Carregador de baterias para veículos elétricos com modo de operação Vehicle-to-Vehicle (V2V)

Carlos Filipe Vilaça Martins Carregador de Baterias Para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V) Junho de 2021 Carlos Filipe Vilaça Martins Carregador de Baterias Para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V) Dissertação de Mestrado em Engenharia Eletrónica e de Computadores Trabalho realizado sob orientação do Professor Doutor João Luiz Afonso Professor Doutor Vítor Duarte Fernandes Monteiro Junho de 2021 DIREITOS DE AUTOR E CONDIÇÕES DE UTILIZAÇÃO DO TRABALHO POR TERCEIROS Este é um trabalho académico que pode ser utilizado por terceiros desde que respeitadas as regras e boas práticas internacionalmente aceites, no que concerne aos direitos de autor e direitos conexos. Assim, o presente trabalho pode ser utilizado nos termos previstos na licença abaixo indicada. Caso o utilizador necessite de permissão para poder fazer um uso do trabalho em condições não previstas no licenciamento indicado, deverá contactar o autor, através do RepositóriUM da Universidade do Minho. Licença concedida aos utilizadores deste trabalho Atribuição-NãoComercial-SemDerivações CC BY-NC-ND https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ “Às Lindas.” “Don’t take rest after your first Victory because if you fail in second, more lips are waiting to say that your first Victory was just luck.” By: Abdul Kalam Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho vi Agradecimentos A conclusão desta dissertação de mestrado só foi possível graças ao apoio incondicional, palavras de apreço e colaboração de um conjunto muito restrito de pessoas. A elas, os meus sinceros agradecimentos por todo o tempo despendido. Em primeiro lugar, aos meus pais, irmã e família por estarem sempre do meu lado, mesmo nas piores horas, por todo o carinho, amor e palavras de incentivo. Aos meus pais por me terem proporcionado a oportunidade e aventura de frequentar O melhor curso da mui nobre Universidade do Minho. Sem eles nada disto seria possível, por isso estou eternamente grato. Desejo agradecer aos meus orientadores, Doutor João Luiz Afonso e Doutor Vítor Duarte Fernandes Monteiro, por todo o apoio, motivação e disponibilidade demonstrada ao longo do desenvolvimento deste trabalho, bem como a oportunidade de aprendizagem sobre um tema de grande interesse para mim. Um especial agradecimento ao Doutorando Tiago Sousa, por toda a paciência, apoio, conselhos e trocas de ideias, mas acima de tudo, pelo espírito de companheirismo demonstrado para comigo. Aos meus amigos e colegas de trabalho, que também realizaram a dissertação de mestrado no laboratório do GEPE, as minhas sinceras desculpas por todas as vezes que não fui a melhor pessoa. Porém, acima de tudo, o meu muito obrigado por nunca desistirem de mim e sempre me tirarem do poço, assim como toda a disponibilidade, apoio e críticas construtivas demonstradas. À Associação Académica da Universidade do Minho (AAUM), estou profundamente grato por toda a aprendizagem, confiança e momentos que me proporcionou ao longo dos últimos 6 anos, 4 anos dos quais como membro eleito pelos estudantes para a sua direção. Este trabalho de dissertação está enquadrado no projeto de IC&DT “DAIPESEV – Development of Advanced Integrated Power Electronic Systems for Electric Vehicles”, financiado pela Fundação para a Ciência e Tecnologia, com a referência PTDC/EEIEEE/30382/2017. Este trabalho de dissertação está enquadrado no projeto de IC&DT “newERA4GRIDs – New Generation of Unified Power Conditioner with Advanced Control, Integrating Electric Mobility, Renewables, and Active Filtering Capabilities for the Power Grid Improvement”, financiado pela Fundação para a Ciência e Tecnologia, com a referência PTDC/EEIEEE/30283/2017. Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho vii DECLARAÇÃO DE INTEGRIDADE Declaro ter atuado com integridade na elaboração do presente trabalho académico e confirmo que não recorri à prática de plágio nem a qualquer forma de utilização indevida ou falsificação de informações ou resultados em nenhuma das etapas conducente à sua elaboração. Mais declaro que conheço e que respeitei o Código de Conduta Ética da Universidade do Minho. Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho viii Resumo Atualmente, os Veículos Elétricos (VEs) são considerados um dos principais meios para reduzir o excesso de emissões de gases com efeito estufa oriundos do setor dos transportes, mais precisamente dos Veículos com Motores de Combustão Interna (VMCI). No entanto, ainda existem alguns entraves que continuam a atrasar a imposição dos VEs como principal meio de transporte, tais como o número reduzido de postos de carregamento, baixa autonomia, elevado tempo de carga, e custo elevado de aquisição de um VE. Considerando estes problemas, são vários os esforços que a sociedade tem vindo a fazer, com o intuito de melhorar a tecnologia presente nos VEs e assim colmatar os problemas que estes apresentam. O aumento da instalação de fontes de Energias Renováveis irá ajudar a diminuir a emissão de gases com efeito de estufa, oriundos da energia produzia em centrais termoelétricas convencionais, que entre muitas aplicações se destinam também a alimentar os VEs. Contudo, o reduzido número de postos de carregamento e as suas localizações continuam a ser o maior entrave para a sua aceitação, o que originou o tema da presente dissertação de mestrado: um carregador de baterias para VEs que permite o modo de operação Vehicle-to-Vehicle (V2V), com uma potência de 3,6 kW. O modo de operação proposto apresenta-se como uma alternativa aos modos convencionais de carregamento já existentes, tendo a seu favor a mais-valia de ser dotado de mobilidade, o que é particularmente importante em situações de emergência, permitindo o carregamento da bateria do VE em qualquer lugar, sem recorrer a um posto de carregamento. Ao longo da presente dissertação, foi realizada uma pesquisa sobre a história dos VEs, o conceito de mobilidade elétrica, sistemas de armazenamento de energia em VEs e conversores CC-CC bidirecionais utilizados em sistemas de carregamento de baterias de VEs, sendo depois realizadas simulações com o intuito de validar a topologia e o sistema de controlo adotados. Por fim, de modo a validar o funcionamento do sistema no modo V2V, são apresentados os resultados obtidos no decorrer dos testes experimentais efetuados, bem como uma análise comparativa com os resultados das simulações computacionais. Palavras-Chave: Veículo Elétrico (VE), Conversores CC-CC Bidirecionais, Vehicle-to-Vehicle (V2V), Sistemas de Carregamento de Baterias. Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho ix Abstract Currently, Electric Vehicles (EVs) are considered one of the main means to reduce the excessive greenhouse gas emissions coming from the transport sector, more precisely from Internal Combustion Engine Vehicles (ICEV). However, there are still some barriers that delay the imposition of EVs as the main means of transport, such as the reduced number of charging stations, low driving range, high charging time, and high acquisition costs of an EV. With these problems in mind, there are several efforts that society has been making in order to provide EVs with increasingly superior technologies, and thus overcome the problems they present. To this end, the increased installation of Renewable Energy Sources will help reducing the emission of greenhouse gases from the energy produced in conventional thermal power plants to power the EVs. However, the small number of charging stations and their locations are still the biggest obstacles for their acceptance, which originated the subject of this master thesis: a battery charger for EVs which allows Vehicle-to-Vehicle (V2V) operation mode with a power of 3.6 kW. The proposed operation mode presents itself as an alternative to the existing conventional charging modes, with the added value of being mobile, which is particularly important in emergency cases, allowing the EV battery to be charged anywhere, without having to travel to a charging station. Throughout this master thesis, research was conducted on the history of EVs, the concept of electric mobility, energy storage systems in EVs, and bidirectional DC-DC converters used in EV battery charging systems, and simulations in order to validate the adopted topology and control system. Finally, in order to validate the operation of the system in V2V mode, the results were obtained in experimental tests, and a comparative analysis with the computer simulation results are presented. Keywords: Electric Vehicle (EV), Bidirectional DC-DC Converters, Vehicle-to-Vehicle (V2V), Battery Charging Systems. Lista de Figuras Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho xvi Figura 6.12 - Tensão presente na saída do conversor (CH1: 50 V/div), corrente de carga presente na bobina (CH2: 5 A/div), tensão presente no barramento CC (CH3: 50 V/div) e corrente de descarga presente na bobina (CH4: 5 A/div) do conversor CC-CC bidirecional não isolado buck boost split pi em modo I de operação segundo as condições: iV2V > 0 e Vbat2 > Vbat1. ............................................................................................................................. 128 Figura 6.13 - Tensão presente na saída do conversor (CH1: 50 V/div), corrente de carga presente na bobina (CH2: 5 A/div), tensão presente na entrada do conversor (CH3: 50 V/div) e corrente de descarga presente na bobina (CH4: 5 A/div) do conversor CC-CC bidirecional não isolado buck boost split pi em modo I de operação segundo as condições: iV2V > 0 e Vbat2 > Vbat1. ....................................................................................................... 129 Figura 6.14 - Tensão presente na saída do conversor (CH1: 50 V/div), corrente presente no barramento CC (CH2: 5 A/div), tensão presente na entrada do conversor (CH3: 50 V/div) e tensão presente no barramento CC (CH4: 50 V/div) do conversor CC-CC bidirecional não isolado buck boost split pi em modo I de operação segundo as condições: iV2V > 0 e Vbat2 > Vbat1. ............................................................................................................................. 129 Figura 6.15 - Tensão presente na saída do conversor (CH1: 50 V/div), corrente presente no barramento CC (CH2: 5 A/div), tensão presente na entrada do conversor (CH3: 50 V/div) e tensão presente no barramento CC (CH4: 50 V/div) do conversor CC-CC bidirecional não isolado buck boost split pi :(a) modo III de operação segundo as condições: iV2V < 0 e Vbat1 > Vbat2 ; (b) modo IV de operação segundo as condições: iV2V < 0 e Vbat2 > Vbat1. .............. 131 Figura 7.1 – Temperatura média alcançada pelos reguladores de tensão presentes na PCB: LM7805 na parte inferior e LM1117 na parte superior. ........................................................................................................................ 140 Figura 7.2 – Comparação entre os esquemas de ligação dos semicondutores de potência: (a) Configuração de 3 pinos; (b) Configuração de 4 pinos. ...................................................................................................................... 140 Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho xvii Lista de Tabelas Tabela 2.1 – Comparação entre os diferentes tipos de baterias apresentados [27], [57], [74],[86]. ................................... 30 Tabela 4.1Valores atribuídos aos componentes utilizados em simulação PSIM. ................................................................ 54 Tabela 4.2 – Valores de operação do conversor CC-CC com duty cycle de 50%. ................................................................. 57 Tabela 4.3 – Valores de tensão e corrente nominal máxima admissível no sistema. ........................................................... 63 Tabela 4.4 – Modos de operação do conversor CC-CC bidirecional buck boost split pi . ...................................................... 67 Tabela 4.5 – Valor nominais máximos de tensão e corrente no funcionamento do conversor CC-CC bidirecional buck boost split pi em modo I. ...................................................................................................................................... 68 Tabela 4.6 - Valor nominais máximos de tensão e corrente do funcionamento do conversor CC-CC bidirecional buck boost split pi em modo II. ..................................................................................................................................... 71 Tabela 4.7 - Valor nominais máximos de tensão e corrente do funcionamento do conversor CC-CC bidirecional buck boost split pi em modo III. .................................................................................................................................... 74 Tabela 4.8 - Valor nominais máximos de tensão e corrente de funcionamento do conversor CC-CC bidirecional buck boost split pi em modo IV. .................................................................................................................................... 77 Tabela 5.1 – Valores das resistências associadas ao sensor de tensão modelo CYHVS5-25A. ............................................ 86 Tabela 5.2 – Esquema de ligações possíveis do sensor de corrente LTSR 15-NP. .............................................................. 88 Tabela 5.3 – Valores obtidos das resistências constituintes do circuito comparador de janela. ........................................... 94 Tabela 5.4 – Valores nominais de tensão e corrente admissíveis no sistema proposto. .................................................... 101 Tabela 5.5 – Características dos condensadores presentes no sistema. .......................................................................... 106 Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho xviii Acrónimos e Siglas Acrónimo / Sigla Significado ADC Analog to Digital Converter AMPOP Amplificador Operacional BMS Battery Management System CA Corrente Alternada CC Corrente Contínua DAC Digital to Analog Converter DoD Depth of Discharge DSP Digital Signal Processor EP Eletrónica de Potência ER Energias Renováveis EOL End of Life ESL Equivalent Series Inductance ESR Equivalent Series Resistance I2C Inter-integrated circuit FER Fontes de Energias Renovaveis FIA Federation Internationale de l’Automobile G2V Grid-to-Vehicle GM General Motors H2V Home-to-Vehicle IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor LCD Liquid Crystal Display LED Light Emitting Diode Acrónimos e Siglas Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho xix MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor PCB Printed Circuit Board PI Proporcional-Integral PWM Pulse Width Modulation QEE Qualidade de Energia Elétrica SCI Serial Comunication Interface SiC Silicion Carbide SMD Surface Mount Device SOA Safe Operating Area SoC State of Charge SoH State of Health SoP State of Power SPI Serial Peripheral Interface SRF Self Resonant Frequency V2V Vehicle-to-Vehicle VMCI Veículo com Motor de Combustão Interna VE Veículo Elétrico VH Veículo Híbrido ZOH Zero-Order-Hold Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 1 Capítulo 1 Introdução 1.1 Veículos Elétricos Contrariamente ao senso comum, os veículos elétricos (VEs) não são uma invenção recente. A ideia de construir um veículo movido a eletricidade surgiu há cerca de 200 anos com a invenção do primeiro modelo de motor elétrico para aplicação em VEs pelas mãos de Ányos Jedlik, mais precisamente em 1828, o qual foi usado para construir o primeiro protótipo de VE [1]. Em 1834, Thomas Davenport, desenvolveu um projeto semelhante, onde o veículo se deslocava numa curta pista eletrificada [2]. Contudo, apenas em 1837 surgiu o primeiro exemplar funcional digno do nome Veiculo Elétrico: uma locomotiva movida a baterias não recarregáveis, que no seu primeiro teste, em 1842, percorreu cerca de 2 km numa linha férrea a uma velocidade de 6 km/h [3]. Em 1847, Moises Farmer criou o primeiro veículo movido por um motor elétrico. Já no ano de 1851, Charles Page desenvolveu um VE (Locomotiva elétrica) capaz de atingir uma impressionante velocidade naquela época: 32 km/h [4]. Figura 1.1 – Veículo elétrico: Locomotiva elétrica desenvolvida por Charles Page em 1951 [5]. Em 1859 foi desenvolvida a primeira bateria recarregável, uma bateria de chumbo-ácido inventada por Gaston Planté, que veio revolucionar a indústria dos VEs face aos veículos com motor de combustão interna (VMCI), providenciando uma maior autonomia, sendo possível trocar de bateria quando a mesma ficasse sem energia [6]. Aproveitando a ideia apresentada pelo francês Gustave Trouvé na “Exposição Internacional da Eletricidade de Paris” em 1881 (um triciclo dotado de um motor elétrico alimentado por baterias), os ingleses William Aryton e John Perry nesse mesmo ano construíram outro triciclo elétrico. Capítulo 1 – Introdução Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 2 O triciclo possuía duas rodas traseiras gigantes movidas por um motor elétrico de 0,5 cv alimentado por baterias em série que permitiam uma velocidade máxima de 16 km/h e uma autonomia até 40 km. Foi também o primeiro veículo equipado com iluminação elétrica [7]. Desde a criação do triciclo elétrico, os VEs tiveram um enorme impulso na sua evolução, começando a surgir um pouco por tudo o mundo. Em 1890, surgiu nos Estados Unidos o primeiro VE capaz de transportar várias pessoas, tendo sido o único veículo americano presente na World´s Colunbian Exposition de Chicago entre os 6 apresentados, entrando em 1895, com ligeiras modificações, na corrida de carros em Chicago [8]. Em 1897 surgiu o táxi elétrico de Nova Iorque através da recém-formada Morris and Salom Eletric Wagon and Carriage Company . O táxi era capaz de transportar várias pessoas, tendo a forma de uma carruagem aberta com uma autonomia de 40 km e uma velocidade máxima de 32 km/h [9]. Ao mesmo tempo, do outro lado do Oceano, surgiam também os primeiros táxis elétricos em Londres na também recém-formada London Electric Cab Company (Figura 1.2). No entanto, os táxis apresentavam alguns defeitos de fabrico, não sendo muito fiáveis acabando por cair em desuso. Outro fator que também contribuiu para o seu fracasso foi o enorme custo monetário associado à troca e manutenção das baterias [10]. Figura 1.2 – Veículo elétrico: Táxi utilizado pela London Electric Cab Company em 1897 [11]. Decorria o ano de 1899 quando o belga Camille Jenatzy bateu o recorde de velocidade máxima alcançada até aquele ano por um veículo, atingindo uma impressionante velocidade de 106 km/h e elevando o conceito de VE. O VE, ao qual deu o nome de La Jamais Contente (Figura 1.3), possuía a forma de um torpedo, o seu chassi era feito à base de liga de alumínio e possuía dois motores elétricos de 25 kW cada [12]. Em 1900 também foi batido mais um recorde relacionado com VEs, tendo sido alcançado o feito de maior distância percorrida com uma única carga de bateria pela empresa BGS Company´s Electric Car , tendo sido percorridos cerca de 290 km. Capítulo 1 – Introdução Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 3 Figura 1.3 – Veículo elétrico: La Jamais-Contente criado por Camille Jenatzy [13]. Os VEs encontravam-se em fase de evolução e grande prosperidade, quando em 1908 a Ford Motor Company implementou o conceito de produção em série no seu novo modelo Ford T . Com esta medida a Ford reduziu enormemente o preço de fabrico, levando a uma queda do preço dos VMCI, tornando-os mais competitivos economicamente face aos VEs [14]. Contudo, o declínio para os VEs aconteceu 4 anos depois com a invenção do motor de arranque por Charles Kettering em 1912 [15]. Aliada a esta invenção, ocorreu a descoberta de grandes reservas de petróleo no Texas, impulsionando o enorme desenvolvimento dos VMCIs que quase ditou o desaparecimento dos VEs [16]. A melhoria das infraestruturas rodoviárias, aliada à redução do preço dos combustíveis e o desenvolvimento dos VMCIs, originou uma grande perda de competitividade nos VEs. Desde a invenção do primeiro VE, estes sempre foram dotados de maior tecnologia. Contudo, o preço das baterias, a autonomia e o elevado tempo de carregamento acabaram por ditar o seu desaparecimento do mercado por volta do ano de 1930. Seguiram-se as duas grandes guerras mundiais que abalaram por completo a economia global, causando enormes crises financeiras. Face a tais crises, e com uma necessidade de reduzir os gastos ao mínimo, os VMCIs acabaram por ganhar um grande destaque na população mundial, originando um grande desenvolvimento face aos VEs [7], [14], [16], [17]. Só mais tarde, na década de 70, por ocasião da grande crise petrolífera, é que os VEs voltaram a ser alvo de estudo de forma a colmatar a escassez de combustíveis fosseis e a reduzir a enorme dependência da população mundial em se deslocar diariamente em VMCIs [18]. Desse modo, em 1990 foi implementada, no estado da Califórnia, uma legislação que obrigava todas as grandes construtoras de automóveis a desenvolverem pelos menos um modelo de VE para venda ao publico [19]. Nesse mesmo ano, a General Motors (GM) apresentou na feira de automóveis Auto Show de Los Angeles o Impact e em 1994, com apenas 50 unidades produzidas, iniciou um programa piloto. O programa tinha como objetivo recolher dados sobre a performance do carro, dados estes que seriam utilizados para Capítulo 1 – Introdução Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 4 desenvolver um VE provido de melhores características. Para tal, a empresa passou a emprestar os carros por uma semana a quem os solicitasse com o intuito de recolher tais dados. O Impact era dotado de dois motores elétricos que produziam uma potência de 75 kW e tinha uma autonomia de cerca de 90 km [20], [21]. Em 1996 surgiu o seu sucessor, o EV1 (Figura 1.4), sendo o primeiro veículo a ser produzido em série, numa produção total de 1117 unidades. Este VE vinha equipado com um motor de 102 kW de potência e baterias de chumbo-ácido que conseguiam uma autonomia de uns escassos 100 km [22]. Mais tarde, em 1999, a nova versão deste veículo já possuía baterias de Níquel-Hidreto Metálico (NiMH), capazes de aumentar a sua autonomia para o dobro da versão anterior, ou seja, 200 km. No entanto, em 2003, a GM acabou por abandonar o projeto, tendo recolhido e destruído todas as unidades fabricadas até então. A razão que levou ao sucedido foi o custo da rede de assistência e substituição de peças que tinha de se manter por quinze anos, de acordo com a lei, aliado ao reduzido número de unidades vendidas [20], [23]. A empresa petrolífera Chevron também teve um enorme contributo para uma nova desvalorização dos VEs, quando adquiriu a patente das baterias NiMH. Face a esta aquisição, as baterias NiMH, que na altura estavam presentes em todos os VEs, viram o seu preço aumentar drasticamente, tendo muitas empresas abandonado a produção de VEs [24]. No entanto, face a estes acontecimentos, algumas produtoras continuaram a apostar no desenvolvimento dos seus VEs, nomeadamente a Toyota , com o RAV4 , e a Honda , com o Honda EV , fruto das leis implementadas em alguns países e das verbas que os governos disponibilizaram para o estudo e desenvolvimento dos mesmos [25]. Figura 1.4 – Veículo Elétrico: EV1 fabricado pela empresa GM [26]. Neste sentido, em 2006 a Tesla Motors apresentou o Tesla Roadster , um VE desportivo provido de uma elevada autonomia, cerca de 350 km, e capaz de atingir uns impressionantes 210 km/h. A autonomia anunciada foi possível através da utilização de baterias de iões de lítio, que viu os seus parâmetros de segurança serem melhorados desde o seu lançamento até se tornar fiável a sua utilização em VEs, Capítulo 1 – Introdução Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 5 possuindo uma tecnologia mais recente e com uma densidade energética superior às baterias de NiMH utilizadas até então [27]. Com esse lançamento, a Tesla conseguiu suscitar novamente o interesse em VEs, ao ponto que a enorme procura por veículos com características idênticas teve um grande impacto na inovação e produção de VEs, que tem vindo a subir até aos dias de hoje. No presente, este modelo já não se encontra à venda no mercado, tendo sido substituído por modelos mais recentes como o Model X , o Model 3 , o Model Y e o Model S . O Tesla Model S , presente na Figura 1.5, é considerado o modelo mais desportivo e com melhor performance, fazendo 2,5 s dos 0 aos 100 km/h, apresentando uma velocidade máxima de 261 km/h, uma autonomia de 652 km e um tempo de carga de 15 minutos, providenciando energia para percorrer 214 km. Tudo isto, fruto de dois motores, um por cada eixo, com uma potência combinada de 451 kW e alimentado por uma bateria de iões de lítio [28]–[30]. Figura 1.5 – Veículo elétrico: Tesla Model S fabricado pela Tesla Motors [26] . Com uma procura cada vez mais acrescida, os VEs vivem anos de grande prosperidade, evoluindo a grande velocidade. Todas as produtoras, grandes grupos e inclusive novas empresas criadas recentemente no ramo automóvel, têm vindo a desenvolver VEs cada vez mais seguros, com uma maior autonomia e uma maior inteligência. Até no segmento dos carros exóticos e superdesportivos, os VEs têm vindo a destacar-se cada vez mais graças à sua grande performance, capaz de quebrar recordes de grandes VMCIs. A título de exemplo, em 2018, a Rimac , empresa croata produtora de VEs desportivos, apresentou no salão de Genebra o C_Two , um VE superdesportivo com 1408 kW de potência e capaz de atingir os 412 km/h. O C_Two é dotado de uma aceleração capaz de atingir os 100 km/h somente em 1,85 s e chegar aos 300 km/h em apenas 11,8 s. Além disso, possui uma impressionante autonomia de 650 km e é considerado um dos carros mais autónomos da atualidade. Outro dos exemplos de superdesportivos é apresentado pela conhecida fabricante de carros desportivos Porsche , que em 2020 lançou no mercado o Taycan Turbo 4S , um VE com potência variável de 616 cv até 761 cv dependendo do modo selecionado e com uns impressionantes 1050 Nm de binário máximo, anunciando uma velocidade máxima de 260 km/h e uns 2.8 s dos 0 aos 100 km/h. A autonomia entre os 340 km Capítulo 1 – Introdução Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 6 e os 477 km fica um pouco aquém de alguns VEs o que, no entanto, não deixa de se apresentar como forte opção [31], [32]. No que diz respeito a veículos citadinos, as mais conceituadas construtoras possuem, pelo menos, um VE no mercado, fruto de um enorme crescimento pela sua procura e pelos benefícios da sua aquisição ao nível de impostos. A título de exemplo, a BMW possui no mercado três modelos de VEs: o BMW i3 (Figura 1.6), iX e o iX3 [33]. A Mercedes-Benz lançou no mercado nacional dois modelos de VEs, o EQV e o EQC, ao passo que a Audi na classe e-tron possui quatro modelos de VEs distintos [34], [35]. No entanto, outras marcas como a Nissan , Renault , Toyota , VW , Opel e Honda também possuem os seus VEs, aumentando a oferta face ao constante aumento da procura pela sociedade. Figura 1.6 – Veículo elétrico: BMW i3 Coupe. A 3 de março de 2011, em Paris, o presidente da FIA ( Federation Internationale de l’Automobile ), Jean Todt, e o empresário espanhol Alejandro Agag tiveram a ideia de criar um campeonato internacional de monolugares totalmente elétricos, semelhante à Fórmula 1, ao qual deram o nome de Fórmula E. Esta ideia teve como objetivo fomentar o potencial da mobilidade elétrica, ajudar a desenvolver tecnologia e componentes cada vez mais eficientes para uso em VEs citadinos. Contudo, só em 2014 é que a ideia se materializou e aconteceu a primeira corrida oficial que teve lugar em Pequim, no espaço adjacente ao Parque Olímpico de Pequim, e contou com a presença de 10 equipas e 20 pilotos. Até ao ano de 2018, o carro utilizado nas provas era intitulado de Gen1, dotado de uma bateria de iões de lítio com uma capacidade de 28 kWh que alimentava um motor com uma potência máxima de 200 kW, que lhe conferia uma velocidade máxima de 225 km/h e uma aceleração dos 0 aos 100 km/h de 3 s. Face à capacidade da bateria, o VE era incapaz de fazer uma corrida inteira sem recarregar. Para tal, a FIA implementou a regra de cada piloto poder usar dois VEs, sendo possível trocar de VE a meio da corrida. O início da temporada 2018/19 ficou marcado pela introdução de um novo modelo de VE com o nome de Gen2 (Figura 1.7). O Gen2 viu a capacidade da sua bateria ser aumentada para 54 kWh permitindo ao VE fazer Capítulo 2 – Mobilidade Elétrica e Sistemas de Armazenamento de Energia para Veículos Elétricos Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 13 2.2 Mobilidade Elétrica em Portugal e no Mundo A mobilidade elétrica é um conceito em ascensão que é alvo de um grande debate a nível académico, industrial, político e monetário, etc. A mobilidade elétrica é um conceito associado ao meio de transporte, e dependendo do seu ritmo de desenvolvimento, deverá moldar o nosso futuro próximo. Os VEs são a mobilidade elétrica e o que a projeta para o futuro, considerando as políticas implementadas por muitos países a nível mundial para a redução ou até proibição do fabrico de VMCIs. Na Figura 2.1, são visíveis os principais países responsáveis pela emissão de gases poluentes para a atmosfera ao longo dos últimos anos assim como o setor dos transportes [40], [41]. Figura 2.1 – Setor dos transportes, regiões e principais países que têm contribuído para a emissão de CO2 para atmosfera ao longo dos últimos anos. Ao longo dos últimos anos, o conceito de mobilidade elétrica viu a sua compreensão ser sistematicamente alterada, desde um simples meio de transporte movido a eletricidade para uma abordagem mais complexa. Num futuro paradigma da mobilidade elétrica espera-se que os VEs funcionem não apenas como consumidores de energia, mas também como fornecedores da mesma. Neste sentido, os VEs podem ser usados para mitigar os problemas da intermitência das FERs, operando como sistemas dinâmicos de armazenamento de energia. Contudo, e de modo a viabilizar esta operação, torna-se necessário criar soluções que permitam a integração destes dois sistemas na rede elétrica. Tal permitirá alcançar um mundo à base de transportes sustentáveis alimentados através de energias renováveis, o que contribuirá para os transportes deixarem de ser a principal causa de emissões de gases poluentes a nível mundial. Com o passar dos anos e de acordo com os avanços tecnológicos verificados no ramo da eletrónica de potência (EP), espera-se que a mobilidade elétrica continue a sua evolução 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 Mil milhões Ton Oceania Asia China India Africa America do Sul America do Norte U.S.A Europa Transportes Capítulo 2 – Mobilidade Elétrica e Sistemas de Armazenamento de Energia para Veículos Elétricos Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 14 rumo à sua sustentabilidade, deixando assim de recorrer á utilização de energia derivada da utilização de combustíveis fosseis [42]. No gráfico presente na Figura 2.2, observa-se a evolução de cada um dos principais tipos de FER ao longo dos últimos 20 anos no mundo [43]. Figura 2.2 – Produção de Energia Renovável por diferentes fontes no mundo ao longo dos anos. Em Portugal, o desenvolvimento da mobilidade elétrica teve início em 2008 com o planeamento da criação de uma empresa, a MOBI.E, encarregue da gestão de todos os sistemas de mobilidade elétrica, inclusive dos postos de carregamento para VEs, garantindo o correto funcionamento da rede de carregamento inteligente em via pública para veículos movidos a eletricidade em Portugal. Em 2010 deuse o início do projeto desenvolvido para a mobilidade elétrica, sendo este dividido em 3 fases e tendo a 1ª fase sido apelidada de fase piloto. Nesta primeira fase, a oferta de postos de carregamento em via publica era muito reduzida, tendo sido introduzido um número reduzido de veículos movidos a eletricidade. Os apoios dados pelo Estado português para a compra de VEs não eram muito motivadores, tendo primeiramente o intuito de testar as infraestruturas implementadas até então e recolher dados para uma melhor otimização da rede de pontos de carregamento disponíveis face à sua utilização. Outro dos objetivos passava testar o efeito destes postos de carregamento na qualidade de energia elétrica fornecida e o efeito deles sobre a mesma. Ora terminada a 1ª fase, onde era prevista uma rede de pontos de carregamento composta por 1350 pontos de carregamento instalados em apenas 25 municípios, dos quais 50 pontos seriam de carregamento rápido (50 kW). Contudo, tal facto não se verificou, uma vez que foram instalados 1076 pontos de carregamento normais e 50 pontos de carregamento rápido. No entanto, foram obtidos dados essenciais para o início da 2ª fase em meados de 2014 [44], [45]. Na 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 TWh Hídrica Solar Eólica Outras Capítulo 2 – Mobilidade Elétrica e Sistemas de Armazenamento de Energia para Veículos Elétricos Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 15 Figura 2.3 é possível verificar que desde o início do projeto MOBI.E , a energia proveniente de fontes renováveis foi sempre superior aos anos anteriores [43]. Figura 2.3 – Produção de Energia Renovável por diferentes fontes em Portugal ao longo dos anos. Com o início da 2ª fase, a MOBI.E comprometeu-se a efetuar uma expansão dos pontos de carregamento existentes, abrangendo assim 132 municípios, correspondentes a 80% de toda a população portuguesa [46]. Outra das medidas implementadas passou pelo aumento dos apoios na aquisição de VEs e das regalias nos impostos a pagar sobre eles. Graças a estas medidas, as vendas de VEs disparam 260,50% em 2015 face ao ano anterior [47]. Outro dos incentivos dados pelo Estado passou pelo acesso gratuito à eletricidade fornecida nos pontos de carregamento normal, sendo apenas os postos de carregamento rápido pagos, medida esta que se manteve desde a criação da MOBI.E . Segundo [45], documento publicado em 2016, concluídas a 1ª e 2ª fase, a rede MOBI.E devia ser composta por 1604 pontos de carregamento normal e 50 pontos de carregamento rápido. Com o passar dos anos, a venda de VEs foi sempre aumentando, comprovando que a mobilidade elétrica em Portugal está a ser bem aceite pela sociedade. Aquando da criação do projeto MOBI.E , a sua projeção foi para uma duração de ano e meio, a qual não se verificou e estendeu por uns longos 10 anos com o intuito de incutir uma enorme adesão à sustentabilidade e um futuro promissor para a mobilidade elétrica. A 1 de junho de 2020 deu-se então por terminado o projeto, passando a MOBI.E a comercializar os postos de carregamento existente em Portugal para o setor privado [47], [48]. Na Figura 2.4, é possível observar um gráfico representativo da evolução das vendas de VEs em Portugal [47], [49]. 0 5 10 15 20 25 30 35 TWh Hídrica Solar Eólica Outras Capítulo 2 – Mobilidade Elétrica e Sistemas de Armazenamento de Energia para Veículos Elétricos Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 16 Figura 2.4 – Venda de veículos elétricos e híbridos em Portugal ao longo dos anos desde o início do projeto MOBI.E. Com o término deste projeto, passaram a ser cobradas tarifas pelo carregamento de VEs em via publica. Outro dos principais aspetos é o facto de a meta para a instalação de 1604 pontos de carregamentos normal não ter sido atingida, tendo passado esta responsabilidade para as empresas que se candidatem à sua concessão. Além de a meta não ter sido atingida, existem vários pontos de carregamento que ainda se encontram inoperacionais, resultado da falta de manutenção. Neste sentido, será feito um resumo dos pontos de carregamento existentes em Portugal para uma melhor perceção da sua evolução. No que toca aos pontos de carregamento normal, existiam, há data do termino do projeto MOBI.E , um total de 762, sendo que 628 pontos de carregamento se encontram operacionais e 134 inativos. Totalizaram-se 292 postos de carregamento rápido, sendo que 211 se encontram operacionais, 19 em fase de instalação e 62 em fase de planeamento. Contudo, a Tesla Motors também possui pontos de carregamento exclusivos em Portugal para os seus veículos, perfazendo um total de 251 pontos de carregamento, sendo 171 deles normais e 80 de carregamento ultrarrápido (150 kW), encontrando-se ainda 10 deles em fase de instalação [50]. Através da análise dos dados presentes no gráfico da Figura 2.4, referente à venda de VEs em Portugal, e dos dados apresentados sobre os pontos de carregamento existentes, é possível afirmar que a mesma foi implementada com sucesso face à grande adesão que se verificou por parte da população e da evolução no número de pontos de carregamento. Espera-se ainda que, com a concessão dos pontos de carregamentos, a sua oferta venha a aumentar cada vez mais e que a sua manutenção seja efetuada sempre que necessário, deixando de existir pontos inativos. Com estes dados apresentados, Portugal é também considerado um dos países pioneiros na Europa na implementação da mobilidade elétrica e do 0 3000 6000 9000 12000 15000 18000 21000 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 Unidades Vendidas VEs + VHs VEs VHs Capítulo 2 – Mobilidade Elétrica e Sistemas de Armazenamento de Energia para Veículos Elétricos Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 17 sistema que criou para a promover, suscitando grande interesse de alguns países europeus em implementar, de igual forma, o projeto MOBI.E . Numa abordagem à evolução da mobilidade elétrica no mundo ao longo dos últimos anos, é possível aferir que a mesma segue a tendência portuguesa, caminhando a passos largos para um mundo mais sustentável, dados presentes no gráfico da Figura 2.5 [51]. Em 2015 teve lugar em Paris a Conference of the Parties (COP 21), onde foi estabelecido um objetivo muito importante de manter o aumento da temperatura global abaixo dos 2°C, onde se enquadra, de forma coerente, a estimativa que em 2030 já existam no mercado mais de 245 milhões de VEs, estimativa realizada pela Agência Internacional de Energia [52], [53]. Figura 2.5 - Número total de veículos elétricos e híbridos existentes no Mundo ao longo dos anos 2010-2019. Em alguns países do Mundo, como os Estados Unidos da América e a China, a mobilidade elétrica teve um maior desenvolvimento, fruto de uma forte aposta e incentivos dados pelo governo ao consumidor final e empresas, mas também por serem os países onde se encontram sediadas as maiores produtoras de VEs. Como tal, também são os países no mundo que apresentam o maior número de carregadores públicos, seguidos dos países europeus, dados estes apresentados no gráfico presente na Figura 2.6 [53]. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 Unidades (Milhões) VEs VHs Capítulo 2 – Mobilidade Elétrica e Sistemas de Armazenamento de Energia para Veículos Elétricos Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 18 Figura 2.6 – Número de pontos de carregamento existentes no Mundo no ano de 2019. Na Europa, a mobilidade elétrica também se encontra em rápida expansão e aceitação na maioria dos seus países constituintes, tendo a maior parte apresentado um grande desenvolvimento e aceitação. A título de exemplo, a Noruega é o único país no mundo onde o número de VEs superou o número de VMCI, fixando-se a venda de VEs em 54,3%. É também o país do mundo que produz a maior percentagem de energia renovável face à energia utilizada, fixando-se em cerca de 97,9%. Face a esta grande evolução, a Noruega tem como objetivo chegar a 2025 só com carros dotados de “zero emissões” a circular no seu território [54], [55]. Na Figura 2.7, é possível observar o TOP 12 mundial dos países que mais energia renovável consumiram ao longo do ano de 2019, com base no total de energia produzida para consumo nesse mesmo ano [55]. Figura 2.7 – Percentagem de energia renovável produzida em 2019 – TOP 12 Mundial. 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 China Japão U.S.A U.K Alemanha França Noruega Holanda Outros Unidades (M) Carregadores Privados Carregadores Públicos Lentos Carregadores Públicos Rápidos Portugal Espanha Canadá Brasil Nova Zelândia Itália Chile Colômbia Venezuela Noruega Suécia Roménia 65.9% 70.8% 75.7% 46.8% 82.5% 97.9% 52.2% 38.6% 39.9% 83.1% 55.3% 41.3% Capítulo 2 – Mobilidade Elétrica e Sistemas de Armazenamento de Energia para Veículos Elétricos Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 19 Contudo, estima-se que tudo o mundo acompanhe esta notória evolução e caminhe a largos passos para uma maior autossustentabilidade, aumentando em grande número os VEs, assim como a capacidade de produção de ER para uma diminuição considerável da emissão de gases com efeitos de estufa provenientes do setor dos transportes e produção de energia. Na Figura 2.8, é possível observar em gráfico as estatísticas anunciadas, segundo a campanha EV30@30 para a meta de venda de VEs a atingir até 2030 no mundo [56]. Figura 2.8 – Previsão do número total de veículos elétricos e híbridos no Mundo até 2030, segundo a campanha EV30@30 . 2.3 Tecnologias de Baterias A produção e evolução das diferentes tecnologias de baterias existentes no mercado têm um enorme impacto dentro da área da mobilidade elétrica, sobretudo na área dos VEs. Estas são o componente que mais se destaca nos VEs, sendo a sua única reserva de energia e o componente mais dispendioso empregue nos mesmos. É graças às baterias presentes nos VEs que estes se conseguem deslocar e percorrer distâncias consideráveis sem precisar de um carregamento. Assim como os VEs, é preciso recuar bastantes anos no tempo para encontrar a invenção da primeira bateria recarregável utilizada em VEs, decorria o ano de 1859 quando Gaston Planté conseguiu tal feito. Era uma bateria de chumbo-ácido com uma capacidade e performance muito aquém comparada às utilizadas atualmente. No entanto, foi um marco muito importante no crescimento e desenvolvimento de VEs, garantindo o seu domínio no setor automóvel por mais de um século até caírem quase em esquecimento pelos fatores mencionados na secção 1.1. 0 50 100 150 200 250 300 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025 2026 2027 2028 2029 2030 Unidades (Milhões) VEs VHs Capítulo 2 – Mobilidade Elétrica e Sistemas de Armazenamento de Energia para Veículos Elétricos Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 20 Com um novo crescimento na comercialização de VEs no início do século XXI, estes são novamente alvo de estudo e desenvolvimento para garantir uma melhor performance e autonomia, sendo capazes de se igualar aos VMCI. Neste sentido, as tecnologias de baterias presentes no mercado são cada vez mais alvo de estudo e inovação com o objetivo de melhorar a sua capacidade, performance e aumentar a sua longevidade permitindo assim reduzir os custos inerentes da sua substituição e manutenção. Contudo, mesmo por parte dos utilizadores de VEs, é necessária uma boa compreensão das características referentes à bateria presente no seu VE, sendo assim capaz de garantir o seu desempenho máximo e, ao mesmo tempo, garantir uma maior longevidade da mesma [27]. Do ponto de vista dos fabricantes de baterias para VEs, existem vários parâmetros que devem ser tomados em atenção durante o seu processo de fabrico e verificados nos testes a que as mesmas são sujeitas antes do seu uso em VEs, estando estes relacionados diretamente com o tempo útil de vida e desempenho das mesmas. Em seguida serão enumerados os parâmetros mais importantes a ter em atenção nas baterias usadas nos VEs, sendo eles [57], [58]: • Capacidade: É a quantidade de carga elétrica com que uma bateria pode ser carregada ou descarregada sobre condições especificas. Apesar de a unidade SI de carga ser coulomb (C), é mais comum expressar a capacidade das baterias em ampere-hora (Ah), sendo que 1 Ah = 3600 C. A quantidade de energia é obtida em Watt-hora (Wh), sendo que a capacidade (Q) pode ser obtida segundo a equação (2.1): 𝑄 = 𝐼 ∆𝑡 (2.1) Segundo a equação acima, a capacidade da bateria resulta da multiplicação da corrente de descarga (I) pelo tempo de descarga a que está sujeita (∆𝑡). No entanto, também é possível obter a capacidade de energia da bateria multiplicando a capacidade da bateria (Q) pela tensão nominal da bateria (V), como demonstra a equação (2.2): 𝐸 = 𝑄 𝑉 (2.2) Contudo, a capacidade da bateria pode ser influenciada por diversos parâmetros a ela intrínsecos, como por exemplo a sua idade, corrente de carga, processo escolhido para a descarga, temperatura da bateria e o seu estado de carga. • Taxa C: A taxa C, ou também conhecida como C-rate , é a medida da taxa a que uma bateria é carregada ou descarregada. A taxa é relativa à sua capacidade máxima e é expressa em C. Como Capítulo 2 – Mobilidade Elétrica e Sistemas de Armazenamento de Energia para Veículos Elétricos Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 21 exemplo, para uma melhor compreensão, ao descarregar uma bateria de 100 Ah a uma taxa de 1 C, indica que a bateria ao fim de 1 hora se encontra completamente descarregada com uma corrente de descarga de 100 A. • Estado de Carga: Estado de carga, também conhecido como State of Charge (SoC), indica em percentagem a capacidade atual de energia disponível na bateria para uso até que a mesma fique descarregada. Quando o valor de SoC for próximo 0%, a bateria encontra-se completamente descarregada. O SoC pode ser calculado através da equação (2.3). 𝑆𝑜𝐶 = 𝐶𝑎𝑡𝑢𝑎𝑙 𝐶𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 x 100% (2.3) • Estado de Saúde: Estado de saúde, ou também designado por State of Health (SoH), é um valor obtido em percentagem e faz referência à degradação da bateria assim como ao seu tempo de vida restante. É obtido através da razão entre a condição atual da bateria e a condição ideal da mesma. • Profundidade de Descarga: A profundidade de descarga, ou Depth of Discharge (DoD), é exatamente o oposto do estado de carga e indica a percentagem da capacidade total da bateria que foi descarregada. Para uma bateria ser descarregada profundamente, o valor de DoD tem de ser superior a 80%, sendo obtido através da equação (2.4). 𝐷𝑜𝐷 = 1 − 𝑆𝑜𝐶 (2.4) • Tensão Nominal: Resulta da multiplicação da tensão das células individuais pelo número total de células em série presentes na bateria. Pode ser medida aos terminais da bateria. • Tensão em Aberto: Tensão medida aos terminais da bateria quando não é aplicada nenhuma carga aos seus terminais. Este parâmetro depende de outros fatores como o SoC e o efeito da temperatura. • Tensão de Descarga Mínima: É a tensão mínima de funcionamento da bateria. É um valor definido pelo próprio fabricante e que indica quando a bateria se encontra descarregada. • Densidade de Energia: Também conhecida como densidade de energia volumétrica, é definida como a relação entre a energia da bateria e o seu volume. • Auto-descarga: A auto-descarga ocorre em todas as baterias quando não são utilizadas durante muito tempo. Este processo varia com o tipo de bateria e as condições que as mesmas são sujeitas, dependendo muito da idade da bateria, do material constituinte da mesma e das condições ambientais a que estão sujeitas. Capítulo 2 – Mobilidade Elétrica e Sistemas de Armazenamento de Energia para Veículos Elétricos Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 22 • Resistência Interna: É dependente das características físicas e químicas da própria bateria e do SoC. O ideal é o valor ser o menor possível, resultando numa maior eficiência. É necessário ter em consideração que à medida que a estabilidade térmica vai diminuindo, as perdas vão aumentando. • Efeito de Memória: Consiste na perda de capacidade de armazenamento da bateria. É um problema muito comum entre baterias recarregáveis, como as baterias de níquel-cádmio. No entanto, com o avanço da tecnologia e o aparecimento de novos modelos de baterias, este problema deixou de existir. As baterias de iões de lítio são umas das que não são afetadas pelo efeito de memoria. O efeito de memória ocorre maioritariamente quando as baterias não são descarregadas completamente antes de serem novamente carregadas. • Número de Ciclos de Vida: Número de ciclos de carga/descarga, indicados pelo fabricante, em que a bateria consegue manter a sua performance original e as suas condições ideais de funcionamento. Vários fatores como idade e temperatura estão diretamente relacionados com o número máximo de ciclos de vida da bateria. • Eficiência: É o rácio entre a energia elétrica fornecida e a quantidade de energia elétrica necessária para voltar ao estado antes da sua descarga, valor este obtido em percentagem. O melhor resultado possível seria um rendimento de 100%, mas torna-se impossível devido a vários fatores como a temperatura. Além do mais, este parâmetro varia consoante a bateria considerada. As baterias podem ser classificadas como primárias, caso não sejam recarregáveis, ou como secundárias, se o oposto se verificar. Tendo em consideração a necessidade de os VEs possuírem baterias que sejam recarregáveis, é de extrema importância garantir que as baterias possuam um fluxo bidirecional para que os processos de carga e descarga sejam passíveis de serem aplicados às mesmas. Inúmeras vantagens são associadas às baterias secundárias, nomeadamente serem consideradas um dispositivo portátil, apresentarem elevada densidade de potência, baixa resistência interna, não possuírem efeito de memória e operarem sobre uma vasta gama de temperatura. O princípio base de funcionamento das baterias secundárias consiste no armazenamento de energia sob a forma química durante um período e a produção de eletricidade através da energia libertada pelas reações eletroquímicas que ocorrem no seu interior. As reações eletroquímicas que ocorrem na bateria são o principal responsável pela diminuição do seu tempo de vida útil, existindo desta forma um número máximo de ciclos de vida associado a cada bateria. Todas as baterias são constituídas por dois elétrodos, um positivo (cátodo) e outro negativo (ánodo), e por um eletrólito, líquido onde os elétrodos são mergulhados [59]. Capítulo 2 – Mobilidade Elétrica e Sistemas de Armazenamento de Energia para Veículos Elétricos Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 29 introdução em VEs ainda é um futuro longínquo, estimando-se que só chegue ao mercado em 2039 [82], [83]. No início de 2020, a Mercedes-Benz deu o seu primeiro passo rumo a um futuro mais sustentável e ecológico, apresentando o primeiro VE movido por esta tecnologia de bateria. O protótipo com o nome de Vision AVTR foi equipado com uma bateria orgânica baseada em grafite com apenas 10 cm de altura e uma capacidade de 110 kWh, o que lhe confere uma autonomia de 700 km, mas estimando-se que a mesma possa alcançar os 1000 km, consoante a evolução tecnológica que possa ocorrer até ao seu lançamento. No entanto, até o seu lançamento oficial, esta tecnologia ainda poderá sofrer algumas alterações conferindo-lhe uma densidade energética superior e uma maior maneabilidade [84]. 2.3.6 Comparação Entre as Diferentes Tecnologias de Baterias A importância da bateria presente num VE, quando comparada com a de um VMCI tem uma importância superior, considerando-se até a peça mais importante num VE. Comparada a um deposito de combustível, mas com tamanho e peso superior, tem a função de armazenar e fornecer energia para operar o veículo. Em termos comparativos de autonomia fornecida, um depósito de 60 L de combustível num veículo que apresente uma média de 4 L/100 km consegue em média percorrer até 1500 km, ao passo que um VE, como o BMW i3, apresenta uma média de 15,3 kW/100 km com uma bateria de 38 kWh, o que se traduz numa autonomia de 285 km [85]. Neste sentido, existe uma necessidade acrescida de efetuar uma comparação entre as diferentes tecnologias de baterias presentes no mercado para VEs. Na Tabela 2.1 é possível verificar as diferenças existentes entre os tipos de baterias acima descritas, sendo que as tecnologias emergentes não se encontram mencionadas pelo facto de ainda não terem sido introduzidas no mercado para utilização em VEs. Através da análise dos dados presentes na Tabela 2.1 é possível concluir que as baterias fabricadas com base em iões de lítio possuem uma potência especifica superior às restantes e um número de ciclos de vida elevado o que torna esta tecnologia de bateria ideal para a utilização em VEs. Capítulo 2 – Mobilidade Elétrica e Sistemas de Armazenamento de Energia para Veículos Elétricos Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 30 Tabela 2.1 – Comparação entre os diferentes tipos de baterias apresentados [27], [57], [74],[86]. Tipos de Baterias Características NiMH Li-on LiFePO4 Li-Pol Tensão Nominal por Célula (V) 1,25 3,6 3,2 3,6 Energia Específica (Wh/kg) 60 - 120 75 - 200 110 - 160 150 - 170 Potência Específica (W/kg) 60 - 250 500 - 2000 2000 - 4500 350 - 1800 Ciclos de Vida 600 - 1500 1000 - 10000 >2000 500 - 2100 Temperatura Operacional (C) -10 - 45 -25 - 50 -20 - 60 -20 - 60 Eficiência (%) 70 - 90 94 - 97 96 - 98 92 - 95 Custo Normal Elevado Elevado Elevado 2.4 Modelo Elétrico da Bateria As baterias são elementos que armazenam energia sob a forma de energia química e, estando sujeitas a processos de carga e descarga, irão eventualmente sofrer alguns “danos” e consequentemente um decréscimo na sua performance ao longo do seu tempo de vida útil, apresentando um aumento das perdas de energia com o passar do tempo. Desta forma, torna-se necessário definir um modelo elétrico da mesma, sendo possível simular os processos de carga e descarga a que as mesmas estão sujeitas. Ao longo dos anos foram propostos vários modelos elétricos na literatura, desde os mais simples, constituídos apenas por uma fonte de tensão ideal, até aos mais complexos, capazes de simular os vários parâmetros presentes numa bateria real [87]. Para uma simulação mais fiável, é necessário determinar todos os parâmetros intrínsecos ao modelo elétrico da bateria para uma melhor análise do seu comportamento, tendo em conta as variações no seu algoritmo de controlo, assim como as discrepâncias durante a operação do conversor CC-CC bidirecional não isolado de EP a implementar. Ao garantir o que foi descrito acima, os resultados obtidos através da ferramenta de simulação a utilizar irão ser muito aproximados da realidade. Na Figura 2.9 encontra-se o modelo elétrico equivalente de uma bateria com os elementos representativos dos parâmetros essenciais para simular os processos de carga e descarga [87], [88]. Capítulo 2 – Mobilidade Elétrica e Sistemas de Armazenamento de Energia para Veículos Elétricos Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 31 Figura 2.9 – Modelo elétrico equivalente de primeira ordem de uma bateria. Denominado modelo de primeira ordem, ou também conhecido por modelo de Thévenin , este foi o modelo adotado para a realização das simulações do sistema, podendo ser observado na Figura 2.9. É um modelo relativamente simples, mas que contém os parâmetros essenciais para a aplicação em questão, sendo constituído por uma fonte de tensão contínua ideal (Voc) em série com uma resistência (RS) e um circuito RC paralelo. No modelo adotado, Voc representa a tensão de circuito aberto da bateria, a resistência RS simboliza a resistência interna ohmica proveniente dos contactos e dos eletrólitos da bateria, ao passo que RP representa a resistência de polarização resultante das reações químicas durante os processos de carga e descarga. A resistência RP e o condensador C em conjunto permitem simular o comportamento dinâmico da bateria. Contudo, este modelo não consegue simular a variação da resistência com a temperatura e com o SoC [89], [90]. No entanto, existem outros modelos mais completos capazes de simular certos parâmetros presentes na bateria, como a simulação de sobrecargas e a resistência que os materiais oferecem durante o seu processo de carga ou descarga. Contudo, para a aplicação em causa, a utilização desses modelos não é relevante [87]. 2.5 Métodos de Carga e Descarga de Baterias Com uma necessidade cada vez maior de prolongar o tempo de vida útil das baterias utilizadas nos VEs, deve-se tomar especial atenção aos seus processos de carga e descarga. Estes processos, quando aliados a técnicas de controlo indicadas para a bateria em causa, conseguem garantir uma maior longevidade da bateria e uma performance superior. Como tal, cada fabricante apresenta no datasheet as informações técnicas relativas à bateria, essenciais para que a sua carga e descarga seja realizada dentro dos parâmetros ideias. Considerando o tema escolhido para a realização da presente dissertação de mestrado, apenas serão abordadas as técnicas mais utilizadas para a realização dos processos de carga e descarga aplicados às C Vbat RP RS Voc Capítulo 2 – Mobilidade Elétrica e Sistemas de Armazenamento de Energia para Veículos Elétricos Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 32 baterias dos VEs, sendo eles: tensão constante, corrente constante-tensão constante e potência constante. No entanto, existem outros métodos de carregamento frequentemente referenciados na literatura que não serão contemplados neste capítulo pelo motivo de não apresentarem grande rendimento para comprovar a eficiência do sistema proposto nem se enquadrarem nos métodos de carregamento para baterias presentes em VEs [91], [92]. Contudo, existem parâmetros da bateria que devem ser supervisionados de modo a garantir a fiabilidade e segurança da mesma, destacando-se o seu SoH, SoP e SoC. Todavia, é extremamente difícil controlar estes parâmetros com precisão durante uma simulação, estando eles diretamente relacionados com os processos químicos que ocorrem na bateria durante o seu processo de carga e descarga [93]. A escolha dos métodos de carregamento mencionados prende-se no facto de apresentarem uma elevada taxa de eficiência e pequenas perdas, sendo também os métodos mais utilizados para a realização dos processos de carga e descarga nas baterias presentes em VEs [94]. 2.5.1 Carregamento por Tensão Constante Este método de carregamento consiste em fornecer uma tensão constante aos terminais da bateria, sendo esta responsável por definir a sua corrente de carga, um valor que está diretamente relacionado com as características químicas da bateria. Como o próprio nome indica, apenas existe um estágio de carregamento. Podemos observar na Figura 2.10 o comportamento da tensão (Vin) e corrente (Ic) medida aos terminais da bateria durante o seu processo de carregamento, sendo possível verificar que o fim do carregamento ocorre quando a corrente se anula [95], [96]. Figura 2.10 - Formas de onda teóricas do algoritmo de controlo tensão constante. (t) (t) Toff V Vin 0Toff A Ic 0 Capítulo 2 – Mobilidade Elétrica e Sistemas de Armazenamento de Energia para Veículos Elétricos Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 33 2.5.2 Carregamento por Corrente Constante Este método de carregamento, tal como o anterior, apenas possui um estágio. Para tal, é aplicada uma corrente constante à bateria até que a mesma atinga a sua tensão nominal. Conforme o valor da corrente aplicada, o seu tempo de carga irá alterar-se. Contudo para que a bateria não esteja sujeita a danos durante o seu carregamento, é necessário respeitar os valores da corrente máxima fornecidos pelo seu fabricante [85], [86]. Na Figura 2.11, podemos observar o seu comportamento durante o carregamento, sendo finalizado quando atinge VEoC. Figura 2.11 - Formas de onda teórica do algoritmo de controlo por corrente constante. 2.5.3 Carregamento por Corrente Constante – Tensão Constante Este método de carregamento é o mais utilizado no processo de carga de uma bateria, sendo a junção dos dois métodos de carregamento apresentados anteriormente. Como o nome indica, este método de carregamento tem uma primeira fase do processo de carregamento em que é aplicada uma corrente constante à bateria até que esta atinja a sua tensão nominal, ao que após passa a ser efetuado o carregamento por tensão constante até que a corrente seja nula. Quando a corrente for nula, a bateria esta totalmente carregada, como podemos observar na Figura 2.12. Este método evita, assim, sobrecargas e a auto-descarga, sendo o processo mais eficaz entre os anteriormente descritos, apresentando tempo de carga mais reduzidos. Este carregamento pode ser aplicado aos mais diversos tipos de baterias, nomeadamente às de iões de lítio [97], [98]. Importante referir que este foi o método utilizado nas simulações computacionais para comprovar o sistema proposto nesta dissertação. (t) Toff A Ic 0 (t) Toff V Vin 0 Capítulo 2 – Mobilidade Elétrica e Sistemas de Armazenamento de Energia para Veículos Elétricos Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 34 Figura 2.12 - Formas de onda teóricas do algoritmo de controlo corrente constante - tensão constante. 2.5.4 Descarga por Potência Constante O algoritmo de controlo de carregamento por potência constante apenas possui um único estágio, sendo mais frequentemente utilizado em processos de descarga de baterias. Com uma potência máxima definida para efetuar os processos de carga e descarga, este efetua o próprio controlo da corrente e da tensão empregue, tendo estas também o seu valor máximo definido para garantir a integridade do sistema e da bateria onde o mesmo é empregue, variando as mesmas ao longo do tempo. Se estiver a efetuar um processo de carregamento, a tensão irá aumentar ao longo do tempo ao mesmo tempo que a corrente irá diminuir. Durante o processo de descarga, como se pode verificar na Figura 2.13, a tensão irá diminuir ao longo do processo, enquanto a corrente aumenta. Quando a tensão for nula, o processo de descarga da bateria está completo [99], [100]. Este foi o método escolhido para efetuar o processo de descarga das baterias nesta dissertação de modo a comprovar o sistema proposto. Figura 2.13 - Formas de ondas teóricas do algoritmo de controlo potência constante. 2.6 Conclusão No decorrer deste capítulo foram estudados e abordados temas relacionados com a mobilidade elétrica e elementos armazenadores de energia utilizados em VEs. Numa primeira instância, foi abordado o conceito de mobilidade elétrica em Portugal e no Mundo, sendo apresentados dados estatísticos que comprovam a sua evolução ao longo dos anos, com especial enfase em VEs. Tais dados são de extrema (t) Toff A Ic 0 (t) Toff V Vin 0 (t) Toff V Vin 0Toff A Ic 0(t) Capítulo 2 – Mobilidade Elétrica e Sistemas de Armazenamento de Energia para Veículos Elétricos Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 35 importância, revelando o constante aumento da produção de VEs a nível mundial e a sua crescente popularidade na população mundial, comprovando os seus benefícios na ajuda à diminuição de emissão de gases com efeito de estufa. Com uma oferta cada vez maior de postos de carregamento, problemas como autonomia e tempos de carregamento deixaram de ser um entrave para a aquisição de um VEs, afirmando-se desta forma como o futuro da tecnologia automóvel. De seguida, foram abordados e listados os diferentes elementos armazenadores de energia mais utilizados em VEs. Os elementos armazenadores de energia, têm como principal função alimentar todos os componentes nele presentes, inclusive o motor. Como já mencionado, os problemas que afetam as baterias já foram mencionados nos VEs, sendo foram apresentados os avanços tecnológicos das baterias mais relevantes e as soluções apresentadas para o futuro. Por último, foram abordados os métodos de carregamento mais utilizados em VEs, sendo explicado todo o seu processo de carregamento aplicado à bateria. Foi possível concluir que os métodos aplicados aos processos de carga e descarga de um VE não são iguais, existindo métodos mais eficientes para cada um dos processos. Dentro dos métodos apresentados, para o processo de carga foi escolhido o método de carregamento por corrente constante – tensão constante, ao passo que para a realização do processo de descarga foi aplicado o método de potência constante. Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 36 Capítulo 3 Conversores de Eletrónica de Potência Aplicados à Mobilidade Elétrica 3.1 Introdução No decorrer deste capítulo serão apresentados os conversores de potência mais utilizados na área da mobilidade elétrica com especial foco em VEs, sendo discutidas as diversas topologias existentes. Considerando o sistema proposto para a realização da presente dissertação de mestrado, apenas serão abordados os conversores de potência CC-CC bidirecionais não isolados, tendo como objetivo provar a sua maior eficiência na transferência de energia entre baterias. A escolha da utilização de um conversor CC-CC bidirecional não isolado recai sobre o facto de o sistema que se pretende implementar ter como função a carga e descarga de baterias, garantindo assim um fluxo de energia bidirecional. Sendo as baterias componentes que fornecem energia em corrente contínua, comparativamente aos restantes modos que carecem de mais do que um conversor de potência, o modo de carregamento V2V revela-se mais eficiente, pois faz uso de apenas um estágio de conversão (conversor CC-CC bidirecional) durante a sua operação. Considerando as características dos conversores a seguir abordados, será efetuada a escolha da topologia a implementar que melhor se enquadra na presente dissertação de mestrado. De seguida, serão também apresentadas e escrutinadas as diferentes técnicas de controlo associadas aos conversores CC-CC bidirecionais mais utilizadas, sendo apresentadas as escolhas das técnicas de controlo que serão utilizadas de modo a garantir os diferentes modos de operação do conversor na sua máxima eficiência. Em suma, neste capítulo serão apresentados os conversores CC-CC bidirecionais não isolados e as técnicas de controlo a eles associadas capazes de garantirem a máxima eficiência no processo de carga e descarga aplicado às baterias presentes em VEs. Capítulo 3 – Conversores de Eletrónica de Potência Aplicados à Mobilidade Elétrica Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 37 3.2 Conversores CC-CC Bidirecionais Não Isolados Os conversores de potência CC-CC bidirecionais não isolados podem ser utilizados nas mais variadas aplicações de EP, tais como fonte de energia ininterrupta, geradores de FER, VEs e micro-grids , entre outras. Nas aplicações mencionadas, a implementação de um conversor de potência bidirecional é necessária para garantir um fluxo de energia em ambos os sentidos. Posto isto, surge cada vez mais uma necessidade acrescida para melhorar a eficiência dos conversores bidirecionais não isolados, surgindo novas topologias de conversores de potência mais eficientes [101]–[103]. Ao longo dos últimos anos, os VEs ganharam um maior destaque e popularidade, fruto do aumento da sua autonomia e diminuição do tempo de carga, graças à melhoria dos conversores de potência presentes no mesmo e a técnicas de controlo a estes associados. Nos VEs, em particular, os conversores de potência CC-CC bidirecionais não isolados são um componente muito importante, capaz de garantir uma maior longevidade e performance da bateria através da implementação de métodos e algoritmos de controlo. Os algoritmos de controlo, quando aplicados corretamente aos processos de carga e descarga da bateria, são uma mais valia na redução do custo de troca de baterias e manutenção nos VEs [104]. No decorrer deste ponto apenas serão abordados os seguintes conversores CC-CC bidirecionais não isolados: buck boost , buck boost em cascata, buck boost interleaved e buck boost split pi . A escolha de abordar apenas estes conversores de potência deve-se ao facto de serem os mais utlizados para aplicações que necessitem de fluxo bidirecional de energia entre baterias e serem passiveis de aplicar em VEs. 3.2.1 Conversor CC-CC Bidirecional Não Isolado Buck Boost O conversor CC-CC bidirecional não isolado buck boost é o resultado da combinação dos conversores CC-CC unidirecionais não isolados buck e boost . Como resultado da sua junção, obtém-se então um conversor bidirecional capaz de operar em ambos os sentidos, sendo utilizado nas mais diversas aplicações de EP baseadas num fluxo bidirecional de energia, como por exemplo em aplicações onde as baterias são utilizadas [104]. O sentido da corrente que atravessa a bobina do conversor (iL1) define o seu modo de operação, em buck quando a energia flui da entrada (V1) para a saída do conversor (V2) e em modo boost a energia flui em sentido contrário, de V2 para V1. Apesar de este conversor permitir o fluxo bidirecional de energia, Capítulo 3 – Conversores de Eletrónica de Potência Aplicados à Mobilidade Elétrica Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 38 existem algumas limitações a ter em consideração aquando da sua aplicação. Uma das limitações mais relevantes deve-se ao facto de o conversor apenas operar em dois quadrantes, não permitindo inverter o sentido dos modos de operação nem utilizar os dois modos em simultâneo [105]. Na Figura 3.1 pode-se observar o esquema do conversor de potência descrito. O díodo utilizado nos conversores de potência unidirecionais buck e boost deu lugar a um novo semicondutor totalmente controlado (S2), contudo a bobina (L1) presente teve de ser novamente dimensionada para valores de corrente e potência mais elevados. Para o dimensionamento dos condensadores C1 e C2 é necessário ter em consideração a tensão nominal máxima que se pretende no barramento onde os mesmo se encontram. Figura 3.1 – Conversor CC-CC bidirecional não isolado buck boost. Operação no Modo Boost No decorrer do modo de operação boost , o comportamento do conversor de potência será em tudo semelhante ao descrito na literatura para o conversor CC-CC unidirecional não isolado do tipo boost . Como tal, o conversor irá apresentar na sua saída (V1) um valor de tensão contínuo superior ao presente na sua entrada (V2). Sendo o seu comportamento igual ao conversor CC-CC bidirecional não isolado boost , as equações que fornecem o valor do duty cycle (D), tensão de saída do conversor (Vout), tensão (VL1) e variação da corrente (iL1) na indutância serão compartilhadas [106]. Na Figura 3.2, é representado o momento em que um sinal de PWM é empregue ao semicondutor de potência S2 colocando-o em comutação, ao passo que o semicondutor S1 se encontra em aberto. Enquanto S2 se encontra a comutar, a fonte de tensão presente na entrada do conversor (V2) será responsável por fornecer energia ao condensador C2 e à bobina L1, sendo que será o condensador C1 responsável por fornecer energia à carga presente na saída do conversor V2. Na equação (3.1), é C1 C2 L1 S1 V1 VL1 V2 i1 iL1 i2 S2 Capítulo 3 – Conversores de Eletrónica de Potência Aplicados à Mobilidade Elétrica Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 45 Como se pode verificar nas características acima mencionadas, o número de semicondutores a utilizar será sempre superior a algumas topologias CC-CC bidirecionais não isoladas, o que implica a necessidade de implementar um controlo mais complexo e um custo de produção elevado. No entanto, estas desvantagens comparadas com a performance associada à topologia não são de todo significativas, permitindo a conversão para tensões e corrente superiores concedendo uma densidade de potência superior [110], [111], [113]. 3.2.4 Conversor CC-CC Bidirecional Não Isolado Buck Boost Split Pi O conversor CC-CC bidirecional não isolado buck boost split pi é um conversor de potência que recentemente tem sido utilizado numa vasta gama de aplicações, tais como carregamento de baterias, VEs e VHs. Surgiu na necessidade de um conversor de potência conseguir operar com fluxo bidirecional de energia, mas ao mesmo tempo ser capaz de operar em modo buck e boost , de acordo com as especificações do sistema onde é implementado [114]. Na Figura 3.8 é possível observar o conversor de potência e pode-se constatar que o mesmo é formado pela junção de dois conversores CC-CC bidirecionais não isolados buck boost ligados entre si através do barramento CC. Figura 3.8 - Conversor CC-CC bidirecional não isolado buck boost split pi. São muitas as vantagens associadas a este conversor, possuindo uma enorme relevância para a sua aplicação nos mais diversos sistemas de EP como carregadores de baterias e interface de FER. Quando comparado com os conversores anteriormente apresentados, o número de semicondutores utilizados é igual, diferindo apenas os componentes passivos e as técnicas de controlo a implementar. Dependendo da funcionalidade pretendida para o conversor, as técnicas de controlo são do mesmo grau de complexidade e é capaz de suportar uma densidade energética superior alternando entre modos de S1S3 S4 S2 VL2 L2 iL2 V1 L1 iL1 VL1 V2 C1C2 C3 Capítulo 3 – Conversores de Eletrónica de Potência Aplicados à Mobilidade Elétrica Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 46 funcionamento, comprovando deste modo a grande versatilidade da sua implementação em sistemas de EP [114], [115]. O conversor CC-CC bidirecional não isolado buck boost split pi permite que duas baterias possam efetuar trocas de energia entre si, mediante os parâmetros definidos pelo utilizador. Num primeiro caso, quando a energia flui de Vbat1 para Vbat2, a tensão presente no barramento CC onde se encontra o condensador C3 é dada pela equação característica do conversor CC-CC bidirecional buck boost em modo boost presente na equação (3.7), ao passo que a tensão presente na sua saída, neste caso em Vbat2, é obtida recorrendo à equação (3.16), equação característica do conversor CC-CC bidirecional buck boost em modo buck . Durante a operação do conversor, neste caso em concreto, apenas os semicondutores S2 e S3 comutam, enquanto S1 e S4 se encontram em aberto. Numa segunda instância, quando se pretende que a energia flua de Vbat2 para Vbat1, as expressões da tensão no barramento CC e tensão na saída do conversor, Vbat1, são obtidas igualmente como no primeiro caso. No entanto, os semicondutores S2 e S3 encontram-se em aberto, comutando S1 e S4 [115], [116]. De salientar que na equação (3.16), referente à tensão de saída em modo buck , a tensão de entrada (Vin) é a tensão presente no barramento CC (C3). 3.3 Estratégias de Controlo Aplicadas a Conversores CC-CC Bidirecionais Todos os conversores empregues em aplicações e sistemas de EP necessitam que uma técnica de controlo seja capaz de garantir o seu correto funcionamento. A técnica de controlo implementada tem de ser capaz de garantir o controlo da tensão e corrente definidos pelo utilizador. Com uma necessidade cada vez mais acrescida de melhor controlo dos conversores com o intuito de aumentar a sua performance e reduzir as perdas, as técnicas de controlo existentes são alvo de grande estudo [117]. Como o próprio nome indica, as técnicas a seguir apresentadas têm como finalidade manter a corrente ou tensão à saída do conversor o mais aproximado possível dos valores de referência calculados previamente com base nas necessidade e limitações da aplicação. Quanto menor for a margem de erro que a técnica apresente à saída do conversor, maior será a dificuldade na implementação da técnica de controlo aplicada ao conversor de potência [118], [119]. Capítulo 3 – Conversores de Eletrónica de Potência Aplicados à Mobilidade Elétrica Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 47 3.3.1 Comparador com Histerese Esta técnica de controlo é das mais fáceis de implementar digitalmente, destacando-se das demais pelo pouco tempo de processamento que necessita, sendo que apenas requer a leitura de um sinal de corrente e fazer a comparação com a corrente de referência definida. Como tal os recursos a utilizar nesta técnica são mínimos [120], [121]. Neste método de controlo de corrente, a corrente de saída do conversor encontra-se em constante comparação com a corrente de referência, previamente definida pelo utilizador, tendo em consideração os parâmetros exigidos pelo sistema, onde é definida uma margem de histerese para que grandes oscilações no ripple da corrente sejam eliminadas. O sinal resultante desta comparação é então aplicado aos semicondutores de potência do conversor. Na Figura 3.9 temos um exemplo da implementação de um comparador com histerese, onde se encontram representado o sinal sintetizado pelo conversor, o sinal de referência e o sinal de saída do comparador [119],[122]. Figura 3.9 – Sinais de referência da corrente de saída do comparador obtidos com recurso ao controlo por comparador com histerese. Uma das grandes vantagens desta técnica de controlo está relacionada com o limite de histerese definido, quanto menor for a margem definida do limite, melhor será a qualidade da forma de onda obtida à saída do comparador. Contudo, esta vantagem pode ser também considerada uma grande desvantagem, pois quanto menor for a margem de histerese definida, maior será a frequência de comutação, podendo chegar a ser superior à frequência de comutação máxima do semicondutor de potência. Como esta técnica não possui frequência de comutação máxima limitada e não é possível definir uma frequência de comutação fixa, pode originar grandes perdas de comutação para frequências elevadas e o aparecimento de harmónicos para frequências de comutação demasiado baixas [122], [123]. Margem de Histerese Iref Iout I t 0 1 t Capítulo 3 – Conversores de Eletrónica de Potência Aplicados à Mobilidade Elétrica Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 48 3.3.2 Periodic Sampling A técnica de controlo de corrente Periodic Sampling , tal como a técnica apresentada anteriormente, é de fácil implementação. O controlo efetuado por esta técnica consiste na comparação entre a corrente de referência e a corrente de saída do conversor, não existindo margem de histerese, mas sendo possível definir o limite máximo da frequência de comutação a aplicar aos semicondutores de potência. Quando implementado digitalmente, a frequência de comutação máxima está limitada a metade da frequência de amostragem. Contudo, esta técnica continua sem garantir uma frequência de comutação fixa, o que pode causar o aparecimento de harmónicos provocados pela comutação dos semicondutores. Outra desvantagem desta técnica é apresentar um ripple na corrente de entrada do conversor superior quando comparada com outras técnicas. No entanto, quanto maior for a frequência de comutação utilizada, tendo em consideração os limites do semicondutor, pode-se verificar uma diminuição do ripple na corrente de saída. Na Figura 3.10 encontram-se representadas duas formas de onda representativas da implementação da técnica de controlo, com duas frequências de amostragem diferentes, comprovandose a sua maior eficiência para frequências de amostragem superiores [118], [124]. Figura 3.10 – Corrente de saída com controlo por Periodic Sampling: (a) Frequência de amostragem 200 kHz; (b) Frequência de amostragem 400 kHz. 3.3.3 Controlo Proporcional Integral (PI) A técnica de controlo proporcional integral com recurso a modulação PWM surgiu por volta de 1940 e continua a ser usada nos mais diversos sistemas de EP. Uma das principais razões deve-se ao facto de a implementação desta técnica digital ser mais vantajosa e prática do que a implementação analógica, sendo possível ajustar os seus parâmetros de controlo facilmente e em alguns casos até mesmo ajustar (a) (b) Iref Iout I t 0 1 t Iref Iout I t 0 1 t Capítulo 3 – Conversores de Eletrónica de Potência Aplicados à Mobilidade Elétrica Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 49 de forma autónoma, tendo em consideração as condições de funcionamento e parâmetros de entrada. Quando implementado analogicamente são utilizados vários componentes, amplificadores e circuitos analógicos para garantir o seu funcionamento tornando-se mais dispendiosa, assim como, caso seja necessário ajustar os ganhos ou parâmetros do sistema, implica um novo redimensionamento do hardware [125]. Contudo, o funcionamento desta técnica é de fácil compreensão, consistindo na diferença obtida entre a comparação da variável a controlar e a sua referência. O valor obtido dessa diferença, também conhecido como erro, em condições ideais terá de ser nulo, usando-se para tal os ganhos integrais e proporcionais em conjunto com outros parâmetros. O sinal de referência obtido é então comparado com uma onda triangular dente de serra com a mesma frequência de comutação pretendida para o sistema, resultando o sinal de PWM a aplicar à gate do semicondutor de potência [126]. Na Figura 3.11 apresenta-se o diagrama de blocos do controlo PI aplicado ao conversor CC-CC bidirecional não isolado buck boost split pi implementado na realização da presente dissertação de mestrado. Como tal, é possível visualizar todo o processo implementado com recurso ao controlo PI até obter o sinal de PWM empregue à gate dos semicondutores de potência. O bloco Kp representa o valor dimensionado para o ganho proporcional, ao passo que Ki representa o ganho integral. Os blocos S1 e S2, são representativos do sinal de enable ou disable do semicondutor de potência presente num dos braços do conversor. Na Figura 3.12 é possível visualizar as formas de ondas obtidas através da implementação do controlo PI. Figura 3.11 - Diagrama de blocos do algoritmo PI aplicado ao conversor de potência. Contrariamente às técnicas já mencionadas neste capítulo, o controlo PI com modulação PWM é considerado linear, uma vez que a modulação da variável a controlar e a compensação do erro se encontram separadas. O controlo PI permite a utilização de uma frequência de comutação fixa, apresentando o espectro harmónico bem definido, facilitando assim a implementação de filtros passivos para eliminação do mesmo, caso seja necessário no sistema onde o mesmo é implementado [127]. + - Kp Ki S1 S2 erro + + + - Conversor CC-CC bidirecional não isolado Variável a controlar Referência Sensores Capítulo 3 – Conversores de Eletrónica de Potência Aplicados à Mobilidade Elétrica Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 50 (a) (b) Figura 3.12 - Corrente de saída com controlo PI com modulação PWM : (a) Frequência de comutação 200 kHz; (b) Frequência de comutação 100 kHz. Contudo, esta técnica também possui as suas desvantagens, nomeadamente a dificuldade em seguir o sinal de referência para frequências de comutação elevadas e mudanças bruscas na variável a controlar. Outra desvantagem reside no facto de sempre que se pretender alterar as variáveis ou o sistema onde implementar esta técnica de controlo, os valores do ganho proporcional e integral necessitam de ajustes. No entanto, as desvantagens aqui mencionadas não são de todo relevantes para o sistema que se pretende implementar, sendo o controlo sempre ajustado para os valores nominais máximos que se pretende [128]. 3.4 Conclusão No decorrer deste capítulo foram apresentados e descritos os conversores de potência que constituem o sistema de carregamento bidirecional de baterias, bem como listadas as técnicas de controlo mais utilizadas nos mesmos. As topologias de conversores CC-CC abordadas neste capítulo são todas bidirecionais e não isoladas, providenciando uma melhor qualidade de energia transferida, uma melhor eficiência e performance resultante da constante diminuição das perdas de comutação. Tudo isto também só é possível graças à constante evolução dos semicondutores de potência empregues nos conversores, que cada vez mais conseguem comutar a frequências superiores e fornecer potências superiores. No que toca às técnicas de controlo associadas aos conversores de potência CC-CC bidirecionais não isolados, é possível constatar que as mesmas acompanham a constante evolução e necessidade de um controlo mais aprimorado, garantindo assim um aumento do rendimento do conversor onde aplicada. Iref Iout I t 0 1 t Iref Iout I t 0 1 t Capítulo 3 – Conversores de Eletrónica de Potência Aplicados à Mobilidade Elétrica Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 51 Um dos pontos mais importantes associados às técnicas de controlo passa pela sua implementação digital, tornando muito mais fácil e prática a sua utilização em qualquer tipo de conversor ou sistema. Após uma análise detalhada das topologias de conversores de potência CC-CC bidirecionais não isolados e das técnicas de controlo a eles associadas, e visando comprovar a eficiência da transferência de energia de dois VEs recorrendo apenas ao conversor CC-CC, a topologia que mais se enquadra para esta aplicação é do tipo buck boost split pi com recurso à técnica de controlo PI com modulação PWM que será testada via simulação no próximo capítulo. Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 52 Capítulo 4 Simulações Computacionais do Conversor CC-CC Bidirecional Não Isolado Buck Boost Split Pi 4.1 Introdução Após a revisão da literatura relativamente aos conceitos a serem abordados nesta dissertação de mestrado, verificadas e enumeradas as vantagens e desvantagens da utilização dos conversores CC-CC bidirecionais não isolados, assim como as técnicas de controlo mais adequadas a serem utilizadas em sistemas de carregamento bidirecional entre VEs, é necessário recorrer à implementação e desenvolvimento do sistema proposto. Para tal, é de extrema importância efetuar simulações computacionais para auferir a autenticidade dos conceitos aplicados, assim como o seu correto funcionamento. A simulação computacional tem como objetivo testar o correto funcionamento do sistema e controlo a ser implementado. Uma das principais vantagens está na alteração, sempre que desejado, dos parâmetros dos componentes e do controlo de modo a obter-se o melhor desempenho possível, aproximando-se assim o mais possível do modelo real. Graças à simulação computacional é permitido testar várias topologias do sistema a implementar, sem a necessidade de gastar dinheiro em hardware, bem como a aquisição apenas dos componentes mais eficientes para o sistema. As simulações computacionais serão realizadas com recurso à ferramenta PSIM. No decorrer deste capítulo são apresentados o modelo e os resultados da simulação do sistema escolhido, sendo constituído por dois conversores CC-CC bidirecionais não isolados buck boost e duas baterias, simulando o carregamento entre dois VEs. Como o sistema a ser implementado requer a transferência de energia em ambos os sentidos, o algoritmo do sistema de controlo necessita de ser dotado de uma elevada eficiência para garantir a correta operação do conversor. Como é necessário regular a tensão no barramento CC do conversor, assim como controlar os processos de carga e descarga das baterias, serão apresentados, descritos e testados os algoritmos utilizados para efetuar esse controlo. Por fim, será apresentado e testado o modelo final do sistema de EP a ser implementado, obtendo um Capítulo 4 – Simulações Computacionais do Conversor CC CC Bidirecional Não Isolado Buck Boost Split Pi Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 53 conversor CC-CC bidirecional não isolado buck boost split pi , garantindo assim a sua fiabilidade, bem como a sua performance. 4.2 Modelo de Bateria Com o intuito de se alcançar cada vez mais um resultado mais aproximado da realidade com recurso às simulações computacionais, a inovação de modelos de componentes aplicados em sistemas de EP tem sido um ponto fulcral. No que diz respeito à simulação de baterias e os seus processos de carga e descarga, vários são os modelos elétricos de baterias a ser propostos, testados e validados. Sendo a bateria um elemento que armazena energia sob a forma de energia química, torna-se necessário optar por um modelo capaz de simular os processos de carga e descarga. Na Figura 4.1 é possível visualizar o esquema elétrico do modelo de bateria utilizado nas simulações realizadas em PSIM. Figura 4.1 - Modelo elétrico de primeira ordem de uma bateria utilizado na simulação do sistema em PSIM. Para a realização da presente dissertação, optou-se pela utilização de um modelo de primeira ordem, conforme referido na secção 2.4. Este modelo é capaz de simular os processos de carga e descarga de uma bateria com recurso a poucos componentes. Os valores atribuídos aos componentes vão interferir diretamente no tempo de duração dos processos de carga e descarga e no valor da tensão de carga da bateria. No modelo adotado, também conhecido como modelo de Thevenin , a fonte de tensão Voc representa a tensão de circuito aberto da bateria, a resistência Rs representa a resistência interna da bateria, sendo que o paralelo do condensador C com a resistência Rp representa o estado de carga da bateria. Os Capítulo 4 – Simulações Computacionais do Conversor CC CC Bidirecional Não Isolado Buck Boost Split Pi Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 54 valores atribuídos aos componentes presentes no modelo acima representado encontram-se presentes na Tabela 4.1. Tabela 4.1Valores atribuídos aos componentes utilizados em simulação PSIM. Fonte de tensão (V) Voc1 200 Voc2 200 Resistência interna (mΩ) Rs1 80 Rs2 80 Condensador de carga (C) C1 0,2 C2 0,2 Resistência de autodescarga (kΩ) Rp1 100 Rp2 100 A versão 9.1 da ferramenta PSIM utilizada para realizar as simulações presentes nesta dissertação não possui modelos de baterias na sua biblioteca, sendo que foi necessário recorrer ao modelo de bateria referido anteriormente para simular o seu comportamento durante os processos de carga e descarga e assim verificar o correto funcionamento do controlo implementado. 4.3 Modelo de Simulação O modelo de simulação desenvolvido em software PSIM encontra-se ilustrado nas figuras que se seguem abaixo. Para uma melhor visualização e explicação, o modelo adotado encontra-se divido em duas partes. Na Figura 4.2, temos a primeira parte que representa o andar de potência do modelo adotado, simulando a transferência de energia entre dois VEs. Como se pode observar, o modelo possui dois conversores CC-CC bidirecionais não isolados buck boost , simulando cada um deles um VE, conectados pelo barramento CC, dando origem a um conversor CC-CC bidirecional não isolado buck boost split pi . Podese também observar os sensores de tensão e corrente utilizados, que permitem a leitura de valores necessários para o correto funcionamento do conversor, bem como o condensador do barramento CC, do barramento de acoplamento das baterias e do indutor utilizado no desenvolvimento do modelo apresentado. Capítulo 4 – Simulações Computacionais do Conversor CC CC Bidirecional Não Isolado Buck Boost Split Pi Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 61 (a) (b) Figura 4.8 – Sinal PWM aplicado à gate dos semicondutores de potência em ambiente de simulação PSIM: (a) Modo boost ; (b) Modo buck. 4.5.2 Algoritmo de Carregamento Ao longo dos anos, vários métodos de carregamento de baterias têm vindo a ser propostos e estudados com vista à otimização e fiabilidade do mesmo, assim como garantia de uma maior longevidade dos elementos responsáveis pelo armazenamento de energia, neste caso as baterias. Por outro lado, no mercado existem diversas tecnologias de baterias com diferentes métodos de carregamento aconselhados pelo seu fabricante, o que leva a uma seleção e estudo mais detalhado para conseguir extrair a maior performance possível da bateria. Nesse sentido, como supramencionado na secção 2.5, o método de carregamento implementado no software de simulação PSIM vai de acordo com as estratégias mais eficientes e utilizadas no carregamento de baterias em VEs. O método adotado para a realização das simulações foi o de carregamento por corrente-tensão constante, devido à sua fácil implementação e grande eficiência. Numa primeira instância, a implementação deste método de controlo no conversor CC-CC bidirecional não isolado buck boost passa por garantir uma corrente e tensão constante aplicada à carga que se encontra no lugar da bateria. Em seguida, para uma melhor compreensão, o método de carregamento é abordado em dois tópicos, sendo cada um deles um estágio do carregamento. Corrente Constante O primeiro estágio do carregamento da bateria é realizado através de corrente constante. Para tal, é necessário implementar um controlo capaz de fornecer uma corrente constante à bateria, executando o seu correto processo de carregamento. Com recurso ao controlo PI é então desenvolvido o algoritmo capaz de garantir uma corrente constante na carga. De forma a dotar o sistema de uma resposta rápida face a alterações que possam ocorrer, a otimização das variáveis do controlo PI, ki e kp, é o procedimento mais importante a adotar. Desta forma, o ripple 0 1 0.070002 0.070012 0.070022 Valor Digital Tempo (s) S2 S1 0 1 0.070002 0.070012 0.070022 Valor Digital Tempo (s) S2 S1 Capítulo 4 – Simulações Computacionais do Conversor CC CC Bidirecional Não Isolado Buck Boost Split Pi Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 62 presente na forma de onda da corrente de saída será o menor possível, aumentado a longevidade dos componentes e sua performance. No que diz respeito à Figura 4.9, é visível que a corrente de saída do conversor de potência no instante inicial tem como valor 0 A, progredindo rapidamente e sem grandes oscilações para o valor de corrente referência desejada na saída de 10 A. Também é possível verificar que o ripple na corrente de saída é 0.8 A pico a pico e que a mesma mantém um valor médio constante, comprovando uma grande eficiência do controlo em ambiente de simulação. Figura 4.9 - Forma de onda da corrente na carga obtida com recurso ao controlo de corrente constante. Tensão Constante Dando por concluído o processo de carregamento por corrente constante, momento em que a bateria atinge o seu valor nominal de tensão, inicia-se o processo de carregamento por tensão constante. O controlo do carregamento por tensão constante tem como base o mesmo algoritmo implementado no seu estágio anterior, alterando o valor atribuído às variáveis do controlo PI. Este processo, comparado com o seu antecessor, é mais rápido no seu término, dando-se por concluído quando o valor da corrente fornecida à bateria seja aproximadamente 0 A. Como a bateria foi substituída por uma carga resistiva com valor de 54 Ω, o objetivo do controlo implementado passa por garantir uma tensão constante na carga, tentando reduzir ao máximo o ripple presente na mesma. A escolha do valor atribuído à carga resistiva utilizada deve-se ao facto de ser um dos valores das cargas disponibilizadas no laboratório do GEPE. Na Figura 4.10 encontra-se representada a forma de onda obtida no último estágio de carregamento, garantindo uma tensão constante na carga. O valor definido para a tensão empregue à carga foi de 300 V, sendo este o valor da tensão nominal da bateria quando a mesma se encontra totalmente 9 10 11 0.08 0.085 0.09 0 6 12 00.02 0.04 0.06 0.08 0.1 Corrente (A) Tempo (s) ic ic Capítulo 4 – Simulações Computacionais do Conversor CC CC Bidirecional Não Isolado Buck Boost Split Pi Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 63 carregada. Considerando a tensão empregue à carga, o ripple presente na mesma é considerado muito reduzido, tendo como valor aproximadamente 3 Vpp. Figura 4.10 - Forma de onda da tensão na carga obtida com recurso ao controlo de tensão constante. 4.6 Validação do Sistema Proposto Concluída a validação de um dos conversores de potência presente no sistema proposto e do algoritmo de controlo implementado, procede-se à simulação do sistema na sua totalidade, de modo a comprovar o seu correto funcionamento e os modos de operação propostos. As simulações computacionais serão executadas de acordo com os valores nominais de operação do sistema, presentes na Tabela 4.3, tendo em consideração os parâmetros e limitações dos componentes a utilizar na implementação prática do sistema. Deste modo, as simulações computacionais efetuadas ao sistema proposto serão uma aproximação muito idêntica à implementação física do sistema proposto, permitindo desta forma efetuar testes ao sistema em ambiente de simulação e visualizar os valores de tensão e corrente esperados em pontos específicos do mesmo sem causar danos. Tabela 4.3 – Valores de tensão e corrente nominal máxima admissível no sistema. Máxima Mínima Tensão Barramento CC (V) 400 Tensão da bateria Tensão Bateria (V) 300 180 Corrente Bobina (A) 15 -15 Como já referido anteriormente, o sistema proposto é composto por dois conversores de potência CC-CC bidirecionais não isolados buck boost ligados entre si através do barramento CC dando origem a um conversor CC-CC bidirecional não isolado buck boost split pi. Contudo, a validação do algoritmo de 298 300 302 0.06 0.0625 0.065 220 260 300 00.02 0.04 0.06 0.08 0.1 Tensão (V) Tempo (s) vcarga vcarga Capítulo 4 – Simulações Computacionais do Conversor CC CC Bidirecional Não Isolado Buck Boost Split Pi Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 64 controlo efetuado na seção anterior não é de aplicação direta, necessitando de ajuste nos parâmetros intrínsecos às funções de controlo, nomeadamente ki e kp. Tal necessidade é de grande importância para obter o menor ripple possível nos valores de tensão e corrente, garantindo ao mesmo tempo uma resposta rápida do sistema de controlo a alterações efetuadas pelo utilizador ou a ocorrência de anomalias. Um dos objetivos proposto na dissertação é garantir que o conversor de potência implementado seja capaz de efetuar um fluxo bidirecional de energia entre baterias, neste caso em concerto carregar um VE através de outro VE. Para garantir que tal seja possível, um correto controlo da tensão presente no barramento CC, ponto intermédio da ligação entre os VEs, é de extrema importância. Neste sentido, a validação do sistema proposto passa primeiramente por demonstrar um correto controlo da tensão presente no barramento CC, sendo em seguida demonstrado o funcionamento dos vários modos de operação implementados para o sistema proposto. 4.6.1 Controlo da Tensão no Barramento CC O controlo da tensão no barramento CC é deveras importante para o correto funcionamento do sistema. Segundo a literatura, para um correto funcionamento do conversor de potência implementado é necessário existir no barramento CC uma tensão superior à tensão das baterias para que possa existir fluxo de energia controlado. O controlo aplicado ao barramento CC deve ser utilizado tanto no processo de carga como de descarga da bateria. A tensão de referência definida para o barramento CC foi de 400 V e necessita de ser controlada para se manter constante. Para garantir que a tensão do barramento CC se mantenha no valor da tensão de referência definida, foi utilizada uma técnica de controlo PI com recurso à modulação PWM. A escolha do controlo PI recaiu no facto de ser de fácil implementação, utilizar uma frequência fixa de comutação e ter performance igual ou superior às restantes técnicas mencionadas na secção 3.3 para controlar o conversor adotado. Com recurso às equações características da técnica de controlo PI, é implementada a função responsável por gerar o sinal de referência que controla o sinal de PWM. Uma otimização dos valores de ki e kp , aliada à adição de uma rampa para a tensão de referência, garantem uma rápida resposta na estabilidade da tensão a controlar e um menor ripple . A adição de limites no somatório do erro e na gama de valores obtidos para o sinal de referência do PWM são os cuidados a ter na sua implementação. Capítulo 4 – Simulações Computacionais do Conversor CC CC Bidirecional Não Isolado Buck Boost Split Pi Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 65 Na Figura 4.11 encontra-se representa a tensão aplicada ao barramento CC com recurso à técnica de controlo PI, verificando-se o seu correto funcionamento. É também possível constatar que a presença de ripple no barramento CC é quase inexistente, comprovando a eficácia do controlo. Figura 4.11 – Forma de onda da tensão presente no barramento CC obtida com recurso ao controlo por tensão constante no barramento CC. No entanto, na Figura 4.12 é visível que a corrente no barramento não é controlada e tem um ripple considerável antes de estabilizar, o que na implementação pratica pode trazer graves problemas ao correto funcionamento do sistema e danificar o mesmo. Figura 4.12 - Forma de onda da corrente presente no barramento CC obtida com recurso ao controlo por tensão constante no barramento CC. De forma a ser possível controlar os valores de tensão e garantir que a corrente seja controlada durante o processo de descarga, optou-se por efetuar um controlo do barramento CC com recurso a uma teoria de potência colmatando o problema apresentado. Quando implementada, a teoria de potência permite controlar o barramento CC com os mesmos valores de tensão definidos e obter uma corrente totalmente controlada para os mesmos valores de potência obtidos na saída do conversor. Uma das grandes 399 399.5 400 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 280 340 400 00.02 0.04 0.06 0.08 0.1 Tensão (V) Tempo (s) Vcc Vcc 0 5 10 15 00.02 0.04 0.06 0.08 0.1 Corrente (A) Tempo (s) 0 6 12 0.08 0.08001 0.08002 iV2V iV2V Capítulo 4 – Simulações Computacionais do Conversor CC CC Bidirecional Não Isolado Buck Boost Split Pi Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 66 vantagens deste controlo deve-se ao facto de a corrente de descarga da bateria ter um melhor controlo, evitando grandes oscilações na mesma. Na Figura 4.13 (a) encontra-se representada a forma de onda de tensão obtida no barramento CC, ao passo que na Figura 4.13 (b) pode visualizar-se a forma de onda da corrente obtida no barramento CC e desta forma comprovar a necessidade da sua implementação para um melhor controlo. (a) (b) Figura 4.13 – Formas de onda presentes no barramento CC durante execução do modo I: (a) Tensão barramento CC; (b) Corrente barramento CC. Comprovado o correto funcionamento da teoria de potência implementada para o controlo da tensão no barramento CC e descarga da bateria (modo boost ), é possível concluir que o controlo é capaz de garantir o controlo do conversor CC-CC e a sua correta operação, salvaguardando desta forma todos os componentes presentes na PCB. 300 350 400 00.02 0.04 0.06 0.08 0.1 Tensão (V) Tempo (s) 399.5 400 400.5 0.07 0.075 0.08 Vcc Vcc 0 6 12 0.08 0.08001 0.08002 0 6 12 00.02 0.04 0.06 0.08 0.1 Corrente (A) Tempo (s) iV2V iV2V Capítulo 4 – Simulações Computacionais do Conversor CC CC Bidirecional Não Isolado Buck Boost Split Pi Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 67 4.6.2 Modos de Operação do Sistema Após a validação do algoritmo de controlo implementado no conversor CC-CC bidirecional não isolado buck boost split pi para o barramento CC, é agora a vez de validar os modos de operação propostos para o funcionamento do sistema e comprovar a operação do conversor. Tratando-se de um sistema capaz de garantir o fluxo bidirecional entre dois VEs, serão abordados quatro modos de operação do conversor de potência. Contudo, para comprovar a operação do conversor em dois quadrantes serão definidos diferentes parâmetros de operação a atribuir a cada um dos modos. Na Tabela 4.4 pode-se verificar os quatro modos de operação abordados e os diferentes parâmetros definidos para a sua execução, considerando as necessidades do utilizador. É necessário ter em consideração que na tabela, as variáveis Vbat1 e Vbat2 representam 2 VEs. A condição iV2V indica o sentido do fluxo de energia. Se iV2V > 0, a direção da energia é de Vbat1 para Vbat2, ao passo que, se iV2V < 0, a direção da energia é de Vbat2 para Vbat1. Tabela 4.4 – Modos de operação do conversor CC-CC bidirecional buck boost split pi . Modo V2V Relação tensão baterias I iV2V > 0 Vbat1 > Vbat2 II Vbat2 > Vbat1 III iV2V < 0 Vbat2 > Vbat1 IV Vbat1 > Vbat2 Modo I Quando o sistema é ativado, selecionando o modo I para o conversor operar, a tensão de Vbat1 é superior a Vbat2 e o fluxo de energia irá ocorrer do VE1 para o VE2, satisfazendo a condição iV2V > 0, visível na Figura 4.14. Como já mencionado anteriormente, os algoritmos de carga e descarga implementados no funcionamento do conversor CC-CC bidirecional não isolado buck boost split pi têm como função prolongar o tempo de vida útil da bateria e reduzir o seu tempo de execução. Quando o conversor começa a comutar, o processo de descarga aplicado à bateria Vbat1 é também responsável por controlar a tensão do barramento CC, ao passo que o processo de carga é aplicado a Vbat2. Capítulo 4 – Simulações Computacionais do Conversor CC CC Bidirecional Não Isolado Buck Boost Split Pi Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 68 Figura 4.14 – Forma de onda da corrente iV2V presente no barramento do conversor CC-CC bidirecional buck boost split pi em modo I. Executando a simulação do sistema em modo I é possível verificar se o controlo implementado é capaz de garantir o funcionamento do conversor de potência. Para tal, os valores de tensão nominal atribuídos às baterias e ao barramento CC, assim como à corrente de carga da bateria, Icarga, encontram-se representados na Tabela 4.5. Tabela 4.5 – Valor nominais máximos de tensão e corrente no funcionamento do conversor CC-CC bidirecional buck boost split pi em modo I. Máxima Mínima Vbat1 (V) 300 200 Vbat2 (V) 300 200 Icarga (A) 10 0 Idescarga (A) 15 0 De modo a comprovar o funcionamento do controlo aplicado, foi então realizada uma monitorização das formas de onda da corrente e tensão no barramento CC e nas baterias durante a execução dos processos de carga (Vbat2) e descarga (Vbat1). O valor atribuído ao condensador de carga presente no modelo elétrico da bateria anteriormente abordado foi alterado de forma a ser visível todo o processo de carga e descarga, e não sobrecarregar o simulador com tempos de simulação excessivos, sendo que esta alteração não compromete a fiabilidade dos processos nem dos componentes. Numa primeira instância, é apresentada, na Figura 4.15, a forma de onda referente à tensão presente no barramento CC. Entre o instante t = 0 s e t = 0,01 s, o barramento CC encontra-se em processo de pré-carga até atingir a tensão de referência definida de 400 V. Após atingir o valor de 400 V no instante t = 0,01 s, inicia-se o processo de carga por corrente constante aplicado à bateria presente no VE2, justificando a ligeira oscilação da tensão nesse momento. No instante t = 0,108 s, a tensão do barramento CC sofre uma ligeira oscilação causada pela alteração do modo de carregamento, passando a ser executado o modo de tensão constante até o carregamento ser finalizado. Após o término do 0 6 12 0.00 0.04 0.08 0.12 Corrente (A) Tempo (s) iV2V Capítulo 4 – Simulações Computacionais do Conversor CC CC Bidirecional Não Isolado Buck Boost Split Pi Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 69 carregamento da bateria, o barramento CC deverá continuar com o valor de tensão nominal definido, como se verifica entre o instante t = 0,113 s e t = 0,12 s. em todos os instantes mencionados pôde ser comprovado o correto funcionamento do sistema. Figura 4.15 – Forma de onda da tensão no barramento CC durante operação do conversor CC-CC bidirecional buck boost split pi em modo I. Na Figura 4.16 é possível observar as formas de onda de todo o processo de carga aplicado à bateria Vbat2 durante o modo I. Como já referido, após a tensão do barramento CC atingir 400 V, é então iniciado o processo de carga. No instante t = 0,1 s é iniciado o processo de carga da bateria com controlo de corrente constante, prolongando-se até ao instante t = 0,108 s. Nesse mesmo instante, a bateria atinge o seu valor de tensão nominal 300 V, entrando em execução o carregamento por tensão constante. Quando a corrente na bateria atinge um valor próximo de 0 A em t = 0,113 s, dá-se por concluído o processo de carga da bateria, sendo desabilitadas as comutações do conversor. Figura 4.16 - Formas de onda na bateria Vbat2 durante o processo de carga do conversor CC-CC bidirecional buck boost split pi em modo I. 300 350 400 00.04 0.08 0.12 Tensão (V) Tempo (S) 398 400 402 404 0.01 0.02 0.03 398 400 402 0.1 0.11 0.12 Vcc Vcc Vcc 0 6 12 200 250 300 00.04 0.08 0.12 Corrente (A) Tensão (V) Tempo (s) 0 6 12 200 203 206 0.01 0.0125 0.015 0 6 12 299 300 301 0.108 0.1105 0.113 9 10 11 0.07 0.07001 0.07002 ibat2 ibat2 ibat2 ibat2 vbat2 vbat2 vbat2 Capítulo 4 – Simulações Computacionais do Conversor CC CC Bidirecional Não Isolado Buck Boost Split Pi Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 70 O processo de descarga aplicado a Vbat1 é também alvo de monitorização, garantindo que a corrente não toma valores excessivos, provocando danos nos componentes do sistema. Através da análise da Figura 4.17, é possível verificar que a corrente entre o instante inicial e t = 0,0125 s sofre oscilações provocadas pela regulação da tensão do barramento CC e do início do processo de carga. Iniciado o processo de carga por corrente constante, em t = 0,1 s, é verificado que a corrente de descarga tende a aumentar à medida que a tensão na bateria vai diminuindo. No instante t = 0,108 s, Vbat2 altera o seu processo de carga para tensão constante, a corrente de descarga, Icarga, começa a tender para 0 A, momento em que as comutações do conversor são desabilitadas, finalizando o processo de descarga. Figura 4.17 - Formas de onda presentes em Vbat1 durante o processo de descarga do conversor CC-CC bidirecional buck boost split pi em modo I. Por último, e não menos importante, são apresentadas as formas de onda do sinal de PWM aplicado à gate dos semicondutores durante a operação do conversor em modo I. O conversor presente no VE1 opera em modo boost , sendo o semicondutor superior (S1) que se encontra ao corte e o semicondutor inferior (S2) em comutação, como se pode comprovar na Figura 4.18 (a), ao passo que o conversor presente no VE2 opera em modo buck , garantindo desta forma que o semicondutor superior (S1) comute e o semicondutor inferior (S2) se encontre ao corte, como representado na Figura 4.18 (b). (a) (b) Figura 4.18 - Forma de onda do PWM aplicado à gate dos semicondutores de potência do conversor CC-CC bidirecional buck boost split pi em modo I: (a) VE1; (b) VE2. -15 -10 -5 0 280 290 300 0.00 0.04 0.08 0.12 Corrente (A) Tensão (V) Tempo (s) -15 -10 -5 0 296 298 300 0.01 0.0125 0.015 -9.5 -9 -8.5 0.07 0.07001 0.07002 -15 -10 -5 0 289 290 291 0.108 0.1105 0.113 ibat1 vbat1 ibat1 ibat1 ibat1 vbat1 vbat1 0 1 0.020002 0.020012 0.020022 Valor Digital Tempo (s) S2 S1 0 1 0.020002 0.020012 0.020022 Valor Digital Tempo (s) S3 S4 Capítulo 4 – Simulações Computacionais do Conversor CC CC Bidirecional Não Isolado Buck Boost Split Pi Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 77 Tabela 4.8 - Valor nominais máximos de tensão e corrente de funcionamento do conversor CC-CC bidirecional buck boost split pi em modo IV. Máxima Mínima Vbat1 (V) 300 240 Vbat2 (V) 200 150 Icarga (A) 10 0 Idescarga (A) 15 0 Verificando a forma de onda presente na Figura 4.29, referente á condição iV2V < 0, é possível verificar que a mesma é garantida. No entanto, em comparação com a Figura 4.24, é observado um aumento do valor médio da corrente presente no barramento CC, pelo mesmo motivo apresentado na descrição do funcionamento do modo II. Em seguida são apresentadas e analisadas as restantes formas de onda para comprovar o correto funcionamento de todos os modos implementados. Figura 4.29 - Forma de onda da corrente iV2V presente no barramento CC do conversor CC-CC bidirecional buck boost split pi em modo IV. Executando a simulação do sistema em modo IV, numa primeira instância, é então possível observar a forma de onda da tensão no barramento CC, presente na Figura 4.30. Através de uma rápida comparação entre as formas de onda obtidas nos restantes modos de operação do conversor de potência, é possível constatar que a forma de onda obtida é igual à forma de onda da tensão do barramento CC durante a operação do sistema em modo II (Figura 4.20). -14 -7 0 0 0.04 0.08 0.12 Corrente (A) Tempo (s) iV2V Capítulo 4 – Simulações Computacionais do Conversor CC CC Bidirecional Não Isolado Buck Boost Split Pi Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 78 Figura 4.30 – Forma de onda no barramento Vcc durante operação do conversor CC-CC bidirecional buck boost split pi em modo IV. Efetuando uma breve análise às formas de ondas presentes na Figura 4.31, é possível validar o correto funcionamento do conversor nos 4 modos propostos, sendo as formas de onda obtidas em tudo semelhantes às obtidas no modo II de funcionamento do sistema, durante o processo de carga. Na Figura 4.32 encontram-se as formas de onda obtidas no processo de descarga aplicado a Vbat2 durante o funcionamento do sistema em modo IV, comprovando ter o mesmo comportamento que o modo II. É também possível concluir que o controlo adotado foi implementado corretamente, sendo possível observar através de todos os resultados obtidos que, apesar da alteração do fluxo de energia entre as baterias, as formas de ondas obtidas segundo as mesmas condições de operação do sistema são iguais. Como tal, é possível afirmar que as simulações computacionais realizadas ao conversor CC-CC bidirecional não isolado buck boost split pi nos diferentes modos de operação definidos permitem validar o funcionamento do sistema. Figura 4.31 - Formas de onda na bateria Vbat1 durante o processo de carga do conversor CC-CC bidirecional buck boost split pi em modo IV. 220 320 420 00.04 0.08 0.12 Tensão (V) Tempo (s) 330 370 410 0.01 0.02 0.03 390 400 410 0.06 0.07 0.08 Vcc Vcc Vcc 0 6 12 240 270 300 00.04 0.08 0.12 Corrente (A) Tensão (V) Tempo (s) 0 6 12 240 245 250 0.015 0.02 0.025 0 6 12 292 297 302 0.07 0.075 0.08 9.5 10 10.5 0.07 0.07001 0.07002 ibat1 vbat1 ibat1 ibat1 ibat1 vbat1 vbat1 Capítulo 4 – Simulações Computacionais do Conversor CC CC Bidirecional Não Isolado Buck Boost Split Pi Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 79 Figura 4.32 - Formas de onda na bateria V bat1 durante operação do conversor CC-CC bidirecional buck boost split pi em modo IV: (a) Processo de carga; (b) Processo de descarga. De forma a comprovar uma correta modulação do sinal de PWM a aplicar à gate dos semicondutores de potência, é efetuada uma análise às formas de onda dos mesmos. Através da comparação com o modo de funcionamento II, é possível verificar que o sinal de PWM possui o mesmo comportamento, apresentando o mesmo duty cyle mas diferentes semicondutores de potência a comutar, como se pode verificar na Figura 4.33. (a) (b) Figura 4.33 - Forma de onda do PWM aplicado à gate dos semicondutores de potência do conversor CC-CC bidirecional buck boost split pi em modo IV: (a) VE1; (b) VE2. 4.7 Conclusão No decorrer deste capítulo, foi apresentado e descrito o modelo de simulação implementado em PSIM, composto por um conversor CC-CC bidirecional não isolado para operação como um carregador entre dois VEs. Foram também apresentadas e justificadas as técnicas de controlo implementadas para um correto funcionamento. -16 -8 0 184 192 200 00.04 0.08 0.12 Corrente (A) Tensão (V) Tempo (s) -16 -10 -4 195 196 197 0.015 0.02 0.025 -18 -9 0 186 188 190 0.07 0.075 0.08 -16 -15 0.07 0.07001 0.07002 vbat2 ibat2 vbat2 vbat2 ibat2 ibat2 ibat2 0 1 0.020002 0.020012 0.020022 Valor Digital Tempo (s) S2 S1 0 1 0.020002 0.020012 0.020022 Valor Digital Tempo (s) S4 S3 Capítulo 4 – Simulações Computacionais do Conversor CC CC Bidirecional Não Isolado Buck Boost Split Pi Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 80 Para uma análise mais profunda ao correto funcionamento do sistema, primeiramente foram testados os modos de funcionamento buck e boost e as técnicas de controlo implementadas num dos conversores CC-CC bidirecional não isolado buck boost . O conversor encontra-se ligado pelo barramento CC a conversor igual, originando a topologia que se pretende validar para testar o sistema final a implementar. Foram apresentados e validados os resultados que comprovam o funcionamento dos modos de operação do conversor. No entanto, como as técnicas de controlo implementadas no conversor CC-CC bidirecional não isolado buck boost são comuns ao conversor CC-CC bidirecional não isolado buck boost split pi , as mesmas apenas serão abordadas na validação dos modos de operação buck e boost . Por fim, foi analisado e descrito o funcionamento do sistema composto por um conversor CC-CC bidirecional buck boost , simulando este as trocas de energia efetuadas entre 2 baterias representativas de VEs. Para validar o correto funcionamento do sistema, foram implementadas duas condições essenciais para garantir o fluxo bidirecional do sistema e o seu funcionamento. Para tal, o funcionamento do sistema foi divido em 4 modos de funcionamento, sendo que para cada um dos modos de operação foram apresentadas as formas de onda e as técnicas de controlo implementadas para os processos de carga e descarga. Como já referido, a implementação de 4 modos de funcionamento do sistema é justificada pela necessidade de comprovar o funcionamento do sistema sobre condições de operação mais restritas. Concluída a validação do correto funcionamento do sistema proposto, é possível afirmar que o objetivo principal por detrás das simulações computacionais efetuadas foi cumprido com sucesso, comprovando desta forma o fluxo bidirecional existente nas trocas de energia efetuadas entre as 2 baterias. Cada uma das baterias é representativa de um VE. Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 81 Capítulo 5 Implementação e Desenvolvimento do Carregador de Baterias Para Veículos Elétricos 5.1 Introdução Neste capítulo é descrito o modo de implementação do sistema de carregamento de baterias bidirecional desenvolvido ao longo desta dissertação de mestrado no laboratório do GEPE, como também são apresentados todos os componentes de hardware utilizados e o porquê da sua escolha, sendo o sistema projetado para atingir potências de 3,6 kW. Um dos desafios propostos para a realização desta dissertação de mestrado foi compactar os componentes usados na sua realização, de modo a todo o sistema estar presente na mesma PCB sem recurso a módulos externos, como se poderá verificar no decorrer do presente capítulo. De forma a satisfazer as especificações que foram apresentadas para a sua realização, as duas PCBs tiveram de ser desenvolvidas de raiz, apresentando-se com um tamanho reduzido, compactas e serem capazes de suportar uma grande densidade de potência. Na Figura 5.1 (a), é possível visualizar a camada superior da PCB desenvolvida no software PadsLogic após a sua impressão, ao passo que na Figura 5.1 (b) é apresentada a camada inferior. Para uma melhor compreensão do sistema a implementar fisicamente, a sua apresentação será divida em duas partes, uma referente ao sistema de controlo e outra ao andar de potência. Numa primeira instância será escrutinado todo o hardware e software relacionado com o sistema de controlo implementado para um correto funcionamento do sistema, como circuitos de deteção de erros, proteção e comando, algoritmos de controlo e sensores utilizados. Em seguida, será abordado o andar de potência, justificando a escolha do conversor adotado, do circuito protetor da gate , dos semicondutores de potência, dos condensadores e da bobina empregues no conversor de potência. Capítulo 5 – Implementação e Desenvolvimento do Carregador de Baterias Para Veículos Elétricos Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 82 (a) (b) Figura 5.1 – Versão final impressa da PCB desenvolvida no âmbito na presente dissertação de mestrado: (a) Camada superior; (b) Camada inferior. 5.2 Sistema de Controlo Nesta secção é apresentado todo o processo de desenvolvimento e implementação do sistema de controlo do sistema de EP. Como já referido anteriormente, apenas foi desenvolvida uma PCB que contém todos os circuitos necessários para o correto funcionamento do sistema. Deste modo, serão apresentados todos os circuitos presentes na placa referentes ao controlo do sistema, assim como o condicionamento de sinal e proteção dos semicondutores de potência, sendo também expostos todos os cálculos efetuados para o dimensionamento dos componentes a utilizar que garantem o correto funcionamento do sistema implementado. É também apresentado e descrito o microcontrolador utilizado, que ficará encarregue de ler os sinais dos sensores de tensão e corrente e de gerar os sinais de PWM empregues à gate dos semicondutores de potência. Na Figura 5.2, pode-se observar uma imagem que contempla todos os parâmetros envolvidos diretamente no sistema de controlo, para uma melhor perceção dos pontos abaixo abordados. Capítulo 5 – Implementação e Desenvolvimento do Carregador de Baterias Para Veículos Elétricos Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 83 Figura 5.2 – Diagrama de blocos do sistema de controlo a implementar. 5.2.1 Microcontrolador No decorrer dos dias de hoje, em qualquer sistema de EP torna-se necessária a utilização de um microcontrolador capaz de executar os processos responsáveis pelo controlo do sistema e assim dispensar o controlo por circuitos analógicos, garantido uma maior fiabilidade do controlo implementado, proporcionando alterações do controlo sem necessitar de alterar componentes e acarretando menores custos de aquisição. O microcontrolador deve ser capaz de efetuar o controlo dos valores de tensão e corrente definidos, assim como a leitura de sinais digitais e grandezas físicas com recurso ao canal Analog to Digital Converter (ADC), realização de cálculos matemáticos em tempo real com grande eficiência, a conversão de valores digitais para analógicos com recurso ao Digital to Analog Converter (DAC) e ainda ser capaz de gerar sinais de PWM. A escolha do microcontrolador a utilizar recaiu sobre a plataforma de desenvolvimento baseada em Digital Signal Processor (DSP) do fabricante Texas Instruments , nomeadamente o modelo TMS320F28027FPTT [129].Este modelo é utilizado em aplicações de controlo em tempo real, graças ao seu elevado desempenho e capacidade de processamento que oferece, tendo como principais características: • CPU de 32-bits, 64 KB de memoria flash e frequência de clock de 60 MHz; • 3 CPU timers de 32-bits; • 9 saídas de PWM; • 13 canais ADC 12-bits; • Modulos de comunicação I2C ( Inter-integrated circuit ), SPI ( Serial Peripheral Interface ) e SCI ( Serial Comunication Interface ); • 22 canais GPIO e 6 AIO. DSP – TMS320F28027FPTT Conversor de Potência Circuito de Driver Proteção e Comando Condicionamento de Sinal Sensores UtilizadorPC Capítulo 5 – Implementação e Desenvolvimento do Carregador de Baterias Para Veículos Elétricos Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 84 O DSP escolhido encontra-se presente na placa LAUNCHXL-F28027 development kit da Texas Instruments , presente na Figura 5.3. A placa é alimentada com uma tensão de 3,3 V e GND e encontrase conectada à PCB desenvolvida através de 2 socket s DIMM. Todos os sinais e grandezas que o sistema de controlo necessita de ler durante o funcionamento do sistema são obtidos pelo DSP através dos sockets onde a mesma se encaixa, assim como os sinais de PWM e controlo são transmitidos aos respetivos componentes. De acordo com o datasheet da DSP, o ADC apenas consegue ler valores de tensão entre 0 e 3,3 V, necessitando desta forma de um circuito auxiliar de condicionamento de sinal que será abordado mais à frente neste capítulo. Figura 5.3 – Placa de desenvolvimento adotada LAUNCHXL-F28027 development kit da Texas Instruments . Para a programação do DSP foi escolhido o software disponibilizado pela Texas Instruments , o Code Composer Studio 5.0 , que permite a programação em linguagem C e C++, permitindo assim uma fácil implementação do controlo, através do uso do código implementado em C-block na realização das simulações computacionais. O software escolhido permite a utilização de funções como o debug , escrita e leitura de memória, ativação de flags em tempo real, entre outras. A comunicação entre o software e o DSP é efetuada através da porta serie, com um cabo mini USB. 5.2.2 Sensor de Tensão Para garantir um correto funcionamento do sistema implementado, é de extrema importância efetuar a leitura de valores de tensão em pontos específicos do conversor desenvolvido, proporcionando desta forma uma elevada eficiência. De acordo com a topologia do conversor adotada para a realização desta dissertação, é indispensável efetuar a leitura da tensão no barramento CC (VCC) e a das baterias utilizadas (Vbat1 e Vbat2). Sendo o sistema projetado para atingir potências de 3,6 kW, torna-se necessário a aquisição de elementos capazes de efetuar a leitura de tensões na ordem das centenas de volts e permitir a sua leitura Capítulo 5 – Implementação e Desenvolvimento do Carregador de Baterias Para Veículos Elétricos Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 85 através do ADC interno do DSP. Para garantir a leitura de grandes valores de tensão sem danificar o microcontrolador, o sensor escolhido deve garantir o isolamento galvânico. O isolamento galvânico é um parâmetro fulcral na escolha do sensor dada a grande diferença entre a tensão do andar de potência e o andar de controlo. A escolha do sensor, depois de verificado o material presente no laboratório GEPE, recaiu sobre o sensor de tensão de efeito Hall modelo CYHVS5-25A fabricado pela ChenYang Technologies GmBH&Co KG [130]. Este sensor é capaz de medir tensões em CA e CC com uma elevada precisão e linearidade de forma isolada e com leitura máxima de 2000 V de pico, com uma precisão de 0.8%. O isolamento galvânico máximo garantido pelo sensor é de 2500 V com uma duração máxima de minuto e meio. A alimentação do sensor é de ±15 V. Na Figura 5.4 pode observar-se o sensor de tensão escolhido. Figura 5.4 – Sensor de tensão de efeito Hall da ChenYang Technologies GmBH&Co KG modelo CYHVS5-25A. De modo a efetuar uma correta leitura e aquisição dos valores de tensão do barramento CC e das baterias, o sensor necessita de duas resistências de medida em série do lado primário (R1 e R2), sendo que devem ligar-se aos terminais da tensão que se pretende medir. O lado primário do sensor possui uma corrente nominal de 5 mA RMS, corrente esta que não deve ser ultrapassada tendo em consideração a seleção das resistências a utilizar. A utilização de duas resistências de medida com metade do valor da resistência total consiste em diminuir a potência dissipada nas mesmas, como a equação (5.1) demonstra. 𝑃 = 𝑅𝑀𝑖 𝐼𝑖𝑛2 (5.1) Como já referido, que a implementação e validação dos algoritmos de controlo seja possível, é imprescindível o uso de dois sensores de tensão, sendo necessário o dimensionamento das resistências de medida do lado primário e secundário. Definindo uma tensão máxima de 300 V para o barramento da bateria e de 400 V para o barramento CC, procedeu-se então ao cálculo das resistências a utilizar no lado primário. De acordo com a equação (5.2), o valor de RMi será responsável por fornecer a tensão Capítulo 5 – Implementação e Desenvolvimento do Carregador de Baterias Para Veículos Elétricos Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 86 máxima medida pelo sensor de tensão, valor este que foi ligeiramente aumentado com o objetivo de não saturar os canais de ADC ao valor máximo de tensão suportados. 𝑉 𝑝𝑚 = 𝑅𝑀𝑖 𝑖𝑖𝑛 (5.2) Possuindo o sensor uma razão de 5000:1000, a corrente nominal presente no lado secundário é de 25 mA RMS, além que a saída do sensor é obtida em corrente, onde é necessária uma resistência do lado secundário para se obter um sinal de tensão, como se pode observar na Figura 5.5. Segundo o datasheet do sensor, o fabricante recomenda que o valor de RM0 se encontre entre os 100 Ω e 350 Ω. De acordo com a equação (5.3) obtém-se então o valor de RM0, sendo adicionada uma resistência auxiliar (R3), de modo que o valor total da resistência de saída esteja centrado na gama pretendida. 𝑅𝑀0 =𝑉 𝐴𝐷𝐶_𝑀𝐴𝑋 𝑖𝑜𝑢𝑡 (5.3) Figura 5.5 – Esquema elétrico do sensor de tensão modelo CYHVS5-25A . Tendo em conta os valores de tensão que se pretendem medir, o valor máximo de tensão suportado pelo ADC do DSP (VADC_MAX) e as equações acima mencionadas, encontram-se então apresentados na Tabela 5.1 os valores atribuídos às resistências de medida utilizadas no lado primário e secundário. Tabela 5.1 – Valores das resistências associadas ao sensor de tensão modelo CYHVS5-25A. VMax (V) Ri (kΩ) RM (Ω) Barramento CC 400 94 (47 + 47) 150 Baterias 300 54 (57 + 27) 110 Após ser efetuado o dimensionamento das resistências a utilizar no sensor de tensão, é necessário calibrar os sensores presentes na placa desenvolvida. Este processo tem como foco dotar o sinal adquirido pelo DSP através dos canais de ADC da maior linearidade possível, para posteriormente efetuar R3 RM0 -15V +15V VCST Vm Vp R1 R2 OP iin iout Capítulo 5 – Implementação e Desenvolvimento do Carregador de Baterias Para Veículos Elétricos Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 93 alto na sua saída e, deste modo, irá auxiliar na desabilitação das comutações dos semicondutores de potência. Caso os valores obtidos do sensor se encontrem dentro dos valores estabelecidos, o valor logico de Verro será baixo, permitindo desta forma que o sistema continue em funcionamento. Figura 5.12 – Circuito comparador de janela aplicado na proteção e comando do sistema aos canais ADC do DSP e medidas de segurança por hardware. Observando a Figura 5.12, pode-se comprovar o uso de dois comparadores de modo a garantir os limites superior e inferior, conectando-se através dos terminais positivo e negativo respetivamente, garantindo assim que o valor de Vadc seja continuamente comparado com os valores de tensão dos limites definidos, alterando Verror em tempo real. Para a montagem do comparador recorreu-se ao circuito integrado LM339 da Texas instruments que possui 4 comparadores. Devido à necessidade de implementar três comparadores de janela, foi necessário utilizar dois LM339 , garantindo assim a utilização de seis comparadores. Considerando valores excessivos para a detenção de erros nos sensores de tensão e no sensor de corrente, responsáveis pela leitura dos valores de tensão no barramento CC, nas baterias e da corrente das baterias respetivamente, foi assim calculado os valores a atribuir às resistências presentes no divisor resistivo superior e inferior. Os valores presentes na Tabela 5.3 dizem respeito a todos os comparados de janela implementados, todos eles calculados de acordo com a equação (5.6). 𝑉𝑜𝑢𝑡 = 𝑉𝑖𝑛 𝑅2 𝑅2+ 𝑅1 (5.6) Tendo em conta que o sistema não possui valores de tensão negativos, o limite inferior do comparador de janela será então ligado à massa , sendo limitado a 0 V, ao passo que o limite inferior do sensor de corrente, que tem o seu offset centrado em 2,5 V, será o simétrico do seu limite superior, garantindo limites iguais para correntes positivas e negativas. + - + - R1 R3R4 R2 +5V +5V Verro Vadc Vdown Vup Capítulo 5 – Implementação e Desenvolvimento do Carregador de Baterias Para Veículos Elétricos Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 94 Tabela 5.3 – Valores obtidos das resistências constituintes do circuito comparador de janela. R1 (kΩ) R2 (kΩ) R3 (kΩ) R4 (kΩ) Vup (V) Vdown (V) Sensor barramento Vcc 5,6 11 0 0 3,31 0 Sensor bateria 10 19,1 0 0 3,29 0 Sensor bateria 12 20 20 12 3,125 1,875 Após a implementação de todos os procedimentos até agora mencionados e implementados no sistema, torna-se agora possível a deteção de erros no mesmo, sobrecorrentes ou sobretensões, a fim de desabilitar o funcionamento dos conversores de potência. No entanto, o sistema não será reativado, uma vez que extinto o erro, a saída dos comparadores de janela voltará ao nível lógico alto. Para garantir que o sistema seja reativado é necessário adicionar efeito de memória ao sistema analógico, sendo então possível memorizar o sinal de erro. Para garantir que esta montagem seja memorizadora de erros com lógica set/reset foi implementada com recurso ao circuito integrado NE555 , da Texas Instruments que apresenta um vasto campo de aplicações [132]. De acordo com o seu datasheet , este integrado é um timer capaz de gerar tempos de atraso ( delay ), função muito utilizada em aplicações de EP. É também capaz de gerar sinais de PWM, ondas triangulares e dentes de serra, assim como funcionar como divisor de frequência ou como interruptor monoestável. Sendo agora possível a memorização do erro, após o mesmo acontecer, o sistema apenas voltará a retomar o funcionamento dos conversores de potência quando todas as condições estiverem reunidas. No entanto, por questões de segurança, é necessário o utilizador enviar um sinal de reset ( dsp_reset ) através do microcontrolador para o pino correspondente do NE555 , de modo a habilitar o funcionamento do sistema. A flag Verror representa os erros detetados no sistema através dos circuitos de proteção implementados. Na Figura 5.13, é apresentado o circuito utilizado com recurso ao integrado NE555 . Capítulo 5 – Implementação e Desenvolvimento do Carregador de Baterias Para Veículos Elétricos Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 95 Figura 5.13 – Esquema elétrico da configuração dos pinos do integrado NE555 . O sinal enviado pelo utilizador para a ativação e desativação dos semicondutores de potência é de enorme importância para a operação do sistema dentro dos parâmetros definidos. Esta funcionalidade permite que a integridade do sistema seja garantida, sendo que os semicondutores de potência apenas devem ser ativados depois de o microcontrolador transmitir os sinais de PWM correspondentes e os condensadores do barramento CC estarem pré-carregados, evitando assim picos de correntes e de tensão nos componentes. Após a implementação deste circuito de memorização de erros com lógica set/reset, foi verificada a necessidade de implementar um interruptor capaz de ativar ou desativar as comutações dos semicondutores de potência, alterando o valor lógico da variável disable . A necessidade de implementação desta medida de segurança deve-se ao facto de, caso seja detetada uma anomalia na parte de potência do sistema, seja mais prático desativar as comutações através de um interruptor que envie um sinal do microcontrolador, atuando-se, desta forma, mais rápido, e garantindo que o sistema não seja danificado. Encontrando-se agora o sistema dotado de medidas de segurança, obtêm-se então 3 maneiras distintas de ativar ou desabilitar as comutações dos semicondutores de potência. Num primeiro caso a desativação das comutações ocorre após a deteção de uma sobretensão ou sobrecorrente, tanto a nível de software como de hardware, se as mesmas forem detetadas nos valores de leitura dos sensores implementados. Num segundo caso por software, recorrendo ao microcontrolador e, por último, via hardware, através do interruptor implementado, funcionando este último como switch . Para garantir que o sistema seja ativado quando as condições para retornar a sua operação estejam garantidas, recorreu-se à implementação de uma lógica OR , efetuada com recurso ao integrado SN74LS32 que possui 4 portas [133]. Na Figura 5.14, encontram-se representadas as ligações NE555 +5V dsp_reset Verror out_555 GND TRIG OUT RESET VCC DISCH THRES CONT NC 1 2 3 4 7 6 5 8 +5V Rpull_up +5V Rpull_up Capítulo 5 – Implementação e Desenvolvimento do Carregador de Baterias Para Veículos Elétricos Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 96 correspondentes a cada uma das medidas de segurança implementadas anteriormente descritas, sendo a sua saída responsável por ativar ou desativar a driver de controlo dos semicondutores de potência. Figura 5.14 – Lógica analógica portas AND implementada para habilitação das comutações dos semicondutores de potência. 5.2.5 Circuito de Driver No mundo da EP, todos os sistemas são implementados em duas partes distintas. A primeira resume-se ao controlo do sistema, onde se encontram elementos que operam em tensões baixas e consumem correntes de valores reduzidos, como o microcontrolador, integrados e sinais de referência que constituem os circuitos de condicionamento de sinal e circuitos lógicos, pelo que os níveis de potência associados a esta parte do sistema não são de todo significativos. No entanto, na parte de potência, encontram-se componentes como os condensadores do barramento CC, baterias, bobinas e os semicondutores de potência. Na parte de potência, é onde se encontram os valores de tensões e correntes mais elevados, sendo que os níveis de potências, comparados à parte de controlo, serão muito superiores. Contudo, as 2 partes do sistema necessitam de ser interligadas para garantir a maior fiabilidade possível ao sistema, pelo que será de enorme importância garantir um bom isolamento galvânico entre ambas. Para garantir o isolamento galvânico entre a parte de controlo e de potência recorreu-se à implementação de um circuito de driver. O circuito de driver é responsável por garantir a operação do semicondutor de potência e deve ser adotado tendo em consideração o mesmo. Com recurso ao módulo ePWM do microcontrolador, é possível gerar sinais de PWM com uma amplitude de 3,3 V, o que, segundo o datasheet do MOSFET adotado, componente este que será abordado mais à frente, não é suficiente para ativar as comutações. Sabendo que o MOSFET é um dispositivo controlado através de tensão, o seu terminal de gate possui uma capacitância que necessita de ser carregada ou descarregada para ser possível habilitar as comutações. Sendo que cada PCB que se pretende testar apenas possui um braço constituído por dois semicondutores de potência ligados em série e que irão funcionar como conversor CC-CC bidirecional não isolado buck boost , apenas um semicondutor de potência se encontra em comutação. No caso do disable_NE555 disable_Switch disable disable_DSP Capítulo 5 – Implementação e Desenvolvimento do Carregador de Baterias Para Veículos Elétricos Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 97 semicondutor inferior, a source encontra-se permanentemente referenciada à massa do circuito de potência, enquanto que o semicondutor superior terá o seu terminal source / drain a flutuar, pelo que a sua tensão nesse ponto é variável entre os 0 V e aproximadamente a tensão máxima do barramento CC, sendo esta de 400 V. Tendo em consideração os valores de tensão esperados, é necessário que a tensão aplicada à gate dos semicondutores de potência se mantenha em valores apropriados para que ocorram as comutações , assim como as referências de potencial sejam isoladas uma vez que, dependendo do modo de operação do conversor, o seu valor de tensão irá variar. Face à necessidade de garantir que a tensão aplicada à gate em relação à source (VGS) seja sempre adequada aquando da comutação dos semicondutores de potência, é necessário garantir que cada sinal de PWM, assim como os componentes que garantem o isolamento galvânico, estejam conectados a uma fonte auxiliar isolada de tensão capaz de garantir essa tensão à gate do semicondutor de potência. A configuração adotada é muito comum em grande parte das aplicações de EP, sendo uma solução bastante fiável e de fácil implementação, contudo por cada semicondutor de potência utilizado será necessário replicar o circuito de driver. Considerando as necessidades acima descritas e os objetivos definidos para a realização desta dissertação de mestrado, o conversor implementado deve ser dotado de características inovadoras e o menor peso e volume conseguido. Para tal, foram selecionados drivers capazes de receber dois sinais de PWM, passíveis de serem aplicados aos dois semicondutores de potência a serem controlados. Após uma vasta pesquisa, optou-se por um driver do fabricante Analog Devices com a referência ADUM3223 , sendo um dispositivo Surface Mount Device (SMD) capaz de garantir isolamento galvânico entre a entrada e saída até 3 kV durante um minuto, suportando uma diferença de tensões de 800 V entre o lado primário e secundário. Para além de ser capaz de controlar dois semicondutores de potência simultaneamente, este possui um tempo de propagação muito reduzido, na casa dos 54 ns e permite frequências de comutação até 1 MHz. O driver é alimentado com 5 V, suportando uma corrente máxima de pico à sua saída de 4 A e possui um pino de disable , capaz de desativar as comutações e manter a saída num nível logico baixo. Após a escolha do driver e resumidas as suas especificações, foi necessário implementar um circuito auxiliar do lado secundário de forma a ser aplicada a tensão necessária para os semicondutores de potência realizarem as comutações. Como mencionado, a tensão de saída do driver não é suficiente para ativar as comutações nos semicondutores de potência, sendo necessário recorrer a uma fonte de tensão auxiliar isolada de forma a obter 15 V para ativação das comutações. Após analise das fontes disponíveis optou-se pela utilização da MEJ1S1515SC da fabricante Murata Power Solutions [134]. A fonte tem uma Capítulo 5 – Implementação e Desenvolvimento do Carregador de Baterias Para Veículos Elétricos Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 98 alimentação de 15 V e a sua saída igualmente 15 V de tensão, garantindo assim que a mesma não sofra de sobreaquecimento. Além da utilização de fontes auxiliares de tensão, colocou-se entre os pinos de VDD e GND do driver e da fonte um condensador eletrolítico de 10 uF e um condensador cerâmico de 100 nF para redução do ruido, obtendo um sinal mais limpo de tensão na alimentação da gate . Possuindo o sistema implementado o controlo de um conversor CC-CC bidirecional não isolado buck boost para efeito de carga e descarga de uma bateria, os semicondutores de potência não comutam em simultâneo, existindo a necessidade de alternar o potencial de massa entre cada um dos semicondutores de potência funcionando o conversor implementado em modo buck ou boost . De acordo com a Figura 5.15, no momento em que S1 se encontra em condução, GNDA fica referenciado com a mesma tensão presente no barramento CC, enquanto que S2 se encontra em off fazendo o papel de um díodo. Quando S2 entra em condução, o GNDB fica referenciado ao mesmo potencial que a massa do circuito de potência, ficando S1 em off e atuando com um díodo. Em jeito de conclusão, este circuito permite que GNDA e GNDB dependendo do modo de atuação do conversor estejam referenciados a potenciais diferentes. Considerando todo o software e hardware até agora implementado, o sistema é capaz de garantir o principal objetivo da presente dissertação, garantindo que o braço dos semicondutores de potência tenha uma referência de potencial isolada e com valores de tensão capazes de garantir as comutações caso erros não ocorram. Figura 5.15 – Circuito de ativação da gate dos semicondutores de potência com recurso ao driver ADUM3223 . Na Figura 5.15 é visível que a ligação dos pinos VoA e VoB do driver e a gate de cada um dos semicondutores de potência que se encontra representada por reticências. Tais reticências são referência a circuitos de proteção do semicondutor de potência, circuitos estes que serão abordados mais à frente. NC S2 S1 + NC GNDA VoA VDDA VDDB VoB GNDB DISABLE GND1 VDD1 ViB ViA NC NC VDD1 +5V +5V PWMA PWMB ADUM 3223 0 1 - 1 2 8 7 6 5 4 3 9 10 11 13 14 15 16 12 Vaux Vaux Capítulo 5 – Implementação e Desenvolvimento do Carregador de Baterias Para Veículos Elétricos Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 99 Um dos objetivos propostos para a realização da presente dissertação passa por desenvolver todo o sistema numa única PCB. Para validar o funcionamento do circuito de driver implementado, foi necessário recorrer à impressão da PCB, para verificar se os semicondutores de potência se encontram a comutar de forma correta. Após a sua impressão, como comprovado na Figura 5.1, procedeu-se ao processo de soldadora dos componentes presentes nos circuitos até agora abordados. Numa primeira abordagem, no fim dos componentes soldados na placa, passou por uma verificação da existência de curto-circuitos na PCB e a correta alimentação de todos os componentes. Findo este procedimento, procedeu-se então à validação do controlo implementado para o circuito de driver e a correta comutação dos semicondutores de potência. Na Figura 5.16 estão representados os sinais de PWM aplicados aos semicondutores de potência S1 e S2, validando o seu correto funcionamento nos dois modos de comutação pretendidos. Num primeiro caso, Figura 5.16 (a), onde a bateria se encontra em fase de carga, pode-se observar que apenas o semicondutor de potência S1 se encontra a comutar, atuando o conversor em modo buck com um duty cycle de 50%. No segundo caso, Figura 5.16 (b), onde a bateria se encontra em fase de descarga, pode-se verificar que apenas o semicondutor de potência S2 se encontra a comutar, estando o conversor a funcionar em modo boost com um duty cycle de 50%. Conforme validado nas simulações computacionais efetuados em PSIM, a frequência de comutação a aplicar ao sistema é de 200 kHz, o que também é comprovado através da escala de tempo utilizada para visualizar o PWM aplicada à gate dos semicondutores de potência. (a) (b) Figura 5.16 – Sinais de PWM aplicados à gate dos semicondutores de potência: (a) Modo buck; (b) Modo boost. Concluída a validação de todo o sistema de controlo implementado, é garantido que o sistema se encontra dotado de medidas de segurança e o sinal de PWM chega à gate dos semicondutores. A S1 S2 Capítulo 5 – Implementação e Desenvolvimento do Carregador de Baterias Para Veículos Elétricos Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 100 aquisição de valores por parte do DSP, assim como o seu nível de processamento de código aliado a uma boa aquisição de sinal será necessário para garantir o correto funcionamento de todo sistema, permitindo que a junção das 2 PCBs origine o conversor CC-CC bidirecional não isolado buck boost split pi e permita operar nos seus 4 modos de funcionamento. Na Figura 5.17, encontra-se representado um diagrama de blocos resumindo todo o circuito de controlo implementado. Figura 5.17 – Digrama de blocos do sistema de controlo aplicado ao sistema a controlar. 5.3 Andar de Potência Após definida a topologia do conversor a utilizar no sistema, implementado e testado o correto funcionamento do sistema de controlo referente ao mesmo, procedeu-se então à seleção dos componentes a utilizar na parte de potência de modo a garantir que o sistema tenha um excelente desempenho, para os objetivos propostos para a realização da dissertação de mestrado. Para efetuar uma correta seleção dos componentes a utilizar, é necessário delinear as especificações que se pretendem implementar no sistema de EP e o correto dimensionamento dos componentes, tendo em consideração que existem limites mínimos e máximos de corrente e tensão que deverão ser respeitados para garantir a segurança do sistema e do utilizador. Considerando os valores presentes na Tabela 5.4, referentes aos valores máximos de tensão e corrente pretendidos em pontos específicos do sistema, procedeu-se então ao dimensionamento dos componentes do andar de potência. Sensores Instrumentação Comparador de Janela (LM339) ADC GPIO ePWM Porta Lógica OR (SN74LS32) Circuito de Driver (ADUM 3223) Semicondutores de Potência (C3M0120090D) DSP - TMS320F28027FPTT Memorizador de Erros (NE555) disable dsp_enable Verro disable_NE555 Interruptor Disable_Switch Capítulo 5 – Implementação e Desenvolvimento do Carregador de Baterias Para Veículos Elétricos Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 101 Tabela 5.4 – Valores nominais de tensão e corrente admissíveis no sistema proposto. Máxima Mínima Tensão Barramento CC (V) 470 0 Tensão Baterias (V) 400 0 Corrente Máxima (A) 15 0 Tendo em consideração que o sistema implementado deve ser de elevada eficiência, os componentes deverão ser escolhidos com o maior critério possível e que apresentem perdas reduzidas, sendo capazes de suportar tensões e correntes superiores às definidas previamente de modo a garantir que caso ocorram sobretensões ou sobrecorrentes, os mesmo sejam capazes de as suportar por um período de tempo reduzido. Nas subsecções seguintes, serão descritos os componentes escolhidos para o circuito de potência, assim como apresentadas as suas especificações e enumeradas as vantagens da sua escolha aquando da comparação com outros componentes idênticos. 5.3.1 Semicondutores de Potência Face à vasta gama de semicondutores de potência presentes no mercado, os mesmos foram alvo de uma vasta procura e análise, tendo em consideração os requisitos definidos para o sistema. Ao longo da sua existência, vários foram os materiais utilizados no seu fabrico, sendo o silício o material mais utilizado. No entanto, face à necessidade cada vez maior de utilizar frequências de comutação elevadas, maior tensão, tamanho reduzido e maior fiabilidade, começaram a surgir no mercado semicondutores de potência fabricados à base de Silicon Carbide (SiC), capazes de cumprir esses requisitos. Um dos objetivos propostos para a realização da presente dissertação é a utilização de uma frequência de comutação de 200 kHz. Dada esta condição, a escolha dos semicondutores de potência deve ser executada com bastante critério para garantir o seu correto funcionamento e melhor desempenho possível. Os semicondutores baseados em SiC apresentam inúmeras vantagens, tais como operação em elevadas frequências de comutação, tempos de comutação reduzidos, dimensões reduzidas e uma grande densidade de potência, vantagens estas que conferem uma melhor performance do conversor implementado. O conversor implementado foi dimensionado para ser capaz de suportar uma potência máxima na ordem dos 3,6 kW, sendo de esperar que o semicondutor de potência, no pior dos casos, tenha de suportar valores de tensão ligeiramente superiores a 400 V nos seus terminais. É igualmente necessário ter em Capítulo 5 – Implementação e Desenvolvimento do Carregador de Baterias Para Veículos Elétricos Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 102 consideração o valor de corrente máxima que se pretende para o sistema, sendo que o valor de Continuous Drain Current (Id) do semicondutor escolhido terá de ser superior à mesma, definindo-se um valor mínimo 15 A para Id. De salientar que deverá ser também capaz de comutar a frequências de 200 kHz. Tais características são mais facilmente encontradas nos SiC, garantindo comutação em alta frequência e capaz de suportar elevadas tensões conseguindo atingir potências elevadas na sua saída. Após uma pesquisa no mercado e considerando os semicondutores de potência presentes no laboratório do GEPE, foram selecionados os SiC MOSFET com a referência C3M0120090D , fabricados pela CREE Inc presente na Figura 5.18 [135]. De acordo com os dados presentes no seu datasheet , possui um tempo de comutação inferior a 80 ns, uma tensão e corrente drain-source máximas de 900 V (VDS) e de 23 A (Ids). A resistência de condução, RDS, apresenta um valor de 170 mΩ para o pior dos casos possível, sendo um valor bastante reduzido que confere uma maior eficiência ao sistema, diminuindo significativamente o valor das perdas ocorridas durante a comutação dos mesmos. Fisicamente apresenta um encapsulamento do tipo TO-247-3, permitindo uma dissipação de potência de 97 W a 25°C. Figura 5.18 – SiC MOSFET da CREE Inc modelo C3M0120090D. Proteção de Gate Tendo já sido implementadas proteções contra sobretensões e sobrecorrentes no sistema, este não garante que as mesmas ocorram entre os terminais de gate e source do MOSFET. É então essencial providenciar proteção ao MOSFET de modo a garantir que o mesmo não seja danificado. Para tal, um circuito de proteção de gate foi implementado. O valor máximo aconselhado de acordo com o datasheet do SiC MOSFET para a tensão a gate-source é de +18 V para ativar as comutações e -4 V para desativar. No entanto, após verificar que o mesmo comuta com tensões de 15 V na sua gate , e desligam as mesmas a 0 V, o processo de implementação do circuito de proteção acaba por ser mais simples e utiliza menos componentes. Capítulo 5 – Implementação e Desenvolvimento do Carregador de Baterias Para Veículos Elétricos Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 109 • Caso ocorram erros e o switch se encontre a on : LED off e comutações desabilitadas. Validado todo o sistema de controlo implementado via hardware, procedeu-se à validação do sistema de controlo via software. Para tal, foram definidos igualmente limites tendo em consideração a tensão e corrente máxima admissível em certos pontos do sistema, definidas previamente, e aplicado o mesmo processo acima descrito. Foi também testada a ativação e desativação das comutações via software, assim como a introdução de limites máximos e mínimos para cada um dos sinais de PWM, de forma a garantir que os mesmos não entrem em saturação e provoquem o aparecimento de sobretensões ou sobrecorrentes. Soldados todos os componentes e finalizados os testes de segurança às PCBs, é então visível na Figura 5.23 o sistema final composto por duas PCBs ligadas entre si pelo barramento CC que apresentam um elevado grau de compactação, sendo este um dos principais objetivos desta dissertação de mestrado. Conforme já mencionada anteriormente, a junção das duas PCBs pelo barramento CC dá origem a um conversor CC-CC bidirecional não isolado buck boost split pi , composto por dois conversores CC-CC bidirecionais não isolados buck boost presente em cada uma das PCBs produzidas, sendo este outro dos principais objetivos delineados. Contudo, a redução do volume da PCBs acarreta alguns problemas como uma maior presença de ruido eletromagnético durante a operação do sistema. Através de uma breve análise, é possível verificar que os componentes se encontram dispersos da melhor forma possível para ocupar o menor volume e garantir à PCB uma elevada densidade de potência sem causar danos nas pistas e planos. Para garantir a redução do campo eletromagnético produzido pelas pistas de alimentação e planos, estes foram dimensionados garantindo a sua sobreposição entre a camada superior e inferior. Capítulo 5 – Implementação e Desenvolvimento do Carregador de Baterias Para Veículos Elétricos Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 110 (a) (b) (c) Figura 5.23 – Aspeto final do sistema proposto, constituído pelas 2 PCBs desenvolvidas ligadas entre si pelo barramento CC: (a) Sistema final completo, vista superior; (b) VE2 vista inferior; (c) VE1 vista inferior. Sendo as 2 PCBs iguais, apenas se irá efetuar a descrição dos detalhes mais importantes de uma delas. Descrevendo a PCB do lado direito (VE1), é possível constatar que a parte de controlo se encontra na parte inferior e a de potência na parte superior. Na parte de controlo, é possível observar que a DSP se encontra acoplada por cima do circuito de instrumentação e proteção e comando, graças à utilização de headers para a sua fixação na placa, permitindo poupar espaço. São também visíveis os interruptores que conferem uma maior segurança ao sistema, os LEDs que sinalizam a correta alimentação dos VE2 VE1 VE 2 VE 1 Capítulo 5 – Implementação e Desenvolvimento do Carregador de Baterias Para Veículos Elétricos Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 111 componentes e operação do sistema, assim como o dissipador acoplado aos reguladores de tensão e o sockets de ligação da alimentação externa da placa. Os sensores de tensão e corrente, as fontes isoladas de tensão do circuito de driver e o próprio driver , que se encontram na parte central da PCB, fazem a ponte entre a parte de potência e controlo, encontrando-se a sua alimentação na parte de controlo. e a aquisição e fornecimento de sinais na parte de potência. Na parte superior, no andar de potência, encontram-se todos os componentes abordados na secção 5.3, assim com as linguetas responsáveis pela ligação entre as 2 PCBs através do barramento CC, a conexão das baterias à PCB e a conexão da bobina. Por último, é também visível o dissipador utilizado para a arrefecimento dos SiC MOSFETs presentes na camada inferior da placa, que também é responsável por fazer de suporte à placa. 5.5 Conclusão Findado o presente capítulo, é possível verificar que o mesmo foi dividido em dois pontos, essenciais para uma melhor compreensão do sistema implementado, sendo num primeiro ponto abordados todos os componentes inerentes ao circuito de controlo implementado e no ponto seguinte todos os componentes constituintes do andar de potência dimensionado. Por último foi abordado a integração total do sistema proposto na realização da presente dissertação de mestrado. Assim, na secção 5.2, foi apresentado o andar de controlo do sistema proposto, composto por circuitos de condicionamento de sinal e proteção e comando, sensores de tensão e corrente e o microcontrolador escolhido para controlar todo o sistema. Ao mesmo tempo, foram também apresentados todos os cálculos aplicados para o correto dimensionamento dos componentes utilizados nos circuitos implementados, assim como uma breve descrição da escolha dos sensores e as características que as fundamentam. De acordo com os microprocessadores disponibilizados no laboratório do GEPE para efetuar o controlo do sistema, e face às suas caraterísticas impostas para a implementação do sistema proposto, é apresentado na secção 5.2.1 o microcontrolador escolhido, ao passo que, na secção 5.2.5 é comprovada a correta aplicação do PWM no canal da gate dos SiC MOSFETs. Testado o funcionamento do sistema de controlo aplicado, é então introduzida a secção 5.3, onde foi apresentada a parte de potência constituinte do sistema. A parte de potência é constituída por um conversor CC-CC bidirecional não isolado buck boost que simula os processos de carga e descarga aplicados a uma bateria através de uma fonte de tensão. Foi igualmente apresentada uma breve descrição da escolha dos componentes constituintes do conversor de potência a implementar, como os semicondutores de potência, a proteção e resistência de gate implementadas. Adicionalmente, também Capítulo 5 – Implementação e Desenvolvimento do Carregador de Baterias Para Veículos Elétricos Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 112 os elementos passivos constituintes do mesmo, necessários ao seu funcionamento, foram abordados, ou seja, a escolha dos condensadores presentes no barramento CC e banco de baterias e as bobinas utilizadas. Por fim, foi apresentado o aspeto visual obtido do sistema desenvolvido, sendo contemplada a integração de todos os componentes e circuitos apresentados no decorrer deste capítulo, quer a nível do sistema de controlo e da parte de potência do sistema. Como se pode observar, o sistema final a ser testado é composto por 2 PCBs replicadas, composta cada uma por um conversor CC-CC bidirecional não isolado buck boost , representando cada um VE. A ligação das 2 PCBs através do barramento CC de cada uma, origina um conversor CC-CC bidirecional não isolado buck boost split pi , topologia a validar na presente dissertação de mestrado. As PCBs impressas foram pensadas e desenhadas de acordo com determinados requisitos proposto que foram cumpridos no seu dimensionamento, sendo um sistema compacto e capaz de suportar uma elevada densidade de potência. Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 113 Capítulo 6 Resultados Experimentais 6.1 Introdução Após o término na escolha e enumeração dos componentes a integrar o sistema proposto e implementação dos mesmos na PCB desenvolvida, é essencial proceder à validação do sistema proposto a fim de obter resultados que comprovem o desempenho do sistema desenvolvido. Assim, no decorrer deste capítulo, são primeiramente apresentados os testes efetuados ao conversor presente nas PCBs desenvolvidas, validando os modos de operação propostos e os algoritmos de controlo aplicados. Tal procedimento é considerado de extrema importância, garantindo o funcionamento do conversor e a operação do sistema como um todo, dentro dos parâmetros idealizados. Numa primeira instância, é testado e comprovado o correto funcionamento do conversor CC-CC bidirecional não isolado buck boost , comparando os resultados obtidos com as simulações realizados no decorrer do Capítulo 4 presente nesta dissertação de mestrado. Tendo em consideração que a operação do conversor implementado tem grande influência na troca de energia entre baterias, é essencial validar os algoritmos de controlo implementados no conversor CC-CC bidirecional não isolado buck boost de modo a garantir um fluxo bidirecional de energia de forma controlada. Desta forma, o conversor de potência encontrar-se-á em constante comutação, sendo de extrema importância a inexistência de erros ou falha no conversor e controlo adotado, de modo a garantir uma tensão controlada e constante no barramento CC. Somente quando os processos acima descritos se encontrarem validados será possível passar à fase de testes da integração do sistema a implementar e validar os seus modos de operação. A integração total do sistema origina um conversor bidirecional CC-CC não isolado buck boost split pi , tratando-se da topologia final a ser validada. Numa fase inicial, optou-se por efetuar os testes às PCBs individualmente, validando o funcionamento do controlo implementado para o conversor bidirecional não isolado buck boost , tendo desta forma melhor perceção da ocorrência de erros e um melhor ajuste do controlo implementado. Após os ajustes efetuados ao controlo, procedeu-se à execução de testes à integração total do sistema, validando os seus 4 modos de funcionamento. Capítulo 6 – Resultados Experimentais Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 114 6.2 Resultados Experimentais do Conversor CC-CC Bidirecional Não Isolado Buck Boost Como em qualquer sistema de EP, antes da realização dos testes práticos para validar o seu funcionamento, existem alguns procedimentos a cumprir. Tais procedimentos têm como principal finalidade garantir uma correta aplicação de todo o hardware presente no sistema sem que o mesmo seja danificado e, ao mesmo tempo, garantir uma correta aquisição e envio de sinais pelo microprocessador garantindo também o funcionamento do software. Validado e comprovado o correto funcionamento das 2 PCBs desenvolvidas na secção 5.4, é possível afirmar que as mesmas são dotadas de vários métodos de segurança e que os mesmos se encontram em correto funcionamento. Numa fase inicial, optou-se por efetuar testes às PCBs desenvolvidas individualmente, validando o correto funcionamento do controlo implementado para o conversor CC-CC bidirecional não isolado buck boost . Esta medida adotada é muito importante pois permite validar e comprovar individualmente a correta aplicação do controlo que define o modo de operação do conversor, sendo também possível obter uma melhor perceção da ocorrência de erros e efetuar ajuste ao controlo implementado. Posto isto, em seguida são apresentados e descritos os testes experimentais efetuados aos 2 modos de operação do conversor CC-CC bidirecional não isolado buck boost, que, como o próprio nome indica, são o modo buck e boost . A validação dos modos de operação do conversor permite comprovar a transferência de energia em ambos os sentidos, ou seja, a sua bidirecionalidade, comprovando a sua aplicação para processos de carga e descarga de baterias. Em seguida são então apresentados os resultados obtidos durante os testes efetuados ao conversor CC-CC bidirecional não isolado buck boost . 6.2.1 Operação em Modo Buck Sendo este o primeiro teste experimental de potência realizado à PCB, é essencial garantir que comece pelo modo buck , evitando desta forma valores de tensão e corrente elevados que levem à ocorrência de sobretensões, sobrecorrentes e curto-circuitos que possam danificar os componentes presentes na PCB. No decorrer dos testes efetuados ao conversor em modo buck , foi utilizada uma carga resistiva de 26 Ω ligada aos terminais da bateria em substituição da mesma e uma tensão de entrada de 120 V. O conversor CC-CC bidirecional presente na PCB opera em modo buck sempre que a energia flui do barramento CC para a carga resistiva. No decorrer da operação em modo buck , como o próprio nome Capítulo 6 – Resultados Experimentais Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 115 indica, o valor da tensão de saída (carga resistiva) será abaixado em relação ao valor da tensão presente na entrada do conversor (barramento CC), dependendo esta do valor de duty cycle atribuído aos semicondutores de potência. Para tal, o valor de duty cycle é variado de forma crescente a fim de a validar toda a gama de valores possíveis que o mesmo pode adotar, tendo em consideração os limites atribuídos ao PWM. Deste modo, numa primeira instância, foi atribuído um valor de 25% ao sinal de PWM a ser aplicado à gate dos semicondutores do conversor, mais concretamente a S1 segundo a Figura 3.4. Um sinal de PWM com um valor de 25 % em modo buck , traduz-se na redução da tensão de saída em 1 4 do valor da tensão de entrada. Através de uma análise pormenorizada à Figura 6.1, é possível observar que foi empregue uma tensão de 120 V no barramento CC (canal 1) e, como tal, foi obtida uma tensão de 29,8 V na carga (canal 2), segundo a equação (3.16), correspondendo exatamente a 1 4 da tensão de entrada. No canal 3 encontra-se a forma de onda referente à tensão presente aos terminais da bobina. Esta forma de onda é obtida segundo a equação (3.11) durante o tempo a on e pela equação (3.13) durante o tempo a off , ambas presentes na secção 3.2.1, justificando assim a forma retangular que a onda assume. Quando o MOSFET S1 se encontra em condução, a tensão na bobina L1 tem como valor 90 V, ao passo que, quando o mesmo se encontra ao corte, a tensão em L1 tem o valor de -30 V. No canal 4 pode ver-se a forma de onda da corrente em L1, que neste caso em específico tem um valor médio de 1,32 A. Figura 6.1 – Tensão no barramento CC (CH1: 50 V/div), tensão na carga resistiva (saída) (CH2: 20 V/div), tensão presente nos terminais da bobina (CH3: 50 V/div) e corrente na bobina (CH4: 5 A/div) do conversor CC-CC bidirecional não isolado do tipo buck boost no modo de operação buck quando aplicado um sinal de PWM de 25 % ao semicondutor de potência correspondente. Em seguida, foi atribuído um valor de 50% ao duty cycle do sinal PWM a ser aplicado à gate do semicondutor correspondente do conversor, que se traduz na redução da tensão de saída para metade do valor da tensão de entrada, como se comprovar através da Figura 6.2. Seguindo os mesmos passos Capítulo 6 – Resultados Experimentais Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 116 da análise efetuada anteriormente, é possível verificar que a tensão no barramento CC (canal 1) tem um valor médio de 120 V, ao passo que a tensão na carga resistiva (canal 2) tem como valor 60,3 V, comprovando a redução para metade do valor da tensão de entrada através da equação (3.16) ou (3.17). De igual forma, no canal 3 encontra-se representada a forma de onda referente à tensão presente aos terminais da bobina. Segundo a equação (3.11), durante o tempo a on , a tensão presente na bobina L1 tem um valor de 60 V, ao passo que, durante o tempo a off a tensão é de -60 V, segundo a equação (3.13). Comparando os valores obtidos através das equações com os valores presentes na Figura 6.2, é possível afirmar que os mesmos se encontram muito próximos, o que seria de esperar. A forma de onda da corrente presente na bobina encontra-se representada no canal 4 e tem um valor médio de 2,51 A. Figura 6.2 – Tensão no barramento CC (CH1: 50 V/div), tensão na carga resistiva (saída) (CH2: 20 V/div), tensão presente nos terminais da bobina (CH3: 50 V/div) e corrente na bobina (CH4: 5 A/div) do conversor CC-CC bidirecional não isolado do tipo buck boost no modo de operação buck quando aplicado um sinal de PWM de 50 % ao semicondutor de potência correspondente. Por último, foi atribuído um sinal de PWM com um valor de duty cycle de 75% ao semicondutor, obtendose as formas de onda presentes na Figura 6.3. Com este valor de duty cycle aplicado, a tensão de entrada será apenas reduzida em 1 4 , obtendo-se um valor de 90,5 V (canal 2) na carga resistiva, comprovado através da equação (3.16). Conforme as equações já mencionadas nos 2 testes efetuados anteriormente para obter a forma de onda do canal 3, durante o tempo a on , a tensão presente na bobina L1 tem um valor de 30 V, ao passo que, durante o tempo a off, a tensão é de -90 V. Comparando os valores obtidos no decorrer do teste efetuado e os valores resultantes das equações (3.11) e (3.13), é verificado mais uma vez que os mesmos se encontram muito próximos. O valor médio da corrente, presente no canal 4, também aumentou para 3,67 A, acompanhando desta forma o aumento da tensão da carga resistiva presente na saída. Capítulo 6 – Resultados Experimentais Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 117 Efetuando uma comparação aos testes efetuados, é possível afirmar que as formas de onda referentes à tensão de entrada e saída e à corrente na bobina são em todo semelhantes para os diferentes valores de duty cycle aplicados. A única diferença reside na forma de onda da tensão presente na bobina (canal 2), que altera sempre que o valor de duty cycle é redefinido, sendo esta definida segundo as equações características do conversor CC-CC unidirecional não isolado buck (equações (3.11) e (3.13)). Figura 6.3 - Tensão no barramento CC (CH1: 50 V/div), tensão na carga resistiva (saída) (CH2: 20 V/div), tensão presente nos terminais da bobina (CH3: 50 V/div) e corrente na bobina (CH4: 5 A/div) do conversor CC-CC bidirecional não isolado do tipo buck boost no modo de operação buck quando aplicado um sinal de PWM de 75 % ao semicondutor de potência correspondente. 6.2.2 Operação em Modo Boost Validada a operação do conversor CC-CC bidirecional não isolado buck boost no modo buck , é então altura de prosseguir para os testes do conversor em modo boost , finalizando desta forma a validação do funcionamento do conversor implementado. De forma a comprovar que a PCB desenvolvida é passível de aguentar valores elevados de corrente, a tensão de entrada foi reduzida a metade para ser possível aumentar a corrente máxima para o dobro, ao passo que a carga resistiva utilizada também viu o seu valor ser reduzido para metade. Os valores atribuídos para operação em modo boost foram os seguintes: 60 V para a tensão de entrada do conversor, uma carga resistiva de 13 Ω na sua saída e uma corrente máxima de 10 A fornecida pelas fontes de alimentação CC. O conversor CC-CC bidirecional presente na PCB opera em modo boost sempre que a energia flui da bateria para o barramento CC. Como o próprio nome indica, o valor da tensão de saída no barramento CC (carga resistiva) será elevada em relação ao valor da tensão presente na entrada do conversor (bateria), dependendo esta exclusivamente do valor de duty cycle atribuído aos semicondutores de potência. Para tal, o valor de duty cycle é variado de forma crescente a fim de validar toda a gama de valores possíveis que o mesmo pode adotar, tendo em consideração os limites atribuídos ao PWM. O Capítulo 6 – Resultados Experimentais Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 118 limite superior durante a operação em modo boost é de extrema importância, impedindo a ocorrência de sobretensões do lado do barramento CC e/ou sobrecorrentes do lado da bateria. Deste modo, numa primeira instância, foi atribuído um valor de 25% ao sinal de PWM a ser aplicado à gate dos semicondutores do conversor, mais concretamente a S2 segundo a Figura 3.2. Um sinal de PWM com um valor de 25% em modo boost , traduz-se no aumento da tensão de saída em 1 4 do valor da tensão de entrada. Através de uma análise pormenorizada à Figura 6.4, é possível observar que foi empregue uma tensão de 58,8 V na entrada que corresponde à bateria (canal 1) e, como tal, foi obtida uma tensão de 75,5 V na carga resistiva que se encontra ligada aos terminais do barramento CC (canal 2), comprovada teoricamente através da equação (3.7). No canal 3 encontra-se a forma de onda referente à tensão presente aos terminais da bobina. A forma de onda é obtida segundo a equação (3.1) durante o tempo a on e pela equação (3.3) durante o tempo a off , ambas presentes na secção 3.2.1, justificando assim a forma retangular que a onda assume. Quando o MOSFET S2 se encontra em condução, a tensão na bobina L1 tem como valor 15 V, ao passo que, quando o mesmo se encontra ao corte, a tensão em L1 tem o valor de -60 V. No canal 4 pode ver-se a forma de onda da corrente em L1, que neste caso em específico tem um valor médio de -7,19 A. Figura 6.4 – Tensão no barramento CC (CH1: 20 V/div), tensão na carga resistiva (saída) (CH2: 20 V/div), tensão presente nos terminais da bobina (CH3: 50 V/div) e corrente na bobina (CH4: 5 A/div) do conversor CC-CC bidirecional não isolado do tipo buck boost no modo de operação boost quando aplicado um sinal de PWM de 25 % ao semicondutor de potência correspondente. Em seguida, foi atribuído um valor de 50% ao duty cycle do sinal PWM a ser aplicado à gate do semicondutor correspondente do conversor, esperando obter na saída o dobro da tensão de entrada, segundo a equação (3.7), como se comprovar através da Figura 6.5. Seguindo os mesmos passos da análise efetuada anteriormente, é possível verificar que a tensão no barramento CC (canal 1) tem um valor médio de 34,8 V, ao passo que, a tensão na carga resistiva (canal 2) tem como valor 64,3 V, comprovando a redução para metade do valor da tensão através da Figura 6.5. De igual forma, no canal Capítulo 6 – Resultados Experimentais Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 125 Figura 6.9 - Tensão presente na saída do conversor (CH1: 50 V/div), corrente de carga presente na bobina (CH2: 5 A/div), tensão presente no barramento CC (CH3: 50 V/div) e corrente de descarga presente na bobina (CH4: 5 A/div) do conversor CC-CC bidirecional não isolado buck boost split pi em modo I de operação segundo as condições: iV2V > 0 e Vbat1 > Vbat2. De forma a demonstrar todas as formas de onda e valores de tensão e corrente que comprovem o correto funcionamento do conversor em modo I, na Figura 6.10 encontram-se representadas as formas de onda da tensão de entrada e saída do conversor e também a corrente de entrada e saída. No canal 1 encontrase igualmente representada a forma de onda da tensão de saída com um valor de 137 V (Vbat2), presente aos terminais da carga resistiva, ao passo que no canal 2 tem-se a corrente de saída, presente na bobina do VE2. No canal 3 encontra-se a tensão presente à entrada do conversor (Vbat1), com um valor de 162 V, sendo esta a tensão máxima fornecida pelas fontes CC utilizadas. Por último, tem-se no canal 4 a corrente fornecida pela fonte ao conversor, corrente esta presente na bobina do VE1, tendo um valor de -4,79 A. Após uma breve analise, é possível concluir que a tensão de entrada é superior à tensão de saída, sendo esta uma das condições de operação do modo I. Também é possível observar que o valor da corrente de entrada é superior ao da corrente de saída, cerca de 40 mA. Por fim, através de cálculos é possível obter uma potência de entrada de 776 W e uma potência de saída de 715 W, resultando num rendimento de aproximadamente 92%. Figura 6.10 - Tensão presente na saída do conversor (CH1: 50 V/div), corrente de carga presente na bobina (CH2: 5 A/div), tensão presente na entrada do conversor (CH3: 50 V/div) e corrente de descarga presente na bobina (CH4: 5 A/div) do conversor CC-CC bidirecional não isolado buck boost split pi em modo I de operação segundo as condições: iV2V > 0 e Vbat1 > Vbat2. Capítulo 6 – Resultados Experimentais Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 126 De modo a finalizar os testes práticos ao modo I de operação do conversor, na Figura 6.11 encontram-se presentes as formas de onda da tensão de entrada, tensão do barramento CC, tensão de saída e a corrente presente no barramento CC. No canal 1 encontra-se novamente a forma de onda da tensão de saída, presente aos terminais da carga resistiva, com um valor de 136 V. No canal 3, pode-se observar a forma de onda da tensão de entrada, fornecida pelas fontes CC, com um valor de 160 V, ao passo que, no canal 4 encontra-se a forma de onda da tensão presente no barramento CC. No canal 2, é possível observar a forma de onda da corrente presente no barramento CC, iV2V, que tem como valor médio 3,22 A e assume uma forma de onda sinusoidal. Tal forma de onda deve-se ao facto de a mesma estar a ser media entre os barramentos CC das duas placas, ou seja, entre os condensadores das 2 PCBs, o que lhe confere a mesma forma da corrente presente nos condensadores. É também visível que a condição iV2V > 0 é garantida, satisfazendo todas as condições de funcionamento impostas para operação em modo I do conversor. Figura 6.11 - Tensão presente na saída do conversor (CH1: 50 V/div), corrente presente no barramento CC (CH2: 5 A/div), tensão presente na entrada do conversor (CH3: 50 V/div) e tensão presente no barramento CC (CH4: 50 V/div) do conversor CC-CC bidirecional não isolado buck boost split pi em modo I de operação segundo as condições: iV2V > 0 e Vbat1 > Vbat2. Concluída a análise das figuras presentes nesta subsecção e validadas as condições de operação definidas para o modo I, é então confirmado o correto funcionamento do conversor CC-CC bidirecional não isolado buck boost split pi . Comparando os resultados experimentais obtidos com os resultados das simulações computacionais, é verificado que as formas de onda apresentam o mesmo comportamento, apesar de os valores nominais de operação definidos serem diferentes, o que não invalida o seu funcionamento. A única diferença verificada reside na corrente de entrada do conversor ser ligeiramente superior à de saída, o que não se verifica nas simulações computacionais. No entanto, problemas como indutâncias e capacidades parasitas, perdas de comutação e ruido eletromagnético estão na sua origem, problemas estes que não são contemplados nas simulações computacionais. Capítulo 6 – Resultados Experimentais Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 127 6.3.4 Operação em Modo II Durante o modo II de operação do conversor CC-CC bidirecional não isolado buck boost split pi , a energia, de igual forma como no modo I, irá fluir da bateria presente no VE1 para o VE2. No entanto, as condições de operação são alteradas de forma a comprovar o seu funcionamento sobre condições mais severas, validando as 2 situações possíveis de ocorrer relativamente à energia presente em cada bateria. De acordo com as condições impostas, foi então definida uma tensão de entrada, Vbat1, com um valor de tensão de 168 V, valor máximo de tensão fornecida pelas fontes CC. Na saída do conversor foi empregue uma carga resistiva, simulando Vbat2, com um valor de 26 Ω. Definindo uma corrente referência de 6,5 A para a carga, é esperado obter uma tensão de 169 V na saída do conversor. Um dos objetivos propostos na validação do funcionamento do conversor é o seu controlo ser válido em todas as condições impostas ao seu funcionamento, sendo desta forma aplicado o controlo validado na operação em modo I. Definida uma tensão de referência para o barramento CC do conversor de 220 V e uma corrente de referência de saída de 6,5 A, foram iniciados os testes práticos ao modo II de operação do conversor CC-CC bidirecional não isolado buck boost split pi . Na Figura 6.12 encontram-se as formas de onda e os seus respetivos valores médios no primeiro teste prático realizado ao modo II de operação do conversor. No canal 1 encontra-se a tensão média de saída do conversor, obtida aos terminais da carga resistiva, sendo esta de 164 V, e no canal 2 o valor médio da corrente de saída do conversor empregue à carga resistiva (6,22 A). No canal 3 encontra-se a forma de onda e tensão média do barramento CC do conversor com um valor de 213 V, ao passo que, no canal 4 encontra-se a corrente média de entrada do conversor, corrente esta fornecida pela fonte CC, de -7,27 A. Após uma breve análise dos valores definidos e obtidos é possível verificar que os mesmos apresentam ligeiras perdas, mas que não invalidam o seu funcionamento, encontrando-se muito perto dos valores definidos. Tais perdas, como já mencionado, são derivadas de perdas de comutação, indutâncias e ruídos eletromagnéticos que possam ocorrer nas PCBs durante o seu funcionamento. Capítulo 6 – Resultados Experimentais Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 128 Figura 6.12 - Tensão presente na saída do conversor (CH1: 50 V/div), corrente de carga presente na bobina (CH2: 5 A/div), tensão presente no barramento CC (CH3: 50 V/div) e corrente de descarga presente na bobina (CH4: 5 A/div) do conversor CC-CC bidirecional não isolado buck boost split pi em modo I de operação segundo as condições: iV2V > 0 e Vbat2 > Vbat1. Em seguida, na Figura 6.13, encontram-se representadas as formas de onda da tensão e corrente de entrada e saída do conversor, sendo possível obter uma melhor analise ao seu funcionamento. No canal 1 encontra-se igualmente representada a forma de onda da tensão de saída com um valor de 165 V, presente aos terminais da carga resistiva Vbat2, ao passo que, no canal 2 tem-se a corrente de saída, presente na bobina do VE2 com um valor médio de 6,20 A. No canal 3, encontra-se a tensão presente à entrada do conversor Vbat1, com um valor de 157 V, tensão esta fornecida pelas fontes CC. No canal 4 é apresentada a corrente fornecida pela fonte ao conversor, presente na bobina do VE1, tendo um valor médio de -7,18 A. Analisando as formas de onda e os seus valores médios, é possível constatar que a tensão de entrada é inferior à tensão de saída, validando uma das condições de operação do modo II. Também é possível observar que o valor da corrente média de entrada é superior ao da corrente de saída, cerca de 1 A, o que já seria de esperar, sendo a tensão de entrada inferior à de saída. Por último, através dos cálculos dos valores de potência, é possível obter uma potência de saída de 1023 W e uma potência de entrada de 1127 W, obtendo-se um rendimento de aproximadamente 91%. Comparando o rendimento obtido com o modo I, é possível verificar que apesar das diferentes condições de operação, ambos os modos apresentam valores de rendimento idênticos. Capítulo 6 – Resultados Experimentais Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 129 Figura 6.13 - Tensão presente na saída do conversor (CH1: 50 V/div), corrente de carga presente na bobina (CH2: 5 A/div), tensão presente na entrada do conversor (CH3: 50 V/div) e corrente de descarga presente na bobina (CH4: 5 A/div) do conversor CC-CC bidirecional não isolado buck boost split pi em modo I de operação segundo as condições: iV2V > 0 e Vbat2 > Vbat1. Finalizando os testes práticos ao modo II de operação do conversor, na Figura 6.14 encontram-se presentes as formas de onda da tensão de entrada, tensão do barramento CC, tensão de saída e a corrente presente no barramento CC. No canal 1 é possível observar-se a forma de onda da tensão de saída, presente aos terminais da carga resistiva Vbat2, com um valor de 165 V. No canal 3, encontra-se representada a forma de onda da tensão de entrada, fornecida pelas fontes CC Vbat1, com um valor de 157 V, ao passo que, no canal 4 encontra-se a forma de onda da tensão presente no barramento CC com um valor médio de 218 V. No canal 2, é possível observar a forma de onda da corrente presente no barramento CC, iV2V, que tem como valor médio 4,87 A e assume uma forma de onda sinusoidal, como de esperar. É possível verificar que, novamente, a condição iV2V > 0 é garantida, validando todas as condições de funcionamento impostas para operação em modo II do conversor CC-CC bidirecional não isolado buck boost split pi . Figura 6.14 - Tensão presente na saída do conversor (CH1: 50 V/div), corrente presente no barramento CC (CH2: 5 A/div), tensão presente na entrada do conversor (CH3: 50 V/div) e tensão presente no barramento CC (CH4: 50 V/div) do conversor CC-CC bidirecional não isolado buck boost split pi em modo I de operação segundo as condições: iV2V > 0 e Vbat2 > Vbat1. Capítulo 6 – Resultados Experimentais Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 130 Finalizada a análise aos testes práticos realizados ao modo II e validadas as condições de operação definidas para o seu funcionamento, é possível concluir que o mesmo se encontra em correto funcionamento. Após uma breve comparação entre os resultados experimentais obtidos e os resultados das simulações computacionais, é verificado que ambos apresentam o mesmo comportamento, apesar da existência de problemas como indutâncias parasitas, perdas de comutação e ruido eletromagnético que não são contempladas nas simulações computacionais. É também possível afirmar que, no decorrer da operação em modo II, o conversor estará sempre sujeito a correntes de entrada superiores ao modo I para os mesmos valores de corrente obtidos na saída, visto a tensão de saída ser superior. 6.3.5 Operação em Modo III e Modo IV Validados os modos de operação I e II, é possível concluir que o controlo PI adotado se encontra adequado para controlar a operação do conversor CC-CC bidirecional não isolado buck boost split pi implementado. De acordo com a Tabela 4.4 presente na secção 4.6.2, a condição iV2V > 0 que valida os dois primeiros modos de operação já não é mais válida para os restantes modos, nomeadamente o modo III e modo IV. No entanto, a única alteração nos restantes modos será do fluxo de energia, alterando entre os VEs o processo de carga e descarga. Desta forma, durante a operação do conversor em modo III e IV, o VE1 será sujeito ao processo de carga, ao passo que, ao VE2 será empregue o processo de descarga, ou seja, a carga resistiva será empregue na saída do conversor, correspondente a Vbat1, e a ligação das fontes de alimentação CC será conectada à entrada do conversor, correspondente a Vbat2, validando a condição de operação iV2V < 0. Após análise dos resultados obtidos na execução das simulações computacionais realizadas ao conversor no modo III e IV de operação, presentes na secção 4.6.2, é possível observar que as formas de onda obtidas são em tudo semelhantes às do modo I e II, alterando apenas o sentido da corrente, segundo a condição imposta iV2V < 0. Como tal, o mesmo acontece nos ensaios práticos a realizar aos modos III e IV de operação do conversor. Conforme verificado no decorrer do Capítulo 5, é apresentado e descrito todo o hardware implementado em cada uma das PCBs desenvolvidas e mencionado que foi implementado de igual forma nas 2 PCBs. De igual forma, o controlo PI também foi replicado nas 2 PCBs, simulando assim o sistema de carregamento de baterias entre 2 VEs. Comparando as formas de onda obtidas nas simulações computacionais do modo I e II com as obtidas nos resultados experimentais ao modo III e IV, é verificado que as formas de onda apresentam o mesmo comportamento e os mesmos valores médios de corrente e tensão para os processos de carga e descarga aplicados. A única diferença Capítulo 6 – Resultados Experimentais Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 131 encontra-se na condição imposta para a operação em modo III e IV, iV2V < 0, que conforme as simulações computacionais, apresenta o seu valor médio negativo indicando alteração no sentido do fluxo de energia. Como tal, de forma a comprovar a operação do conversor de potência nos restantes modos, na Figura 6.15 encontram-se os resultados obtidos no ensaio realizado ao modo III e IV, onde no canal 2 é visível a corrente presente no barramento e comprovado que a condição iV2V < 0 é cumprida. Efetuando uma rápida comparação com as restantes formas de onda presente na Figura 6.15 (a), é verificado que as mesmas são iguais às obtidas nos ensaios realizados ao modo I de operação, mais precisamente na Figura 6.11, apresentando inclusive os valores médios de corrente e tensão praticamente iguais. Na Figura 6.15 (b) são apresentadas as formas de onda obtidas no modo IV, verificando-se que são iguais às formas de onda presentes na Figura 6.14, obtidas na operação em modo II, e verificando-se que os valores médios de corrente e tensão são idênticos. (a) (b) Figura 6.15 - Tensão presente na saída do conversor (CH1: 50 V/div), corrente presente no barramento CC (CH2: 5 A/div), tensão presente na entrada do conversor (CH3: 50 V/div) e tensão presente no barramento CC (CH4: 50 V/div) do conversor CC-CC bidirecional não isolado buck boost split pi :(a) modo III de operação segundo as condições: iV2V < 0 e Vbat1 > Vbat2 ; (b) modo IV de operação segundo as condições: iV2V < 0 e Vbat2 > Vbat1. Finalizada a análise da Figura 6.15, é possível afirmar que os modos III e IV apresentam um correto funcionamento, sendo os valores de potência iguais entre o modo I e III e modo II e IV, validando a eficiência do conversor e a capacidade de fluxo bidirecional de energia, dando por concluídos os ensaios experimentais realizados ao conversor CC-CC bidirecional não isolado buck boost split pi . 6.4 Conclusão No decorrer deste capítulo foram apresentados os resultados experimentais obtidos dos testes efetuados ao sistema desenvolvido no âmbito da presente dissertação de mestrado. O sistema é um carregador de Capítulo 6 – Resultados Experimentais Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 132 baterias com modo de operação V2V, composto por 2 conversores CC-CC bidirecional não isolado buck boost , simulando um VE cada um. A junção dos 2 conversores CC-CC bidirecionais pelo barramento CC dá origem um conversor CC-CC bidirecional não isolado buck boost split pi , topologia que se pretendeu validar. Desta forma, primeiramente na secção 6.2, foram apresentados os testes efetuados ao conversor CC-CC bidirecional não isolado buck boost presente em cada PCB e validar o funcionamento dos seus modos de operação ( buck e boost , como o nome indica). Para tal, as 2 PCBs foram testadas de forma individual nos 2 modos de operação do conversor CC-CC bidirecional de forma a comprovar o funcionamento em modo buck e boost . De igual forma, foram aplicados 3 sinais de PWM com duty cycle variado (25%, 50%, 75%) à gate dos semicondutores de potência correspondentes. Os resultados obtidos dos testes práticos são comparados com as equações características de cada modo de operação do conversor CC-CC bidirecional, verificando-se que os valores obtidos estão de acordo com as formas de onda obtidas, permitindo validar a correta operação dos modos buck e boost do conversor CC-CC bidirecional não isolado buck boost presente em cada uma das PCBs desenvolvidas. Uma vez validada a operação do conversor CC-CC bidirecional não isolado buck boost nos seus 2 modos de operação, seguiu-se a apresentação dos testes efetuados ao controlo implementado para os processos de carga e descarga do conversor CC-CC bidirecional não isolado buck boost split pi . Através da ligação das PCBs pelo barramento CC do conversor CC-CC bidirecional não isolado buck boost presente em cada uma, na secção 6.3.1 foram apresentados os testes efetuados aos algoritmos de controlo implementados para o processo de carga da bateria por corrente-tensão constante. Os testes foram realizados efetuando perturbações no valor de referência da corrente de carga e verificado que a mesma acompanha as perturbações efetuadas e se mantém constante no valor de referência definido, validando o funcionamento dos algoritmos de controlo adotados. Em seguida, na secção 6.3.2, foi analisado o comportamento da tensão do barramento CC às perturbações efetuadas nos valores de referência da corrente de saída e concluído que a mesma mantém-se constante ao longo da operação do conversor. O controlo da tensão do barramento CC, como já mencionado, é responsável pelo algoritmo de controlo do processo de descarga da bateria, verificando-se a alteração do valor médio da corrente de descarga sempre que o valor de referência da corrente de carga sofre perturbações. Concluída a validação do controlo implementado para controlo dos processos de carga e descarga da bateria são então apresentados os testes efetuados aos modos de operação definidos para o sistema de acordo com a Tabela 4.4. Deste modo, nas secções 6.3.3, 6.3.4 e 6.3.5, são apresentados todos os Capítulo 6 – Resultados Experimentais Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 133 resultados obtidos dos testes efetuados aos modos de operação do sistema e pode-se verificar uma boa performance do conversor CC-CC bidirecional não isolado buck boost split pi nos modos de operação definidos para o sistema. Carregador de Baterias para Veículos Elétricos com Modo de Operação Vehicle-to-Vehicle (V2V). Carlos Filipe Vilaça Martins – Universidade do Minho 134 Capítulo 7 Conclusão 7.1 Conclusões Na realização da presente dissertação de mestrado foi desenvolvido e apresentado um sistema de carregamento de baterias para VEs, ou seja, um VE irá fornecer energia diretamente a outro VE (V2V). O desenvolvimento deste sistema teve como finalidade demonstrar o funcionamento de uma nova topologia de carregamento de VEs (V2V), apresentando-se como uma grande vantagem para a sua implementação em VEs face ao reduzido número postos de carregamento e às suas localizações. Sendo as baterias fontes de energia CC, apenas será necessário recorrer à utilização do conversor CC-CC bidirecional presente no sistema de carga do VE, dispensando a operação do conversor CA-CC utilizado nos restantes métodos de carregamento, como G2V e V2G. Deste modo, no decorrer desta secção são apresentadas as conclusões retiradas ao longo do desenvolvimento do sistema proposto. Inicialmente, no Capítulo 1, foi realizado um levantamento histórico sobre os VEs, onde é possível concluir que os VEs surgiram antes dos VMCIs, foram mencionados os principais feitos históricos alcançados pelos VEs e as dificuldades que encontram para se impor ao longo da sua criação até aos dias de hoje. Além de serem sempre dotados de uma tecnologia superior, a sua afirmação como um dos principais meios de transporte sustentável tardou quase 150 anos. Os grandes avanços tecnológicos ocorridos nas 2 últimas décadas e a grande preocupação a nível ambiental com quantidade de emissão de gases de efeitos dos VMCIs foram os fatores que mais contribuíram para a afirmação dos VEs no seio da sociedade, sendo inclusive criada a Fórmula E para ajudar no seu desenvolvimento. Desta forma, é esperado um aumento exponencial na venda de VEs e, face à desvantagem do reduzido número de postos de carregamento, surgiu o tema da presente dissertação de mestrado, apresentando-se como uma alternativa aos métodos de carregamento existentes. Após o enquadramento do sistema de EP a implementar, no Capítulo 2 é apresentado o conceito de mobilidade elétrica, os principais sistemas de armazenamento de energia em VEs e os seus métodos de carga e descarga. Primeiramente, é efetuado o enquadramento teórico da importância da mobilidade elétrica para os VEs, sendo também apresentados dados que sustentam a sua evolução ao longo dos