de um veículo. As baterias

específicas para veículos híbridos e eléctricos estão a ser produzidas a nível mundial por

diversas empresas de forma a satisfazer crescente procura, com custos cada vez mais

reduzidos e com melhorias técnicas significativas.

Deste modo, com a crescente aposta nos veículos híbridos e eléctricos é necessária

a criação de infra-estruturas capazes de responder de forma eficaz ao carregamento de

um elevado número de veículos através do Sistema Eléctrico Nacional. Neste contexto,

nasceu a empresa BetterPlace, sediada em Palo Alto – Califórnia, que visa reduzir a

dependência mundial do petróleo através da criação de infra-estruturas de suporte a

veículos eléctricos oferecendo uma alternativa barata, limpa e sustentável. Esta rede de

suporte aos veículos eléctricos tem como finalidade permitir que as baterias destes

veículos possam ser trocadas ao invés de carregadas, possibilitando percorrer longas

distâncias sem perda de tempo para carregar as baterias. Esta solução, denominada

Battery Exchange Stations permite a troca das baterias sem demasiada perda de tempo,

sendo ainda mais eficientes e convenientes do que postos de combustíveis

convencionais [50][51].

Apesar da troca das baterias representar uma solução, as baterias também devem

poder ser carregadas em locais estratégicos, como residências particulares, estradas

nacionais, auto-estradas e parques de estacionamento. Para este efeito, as baterias

podem ser carregadas através do Sistema Eléctrico Nacional e/ou recorrendo a fontes de

energia renováveis. Se este processo for efectuado em residências particulares

recorrendo a fontes de energia renováveis, a produção e o consumo pode ser

independente de empresas concessionárias de energia eléctrica, porém, o processo de

carregamento das baterias tem que ter em conta a capacidade do carregador em fornecer

energia eléctrica e o tempo de carregamento. Por exemplo, assumindo um sistema de

baterias recarregáveis com capacidade nominal de 20 kWh e um sistema eficiente de

carregamento, para que se possa efectuar um carregamento de apenas 50 % da

capacidade nominal das baterias em uma 1 hora, com tensão de 230 V, é necessário

fornecer uma corrente de 43,478 A. Se o carregador permitir fornecer elevadas



correntes, o tempo de carregamento pode ser reduzido, por outro lado, se o carregador

não permitir fornecer correntes elevadas é necessário aumentar ao tempo de

carregamento, no entanto, em ambos os casos, é preciso que o carregador não descure a

vida útil das baterias.

Em Portugal, foi criada a entidade Mobi.E, que assenta em vários pontos de

carregamento das baterias dos veículos eléctricos e que estarão distribuídos pelo

território nacional. O processo de carregamento das baterias consistirá em dois métodos

distintos, um rápido entre vinte e trinta minutos e um lento entre seis e oito horas. O

método de pagamento da energia consumida e da taxa de serviço será realizado através

do cartão pré-pago CHARG.E da rede Mobi.E [52]. Com esta aposta, cria-se um grande

desafio para Universidades, Centros de Investigação e Empresas que visam o

desenvolvimento de soluções tecnológicas relacionadas com os veículos eléctricos e

com as energias renováveis.

No contexto dos veículos eléctricos, Portugal receberá veículos eléctricos da

Nissan, com possibilidade de alugar as baterias para reduzir o preço inicial do veículo

[53]. Este veículo terá autonomia de 160 quilómetros e baterias de lítio [54]. Portugal

vai receber uma fábrica de produção de baterias de lítio específicas para equipar

veículos eléctricos [55].

2.10. Módulos de Baterias para Veículos Híbridos e Eléctricos

Tanto os veículos híbridos como os eléctricos utilizam baterias para fornecer

energia aos motores eléctricos, todavia os veículos eléctricos requerem mais energia

armazenada nas baterias que os veículos híbridos. Estas baterias podem ser associadas

em série e/ou paralelo de forma a se adaptarem às necessidades especificas de cada

veículo. Como estes veículos requerem baterias com características específicas, de

seguida são apresentados alguns exemplos de baterias destinadas a veículos híbridos e

eléctricos.

2.10.1. Saft Batteries

A empresa Saft desenvolveu vários módulos de baterias específicos para veículos

híbridos e eléctricos assente na tecnologia NiMH. Um exemplo concreto para veículos

eléctricos é o módulo NHE 10-100 Module apresentado na Figura 2.35. De referir que a

Saft também disponibiliza módulos com tecnologias diferentes de NiMH.

Figura 2.35 – Módulo de baterias NHE Module da Saft [56].



Estes módulos têm como vantagens o facto de serem livres de manutenção,

possuírem excelente segurança, excelente resistência a abusos, serem totalmente

recicláveis, serem totalmente selados e possuírem um sistema de refrigeração líquido

disponível dependendo da aplicação. Na Tabela 2.9 estão apresentadas as características

nominais destes módulos.

Tabela 2.9 – Características nominais do NHE 10-100 Module da Saft [56].

Tensão Nominal (V) 12

Capacidade de Carga Nominal (Ah) 100

Energia Especifica (Wh / kg) 66

Densidade Energética (Wh / l) 137

Potência Especifica (W / kg) 150

Densidade de Potência (W / l) 310


Peso (kg) 18,6


Temperatura de Armazenamento (ºC) 0 a +30

Na Figura 2.36, está apresentado o gráfico que relaciona a tensão do módulo com

a profundidade de descarregamento percentual, à temperatura de 23 ºC, quando a taxa

de descarregamento é 1/3 C, 1,5 C e 1 C. Na Figura 2.37, está representado o gráfico

que relaciona a retenção do carregamento percentual ao longo dos dias, às temperaturas

de +23 ºC e +40 ºC. Na Figura 2.38, está representado o gráfico que relaciona a

capacidade de retenção do módulo com o número de ciclos (ciclos com uma

profundidade de descarregamento de 80%), a uma taxa de descarregamento de 1/3 C.

Por último, na Figura 2.39, está representado o gráfico que relaciona o pico de potência

típico com a profundidade de descarregamento às taxas de 500 A/10 s e 300 A/30 s à

temperatura de 23 ºC [56].

Figura 2.36 – Curvas de descarregamento que relacionam a tensão com a DOD percentual, para diferentes

correntes de descarregamento, nos módulos NHE 10-100 Module da Saft [56].



Figura 2.37 – Evolução do estado da carga percentual ao longo dos dias, às temperaturas de +23ºC e

+40ºC, nos módulos NHE 10-100 Module da Saft [56].

Figura 2.38 – Evolução do estado da capacidade de carga percentual ao longo do número de ciclos de

carregamento e descarregamento nos módulos NHE 10-100 Module da Saft [56].

Figura 2.39. – Relação entre os picos de potência e a DOD percentual nos módulos NHE 10-100 Module

da Saft [56].

2.10.2. Valence

Na Figura 2.40 estão ilustradas as baterias XP Battery Module da Valence. Estes

módulos foram desenvolvidos com a tecnologia de lítio, mais concretamente com

LiFeMgPO, proporcionam algumas mais-valias em relação às tradicionais baterias de

lítio, podendo ser utilizadas em diversas aplicações, sendo que também estão no

caminho dos veículos eléctricos [57].



Figura 2.40 – Baterias XP Battery Module da Valence [57].

As principais mais-valias destas baterias são o facto de terem incorporado

internamente um sistema de BMS, possuírem sistema interno de balanceamento das

células da bateria e serem livres de manutenção. Apesar de o datasheet não especificar o

número de ciclos de carregamento e descarregamento, prometem milhares de ciclos,

com uma profundidade de descarregamento de 100% sob condições normais de

funcionamento. Não menos importante para algumas aplicações é o facto de terem

dimensões semelhantes às tradicionais baterias de chumbo. Um caso específico destas

baterias é a U24-12XP, cujos valores nominais estão apresentados na Tabela 2.10 [57].

Tabela 2.10 – Valores nominais da bateria U24-12XP da Valance [57].

Tensão Nominal (V) 12,8


Energia Especifica (Wh / kg) 89

Densidade Energética (Wh / l) 139

Resistência Interna (mΩ) 6

Tensão Máxima de Carregamento (V) 14,6

Corrente Nominal de Carregamento (A) 55

Tempo de Carregamento (h) 2,5

Corrente Nominal de Descarregamento (A) 150

Corrente Nominal de Descarregamento, em 30s (A) 300

Tensão Mínima de Descarregamento (V) 10


Peso (kg) 15,8


Temperatura de Armazenamento (ºC) -40 a +50



Na Figura 2.41, está apresentada a relação da tensão da bateria com a capacidade

de carga percentual para diferentes taxas de descarregamento quando a temperatura de

funcionamento é de +23 ºC. A Figura 2.42 apresenta a relação da capacidade de carga

da bateria com o número de ciclos de carregamento e descarregamento à taxa de C / 2 e

à temperatura de +23 ºC. Por fim, na Figura 2.43 a relação entre a capacidade de carga

percentual, a tensão de carregamento e o tempo de carregamento.

Figura 2.41 – Curvas de descarregamento que relacionam a tensão da bateria com a DOD percentual, para

diferentes taxas de descarregamento à temperatura de funcionamento de +23 ºC [57].

Figura 2.42 – Evolução do estado da capacidade de carga percentual ao longo do número de ciclos de

carregamento e descarregamento à taxa de C / 2 e à temperatura de +23 ºC [57].



Figura 2.43 – Curvas de carregamento que relacionam a capacidade de carga percentual com a tensão da

bateria e com o tempo total de carregamento [57].

2.10.3. EnerDel

A célula de bateria da EnerDel [58], apresentada na Figura 2.44, foi

especificamente concebida para veículos híbridos e eléctricos, como por exemplo, do

fabricante Th!nk Global. Esta célula individual, assentes na tecnologia de lítio, mais

concretamente em LiTiO podem ser associadas em série e/ou paralelo para formar

baterias, como a apresentada na Figura 2.45, permitindo uma melhor integração nos

veículos híbridos e eléctricos [58][59].

Figura 2.44 – Células de bateria da EnerDel [59].

Figura 2.45 – Bateria da EnerDel [59].



Apesar de estas baterias serem especificas para veículos híbridos e eléctricos, a

EnerDel também tem baterias para necessidades específicas, como por exemplo,

aplicações industriais (12 Volt Battery Pack), UPS’s ou telecomunicações (24 Volt

Battery Pack), e para as mais diversas aplicações (80 Volt Battery Pack). A bateria

apresentada na Figura 2.45 é composta por células LiTiO cujos valores nominais estão

apresentados na Tabela 2.11. Na Figura 2.46, está representada a relação entre a tensão

e a capacidade de carga destas células.

Na Figura 2.47, está representada a relação entre a tensão e a capacidade de carga

percentual, para uma taxa de descarregamento de 1 C a uma temperatura de 30 ºC. De

acordo com a EnerDel, com estas baterias, específicas para os veículos híbridos e

eléctricos é possível reduzir ao volume e ao peso em relação às tradicionais baterias de

NiMH, conforme ilustrado na Figura 2.48 [58][59].

Relativamente ao número de ciclos, na Figura 2.49 está representada a sua relação

com a capacidade de carga da célula, para as condições especificadas na mesma figura

[58][59].

Tabela 2.11 – Valores nominais da célula LiTiO da EnerDel [58][59].

LiTiO Type Cell


Capacidade de Carga Nominal (Ah) 1,8


Figura 2.46 – Curva de descarregamento que relaciona a tensão da célula com capacidade de carga

absoluta nas células LiTiO [59].



Figura 2.47 – Curva de descarregamento que relaciona a tensão da célula com a DOD percentual para

uma taxa de descarregamento de 1 C à temperatura de 30 ºC [59].

Figura 2.48 – Comparação de baterias da EnerDel com as tradicionais de NiMH [58].

Figura 2.49 – Evolução da capacidade de carga absoluta da bateria ao longo do número de ciclos para as

condições de carregamento e descarregamento especificadas [59].



2.10.4. Thunder Sky

A bateria TS-LPF90AHA da Thunder Sky representada na Figura 2.50 assenta na

tecnologia de lítio, mais concretamente em LiFePo, e foi especialmente concebida para

veículos eléctricos. De referir que a Thunder Sky também disponibiliza baterias com

características diferentes destas, tanto no que concerne às características nominais como

à aplicabilidade. Na Tabela 2.12 estão apresentados os valores nominais desta bateria.

Na Figura 2.51 está representada a relação entre a tensão, a corrente, a capacidade de

carga percentual e o tempo, durante o processo de carregamento. A relação entre a

tensão e a capacidade de carga percentual da bateria para diferentes taxas de

descarregamento está representada na Figura 2.52. A relação entre a tensão e a

capacidade de carga percentual da bateria para diferentes temperaturas a uma taxa de

descarregamento de 0,5 C está apresentada na Figura 2.53 [60].

Figura 2.50 – Bateria TS-LPF90AHA da Thunder Sky [60].

Tabela 2.12 – Valores nominais da bateria TS-LPF90AHA da Thunder Sky [60].



Tensão Máxima de Carregamento (V) 4,25

Máxima Corrente de Descarregamento (A) 3

Máxima Corrente de Carregamento (A) < 270

Máxima Corrente de Descarregamento (A) < 270

Corrente de Carregamento e Descarregamento Standard (A) 30

Ciclos (80 % DOD) > 2000

Ciclos (70 % DOD) > 3000

Auto Descarregamento (mês) < 3%


Peso (kg) 3,2

Temperatura de Funcionamento Carregamento (ºC) -25 a +75

Temperatura de Funcionamento Descarregamento (ºC) -25 a +75



Figura 2.51 – Curvas de carregamento que relacionam a tensão da célula com a corrente e com a

capacidade de carga percentual ao longo do tempo [60].

Figura 2.52 – Curvas de descarregamento que relacionam a tensão da célula com a DOD percentual para

diferentes taxas de descarregamento [60].

Figura 2.53 – Curvas de descarregamento que relacionam a tensão da célula com a DOD percentual para

diferentes temperaturas a uma taxa de descarregamento de 0,5 C [60].



2.11. Características de Diferentes Tecnologias de Células de Baterias

Na Tabela 2.13 estão apresentadas as principais tecnologias de células de baterias,

com um exemplo de fabricante e as características mais relevantes, no entanto, não

estão todas apresentadas devido à escassez de informação dos datasheet’s.

Tabela 2.13 – Características das diferentes tecnologias de células de baterias.

Pb NiCd NiMH LiFePO LiPO LiPol LiFeMg LiMnO2

Exemplo Cyclon Sanyo Varta Gaia A123 AAPPC6 Valence Saft

V 2 1,2 1,2 3,2 3,3 3,7 3,2 3

Ah 25 0,7 4,5 18 2,3 10,1 1,4 12

W / kg - - - 2120 - - - -

W / l - - - 5380 - - - -

Wh / kg - - 87 62 - - - -

Wh / l - - 315 157 - - - -

mΩ 1,5 3,4 20 1 10 < 15 - -

Kg 1,67 0,23 0,062 0,930 0,07 0,210 0,04 0,120

BMS Não Não Não Não Não Não Não Não

Ciclos > 300 - - > 1000 > 1000 - > 2000 -

Dimensões

Altura (mm) 158,8 91 67,5 159 65,15 157 65 61,4

Largura (mm) - - - - - 59,5 - -

Comprimento

(mm) - - - - - 9,8 - -

Diametro

(mm) 65,3 3,2 18 60 25,85 - 18,2 34,2

Carregamento

Vmáx (V) 2,5 - - 3,8 3,8 4,2 3,65 -

Imax (A) - - 2,25 18 3 10,1 - -

tmáx (ºC) 80 45 45 40 - 45 45 70

tmin (ºC) -40 0 0 0 - 0 0 -40

Descarregamento

Vmax (V) 1,67 - - 2,1 1,6 2,75 2,5 -

Imax (A) - - - 396 70 101 2,7 4

tmax (ºC) 80 60 50 - 60 60 - 70

tmin (ºC) -65 -20 0 - -30 0 - -40

6 AAPPC - AA Portable Power Corp



2.12. Características de Diferentes Tecnologias de Baterias

Na Tabela 2.14 estão apresentadas as principais tecnologias de baterias, com um

exemplo de fabricante e as características mais relevantes, no entanto, não estão todas

apresentadas devido à escassez de informação dos datasheet’s.

Tabela 2.14 – Características das diferentes tecnologias de baterias.

Pb NiCd NiMH LiPol LiFePO LiTi LiFeMg

Exemplo Optima Saft Saft GBP

Battery

Thunder

Sky NanoSafe Valence

V 12 12 12 48 3,2 13,8 12,8

Ah 38 97 100 45 90 88 110

W / kg - 150 - - - -

W / l - 310 - - - -

Wh / kg - 66 - - 74 89

Wh / l - >95 137 - - 5000 139

mΩ - - - <90 - - 6

kg 11,6 57,4 18,6 26 3,2 17 15,8

BMS Não - Não Sim Não - Sim

Ciclos 3500 - > 2000 500 > 2000 15000 > 1000

Dimensões

Altura (mm) 237 494 195 155 220 382 260

Largura (mm) 129 105 390 285 145 159 172

Comprimento

(mm) 227 254 120 480 68 233 225

Carregamento

Vmáx (V) 15,6 - - 55,25 4,25 - 14,6

Imax (A) - - - 20 270 50 C 55

tmáx (ºC) 51,7 - - 45 75 75 50

tmin (ºC) - - - 0 -25 -50 -10

Descarregamento

Vmax (V) - - - 39 2,5 - 10

Imax (A) - - - 50 270 100 C 150

tmax (ºC) - - - 55 75 75 -

tmin (ºC) - - - -20 -25 -60 -



2.13. Exemplos de Preços de Baterias

Para facilitar o enquadramento das tecnologias de baterias apresentadas, com os

preços praticados, com as características nominais e com um exemplo de possível

fornecedor, na Tabela 2.15 estão expostos alguns exemplos.

Tabela 2.15 – Exemplos de fornecedores de baterias de diferentes tecnologias e valores nominais.

Fornecedor Tecnologia V Ah Preço (€) Nota

Alfa Elektor Gel 12 26 71,88 17

Alfa Elektor Gel 12 7 20,34 1

Leiritrónica Gel 6 3,2 10,02 1

Leiritrónica Li 3,7 0,72 18,80 1

Leiritrónica PbA 12 65 190,72 1

R.S. Li 14,4 6 438,48 1

R.S. Li 15 6,6 220,89 1

R.S. LiPol 3,7 2,5 44,58 1

Farnnel Li 3,7 1,1 27,27 1

Farnnel Li 15 2,2 69,26 1

Farnnel PbA 12 30 148,94 1

OnlyBatteries Li 3,7 6,6 30,00 1

OnlyBatteries PbA 7,2 0,7 11,00 1

OnlyBatteries NiMH 24 13 279,00 1

OnlyBatteries NiMH 36 10 294,00 1

BatterySpace NiMH 48 10 352,00 1

BatterySpace NiMH 24 13 260,11 1

BatterySpace Li 37 10 306,87 1

BatterySpace Li 37 21 584,55 1

BatterySpace NiCd 14,4 4 44,65 1

BatterySpace LiPol 37 10 294,51 1

AutomatedMedia Li 7,5 8 50,00 1

DiyTrade LiFePO 24 20 252,15 28

EV Power LiFePO 12 12 206,08 2

EV Power LiFePO 36 15 39,66 39

EverSpring LiFePO 3,2 90 139,97 3

ElectricMotorSport LiFePO 3,2 90 139,97 3

FlightPower LiPol 11,1 64 81,78 3

ElitPowerSolutions LiFePO 12,8 20 124,42 3

Sismelv LiFePO 3,2 12 199,810

3

EV Power LiPol 3,2 12 41,2111

3

BlackSheep LiFePO 3,6 10 20,99 3

BlackSheep LiFePO 3,2 90 26,44 3

7 Preços na internet, nos sites dos fornecedores ou dos fabricantes, entre os dias 14 e 17 de Outubro de

2008. 8 Preços na internet, nos sites dos fornecedores ou dos fabricantes, no dia 17 de Fevereiro de 2009.

9 Preços na internet, nos sites dos fornecedores ou dos fabricantes, no dia 11 de Março de 2009.

10 Preço para mais de 50 unidades.

11 Preço para mais de 16 unidades.



2.14. Conclusão

Actualmente, apesar de as baterias ainda apresentarem inconvenientes, como a

energia por unidade de volume, a energia por unidade de peso, o número de ciclos ou a

vida útil, a Humanidade está cada vez mais depende das baterias, tanto para pequenos

como para grandes equipamentos, com especial destaque para a crescente aposta nos

veículos híbridos e eléctricos.

Durante bastantes décadas, as tecnologias associadas às baterias evoluíram

lentamente, contudo, nas mais recentes, essa evolução tem aumentado de forma a

satisfazer as novas necessidades do mercado, prevendo-se que a tecnologia inerente às

baterias atinja o auge nas próximas décadas. Actualmente, existe uma grande variedade

de tecnologias de baterias, quer à base de chumbo, de níquel ou de lítio. Estas baterias

diferem entre si pelos valores nominais que apresentam, pelas aplicações a que se

destinam, pela tecnologia de construção, pela vida útil que apresentam e pelos

algoritmos de carregamento e descarregamento. Deste modo, quando se pretende obter

uma bateria para uma determinada aplicação, é necessário conhecer todos os parâmetros

envolvidos nessa aplicação, porque só assim se consegue escolher uma bateria que

corresponda ao esperado. Se a escolha não for a adequada podem acontecer situações

desagradáveis, como por exemplo, muito tempo de carregamento da bateria, pouca vida

útil, funcionamento numa gama limitada de temperaturas e diminutas taxas de

descarregamento. Associados às tecnologias de baterias também estão os sistemas de

gestão das mesmas, tanto para os processos de carregamento como de descarregamento,

assim como os circuitos de protecção externos.

Relativamente à mobilidade dos veículos híbridos e eléctricos já existe uma

grande variedade de baterias que permite colmatar as necessidades actuais destes

veículos. No entanto, com o previsível aumento destes para as próximas décadas, é de

esperar que as tecnologias de baterias também progridam de forma a responder com

eficácia a esse desafio. Neste sentido, requer-se que as diferentes tecnologias de baterias

apresentem melhores valores de densidade de energia, densidade de potência, energia

específica, potência específica, resistência interna, peso e número de ciclos.


CAPÍTULO 3

Carregadores de Baterias

3.1. Introdução

O processo eficaz do carregamento das baterias, implica que o mesmo seja

realizado respeitando as suas características nominais e a sua tecnologia. Tendo este

pressuposto como base, determinar qual o melhor algoritmo de carregamento a utilizar é

sem dúvida, o factor primordial para que vida útil das baterias seja cumprida na íntegra.

Desta forma, tradicionalmente, os carregadores de baterias são implementados

com conversores estáticos de electrónica de potência, de modo a fornecer energia

eléctrica, sob a forma de tensão e corrente contínua às baterias. Para este efeito, várias

topologias de carregadores podem ser utilizadas, sendo que a mais clássica é utilizar um

conversor CA-CC com diodos e um filtro capacitivo no lado CC. Apesar de simples,

esta solução apresenta várias desvantagens, em que a mais inconveniente é a elevada

Distorção Harmónica Total (Total Harmonic Distortion - THD) da corrente no lado CA.

Além desta desvantagem, este conversor não permite o controlo eficaz do carregamento,

visando preservar a vida útil das baterias. Com base neste conversor muitos outros

podem ser implementados, porém, nenhum é completo, pois o objectivo é que o

carregador permita carregar as baterias com diferentes algoritmos de controlo e de

acordo com a tecnologia das mesmas, sendo que ao mesmo tempo, a corrente no lado

CA deve ser sinusoidal e o factor de potência unitário. Neste contexto, o Sistema

Inteligente de Carregamento de Baterias proposto nesta Dissertação, permite que sejam

implementados vários algoritmos de carregamento, quer a nível de tensão ou de corrente

no lado CC, e ao mesmo tempo, permitir que a corrente no lado CA seja sinusoidal e o

factor de potência unitário.

Independentemente do método de carregamento das baterias, a energia eléctrica

necessária a esse carregamento, pode ser fornecida através do método plug-in1, ou

então, através dos denominados carregadores indutivos, que permitem a transferência de

energia eléctrica do carregador paras as baterias sem contacto entre as partes, ou seja, o

carregamento é efectuado através da criação de um campo magnético. O veículo

eléctrico GM EV1 foi um dos primeiros a utilizar o método de carregamento indutivo,

mas actualmente, existem mais veículos a utilizar este método de carregamento, como o

Nissan Hypermini EV e o Toyota RAV4 [61]. O Sistema Inteligente de Carregamento de

Baterias proposto nesta Dissertação visa o carregamento através do método plug-in.

1 Plug-In significa que existe uma conexão física, através de encaixe, entre o sistema de carregamento e o

sistema a carregar.

Capítulo 3 – Carregadores de Baterias


3.2. Processo de Carregamento de Baterias

Respeitante ao processo de carregamento das baterias, este pode ser realizado de

diversas formas, e pode depender do sistema onde as mesmas estão inseridas. Se as

baterias forem de uma UPS's, de automóveis tradicionais ou de sistemas de energias

renováveis, o carregamento destas baterias é automático, necessitando apenas de

manutenção. Por outro lado, as baterias de uso comum, como de brinquedos ou de

máquinas eléctricas, precisam de ser carregadas pelo utilizador com recurso a um

carregador próprio para o efeito e às tomadas tradicionais, sendo que a disponibilidade

para o efeito é bastante abrangente.

Actualmente, existem carregadores específicos para cada tecnologia de bateria, e

carregadores universais que alegam puder carregar todas as tecnologias de baterias. Se

estes carregadores forem capazes de aplicar diferentes algoritmos de carregamento, de

acordo com a tecnologia e valores nominais das baterias, considera-se que o carregador

é inteligente, e que de facto, permite carregar as diferentes tecnologias de baterias, pois

consegue identificar a tecnologia da bateria em questão e, de forma automática, define

qual o melhor algoritmo de carregamento a aplicar.

O Sistema de Carregamento apresentado nesta Dissertação permite carregar

baterias de diferentes tecnologias, sendo por isso vocacionado para carregar baterias de

diferentes aplicações, entre as quais as dos diversos veículos híbridos e eléctricos. No

entanto, actualmente, ainda não permite identificar as diferentes tecnologias de baterias

e aplicar o melhor algoritmo de carregamento. Para que tal possa ser implementado, é

necessário que os veículos e/ou o banco de baterias estejam equipados com sistemas de

identificação da tecnologia e do estado da carga actual.

3.3. Algoritmos de Carregamento de Baterias

Os algoritmos de carregamento das baterias consistem nos diferentes estágios que

podem ser impostos a nível de tensão ou de corrente, visando o tempo de carregamento,

a tecnologia das baterias e a vida útil das mesmas [62]. Antes de aplicar qualquer

algoritmo de carregamento às baterias, é necessário consultar o datasheet das mesmas

para analisar se existem exigências, por parte do fabricante, que sejam mais vantajosas

para garantir a maior durabilidade destas. Apesar de existirem bastantes algoritmos de

carregamento das diferentes tecnologias de baterias, seguidamente são apresentados os

mais relevantes [62].

3.3.1. Corrente Constante

Este algoritmo, com um único estágio de carregamento, consiste em fornecer

corrente constante à bateria até que esta atinja a tensão nominal. O tempo de

carregamento da bateria depende do valor da corrente aplicada, e esta corrente,

normalmente, está relacionada com a capacidade de carga da bateria. No entanto, uma

regra comum consiste em aplicar uma corrente não superior a 1 C. Este algoritmo pode



ser aplicado a baterias à base de chumbo, mas é mais comum ao carregamento de

baterias de NiCd e de NiMH. Na Figura 3.1, está ilustrada a evolução da tensão e da

corrente durante o processo de carregamento da bateria.

Figura 3.1 – Evolução da tensão e da corrente ao longo do tempo, com o algoritmo: corrente constante.

3.3.2. Tensão Constante

Este algoritmo, com um único estágio de carregamento, consiste em aplicar tensão

constante à bateria, de valor igual à nominal, ou 20 % superior, e deixar que a corrente

de carregamento seja determinada pelas características electroquímicas da bateria. O

inconveniente deste algoritmo é o elevado tempo de carregamento da bateria, uma vez

que, quanto maior a energia armazenada, menor é a corrente de carregamento. Com este

algoritmo, o fim do carregamento acontece quando a corrente é próxima de zero, no

entanto, existem muitos carregadores que terminam o carregamento quando a corrente é

inferior a 1 A, correndo-se o risco da bateria ainda não estar totalmente carregada. Este

algoritmo de carregamento só é aplicado a baterias à base de chumbo. Na Figura 3.2

está representada a evolução da tensão e da corrente ao longo do tempo com este

algoritmo de carregamento.

Figura 3.2 – Evolução da tensão e da corrente ao longo do tempo, com o algoritmo: tensão constante.

3.3.3. Potência Constante

Este algoritmo, também com um único estágio de carregamento, consiste em

manter constante a potência de carregamento da bateria. Inicialmente, a corrente é

elevada e a tensão reduzida, e ao longo do tempo, a tensão aumenta e a corrente

diminui, mantendo sempre a potência constante. Tal como no algoritmo anterior, o fim

do carregamento acontece quando a corrente é próxima de zero ou inferior a 1 A. O

grande inconveniente deste algoritmo é o excessivo aquecimento que pode ocorrer, em



especial na fase inicial, quando a tensão é reduzida e a corrente é elevada. Tal como o

algoritmo anterior, este também é mais indicado para baterias à base de chumbo. A

evolução da tensão e da corrente com este algoritmo está representada na Figura 3.3.

Figura 3.3 – Evolução da tensão e da corrente ao longo do tempo, com o algoritmo: potência constante.

3.3.4. Temperatura Máxima e Constante

Com este algoritmo, mais um vez de um único estágio de carregamento, o tempo

de carregamento da bateria é bastante reduzido, pois consiste em aplicar um elevado

valor de corrente constante, apenas limitado pela temperatura da bateria. Com este

algoritmo, o fim do carregamento acontece quando a tensão atinge o seu valor nominal

ou 20 % superior a esse valor. No primeiro caso, corre-se o risco da bateria não ficar

totalmente carregada, e no segundo caso, a bateria é carregada na totalidade. Apesar de

ser um algoritmo de carregamento muito rápido é pouco eficaz quanto à vida útil da

bateria, porque pode estar a ser carregada com corrente excessiva. O inconveniente

deste algoritmo é o facto de ter que se manter constante e no seu limite máximo a

temperatura, sendo necessário conhecer a temperatura máxima admissível da bateria e

usar um bom sistema de controlo de temperatura. Este algoritmo é pouco eficaz, mas

pode ser aplicado a baterias à base de chumbo ou à base de níquel. A evolução da tensão

e da corrente ao longo do tempo, com este algoritmo de carregamento, está representada

na Figura 3.4.

Figura 3.4 – Evolução da tensão e da corrente ao longo do tempo, com o algoritmo: temperatura máxima

e constante.

3.3.5. Corrente Constante Seguida de Tensão Constante (I)

Com este algoritmo de carregamento, no primeiro estágio é imposta corrente

constante à bateria até que a tensão seja aproximadamente 10 % superior à tensão



nominal. No segundo estágio, é imposta tensão nominal constante até que a corrente

diminua até próximo de zero ou que seja inferior a 1 A. Este algoritmo é indicado para

baterias à base de chumbo ou de lítio. A evolução da tensão e da corrente ao longo do

tempo, com este algoritmo de carregamento, está representada na Figura 3.5.

Figura 3.5 – Evolução da tensão e da corrente ao longo do tempo, com o algoritmo: corrente constante

seguida de tensão constante (I).

3.3.6. Corrente Constante Seguida de Tensão Constante (II)

Este algoritmo de carregamento, no primeiro estágio, consiste em aplicar corrente

constante até que a tensão seja 10 % superior ao valor nominal. No segundo estágio,

consiste em aplicar tensão constante 10 % superior ao valor nominal, até finalizar o

carregamento, ou seja, até a corrente ser próxima de zero ou inferior a 1 A. Este

algoritmo de carregamento, cuja evolução da tensão e da corrente ao longo do tempo

está representada na Figura 3.6, é mais eficaz que o precedente, e pode ser aplicado a

baterias à base de chumbo ou de lítio.


seguida de tensão constante (II).

3.3.7. Corrente Constante Seguida de Tensão Constante (III)

Este algoritmo de carregamento é semelhante aos anteriores, com a diferença, que

no primeiro estágio a corrente é mantida constante até a bateria atingir uma tensão 20 %

superior à nominal. Posteriormente, no segundo estágio, é imposta uma tensão 10 %

superior à nominal até à finalização do carregamento, ou seja, até que a corrente seja

próxima de zero ou inferior a 1 A. Este algoritmo é indicado para carregar baterias à

base de chumbo ou de lítio. Na Figura 3.7.está representada a evolução da tensão e da

corrente ao longo do tempo, com este algoritmo de carregamento.




seguida de tensão constante (III).

3.3.8. Corrente Constante Seguida de Tensão Constante (IV)

Este algoritmo de carregamento é muito semelhante ao anterior, uma vez que

quando a tensão atinge o valor de 20 % superior à nominal no primeiro estágio, o

carregador mantém constante essa tensão e aguarda que a corrente diminua cerca de

90 % da corrente consumida inicialmente, para então impor uma tensão constante 10 %

superior à tensão nominal e espera que a corrente diminua até aproximadamente zero ou

que seja inferior a 1 A. Com este algoritmo a bateria pode ser carregada até 100 %, o

carregamento é mais eficiente e não há risco de sobreaquecimento. Este método é mais

indicado para baterias de à base de chumbo ou lítio. A evolução da tensão e da corrente

ao longo do tempo, com este algoritmo de carregamento está representada na Figura 3.8.


seguida de tensão constante (IV).

3.3.9. “Negative Delta V” – Variação da Negativa da Tensão

Este algoritmo de carregamento consiste em aplicar corrente constante à bateria e

analisar a evolução da tensão, de modo a detectar uma variação negativa da mesma. Nas

baterias à base de níquel, durante o processo de carregamento, existe um momento em

que a tensão começa a estabilizar e, posteriormente, decai um pouco. Nesta altura, como

o carregador está a analisar a evolução da tensão, detecta uma variação negativa da

mesma e termina o carregamento da bateria. Quando a corrente de carregamento é

suficientemente elevada, o carregamento torna-se mais eficiente. Este método é mais

eficaz em baterias de NiCd, mas também pode ser aplicado em baterias de NiMH. A

evolução da tensão e da corrente ao longo do tempo, com este algoritmo de

carregamento está representada na Figura 3.9.



Figura 3.9 – Evolução da tensão e da corrente ao longo do tempo, com o algoritmo: “Negative Delta V”.

3.3.10. Corrente Constante e Pulsada

Neste algoritmo, o carregamento da bateria é controlado através da tensão aos

terminais da mesma, recorrendo a um controlador do tipo on-off2, sendo inicialmente

imposta corrente constante até que a tensão seja 20 % superior à nominal. Quando tal

acontece, o fornecimento de corrente é interrompido e a tensão decai até cerca de 10 %

da tensão nominal, onde é aplicada novamente corrente constante até que a tensão seja

outra vez 20 % superior à nominal. O fim do carregamento acontece quando a tensão

demora muito tempo a decair, no entanto, pode ser ajustado com o controlador on-off.

Este algoritmo de carregamento depende, unicamente, da tensão final da bateria. Desta

forma, pode acontecer que a bateria ainda não tenha alcançado o carregamento

completo e já esteja a ser danificada por excesso de carregamento. No entanto, o

controlador on-off pode ser temporizado com razão cíclica fixa, evitando assim a

dependência do valor final da tensão. Este algoritmo é indicado para baterias à base de

chumbo. A evolução da tensão e da corrente ao longo do tempo, com este algoritmo de

carregamento está representada na Figura 3.10.

Figura 3.10 – Evolução da tensão e da corrente ao longo do tempo, com o algoritmo: corrente constante e

pulsada.

3.3.11. Variação da Tensão

Neste algoritmo de carregamento, inicialmente, aplica-se tensão constante igual ao

seu valor inicial, e aguarda-se que a corrente diminua até próximo de zero ou que seja

inferior a 1 A. Quando tal acontece, aumenta-se a tensão para um nível superior, e

espera-se que a corrente diminua outra vez para os níveis referidos. Este processo

2 Um controlador do tipo on-off abre ou fecha um determinado ponto do sistema onde está a actuar, de

acordo com o variação da variável a controlar.



repete-se até que a tensão seja 20 % superior à tensão nominal. Este algoritmo é

bastante lento e quando a tensão atinge o valor de 20 % superior à nominal, a bateria

pode estar com temperaturas elevadas, mas ainda não estar totalmente carregada. Os

níveis de tensão constante a aplicar podem ser ajustados através do software do sistema

de carregamento. Este algoritmo é aplicado a baterias à base de chumbo. A evolução da

tensão e da corrente ao longo do tempo, com este algoritmo de carregamento, está

representada na Figura 3.11.

Figura 3.11 – Evolução da tensão e da corrente ao longo do tempo, com o algoritmo: variação da tensão.

3.4. Conversores Electrónicos para Carregadores de Baterias

A função primordial dos conversores electrónicos é adequar os níveis de tensão e

de corrente, disponíveis num determinado ponto de um sistema, para outros níveis de

tensão e de corrente, para outro ponto do sistema. No caso concreto dos carregadores de

baterias, com alimentação da rede eléctrica, é necessário o uso de um conversor CA-CC,

que transforme a tensão e a corrente da rede eléctrica, em tensão e corrente adequadas

para serem fornecidas às baterias.

Para este pressuposto, o conversor mais simples que se pode desenvolver está

apresentado na Figura 3.12. Este conversor utiliza quatro diodos e um filtro capacitivo

no lado CC, é simples de construir e pode fornecer a tensão e a corrente necessárias ao

carregamento das baterias. No entanto, apresenta como inconveniente, a corrente não

sinusoidal no lado CA, e o facto de não poder ajustar a tensão no lado CC,

independentemente da tensão no lado CA.

Ba

teri

as

C

Figura 3.12 – Conversor CA-CC com diodos e filtro capacitivo na saída.



Os sinais da tensão e da corrente no lado CA (ve, ie) e no lado CC (vs, is) que este

conversor apresenta, estão representados na Figura 3.13. Estes resultados foram obtidos

através de um programa de simulação (ver Capítulo 4), e servem somente para mostrar

as formas de onda típicas deste tipo de conversor. Obviamente, as amplitudes dos sinais

são dependentes dos valores dos componentes utilizados, e da alimentação do

conversor.

Figura 3.13 – Tensões e correntes no lado CA (ve, ie) e no lado CC (vs, is), do conversor CA-CC com

diodos e filtro capacitivo no lado CC.

Existem muitas outras metodologias para obter CC a partir de CA, no entanto,

basicamente, todas elas assentam no princípio básico do conversor CA-CC a diodos

com filtro capacitivo no lado CC. Esta metodologia tornou-se tão popular, que quase

todos os equipamentos, que funcionam com CC a utilizam, tal como televisões, vídeos,

DVD's, rádios ou computadores. Apesar de bastante utilizados, estes conversores, são

prejudiciais para a rede eléctrica, porque, como referido, não consomem corrente

sinusoidal, o que provoca elevada THD dessa corrente. Estas cargas, que consomem

corrente com THD, são chamadas cargas não lineares3.

No que diz respeito à rede eléctrica, com o consumo de corrente com elevada

THD, por parte das cargas não lineares, a forma de onda da tensão passa também a ser

3 Cargas não lineares consomem corrente eléctrica, cuja forma de onda, é diferente da tensão que lhes é

aplicada, ou seja, se uma carga está sujeita a tensão sinusoidal e consome corrente não sinusoidal diz-se

que é uma carga não linear. Por outro lado, se uma carga está sujeita a tensão sinusoidal e consome

corrente sinusoidal diz-se que é uma carga linear.

(ve)

(ie)

(vs)

(is)



afectada. Neste contexto, para limitar a deterioração da tensão eléctrica, existe um

enquadramento legal, através das normas: CÉNÉLEC NE/EN 50160 (1994), CEI/IEC

61000 (1990/94/98), e ANSI/IEEE 519-1992 (1992), que limitam os níveis de THD da

tensão, não só dos consumidores de energia eléctrica, mas também da empresa de

distribuição da mesma.

Relativamente às cargas não lineares, que utilizam o conversor CA-CC com

diodos e filtro capacitivo no lado CC, para diminuir a THD da corrente de entrada,

podem-se utilizar filtros passivos em série (filtros indutivos), filtros passivos em

paralelo (filtros capacitivos), filtros passivos em série/paralelo (filtros indutivos e

capacitivos), filtros activos em paralelo (compensação dinâmica da THD da corrente

através da produção de correntes de compensação), filtros activos em série

(compensação dinâmica da THD da tensão através da produção de tensões de

compensação), filtros activos em série/paralelo (compensação dinâmica da THD da

tensão e da corrente através da produção de tensões e correntes de compensação),

circuitos electrónicos auxiliares (conversores CC-CC logo após o conversor CA-CC),

ou então topologias de conversores CA-CC recorrendo a semicondutores de potência

totalmente controlados [63].

Neste contexto, para limitar a THD da corrente no lado CA do conversor de CA-

CC a diodos com filtro capacitivo no lado CC, de seguida são apresentados alguns dos

exemplos mencionados anteriormente.

Por ser simples, um método bastante utilizado, para reduzir a THD da corrente no

lado CA, consiste em utilizar um filtro passivo série (filtro indutivo), antes do conversor

CA-CC, tal como representado na Figura 3.14. As formas de onda típicas da tensão e da

corrente no lado CA (ve, ie) e no lado CC (vs, is) para este tipo de configuração estão

representadas na Figura 3.15. Apesar de simples, e de melhorar a forma de onda da

corrente consumida, o factor de potência não é unitário, ou seja, com esta topologia

existe consumo de potência reactiva. Os resultados obtidos servem somente para

mostrar as formas de onda típicas deste tipo de conversor.

Ba

teri

as

C

L

Figura 3.14 – Utilização de um filtro indutivo série antes do conversor CA-CC com diodos e filtro

capacitivo no lado CC.




diodos e filtro capacitivo no lado CC, e com filtro indutivo série no lado CA.

Dependendo do valor do filtro indutivo série, este tipo de conversor ainda

apresenta desvantagens na THD da corrente, no factor de potência que não é unitário, e

no peso e volume do filtro. Neste seguimento, outra solução bastante popular, consiste

em utilizar a seguir ao filtro indutivo série um filtro capacitivo paralelo, tal como

representado na Figura 3.16. Na Figura 3.17 estão representados os sinais da tensão e da

corrente no lado CA (ve, ie) e no lado CC (vs, is) deste conversor.

C

L

C

Ba

teri

as

Figura 3.16 – Filtro LC antes do conversor CA-CC a diodos.

(vs)

(is)

(ie)

(ve)



Figura 3.17 – Tensões e correntes à entrada (ve, ie) e à saída (vs, is) do conversor CA-CC com diodos e

filtro capacitivo no lado CC e filtro indutivo série e capacitivo paralelo no lado CA.

Outra solução, muitas vezes adoptada, e que permite obter resultados muito mais

satisfatórios, consiste em utilizar um conversor CC-CC à saída do conversor CA-CC

com diodos e sem filtro capacitivo no lado CC. De todas as configurações de

conversores CC-CC existentes, o conversor Step-Up, representado na Figura 3.18, é o

mais largamente aplicado e que permite obter os melhores resultados [64][65]. Na

Figura 3.19 estão representados os sinais da tensão e da corrente no lado CA (ve, ie) e

no lado CC (vs, is) deste conversor.

Ba

teri

as

C

L

Figura 3.18 – Conversor CA-CC a diodos seguido do conversor CC-CC Step-Up.

(is)

(vs)

(ve)

(ve)




diodos seguido do conversor CC-CC Step-Up.

Com esta configuração de conversor, através do PWM (Pulse Width Modulation)

aplicado ao semicondutor de potência, neste caso IGTB (Insulated Gate Bipolar

Transistor), é possível controlar a tensão e a corrente no lado CC do conversor CC-CC

e a corrente na indutância, e por conseguinte, a corrente na entrada do conversor CA-CC

a diodos. O controlo do PWM pode ser efectuado de diversas formas, sendo que

actualmente, existem diversos circuitos integrados específicos para efectuar este

controlo, como é o caso do UC3854 (Unitrode), FAN7527B (Fairchild), LM6561 (ST),

LM6563 (ST), L4981A (ST), TDA4863-2 (Infineon), e IR1150 (International Rectifier).

Noutra perspectiva, o controlo do PWM também pode ser efectuado, através de um

microcontrolador, recorrendo a algoritmos de controlo específicos [66][67], como o

apresentado na Figura 3.20.

Figura 3.20 – Algoritmo de controlo do PWM a aplicar ao conversor CC-CC Step-Up.

Este tipo de configuração permite ajustar a tensão ou a corrente no lado CC do

conversor CC-CC, manter sinusoidal a corrente no lado CA e o factor de potência

unitário [68]. Todavia, este tipo de conversor não é bidireccional, isto é, não permite

(ve)

(ie)

(vs)

(is)



que a energia armazenada nas baterias seja devolvida a uma carga, ou à rede eléctrica,

através do conversor. No entanto, existem topologias de conversores CC-CC que são

bidireccionais e ajustam valores de CC em ambos os lados, como é o caso dos

conversores Forward, Flyback, Push-Pull, Full-Bridge, Ćuk e SEPIC, porém, caso

fossem aplicados seguidamente ao conversor CA-CC a diodos, não conseguiam manter

sinusoidal a corrente no lado CA. Uma das formas de se obter um conversor CC-CC

bidireccional é juntar os conversores Step-Up e Step-Down num único, como

apresentado na Figura 3.21. Com esta topologia, durante o processo de carregamento

das baterias, a corrente flui do barramento CC para o banco de baterias, isto é, o

conversor actua como Step-Down, e quando é necessário retirar a energia das baterias

para o barramento CC, o conversor passa a actuar como Step-Up.

Com esta solução, seguidamente ao conversor a diodos, é possível carregar as

baterias com tensão ou corrente constante, manter sinusoidal a corrente no lado CA e o

factor de potência unitário. No entanto, como visto anteriormente, esta não é a melhor

solução porque, durante o carregamento das baterias, o conversor que está em

funcionamento é o CC-CC Step-Down. A grande desvantagem desta configuração, com

os três conversores, reside no facto de não ser possível descarregar as baterias através

do conversor CA-CC a diodos, uma vez que este não é bidireccional. Esta configuração

pode ser útil se o pretendido for descarregar as baterias, somente através do conversor

CC-CC Step-Up, ou seja, descarregar as baterias para uma carga com controlo da tensão

e da corrente.

Ba

teri

as

C

L

Ba

rra

me

nto

CC

C

Figura 3.21 – Conversor bidireccional CC-CC Step-Up e Step-Down.

3.5. Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias

A topologia de conversor bidireccional proposta nesta Dissertação está

apresentada na Figura 3.22. Conforme representado na figura, este conversor é

composto por um indutância no lado CA, quatro IGBT's e um condensador no lado CC.

A representação das baterias na figura corresponde à associação de várias baterias, da

mesma tecnologia e valores nominais iguais, de modo a formar um banco de baterias.



Ba

teri

as

G1 T

G1 B

G2 T

G2 B

C

L

Figura 3.22 – Conversor bidireccional, com consumo sinusoidal de corrente e factor de potência unitário.

Esta topologia é a base do conversor bidireccional proposto nesta Dissertação, no

entanto, devido a problemas de carregamento do condensador do lado CC, foi inserida

uma resistência em série com o conversor no lado CA. A resistência têm ligado aos seus

terminais um contactor que permite que possa ficar em curto-circuito sempre que

desejado. A par da resistência, foram inseridos dois novos condensadores aos terminais

de cada braço do conversor. Na Figura 3.23 esta apresentada esta nova configuração,

onde estão destacados os IGBT's, os condensadores e a resistência de pré-carga.

G1 T

G1 B

G2 T

G2 B

CC

C

L

R

Ba

teri

as

Figura 3.23 – Circuito completo do conversor bidireccional.

3.5.1. Conversor Bidireccional como Conversor CA-CC

Quando o conversor bidireccional funciona como conversor CA-CC, é possível

manter constante a tensão ou a corrente no lado CC, e ao mesmo tempo manter

sinusoidal a corrente no lado CA e o factor de potência unitário. Para tal, é necessário

seguir o processo de controlo dos IGBT's apresentado no diagrama de blocos da Figura

3.24.



Figura 3.24 – Diagrama de blocos de controlo dos IGBT's do Sistema Inteligente de Carregamento de

Baterias.

Conforme representado na Figura 3.24, o primeiro passo consiste em calcular a

diferença entre a referência pretendida e o valor real medido, ou seja, o erro. Para o caso

concreto do Sistema de Carregamento, a referência pretendida é a tensão ou a corrente

no lado CC. Depois de calculado o erro, é-lhe imposto um limite superior e um limite

inferior para evitar variações bruscas. Posteriormente, o erro passa por um controlador

proporcional integral (PI), e é multiplicado por uma referência sinusoidal, denominada

seno fictício. Este seno fictício está em fase com a tensão do lado CA, devido ao

controlo de software implementado, que consiste em efectuar uma média deslizante da

tensão do lado CA, e sincronizar o seno fictício com essa tensão. Até este ponto, o sinal

obtido é sinusoidal com a frequência do seno fictício, e a amplitude é dependente do

erro e dos ganhos do controlador PI. Este sinal, que é a corrente de referência para o

lado CA, é comparado com a corrente real do lado CA, e são obtidos os sinais de

disparo dos IGBT's. Como se pode verificar na Figura 3.24, se a referência for superior

à corrente do lado CA, actua-se somente na gate do IGBT inferior esquerdo

(gate 1 bottom - G1 B) e na gate do IGBT superior direito (gate 2 top - G2 T). Quando a

corrente de referência é inferior à corrente do lado CA, actua-se somente na gate do

IGBT superior esquerdo (gate 1 top - G1 T) e na gate do IGBT inferior direito

(gate 2 top - G2 B).

Com o processo de controlo descrito e de acordo com a referência do lado CC

pretendida, consegue-se obter tensão ou corrente constante no lado CC, e ao mesmo

tempo manter sinusoidal a corrente no lado CA e com factor de potência unitário.

Assim, é possível carregar as baterias com tensão constante, com corrente constante ou

com corrente constante seguida de tensão constante. Para esse propósito, é necessário

seguir o algoritmo de controlo do Sistema de Carregamento apresentado na Figura 3.25.



Tipo de

Carregamento?

Tensão ConstanteCorrente

Constante

Corrente

Constante /

Tensão Constante

Definição de

Variáveis

Referência Vcc Referência Icc

Referência Icc

Erro = Referência

Vcc - Vcc

Erro = Referência

Icc - Icc

Erro = Referência

Icc - Icc

Limitar o Erro

Ajustar Ganhos do

Controlador

Proporcional

Integral

Gerar Corrente de

Referência

Comparar

Corrente de

Referência com

Corrente de

Entrada

Gerar Sinais de

Disparo dos

IGBT’s

Carregamento

Completo?

Início

Fim

Vcc < Vcc

Máximo

Erro = Referência

Vcc - Vcc

Referência Vcc

Não

Sim

Não

Sim

Figura 3.25 – Algoritmo de controlo de carregamento das baterias com tensão constante, com corrente

constante ou com corrente constante seguida de tensão constante.



3.5.2. Conversor Bidireccional como Conversor CC-CA

Com a mesma topologia de conversor bidireccional apresentada, e com o devido

controlo dos IGBT's, é possível que este também funcione como conversor CC-CA.

Deste modo, podem-se definir várias formas de descarregamento das baterias, ou seja,

através devido controlo dos IGBT's, a energia armazenada nas baterias pode ser

devolvida à rede eléctrica ou a uma carga CA, ou então, ser aplicada directamente sobre

uma carga CC. Para ambas as situações, a corrente de descarregamento pode ser fixa ou

variável, tendo em contas as baterias e o sistema de controlo.

Com o processo de controlo dos IGBT's apresentado no diagrama de blocos da

Figura 3.26, que é semelhante ao da Figura 3.24, é possível que o conversor funcione

como conversor CC-CA a descarregar as baterias directamente para a rede eléctrica,

desde que o seno fictício esteja em oposição de fase em relação à tensão do lado CA.

Deste modo, a referência para a corrente do lado CA passa também a estar em oposição

de fase em relação à tensão do lado CA, conseguindo-se que a corrente no lado CA

fique também em oposição de fase com a tensão do lado CA. Com o conversor a

funcionar no modo CC-CA também se podem descarregar as baterias para uma carga

CA independentemente da rede eléctrica. Quando o conversor está a funcionar neste

modo, podem-se estabelecer diferentes critérios, quer para a tensão, quer para a

corrente. A tensão nas baterias deve ser monitorizada para detectar o fim do

descarregamento e a corrente de descarregamento deve ser constante e controlada no

lado CA ou no lado CC.

Figura 3.26 – Diagrama de blocos de controlo dos IGBT's do Sistema Inteligente de Carregamento de

Baterias.

O descarregamento das baterias também pode ser efectuado directamente para

uma carga CC, ou então, no caso de um veículo híbrido ou eléctrico, pode ser efectuado

para um motor, directamente ou através de outro conversor CC-CC ou CC-CA.

O algoritmo de controlo do descarregamento, tanto para o conversor CC-CA

como directamente sobre uma carga CC, está apresentado na Figura 3.27.



Tipo de

Descarregamento?

Corrente

Constante no lado

CC

Definição de

Variáveis

Referência Icc

Erro = Referência

Icc - Icc

Limitar o Erro

Ajustar Ganhos do

Controlador

Proporcional

Integral

Gerar Corrente de

Referência

Comparar

Corrente de

Referência com

Corrente de

Entrada

Gerar Sinais de

Disparo dos

IGBT’s

Descarregamento

Completo?

Início

Fim

Não

Sim

CC – CA

Carga CC

Não

Tipo de Controlo

Corrente

Constante no lado

CA

Referência

Sinusoidal

Gerar Corrente de

Referência

Comparar

Corrente de

Referência com

Corrente de

Entrada

Gerar Sinais de

Disparo dos

IGBT’s

Figura 3.27 – Algoritmo de controlo do descarregamento das baterias como conversor CC-CA ou

directamente sobre uma carga.



3.6. Exemplos de Carregadores de Baterias

Actualmente, existem diversos carregadores que diferem, somente quanto às

características nominais, e quanto à tecnologia de bateria a carregar, uma vez que, cada

tecnologia de bateria tem o seu algoritmo de carregamento específico.

Entre os carregadores de baterias que existem actualmente no mercado, alguns

apenas carregam as baterias sem nenhum tipo de controlo, e outros, são carregadores

específicos para determinadas baterias, pois visam perseverar ao máximo as

características das baterias. Assim, de seguida, estão apresentados alguns exemplos de

carregadores de baterias para as diversas tecnologias de baterias.

3.6.1. Werkraft WK-AFN9

O carregador de baterias Werkraft WK-AFN9 apresentado na Figura 3.28 é

adequado para carregar baterias de chumbo com corrente máxima de 30 A. As

principais características deste carregador estão apresentadas na Tabela 3.1.

Figura 3.28 – Carregador de baterias Werkraft WK-AFN9 [69].

Tabela 3.1 – Principais características do carregador Werkraft WK-AFN9 [69].

Tensão de Entrada (V) 230

Tensão de Carregamento (V) 12 ou 24

Corrente de Carregamento (A) 30

Peso (kg) 15

3.6.2. Excel CF

O Excel CF é um conversor CA-CC que permite carregar baterias à base de

chumbo ou de níquel. Este carregador tem versões monofásicas de 1200 W a 3000 W, e

trifásicas de 1200 W a 6600 W. Na Figura 3.29 está representado um exemplo destes

carregadores, e na Tabela 3.2 estão apresentadas as principais características de um

carregador Excel CF trifásico de 6600 W.



Figura 3.29 – Carregador Excel CF [70].

Tabela 3.2 – Principais características de um carregador Excel CF trifásico de 6600 W [70].

Tensão de Entrada (V) 400

Tensão DC (V) 110

Corrente (A) 40, 60

Eficiência Conversão (%) > 92

Temperatura de Funcionamento (ºC) 0 a 40



3.6.3. Smart Charger Li-Ion Battery Pack

O carregador de baterias de lítio Smart Charger Li-Ion Battery Pack apresentado

na Figura 3.30, permite carregar 14 células de lítio, ou seja, permite carregar módulos

de 51,8 V (3,7 Vx14), com capacidade de carga variável de 6 Ah a 40 Ah. Com este

carregador, é possível carregar as baterias com tensão constante, corrente constante ou

através de carregamento pulsado. Na Tabela 3.3 estão apresentadas as principais

características deste carregador.

Figura 3.30 – Carregador Smart Charger Li-Ion Battery Pack [71].



Tabela 3.3 – Principais características do carregador Smart Charger Li-Ion Battery Pack [71].

Tensão de Entrada (V) 90 a 130

Tensão CC (V) 58,2

Corrente CC (A) 6

Eficiência Conversão (%) (com 115 V CA, 60 Hz) 72



Peso (kg) 2,222


Preço (€) 65,01

3.6.4. Smart Charger LiFePO Battery Pack

Na Figura 3.31 está apresentado o carregador de baterias Smart Charger LiFePO

Battery Pack. Este carregador permite carregar 24 células de LiFePO, ou seja, permite

carregar módulos de 76,8 V (3,2 Vx24), com capacidade de carga superior a 20 Ah.

Com este carregador é possível carregar as baterias com tensão constante, corrente

constante ou com carregamento pulsado. Na Tabela 3.4 estão apresentadas as principais

características deste carregador.

Figura 3.31 – Smart Charger LiFePO Battery Pack [72].

Tabela 3.4 – Principais características do carregador Smart Charger LiFePO Battery Pack [72].


Tensão CC (V) 87

Corrente CC (A) 20

Baterias Recomendadas 24 x 60 Ah



Peso (kg) 7,077


Preço (€) 404,23



3.6.5. Smart Charger NiCd / NiMH Battery Pack

O carregador de baterias à base de níquel, Smart Charger NiCd / NiMH Battery

Pack, apresentado na Figura 3.32 permite carregar de 16 a 22 células de níquel, ou seja,

permite carregar módulos de 19,2 V a 26,4 V (1,2 Vx16 ou 1,2 Vx22), com capacidade

de carga superior a 4 Ah. Este carregador permite carregar com corrente constante de

valor igual a 4 A. Na Tabela 3.5 estão apresentadas as principais características deste

carregador.

Figura 3.32 – Smart Charger NiCd / NiMH Battery Pack [73].

Tabela 3.5 – Principais características do

carregador Smart Charger NiCd / NiMH Battery Pack [73].


Tensão CC (V) 19,2 a 26,4

Corrente CC (A) 4

Eficiência (%) (com 115 V CA) 75

Temperatura de Funcionamento (ºC) 0 a 40


Peso (kg) 0,48

Dimensões (mm) 154,5 x 85,2 x 50,3

Preço (€) 54,24

3.6.6. Smart Fast Charger Lead Acid Battery

Na Figura 3.33 está apresentado o carregador de baterias à base de chumbo Smart

Fast Charger Lead Acid Battery. Este carregador permite carregar 4 baterias de chumbo

de 12 V (12 Vx4), com capacidade de carga variável de 6 Ah a 60 Ah. O método de

carregamento consiste em dois estágios: um de corrente constante seguido de um de

tensão constante. Na Tabela 3.4 estão apresentadas as principais características deste

carregador.



Figura 3.33 – Smart Fast Charger Lead Acid Battery [74].

Tabela 3.6 – Principais características do carregador Smart Fast Charger Lead Acid Battery [74].


Tensão CC (V) 58.2

Corrente CC (A) 6

Eficiência (%) (com 115 V CA) 72



Peso (kg) 2,222


Preço (€) 64,41

3.7. Conclusão

Neste capítulo foi apresentado um estudo sobre os diferentes algoritmos de

carregamento que podem ser aplicados às diversas tecnologias de baterias,

nomeadamente no que concerne aos diferentes estágios de carregamento. Devido às

diferentes tecnologias de baterias, existem no mercado carregadores específicos para

cada uma, que carregam as baterias com algoritmos próprios, de modo a preservar as

características das mesmas. Neste contexto, com o Sistema Inteligente de Carregamento

de Baterias proposto nesta Dissertação, pretende-se que seja possível carregar as

diferentes tecnologias de baterias, aplicando os algoritmos para tal necessários.

Assim, para o funcionamento do Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias

como conversor CA-CC, foram apresentados os algoritmos que permitem processar os

sinais de comando necessários às comutações dos IGBT's, de modo a que seja possível

aplicar tensão ou corrente constante às baterias, e ao mesmo tempo manter sinusoidal a

corrente no lado CA e o factor de potência unitário. Por outro lado, também foram



apresentados os algoritmos necessários ao descarregamento controlado das baterias,

quer seja directamente sobre uma carga CC, ou com o Sistema Inteligente de

Carregamento de Baterias a funcionar como conversor CC-CA, devolvendo a energia

armazenada nas baterias à rede eléctrica ou então alimentando um carga CA.


CAPÍTULO 4

Simulações do Sistema de Carregamento de Baterias

4.1. Introdução

O uso de ferramentas de simulação constitui uma mais-valia no estudo de sistemas

eléctricos, uma vez que permite aprofundar ao máximo a realidade destes,

principalmente, no que concerne ao seu comportamento. Deste modo, com o uso de um

bom modelo de simulação é possível contornar erros que possam invalidar a teoria do

sistema eléctrico em questão. Também relevante, é o facto de permitir evitar riscos para

os seres humanos e/ou para os equipamentos envolvidos. Desta forma, é possível

reduzir o tempo de projecto dos sistemas eléctricos e muito possivelmente os custos

inerentes ao processo de desenvolvimento.

A escolha da ferramenta de simulação foi o software PSCAD (Power System

Computer Assisted Design), devido ao ambiente gráfico amigável, à vasta livraria de

componentes e ao facto de permitir interface com linguagem de programação C,

podendo-se implementar algoritmos de controlo muito similares aos utilizados no

microcontrolador do Sistema de Carregamento.

Ao longo deste capítulo é apresentado e descrito o modelo do circuito de potência

e o modelo do circuito de comando. Com a elaboração destes circuitos foi possível obter

um modelo de simulação para o Sistema de Carregamento muito próximo da realidade,

visto todos eles visarem qualquer tipo de pormenor. O ambiente de trabalho do PSCAD

está representado na Figura 4.1.

Figura 4.1 – Ambiente de trabalho do software PSCAD.

Capítulo 4 – Simulações do Sistema de Carregamento de Baterias


4.2. Circuito de Potência

Na Figura 4.2 está apresentado o circuito de potência implementado no PSCAD

para simular o funcionamento do Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias,

tanto para o funcionamento como conversor CA-CC como conversor CC-CA. Este

circuito é composto pela fonte de tensão de entrada, pela resistência de pré-carga do

condensador do lado CC, pela indutância no lado CA de valor 5 mH, pelo conversor

com quatro IGBT's, pelo condensador do lado CC de valor 4,7 mF e pelo modelo de

bateria implementado.

Neste circuito são utilizados três interruptores denominados C1, C2 e C3, que

correspondem, respectivamente, à ligação de todo o circuito, ao curto-circuito da

resistência de pré-carga e à ligação do modelo de bateria ao conversor. No bloco da

Figura 4.2 que contém os quatro IGBT's pode-se constatar que a cada braço do

conversor está associado um condensador de 1 µF. No lado CA e no lado CC está

presente um sensor de tensão e um de corrente, para permitir efectuar as medições da

respectiva tensão e corrente. As labels G1T, G1B, G2T e G2B são as entradas das gates

dos IGBT's do braço 1 (top e bottom) e do braço 2 (top e bottom), respectivamente.

Figura 4.2 – Circuito de potência implementado no PSCAD para simular o funcionamento do Sistema

Inteligente de Carregamento de Baterias.

4.3. Circuito de Comando

O circuito de comando implementado no PSCAD foi construído visando

aproximar ao máximo a simulação da realidade. Com este intuito, na Figura 4.3 está

representado o circuito constituído pelos sensores1 e pelo respectivo condicionamento

de sinais, e na Figura 4.4 está representado o circuito dos ADC's (Analog to Digital

Converters). Na Figura 4.5 está representado o modelo do microcontrolador

desenvolvido e o circuito de enable que permite controlar as comutações dos IGBT's.

Ao modelo do microcontrolador está associado o ficheiro PIC32.c que contém o

programa escrito em linguagem de programação C para permitir o controlo de todo o

1 Quando se faz referência aos sensores, tanto de tensão como de corrente, significa que no PSCAD estão

simuladas as suas características nominais, assim como as respectivas resistências de medida, de modo a

que a simulação seja o mais próximo possível da realidade.



Sistema de Carregamento. Este modelo é constituído por quatro entradas, duas de

tensão e duas de corrente, quatro saídas para as comutações dos IGBT's, três saídas para

actuar nos interruptores (C1, C2 e C3), duas saídas DAC (Digital to Analog Converter),

uma saída para a corrente de referência do lado CA, uma entrada de selecção para

escolha manual de tensão ou corrente constante no lado CC e uma entrada com a

frequência de comutação.

Figura 4.3 – Simulação dos sensores de tensão e de corrente e respectivo condicionamento de sinais.

Figura 4.4 – Simulação do circuito de ADC's.



Figura 4.5 – Modelo do microcontrolador desenvolvido e circuito de enable.

O programa, escrito em linguagem de programação C, implementado no modelo

de simulação foi desenvolvido tendo em conta os algoritmos de carregamento e

descarregamento apresentados no Capítulo 3. Conforme apresentado na Figura 4.6, com

este modelo de simulação é possível definir o valor da tensão e da corrente para a

referência no lado CC, os ganhos e tempos de integração do controlador PI e também os

tempos de arranque do programa, de pré-carga do condensador do lado CC, de

comutação dos IGBT's, de ligação das baterias ao Sistema de Carregamento e o tempo

de espera para a comutação do estágio de corrente constante para o estágio de tensão

constante no lado CC, ou vice-versa.

Figura 4.6 – Definição, através do modelo do microcontrolador, do valor da tensão e da corrente, dos

ganhos e dos tempos de integração do controlador PI e dos tempos associados ao controlo do Sistema de

Carregamento.

4.4. Modelo de Bateria

O modelo de bateria desenvolvido no PSCAD permite simular, de forma geral, o

comportamento de uma bateria, ou de um banco de baterias, de diferentes tecnologias.

Através deste modelo, é possível definir os valores de tensão ou corrente de



carregamento, assim como os respectivos tempos. Para o estágio de tensão constante é

possível definir a corrente inicial e final da bateria, e para o estágio de corrente

constante é possível definir a tensão inicial e final da bateria. Na Figura 4.7 está

apresentado o modelo de bateria desenvolvido. Tendo em conta a sua constituição

interna, este modelo de bateria é composto por um circuito, representado na Figura 4.8,

que o carregamento com tensão ou corrente constante. Na Figura 4.9 estão

representados os circuitos de controlo do circuito da Figura 4.8.

Figura 4.7 – Modelo de bateria desenvolvido.

Figura 4.8 – Circuito interno do modelo de bateria, que permite o carregamento com tensão ou corrente

constante.



Figura 4.9 – Circuitos de controlo do modelo de bateria para os casos em que é carregada com tensão ou

corrente constante.

4.5. Resultados das Simulações

Depois de apresentados todos os circuitos de simulação que constituem o Sistema

Inteligente de Carregamento de Baterias, implementados no PSCAD, neste item é

analisado o comportamento de todo o sistema recorrendo aos algoritmos de

carregamento e descarregamento de baterias apresentados no Capítulo 3. As simulações

foram realizadas recorrendo a esses algoritmos de controlo e tendo como carga um

banco de baterias de chumbo-ácido com tensão nominal 48 V, correspondente a 4

baterias de 12 V, e capacidade de carga nominal 44 Ah. Na escolha deste, foi tido em

conta o facto de ser um caso concreto, passível de ser implementado, uma vez que as

baterias necessárias já existiam no Laboratório de Electrónica de Potência da

Universidade do Minho.

Para o carregamento deste banco de baterias foram efectuadas três simulações

com três algoritmos de carregamento distintos. A primeira simulação foi efectuada com

o algoritmo de carregamento de tensão constante, a segunda com o algoritmo de

carregamento de corrente constante e a terceira simulação com o algoritmo de

carregamento de corrente constante seguida de tensão constante. Para o

descarregamento do banco de baterias foi utilizado um algoritmo de controlo que

permite transferir a energia armazenada nas mesmas directamente para a rede eléctrica,



mediante condições específicas, nomeadamente corrente de descarregamento máxima.

Assim, de seguida são apresentados e comentados os resultados obtidos para estas

simulações.

4.5.1. Simulação de Carregamento com Algoritmo de Tensão Constante de

um Banco de Baterias de Chumbo-Ácido de 48 V e 44 Ah

Nesta primeira simulação o algoritmo de carregamento imposto foi o de tensão

constante com valor igual a 56 V. Como explicado no Capítulo 3, neste algoritmo de

carregamento a tensão permanece constante enquanto a corrente decai progressivamente

até o término do carregamento. Obviamente, o término do carregamento não é igual

para todas as baterias, e neste caso concreto, como na simulação está a ser utilizado um

modelo de banco de baterias, o término do carregamento foi definido ocorrer quando a

corrente no banco de baterias atingir 0,5 A.

Na Figura 4.10 está apresentada, em regime permanente, a tensão (ve) e a corrente

(ie) no lado CA e a corrente de referência para o lado CA (iref). Como se pode constatar

a corrente no lado CA é sinusoidal e em fase com a tensão do lado CA. Como

pretendido a corrente (ie) segue a corrente de referência (iref).

Figura 4.10 – Tensão (ve) e corrente (ie) no lado CA, e corrente de referência (iref) para o lado CA, em

regime permanente.

A tensão e a corrente no banco de baterias ao longo de toda a simulação, em

regime permanente, estão representadas na Figura 4.11. O tempo total da simulação

corresponde ao tempo total de carregamento do banco de baterias. De acordo com a

Figura 4.11 pode-se confirmar que a tensão no banco de baterias (vs) permanece

constante de valor 56 V ao longo de toda a simulação e a corrente (is) de carregamento

diminui de 1,2 A para 0,5 A, dando por terminado o carregamento do banco de baterias,

conforme pretendido.

(ve)

(iref) (ie)



Figura 4.11 – Tensão (vs) e corrente (is) no lado CC em regime permanente.

Os resultados obtidos para este algoritmo de carregamento comprovam a escolha

dos parâmetros inseridos no modelo do banco de baterias e que estão apresentados na

Figura 4.12. A escolha dos parâmetros para o algoritmo de corrente constante não é

relevante porque, neste caso específico, o banco de baterias só é carregado com tensão

constante. A escolha para o tempo de decaimento da corrente é de 10 s, correspondente

ao tempo total da simulação. O valor da tensão constante é de 56 V, a corrente inicial de

carregamento tem valor de 1,2 A e a corrente final de carregamento tem valor de 0,5 A.

Figura 4.12 – Parâmetros do modelo do banco de baterias para o carregamento com o algoritmo de tensão

constante.

Na Figura 4.13 estão apresentados os parâmetros correspondentes ao

microprocessador para este algoritmo de carregamento. Como se pode verificar é

especificado o valor da tensão de referência para o lado CC, o ganho proporcional e o

tempo de integração para o controlador PI.

(vs)

(is)



Figura 4.13 – Parâmetros correspondentes ao microprocessador para o algoritmo de carregamento com

tensão constante.


(ie) no lado CA, a tensão (vs) e a corrente (is) no lado CC, e corrente de referência (iref)

para o lado CA. Na Figura 4.15 estão apresentadas, em regime permanente, as potências

no lado CA (p_rede) e no lado CC (p_carga).

Figura 4.14 – Tensão (ve) e corrente (ie) no lado CA, tensão (vs) e corrente (is) no lado CC, e corrente de

referência (iref) para o lado CA, no transitório de ligação do Siema de Carregamento.

(vs)

(is)

(ie)

(ve)

(iref)



Figura 4.15 – Potências no lado CA (p_rede) e no lado CC (p_carga), em regime permanente.

Na Figura 4.16 estão apresentados os valores RMS (Root Mean Square) para o

lado CA, da tensão (Ve_RMS), da corrente (Ie_RMS) e da corrente de referência

(Iref_RMS), com o Sistema de Carregamento em regime permanente.

Figura 4.16 – Valores RMS para o lado CA, da tensão (Ve_RMS), da corrente (Ie_RMS) e da corrente de

referência (Iref_RMS).

Na Figura 4.17 estão apresentados os gráficos dos harmónicos da tensão (ve) e da

corrente (ie) no lado CA, quando o Sistema de Carregamento não está a funcionar (dois

gráficos da esquerda) e quando está a funcionar (dois gráficos da direita). Como se pode

verificar, quando o Sistema de Carregamento não está a funcionar existem harmónicos

de terceira, quinta e sétima ordem na corrente (ie). Quando o Sistema de Carregamento

entra em funcionamento a corrente (ie) passa a ter apenas um harmónico de terceira

ordem, mas de valor reduzido muito mais reduzido.

p_rede

p_carga



Figura 4.17 – Gráficos dos harmónicos da tensão (ve) e da corrente (ie) no lado CA quando o Sistema de

Carregamento não está a funcionar (dois gráficos da esquerda) e quando está a funcionar (dois gráficos da

direita)

Na Figura 4.18 está apresentada a tensão (vs) e a corrente (is) no lado CC antes e

depois do Sistema de Carregamento entrar em funcionamento, ou seja, em regime

transitório. Como se pode verificar, quando o Sistema de Carregamento entra em

funcionamento a tensão aumenta até ao valor de referência e a corrente de carregamento

é determinada pelas características do banco de baterias. Na Figura 4.19 está

apresentada a tensão (ve) e a corrente (ie) no lado CA, e a tensão (vs) e a corrente (is) no

lado CC, antes e depois do Sistema de Carregamento entrar em funcionamento.


Carregamento.

Transitório de ligação do

Sistema de Carregamento (vs)

(is)

Harmónico

(ve) (ie) (ve) (ie)




transitório de ligação do Sistema de Carregamento.

4.5.2. Simulação de Carregamento com Algoritmo de Corrente Constante

de um Banco de Baterias de Chumbo-Ácido de 48 V e 44 Ah

Este algoritmo de carregamento consiste em manter constante a corrente,

enquanto a tensão aumenta progressivamente até o término do carregamento.

Obviamente, o término do carregamento não é igual para todas as baterias, e neste caso

concreto, como na simulação está a ser utilizado um modelo de banco de baterias, o

término do carregamento foi definido ocorrer quando a tensão do banco de baterias

atingir 60 V. Para esta simulação supõem-se que o banco de baterias tem uma tensão

inicial de 50 V.


(ie) no lado CA e a corrente de referência para o lado CA (iref). Como se pode constatar

a corrente no lado CA é sinusoidal e em fase com a tensão do lado CA. Como

pretendido a corrente (ie) segue a corrente de referência (iref).


Sistema de Carregamento

(ve)

(ie)

(vs)

(is)



Figura 4.20 – Tensão (ve) e a corrente (ie) no lado CA e a corrente de referência para o lado CA (iref) em

regime permanente.


regime permanente, estão representadas na Figura 4.21. A corrente no banco de baterias

(is) permanece constante de valor 2 A ao longo de toda a simulação e a tensão (vs)

aumenta de 50 V para 60 V, dando por terminado o carregamento do banco de baterias.



dos parâmetros inseridos no modelo do banco de baterias e que estão apresentados na

Figura 4.22. A escolha dos parâmetros para o algoritmo de tensão constante não é

relevante porque, neste caso específico, o banco de baterias só é carregado com corrente

constante. A escolha para o tempo de decaimento da corrente é de 10 s correspondente

ao tempo total da simulação. O valor da corrente de carregamento é de 2 A, a tensão

inicial do banco de baterias é de 50 V e a tensão final de carregamento tem valor de

60 V. A escolha destes valores não foi baseada num banco de baterias de chumbo-ácido

específico, mas sim num banco de baterias genérico, isto é, que permita que a tensão

durante o carregamento atinja 60 V. Com este algoritmo de carregamento, a evolução da

tensão ao longo do tempo é determinada pelas características do banco de baterias, e no

caso desta simulação foi determinado que a tensão atinja a tensão final de carregamento

em 10 s.

(vs)

(is)

(ve)

(iref)

(ie)




corrente constante.

Na Figura 4.23 estão representados os parâmetros correspondentes ao

microprocessador para este algoritmo de carregamento. Como se pode verificar é

especificado o valor da corrente de referência para o lado CC, o ganho proporcional e o

tempo de integração para o controlador PI.

Figura 4.23 – Parâmetros correspondentes ao microprocessador para o método de carregamento com

corrente constante.


(ie) no lado CA, a tensão (vs) e a corrente (is) no lado CC, e a corrente de referência

(iref) para o lado CA. Na Figura 4.25 estão representadas, em regime permanente, as

potências no lado CA (p_rede) e no lado CC (p_carga).



Figura 4.24 – Tensão (ve) e corrente (ie) no lado CA, e tensão (vs) e corrente (is) no lado CC, assim como

corrente de referência (iref) para o lado CA.

Figura 4.25 – Potências no lado CA (p_rede) e no lado CC (p_carga) em regime permanente.

Na Figura 4.26 estão apresentados os valores RMS, para o lado CA, da tensão

(Ve_RMS), da corrente (Ie_RMS) e da corrente de referência (Iref_RMS), com o Sistema

de Carregamento em funcionamento.

(vs)

(is)

(ie)

(ve)

(iref)

p_rede

p_carga



Figura 4.26 – Valores de RMS, para o lado CA, da tensão (Ve_RMS), da corrente (Ie_RMS) e da corrente

de referência (Iref_RMS).



gráficos da esquerda) e quando está a funcionar (dois gráficos da direita). Como se pode

verificar, quando o Sistema de Carregamento não está a funcionar existem harmónicos

de terceira, quinta e sétima ordem na corrente (ie). Quando o Sistema de Carregamento

entra em funcionamento a corrente (ie) passa a ter apenas um harmónico de terceira

ordem, mas de valor reduzido muito mais reduzido.

Figura 4.27 – Gráficos dos harmónicos da tensão e da corrente no lado CA com o Sistema de

Carregamento sem comutar (dois gráficos da esquerda) e a comutar (dois gráficos da direita).




funcionamento, a corrente aumenta até ao valor de referência e a tensão, que era

determinada pela tensão no lado CC só com o conversor a diodos com o filtro

capacitivo, passa a ser a tensão inicial no banco de baterias, ou seja, 50 V. Na Figura

4.29 está apresentada a tensão (ve) e a corrente (ie) no lado CA, e a tensão (vs) e a

corrente (is) no lado CC, antes e depois do Sistema de Carregamento entrar em

funcionamento.

(ve) (ie) (ve) (ie)




Carregamento.


transitório de ligação do Sistema de Carregamento.


Sistema de Carregamento (vs) (is)



(ve)

(ie)

(vs)

(is)



4.5.3. Simulação de Carregamento com Algoritmo de Corrente Constante

Seguido de Tensão Constante de um Banco de Baterias de Chumbo-

Ácido de 48 V e 44 Ah

Neste item são analisadas as simulações computacionais relativas ao Sistema de

Carregamento com o algoritmo de carregamento de corrente constante com valor igual a

2 A, seguido de tensão constante com valor igual a 57 V. Neste algoritmo de

carregamento, no primeiro estágio a corrente permanece constante enquanto a tensão

aumenta progressivamente até atingir, neste caso especifico, 57 V. Posteriormente, é

imposta tensão constante de valor igual a 57 V até a corrente decair até 0,7 A. Mais uma

vez, como na simulação está a ser utilizado um modelo de banco de baterias, o término

do carregamento foi definido ocorrer no segundo estágio e quando a corrente do banco

de baterias atingir 0,7 A. Para esta simulação supõem-se que o banco de baterias

apresenta uma tensão inicial de 50 V.

Na Figura 4.30 e na Figura 4.31 está apresentada, em regime permanente, a tensão

(ve) e a corrente (ie) no lado CA, e a corrente de referência (iref) para o lado CA,

quando é imposta, respectivamente, corrente constante seguida de tensão constante.

Como se pode constatar, para ambos os estágios, a corrente no lado CA é sinusoidal e

em fase com a tensão do lado CA. Como pretendido a corrente (ie) segue a corrente de

referência (iref).

Figura 4.30 – Tensão (ve) e a corrente (ie) no lado CA e a corrente de referência para o lado CA (iref) em

regime permanente com corrente constante no banco de baterias.

Figura 4.31 – Tensão (ve) e a corrente (ie) no lado CA e a corrente de referência (iref) para o lado CA em

regime permanente com tensão constante no banco de baterias.

(ve)

(iref) (ie)

(ve)

(iref) (ie)




regime permanente, estão representadas na Figura 4.32. No primeiro estágio, a corrente

no banco de baterias (is) permanece constante de valor 2 A até que a tensão do banco de

baterias (vs) atinja 57 V. Posteriormente, no segundo estágio, a tensão permanece

constante de valor igual a 57 V e a corrente decai até 0,7 A, dando por terminado o

carregamento do banco de baterias.

Figura 4.32 – Tensão (vs) e corrente (is) no lado CC no transitório entre estágios de carregamento.


dos parâmetros inserido no modelo do banco de baterias e que estão apresentados na

Figura 4.33. Neste caso específico, o tempo de simulação é de 20 s, e no modelo de

bateria definiu-se que cada estágio de carregamento demoraria 10 s.


corrente constante seguido de tensão constante.

Na Figura 4.34 está apresentada a tensão (ve) e a corrente (ie) no lado CA, e a

tensão (vs) e a corrente (is) no lado CC, no transitório de comutação entre estágios.

Como se pode verificar, no momento de transição, a tensão do lado CC (vs) decai um

pouco, recuperando de seguida o valor de referência que é de 57 V. A partir da

Transitório entre estágios de

carregamento (vs)

(is)



transição, como é o estágio de tensão constante que está em funcionamento, a corrente

(is) no lado CC começa a decair. Relativamente ao lado CA, a tensão (ve) não sofre

alterações, no entanto, a corrente (ie) sofre uma ligeira distorção relativa à troca de

referência, porém, como é de esperar, rapidamente recupera e mantém-se sinusoidal e

em fase com a tensão do lado CA.


transitório entre estágios de carregamento.

Na Figura 4.35 estão representados os parâmetros correspondentes ao

microprocessador para este algoritmo de carregamento. Como se pode verificar, é

especificado o valor da tensão e da corrente de referência para o lado CC, o ganho

proporcional e o tempo de integração para o controlador PI, tanto para o estágio de

corrente constante como para o estágio de tensão constante.

Figura 4.35 – Parâmetros correspondentes ao microprocessador para este algoritmo de carregamento.


Sistema de Carregamento (ve)

(ie)

(vs)

(is)



Na Figura 4.36 e na Figura 4.37 está apresentada, em regime permanente, a tensão

(ve) e a corrente (ie) no lado CA, a tensão (vs) e a corrente (is) no lado CC, e a corrente

de referência (iref) para o lado CA, para o estágio de corrente constante e para o estágio

de tensão constante, respectivamente.


corrente de referência (iref) para o lado CA, no estágio de corrente constante.


corrente de referência (iref) para o lado CA, no estágio de corrente constante.

(ve)

(ie)

(vs)

(is)

(iref)

(ve)

(ie)

(vs)

(is)

(iref)



Na Figura 4.38 estão representadas, respectivamente, as potências no lado CA

(p_rede) e no lado CC (p_carga), em regime permanente, para o estágio de corrente

constante e para o estágio de tensão constante.


Na Figura 4.39 estão apresentados os valores RMS para o lado CA, da tensão


de Carregamento a funcionar no estágio de corrente constante e no estágio de tensão

constante, respectivamente.


referência (Iref_RMS), com o Sistema de Carregamento a funcionar, no estágio de corrente constante e no

estágio de tensão constante, respectivamente.



gráficos da esquerda) e quando está a funcionar (dois gráficos da direita), durante o

estágio de corrente constante. Como se pode verificar, quando o Sistema de

Carregamento não está a funcionar existem harmónicos de terceira, quinta e sétima

ordem na corrente (ie). Quando o Sistema de Carregamento entra em funcionamento a

corrente (ie) passa a ter apenas um harmónico de terceira ordem, mas de valor reduzido

muito mais reduzido.

p_rede

p_carga

p_rede

p_carga



Figura 4.40 – Gráficos dos harmónicos da tensão e da corrente no lado CA quando o Sistema de

Carregamento não está a funcionar (dois gráficos da esquerda) e quando está a funcionar (dois gráficos da

direita), durante o estágio de corrente constante.




funcionamento, a corrente aumenta até ao valor de referência e a tensão passa a ser a

tensão inicial do banco de baterias.


Carregamento.

Na Figura 4.42 está representada a tensão (ve) e a corrente (ie) no lado CA, e a

tensão (vs) e a corrente (is) no lado CC, no transitório de ligação do Sistema de

Carregamento. Como se pode verificar, depois do transitório, é imposto o estágio de

corrente constante, em que a corrente (is) no lado CC aumenta até ao valor de referência

e a corrente (ie) no lado CA passa a ser sinusoidal e o factor de potência unitário. Na

simulação, quando o Sistema de Carregamento entra em funcionamento, a corrente no


Sistema de Carregamento (vs)

(is)

(ve) (ve) (ie) (ie)



lado CA (ie) sofre uma variação brusca devido ao carregamento parcial do condensador

do lado CC. Nesse transitório, a tensão no condensador passa de 35 V para 50 V. Na

realidade este caso pode não acontecer se o condensador for previamente carregado pelo

banco de baterias.


transitório de ligação do Sistema de Carregamento, e antes do estágio de corrente constante.

4.5.4. Simulação de Descarregamento para a Rede Eléctrica com

Algoritmo de Corrente Sinusoidal no lado CA de um Banco de

Baterias de Chumbo-Ácido de 48 V e 44 Ah

Com esta simulação pretende-se efectuar o descarregamento do banco de baterias

directamente para a rede eléctrica através do algoritmo de corrente sinusoidal no lado

CA. A corrente de descarregamento é imposta pelo algoritmo, e neste caso concreto,

tem valor 8 A. O término do descarregamento pode acontecer devido às baterias estarem

descarregadas ou por não ser necessário devolver mais energia à rede eléctrica. Para esta

simulação a tensão do banco de baterias foi sempre de 52 V e o descarregamento foi

efectuado ao longo de todo o tempo da simulação.

Na Figura 4.43 está apresentada a tensão (ve) e a corrente (ie) no lado CA e a

corrente de referência para o lado CA (iref), em regime permanente. Como se pode

constatar a corrente no lado CA é sinusoidal e em oposição de fase com a tensão do lado

CA, ou seja, as baterias estão a devolver a energia armazenada à rede eléctrica.


Sistema de Carregamento (ve)

(ie)

(vs)

(is)



Figura 4.43 – Tensão (ve) e a corrente (ie) no lado CA, e a corrente de referência (iref) para o lado CA,

em regime permanente.

A tensão (vs) e a corrente (is) no banco de baterias, em regime permanente, estão

apresentadas na Figura 4.44. A tensão no banco de baterias permanece constante de

valor 52 V e a corrente apresenta uma forma de onda semelhante ao módulo de um sinal

sinusoidal. Na Figura 4.45 estão representadas, respectivamente, as potências no lado

CA (p_rede) e no lado CC (p_carga) em regime permanente.



(vs)

(is)

p_rede

p_carga

(ve)

(ie) (iref)



Na Figura 4.46 estão apresentados os valores RMS para o lado CA, da tensão


de Carregamento a funcionar. Na Figura 4.47 estão apresentados os gráficos dos

harmónicos da tensão (ve) e da corrente (ie), no lado CA.


referência (Iref_RMS).

Figura 4.47 – Gráficos dos harmónicos da tensão (ve) e da corrente (ie) no lado CA.

4.6. Conclusão

Na parte inicial deste capítulo foi apresentado todo o modelo de simulação do

Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias implementado no PSCAD. Este

modelo foi utilizado para determinar, através de simulações, os parâmetros envolvidos

na implementação do equipamento desenvolvido.

No que concerne às simulações, foram expostos e descritos os resultados das

simulações referentes a três algoritmos de carregamento, e tendo em conta um caso

concreto de um banco de baterias de chumbo-ácido de 48 V e 44 Ah. Com estes

algoritmos de carregamento, que consistem em diferentes estágios de tensão ou corrente

constante ao longo do carregamento, pretendeu-se analisar a evolução das variáveis

envolvidas, nomeadamente tensões e correntes no lado CA e no lado CC. Deste modo,

(ve) (ie)



foi possível prever o comportamento real do Sistema Inteligente de Carregamento de

Baterias. Por outro lado, também foi analisado o comportamento do mesmo

equipamento quando está a funcionar como conversor CC-CA, isto é, quando a energia

armazenada nas baterias é devolvida à rede eléctrica.

Tanto para o carregamento como para o descarregamento do banco de baterias, o

modelo de simulação foi elaborado de forma a corresponder à realidade do Sistema

Inteligente de Carregamento de Baterias. Neste sentido, foram desenvolvidos modelos

de todos os circuitos, inclusive do microcontrolador programado em linguagem C, com

o intuito de poder actuar nas variáveis de controlo no modelo de simulação, e estas

corresponderem às variáveis reais do Sistema de Carregamento, podendo, deste modo,

prever o comportamento deste.

Com os resultados das simulações obtidos, comprova-se que é possível aplicar

tensão ou corrente constante ao banco de baterias, de valor igual à referência desejada, e

ao mesmo tempo manter a corrente no lado CA sinusoidal e o factor de potência

unitário. Também se pôde comprovar que através de um algoritmo de controlo de

descarregamento do banco de baterias é possível transferir a energia armazenada neste

para rede eléctrica.


CAPÍTULO 5

Implementação do Sistema de Carregamento de Baterias

5.1. Introdução

Neste capítulo estão descritos os passos que conduziram à implementação do

Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias, nomeadamente, o circuito de potência

e o circuito de comando. Basicamente, o circuito de potência consiste no conversor com

quatro IGBT's, no condensador no lado CC e na indutância no lado CA. Por outro lado,

o circuito de comando consiste, basicamente nos sensores de tensão e de corrente de

efeito Hall1, no condicionamento de sinal, nos drivers dos IGBT's, no microcontrolador

e nas protecções. Tanto para o circuito de potência como para o circuito de comando,

todos os circuitos que os compõem foram previamente montados e testados em

breadboard com o Sistema de Carregamento em funcionamento. Posteriormente, foram

projectados os esquemáticos de todos os circuitos que conduziram ao desenvolvimento

das placas de circuito impresso. A placa do circuito de comando dos sinais para os

IGBT's já estava construída, mas sem componentes soldados, tendo sido desenvolvido o

esquemático e soldados os componentes necessários, de acordo com o esquemático

elaborado.

5.2. Circuito de Potência

Neste item é apresentado e descrito o circuito de potência, nomeadamente, o

conversor com quatro IGBT's, o condensador e a indutância. Na Figura 5.1 está

apresentado o circuito de potência com todos os elementos que o constituem.

Figura 5.1 – Circuito de potência com todos os seus elementos.

1 O efeito Hall, descoberto no século XIX, baseia-se no princípio de interacção entre campos magnéticos

e eléctricos. Basicamente, caracteriza-se pelo aparecimento de uma tensão num condutor submetido a um

campo magnético perpendicular à direcção da corrente que nele flui.

Condensador do lado CC

Indutância do lado CA Conversor Bidireccional

Circuito de pré-carga do

condensador do lado CC

Capítulo 5 – Implementação do Sistema de Carregamento de Baterias


5.2.1. Conversor Bidireccional

Na Figura 5.2 está apresentado o conversor bidireccional desenvolvido e que é

composto por quatro IGBT's FGA25N120ANTD, da Fairchild Semiconductor,

associados com dois condensadores de snubber2 de 1 µF, 400 V cada um. Os IGBT's

estão montados num dissipador e presos por duas barras metálicas de modo a obter uma

melhor dissipação térmica. Na Figura 5.2 podem-se visualizar os terminais de entrada e

de saída do conversor, e as fichas de entrada dos sinais para os IGBT's.

Figura 5.2 – Conversor bidireccional.

Estes IGBT's têm valores nominais de corrente e de tensão 25 A e 1200 V,

respectivamente [75]. Conforme ilustrado na Figura 5.3 cada IGBT tem associado

internamente um diodo entre o terminal colector e o emissor. Para o funcionamento do

conversor, tanto no modo CA-CC como no CC-CA, é necessário fornecer sinais de

comando aos IGBT's de modo a que estes possam funcionar como interruptores

controlados. Para tal, é necessário recorrer a um circuito de driver para efectuar a

interface entre o microcontrolador e os IGBT's. Os sinais gerados pelo microcontrolador

passam pelo circuito de driver e posteriormente actuam nas gates dos IGBT's.

Figura 5.3 – IGBT FGA25N120ANTD da Fairchild Semiconductor [75].

2 Os snubber’s são circuitos auxiliares de comutação que têm como finalidade proteger os

semicondutores, neste caso IGBT's, de elevadas taxas de variação da tensão (dv/dt) e da corrente (di/dt)

durante as suas comutações. Normalmente, são constituídos por um diodo rápido, um condensador e uma

resistência.

Fichas de Entrada Terminais de

Entrada

Terminais de

Saída

IGBT's

Condensador

de snubber

Condensador

de snubber



5.2.2. Indutância do Lado CA

Para que o conversor possa funcionar de forma bidireccional, e conforme

pretendido, é necessário utilizar uma indutância no lado CA. Esta indutância, aquando

do funcionamento do conversor como CA-CC, permite filtrar as componentes de alta

frequência existentes na corrente de entrada, de modo a que essa corrente seja o mais

sinusoidal possível. Quando o conversor está a funcionar como CC-CA, esta indutância

tem a função de fazer o acoplamento entre o conversor e a carga do lado CA, ou seja,

filtrar as componentes de alta frequência existentes na corrente.

A indutância utilizada é de núcleo de ferro, e tem valores nominais 10 A e 5 mH,

a 50 Hz. Na Figura 5.4 está apresentada a indutância utilizada.

Figura 5.4 – Indutância utilizada no lado CA.

5.2.3. Condensador do Lado CC

No lado CC do conversor é utilizado um condensador electrolítico, de modo a

suportar a tensão de referência requerida para carregar as baterias, e a manter baixo o

ripple da tensão do lado CC. O condensador utilizado é do fabricante Aerovox e tem

tensão nominal 450 V CC e capacidade nominal 4700 μF ± 20 %. Na Figura 5.5 está

apresentado o condensador utilizado.

Figura 5.5 – Condensador utilizado no lado CC.



5.2.4. Circuito de Pré-Carga do Condensador do Lado CC

Na Figura 5.6 está apresentado o circuito de pré-carga do condensador do lado

CC. Este circuito é composto por duas resistências de 100 Ω, 50 W ligadas em paralelo,

pelo contactor e pelo seu circuito de comando3. As resistências estão protegidas por uma

caixa de alumínio.

Figura 5.6 – Circuito de pré-carga do condensador do lado CC.

5.2.5. Banco de Baterias

O banco de baterias, apresentado na Figura 5.7, é composto por quatro baterias de

chumbo-ácido de 12 V e 44 Ah cada uma. As baterias estão associadas em série para

que o banco de baterias tenha uma tensão nominal de 48 V e capacidade nominal de

armazenamento 44 Ah. Foram utilizadas estas baterias porque já existiam no

Laboratório de Electrónica de Potência da Universidade do Minho.

Figura 5.7 – Banco de baterias de chumbo-ácido com tensão nominal 48 V e capacidade nominal de

armazenamento 44 Ah.

3 O sinal de comando, proveniente do microcontrolador, actua num transístor e este num relé, que por sua

vez actua no contactor.

Resistências de pré-carga protegidas por

caixa de alumínio

Contactor Circuito de comando

do contactor



5.3. Circuito de Comando

O circuito de comando, composto por diferentes circuitos individuais, é o

responsável pela aquisição das tensões e correntes, e pelo controlo dos IGBT's, de modo

a que o Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias funcione como pretendido.

Assim, o circuito de comando é composto pelos sensores de tensão e de corrente com o

respectivo condicionamento de sinal, pelo microcontrolador, pelo circuito de drivers

dos IGBT's, pelo circuito de comando dos sinais para os IGBT's, pelo circuito de

detecção de erros, pelo circuito de DAC e pelo LCD. Na Figura 5.8 está apresentado o

circuito de comando com todas as placas de circuito impresso correspondentes aos

circuitos enunciados.

Figura 5.8 – Circuito de comando potência com todos os seus elementos.

5.3.1. Sensores de Tensão de Efeito Hall

Para o correcto funcionamento do sistema de controlo é necessário saber os

valores instantâneos das tensões de entrada e de saída do conversor, porque, com base

nestas e outras informações, é que o algoritmo de controlo é constantemente actualizado

de forma a processar os sinais de comando para os IGBT's. A medição destas tensões é

feita recorrendo a sensores de efeito Hall. Uma das mais-valias destes sensores é o facto

de permitirem medir sinais CA e CC.

Sensores de tensão

e condicionamento

de sinais

Microcontrolador

DAC

Circuito de

Drivers

Circuito de comando

para os IGBT's

Circuito de

detecção de erros



O sensor de tensão de efeito Hall utilizado foi o LV 25-P da LEM, cuja

representação está na Figura 5.9. Na Figura 5.10. está representado o esquemático das

ligações externas deste sensor. A tensão e a corrente nominais são, respectivamente,

500 V e 10 mA. A alimentação pode ser: -15 V, GND e +15 V ou -12 V, GND e +12 V.

A resistência R1 tem que ser dimensionada de modo a que a corrente que nela flui não

exceda o valor nominal dessa corrente, que é 10 mA. A resistência RM deve ser

calculada de modo a que a tensão nessa resistência esteja dentro dos valores

especificados no datasheet [76].

Figura 5.9 – Sensor de tensão de efeito Hall LV 25-P da LEM [76].

Figura 5.10 – Esquemático de ligações do sensor LV 25-P da LEM [77].

Para o sensor de tensão do lado CA, as resistências R1 e RM são calculadas

através das equações fornecidas pelo fabricante no datasheet. De seguida são

apresentadas essas equações, com os respectivos valores obtidos, e que foram utilizados

na implementação do circuito de condicionamento deste sinal. Os cálculos foram

efectuados de modo a que o sensor possa efectuar medições de tensão até 250 V.

RMS entrada

RMS entrada

entrada

VI

R (5.1)

2,5 .RMS saída RMS entradaI I (5.2)

.medida RMS saída medidaV I R (5.3)

25010

25

RMS entrada

RMS entrada

entrada

VI mA

R k

2,5 . 2,5 .10 25RMS saída RMS entradaI I m mA



. 25 . (43 62) 2,6RMS medida RMS saída medidaV I R V

43

43. 2,625 1,1

43 62RMS RV V

43 2 . 2 .1,075 3,0pico pico RV V

Do mesmo modo, para o sensor de tensão do lado CC, as resistências R1 e RM são

calculadas através das equações fornecidas pelo fabricante no datasheet. De seguida são



efectuados de modo a que o sensor possa efectuar medições de tensão até 400 V.

entradaentrada

entrada

VI

R (5.4)

2,5 .saída entradaI I (5.5)

.medida saída medidaV I R (5.6)

4008

50

entradaentrada

entrada

VI mA

R k

2,5 . 2,5 .8 20saída entradaI I m mA

. 20 .150 3medida saída medidaV I R m V

5.3.2. Sensores de Corrente de Efeito de Hall

Para o correcto funcionamento do sistema de controlo, também é necessário saber

os valores instantâneos das correntes de entrada e de saída do conversor, porque, com

base nestas e outras informações, é que o algoritmo de controlo é constantemente

actualizado de forma a processar os sinais de comando para os IGBT's. Tal como para a

medição das tensões, os sensores utilizados foram de efeito Hall, e tal como esses,

também permitem efectuar medições CA e CC.

O sensor de corrente de efeito Hall utilizado foi o LA 55-P da LEM, cuja

representação está na Figura 5.11. Na Figura 5.12 está representado o esquemático das

ligações externas deste sensor. A corrente nominal é 50 A e a alimentação, tal como

para os sensores de tensão, pode ser: -15 V, GND e +15 V ou -12 V, GND e +12 V. A

resistência RM deve ser calculada de modo a que a tensão nessa resistência esteja dentro

dos valores especificados no datasheet. Contrariamente aos sensores de tensão, neste

sensor não existe resistência R1, porque o condutor, no qual se pretende efectuar a

medição da corrente, está envolvido pelo sensor [78].



Figura 5.11 – Sensor de corrente LA 55-P da LEM [78].

Figura 5.12 – Esquemático de ligações do sensor LA 55-P da LEM [79].

Para o sensor de corrente do lado CA, a resistência RM é calculada através das

equações fornecidas pelo fabricante no datasheet. De seguida são apresentadas essas

equações, com os respectivos valores obtidos, e que foram utilizados na implementação

do circuito de condicionamento deste sinal. Os cálculos foram efectuados de modo a

que o sensor possa fazer medições de corrente até 50 A.

1000

RMS entrada

RMS saída

II (5.7)

.RMS medida RMS saída medidaV I R (5.8)

5050

1000RMS saídaI mA

. 50 . (24 100) 6,2RMS medida RMS medida medidaV I R m V

24

246,2 . 1,2

100 24RMS RV V

24 2 . 2 .1,2 3,4pico pico RV V

Do mesmo modo, para o sensor de corrente do lado CC, a resistência RM é

calculada através das equações fornecidas pelo fabricante no datasheet. De seguida são



efectuados de modo a que o sensor possa fazer medições de corrente até 50 A.

1000

entradasaída

II (5.9)



*medida saída medidaV I R (5.10)

5050

1000saídaI mA

* 50 *62 3,1medida medida medidaV I R m V

5.3.3. Condicionamento de Sinais

O circuito de condicionamento de sinais é o responsável por ajustar os valores

instantâneos das tensões e das correntes medidas, de modo a que possam ser adquiridos

pelos ADC's do microcontrolador. É neste circuito que estão inseridas as resistências

associadas aos sensores calculadas anteriormente. No caso de sinais sinusoidais com

valor médio nulo, é necessário adicionar um valor médio igual a metade do limite

máximo de tensão das entradas dos ADC's do microcontrolador. Como os limites de

tensão das entradas dos ADC's são 0 V e 3,3 V, o valor médio a adicionar tem que ser

de 1,65 V. O esquemático do circuito que permite adicionar este valor médio, e que

também permite ajustar o ganho do sinal obtido, está representado na Figura 5.13. Este

esquemático diz respeito apenas ao circuito de condicionamento de um sinal e não ao

esquemático do circuito completo.

Figura 5.13 – Esquemático do circuito que permite adicionar valor médio e ajustar o ganho aos sinais com

valor médio nulo.

Como a alimentação dos sensores pode ser -15 V, GND e +15 V ou -12 V, GND e

+12 V, a placa de circuito impresso desenvolvida permite optar pelo tipo de alimentação

desejada, bastando efectuar a selecção através dos pinos existentes na placa deste

circuito. A placa desenvolvida permite fazer o condicionamento de sinal, de uma tensão

e uma corrente CA, e de uma tensão e uma corrente CC. À saída do condicionamento,

existe para cada sinal, um circuito de protecção composto por uma resistência

(R = 120 Ω) e um diodo zenner (V = 3,3 V), e um filtro passa-baixo RC (R = 750 Ω,

C = 4,7 nF). O esquemático deste circuito, para o caso específico da corrente no lado

CC, está apresentado na Figura 5.14. A placa desenvolvida está apresentada na Figura

5.15.



Figura 5.14 – Esquemático do circuito de protecção e filtro RC.

Figura 5.15 – Placa de condicionamento de sinais desenvolvida.

5.3.4. Microcontrolador PIC

Para a implementação do sistema de controlo foi utilizado o microcontrolador PIC

PIC32MX360F512L de 32 bits da Microchip, inserido no PIC32MX Starter Kit. Este

microcontrolador permite funcionar com frequência máxima de 80 MHz, possui 16

entradas de ADC de 10 bits de 500 ksps, possui 5 timers de 16 bits (podem-se associar

os timers 2 e 3 e/ou os timers 4 e 5 para formar timers de 32 bits) [80].

A arquitectura interna deste microcontrolador, mais concretamente os módulos

individuais e os barramentos de ligação, está apresentada na Figura 5.16. Para aceder

aos diversos pinos do microcontrolador PIC foi construída a placa de circuito impresso

representada na Figura 5.17. Com esta placa é possível aceder a 122 pinos, distribuídos

por postas de I/O, entradas ADC, saídas PWM e alimentação

Resistências dos

sensores de tensão

Saídas

com

circuito de

protecção

e filtro RC

Sensores de tensão

Entradas

dos

sensores

de

tensão

Entradas dos

sensores de

corrente

Entradas de alimentação

Circuito

somador de

offset e de

ganho



Figura 5.16 – Constituição interna do microcontrolador PIC32MX360F512L [80].



Figura 5.17 – Placa de desenvolvimento para o microcontrolador PIC32MX360F512L inserido no

PIC32MX Starter Kit.

O programa de controlo inserido no microcontrolador foi construído utilizando o

programa MPLAB da Microchip. Este programa, específico para programar

microcontroladores PIC, permite criar novos projectos, escrever programas em

linguagem de programação C, compilar o programa e em seguida executá-lo, sendo

possível observar a evolução de variáveis através de janelas próprias. Na Figura 5.18

está representado o ambiente de trabalho do MPLAB.

Figura 5.18 – Ambiente de trabalho do MPLAB.

PIC32MX360F512L

PIC32MX Starter Kit



5.3.5. Circuito de Comando dos Sinais para os IGBT's

O circuito de comando tem como função permitir que os sinais de comando

gerados pelo microcontrolador PIC possam ser aplicados aos IGBT's. Para tal, esses

sinais com níveis de tensão de 0 V e +3,3 V entram neste circuito e são adaptados aos

níveis de tensão de 0 V e +15 V. Este circuito também tem como função receber quatro

sinais de erro, provenientes do circuito de detecção de erros, e parar as comutações dos

IGBT's caso se justifique. Este circuito tem um botão de pressão que permite fazer reset

aos erros e um interruptor de posição que permite efectuar o enable das comutações. Na

Figura 5.19 está apresentado o esquemático deste circuito, e na Figura 5.20 está

representada a placa de circuito impresso desenvolvida.

Figura 5.19 – Esquemático do circuito de comando dos sinais para os IGBT's.

Figura 5.20 – Placa de circuito de comando dos sinais para os IGBT's desenvolvida.

Entradas

Entradas

de erros Saídas

para os

IGBT's

Entradas de enable e

de reset



5.3.6. Circuito de Drivers

O objectivo primordial do circuito de drivers é permitir fazer a interface entre o

circuito de comando e o circuito de potência, sendo para esse efeito, composto por

quatro optoacopladores HCPL-3120 da Agilent Technologies e por quatro fontes de

alimentação CC-CC NME1215S da International Power Sources, podendo-se também

adaptar a fontes CC-CC NMV1212SA da Technologies. Este circuito recebe os sinais de

comando para os IGBT's, provenientes da placa de comando, e adapta esses sinais de

modo a puderem ser aplicados nas gates dos IGBT's. Na Figura 5.21 está apresentado o

esquemático do circuito de drivers para o comando de um IGBT, e na Figura 5.22 está

apresentada a placa de circuito impresso desenvolvida.

Figura 5.21 – Esquemático do circuito de drivers para um IGBT.

Figura 5.22 – Placa de circuito de drivers desenvolvida.

Alimentação Saídas para os

IGBT's

Entrada de sinais Optoacopladores

Fontes CC-CC



5.3.7. Circuito de Detecção de Erros

O circuito de detecção de erros permite detectar erros que ocorram devido a

excessos de correntes no lado CA, excessos de tensão no lado CC e erros de disparo nos

IGBT's, ou seja, caso não se verifique o dead-time4 nos braços do conversor. Os erros

são detectados por comparação com uma referência específica para cada caso. Os

esquemáticos individuais destes circuitos de detecção de erros, estão apresentados,

respectivamente, na Figura 5.23 e na Figura 5.24. A placa de circuito impresso

desenvolvida está representada na Figura 5.25.

Figura 5.23 – Esquemático do circuito de detecção de excessos de corrente.

Figura 5.24 – Esquemático do circuito de detecção de excessos de tensão no lado CC e detecção de falha

de dead-time.

4 O dead-time corresponde ao tempo de espera para que se possa enviar o sinal de fecho a um IGBT de

um braço, após o outro IGBT do mesmo braço ter recebido o sinal de abertura. Este tempo de espera, em

que ambos os IGBT's do mesmo braço estão abertos, é necessário respeitar, porque o fecho e a abertura

dos IGBT's não é instantânea. Caso contrário não se respeite este tempo, pode acontecer de estarem os

dois IGBT's fechados ao mesmo tempo.



Figura 5.25 – Placa de circuito de detecção de erros desenvolvida.

5.3.8. Circuito do Conversor Digital Analógico

Como o microcontrolador PIC escolhido não possui nenhum DAC, foi construído

um circuito externo com um DAC712P, que possui uma saída analógica com limites de

-10 V e +10 V, e uma entrada digital de 16 bits, para permitir visualizar o

comportamento das variáveis internas do microcontrolador PIC. A esta placa também

foi adicionado um botão de pressão para a inicialização do Sistema de Carregamento e

led's para indicar o estado do mesmo. Na Figura 5.26 está representada a placa de

circuito impresso desenvolvida para este circuito.

Figura 5.26 – Circuito externo do DAC712P.

5.3.9. LCD

Para permitir visualizar as principais variáveis associadas ao Sistema de

Carregamento foi associado, externamente ao microcontrolador, um LCD. Assim,

através do software específico para controlar o LCD é possível acompanhar o estado do

Sistema de Carregamento, nomeadamente, valores de tensão e de corrente à entrada do

conversor, e no banco de baterias. O LCD utilizado está apresentado na Figura 5.27.

Entradas

Saídas Enable Reset

DAC712P

Entradas

Saída e alimentação

Led's e botão



Figura 5.27 – LCD utilizado para visualizar o estado de carregamento das baterias.

5.4. Conclusão

Ao longo deste capítulo foi descrita a implementação do Sistema Inteligente de

Carregamento de Baterias, nomeadamente, o circuito de potência e o circuito de

comando. Para ambos, foram apresentados e descritos todos os circuitos a eles

associados. Na Figura 5.28 é apresentada uma fotografia com a versão final do Sistema

Inteligente de Carregamento de Baterias desenvolvido. Como se pode verificar é

constituído por dois andares, correspondentes ao circuito de potência e ao circuito de

comando.

Figura 5.28 – Versão final do Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias desenvolvido.

Circuito de comando

Circuito de potência



Após o término da descrição da implementação do Sistema Inteligente de

Carregamento de Baterias, pode-se concluir, que para a execução deste é necessário ter

conhecimento em várias áreas da electrónica como por exemplo, Electrónica de

Potência, desenvolvimento de placas de circuito impresso, Instrumentação e

Programação de Microcontroladores, de modo a que se possa desenvolver com sucesso

um Sistema de Carregamento com as características do apresentado.


CAPÍTULO 6

Resultados Experimentais do Sistema de Carregamento de

Baterias

6.1. Introdução

Neste capítulo são apresentados os resultados experimentais obtidos durante o

funcionamento do Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias implementado no

âmbito desta Dissertação. Numa primeira fase são apresentados os resultados obtidos

com o Sistema de Carregamento a fornecer energia para uma resistência de potência,

com um único estágio de tensão constante. Com este teste pretendeu-se provar que o

Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias funciona como previsto, e ao mesmo

tempo, poder verificar as suas vantagens. Numa segunda fase, procedeu-se à

implementação prática das simulações efectuadas no Capítulo 4 com o hardware

descrito no Capítulo 5. Estes testes foram efectuados com um banco de baterias de

chumbo-ácido com 48 V e 44 A. Para todas as implementações, a alimentação do

Sistema de Carregamento foi feita com 30 V, recorrendo ao Variac apresentado na

Figura 6.1.

Figura 6.1 – Variac utilizado nos testes do Sistema de Carregamento.

6.2. Princípio de Funcionamento e Validação do Sistema Inteligente

de Carregamento de Baterias

Com este teste, levado a cabo numa primeira fase do desenvolvimento do Sistema

Inteligente de Carregamento de Baterias, pretendeu-se comprovar a sua funcionalidade,

e ao mesmo tempo, poder analisar as vantagens que se obtêm com a teoria de controlo

proposta no Capítulo 3. Assim, através do Variac foi imposto no lado CA uma tensão de

30 V, e para o lado CC foi imposta uma referência de tensão de 50 V. Em vez do banco

de baterias foi utilizada uma resistência de potência de 50 Ω. Os sinais apresentados

Capítulo 6 – Resultados Experimentais do Sistema de Carregamento de Baterias


foram obtidos utilizando os equipamentos Fluke 124 Industrial Scoopmeter e Yokogawa

DL 708E.

Na Figura 6.2 está representada a tensão (ve) e a corrente (ie) no lado CA quando

os IGBT’s do Sistema de Carregamento não estão a comutar, ou seja, são os sinais

típicos de um conversor CA-CC a diodos com filtro capacitivo no lado CC, e como se

pode verificar a tensão é sinusoidal, mas a corrente não. Por outro lado, na Figura 6.3

está representada a tensão (ve) e a corrente (ie) no lado CA quando os IGBT’s do

Sistema de Carregamento estão a comutar. Devido ao algoritmo de controlo, a corrente

passa a ser sinusoidal e em fase com a tensão. Estes sinais foram obtidos através da

placa de condicionamento de sinais e por isso estão afectados da amplitude.

Figura 6.2 – Tensão (ve) e corrente (ie) no lado CA quando os IGBT’s do Sistema de Carregamento não

estão a comutar.

Figura 6.3 – Tensão (ve) e corrente (ie) no lado CA quando os IGBT’s do Sistema de Carregamento estão

a comutar.

(ve)

(ie)

(ve)

(ie)



Na Figura 6.4 está apresentado o gráfico com a representação dos principais

harmónicos da corrente no lado CA e o valor da THD total dessa corrente (65,4 %)

quando o Sistema de Carregamento não está a funcionar, ou seja, referente à corrente

representada na Figura 6.2. Por outro lado, no gráfico da Figura 6.5 estão apresentados

os principais harmónicos da corrente no lado CA e o valor da THD total (6.9 %),

quando o Sistema de Carregamento está a funcionar, ou seja, referente à corrente

representada na Figura 6.3. Através da análise da THD da corrente no lado CA, para

ambas as situações, verifica-se que existe uma melhoria quase 60 %, contribuindo assim

para a Qualidade da Energia Eléctrica de forma bem significativa.

Figura 6.4 – Gráfico com os principais harmónicos da corrente no lado CA e o valor da THD total dessa

corrente, quando o Sistema de Carregamento não está a funcionar.

Figura 6.5 – Gráfico com os principais harmónicos da corrente no lado CA e o valor da THD total dessa

corrente, quando os IGBT’s do Sistema de Carregamento estão a comutar.



Na Figura 6.6 está apresentado o instante em que o Sistema de Carregamento

entra em funcionamento. Como se pode verificar, assim que ocorre a transição, a

corrente (ie) no lado CA fica logo sinusoidal e em fase com a tensão (ve) do lado CA.

Após o transitório, a corrente (ie) eleva-se um pouco de modo a poder carregar o

condensador do lado CC com o valor da tensão de referência. Quando essa tensão (vs)

fica estabilizada, a corrente no lado CA também fica estabilizada. Na Figura 6.7 estão

apresentados os mesmos sinais, mas numa escala de tempo maior, e na Figura 6.8 estão

representados estes sinais, mas com a corrente de referência para o lado CA (iref)

também apresentada.

Figura 6.6 – Tensão (ve) e corrente (ie) no lado CA, e tensão (vs) no lado CC, no transitório em que os

IGBT’s do Sistema de Carregamento começam a comutar.

Figura 6.7 – Tensão e corrente no lado CA, e tensão no lado CC, no mesmo transitório, numa escala de

tempo maior.

Tensão ve

Corrente ie depois das comutações Corrente ie antes das comutações

Tensão vs depois

das comutações Tensão vs antes

das comutações





Figura 6.8 – Tensão e corrente no lado CA, tensão no lado CC e corrente de referência (iref) para o lado

CA, no mesmo transitório.

6.3. Carregamento de um Banco de Baterias de Chumbo-Ácido com

48 V e 44 Ah

Para o carregamento do banco de baterias apresentado no Capítulo 5, foram

implementados os algoritmos de carregamento com tensão constante, carregamento com

corrente constante e carregamento com corrente constante seguida de tensão constante.

De seguida, para cada algoritmo de carregamento são apresentados e comentados os

resultados obtidos. Os sinais apresentados foram obtidos utilizando o osciloscópio

Yokogawa DL 708E.

6.3.1. Carregamento do Banco de Baterias com Algoritmo de Tensão

Constante

Este algoritmo de carregamento consiste em aplicar ao banco de baterias tensão

constante de valor igual a 55 V e deixar que a corrente de carregamento seja imposta

pelas características das baterias. Os 55 V correspondem a uma tensão de 13,75 V em

cada bateria, que diz respeito a uma tensão de cerca de 15 % superior à tensão nominal

de cada bateria.

Na Figura 6.9 está representado o gráfico com a evolução da tensão do banco de

baterias ao longo do tempo. Como se pode verificar a tensão não atinge de imediato os

55 V, porém, com o passar do tempo essa referência é atingida. O gráfico com a

evolução da corrente de carregamento ao longo do tempo está apresentado na Figura

6.10. A corrente inicial de carregamento é de 1,6 A e na parte final do carregamento é

de cerca de 0,6 A. O tempo total de carregamento das baterias foi de nove horas. Estes

gráficos foram obtidos, registando a cada 5 minutos, os valores da tensão e da corrente

no software Excel.

(iref)



Figura 6.9 – Tensão no banco de baterias, ao longo de todo o tempo de carregamento, com tensão

constante de valor 55 V.

Figura 6.10 – Corrente de carregamento do banco de baterias, ao longo de todo o tempo de carregamento,

com tensão constante de valor 55 V.

Na Figura 6.11 estão apresentados os sinais da tensão (ve) e da corrente (ie) no

lado CA, a corrente de referência (iref) para o lado CA e a tensão (vs) do lado CC. Os

sinais foram obtidos através da placa de condicionamento de sinais e por isso estão

afectados da amplitude. Os sinais apresentados na Figura 6.11 foram obtidos na fase

inicial do carregamento e os sinais apresentados na Figura 6.12 foram obtidos na fase

final do carregamento.



Figura 6.11 – Sinais da tensão (ve) e da corrente (ie) do lado CA, corrente de referência (iref) para o lado

CA e tensão do lado CC (vs) na fase inicial do carregamento.


CA e tensão do lado CC (vs) na fase final do carregamento.

6.3.2. Carregamento do Banco de Baterias com Algoritmo de Corrente

Constante

Este algoritmo de carregamento consiste em aplicar ao banco de baterias corrente

constante e deixar que a tensão no banco de baterias aumente até ao limite imposto por

software. A corrente de carregamento foi de 1,2 A e a tensão inicial do banco de

baterias era de 47 V.


baterias ao longo do tempo. Como se pode verificar a tensão aumenta sempre ao longo

de todo o processo de carregamento, conforme pretendido. O gráfico com a evolução da

(vs) (ve) (ie) (iref)

(vs) (ve) (ie) (iref)



corrente de carregamento ao longo do tempo está apresentado na Figura 6.14. A

corrente de carregamento é de 1,2 A e permanece praticamente constante ao longo de

todo o processo de carregamento. O tempo total de carregamento das baterias foi de dez

horas. Estes gráficos foram obtidos, registando a cada 5 minutos, os valores da tensão e

da corrente no software Excel.

Figura 6.13 – Tensão no banco de baterias, ao longo de todo o tempo de carregamento, com corrente

constante de valor 1,2 A.

Figura 6.14 – Corrente de carregamento do banco de baterias, ao longo de todo o tempo de carregamento,

com corrente constante de valor 1,2 A.

Na Figura 6.15 estão apresentados os sinais da tensão (ve) e da corrente (ie) do



afectados da amplitude. Os sinais apresentados na Figura 6.15 foram obtidos na fase

inicial do carregamento e os sinais apresentados na Figura 6.16 foram obtidos na fase

final do carregamento.




CA e tensão (vs) do lado CC na fase inicial do carregamento.


CA e tensão do lado CC (vs) na fase final do carregamento.

6.3.3. Carregamento do Banco de Baterias com Algoritmo de Corrente

Constante Seguido de Tensão Constante

Este algoritmo de carregamento consiste em aplicar ao banco de baterias, um

primeiro estágio de corrente constante, de valor igual a 1,2 A, e deixar que a tensão

aumente até ao limite imposto por software, que neste caso específico é de 55 V.

Quando este limite de tensão é detectado pelo algoritmo de controlo, o primeiro estágio

é cancelado e passa a ser imposto o segundo estágio. Neste segundo estágio é mantida

tensão constante, de valor igual a 55 V, e a corrente de carregamento passa a ser

determinada pelas características do banco de baterias. Neste estágio, a corrente decai

progressivamente até atingir o fim do carregamento. Com este algoritmo de

carregamento pretende-se carregar as baterias de forma mais eficiente.

(iref) (ie) (ve) (vs)

(iref) (ie)

(ve) (vs)




baterias ao longo de todo o tempo de carregamento. Como se pode verificar, no

primeiro estágio a tensão aumenta até atingir os 55 V, e depois, com a imposição do

segundo estágio, essa tensão permanece constante até ao final do carregamento. O

gráfico com a evolução da corrente de carregamento, ao longo de todo o tempo de

carregamento, está apresentado na Figura 6.18. Como se pode analisar neste gráfico, a

corrente de carregamento no primeiro estágio é de 1,2 A, e no segundo estágio, fruto da

imposição do estágio de tensão constante, decai de 1,2 A para cerca de 0,6 A. O tempo

total de carregamento das baterias foi de dez horas. Estes gráficos foram obtidos,

registando a cada 5 minutos, os valores da tensão e da corrente no software Excel.

Figura 6.17 – Tensão no banco de baterias ao longo de todo o tempo de carregamento, com um primeiro

estágio de corrente constante de valor 1,2 A, seguido de um estágio de tensão constante de valor 55 V.

Figura 6.18 – Corrente de carregamento do banco de baterias ao longo de todo o tempo de carregamento,

com um primeiro estágio de corrente constante de valor 1,2 A, seguido de um estágio de tensão constante

de valor 55 V.



Na Figura 6.19 estão apresentados os sinais da tensão (ve) e da corrente (ie) do



afectados da amplitude. A tensão no lado CC e a corrente de referência para o lado CA

correspondem aos valores reais. Os sinais apresentados na Figura 6.19 foram obtidos na

fase inicial do carregamento e os sinais apresentados na Figura 6.20 foram obtidos na

fase final do carregamento. O processo de transição entre estágios não foi possível

detectar através do osciloscópio, sendo apenas perceptível nos valores de tensão e de

corrente medidos e na indicação através um diodo LED.


CA e tensão (vs) do lado CC na fase inicial do carregamento, ou seja, no estágio de corrente constante.


CA e tensão (vs) do lado CC na fase final do carregamento, ou seja, no estágio de tensão constante.

(ve) (vs)

(ie) (iref)

(vs) (ie) (ve) (iref)



6.4. Descarregamento de um Banco de Baterias de Chumbo-Ácido

com 48 V e 44 Ah

Para o descarregamento do banco de baterias apresentado no Capítulo 5 foi

utilizado o algoritmo que controla o descarregamento directamente para uma carga CC

através da tensão do banco de baterias e o algoritmo de corrente sinusoidal no lado CA.

De seguida, para cada algoritmo de carregamento são apresentados e comentados os

resultados obtidos. Os sinais apresentados foram obtidos utilizando o osciloscópio

Yokogawa DL 708E.

6.4.1. Descarregamento do Banco de Baterias Directamente para uma

Carga CC com Algoritmo de Controlo da Tensão das Baterias

Para descarregar este banco de baterias directamente para uma carga CC foi

utilizada a resistência de potência apresentada na Figura 6.21. O descarregamento do

banco de baterias foi efectuado através do algoritmo de controlo da tensão no mesmo,

sendo que o limite mínimo de tensão foi 44 V, correspondente a cerca de 11 V em cada

bateria.

Figura 6.21 – Resistência de potência utilizada para o descarregamento do banco de baterias.

6.4.2. Descarregamento do Banco de Baterias com Algoritmo de Corrente

Sinusoidal no Lado CA

O descarregamento do banco de baterias através deste algoritmo consiste em

devolver a energia armazenada nas baterias para a rede eléctrica. Neste sentido é

necessário que a corrente no lado CA seja sinusoidal e em oposição com a tensão do

lado CA. Para este caso específico, a corrente no lado CA foi de 2 A. Também neste

algoritmo a tensão no banco de baterias é controlada, de modo a que não seja inferior a

44 V, correspondente a cerca de 11 V em cada bateria.

Na Figura 6.22 está apresentada a corrente (ie) do lado CA. Como se pode

verificar esta corrente é sinusoidal, comprovando que o conversor funciona bem como

CC-CA. Na Figura 6.23 estão apresentados os sinais da tensão (ve) e da corrente (ie) do


mesmos sinais estão apresentados na Figura 6.24, no entanto, neste caso, sem a corrente

de referência para o lado CA. Os sinais da tensão e da corrente no lado CA foram

obtidos através da placa de condicionamento de sinais, por isso estão afectados da



amplitude. A tensão no lado CC e a corrente de referência para o lado CA correspondem

aos valores reais.

Com se pode constatar pela Figura 6.23 e pela Figura 6.24 a corrente e a tensão no

lado CA estão em oposição de fase, significando que a energia armazenada no banco de

baterias está a ser devolvida à rede eléctrica.

Figura 6.22 – Corrente do lado CA quando o banco de baterias está a devolver a energia armazenada à

rede eléctrica.


CA e tensão (vs) do lado CC, quando o banco de baterias está a devolver a energia armazenada à rede

eléctrica.

Corrente (ie) no lado CA

(ve) (vs)

(ie)

(iref)



Figura 6.24 – Sinais da tensão (ve) e da corrente (ie) do lado CA, e tensão (vs) do lado CC, quando o

banco de baterias está a devolver a energia armazenada à rede eléctrica.

6.5. Conclusão

Numa primeira fase deste capítulo, foram apresentados os resultados

experimentais obtidos para o Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias

desenvolvido no âmbito desta Dissertação, durante o carregamento de um banco de

baterias de chumbo-ácido com 48 V e 44 Ah, com três algoritmos de carregamento

distintos, nomeadamente, algoritmo de tensão constante, algoritmo de corrente

constante e algoritmo de corrente constante seguida de tensão constante. Estes

algoritmos permitem estágios de tensão ou corrente constante, e também mantêm a

corrente no lado CA sinusoidal e com factor de potência unitário. Assim consegue-se

obter a imprescindível preservação da vida útil das baterias. De acordo com os

resultados obtidos, pode-se concluir que o Sistema de Carregamento consegue impor os

diferentes estágios necessários ao carregamento do banco de baterias, quer seja de

tensão ou de corrente constante. Conforme previsto, os resultados práticos obtidos estão

em concordância com os resultados das simulações computacionais apresentadas no

Capítulo 4. Com estes algoritmos de carregamento ficou provado que se conseguem

obter melhorias, bastante significativas quanto ao método correcto do carregamento do

banco de baterias, e quanto à da Qualidade da Energia Eléctrica, devido ao consumo de

corrente sinusoidal e em fase com a tensão do lado CA.

Numa segunda fase foram apresentados os resultados experimentais obtidos

durante o descarregamento do mesmo banco de baterias com dois algoritmos de

descarregamento distintos, nomeadamente, algoritmo de controlo da tensão do banco de

baterias e algoritmo de corrente sinusoidal no lado CA. O primeiro algoritmo consistiu

em descarregar o banco de baterias directamente para uma resistência de potência



controlando a tensão do banco de baterias até que o mesmo ficasse totalmente

descarregado. Com o segundo algoritmo ficou provado que é possível devolver a

energia armazenada no banco de baterias à rede eléctrica mediante condições

específicas. Para este algoritmo é necessário que o conversor actue como CC-CA e que

a corrente de descarregamento seja controlada, assim como a tensão no banco de

baterias, de forma a determinar o término do descarregamento. O fim deste também

pode ser determinado pelo tempo de utilização, ou seja, o banco de baterias pode ser

descarregado somente por um período de tempo, mas sempre controlando a tensão no

mesmo.


CAPÍTULO 7

Conclusões e Sugestões de Trabalho Futuro

7.1. Conclusões

Nesta Dissertação foi apresentado e descrito um Sistema Inteligente de

Carregamento de Baterias que visa atender às necessidades actuais e futuras dos

veículos híbridos e eléctricos, sem descurar o Sistema Eléctrico Nacional,

principalmente no que diz respeito à Qualidade da Energia Eléctrica. Com o Sistema de

Carregamento proposto, provou-se, através de resultados experimentais, que o mesmo

consegue impor diferentes algoritmos de carregamento, visando principalmente,

prolongar ao máximo a vida útil das baterias.

Assim, para a elaboração do Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias foi

imprescindível a pesquisa sobre as diferentes tecnologias de baterias. Após esta

pesquisa, apresentada no Capítulo 2, conclui-se que apesar dos inconvenientes que as

baterias ainda apresentam, como a energia por unidade de volume, a energia por

unidade de peso, o número de ciclos ou a vida útil, a Humanidade está cada vez mais

depende destas, tanto para pequenos como para grandes equipamentos, com especial

destaque para a crescente aposta nos veículos híbridos e eléctricos. Nesta vertente,

actualmente, já existem bastantes modelos de baterias específicas para veículos híbridos

e eléctricos.

Inerente à pesquisa das diferentes tecnologias de baterias, no Capitulo 3 foi

realizado um estudo sobre os diferentes algoritmos de carregamento que podem ser

implementados de acordo com as diferentes tecnologias de baterias. Deste estudo

conclui-se que existem tecnologias de baterias que necessitam de algoritmos de

carregamento específicos, como por exemplo baterias à base de lítio, e tecnologias que

permitem uma larga variedade de algoritmos de carregamento, como por exemplo,

baterias à base de chumbo. Também neste capítulo foi efectuado um estudo sobre

diferentes conversores electrónicos capazes de efectuar o carregamento de baterias, no

entanto, nem todos são vantajosos para as baterias e para a Qualidade da Energia

Eléctrica, ou porque não permitem o controlo da tensão e da corrente de carregamento,

ou porque a corrente no lado CA não é sinusoidal ou o factor de potência não é unitário.

Assim, foi apresentado o Sistema de Carregamento Inteligente de Baterias que através

de algoritmos específicos, permite o carregamento das baterias com diferentes estágios

de tensão ou corrente constante, e ao mesmo tempo, possibilita que a corrente no lado

CA seja sinusoidal e o factor de potência unitário. Por outro lado, mediante os

algoritmos de descarregamento apresentados, o mesmo Sistema permite o

funcionamento no modo CC-CA, ou seja, que a energia armazenada nas baterias possa

ser devolvida à rede eléctrica.

Capítulo 7 – Conclusões e Sugestões de Trabalho Futuro


Após a apresentação do Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias, no

Capítulo 4 foi ilustrado o princípio de funcionamento do mesmo no programa de

simulações PSCAD. Com este modelo de simulação, que visou todos os pormenores

inerentes ao Sistema de Carregamento, ficou comprovado, através dos resultados

obtidos, que o funcionamento deste correspondia ao esperado e proposto no Capítulo 3.

Deste modo, observou-se que o Sistema de Carregamento pode fornecer tensão ou

corrente constante às baterias, manter sinusoidal a corrente no lado CA e manter

unitário o factor de potência. Também neste modelo de simulação comprovou-se o

funcionamento do conversor no modo CC-CA, ou seja, quando a energia armazenada

nas baterias é devolvida à rede eléctrica.

No Capítulo 5 foi feita a descrição da implementação de todo o do Sistema

Inteligente de Carregamento de Baterias, em que foram abordadas as características e

funções de todo o circuito de potência, assim como de todo o circuito de comando.

Por fim, após o estudo recorrendo ao modelo de simulação apresentado no

Capítulo 4 e à implementação do Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias

descrita no Capítulo 5, no Capítulo 6 foram efectuados diferentes testes com um banco

de baterias de chumbo-ácido com 48 V e 44 Ah. Estes testes consistiram em

implementar três algoritmos de carregamento distintos, nomeadamente, carregamento

com algoritmo de tensão constante, carregamento com algoritmo de corrente constante e

carregamento com algoritmo de corrente constante seguida de tensão constante.

Também neste capítulo foram efectuados dois testes de descarregamento das baterias,

que consistiram em descarregar directamente para uma resistência de potência e

devolvendo a energia armazenada nas baterias à rede eléctrica, comprovando assim, que

o Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias pode funcionar de forma

bidireccional. Com os resultados experimentais obtidos durante o funcionamento do

Sistema de Carregamento comprovou-se que o mesmo funciona de forma eficaz e

eficiente, permitindo carregar as baterias com tensão ou corrente constante, e manter

sinusoidal a corrente no lado CA e o factor de potência unitário. Para o modo de CC-

CA, o Sistema desenvolvido permite devolver à rede eléctrica a energia armazenada nas

baterias, isto é, a corrente no lado CA está em oposição de fase com a tensão do mesmo

lado.

7.2. Trabalho Futuro

Com os resultados obtidos nesta Dissertação, pode-se concluir que o Sistema

Inteligente de Carregamento de Baterias funciona de forma adequada. Todavia, com

este mesmo equipamento, de futuro, outros testes devem ser levados a cabo, como por

exemplo, analisar o comportamento deste a carregar um banco de baterias de um

veículo híbrido ou eléctrico, ou a carregar um banco de baterias de outra tecnologia, tal

como de lítio, uma vez que o mesmo só foi testado a carregar um banco de baterias de

chumbo-ácido com 48 V e 44 Ah. Deste modo, poder-se-á analisar de forma mais

Capítulo 7 – Conclusões e Sugestões de Trabalho Futuro


pormenorizada as características do Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias e

provavelmente fazer ajustes e melhoramentos.

No que concerne ao Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias visando

uma solução industrial de futuro, será importante reduzir ao volume total deste

equipamento, e para tal, o circuito de comando poderá ser implementado numa única

placa de circuito impresso, e caso se justifique, o microcontrolador PIC poderá ser

substituído por um DSP. O circuito de pré-carga do condensador do lado CC pode ser

eliminado se o condensador passar a ser carregado através das baterias, ou então, o

circuito de pré-carga pode ser substituído por outro com dimensões mais reduzidas.

Dependendo dos valores de temperatura obtidos aquando dos testes a implementar,

poderá ser necessário substituir o dissipador actual por outro com maior capacidade.

Neste sentido, será útil fazer um estudo para a redução dos custos inerentes ao Sistema

de Carregamento desenvolvido.

Noutra perspectiva, seria interessante implementar um sistema de detecção do tipo

de baterias através de algum meio de comunicação, como por exemplo bluetooth, que

permitisse a análise das mesmas, quer da tecnologia, quer dos níveis de tensão e de

capacidade de armazenamento, e tendo em conta o tempo total ou parcial de

carregamento disponível pelo utilizador, procederia da forma mais adequada, impondo o

melhor algoritmo de carregamento, visando preservar a vida útil das baterias.


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