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UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC
UFABC
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO MESTRADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
Wberney Sanchez Echeverri
TECNOLOGIAS RELACIONADAS AOS VEÍCULOS ELÉTRICOS E PROPOSTA DE UM MODELO DE
CARREGADOR PARA USO EM REDES DE DISTRIBUIÇÃO
Santo André - SP 2014
Wberney Sánchez Echeverri
TECNOLOGIAS RELACIONADAS AOS VEÍCULOS
ELÉTRICOS E PROPOSTA DE UM MODELO DE CARREGADOR PARA USO EM REDES DE DISTRIBUIÇÃO
Orientador: Prof. Dr. Thales Sousa
Santo André - SP 2014
Texto de dissertação submetido à banca examinadora designada pela Universidade Federal do ABC - UFABC, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Mestre em Engenharia Elétrica.
Dedico este trabalho a meus
Pais Luis Antonio e Sonia Amanda,
minha Irmã Diana Marcela e meu
bonito sobrinho Evan.
Agradecimentos
Agradeço a Deus pela força, paciência e por nunca desistir de mim. A meus Pais e
minha Irmã, por o apoio, compreensão, e sobre tudo por a paciência nos momentos mais
difíceis mesmo estando longe. A familiares e amigos que fiz na UFABC que de maneira
direta ou indireta contribuiriam na minha formação.
De forma especial agradeço ao meu orientador Professor Doutor Thales Sousa pela
oportunidade que tem me proporcionado.
Agradeço a toda a equipe de pesquisadores amigos do Laboratório de Pós-Graduação
em Engenharia Elétrica e a todos os professores da Pós-Graduação que contribuiriam para
esta realização.
Agradeço à UFABC pelo apoio financeiro, pois sem o mesmo talvez fosse impossível
a realização deste trabalho.
Resumo
O mundo vem buscando diferentes tecnologias que mitiguem a possibilidade de uma
crise energética, em função de uma demanda crescente de energia e uma crise ambiental,
resultante das emissões de poluentes advinda das fontes de energia atualmente utilizadas. O
desenvolvimento de novas tecnologias, como por exemplo, os meios de transporte elétricos
recarregáveis, contribuem para que esses problemas sejam mitigados, colaborando para a
minimização dos problemas energéticos e ambientais. Nesse sentido, o presente trabalho
propõe o estudo dos veículos elétricos, enfatizando as diferentes classificações dos mesmos,
dependendo de como a energia elétrica e a energia de combustão são integradas. São
apresentadas também, as tecnologias de geração de energia mais promissoras para o aumento
de autonomia de condução, bem como as formas de armazenamento da energia e como os
veículos elétricos são alimentados. Adicionalmente, são indicados os impactos dos veículos
elétricos na rede de distribuição, os impactos ao ambiente e os impactos econômicos. Por
último, é proposta uma modelagem de um carregador de baterias bidirecional para um veículo
elétrico que possa obter e fornecer energia da rede de distribuição para carregar e descarregar
baterias de Lition-Ion. O carregador é composto por um conversor CA/CC Full-Bridge com
propriedades de correção de fator de potência e um conversor CC/CC Full-Bridge com
isolamento em alta frequência.
Palavras Chave: Veículos Elétricos, Carregador de baterias, Conversor Full-Bridge,
Conversor Full-Bridge Isolado, Bidirecional.
Abstract
The world has been searching different sorts of technology to mitigate any energetic
crises in function in a growing demand of energy, resulting by generation of pollutants from
the actual energy source uses. Developments of new technology application as electric
transport with rechargeable cell are actually trends to mitigate these problems, cooperating to
reduce energetic and environmental issues. In order, the present work proposes a two electric
vehicles study, emphasizing the different classification of each other, depending on how
electric and combustion energies are integrated. Different promising technological trend are
presented to enhance the driving autonomy from the vehicles as the different ways to storage
of energy and fuel feeding methods. Otherwise, the impacts on distribution network,
environmental impacts and economic impacts are defined. Finally, a model of
a bidirectional battery charger is proposed for an electric vehicle that achieves to obtain
energy from network distribution system and provide them as well to charged and des-
charged Lithium-Ion batteries
. The charger will consist of a bidirectional converter CA/CC
Full-bridge with factor-power correction properties and a bidirectional converter CC/CC full-
bridge and with high-frequency isolation.
Key-words: Battery Charger, Bidirectional, Electrical Vehicle, Full-Bridge Converter,
Full-Bridge Isolated Converter.
Sumário
Lista de Figuras ............................................................................................... 10
Lista de Tabelas ............................................................................................... 12
Lista de abreviaturas e siglas .......................................................................... 13
Lista de símbolos ............................................................................................. 15
1. Introdução .................................................................................................. 19
1.1 Objetivos do Trabalho .............................................................................................. 20
1.2 Estrutura do Trabalho .............................................................................................. 20
2. Classificação dos veículos elétricos ........................................................... 22
2.1 Veículos Elétricos Híbridos ...................................................................................... 22
2.1.1 Configurações Básicas dos HEV ..................................................................................... 23
2.1.1.1 Veículo Elétrico Híbrido - Configuração em Série ................................................ 23
2.1.1.2 Veículo Elétrico Híbrido com Configuração em Paralelo ..................................... 24
2.1.1.3 Veículo Elétrico Híbrido com Configuração Série – Paralelo ............................... 26
2.1.2 Grau de Hibridação dos HEV ......................................................................................... 27
2.1.2.1 Veículos Elétricos Micro – Híbridos ...................................................................... 28
2.1.2.2 Veículos Elétricos Meio – Híbridos ........................................................................ 29
2.1.2.3 Veículos Elétricos Totalmente – Híbridos .............................................................. 29
2.1.2.4 Veículo Elétrico Híbrido Plug-in ............................................................................ 30
2.2 Veículos Elétricos Puros .......................................................................................... 31
2.2.1 Veículo Elétrico de Bateria ............................................................................................. 31
2.2.2 Veículo Elétrico de Pilha de Combustível ....................................................................... 32
3. Fontes de energia em veículos elétricos .................................................... 33
3.1 Tecnologias de geração de energia. ......................................................................... 33
3.1.1 Painéis Fotovoltaicos ...................................................................................................... 33
3.1.2 Gerador Termoelétrico Automotivo ................................................................................ 33
3.1.3 Células de Combustível (FC) .......................................................................................... 34
3.1.4 Frenagem Regenerativa .................................................................................................. 36
3.2 Tecnologias de Armazenamento de Energia ............................................................ 37
3.2.1 Baterias ........................................................................................................................... 37
3.2.2 Ultra – capacitores .......................................................................................................... 38
3.2.3 Armazenamento de Energia com Bateria Eletromecânica .............................................. 39
3.2.4 Hidrogênio ....................................................................................................................... 39
3.3 Tecnologias de Alimentação ..................................................................................... 40
3.3.1 Nível 1 de Carga .............................................................................................................. 41
3.3.2 Nível 2 de Carga .............................................................................................................. 42
3.3.3 Nível 3 de Carga .............................................................................................................. 42
3.3.4 Troca de Bateria .............................................................................................................. 42
4. Impactos dos veículos elétricos .................................................................. 43
4.1 Impactos à Rede Elétrica .......................................................................................... 43
4.2 Impactos ao Ambiente .............................................................................................. 44
4.3 Impactos Econômicos ............................................................................................... 44
4.4 Impactos no Armazenamento de Energia Proveniente de Geração Distribuída
Intermitente ........................................................................................................................... 45
5. Carregadores de baterias para veículos elétricos ..................................... 46
5.1 Carregadores de Baterias Unidirecionais ............................................................... 48
5.2 Carregadores de Baterias Bidirecionais .................................................................. 52
5.3 Carregadores Integrados ......................................................................................... 57
5.4 Modelagem Proposta ................................................................................................ 58
5.4.1 Estágio CA/CC e CC/CA ................................................................................................. 59
5.4.1.1 Modo Retificação CA/CC ....................................................................................... 62
5.4.1.1.1. Determinação do indutor Boost ........................................................................ 66
5.4.1.1.2. Determinação do Capacitor CLinkcc 67 ...................................................................
5.4.1.2 Modo Inversão CC/CA............................................................................................ 67
5.4.1.1.3. Determinação do Indutor Buck ......................................................................... 71
5.4.2 Estágio CC/CC ................................................................................................................ 71
5.4.2.1 Modo de Carregamento (V2G) ............................................................................... 75
5.4.2.2 Modo Geração (G2V) ............................................................................................. 75
5.4.3 Método de carregamento das baterias de Lition-Ion ...................................................... 76
6. Especificações do modelo e simulações .................................................... 78
6.1 Especificações do modelo ......................................................................................... 78
6.1.1 Estágio CA/CC – CC/CA ................................................................................................. 80
6.1.1.1 Dimensionamento do Indutor Ls 80no modo Boost ....................................................
6.1.1.2 Determinação do capacitor Clinkcc 81 no modo Boost .................................................
6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor Ls 81 no modo Buck .....................................................
6.1.2 Estágio CC/CC ................................................................................................................ 82
6.2 Controle proposto ..................................................................................................... 83
6.2.1 Controle do estágio CA/CC ............................................................................................. 83
6.2.2 Controle do estágio CC/CA ............................................................................................. 84
6.2.3 Controle do estágio CC/CC ............................................................................................. 84
6.3 Simulações e resultados ........................................................................................... 85
6.3.1 Simulações no modo carregamento (G2V) ...................................................................... 88
6.3.2 Simulações no modo descarregamento (V2G) ................................................................ 92
7. Conclusões .................................................................................................. 95
8. Sugestões para trabalhos futuros .............................................................. 97
9. Referências ................................................................................................. 98
Lista de Figuras
Figura 1 - Configuração série de um veículo elétrico híbrido ________________________________ 23
Figura 2 - Configuração paralelo de um veículo elétrico híbrido ____________________________ 24
Figura 3 - Configuração série-paralelo de um veículo elétrico hibrido ______________________ 26
Figura 4 - Veículo elétrico meio – híbrido _____________________________________________________ 29
Figura 5 - Arquitetura do veículo elétrico híbrido Plug-in ___________________________________ 30
Figura 6 - Veículo elétrico de bateria _________________________________________________________ 32
Figura 7 – Funcionamento pila de combustível ______________________________________________ 34
Figura 8 – Fluxo de potência entre a rede elétrica e as baterias dos EV ____________________ 47
Figura 9 - Topologia geral dos carreadores On/Off Board para EV _________________________ 47
Figura 10 - Carregador básico de baterias ___________________________________________________ 49
Figura 11 - Conversor Buck ____________________________________________________________________ 49
Figura 12 - Topologia de UBC com conversor Boost _________________________________________ 50
Figura 13 - Carregador controlado com dois estágios _______________________________________ 50
Figura 14 - Topologias de conversores para UBCs ___________________________________________ 52
Figura 15 - Topologia de um BBC Trifásico ___________________________________________________ 53
Figura 16 - Topologias de BBCs para EV ______________________________________________________ 54
Figura 17 - Estrutura típica de carregador integrado para PEV ____________________________ 57
Figura 18 - Inserção dos PEV nas redes de distribuição ______________________________________ 58
Figura 19 - Topologia de carregador bidirecional monofásico ______________________________ 59
Figura 20 - Retificador/Inversor monofásico, com trânsito de potência bidirecional. _____ 60
Figura 21 - Modos de conversão de potência – Retificação e Inversão ______________________ 61
Figura 22 – Modo retificação G2V (Grid to vehícle) __________________________________________ 62
Figura 23 - Etapas de operação do conversor no modo retificação _________________________ 63
Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _________________ 64
Figura 25 - Variação da razão cíclica em função de ωt ______________________________________ 66
Figura 26 - Corrente Parametrizada no Indutor LS 66 __________________________________________
Figura 27 - Modo inversão V2G (Vehicle to Grid) _____________________________________________ 68
Figura 28 - Etapas de operação do inversor Full-Bridge sob Modulação Bipolar __________ 68
Figura 29 - Etapas de operação do inversor Full-Bridge sob Modulação Unipolar _________ 69
Figura 30 - Circuito equivalente do conversor Buck _________________________________________ 70
Figura 31 - Curva da razão cíclica em função de ω·t _________________________________________ 70
Figura 32 - Conversor Bidirecional Isolado em Ponte Completa_____________________________ 72
Figura 33 - Modelo do Conversor sem Perdas ________________________________________________ 73
Figura 34 - Formas de onda das tensões no transformador e corrente no indutor Llk 74 _____
Figura 35 - Conversor Operando em modo carregamento (G2V) ____________________________ 75
Figura 36 - Conversor Operando em Modo Geração (V2G) __________________________________ 76
Figura 37 – Etapas de carregamento da bateria de Lition-Ión ______________________________ 77
Figura 38 – Modelo do carregador bidirecional para o EV __________________________________ 78
Figura 39 – Diagrama de blocos de PFC ______________________________________________________ 84
Figura 40 – Diagrama de Blocos para o controle do estágio CC/CC _________________________ 85
Figura 41 – Diagrama de blocos do carregador bidirecional ________________________________ 86
Figura 42 – Modelo do carregador de baterias simulado em SimPowerSystem ____________ 86
Figura 43 – Parâmetros e curvas de descarga da bateria de Lition-Ion ____________________ 87
Figura 44 – Tensão e corrente na entrada do carregador no modo G2V____________________ 88
Figura 45 – Corrente de referência e corrente de entrada ___________________________________ 89
Figura 46 – Tensão no linkcc __________________________________________________________________ 89
Figura 47 – Tensões no transformador e corrente no indutor Llk 90no modo G2V ____________
Figura 48 – Estado de carrega da bateria – SOC 30% e 60% ________________________________ 90
Figura 49 – Tensão e corrente na bateria modo G2V ________________________________________ 91
Figura 50 – Ondulação na tensão da saída ___________________________________________________ 91
Figura 51 - Estado de carrega da bateria – SOC 50% ________________________________________ 92
Figura 52 – Tensão na bateria no modo V2G _________________________________________________ 92
Figura 53 - Tensões no transformador e corrente no indutor Llk 93 no modo V2G ____________
Figura 54 – Tensão no linkcc __________________________________________________________________ 94
Figura 55 - Tensão e corrente na entrada do carregador no modo V2G ____________________ 94
Lista de Tabelas
Tabela 1 - Comparação geral de configuração híbrida série e paralela ____________________ 26
Tabela 2 - Grau de hibridação de diferentes veículos e sua economia em combustível_____ 28
Tabela 3 – Configurações e diferentes níveis de hibridação dos HEV e PHEV _______________ 31
Tabela 4 - Características das FC ______________________________________________________________ 36
Tabela 5 - Características dos principais tipos de baterias __________________________________ 38
Tabela 6 – Sistema condutivo de carga para EV de acordo a IEC-61851 ___________________ 41
Tabela 7 – Topologias e comparações dos UBCs e BBCs para EV ____________________________ 56
Tabela 8 – Especificações do carregador bidirecional _______________________________________ 79
Tabela 9 – Características típicas de um carregador bidirecional on-board _______________ 79
Tabela 10 – Considerações para o carregador bidirecional _________________________________ 80
Tabela 11 – Considerações para estagio CC/CC ______________________________________________ 82
Lista de abreviaturas e siglas
AEV All Electric Vehicle
AFC Alkaline Fuel Cell
APFC Active Power Factor Controller
ATEG Automotive Thermoelectric Generator
AUBC Active Unidirectional Battery Charger
BBC Bidirectional Battery Charger
BEV Battery Electric Vehicle
CA Corrente Alternada
CBC Conventional Battery Charger
CC Corrente Continua
DAFC Direct Alcohol Fuel Cell
DMFC Direct Metanol Fuel Cell
EPRI Electric Power Research Institute
EDLC Electric Double Layer Capacitor
ESS Storage System Electric
EV Electric Vehicle
FC Fuel Cell / Célula de Combustível
FCEV Fuel Cell Electric Vehicle
FES Flywheel Energy Storage
G2V Grid to Vehicle
GD Geração Distribuida
GHE Grau de Hibridação Elétrica
HEV Hybrid Electric Vehicle
IBC Integral Battery Charger
ICE Internal Combustion Engine
ICEV Inetrnal Combustion Engine Vehicle
IEC International Electrotechnical Commission
MCFC Molten Carbonate Fuel Cell
MCI Motor de Combustão Interna
ME Motor Elétrico
NEC National Electric Code
ONU Organização das Nações Unidas
PAFC Phosphoric Acid Fuel Cell
PEMFC Célula de Combustível a Membrana Trocadora de Protões
PF Painéis fotovoltaicos
PF Painéis Fotovoltaicos
PFC Power Factor Corrected
PEV Plug-in Electric Vehicle
PHEV Plug-in Hybrid Electric Vehicle
PLL Phase Lock Loop
SAE Society of Automotive Engineers
SOC State of the Charger
SOFC Solid Oxide Fuel Cell
UBC Unidirectional Battery Charger
UC Ultra Capacitor
V2G Vehicle to Grid
ZCS Zero Current Switching
ZEV Zero Emissions Vehicle
ZVS Zero Voltage Switching
Lista de símbolos
Símbolos Adotados nos Equacionamentos
Símbolo Descrição Unidade
𝐶𝑙𝑖𝑛𝑘𝑐𝑐 Capacitor do link CC F
𝐶𝑜 Capacitor de filtro de saída do conversor Full_Bridge Isolado F
𝐷 Razão cíclica -
𝐷𝑚𝑎𝑥 Razão cíclica máxima -
𝐷𝑚𝑖𝑛 Razão cíclica mínima -
𝑑 Razão de defasagem angular -
𝑓 Frequência da rede elétrica Hz
𝑓𝑠 Frequência de comutação Hz
𝑓𝑠𝑠 Frequência de comutação do interruptor Hz
𝐺𝐻𝐸 Grau de hibridação elétrica -
𝐼𝐿𝑠𝑝𝑖𝑐𝑜
Valor pico da corrente pelo indutor L A s
𝐼𝐿𝑠𝑟𝑚𝑠 Valor eficaz da corrente do indutor L V S
𝐼𝐿𝑠𝑚𝑎𝑥 Valor máximo de corrente que circula através do indutor A
𝑖𝐷 Corrente instantânea no diodo D A
𝐼𝐷 Corrente de pico no diodo D A 1
𝑖𝑙𝑖𝑛𝑘𝑐𝑐 Corrente instantânea do capacitor C linkcc
𝑖𝐿𝑠 Corrente instantânea no indutor L A S
𝐿𝑠 Indutor de filtro de entrada H
𝑚𝑝𝑔 Milhas por galão mpg
𝑛 Relação de transformação -
𝑃 Potência ativa fornecida pela fonte de CA W
𝑃𝑖 Potência nominal de entrada W
𝑃𝑜 Potência nominal de saída -
𝑃𝑀𝐶𝐼 Potência do motor de combustão interna W
𝑃𝑀𝐸 Potência do motor elétrico W
𝑄
Potência reativa fornecida pela fonte VAr
𝑅0 Resistencia de carga do conversor Full-bridge Ω
𝑅𝑏𝑎𝑡 Resistencia da bateria Ω
𝑇 Período de Comutação Seg
𝑡𝑜𝑛 Tempo de comutação dos interruptores Seg
𝑡𝑠 Tempo de condução nas chaves semicondutoras Seg
𝑉𝐶𝐴
Tensão de entrada CA nominal V
𝑉𝐶𝐴1 Tensão alternada no terminal do transformador do lado do
V
𝑉𝐶𝐴2 Tensão alternada no terminal do transformador do lado das
V
𝑉𝐶𝐶 Tensão do corrente continua V
𝑉𝐶𝐶𝑚𝑖𝑛 Tensão mínima de entrada V
𝑉𝑑 Queda de tensão nos diodos V
𝑉𝑑𝑒𝑠 Valor de tensão mínima na saída do conversor Full-Bridge
𝑉𝑙𝑖𝑛𝑘𝑐𝑐 Tensão nominal de saída do conversor full-bridge V
𝑉𝑙𝑖𝑛𝑘𝑐𝑐′ Tensão do linkcc V
𝑉𝑟 Tensão de entrada do conversor Full-Bridge
𝑉𝑠𝑤 Queda de tensão nas chaves semicondutoras V
𝑣𝐶𝑙𝑖𝑛𝑘𝑐𝑐 Tensão instantânea no capacitor do C V linkcc
𝑉𝑏𝑎𝑡′ Tensão da bateria refletida ao linkcc V
𝑣𝐺𝑆 Tensão de gatilho dos interruptores S1...S V 12
𝑣𝐿𝑠 Tensão instantânea no indutor L V s
%∆𝑉𝐶𝐶𝑚𝑎𝑥
Valor máximo porcentual da variação da tensão de entrada -
∆𝑣𝐶𝑙𝑖𝑛𝑘𝑐𝑐 Ondulação de tensão no capacitor do C V linkcc
%∆𝐼𝐿𝑠𝑚𝑎𝑥 Valor porcentual da variação da corrente no indutor L A S
Δ𝐼𝐿𝑠𝑚𝑎𝑥 Ondulação máxima de corrente no indutor L - S
∆𝚤𝑝 Ondulação de corrente parametrizada -
∆𝑖𝐿𝑠 Ondulação de corrente no indutor L - s
∆𝑡 Hold-up time ou tempo de sustentação da tensão -
𝛽 Ganho do conversor / Relação de tensões -
𝜂 Rendimento do conversor -
𝜑 Ângulo de deslocamento de fase º
𝜔 Frequência angular Rad/seg
Símbolos usados para referenciar elementos de circuitos
Símbolo Descrição
𝐶 Capacitor
𝐷 Diodo
𝐿 Indutor
𝑅 Resistor
𝑆 Interruptor de potência / Mosfet
𝑉𝐶𝐴 Fonte de corrente alternada
𝑉𝐶𝐶 Fonte de corrente continua
𝑇𝑟 Transformador
Símbolos de unidades de grandezas físicas
Símbolo Descrição
𝐴 Ampère
𝑉 Volt
𝑊 Watt
Ω Ohm
𝐻𝑧 Hertz
𝐻 Henrio
𝐹 Faradio
Capítulo 1
1. Introdução
O mundo tem buscado, cada vez mais, diferentes tecnologias que mitiguem a
possibilidade de uma crise energética em função de uma demanda crescente de energia e uma
crise ambiental, onde cada pessoa é parte importante do processo.
Nesse sentido, soluções otimizadas são buscadas de maneira que exista uma sinergia
entre a energia e o meio ambiente, de tal modo que se otimizem os recursos naturais e
minimizem os impactos no ambiente.
A organização das Nações Unidas (ONU) busca reduzir em 50% até 2030 a produção
de gases do efeito estufa. Além disso, busca-se também que tecnologias, como as energias
renováveis, se tornem as principais fontes de energia do mundo, acrescentando o uso da
energia renovável a nível mundial de 30%.
O desenvolvimento e melhoramento dia a dia de novas tecnologias, como os veículos
elétricos (Electric Vehicle, EV), contribuem para que os problemas de mobilidade sejam
solucionados, auxiliando na minimização dos problemas ambientais (ROSSO, 2009).
Atualmente, a eletrônica de potência existente nos EV, como por exemplo, no motor
de tração, no módulo de carregamento e nos sistemas de armazenamento de energia como as
baterias, tem um papel muito crítico no desenvolvimento e popularidade dos veículos
elétricos. No entanto, a maior limitação neste momento encontra-se no dispositivo de
armazenamento. De maneira a vencer estas limitações, um novo conceito de poder recarregar
as baterias dos EV em qualquer hora do dia por meio de uma tomada elétrica desde a rede de
alimentação (casa, lugar de trabalho, ou shopping center), de modo a aumentar o ciclo de
carregamento, tem sido denominado como Plug-in Electrical Vehicle (PEV) (YILMAZ &
KREIN, 2013) (GALLARDO et al, 2011).
O fluxo de energia dos PEV pode ser bidirecional, uma vez que os veículos podem ser
carregados (Grid to Vehicle, G2V) ou descarregados (Vehicle to Grid, V2G) a partir da rede
elétrica. O modo G2V carrega as baterias na hora que o usuário precise e a opção V2G pode
ajudar a e melhorar a eficiência e confiabilidade do sistema com a injeção de potência na rede
elétrica (CLEMENT-NYNS, HAESEN & DRIESEN, 2010).
No entanto, esta interação com a rede de distribuição, pode proporcionar uma
degradação da energia fornecida pela rede elétrica (RICHARDSON, 2012).
Nesse sentido existe um desafio no desenvolvimento dos sistemas de recarregamento
dos PEV, de maneira a garantir o correto funcionamento do sistema e das cargas conectadas à
rede de distribuição.
1.1 Objetivos do Trabalho
O presente trabalho propõe o estudo dos veículos elétricos, enfatizando nas diferentes
classificações dos mesmos, dependendo de como a energia elétrica e a energia de combustão
são integradas. São apresentadas também, as tecnologias de geração de energia mais
promissoras para o aumento de autonomia de condução do veículo, bem como as formas de
armazenamento da energia e como os veículos elétricos são alimentados. Adicionalmente, são
indicados alguns impactos dos veículos elétricos na rede de distribuição, os impactos ao
ambiente e os impactos econômicos.
Adicionalmente, é proposta uma modelagem de um carregador de baterias bidirecional
para um PEV bem como a análise, desenho de seus principais componentes e simulação do
mesmo em uma rede elétrica de distribuição monofásica a 220VCA
. O modelo de carregador
proposto oferece uma potência de 2,5kW de saída, um fator de potencia unitário e consumo e
fornecimento de potência à rede.
1.2 Estrutura do Trabalho
O presente capítulo apresenta uma introdução, os objetivos deste trabalho e sua
organização.
O capítulo 2 apresenta a classificação dos veículos elétricos, abordando suas
características e configurações.
O capítulo 3 apresenta de forma detalhada as fontes de energia em veículos elétricos,
ressaltando as tecnologias de geração de energia, as tecnologias de armazenamento de energia
e as tecnologias de alimentação.
O capítulo 4 apresenta os impactos causados pelos veículos elétricos.
O capítulo 5 apresenta as topologias dos carregadores de bateria utilizados em
veículos elétricos e propõe uma modelagem de um carregador de baterias bidirecional para
PEV.
O capítulo 6 apresenta o cálculo dos principais componentes do carregador, o controle
implementado e as simulações de acordo às especificações consideradas.
O capítulo 7 apresenta as conclusões e os trabalhos futuros.
Capítulo 2
2. Classificação dos veículos elétricos
O veículo elétrico (Electric Vehicle, EV) é menos complexo que o atual veículo de
motor de combustão interna (Internal Combustion Engine Vehicle, ICEV) em relação à
disposição mecânica dos componentes.
O EV é constituído principalmente por um dispositivo de armazenamento de energia,
que é a bateria. A bateria atua com os componentes elétricos do EV, já que a mesma pode
fornecer energia para deslocar o VE ou receber energia pelo funcionamento do motor elétrico
como gerador. No motor de combustão interna (Internal Combustion Engine, ICE) a energia
química presente no combustível (gasolina, etanol, gás natural ou diesel) é transformada em
energia térmica em seguida em energia cinética, sendo esta última utilizada para o
deslocamento dos ICEV.
Os EV são classificados em dois grupos; veículos elétricos híbridos (Hybrid Electric
Vehicle, HEV) e veículos elétricos puros (All Electric Vehicles, AEV). Os HEV são
compostos por um motor de combustão interna (ICE) e um motor elétrico (ME), assim a
combinação do funcionamento desses dois tipos de motores produz uma força de tração para
movimentar o HEV. No AEV a potência elétrica utilizada para movimentar o veiculo é
produzida só pelo motor elétrico.
2.1 Veículos Elétricos Híbridos
Existem diferentes modelos de HEV, os quais são diferenciados pela sua
configuração em relação ao sistema elétrico e o sistema a base de combustível. Cada
configuração apresenta uma porcentagem de contribuição de potência diferente que é
utilizada para a força de tração do veículo (MOMOH & OMOIGUI, 2009).
Em termos gerais, a contribuição do ME melhora a eficiência do desempenho do
HEV e com a característica de frenagem regenerativa obtém-se uma maior diminuição do
consumo de combustível. A contribuição do ICE para o HEV é que em diferentes etapas do
ciclo de condução do veículo existem excessos de energia produzida pelo ICE a qual é
armazenada na bateria. Nesse sentido, o sistema a base de combustível do HEV proporciona
uma maior autonomia no modo elétrico.
2.1.1 Configurações Básicas dos HEV
Atualmente, existem três tipos de configurações dos HEV, que dependem de como a
energia elétrica e a energia de combustão são integradas, conforme é ilustrado nas Figuras 1,
2 e 3.
2.1.1.1 Veículo Elétrico Híbrido - Configuração em Série
O veículo elétrico com arquitetura híbrida série é basicamente um EV composto de
uma fonte de energia para carregar as baterias e movimentar um motor elétrico.
Na Figura 1, observa-se que o ICE e o ME são utilizados para operar em uma
configuração série. Nesse caso, o veículo é movimentado pelo ME conectado ao sistema de
transmissão, já que não existe uma conexão mecânica entre o ICE e as rodas, melhorando a
eficiência do combustível e minimizando as emissões de carbono.
O ICE tem a função de controlar o gerador que fornece energia elétrica para o ME e
as baterias. O gerador é desligado através de uma unidade de controle eletrônica (ULLAH et
al, 2012) quando as baterias estão completamente carregadas.
Figura 1 - Configuração série de um veículo elétrico híbrido Fonte: Elaboração própria a partir de (SIANG & CHEE, 2012)
A unidade de controle eletrônico permite obter a energia elétrica para o motor
proveniente das baterias ou do gerador. A necessidade do HEV de utilizar a energia
proveniente do gerador ou das baterias depende de algumas características, tais como: estado
de carga da bateria (State of the Charge, SOC), requisitos de carregamento, aceleração do
veículo, etc.
Vantagens:
• Maior flexibilidade e eficiência do ICE por não ter um acoplamento mecânico entre a
transmissão e as rodas.
• Redução de emissões durante o deslocamento.
• Maior eficiência na utilização da força de tração.
Desvantagens:
• Conversão múltipla de energia.
• Limitação da autonomia no modo totalmente elétrico em função do tamanho das
baterias.
2.1.1.2 Veículo Elétrico Híbrido com Configuração em Paralelo
Na Figura 2, é apresentada a configuração do sistema elétrico e do sistema de
combustão interna, os quais são conectados em paralelo para produzir a propulsão do HEV.
Figura 2 - Configuração paralelo de um veículo elétrico híbrido Fonte: Elaboração própria a partir de (SIANG & CHEE, 2012)
A potência transmitida pode ser entregue pelo ICE ou pelo ME ou pelos dois
simultaneamente. Deste modo, se a potência de saída do ICE é inferior à potência requerida
pela transmissão, o ME é ativado. Assim, o ICE e o ME fornecem energia à transmissão.
Se a potência de saída do ICE é superior a potência requerida pela transmissão, a
potência restante é usada para carregar as baterias. Além disso, o motor elétrico pode
trabalhar como gerador no momento da frenagem. Na frenagem é gerada uma energia
adicional, sendo esse processo definido como frenagem regenerativa. (LI & WILLIAMSON,
2007).
Vantagens:
• Este tipo de configuração oferece uma grande liberdade para escolher as
combinações de fontes de propulsão.
• Pela característica de ter dois tipos de sistemas para produzir propulsão no HEV,
mecânico e elétrico, a eficiência da força de tração pode ser teoricamente multiplicada por
um fator de dois (LI & WILLIAMSON, 2007).
• O motor elétrico é usado como gerador, e está característica diminui o número de
componentes físicos.
Desvantagens:
• O acoplamento mecânico entre o ICE e a transmissão é muito complexo comparado
com o acoplamento utilizado em outras configurações.
• O sistema de controle se torna mais complexo, pela combinação da utilização das
duas fontes de energia.
• O rendimento do HEV é diminuído pelo uso do motor como gerador.
Na Tabela 1 é apresentada uma comparação geral das configurações híbridas série e
híbrida paralela.
Tabela 1 - Comparação geral de configuração híbrida série e paralela
TIPO DE
CONFIGURAÇÃO
TENSÃO DO
SISTEMA
REQUERIMENTO DE
POTÊNCIA TIPICA [kW]
FRAÇÃO
ELÉTRICA [%]
GANHO
ECONÔMICO DE
COMBUSTÍVEL [%]
SERIE 14V, 42V,
3 - 40 5 - 20 5 - 40 144V, 300V
PARALELA
216V, 274V,
> 50 100 > 75 300V, 350V,
550V, 900V
Fonte: (KAMIL; MEHMET & AHMET, 2010)
2.1.1.3 Veículo Elétrico Híbrido com Configuração Série – Paralelo
Este tipo de configuração em comparação com as demais configurações é a mais
utilizada pelos fabricantes de EV para construir os HEV, já que reúne as características
híbridas do HEV com configuração série e com configuração em paralelo. A diferença se
baseia uma vez que essa configuração possui um gerador independente para carregar as
baterias, assim o motor elétrico não opera como gerador o que aumenta sua eficiência. A
Figura 3 ilustra esse tipo de configuração.
Figura 3 - Configuração série-paralelo de um veículo elétrico hibrido Fonte: Elaboração própria a partir de (SIANG & CHEE, 2012)
Vantagens:
• Maior eficiência do motor elétrico utilizando um gerador independente para carregar
suas baterias.
• Reúne as vantagens do HEV com configuração série e com configuração paralela.
Desvantagens:
• Este tipo de veículo possui um maior número de componentes em relação às demais
configurações, o que indica que este tipo de veículo é mais pesado e de um maior custo.
2.1.2 Grau de Hibridação dos HEV
Com as configurações do HEV apresentadas nas subseções anteriores, observa-se que
para cada configuração existe um nível diferente de funcionalidade dependendo do grau de
hibridação elétrica (GHE).
O grau de hibridação elétrica é representado pela Eq. (1.1), que mostra a relação
entre a potência elétrica do motor elétrico e a somatória da potência total de tração, que é
igual à potência do ME mais a potência do ICE.
(1.1)
: Grau de hibridação elétrica
: Potência do motor de combustão interna
: Potência do motor elétrico
Dessa forma, com um maior GHE o uso do ICE é menor, o que indica que o
consumo de combustível e as emissões durante um percorrido são diminuídos.
Com isso, os diferentes fabricantes classificam diferentes tipos de configurações
segundo GHE, onde o HEV que tem um GHE baixo é classificado como Micro-Híbrido, com
um GHE médio é classificado como Meio Híbrido e com um GHE alto é classificado como
Totalmente Híbrido.
A Tabela 2 apresenta um exemplo de diferentes HEV, onde a economia de
combustível em milha por galão representa o GHE.
GHE
MEP
MCIP
Tabela 2 - Grau de hibridação de diferentes veículos e sua economia em combustível
VEÍCULO
HIBRIDAÇÃO
(PME / PTOTAL
GRAU DE
HIBRIDAÇÃO
[GHE]
)
[hp]
ECONOMIA DE
COMBUSTÍVEL [mpg]
MODO
HÍBRIDO
MODO
ELÉTRICO
BMW ActiveHybrid
7 2012 15 / 455 0.03 20 -
Lexus LS 600h L
2012 49 / 438 0.11 20 -
Honda Insight 2012 13 / 111 0.12 42 -
PorchePanamera S
Hybrid 2012 47 / 380 0.12 25 -
Ford Fusion hybrid
2012 40 / 196 0.20 39 -
Honda Civic Hybrid
2012 23 / 110 0.21 44 -
Toyota Prius 2012 36 / 134 0.27 50 -
Toyota Prius Plug-
in hybrid 2012 36 / 134 0.27 50 95
Toyota Camry
hybrid 2012 66 / 200 0.33 41 -
Chevrolet Volt 2012 149 / 232 0.64 37 94
BMW ActiveE 2011 170 / 170 1 - 102
Ford Focus BEV
FWD 2012 123 / 123 1 - 105
Mitsubishi i-MEV
2012 63 / 63 1 - 112
Nissan Leaf 2012 110 / 110 1 - 99
Honda Fit EV 2012 100 / 100 1 - 118
Fonte: (SIANG & CHEE, 2012)
2.1.2.1 Veículos Elétricos Micro – Híbridos
Estes tipos de veículos têm sistemas de tração convencionais os quais incorporam um
motor elétrico com uma potência nominal não maior do que 5kW, e níveis de tensão de 12 até
14V só para reiniciar o ICE, sem gerar uma força de tração para movimentar o veículo.
O EV Micro-Híbrido adiciona um sistema de arranque / parada que faz com que o ICE
seja desligado durante a frenagem do veículo, por exemplo, em um semáforo, com a
finalidade de melhorar a economia do combustível entre 5% e 15% do consumo total (SIANG
& CHEE, 2012).
2.1.2.2 Veículos Elétricos Meio – Híbridos
Os EV Meio-Híbridos têm as mesmas vantagens que os EV Micro-Híbridos, e, além
disso, estes veículos possuem um ME com potência nominal entre 7kW e 12kW, e níveis de
tensão de 120 até 160V.
O ME tem como função ajudar o ICE com a propulsão do veículo, o que reduz o
tamanho do ICE e aumenta a eficiência do combustível em 30%. Porém, só o ME não pode
fornecer propulsão ao veículo já que este está acoplado com o ICE através do mesmo eixo. Na
Figura 4 é apresentada a arquitetura deste tipo de veículo.
Figura 4 - Veículo elétrico meio – híbrido Fonte: Elaboração própria a partir de (SIANG & CHEE, 2012).
2.1.2.3 Veículos Elétricos Totalmente – Híbridos
Um veículo totalmente-híbrido é aquele que pode operar com o ICE ou com a energia
das baterias e também pode operar simultaneamente com o ICE e as baterias. Tipicamente
possui um ME com uma potência nominal de 50kW e tensões de 200V até 350V.
Este tipo de veículo tem um sistema de armazenamento de energia (Energy Storage
System, ESS) o qual é utilizado para a alimentação do ME, já que pode operar no modo
totalmente elétrico sem o auxilio do ICE. Neste modo, o veículo é conhecido como veículo de
zero emissões (Zero Emissions Vehicle, ZEV), tendo uma economia de combustível entre
20% e 50% do consumo total (CHAN; BOUSCAYROL & CHEN, 2010).
2.1.2.4 Veículo Elétrico Híbrido Plug-in
A principal diferença do veículo elétrico híbrido plug-in (Plug-in Hybrid Electric
Vehicle, PHEV) em relação aos demais tipos de EV é que o PHEV pode ser conectado na
rede elétrica para carregar suas baterias. Na Figura 5 é apresentada a arquitetura do PHEV.
Figura 5 - Arquitetura do veículo elétrico híbrido Plug-in Fonte: Elaboração própria a partir de (SIANG & CHEE, 2012).
Em alguns casos, a autonomia do PHEV (em km) pode ser estendida carregando as
baterias desde o ICE, sendo chamados de veículos elétricos de range estendido (VERE)
(CHAN; BOUSCAYROL & CHEN, 2010).
A principal diferença entre os PHEV e os VERE é que os PHEV Utilizam o ICE em
caso de viagens em rodovias de longas distâncias ou de alta velocidade, isto acontece
independentemente do nível de carga na bateria, enquanto os VERE usam o ICE em função
do nível de carga na bateria, já que o ICE se comporta como um gerador, o qual indica que o
ICE pode fornecer energia dependendo da necessidade do VERE durante seu deslocamento.
O PHEV utiliza estratégias para melhorar o rendimento do veículo, o qual torna este
tipo de VE mais adequado para ser utilizado em cidades pequenas no modo totalmente
elétrico e também em rodovias de longas distâncias no modo híbrido.
O PHEV oferece uma redução entre 40% e 80% do consumo total de combustível do
ICEV e uma redução de gases de efeito estufa na faixa de 35% a 65% do total de gases que
gera o ICEV (SHAIK; NEELAKRISHNAN & RUDRAMOORTHY, 2009).
O PHEV pode ser carregado com eletricidade gerada através de fontes renováveis,
tornando uma contribuição ao aumento da eficiência energética e à integração destas novas
fontes de energia, beneficiando o setor de transporte.
A Tabela 3 apresentam-se os tipos de configurações e os diferentes níveis de
hibridação do PHEV em relação aos HEV.
Tabela 3 – Configurações e diferentes níveis de hibridação dos HEV e PHEV
Micro -
HEV
Meio -
HEV
Totalmente
- HEV
HEV
Plug-in
SERIE x x
PARALELO x x x
SERIE - PARALELO x x
Fonte: (CHAN; BOUSCAYROL & CHEN, 2010).
2.2 Veículos Elétricos Puros
Os veículos elétricos puros (AEV) possuem as baterias como a única fonte de
energia utilizada para a propulsão do veículo. A Figura 6 apresenta um exemplo deste tipo de
configuração.
Normalmente no mercado existem dois tipos destes veículos: veículo elétrico a
bateria (Battery Electric Vehicle, BEV) e veículos elétricos de pilha de combustível (Fuel Cell
Electric Vehicle, FCEV).
2.2.1 Veículo Elétrico de Bateria
A energia para o ME do veículo elétrico de bateria (BEV) é fornecida por uma
bateria a qual é carregada na rede elétrica. Normalmente o ME controla a transmissão, mas
existem algumas variações onde a tração do ME é substituído por pequenos motores
acoplados nas rodas, fazendo com que o veículo fique mais compacto.
Em comparação com o ICEV, o BEV tem uma eficiência superior a 90%, atingindo
um nível emissão igual zero. Porém, o grande limitante deste tipo de EV é a bateria, já que as
características elétricas da mesma representam uma curta autonomia e um longo tempo de
recarga em relação às baterias do HEV e PHEV.
2.2.2 Veículo Elétrico de Pilha de Combustível
O sistema de propulsão do veículo elétrico de pilha de combustível (Fuel Cell
Electric Vehicle, FCEV) e o BEV são semelhantes. Atualmente existe mais interesse na
aplicação do sistema de propulsão baseado em pilha de combustível, já que em comparação
com o ICE, o FCEV reduz as emissões de dióxido de carbono (CO2
Figura 6
) em 75% do total de
emissões geradas pelo ICE (LEE & RAJASHEKARA, 2008). Além disso, o FCEV pode ser
equipado com baterias ou ultra-capacitores. A apresenta este tipo de veículo.
Figura 6 - Veículo elétrico de bateria Fonte: Elaboração própria a partir de (SIANG & CHEE, 2012).
Capítulo 3
3. Fontes de energia em veículos elétricos
Atualmente, existem diferentes desafios na indústria automotiva em relação à
integração dos EV como meios de transporte, tais como a diminuição do nível de
contaminação no meio ambiente e o impacto no sistema elétrico.
Nesse sentido, busca-se a integração de unidades de geração de energia alternativa
no veículo com o objetivo de carregar as baterias e aumentar sua autonomia. Para isso, têm
sido desenvolvidas algumas formas de geração tais como: painéis fotovoltaicos instalados nos
PHEV, geradores termoelétricos instalados no veículo, freios regenerativos e células de
combustível.
3.1 Tecnologias de geração de energia.
3.1.1 Painéis Fotovoltaicos
Os Painéis fotovoltaicos (PF) podem ser instalados em EV para o aproveitamento da
luz solar. A idéia principal é atingir uma boa quantidade de potência em um espaço mínimo.
Existem dois tipos de PF no mercado. São eles: o PF de silício cristalino e o PF de
lâmina fina.
Os PF têm uma eficiência máxima de 30% nos PF de silício cristalino e 21% nos PF
de lâmina fina. O grande desafio dos fabricantes de automóveis é gerar toda a energia que
utiliza o VE a partir de PF (SIANG & CHEE, 2012).
3.1.2 Gerador Termoelétrico Automotivo
O gerador termoelétrico automotivo (Automotive Thermoelectric Generator, ATEG)
é um dispositivo utilizado para a conversão de energia térmica residual gerada pelo ICE em
energia elétrica. Este dispositivo aproveita a energia perdida em forma de calor do ICE
através do efeito Seebeck. Este efeito aparece quando dois semicondutores apresentam uma
voltagem em sua união por causa da diferença de temperatura entre eles.
A perda de energia é produzida pelos gases expulsos pelo motor de combustão
interna (MCI) e seu aproveitamento aumenta a eficiência em torno de 70% (SIANG & CHEE,
2012) (XIAODONG; CHAN & WENLONG, 2011). As vantagens deste sistema é que não
tem uma manutenção complexa, é silencioso e de baixo custo comparado com outros sistemas
de geração.
3.1.3 Células de Combustível (FC)
Este dispositivo é utilizado para a conversão de energia química contida em um
combustível eletroquímico em energia elétrica através de um processo de eletrólise. A
configuração física é apresentada na Figura 7.
Figura 7 – Funcionamento pila de combustível Fonte: (PRIETO, 2013)
O combustível e o oxidante são fornecidos continuamente ao eletrodo negativo
(anodo) e ao eletrodo positivo (catodo), o qual gera em eles reações eletroquímicas que criam
uma corrente elétrica através do eletrólito.
A classificação das células de combustível (Fuel Cell, FC) depende do eletrólito e
tipo de combustível utilizado. Algumas FC são:
• Células de combustível de álcool direto (Direct Alcohol Fuel Cell, DAFC) ou
comumente chamadas células de combustível de metanol direto (Direct Metanol Fuel
Hidrogênio Ar
Ar
+
Agua Ânodo Cátodo Eletrólito
Cell, DMFC). São utilizadas principalmente para aplicações móveis como celulares,
computadores, PDAs e tablets.
• Células de combustível de polímero sólido (Solid Polymer Fuel Cell, SPFC) também
conhecidas como células de combustível a membrana trocadora de prótons (Polymer
Membrane Fuel Cell, PEMFC). Estas são desenhadas principalmente para fornecer
energia primária às células de combustível de VEs (Fuell Cell Electrical Vehicles,
FCEV) por meio de hidrogênio. As células PEMFC são principalmente utilizadas para
aplicações em transporte elétrico.
• Células de combustível de eletrólito alcalino (Alkaline Fuel Cell, AFC) que são
utilizadas para aplicações no espaço, podendo ser utilizadas para aplicações em
tecnologias móveis.
• Células de combustível de ácido fosfórico (Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC) que são
comumente utilizadas em aplicações de sistemas estacionários.
• Células de combustível de carbonato fundido (Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC).
• Células de combustível de óxido sólido (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) consideradas
para aplicações de geração de energia estacionária, tecnologias móveis e potência
auxiliar em VE (KHALIGH & ZHIHAO, 2010) (EG&G, 2004).
A alta eficiência, as baixas emissões e a simplicidade do sistema fazem a FC ideal para
aplicações automotivas. Na Tabela 4 são apresentadas as características das FC.
Tabela 4 - Características das FC PAFC MCFC AFC SOFC DAFC / DMFC SPFC / PEMFC
Temperatura (ºC) 150 - 200 600 - 700 60 - 100 900 - 1000 50 - 100 50 - 100
Densidade de Potência (W/cm2 0.2 - 0.25 ) 0.1 - 0.2 0.2 - 0.3 0.24 - 0.3 0.04 - 0.23 0.35 - 0.6
Duração (Horas) 40000 40000 10000 40000 10000 40000
Custo ($/kW) 1000 1000 200 1500 200 200
DAFC - Célula de Combustível de Álcool Direto também conhecida como DMFC
DMFC - Célula de Combustível de Metanol Direto
SPFC - Célula de Combustível de Polímero Sólido também conhecida como PEMFC
PEMFC - Célula de Combustível a Membrana Trocadora de Protões
AFC - Célula de Combustível de Eletrólito Alcalino
PAFC - Célula de Combustível de Ácido Fosfórico
MCFC - Célula de Combustível de Carbonato Fundido
SOFC - Célula de Combustível de Óxido Sólido
Fonte: (KHALIGH & ZHIHAO, 2010)
3.1.4 Frenagem Regenerativa
A frenagem regenerativa permite ao veículo capturar e armazenar parte da energia
cinética que seria convertida em calor nos discos das rodas durante a frenagem. Na frenagem
regenerativa, quando o motorista pisa no freio para reduzir a velocidade do veículo elétrico, o
motor elétrico de tração é chaveado para atuar como gerador de eletricidade acionado pela
roda ou eixo das rodas. A energia elétrica gerada com a frenagem do veículo é armazenada
nas baterias onde é recuperado entre o 8% e 25% da energia perdida durante a frenagem
(YOONG et al, 2010). Para possibilitar uma frenagem rápida e abrupta, os veículos elétricos
são providos também dos freios tradicionais.
A frenagem regenerativa, além de contribuir para a redução do consumo de
combustível, no caso dos veículos elétricos híbridos, e do consumo de energia elétrica, no
caso dos veículos elétricos a bateria e híbridos plug-in, proporciona redução do desgaste das
lonas ou discos de freios, por frear o veículo via campo eletromagnético (sem atrito),
resultando em maior durabilidade para essas partes do sistema de freios (YOONG, et al 2010)
(JINGANG; JUNPING & BINGGANG, 2009) (SIANG & CHEE, 2012).
3.2 Tecnologias de Armazenamento de Energia
Estudos realizados por pesquisadores na área automotiva têm buscado formas de
permitir a armazenagem de grandes blocos de energia em espaços reduzidos para uma
utilização posterior, levando em consideração variáveis como: o tamanho, o peso, a
capacidade de armazenamento, a segurança, a manutenção e o preço. Os sistemas de
armazenamento de energia como baterias, ultra-capacitores (Ultra Capacitor, UC), bateria
eletromecânica (Flywheel) e tanques de hidrogênio são avanços importantes para este fim.
3.2.1 Baterias
São dispositivos de armazenamento de energia elétrica devido a um processo
eletroquímico através de dois eletrodos (anodo e catodo) unidos por um fio ou um cabo
elétrico. As baterias se classificam em dois grupos: baterias primárias e baterias secundárias.
As baterias primárias são aquelas em que todos os agentes químicos são consumidos
deixando de produzir energia e não tendo a possibilidade de serem carregadas, por exemplo,
as pilhas disponíveis no mercado com tensões de 1,5V (TOSHIZAEMOM, 2009).
As baterias secundárias são aquelas que podem ser carregadas utilizando algum
dispositivo (carregadores) para que a energia seja restaurada cada vez que a bateria esteja
descarregada. Hoje em dia, essas baterias são adotadas para aplicações de transporte devido à
alta densidade de energia, tamanho compacto e viabilidade.
O mercado atual fornece principalmente tecnologias de baterias de chumbo-ácido
(Pb) sendo as mesmas mais baratas, de pouca manutenção e usadas por veículos
convencionais de combustão interna. No entanto, a energia específica e a densidade de
potência são baixas. Além disso, quando a bateria opera em um nível de carga muito próximo
do nível mínimo o ciclo de vida é diminuído.
As baterias de hidreto metálico de níquel (Ni-Mh) têm o dobro da densidade de
energia das baterias de chumbo-ácido e ambientalmente mais amigáveis, não apresentando o
efeito memória, o que resulta em uma vida útil mais longa e podem ser totalmente
descarregada sem danos. Por outro lado, embora as baterias possam ser recicladas, o níquel é
uma substância que pode causar contaminação ambiental tornando-se não atraentes para uso
automotivo.
A bateria de íon de Lítio (Litio-Ion) tem sido um avanço de muita importância para
aplicações portáteis devido a seu mínimo peso, alta capacidade de armazenamento de energia,
alta densidade de potência e alta energia específica. Ademais, a bateria de íon de Lítio não
apresenta efeito memória e também não contem componentes tóxicos (TOSHIZAEMOM,
2009) (SOARES, 2012) (SIANG & CHEE, 2012). Sua principal desvantagem é seu custo de
produção.
Por outro lado, as baterias de Lition-Ion e as de Polímero de Litio são as que
apresentam melhores relações de energia/peso, energia/volume e potência/volume. Ademais,
possuem uma maior tensão nominal por célula. Esta última característica as fazem ideais para
o armazenamento de energia nos veículos elétricos. A capacidade das atuais baterias dos
veículos elétricos é de 10 e 30kWh que podem oferecer entre 100 e 200km de autonomia
dependendo da potência do motor (SIANG & CHEE, 2012) (BUCHMANN, 2013).
Atualmente, existem 4 tecnologias promissórias de baterias: Lítio-Ion Silício, Lítio-
Ion 3D, Lítio-Ar e Zinc-Ar. Embora os avanços sejam promissores, os pesquisadores
concordam que o maior desafio é a construção em grande escala (PRIETO, 2013).
A Tabela 5 apresenta as características dos principais tipos de baterias.
Tabela 5 - Características dos principais tipos de baterias Características Pb Ni - Cd Ni - Mh Li - Ion
Energia Especifica (Wh/kg) 30 - 50 50 - 80 40 - 100 118 - 250
Densidade de Energia (Wh/L) 100 300 180 - 220 200 - 400
Potência Especifica (W/kg) 180 200 200 - 300 200 - 430
Numero de Ciclos (Carga/Descarga) 200 - 500 1000 1000 1200
Tempo Minimo para Carga (h) 8 - 16 1 - 1.5 2 - 4 2 - 4
Tensão por Célula (V) 2.00 1,25 1.25 3.60
Corrente de Carga Baixa Muito Baixa Moderada Alta
Custo Baixo Médio Alto Muito alto
Fonte. (SOARES, 2012) (SIANG & CHEE, 2012)
3.2.2 Ultra – capacitores
Os ultra-capacitores (UC) ou normalmente conhecidos como capacitores “dupla
cara”, são constituídos por um par de condutores separados por um dielétrico. Sua resistência
interna é baixa, o que os torna mais eficientes, e sua principal diferença em relação aos
capacitores comuns está em que sua densidade de potência é muito maior.
Além disso, o UC tem um ciclo de vida longo, não precisa de manutenção e é
ambientalmente amigável. Existem 5 tipos de tecnologia de UC diferenciadas por seus
mecanismos de armazenamento de energia e os materiais para a construção de seus eletrodos
(KHALIGH & ZHIHAO, 2010).
No entanto, apenas alguns tipos de tecnologias são utilizados em veículos elétricos,
são elas: capacitores (Electric Double Layer Capacitor, EDLC) carbono/carbono com
densidade de energia entre 5 Wh/kg e 7 Wh/kg; pseudo-capacitores com densidade de energia
entre 10 Wh/kg e 15Wh/kg.
A densidade de potência dessas tecnologias está em um intervalo de 1000 kW/kg a
2000 kW/kg (LI &WILLIAMSON, 2007) (SIANG & CHEE, 2012).
Essa tecnologia tem como desvantagem o alto custo e a dimensão, que é muito
maior que a dimensão das baterias de chumbo-ácido.
3.2.3 Armazenamento de Energia com Bateria Eletromecânica
O armazenamento de energia com bateria eletromecânica (Flywheel Energy Storage,
FES) ou volante é um sistema de armazenamento de energia mecânica (cinética), onde essa
energia é armazenada por um disco ou um rotor que gira sobre seu eixo.
A energia armazenada é proporcional à massa do volante e ao quadrado de sua
velocidade angular. São basicamente motores elétricos que podem absorver e fornecer energia
em um curto intervalo de tempo, os quais necessitam primeiro obter uma grande quantidade
de energia, para que o tempo de geração seja muito maior (XION & XIAPENG, 2007).
Possui alta densidade de potência, confiabilidade e sua vida útil está próxima dos 15
anos. Comparada com outros dispositivos de armazenamento, não necessita manutenção
contínua e não gera problemas para o ambiente. Este sistema tem diferentes aplicações no
setor automotivo. Sua resistência à força centrífuga, correntes de Foucault, efeito giroscópio e
vibrações são algumas de suas desvantagens.
3.2.4 Hidrogênio
O hidrogênio como combustível pode ser utilizado de muitas formas aproveitando a
energia que armazena. Em uma pilha de combustível, por exemplo, a energia química contida
no hidrogênio reage com oxigênio, produzindo energia elétrica; ou em um motor de
combustão, transforma energia térmica em energia mecânica.
Existem basicamente duas formas de obtenção do hidrogênio. Na primeira forma o
hidrogênio é produzido por meio de reações químicas em vários passos a altas temperaturas
em presença de catalizadores que tem como resultado o hidrogênio químico.
Na segunda forma, a molécula de água é divida em oxigênio e hidrogênio aplicando
eletricidade, onde é obtido como resultado hidrogênio eletrolítico. O hidrogênio produzido
por eletrólises tem uma pureza superior ao produzido por processos químicos.
Uma característica do hidrogênio é seu elevado poder térmico, porém, possui baixa
densidade de energia por unidade de volume o que faz com que necessite de soluções de
armazenamento.
3.3 Tecnologias de Alimentação
Existem duas formas de recarregar o EV no mercado atual, recarga condutiva e
recarga indutiva.
A recarga indutiva é também chamada de conexão sem fio e é feita por meio de um
acoplamento indutivo entre dois objetos que possuem seus respectivos enrolamentos para o
envio e recepção da energia. Os enrolamentos de transferência encontram-se no EV e no piso.
Sua principal vantagem é a segurança por não ter contatos elétricos que aumentam o
risco de choques elétricos, além de ser mais confiável em aplicações expostas a água. Por
outro lado, comparada com a recarga condutiva, possui baixa eficiência, baixa
compatibilidade de frequência e indutância de fuga.
A recarga condutiva é uma carga convencional onde a potência é transferida por
contato físico entre carregador e EV por meio de um fio e uma tomada padrão. A diferença
com a recarga indutiva é que a recarga condutiva oferece uma maior eficiência, mas uma
menor segurança. Na atualidade a recarga condutiva é mais utilizada que a recarga indutiva.
A Norma de América do Norte SAE J1772 utilizada atualmente por os Estados
Unidos de América (EUA) e Japão, e as Normas IEC 62196 e IEC 61851 utilizadas por
Europa definem os padrões dos carregadores, infraestrutura de carga utilizada e possíveis
níveis de recarga dos VE (SOARES, 2012),.
Na recarga condutiva existem dois tipos de classificação de carregadores de EV. O
primeiro tipo é conectando à rede de alimentação CA. Nesse caso, um carregador é instalado
no interior do EV (carregador on-board) sendo apropriado para recarga noturna em zona
residencial e durante o dia no lugar de trabalho. O segundo tipo é conectando à rede de
alimentação CA, onde um carregador é instalado por fora do EV (carregador off-board) para
que este forneça energia em CC ao EV, sendo análogo a um posto de gasolina.
A Tabela 6 apresenta os modos de carregamento de acordo a padrão IEC61851.
Tabela 6 – Sistema condutivo de carga para EV de acordo a IEC-61851 IEC - 61851
Modo de
Carregamento
Corrente
Máxima
Potência
[kW] Características
Modo 1
CA 16A * fase 3.7 - 11kW
- Tomada elétrica padrão, não especificada para EV.
- É preciso de um dispositivo de proteção antes da instalação.
- Em alguns países está proibido o modo 1 de carregamento.
Modo 2
CA 32A * fase 7.4 - 22kW
- Conexão do EV numa Tomada padrão por meio de um cabo especial com
função de piloto de controle e proteção diferencial.
Modo 3
CA 64A * fase
14.8 -
43kW
- Estação de carregamento para uso do EV, conectada permanentemente à
rede CA. Conector especial (5 - 7 pines).
Modo 4
CC Hasta 400A
Aprox. 50
- 150kW
- Estação de recarrega para uso exclusivo do EV. Conectada diretamente à
CA
- Carregador Off-Board.
Fonte: (ASIN, 2010)
De acordo a padrão SAE-J1772 os níveis de carga podem ser divididas em três
níveis.
3.3.1 Nível 1 de Carga
Também chamado de “recarga lenta”, neste nível o EV se conecta diretamente à rede
de CA através de uma conexão monofásica padrão até 120V por meio de uma tomada padrão
NEMA de 15 ou 20A normalmente localizada nas garagens das casas e usualmente o veículo
é conectado no horário da noite onde as tarifas de energia são mais baratas que em horário de
ponta. Em geral, nenhum equipamento especial precisa ser instalado para este nível de carga.
A potência máxima de recarga será de aprox. 1.9kW. O carregador é on-Board. O tempo de
recarga dependendo do tipo e do modelo do veículo oscila entre 12 e 18 horas. (SAE, 2010).
3.3.2 Nível 2 de Carga
Neste nível, o EV conecta-se à rede CA com uma tomada padrão, com corrente menor
que 80A e tensão 208 - 240V em conexão monofásica com proteção a terra. A diferença com
o Nível 1 é que neste nível o fabricante do EV fornece um equipamento de controle externo
que indica a correta conexão do EV. Além disso, este nível recarrega a bateria mais rápido
que o nível 1 de carregamento. Normalmente este nível encontra-se em lugares de atividades
diárias como centros comerciais, estações públicas de recarga e lugares de trabalho. Ainda
pode ser encontrado em residências (SAE, 2010).
3.3.3 Nível 3 de Carga
Também chamado “recarga rápida” ou recarrega em DC e, algumas vezes referido ao
nível 3 de carregamento. Este nível permite obter a recarrega das baterias de 10 a 15min.
Admite tensões de 600 e 400A em conexão DC (SAE, 2010).
A vida útil da bateria se reduz pelo alto nível de corrente (GARCIA, 2013). A
infraestrutura de carga é similar com uma estação de gasolina atual. No entanto, a alta
potência envolvida neste nível precisa de modificações e reforços na rede elétrica.
3.3.4 Troca de Bateria
Na troca de bateria, a bateria descarregada é substituída por outra bateria
completamente carregada. Neste processo o EV é estacionado na estação de serviço e
mediante um dispositivo automático se faz a troca da bateria.
O processo pode demorar de 2 a 5 minutos (TOSHIZAEMOM, 2009), sendo sua
principal vantagem. No entanto, as desvantagens são o elevado custo da infraestrutura para
automatizar o processo e a preocupação com o padrão dos sistemas de baterias e sistemas
mecânicos.
Capítulo 4
4. Impactos dos veículos elétricos
Hoje, os problemas ambientais e os preços dos combustíveis fósseis fazem a
necessidade de mudar o sistema de transporte. De acordo com o informe internacional sobre
as perspectivas da energia, o setor transporte vai incrementar sua participação com o consumo
de petróleo até um 60% em 2030 1
No entanto, as redes elétricas não estão desenhadas para o ingresso massivos dos EV,
considerando o recarregamento de suas baterias como um novo tipo de carga para o sistema
elétrico, tornando maior a demanda de energia e os valores de carga nas hora ponta
(FERREIRA, et al 2010) (RICHARDSON, 2012) (LIN et al, 2010) (ROBERT; LINGFEN &
MANSOOR, 2010).
. Nesse sentido, surge a oportunidade de assegurar os
benefícios dos EV ao sistema elétrico mundial.
Ademais, o elevado custo dos EV e sua baixa fabricação em massa é a sua principal
desvantagem. Há de se considerar que a fabricação em grande escala dos EV pode significar
um impacto desfavorável para o ambiente, devido aos materiais e a tecnologia utilizada para a
fabricação das baterias e motores elétricos (ROSSO, 2010) (RICHARDSON, 2012).
4.1 Impactos à Rede Elétrica
O impacto dos EV na rede elétrica está intimamente associado com o tempo e o
momento de recarga das baterias (YILMAZ & KREIN, 2013) (ROSSO, 2010).
Deste modo, um curto tempo de recarga pode gerar picos de energia na curva de
demanda quando existir um número alto de EV recarregando. Dependendo da estratégia de
recarga usada, mesmo que seja uma estratégia simples de carregamento, irá requer
investimentos adicionais em transmissão e distribuição já que implica um aumento de carga
nos transformadores, perdas no sistema, desvios de tensão, aumento das correntes de falta e
distorções harmônicas (RICHARDSON, 2012) (REI et al, 2010).
1 Ver: "International Energy Outlook 2013," Energy Information Administration Office of Integrated Analysis and Forecasting U.S. Department of Energy Washington DC, Jul 2013.
No entanto, quando os EV usam uma estratégia inteligente de carregamento o uso e
aproveitamento da rede podem ser melhor explorados, por exemplo, os EV podem ter a
capacidade de regular o perfil de consumo da rede elétrica e garantir a estabilidade da tensão e
frequência, armazenando e fornecendo energia das baterias dos veículos estacionados
(SOARES, 2012) (ROSSO, 2010) (RICHARDSON, 2012).
4.2 Impactos ao Ambiente
Os EV podem ser alternativas para diminuir os impactos ambientais dos atuais
veículos de combustão interna, ajudar à redução de gases de efeito estufa e propiciar uma
menor contaminação acústica (RICHARDSON, 2012).
Atualmente, tem-se discutido os impactos de sua fabricação, já que alguns de seus
componentes como o neodímio encontrado nos motores e o lântano achado nos anodos das
baterias, só podem ser obtidos por meio de processos químicos contaminantes.
Ademais a fabricação em massa das baterias gera um grande volume de resíduos que
deve ser armazenado de forma adequada. Adicionalmente, a troca das baterias que
normalmente ocorrem a cada três anos, devem ter lugares especiais para o descarte das
mesmas, incrementando o custo de substituição (BACHER, 2013).
4.3 Impactos Econômicos
Atualmente, considerando os problemas ambientais existentes, procura-se soluções
mais rápidas e eficazes, sobre tudo cada vez mais econômicas tanto para o produtor como
para o consumidor final. A partir desta perspectiva, os impactos econômicos podem ser
analisados de duas formas: pelos veículos e pelo sistema elétrico.
Os componentes e o processo de fabricação dos EV os fazem mais custosos que os
veículos convencionais, mas cada dia o governo e as entidades públicas estão procurando
alternativas para incentivar a compra dos EV pelos benefícios ambientais (emissão zero de
poluentes e ruído) que reduzem os custos indiretos na área da saúde, por exemplo.
O custo do sistema elétrico está diretamente afetado pelo momento da recarga do EV.
Dependendo do horário e da estratégia de carregamento pode-se buscar o uso das instalações,
sem custo de inversões adicionais e uma maior integração com fontes renováveis de energia
(ROSSO, 2009).
4.4 Impactos no Armazenamento de Energia Proveniente de Geração Distribuída Intermitente
Algumas agências como a Distribution Power Coalition of América (DPCA),
International Energy Agency (IEA), California Energy Comission (CEC), Electrical Power
Research Institute (EPRI), Conseil International des Grands Réseaux Electriques (CIGRE)
definem de um jeito diferente a Geração Distribuída (GD), pelo qual, todavia não existe um
acordo na definição do que constitui a GD. Isto porque, são múltiplos os fatores que afetam
sua definição: nível de tensão de conexão do gerador, potência da unidade geradora,
tecnologia empregada, limite de potência, seguindo aspectos técnicos e não seu impacto no
sistema de potência.
No entanto de forma geral, a GD pode ser definida como a geração de energia elétrica
instalada perto dos pontos de consumo e conectada diretamente ao sistema elétrico de
distribuição, podendo operar em paralelo ou de forma isolada (OCHOA, 2006).
O uso integrado da GD com base em energias renováveis e os veículos que podem se
conectar à rede, precisam de sistemas onde os excessos de energia elétrica em momentos de
alta produção e baixa demanda possam ser armazenadas. Nesse sentido os excessos de energia
elétrica podem ser absorvidos pelos veículos elétricos, ao ser considerados sistemas de
armazenamento de energia e não só como cargas elétricas. Deste modo tem-se um
aproveitamento total da energia gerada por parte das fontes de GD e outras fontes
intermitentes como painéis fotovoltaicos, usinas eólicas, etc. No entanto, os sistemas de
distribuição e transmissão não estão geralmente projetados para o emprego de GD e conexão
massiva de veículos elétricos, causando estes, problemas tais como: regulação de tensão,
níveis de curto-circuito, coordenação dos dispositivos de proteção, perdas de potência e
fornecimento de energia as cargas (OCHOA, 2006).
Capítulo 5
5. Carregadores de baterias para veículos elétricos
O sucesso da implantação dos EV está relacionado diretamente com os sistemas de
distribuição e os equipamentos de carregamento e armazenamento. Nesse sentido, a entrada
massiva dos EV pode gerar sobrecarga nos horários de ponta, variações da tensão e distúrbios
das formas de onda da tensão e corrente nas redes de distribuição. Nesse sentido, as baterias e
os sistemas de carregamento podem ajudar à estabilização das redes por possíveis flutuações,
armazenamento da energia que sobra e regulação de tensões.
Uma vez que o desempenho das baterias não só dependem de sua construção, mas
também de como são usadas e recarregadas, os carregadores das baterias são uns dos
componentes mais importantes que podem aumentar significativamente a eficiência e
confiabilidade dos EV.
Existe uma variedade de topologias de construção, arquiteturas de potência e
algoritmos de carregamento que estão sendo desenvolvidos para os carregadores das baterias
dos EV. Assim, são definidos três classificações para os carregadores utilizados em EV,
considerando a direção do fluxo de potência ou a integração no veículo:
• Carregadores unidirecionais.
• Carregadores bidirecionais.
• Carregadores integrados.
A Figura 8 apresenta a topologia geral do fluxo de potência entre a rede elétrica e as
baterias dos EV.
Os EV com carregadores de baterias unidirecionais possuem só um estado de
carregamento, denominado estado de recarga (fluxo de potência da rede elétrica para as
baterias). A Figura 8 (a) apresenta esta topologia.
Por outro lado, os carregadores de baterias bidirecionais possuem dois estados, estado
de recarga (fluxo da corrente da rede elétrica para as baterias) e estado de descarga conhecido
como modo geração (fluxo de potência das baterias para a rede elétrica), Figura 8 (b).
(a) (b)
Figura 8 – Fluxo de potência entre a rede elétrica e as baterias dos EV Fonte: Elaboração própria a partir de (YILMAZ & KREIN, 2013) (ORELLANA, 2011).
Como apresentado na Figura 9, os componentes principais dos carregadores de
baterias para os EV são o conversor CA-CC, uma etapa do controle do fator de potência por
meio do Power Factor Controller (PFC) e o conversor CC-CC, (ORELLANA, 2011).
Figura 9 - Topologia geral dos carreadores On/Off Board para EV Fonte: (YILMAZ & KREIN, 2013) – Modificado
O conversor CA-CC tem a função de transformar a tensão alternada da rede em tensão
contínua, mantendo um alto fator de potência por meio do PFC. Por outro lado, a tensão e
corrente de saída do conversor CA-CC são adaptadas por meio do conversor CC-CC,
geralmente isolado em alta frequência, para ser utilizadas na recarga das baterias
(ORELLANA, 2011). Estes conversores CC-CC possuem um alto nível de eficiência de
conversão (>90%) (BELLUR & KAZIMIERCZUK, 2007).
Apesar dos conversores serem utilizados em muitas aplicações como computadores,
equipamentos de comunicações, telefones, equipamento médico e eletrodomésticos, nem
todos os tipos de conversores são apropriados para uso em carregadores de baterias para EVs
(KHAN, 1994). Por outro lado, os carregadores de baterias dos EVs estão desenhados para
cumprir os padrões IEEE-1574, SAE-J2894, IEC-1000-3-2, IEC61851-1 e o National Electric
Code (NEC) – 690, os quais se referem às limitações das harmônicas de corrente injetada na
rede de alimentação (YILMAZ & KREIN, 2013).
5.1 Carregadores de Baterias Unidirecionais
Devido ao aumento dos carregadores de baterias convencionais, Conventional Battery
Charger (CBC), e seu impacto nas redes de distribuição, pela utilização de diodos
retificadores e capacitores com baixo fator de potência, foram desenvolvidos os carregadores
de baterias unidirecionais Unidirectional Battery Chargers (UBC’s).
Os UBCs possuem a característica de adquirem potência da rede de distribuição para
carregar as baterias dos EVs e não injetar potência na mesma (fluxo de energia unidirecional).
Esses carregadores são utilizados para os três níveis de carregamento, já que não precisam de
muitos componentes (hardware) para sua configuração, minimizando os problemas de
interconexão e não produzindo degradação nas baterias (YILMAZ & KREIN, 2013).
Além disso, estes carregadores são desenhados com a capacidade de corrigir o fator de
potência e aumentar a eficiência, em função do tipo de circuito conversor unidirecional CC-
CC e à técnica de controle utilizada. Por tal motivo, os UBCs que possuem esta característica
são denominados carregadores de baterias unidirecionais com fator de potência corrigido
Power Factor Corrected (PFC) ou carregadores de baterias unidirecionais ativos Active
Unidirectional Battery Charger (AUBC) (BERTOLUZZO; ZABIHI & BUJA, 2012).
A Figura 10 apresenta um UBC básico sem correção de fator de potência (PFC), uma
vez que não possui um conversor que seja capaz de proporcionar corrente contínua constante
as baterias sem distorcer a tensão e a corrente da fonte de alimentação (ORELLANA,
2011)(BRADLEY, 1981).
Figura 10 - Carregador básico de baterias Fonte: (ORELLANA, 2011) (BRADLEY, 1981).
Atualmente, os UBCs estão disponíveis e configurados com pontes retificadoras para
o conversor CA-CC na entrada do carregador, em conjunto com filtros e conversores CC-CC,
normalmente, Buck, Boost, Buck/Boost, isolado com Flayback, Forward, Pushpull, Half-
Bridge, Full-Bridge, SEPIC, CUK e conversores Multinível. Adicionalmente,
transformadores isolados de alta frequência podem ser utilizados para reduzir custos, peso,
tamanho e oferecer tensões otimizadas (SINGH et al, 2003) (YILMAZ & KREIN, 2013).
O conversor Buck (redutor) mostrado na Figura 11 é o conversor mais simples de
todos, com uma eficiência elevada, maior que 90%. Neste conversor a tensão de saída é
menor que a tensão de entrada. Por outro lado, devido ao esforço elétrico dos semicondutores,
este conversor não é utilizado para PFC.
Figura 11 - Conversor Buck Fonte: (MUHAMMAD, 2011).
Um dos conversores mais utilizados na indústria de carregadores de baterias que
possui PFC, alta eficiência e baixa distorção harmônica é o conversor Boost. Nesses
conversores, a tensão de saída é maior que a tensão de entrada. A Figura 12 apresenta uma
topologia convencional na qual possui uma ponte retificadora dedicada para retificar a tensão
de entrada CA para CC, seguida do conversor Boost, constituído por um indutor, uma chave
semicondutora, um diodo e um capacitor.
Figura 12 - Topologia de UBC com conversor Boost Fonte: (MUHAMMAD, 2011) – Modificado
Devido ao capacitor de saída que trabalha em alta tensão, a energia é armazenada mais
eficientemente, permitindo valores menores de capacitância. A presença do indutor na entrada
bloqueia variações súbitas na tensão da rede, podendo obter a corrente desejada. Esta
topologia é boa para níveis baixos e médios de potência (aprox. 1kW). Variações deste
conversor ou módulos de semicondutores são usados para níveis maiores de 1kW (MUSAVI,
et al, 2012). Para aplicação em carregadores de baterias, este conversor é usado em frenagem
regenerativa e devido a sua estrutura simples se derivam outras mais complexas como o
conversor Buck-Boost ou CUK.
O conversor Buck-Boost, ilustrado na Figura 13, consiste de um conversor Boost com
PFC e um conversor Buck.
Figura 13 - Carregador controlado com dois estágios Fonte: (ORELLANA, 2011).
Este conversor é outra topologia utilizada que fornece uma tensão de saída que pode
ser maior ou menor que a tensão de entrada. Nesse caso, a polaridade da tensão de saída é
oposta à tensão de entrada, permitindo uma grande gama de tensões na saída.
Topologias isoladas e não isoladas derivadas dos conversores citados são
desenvolvidas. A Figura 14 apresentam distintas topologias deste tipo de conversores.
Transformadores isolados de alta frequência oferecem melhor controle da tensão, segurança
na carga, redução de peso, tamanho e perdas (SINGH et al, 2003). Estas configurações
melhoram a qualidade da energia e possuem controle variável sobre a tensão da saída CC,
para cumprir as necessidades requeridas.
A Figura 14 (a) apresenta um circuito típico usando um conversor CC-CC Buck com
transformador isolador de alta frequência. A configuração Flyback é amplamente utilizada
onde a conversão isolada é requerida para baixas taxas de potência (até 250W). Várias tensões
de saída isoladas são obtidas facilmente reguladas por um só circuito de controle. É um
conversor simples e pouco custoso, mas tem baixa eficiência e grande esforço elétrico devido
à indutância de fuga (YILMAZ & KREIN, 2013). A Figura 14 (b) mostra um conversor Buck-
Boost unidirecional baseado em Flyback.
O conversor Forward é um conversor isolado com capacidade de manejar mais
potência que o conversor anterior. Pode ser considerada uma derivação direta do conversor
Push-pull, onde uma das chaves é substituída por um diodo. Além de seu baixo custo do
conversor Push-pull, a transferência de energia ocorre no ciclo de magnetização e
desmagnetização do transformador, o que significa um melhor aproveitamento do núcleo,
permitindo um tamanho reduzido do mesmo (KOLLING, 2010).
Análogo ao conversor Buck-Boost, o conversor CUK utiliza um capacitor em vez de
um indutor para o armazenamento da energia, proporcionando uma corrente contínua de
entrada e saída, sendo sua maior vantagem. Além de ser mais custoso comparado com outros
conversores (Flyback, Boost), tem a desvantagem de ter alto número de componentes passivos
e maior esforço elétrico sobre o capacitor. A Figura 14 (c) apresenta esta topologia.
A Figura 14 (d) mostra o conversor SEPIC que apresenta indutores de alto valor e um
capacitor de saída. Este conversor tem a característica Buck-Boost não inversora e os esforços
de tensão sobre o capacitor são mais baixos que no CUK (YILMAZ & KREIN, 2013).
(a) Conversor Unidirecional Buck isolado com
Transformador de Alta Frequência
(b) Conversor Unidirecional Buck-Boost baseado
em Flayback
(c) Conversor Buck-Boost Unidirecional Isolado
derivado do CUK
(d) Conversor Unidirecional Buck-Boost derivado
do SEPIC
Figura 14 - Topologias de conversores para UBCs Fonte: (SINGH et al, 2003).
Atualmente, mais EVs utilizam carregadores monofásicos para recarregar suas
baterias. Assim, a implantação dos EVs fazem dos UBCs uma solução importante devido à
simplicidade em seu controle, baixo custo, menor peso, volume e perdas, e mitigação dos
problemas associados aos carregadores bidirecionais (YILMAZ & KREIN, 2013)
5.2 Carregadores de Baterias Bidirecionais
Os carregadores de baterias bidirecionais, Bidirectional Battery Charger (BBC),
permitem o fluxo de eletricidade da rede elétrica para as baterias dos automóveis (modo
recarga) e das baterias para a rede elétrica (modo geração) (BERTOLUZZO; ZABIHI &
BUJA, 2012). A topologia de um carregador de baterias trifásico bidirecional é apresentada
na Figura 15.
Figura 15 - Topologia de um BBC Trifásico Fonte: (SINGH et al, 2003).
Os BBCs estão geralmente construídos por filtros, conversores CA-CC e conversores
CC-CC, ambos bidirecionais. A rede elétrica está acoplada ao conversor bidirecional CA-CC
para a conversão de corrente alternada em corrente contínua e para a correção do fator de
potência, seguido de um conversor CC-CC para regular a corrente das baterias.
Geralmente os conversor são construídos com transistores MOSFET (Metal Oxide
Semiconductor Field Effect Transistor) para níveis baixos de potências, IGBT (Insulated Gate
Bipolar Transistor) para níveis médios de potência e GTO (Gate Turn-off Thyristor) para
níveis altos de potência, em função das propriedades semicondutoras destes dispositivos.
Entre as topologias mais utilizadas para configuração destes carregadores têm-se os
conversores Half-Bridge, Full-Bridge (VSI-CSI), Multilevel (VSI-CSI) e Matriz de
Conversores (YILMAZ & KREIN, 2013), mostrados na Figura 16. Adicionalmente,
configurações de circuitos não-isolados e isolados são aproveitados.
Os conversores Half-Bridge, como se apresentam na Figura 16 (a) e (c), possuem
menor número de componentes semicondutores e menor custo que os conversores Full-
Bridge.
Os carregadores com conversores Full-Bridge, Figura 16 (b), possui mais
componentes, requerendo mais entradas Pulse Width Modulation (PWM), elevando os custos
e a complexidade no controle. Suas vantagens são sua relação de conversão e a alta potência
de operação.
A Figura 16 (d) apresenta a topologia de um conversor CC-CC bidirecional CUK. A
corrente de saída descontínua quando trabalha em modo Boost (elevador) é seu principal
inconveniente. (YILMAZ & KREIN, 2013).
(a) Carregador Bidirecional Monofásico com
Conversor Half-Bridge
(b) Carregador Bidirecional Monofásico com
Conversor Full-Bridge
(c) Topologia de Conversor Bidirecional CC – CC
Half-Bridge
(d) Topologia de Conversor Bidirecional CC – CC
CUK
Figura 16 - Topologias de BBCs para EV Fonte: (YILMAZ & KREIN, 2013) (SINGH et al, 2003) (SIANG & CHEE, 2012).
.
Outro tipo de conversor bidirecional para aplicação em carregadores de baterias são os
conversores Multinível (VSI-CSI). Estes conversores estão configurados com semicondutores
de potência e capacitores como fontes de tensão. Requerem controle mais complexo devido
ao número de chaves utilizadas, tornando-os mais custosos. Ademais, possuem tamanho
reduzido, alto fator de potência, baixo esforço de tensão nas chaves, baixas perdas dos
componentes e são aconselhados para carregadores Nível 3 (YILMAZ & KREIN, 2013).
A Matriz de Conversores fornece formas de onda de entrada e saída senoidais, com
harmônicas de mínima ordem e sem sub-harmônicas. O fator de potência da entrada pode ser
totalmente controlado. Possui requerimentos mínimos de armazenamento de energia que
permite a eliminação dos capacitores de armazenamento volumosos e de vida limitada. No
entanto, têm uma tensão de entrada/saída limitada até 87% para formas de onda senoidais e
precisa de mais dispositivos semicondutores que os conversores convencionais. São
particularmente sensíveis às perturbações do sistema de alimentação (YILMAZ & KREIN,
2013).
Com o crescimento das redes inteligentes ou “smart grids” (uso da tecnologia digital
para o fornecimento de eletricidade aos consumidores) e o conceito de veículo à rede (Vehicle
to Grid, V2G) tem-se procurado um sistema de gestão de eletricidade coordenada entre as
redes elétricas e os EVs.
Este conceito recente de V2G permite, por meio dos BBCs, recarregar as baterias em
um momento de pico de produção de eletricidade e entregar eletricidade à rede elétrica em um
pico de demanda de eletricidade. Outros serviços, como regulação de tensão, regulação da
frequência podem ser realizados com a ajuda dos BBCs.
No entanto, alguns problemas associados à degradação das baterias devido aos
permanentes ciclos de carga e descarga, melhoras nos sistemas de distribuição, circuitos de
controle adicionais, medidas de segurança, sistemas de proteção e custos, têm dificultado sua
aplicação, sendo esperados só para o Nível 2 (nível de recarga público) (YILMAZ & KREIN,
2013).
A Tabela 7 apresenta as topologias e comparações dos carregadores de baterias
unidirecionais e bidirecionais incluindo nível e fluxo de potência, algoritmos de controle,
métodos de melhora de desempenho, efeito sobre as baterias, custos, necessidades e desafios.
Tabela 7 – Topologias e comparações dos UBCs e BBCs para EV
Fonte: (YILMAZ & KREIN, 2013) – Modificado
Situação Nivel de Potência
Fluxo de potência e dispositvos
de chaveamento
Configuração, Isolamento e Segurança Propriedades e compararação Métodos para
melhorar o desempenho
Algoritmo de
controle Controle
Efeito sobre as baterias
Sistema de distribução
Custos e Beneficios
Necessidades e desafíos
Car
rega
dore
s Uni
dire
cion
ais e
In
fres
trut
ura
de R
ecar
rega
Disponível
Nivel 1 (Reisdencial), Nivel 2 (Público/On-Board), Nivel 3
(Rápida/Ultra-
Rápida/Off-Board)
- Fluxo de enêrgia unidirecional, carregador de energia básico (G2V). - Ponte de diodos + conversor unidirecional.
Monofásico Baixa Potência Recarrega Lenta
- Não Isolado - Isolado
- Ponte de diodos + Buck - Ponte de diodos + Boost - Ponte de Diodos + Buck/Boost - Ponte de Diodos + Configuração isolada - Flyback - Forward - Pushpull - Half-Bridge - Full-Bridge - SEPIC - CUK - Multilevel
O conversor Buck é o conversor mais simples dos conversores. Neste conversor a tensão de saída é menor que a tensão de entrada. Requere poucos componentes e seu gasto energético é baixo. - No conversor Boost a tensão de saída é maior que a tensão de entrada. Este conversor possui ao menos um par de diodos e transistores e ao menos um condensador ou qualquer elemento de armazenamento de energia. No conversor Buck-Boost a tensão de saída pode ser maior ou menor que a tensão de entrada. Também, se obtém uma saída de polaridade negativa com respeito a terminal comum da corrente de entrada. A vantagem principal é o baixo numero de dispositivos. Suas desvantagens são o alto rizado da tensão de entrada e o alto esforço elétrico. Flyback é amplamente utilizado onde a conversão isolada é requerida para baixos rangos de potência. Altas tensões de saída são obtidas de um jeito fácil, porque não existe um indutor na seção de saída. É simples e pouco custoso, mas tem alto esforço de tensão e baixa eficiência devido à indutância de fuga. O Forward pode ser considerado uma derivação direta do conversor Push-Pull, onde um dos switches é substituído por um diodo. Esta topologia é usualmente muito comum devido seu custo menor. Similar ao Buck-Boost, o CUK proporciona uma tensão de saída regulada de polaridade negativa respeito a terminal comum da entrada. Suas vantagens são a corrente continua na entrada e saída. As desvantagens são o alto numero de componentes passivos, grandes enrolamentos e alto esforço elétrico. SEPIC possui dois grandes indutores e capacitores de saída, sua corrente de saída é descontinua. Tem uma característica Buck-Boost não inversora. Igualmente mostra (como o Cuk) que o terminal do switch de controle esta conectado à terra, que simplifica a construção do circuito de controle da porta. Os esforços da tensão no capacitor são mais baixos que no CUK. Isto mostra uma corrente de entrada não pulsante. Cuk e SEPIC/Luo podem converter potência bidireccionalmente utilizando dois switches ativos. O esforço da corrente para os switches e diodos no Cuk e SEPIC/Luo são maiores que no Half-Bridge debaixo as mesmas condições de potência e de tensão de entrada/saída. Por tanto, espera-se que o Half-Bridge seja mais eficiente. Também tem um menor numero de indutores e condensadores.
- PFC. - Bridgless Boost PFC. - Interleaved: Reduz a corrente de carregamento das baterias, tamanho do indutor e tensão no capacitor de saída, mas limita o nivel de potência. - Bridgless Interleaved: Alto nivel de potência. - Multicell. - Circuito Ressonante: Reduz os esforços e perdas, possui alta eficiência. - Soft/Hard Switching. - Zero Voltage and Current Switching (ZVS - ZCS): Reduz tamanho e peso.
- PI - PID - Modo Sliding - Lógica Fuzzy - Controle Adaptativo. - Redes Neurais.
- Simples. - Controle ativo de corrente de carregamento. - Controle basico e pode ser controlado por medio de tiempo e enêrgia.
Sem degradação
Não precisa de atualização ou de investimento.
- Fornece serviços baseados em potência reativa e ajuste dinâmico, sem precisar investimento. - Ministra ou absorve potência reativa, sem ter que descarregar a bateria, por meio do controle do ângulo de fase da corrente. - Controle da frequência e tensão. - Custo baixo.
Conexão de potência à rede elétrica.
Trifásico Alta Potência Recarrega Rápida
Car
rega
dore
s Biid
irec
iona
is e
In
fres
trut
ura
de R
ecar
rega
Não Disponível
Esperado só para nivel 2
(Público/On-Board)
- Fluxo de enêrgia y comunicación bidirecional, carrega/descarrega (V2G). - MOSFET (Baixo nivel de Potência). - IGBT (Nivel de potência Meia). - GTO (Alto nivel de potência).
Monofásico Baixa Potência Recarrega Lenta
- Não Isolado - Isolado - Não Isolado tem a vantagens de uma estrutura simples, alta eficiência, baixo custo, alta segurança, etc. - Extensivas medidas de segurança. - Proteção anti-ilhamento. -Problemas de interconexão
- Push-pull - Hall-Bridge - Full-Bridge (VSI - CSI) - Multinivel (VSI - CSI) - Matriz de Conversores
Half-Bridge tem menos componentes, menor custo, simplicidade no controle, esforço mais alto nos componentes. Ele tem o mesmo numero de componentes ativos e passivos como o Buck-Boost de dois quadrantes. Possui só um indutor em vez de dois (SEPIC-CUK). Maior eficiência que o SEPIC e o CUK, porque tem menor perdas de comutação e menor indutor de condução. Seu inconveniente é a corrente de saída descontinua quando funciona como Boost. Full-Bridge mais componentes e entradas PWM, controle complexo, alto custo, mas menor esforço nos componentes. Além disso, tem uma alta relação de conversão e nível de potência. Multilevel requer circuito de controle adicional. Os componentes adicionais incrementam a complexidade e seu custo, mas reduzem o esforço e perdas dos componentes. Possui alta eficiência, reduzindo tamanho e frequência de comutação. Matrix Converters fornece formas de onda de entrada e saída sinusoidais, com harmônicas de mínimo ordem e sem sub-harmônicas. Têm um fluxo de energia bidirecional; o fator de potência da entrada pode ser totalmente controlado. Possui requerimentos mínimos de armazenamento de energia que permite a eliminação dos capacitores de armazenamento voluminosos e de vida limitada. No entanto, têm uma tensão de entrada/saída limitada até 87% para formas de onda sinusoidais e precisa mais dispositivos semicondutores que os conversores CA-CA convencionais. São particularmente sensíveis às perturbações do sistema de alimentação.
- Complexo. - Precisa de circuitos de controle adicionais.
Degradação devido à continua carrega/descarrega (fluxo de potência bidirecional)
Precisa de atualização e de custos de investimento
- Serviços auxiliares como regulação de tensão e regulação de frequência - Suporte de potência reativa. - Balaço energético. - Custo alto.
-Comunicação e potência bidirecional. - Medição e monitoramento inteligente. - Troca de informação importante. - Investimento e custos adicionais. - Perdas de energia.
Trifásico Alta Potência Recarrega Rápida
5.3 Carregadores Integrados
Uma das formas de diminuir a eletrônica de potência, peso e volume no interior dos
PEV e ainda poder recarregar suas baterias quando for preciso, é por meio dos carregadores
de baterias integrados, Integral Battery Charger (IBC). Os IBC surgem da idéia de usar todos
ou alguns dos dispositivos de potência do sistema de tração do veículo.
Os enrolamentos do motor de tração, dispositivos de comutação e conversores
bidirecionais formam o IBC, como mostrado na Figura 17.
Figura 17 - Estrutura típica de carregador integrado para PEV Fonte: (YILMAZ & KREIN, 2013)
Uma vez que o motor de tração é usado, os modos de carregamento das baterias e
movimento do veículo não podem operar simultaneamente. O carregamento ou movimento do
veículo ativa-se abrindo ou fechando comutadores geralmente de tipo eletromecânico. Seu
fator de potência unitário, baixo custo e geração de alta potência são ideais para os níveis de
carregamento 2 e 3, sendo suas maiores vantagens. No entanto, a complexidade no controle e
hardware adicional são suas desvantagens.
Outras topologias derivadas dos conversores citados anteriormente têm sido
desenvolvidas para melhorar o desempenho dos carregadores de baterias. Nesse sentido,
pode-se citar a técnica de intercalamento (Interleaving), que consiste de dois conversores
Boost em paralelo e operando na mesma frequência de conversão, porém desafasados de 180º
entre si (BELTRAME, 2009). O Interleaving reduz o tamanho do conversor, reduz o ripple de
corrente e o tamanho do indutor. A topologia Bridgless Boost PFC resolve o problema do
aquecimento na entrada da ponte retificadora (YILMAZ & KREIN, 2013), enquanto os
circuitos ressonantes reduzem os esforços nas chaves de comutação e as perdas.
5.4 Modelagem Proposta
Nos próximos anos, as redes elétricas enfrentarão dois grandes desafios, suportar a
inserção dos veículos elétricos plug-in PEV nas redes de distribuição e combinar
convenientemente o fornecimento não administrável das energias renováveis com a demanda
diária de energia elétrica.
Nesse sentido, conforme Figura 18, os PEV podem ser definidos como sistemas de
armazenamento ou sistemas de consumo de energia.
De um lado, os PEV como sistemas de armazenamento, podem trabalhar em conjunto
com as redes de distribuição para armazenar e entregar energia nas mesmas. Por outro lado,
como sistemas de consumo, podem se apresentar como um novo tipo de carga que contribuem
com a degradação da qualidade da energia elétrica.
Figura 18 - Inserção dos PEV nas redes de distribuição Fonte: (VIAN, 2009)
O adequado funcionamento dos PEV, como sistemas de consumo e/ou sistemas de
armazenamento, e os novos problemas inerentes à inserção dos PEV nas redes de distribuição
podem ser minimizados, em grande parte, pelo adequado desenho do carregador das baterias.
Por este motivo, os carregadores de baterias são uns dos componentes mais
importantes que podem aumentar significativamente o ciclo de vida das baterias e aumentar a
eficiência de carregamento. Além disso, podem minimizar os tempos de recarga, atingir um
balanço entre produção e consumo, reduzir os custos da energia e melhorar a qualidade da
energia fornecida e consumida da fonte de alimentação.
Neste trabalho, é proposta uma topologia de um carregador monofásico bidirecional
para baterias de Lition-Ion para PEV, formado por dois estágios de conversão de energia.
Conforme Figura 19, o primeiro estágio está constituído por um conversor Full-Bridge
Bidirectional. No modo de carregamento, este conversor é o encarregado pela conversão da
CA em CC para o segundo estágio do conversor, mantendo o fator de potência unitário. No
modo geração, o conversor é encarregado pela conversão CA em CC, fornecida pelo segundo
estágio.
O segundo estágio de conversão é composto pelo conversor Bidirectional Isolated
Full-Bridge. Este conversor ajusta a tensão e corrente do conversor Full-Bridge do primeiro
estágio para carregar as baterias de forma controlada, no modo de carregamento.
Adicionalmente, é também responsável pela regulação de tensão e corrente entregue pelas
baterias para o primeiro estágio, quando operando no modo de geração.
Figura 19 - Topologia de carregador bidirecional monofásico Fonte: Elaboração própria
5.4.1 Estágio CA/CC e CC/CA
O conversor bidirecional em ponte completa (Bidirectional isolated Full-Bridge) é
utilizado de maneira a transferir uma maior quantidade de energia de forma bidirecional, com
menor peso e volume, possuindo alta eficiência e podendo controlar a forma de onda e o fator
de potência da corrente consumida (SINGH et al, 2003) (TUAN et al, 2012).
Este circuito atua como um controlador ativo do fator de potência, Active Power
Factor Controller (APFC), que devido à atuação de seus interruptores e a adequada estratégia
de controle, pode diminuir a emissão de harmônicos e manter o fator de potência unitário.
A Figura 20 ilustra esta etapa de conversão que possui dois modos de transferência de
energia: o modo retificação e o modo inversão.
Figura 20 - Retificador/Inversor monofásico, com trânsito de potência bidirecional. Fonte: (TUAN, 2012) – Modificado
A Figura 21 apresenta os modos de conversão de potência. De um lado, trabalhando
como retificador, o valor médio da corrente de Icc é positivo e a corrente Is está em fase com
VCA, Figura 21como apresentado nas (b) e 21 (d). Figura
21
Por outro lado, no modo inversão,
(c) e (e), o valor médio da corrente de Icc é negativo e a corrente Is está em oposição de
fase relativamente a V
Diante do controle da amplitude e o ângulo de fase de VCA.
r
, os valores da potência ativa
P e a potência reativa Q podem ser determinados, além, da direção do fluxo de potência
(JAVDANI, 2011) (MOHAN, 2003).
(a) Diagrama fasorial Geral
(b) Modo Retificação (c) Modo Inversão
(d) Retificação (e) Inversão
Figura 21 - Modos de conversão de potência – Retificação e Inversão Fonte: (MOHAN, 2003)
Considerando a malha de entrada e as componentes fundamentais destas grandezas,
obtém-se a potência ativa e potência reativa fornecidas pela fonte CA como mostra a Eq. (5.1)
e a Eq. (5.2), respectivamente (MOHAN, 2003).
(5.1)
(5.2)
O vetor IS pode ser expresso como mostra a Eq. (5.3). Assim, os valores de P e Q
podem ser determinados a partir da amplitude e da fase de Vr
.
(5.3)
5.4.1.1 Modo Retificação CA/CC
Neste modo, o conversor trabalha em operação rede elétrica – veículo (Grid to
Vehicle, G2V), ou seja, trabalha realizando a conversão do sinal CA da rede de distribuição
em CC mantendo o fator de potência unitário, para o estágio CC/CC do carregador de baterias
do EV (TUAN et al, 2012). Este modo é apresentado pela Figura 22.
Figura 22 – Modo retificação G2V (Grid to vehícle) Fonte: (TUAN, 2012) – Modificado
Esse modo possui quatro etapas principais de operação num período de comutação,
como é apresentado na Figura 23. A corrente de entrada é assumida sem distorção e em fase
com a tensão. Todos os elementos são ideais e o conversor opera em regime permanente.
Durante o semi-ciclo positivo da fonte VCA e a ligação dos Mosfet S2 e S4, atuando
como interruptores ligados, a corrente circula através dos mesmos, armazenando energia no
indutor Ls , Figura 23como é mostrado (a). Esta é a primeira etapa de operação.
Na segunda etapa, o Mosfet S2 está desligado e os diodos D1 e D4 intrínsecos aos
Mosfet S1 e S4 são polarizados diretamente. A fonte VCA e o indutor Ls
Figura 23
enviam energia ao
capacitor e à carga através destes diodos, como apresentado na (b).
No semi-ciclo negativo da fonte VCA, terceira etapa de operação, os Mosfets S2 e S4
recebem a sinal de condução. Essa operação permite circular corrente negativa para ser
armazenada no indutor Ls Figura 23, como apresentado a (c).
Na quarta etapa de operação, o Mosfet S4 está desligado e os diodos D2 e D3
intrínsecos aos Mosfets S2 e S3 são diretamente polarizados. Assim, a fonte VCA e o indutor Ls
Figura 23
enviam energia ao capacitor e à carga resistiva através deles, como mostrado na (d).
O ciclo de comutação se repete novamente, terminando esta etapa.
(a) Primeira Etapa de Operação (b) Segunda Etapa de Operação
(c) Terceira Etapa de Operação (d) Quarta Etapa de Operação
Figura 23 - Etapas de operação do conversor no modo retificação Fonte: Própria do Autor
De acordo às etapas de operação, esta topologia no modo retificação pode ser
analisada como a topologia do conversor Boost convencional, já que é considerado que a
frequência de comutação fs é muito maior que a frequência da rede elétrica (f) de 60 Hz. Além
disso, assume-se que, para um período de comutação dos interruptores, a variação da tensão
de entrada é mínima e, neste caso, desprezada. Por tanto, a tensão de entrada é considera
constante (ORELLANA, 2011) (MUHAMMAD, 1999).
A Figura 24 apresenta os circuitos equivalentes e as formas de onda do conversor
Boost. As Figura 24 (a) e (b) apresentam o modelo reduzido do conversor Boost e, suas
formas de onda obtidas a partir das etapas de operação são apresentadas na Figura 24 (c).
(a) Circuito Equivalente do Conversor Boost – Estado
Ligado
(b) Circuito Equivalente do Conversor Boost – Estado Desligado
c) Formas de onda do conversor Boost
Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. Fonte: (ORELLANA, 2011) (AHMED, 2009) (BATSCHAUER, 2012)
A partir das formas onda da Figura 24 (c) é possível determinar os equacionamentos
necessários para o dimensionamento de cada componente do circuito de potência, do indutor
Boost e do capacitor de filtro de saída.
Lembrando-se que a razão cíclica de operação (D), define-se como a relação entre seu
tempo de condução ton e seu período de comutação Ts
, Eq. (5.4).
(5.4)
Define-se o parâmetro β como o ganho do conversor, ou seja, a relação entre a tensão
nominal de saída e o valor pico da tensão de entrada, como mostrado na Eq. (5.5).
(5.5)
A partir da Eq. (5.4) e Eq. (5.5) é obtida a Eq. (5.6), que relaciona o valor da razão
cíclica D com a variação de frequência angular ωt da tensão de entrada VCC
.
(5.6)
onde:
D(ωt) é o valor instantâneo da razão cíclica e VCC
é definido como a tensão de entrada
instantânea. Substituindo a Eq. (5.5) na Eq. (5.6), obtém-se a Eq. (5.7):
(5.7)
Na Figura 25, pode-se identificar o valor mínimo da razão cíclica Dmin
em função do
parâmetro β. Este valor ocorre no instante da passagem pelo pico de tensão de alimentação
em ω·t=π/2, repetindo-se no semi-ciclo negativo para um valor ω·t=3π/2. Substituindo
ω·t=π/2 na Eq. (5.7) obtém-se o valor mínimo da razão cíclica mínima em função do
parâmetro β na Eq. (5.8).
(5.8)
Figura 25 - Variação da razão cíclica em função de ωt Fonte: (ORELLANA, 2011)
5.4.1.1.1. Determinação do indutor Boost
Para o dimensionamento da indutância de entrada Ls
Figura 26
é necessária a determinação da
ondulação da corrente de entrada. A análise deste parâmetro é realizada observando-se um
período de comutação do Mosfet, de acordo com (LESSA, 2005) e (ORELLANA, 2011). A
apresenta a variação máxima da corrente parametrizada no indutor Lb
expressada
em função da frequência angular e representada na Eq. (5.9).
Figura 26 - Corrente Parametrizada no Indutor LFonte: (ORELLANA, 2011)
S
(5.9)
Desta maneira, a Eq. (5.10) expressa o valor da indutância LS, que se encontra em
função da variação da tensão de saída, da ondulação percentual da corrente no indutor LS
e da
ondulação de corrente parametrizada (ORELLANA, 2011).
(5.10)
Por último, o valor máximo da corrente que circula através do indutor LS,
para uma
condição de tensão mínima de entrada é dada pela Eq. (5.11).
(5.11)
5.4.1.1.2. Determinação do Capacitor CLinkcc
Para o cálculo do capacitor CLinkcc é considerado o valor de tensão mínima Vdes do
conversor Full-Bridge e o parâmetro ∆t (hold-up time ou tempo de sustentação da tensão), o
qual determina o tempo máximo que o capacitor poderá manter a tensão mínima na saída do
conversor. A Eq. (5.12) mostra o valor do CLinkcc
que deve ser projetado para suportar cargas
não lineares. Este valor é calculado e obtido seguindo às recomendações da TI (Texas
Instruments) (ORELLANA, 2011) (PICARD, 2010).
(5.12)
5.4.1.2 Modo Inversão CC/CA
A Figura 27 apresenta o modo inversão CC/CA do conversor. Este modo trabalha em
operação veículo-rede elétrica (Vehicle to Grid, V2G), ou seja, fazendo a conversão da tensão
CC armazenada no capacitor em CA para ser injetada na rede de distribuição. De acordo com
o diagrama fasorial da Figura 21 (c), a corrente IS deve ser injetada à rede em oposição de
fase a Vr,, a partir do controle do ângulo de fase de Vr
, por meio do comando dos Mosfets do
inversor.
Figura 27 - Modo inversão V2G (Vehicle to Grid) Fonte: (TUAN, 2012) – Modificado
A partir das técnicas de modulação unipolar e modulação bipolar, (MOHAN, 2003)
(MUHAMMAD, 2011), os Mosfets do inversor são comandados, permitindo obter uma tensão
VCC
As
que depende do padrão de comportamento da razão cíclica de operação (ELMANO,
2012).
Figura 28 e Figura 29 apresentam as etapas de operação do inversor sob modulação
bipolar e sob modulação unipolar, respectivamente.
Figura 28 - Etapas de operação do inversor Full-Bridge sob Modulação Bipolar Fonte: (ELMANO, 2012)
Figura 29 - Etapas de operação do inversor Full-Bridge sob Modulação Unipolar Fonte: (ELMANO, 2012)
Considerando as etapas de operação do inversor Full-bridge na direção proposta, o
mesmo apresenta um comportamento semelhante a de um conversor Buck, podendo-se
representar o inversor da Figura 27 pelo circuito equivalente da Figura 30, o qual possui duas
etapas de operação apresentadas na Figura 30 (a) y Figura 30 (b).
Nesse sentido, deve-se ter em conta que a tensão do barramento VCC tem que ser
superior ao máximo valor pico da tensão da rede VCA
A frequência de comutação do inversor (f
.
s) é a metade da frequência do interruptor
Buck (fss
), devido à utilização de modulação unipolar, Eq. (5.13).
(5.13)
Assim, a partir do ganho de tensão do conversor Buck, pode-se garantir que qualquer
que seja o valor de LS, a razão cíclica é invariável quanto forma e a amplitude e que a razão
cíclica máxima Dmax
Figura 31
é seu próprio índice de modulação. A Eq. (5.14) é apresentada
graficamente na , para identificar o valor máximo da razão cíclica Dmax
que no caso
é π/2.
(5.14)
(a) Circuito equivalente do conversor Buck –Chave Ligada
(b) Circuito Equivalente Conversor Buck –Chave Desligada
c) Formas de onda do conversor Buck
Figura 30 - Circuito equivalente do conversor Buck Fonte: (AHMED, 2009)( BATSCHAUER, 2012)
Figura 31 - Curva da razão cíclica em função de ω·t Fonte: (ELMANO, 2012)
5.4.1.1.3. Determinação do Indutor Buck
A indutância LS pode ser determinada a partir da Eq. (5.15) usando as condições do
contorno do pior caso, que ocorre no pico de ILs e com uma ondulação máxima especificada
∆iLs
(ELMANO, 2012).
(5.15)
A Eq. (5.16) expressa o valor pico de ILS e a Eq. (5.17) expressam o valor eficaz de ILS
em função do rendimento do inversor η e da potência Po
drenada pelo inversor do Link-cc.
(5.16)
(5.17)
5.4.2 Estágio CC/CC
A Figura 32 apresenta o segundo estágio do carregador do EV composto pelo
conversor Bidirecional Full-Bridge isolado em ponte completa (Bidirectional Full-Bridge
isolated). Este estágio é constituído por uma ponte Full-Bridge como fonte de tensão no lado
do Linkcc usando o capacitor CLinkcc. Um transformador de alta frequência une outra ponte
Full-Bridge como fonte de corrente usando o indutor Lo
. Estas pontes permitem a
bidirecionalidade deste conversor controlando a razão cíclica D. O transformador de alta
frequência, que divide o lado das baterias do lado da alimentação, fornece isolamento
galvânico com o propósito de proteção e redução da compatibilidade eletromagnética CEM
(Electromagnetic Compatibility, EMC) (KRISMER, 2010).
Figura 32 - Conversor Bidirecional Isolado em Ponte Completa Fonte: (TUAN, 2012) (KRISMER, 2010) – Modificado
Ademais, operando o conversor com características de modulação por deslocamento
de fase (phase-shift), comutação sob tensão nula (Zero Voltage Switching, ZVS) e comutação
sob corrente nula (Zero Current Switching, ZCS) (TUAN, 2012) (KRISMER, 2010) é
possível aumentar o rendimento do conversor e minimizar as perdas do mesmo.
Normalmente este conversor é utilizado para potências maiores que 500W
(JAVDANI,2011)( MUHAMMAD, 2011) e em frequências de comutação elevadas,
permitindo a redução dos componentes como o transformador e indutor (KRISMER, 2010).
De modo a transferir a potência variável no tempo, as tensões vCA1(t) e vCA2(t) tem que
ser fornecidas por as pontes, considerando o transformador Tr com relação de transformação
n e o indutor Llk. Desta maneira, as pontes podem ser substituídas pelas respectivas fontes de
tensão vCA1(t) e vCA2(t). Para simplificar a análise e a compreensão do funcionamento do
sistema, todos os componentes são considerados ideais, as perdas são desprezadas e as
tensões VCA2 e VCA2 Figura 33 são constantes (KRISMER, 2010). A apresenta o modelo sem
perdas do conversor.
Figura 33 - Modelo do Conversor sem Perdas Fonte: (KRISMER, 2010) - Modificado
O nível de potência do conversor é ajustado utilizando um ou mais dos seguintes
parâmetros, de acordo à modulação empregada.
• O deslocamento de fase ϕ, entre vCA1 e vCA2
• A razão cíclica D
.
1, de vCA1(t) com 0 < D1
• A razão cíclica D
< 0,5.
2, de vCA2(t) com 0 < D2
• A frequência de chaveamento f
< 0,5.
s
.
No entanto, o princípio de modulação mais simples que permite o controle da
transferência de potencia é o chamado modulação por deslocamento de fase (phase-shift).
Este tipo de modulação opera o conversor com uma frequência de chaveamento constante e
com as razões cíclicas máximas D1 = D2 = 0,5. O atraso de tempo δ*T1/2
segundos entre as
portadoras produzem a defasagem angular ϕ entre as tensões no primário e secundário do
transformador. A razão de defasagem entre as tensões do transformador esta definido pela Eq.
(5.18) onde ϕ ∈[-180º, 180º] (WODSON, 2013).
(5.18)
De acordo à Eq. (5.19) a transferência de potência é controlada pelo ângulo de
deslocamento de fase ϕ entre o primário e secundário do transformador. Quanto maior a
diferença de fase, maior é a potência transferida. A máxima transferência de potência é
alcançada quando a defasagem angular ϕ=±90º .
(5.19)
Como resultado, tem-se que o fluxo de potência entre VCA1 e VCA2
• Se P >0, então, denota fluxo de transferência de V
é controlado
através de ϕ. Assim,
CA1 para VCA2, sendo VCA1
• Se P < 0, então, denota fluxo de transferência de V
o
barramento de maior tensão;
CA2 para VCA1, sendo VCA1
o
barramento de menor tensão.
A Figura 34 apresenta as formas de onda das tensões no primário do transformador
VCA1 e no secundário do transformador VCA2, além da corrente no indutor Llk
Figura 34
. De outro lado, a
(a) apresenta o fluxo de potência de VCA1 para VCA2 Figura 34 e a (b) apresenta o
fluxo de potência de VCA2 para V
CA1.
(a) Formas de onda das tensões no transformador e corrente no indutor Llk – Fluxo de potência de VCA1
para V
(a) Formas de onda das tensões no transformador e corrente no indutor L
CA2 lk – Fluxo de potência de VCA2
para V
Figura 34 - Formas de onda das tensões no transformador e corrente no indutor LCA1
lk
Fonte: (WODSON, 2013) - Modificado
Desta maneira, este conversor tem a capacidade de operar em modo de carregamento
(G2V) ou modo Buck e em modo de geração (V2G) ou modo Boost, dependendo da direção
da potência transferida entre a entrada e a saída, que é controlada através do ângulo de
deslocamento de fase ϕ.
5.4.2.1 Modo de Carregamento (V2G)
Conforme é apresentado na Figura 35, neste modo de operação, as baterias são
recarregadas por meio do fluxo de energia de VCA1 para V
Por meio dos Mosfets S5, S6, S7 e S8 e a lógica de controle empregada, a tensão
alternada V
CA2
CA1 é fornecida ao indutor em série com o enrolamento do lado primário do
transformador Tr. A ponte composta por os Mosfets S9, S10, S11 e S12 retificam a tensão
VCA2 e por meio do filtro de segunda ordem composto pelo indutor Lo e o capacitor Co
filtram
a tensão para fornecê-la às baterias (KRISMER, 2010).
Figura 35 - Conversor Operando em modo carregamento (G2V) Fonte: (TUAN, 2012) - Modificado
5.4.2.2 Modo Geração (G2V)
Neste modo de operação, o fluxo de potência é das baterias para o Linkcc, como
apresentado na Figura 36. O conversor formado pelos Mosfets S9, S10, S11 e S12 gera uma
corrente alternada iCA2 nos terminais do transformador Tr. O lado composto pelos Mosfets S5,
S6, S7 e S8 retificada a tensão VCA1 e, o capacitor Clinkcc, fornece o filtragem da tensão de
saída V
linkcc.
Figura 36 - Conversor Operando em Modo Geração (V2G) Fonte: (TUAN, 2012) - Modificado
Para o cálculo dos componentes deste estágio, deve-se considerar que a tensão de saída
do estágio CA/CC (tensão do linkcc, Vlinkcc ) é a própria tensão de entrada para este estágio,
além do valor de potência Po e da frequência de chaveamento fs
. Assim, os valores dos
componentes obtidos para o modo de carregamento e modo geração são os mesmos para os
dois modos, sendo o defasagem angular ϕ entre as tensões no primário e secundário do
transformador o controle para a quantidade e o fluxo de potência entre o lado da bateria e o
linkcc. As chaves semicondutoras de cada ponte operam com um ciclo de trabalho de 50%
(WODSON, 2013).
5.4.3 Método de carregamento das baterias de Lition-Ion
Devido às estritas especificações que precisa a recarrega das baterias de Litio-Ion,
normalmente é utilizado um algoritmo ou método pelo qual o carregador restabelece a carga
às baterias, ou seja, como o carregador controla a tensão aplicada, a quantidade de corrente
fornecida e os tempos das etapas de carregamento.
Como apresentado na Figura 37, na primeira etapa chamada fase Bulk, a bateria está
parcial ou totalmente descarregada. Nesta etapa é plicada uma corrente constante limitada
pelo carregador de 1A, aumentando a tensão por célula até atingir seu máximo permitido
(4.2V por célula). Na segunda etapa, chamada fase Absorção, a bateria alcança 100% de sua
carrega e a tensão mantém-se constante e a corrente de recarga reduz-se exponencialmente até
atingir um valor de 3% da corrente nominal da célula. O tempo total de carregamento é
aproximadamente três horas e, para este tipo de baterias não existem carregadores rápidos,
pois sua estrutura química não permite. Por outro lado, esta técnica de carregamento prolonga
o tempo útil de vida da bateria, já que a célula pode ser carregada a 80% da tensão nominal
(4.1V, 0.8C, 80% da capacidade) (ORELLANA, 2011).
Figura 37 – Etapas de carregamento da bateria de Lition-Ión Fonte: (ORELLANA, 2011) (BUCHMANN, 2013) - Modificado
Capítulo 6
6. Especificações do modelo e simulações
De acordo à Figura 38 o carregador de bateria proposto conecta-se à rede de distribuição
de baixa tensão em um nível de tensão de 220V eficazes em corrente alternada. No modo de
carregamento (G2V), a rede injetará potência nas baterias de Lition-Ion e no modo de
descarregamento (V2G), o banco de baterias fornecerá potência para a rede, necessitando de
um conversor bidirecional CA/CC.
Figura 38 – Modelo do carregador bidirecional para o EV Fonte: Elaboração própria
6.1 Especificações do modelo
Decidiu-se utilizar uma bateria de lítio-Ion com tensão em seus terminais de 400V e uma
energia de 25kWh o qual corresponde a um valor bastante aproximado às baterias dos PEV
comercializados atualmente.
Para o acoplamento das baterias com o conversor CA/CC é necessário um conversor
CC/CC que acople os 400V do linkcc e os 400V nominais da bateria escolhida. Este
conversor CC/CC possui características tais como isolamento galvânico o que lhe conferi
maior segurança, fluxo bidirecional para o carregamento e descarregamento das baterias, alta
transferência de potência, alta densidade de potência e amplo range em acordo às variações
de carga.
Desta forma as especificações técnicas para o carregador de baterias são apresentadas na
Tabela 8. Deve-se considerar que os carregadores para EV devem operar em uma ampla faixa
de tensão. Além disso, algumas considerações são feitas de acordo às características gerais
dos carregadores on-board apresentadas na Tabela 9. As considerações adotadas são
apresentadas na tabela 10.
Assim, a partir destes dados serão calculados para os dois estágios de conversão os
componentes principais do carregador de baterias bidirecional tais como Ls, Clinkcc, Llk, Tr, Lo
e Co
, Os demais componentes do carregador serão considerados ideais.
Tabela 8 – Especificações do carregador bidirecional
Parâmetro Descrição Valor
𝑉𝐶𝐴 Tensão de entrada CA nominal 220 ± 10%
𝑉𝑙𝑖𝑛𝑘𝑐𝑐 Tensão no linkcc 400V ± 5%
𝑃𝑜 Potência nominal de saída 2,5kW
𝑉𝑏𝑎𝑡 Tensão de saída CC nominal 400V
Tabela 9 – Características típicas de um carregador bidirecional on-board
Rendimento baixo carga total >90% (para potência de entrada de 2,2kW)
Tensão de entrada 50-60Hz, 230Vrms ±10%, (provendo 380V no linkcc)
Corrente de entrada CA < 10A
Potência de saída CC 2kW @ 90% durante o carregamento total da bateria
Controle PWM para um fator de potencia unitário
EMC Standard IEC61000-1-1 and <5% THD
Classe de proteção Isolamento galvânico
Resfriamento Ar
Fonte: (GOULD, 2013)
Tabela 10 – Considerações para o carregador bidirecional
Parâmetro Descrição Valor
𝑓𝑠 Frequência de comutação 30kHz
𝜂 Rendimento teórico 0,95
𝑃𝑜 Potência nominal de saída 2,5kW
𝑉𝑏𝑎𝑡 Tensão de saída CC nominal 400V
Δ𝑉𝐼𝐿𝑠𝑚𝑎𝑥 Valor porcentual da variação da corrente no indutor Ls
0,2
%∆𝑉𝐶𝐶𝑚𝑎𝑥 Valor máximo porcentual da variação da tensão de entrada
0,2
𝑉𝑑𝑒𝑠 Variação da tensão de saída
linkcc 375
∆𝑡 Tempo de sustentação da tensão 8,3[ms]
∆𝑖𝐿𝑠 Máxima ondulação de corrente
no indutor L2%I
s
Lsrms
6.1.1 Estágio CA/CC – CC/CA
6.1.1.1 Dimensionamento do Indutor Ls
no modo Boost
Calculando primeiro o parâmetro do ganho do conversor β da Eq. (5.5) e a corrente
parametrizada ∆𝐼𝐿𝑠𝑚𝑎𝑥 da Eq. (5.9) o valor da indutância de entrada Ls é determinada a partir
da Eq. (5.10).
(6.1)
[A] (6.2)
[µH] (6.3)
6.1.1.2 Determinação do capacitor Clinkcc
no modo Boost
A partir da Eq. (5.12) o capacitor do Linkcc é calculado por meio dos parâmetros
adoptados de Vdes
e ∆t.
[µF] (6.4)
6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor Ls
no modo Buck
Como a ondulação proposta é função da máxima corrente de entrada, a mesma deve
ser calculada. A potência de entrada é dada pela Eq. (5.17).
[A] (6.5)
Por tanto, a ondulação de corrente é igual a ∆ILsrms
= 0,2.
Da Eq. (5.14) e Eq. (5.16) obtém-se o valor máximo da razão cíclica e a corrente de
pico no indutor Ls
para assim obter o valor do indutor Buck da Eq. (5.15).
(6.6)
[A] (6.7)
[µH] (6.8)
Assim, os valores encontrados dos indutores no modo Boost e no modo Buck são
muito aproximados, validando as expressões desenvolvidas. As chaves, os capacitores e seus
diodos intrínsecos serão utilizados nos dois modos de conversão.
6.1.2 Estágio CC/CC
Utilizando os parâmetros das Tabelas 8, 9 e 10, além das considerações para este
estágio de conversão apresentadas na Tabela 11, obtém-se o valor de Clinkcc, indutância Llk, Co
e Lo.
(WODSON, 2013).
Tabela 11 – Considerações para estagio CC/CC
Parâmetro Descrição Valor
𝜑 Defasagem angular 90º
A partir da Eq. (6.10) obtém-se o valor da indutância Llk, que depende dos valores das
tensões Vlinkcc, Vbat, Po e fs
, assim como da razão de defasagem angular obtida a partir da Eq.
(5.18).
(6.9)
(6.10)
[µH] (6.11)
Os valores dos capacitores Clinkcc e Cbat
estão definidos pela Eq. (6.12) e Eq. (6.13)
(WADSON, 2013).
(6.12)
(6.13)
Os valores da tensão da bateria Vbat refletida ao lado da tensão Vlinkcc e o valor do
Vlinkcc refletida ao lado do Vbat
são dados pelas Eq. (6.14) e Eq. (6.15). A relação de
transformação N=1 assim como os capacitores em paralelo com as chaves semicondutoras
produzem a comutação em tensão nula ZVS, ou seja, a tensão é mantida constante durante o
intervalo de comutação e as perdas por comutação são diretamente proporcionais aos valores
da capacitância adicionados em paralelo (WADSON, 2013)
(6.14)
(6.15)
Sendo ∆Vc = 1%Vlinkcc para Clinkcc e ∆Vc = 1%Vbat para Vbat
(WADSON, 2013), obtém-
se os valores dos capacitores das Eq. (6.12) e Eq. (6.13).
[µF] (6.16)
[µF] (6.17)
6.2 Controle proposto
De acordo com os parâmetros desejados, o circuito de controle aplicado ao carregador
de baterias deve ter capacidade de atuar e manter a operação do sistema.
6.2.1 Controle do estágio CA/CC
Neste estágio é proposta a técnica de controle por corrente média, amplamente utilizada
no controle de retificadores com elevado fator de potência, PFC. Esta técnica de controle gera
sinais de comando para os interruptores do retificador CA/CC a fim de manter a corrente de
entrada aproximadamente com a mesma forma e em fase com a tensão de entrada senoidal
(MUHAMMAD, 2011) (ELMANO, 2012) (ORELLANA, 2011).
A Figura 39 apresenta o diagrama de blocos do controle implementado, onde o
compensador da malha de corrente Hx se dedicará a manter a corrente de entrada com a
mesma forma e em fase com a tensão de entrada senoidal. Além disso, um compensador de
tensão Hl
ajusta a amplitude do sinal a fim de regular a tensão de saída por meio do sinal de
erro entre a tensão de linha e a tensão de saída retificada (MUHAMMAD, 2011).
Figura 39 – Diagrama de blocos de PFC Fonte: (MUHAMMAD, 2011) - Modificado
6.2.2 Controle do estágio CC/CA
O retificador monofásico com PFC do estágio CA/CC difere do inversor monofásico em
ponta completa com saída em corrente e interligado à rede elétrica do estado CC/CA, só no
sentido do fluxo de potência, sendo que para o inversor, esse fluxo é bidirecional. Por esse
motivo, a técnica de controle por corrente média implementada no estado CA/CC se adéqua
ao controle do inversor monofásico deste estágio (ELMANO, 2012).
6.2.3 Controle do estágio CC/CC
O controle deste estágio de conversão é por meio da modulação por deslocamento de fase
(phase-shift), visto no Capítulo 5. Para este método de modulação, o controle atua somente na
razão de defasagem δ. A Figura 40 apresenta o diagrama de blocos implementado para o
controle do conversor.
A tensão de saída é controlada por meio de um controlador proporcional – integral PI de
modo a manter a tensão constante a medida que a carga varia.
Por outro lado, o controlador da corrente por meio de um controlador PI garante o
deslocamento relativo entre as pontes para gerar as respectivas ondas quadradas.
Figura 40 – Diagrama de Blocos para o controle do estágio CC/CC Fonte: (SEGARAN; HOLMES & McGRATH, 2008) – Modificado
6.3 Simulações e resultados
Com o objetivo de verificar as principais formas de onda e o comportamento do
carregador de baterias proposto, o diagrama de blocos da Figura 41 é representado por meio
do circuito da Figura 42 e simulado a partir do software Simulink do Matlab.
O módulo SimPoweSystem do Simulink é utilizado para o sistema de potência e para o
sistema de controle e medição. Os distintos módulos da biblioteca do Simulink são
aproveitados devido a sua disponibilidade de blocos, controle sobre o processo da simulação e
interatividade com o usuário (MATHWORKS, 2012).
Figura 41 – Diagrama de blocos do carregador bidirecional
O modelo da Figura 42 é projetado para uma tensão monofásica de 220VCA na entrada
do carregador. O indutor da rede Ls possui uma indutância de 790µH. Três pontes completas
de chaves Mosfet com seus respectivos diodos intrínsecos e em paralelo com capacitores
permitem a possibilidade de bidirecionalidade e, poder atingir ZVS. O capacitor de 2174µF
representa o linkcc entre o conversor CA/CC e o conversor CC/CC. A indutância de fuga Llk
de 300µH é inserida em série com o transformador de alta frequência e relação de
transformação N:1. Uma indutância Lo de 1pF e um capacitor Co
de 33µF para diminuir a
tensão de ripple são inseridos em paralelo às baterias de Lition-Ion de 400V em seus
terminais.
Figura 42 – Modelo do carregador de baterias simulado em SimPowerSystem
O modelo da bateria de Litio-Ion do módulo do Simulink do Matlab é utilizado para a
simulação. Este modelo de bateria proporciona o SOC, tensão e a corrente, de modo que
possa ser avaliado o correto funcionamento do carregador em seu modo de carga e descarga,
respectivamente. Este modelo considerada a resistência interna constante durante os ciclos de
carga e descarga, não variando com a amplitude da corrente. A capacidade da bateria não
muda com a amplitude da corrente. A temperatura não afeta o comportamento da bateria. Não
é representada a auto-descarga da bateria. Apesar destas simplificações, os resultados obtidos
com este modelo correspondem com a realidade ((MATHWORKS, 2012).
A capacidade das atuais baterias dos veículos elétricos é de 10 e 30kWh que podem
oferecer entre 100 e 200km de autonomia dependendo da potência do motor (SIANG &
CHEE, 2012) (BUCHMANN, 2013).
Assim, a Figura 43 apresenta os parâmetros e as curvas de descarga da bateria no modelo
do Simulink para atingir 400V e uma energia de 12kWh.
(a) Parâmetros da bateria de Lition-Ion (b) Curvas de descarrega da bateria de Lition-ion
Figura 43 – Parâmetros e curvas de descarga da bateria de Lition-Ion
De acordo com a Figura 43 (b) a tensão nominal da bateria é a tensão quando termina-se
a zona linear da curva de descarga. Quando a bateria esta totalmente carregada e começa a
descarregar, produz a primeira curva exponencial. Nesse caso, a tensão diminui rapidamente e
chega até a zona linear. Nesta zona a tensão é praticamente constante começando a descer
lentamente durante a descarga da bateria, até chegar à segunda zona exponencial. Nesse
ponto, não se aconselha utilizar a bateria devido à grande queda de tensão. Por isso, a bateria
é usada normalmente com uma tensão maior que a tensão nominal, pois na primeira zona
exponencial, assim como na zona linear, a tensão é maior que a tensão nominal.
6.3.1 Simulações no modo carregamento (G2V)
Como apresentado anteriormente, o objetivo principal da simulação é verificar e avaliar o
correto funcionamento dos estágios de operação do carregador de baterias. A Figura 44
apresenta o comportamento da corrente ao conectar o carregador de baterias à rede de 220VAC
para carregar a bateria. Verifica-se que a corrente de entrada é senoidal e em fase com a
tensão de entrada.
Figura 44 – Tensão e corrente na entrada do carregador no modo G2V
No controle por corrente média proposto é utilizada uma técnica chamada (Phase Lock-
Loop, PLL) para obter o ângulo da rede de alimentação e reproduz a corrente de referência
gerada pela estratégia de controle, como se apresenta na Figura 45 (CIOBOTARU;
TEODORESCU & BLAABJERG, 2006).
Figura 45 – Corrente de referência e corrente de entrada
A Figura 46 apresenta a tensão no linkcc, mantida em seu valor de referência.
Figura 46 – Tensão no linkcc
A Figura 47 apresenta as formas de onda no primário e secundário do transformador
de alta frequência do segundo estágio do carregador, assim como a forma de onda da corrente
no indutor Llk
Verifica-ser a partir da forma de onda na corrente do indutor Llk que o ângulo de
deslocamento de fase igual a 90º (10A) entre as ondas de tensão equivale a 8,33e-6seg a uma
frequência f
. Pode-se verificar o funcionamento do controle, no qual existe uma injeção de
fluxo de potência do lado do linkcc para o lado da bateria.
s de 30kHz.
Figura 47 – Tensões no transformador e corrente no indutor Llk
no modo G2V
A Figura 48 apresenta o valor de SOC inicial igual a 30% e o mesmo vai aumentando
à medida que o tempo passa. Também é simulado um SOC inicial de 60% para validação do
modelo.
Figura 48 – Estado de carrega da bateria – SOC 30% e 60%
Na Figura 49 verifica-se que a corrente decresce enquanto a tensão aumenta. Além
disso, a o valor da tensão incrementa-se até atingir um valor de 435VDC
a qual é a tensão na
faixa de carregamento ótimo.
Figura 49 – Tensão e corrente na bateria modo G2V
De acordo com a Figura 50, a tensão de carregamento da bateria apresenta um ripple
ou ondulação de 20V o que equivale a 0,4% desta tensão. Esta faixa é permitida de acordo as
especificações típicas do carregador on-board.
Figura 50 – Ondulação na tensão da saída
6.3.2 Simulações no modo descarregamento (V2G)
Como apresentado na Figura 51, no modo V2G, a bateria começa a injetar potência na
rede de modo que seu SOC vai diminuindo com o tempo.
Figura 51 - Estado de carrega da bateria – SOC 50%
No momento de injeção de potência na rede e diminuição do SOC, a tensão na bateria
também começa a diminuir, conforme ilustrado na Figura 52.
Figura 52 – Tensão na bateria no modo V2G
As formas de onda na entrada do transformador de alta frequência são apresentadas na
Figura 53. A forma de onda da corrente no indutor Llk representa o fluxo de potência do lado
do secundário do transformador (lado da bateria) para o primário do transformador (lado do
linkcc). Pode-se observar a simetria que existe com a corrente no modo G2V, com a diferença
no deslocamento de fase. Para este modo V2G o deslocamento de fase foi de -90º o que
corresponde a 2,5e-6seg a uma frequência de chaveamento fs
de 30kHz.
Figura 53 - Tensões no transformador e corrente no indutor Llk
no modo V2G
A Figura 54 ilustra a tensão no linkcc, sendo que a mesma foi controlada e se manteve
igual ao valor de referência.
Figura 54 – Tensão no linkcc
No momento da bateria injetar potência na rede, a corrente encontra-se em contra-fase
ou em oposição de fase com a tensão de entrada, conforme ilustrado na Figura 55.
Nesse sentido, verifica-se que o fluxo de potência é da bateria para a rede, validando a
teoria e o controle implementado.
Figura 55 - Tensão e corrente na entrada do carregador no modo V2G
Capítulo 7
7. Conclusões
O presente trabalho propôs um carregador de baterias bidirecional para o carregamento e
descarregamento de uma bateria de Lition-Ion para PEV, composto por dois estágios de
conversão de energia, tendo a rede de distribuição como fonte de entrada a uma tensão de
220VCA e uma saída a 400VCC
O primeiro estágio foi composto por um conversor CA/CC Full-Bridge bidirecional
encarregado da conversão da corrente alternada da fonte, em corrente contínua para o linkcc, e
da correção do fator de potência. O segundo estágio foi composto por um conversor Full-
Bridge isolado CC/CC para ajustar a corrente e a tensão para as baterias.
para o lado das baterias.
Para atingir esses objetivos, inicialmente, foi apresentado o estudo dos veículos
elétricos, enfatizando as diferentes classificações dos mesmos, dependendo de como a energia
elétrica e a energia de combustão são integradas. Em seguida, foram apresentadas também, as
fontes de energia mais promissoras para o aumento de autonomia de condução do veículo,
bem como as formas de armazenamento da energia e como os veículos elétricos são
alimentados.
Analisadas as topologias dos carregadores de baterias, considerando a direção do fluxo
de potência entre a rede elétrica e as baterias, assim como seus principais componentes, foi
proposta uma modelagem para o carregador de baterias bidirecional.
Nesse ponto, foi proposta uma alternativa que possui dois estágios de conversão de
energia, sendo o primeiro um conversor CA/CC Full-Bridge com correção do fator de
potência e o segundo um conversor CC/CC Full-Bridge Isolado, ambos bidirecionais.
De maneira a validar o sistema proposto, foram apresentadas as especificações e
considerações do modelo do carregador bidirecional, bem como o cálculo dos componentes
do circuito (Ls, Clinkkcc, Llk, Cbat) para os diferentes estados de conversão. Foi utilizado e
implementado o controle por corrente média para o conversor CA/CC e controle por meio da
modulação por deslocamento de fase para o conversor CC/CC.
Os resultados obtidos a partir da simulação permitirão validar o sistema proposto na
medida em que se verificou, a partir das formas de ondas apresentadas, o correto
funcionamento do carregador de baterias bidirecional.
Conforme verificado, os carregadores de baterias são muito importantes no
desenvolvimento dos veículos elétricos. De um lado, o desempenho e vida útil das baterias
dependem de sua construção e de como as mesmas são utilizadas e recarregadas. Por outro
lado, os algoritmos de carga, controles do processo de carregamento e circuitos utilizados na
construção do carregador aumentam sua eficiência e confiabilidade.
Os PEV representam um novo tipo de carga que podem acrescentar problemas as
redes de distribuição, porém também oferecem soluções que permitem regular o perfil de
consumo da rede elétrica, armazenar energia das fontes não intermitentes e assegurar
estabilidade de frequência e tensão das redes de distribuição.
Nesse sentido, a modelagem do veículo elétrico e o estudo da operação do mesmo em
redes de distribuição é um passo importante para a minimização dos problemas da conexão
dessa nova carga às redes elétricas de distribuição.
Capítulo 8
8. Sugestões para trabalhos futuros
São sugestões de trabalhos futuros:
• Estudar outros tipos de conversores, avaliando seu custo-benefício, quando instalado
no PEV;
• Avaliar dos impactos dos VE nos sistemas de distribuição quando da ocorrência de
contingências;
• Quanto ao armazenamento de energia, aperfeiçoar o estudo das novas tecnologias de
baterias para veículos elétricos e;
• Estudar outros tipos de controle de modo que se possa calcular o estado de
carregamento das baterias - SOC, avaliando o comportamento dinâmico das baterias
de modo que sejam capazes de escolher seu modo de operação.
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