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À semelhança do que é feito no conversor CA-CC, o controlo do conversor CC-CC é efetuado através de um bloco C, o qual pode ser visto na Figura 4.24.

Figura 4.24 – Bloco de controlo do conversor CC-CC.

Este bloco tem como entradas a tensão da bateria (Vbat), corrente da mesma (ibat) e

a corrente de referência (iref_bat). Na saída do bloco está o sinal de referência que é

introduzido no modulador de PWM representado na Figura 4.25, onde é comparado com uma portadora triangular de 20 kHz e posteriormente enviado para a gate do IGBT. Mais uma vez o bloco ZOH da Figura 4.24 é responsável por definir com que frequência são amostrados os sinais de entrada, frequência esta que foi definida em 40 kHz.

Figura 4.25 – Modulador de PWM do conversor CC-CC.

Na Figura 4.26 está representado de forma gráfica a estratégia de controlo que foi inserida através de linguagem C no bloco da Figura 4.24.

Figura 4.26 – Esquemático da estratégia de controlo do conversor CC-CC.

Controlo_CC_CC Vbat ibat S4 ZOH iref_bat S4 Scc ibat Conversor CC-CC ibat PWM Scc Controlo de Corrente S4 iref_bat Vbat Vcc Banco de Baterias + - BMS + -

Modelo da Bateria

O modelo de bateria utilizado em PSIM para efeitos de simulação está representado na Figura 4.27, modelo este que foi baseado em [89] e que pode ser designado de método simples, cujo principal objetivo é saber o estado de carga (SoC – State of Charge) da bateria.

Figura 4.27 – Modelo de bateria utilizado em PSIM.

Os parâmetros constituintes do modelo são uma resistência (RC) que representa a

resistência interna da bateria, um condensador (CC) que representa a variação da tensão

aos terminais da bateria e uma fonte de tensão contínua (VC) que representa a tensão

mínima para o qual a bateria se considera descarregada.

Nesta dissertação os parâmetros do modelo da bateria utilizados foram definidos através dos parâmetros que figuram em baterias existentes no GEPE (Grupo de Eletrónica de Potência e Energia), nomeadamente as baterias WCG-U1 de chumbo-ácido da POWER MOBILITY [90].

Para efeitos de simulação foram consideradas 20 baterias em série, logo, visto que o valor da resistência interna (RC) de uma bateria é de 7,33 mΩ, o valor total a empregar

no modelo de simulação é de RC = 146,6 mΩ.

O valor pelo qual se considera que a bateria, anteriormente referida, se encontra descarregada é de 10,5 V. Assim sendo o valor definido é de VC= 210 V. Para um SoC de

100 % o valor da tensão por célula da bateria é de 2,35 V, valor este fornecido pelo fabricante e que deve ser respeitado para não degradar a bateria e diminuir os seus ciclos de vida [91]. Visto cada bateria utilizada ter 6 células, o valor do SoC quando a bateria se encontra totalmente carregada é de 14,1 V, o que perfaz uma tensão de 282 V no conjunto total das 20 baterias.

RC CC + - Ibateria Vbateria VC

No que diz respeito ao valor do condensador este é obtido através da equação (4.16), onde 𝑄 é o valor da capacidade de uma bateria em Ah e 𝛥𝑉 é a diferença de tensão entre os 0 % e 100 % do SoC. A capacidade das baterias utilizadas é de 33 Ah e a diferença de tensão entre os 0 % e 100 % do SoC é de 3,6 V. Substituindo estes valores na equação (4.16) obtemos um condensador com uma capacidade de 33000 F.

𝐶𝐶 = 𝑄 𝛥𝑉=

33 × 3600

3,6 = 33000 𝐹 (4.16)

O elevado valor do condensador obtido implicaria um tempo de simulação de igual forma elevado, pelo que o valor de condensador atribuído no modelo de simulaçãoestá longe de ser o real. Desta forma, o valor do condensador CC foi definido de maneira a

obter um carregamento completo da bateria em função de um tempo útil de simulação.

Algoritmo de Carregamento

Existem diferentes algoritmos de carregamento que podem ser aplicados para efetuar o carregamento das baterias, de forma mais ou menos eficiente. Porém devido aos diferentes tipos de baterias que existem e dadas as suas caraterísticas específicas, nem todas podem ser carregadas pelos mesmos métodos [28], [92].

O algoritmo de carregamento utilizado foi o de corrente constante – tensão constante, que é o que se aplica no carregamento de baterias de chumbo-ácido e baterias de iões de lítio [28]. Este algoritmo de carregamento resulta da combinação dos métodos de carregamento por corrente constante e por tensão constante, reduzindo o tempo de carregamento enquanto mantém a bateria dentro dos limites de segurança, no que diz respeito à tensão e corrente [91].

Num primeiro período de carregamento, o comportamento deste algoritmo no carregamento das baterias passa por carregá-las através de uma corrente constante até que a tensão destas atinja um valor de tensão predefinido. Posteriormente, no segundo período de carregamento é aplicado um valor de tensão constante fazendo com que a corrente de carregamento das baterias vá diminuindo ao longo do tempo até se aproximar de um valor perto de zero, momento este em que as baterias se encontram totalmente carregadas [92]. Na Figura 4.28 está representado o gráfico que explica o funcionamento do algoritmo empregue para efetuar o carregamento das baterias, sendo possível observar o comportamento da tensão e da corrente ao longo do tempo.

Figura 4.28 – Gráfico do desenvolvimento das formas de onda da tensão e corrente durante a aplicação do algoritmo corrente constante – tensão constante.

No final do primeiro período de carregamento, isto é, o período de corrente constante, as baterias encontram-se com um SoC de entre 60 % a 80 %, que tal como referido anteriormente, após atingirem o valor de tensão pré-definido para estas, passam para o intervalo seguinte. O valor da corrente de carregamento está diretamente ligado à duração do carregamento da bateria, valor este que por norma deve ser respeitado em função dos valores fornecidos pelo fabricante desta, tal como já havia sido previamente mencionado no item anterior.

Simulação do Conversor CC-CC

Os resultados seguintes de simulação do conversor CC-CC foram efetuados em conjunto com o restante andar de potência, já anteriormente simulado, e não de forma independente.

Na Figura 4.29 está representada a onda da corrente com que é efetuado o carregamento das baterias (ibat) e a respetiva corrente de referência (iref_bat), durante o

período de carregamento por corrente constante.

Figura 4.29 – Corrente de carregamento da bateria (ibat) e corrente de referência (iref_bat).

Corrente Constante Tensão Constante Troca da Fase de Carregamento 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 ibat Corrente (A) Tempo (s) iref_bat

A corrente de referência estipulada foi de 20 A, onde através da figura anterior se verifica que, após a entrada em funcionamento do conversor para o carregamento das baterias no instante t=0,8 s, a corrente ibat rapidamente acompanha a referência iref_bat. De

notar, que ao contrário do que está representado na Figura 4.26 do item 4.4, referente ao esquemático de controlo do conversor CC-CC, a corrente de referência iref_bat não é

fornecida por um BMS (Battery Management System), mas sim por uma constante definida para o propósito.

A evolução da tensão nas baterias pode ser observada na Figura 4.30, onde após o instante inicial de carregamento (t=0,8 s), a tensão sobe até serem atingidos 282 V, valor que vai de encontro ao que tinha sido previamente calculado no item 4.4.1, passando o carregamento do período de corrente constante para o período de tensão constante.

Figura 4.30 – Evolução da tensão das baterias durante o carregamento.

Ao contrário do que é mostrado na Figura 4.30, numa situação real de carregamento das baterias, o tempo de carregamento que está na figura era impensável, pois tal como já foi anteriormente mencionado no item 4.4.1, o parâmetro que define a capacidade da bateria, no modelo de bateria utilizado para efeitos de simulação, foi alterado de forma a obter o resultado de um carregamento completo em função de um tempo de simulação útil.

Por fim, na Figura 4.31 podem-se ver de forma detalhada as formas de onda da corrente de carregamento ibat e da tensão das baterias Vbat, durante a transição do período

de corrente constante para tensão constante, estando assim de acordo com o que foi abordado no item anterior.

0.8 1.2 1.6 2.0 2.4 2.8 3.2 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 Tensão (V) Tempo (s)

Figura 4.31 – Mudança do período de corrente constante para tensão constante.

Conclusão

Ao longo deste capítulo foram abordadas os conversores (CA-CC e CC-CC) que fazem parte do andar de potência do sistema de carregamento rápido para baterias de veículos elétricos implementado neste trabalho de dissertação, bem como os modelos de simulação utilizados e as técnicas de controlo que foram empregues nos mesmos.

Com os resultados de simulação obtidos foi possível concluir que a teoria de controlo utilizada no conversor CA-CC garante uma tensão aos terminais do barramento CC igual a 800 V, tensão esta que foi previamente estabelecida como referência, e que se mantém constante tal como se esperava, comprovando também o bom funcionamento da PLL trifásica implementada. Com o controlo de corrente foram garantidos dois dos grandes objetivos desta dissertação: o consumo de corrente sinusoidal por parte do conversor e operação com um fator de potência praticamente unitário.

Através dos resultados de simulação referentes ao conversor CC-CC conclui-se que a estratégia de controlo aplicada confirma o seu correto funcionamento, mantendo a corrente de carregamento num valor de 20 A definido pela corrente de referência durante o período de corrente constante, que é imediatamente trocado para o período de tensão constante assim que a tensão nas baterias atinge o valor de 282 V.

3,0 3,1 3,2 3,3 3,4 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 ibat Tensão (V) Tempo (s) v bat 0 10 20 30 40 50 Corren te (A )

Implementação do Sistema de Carregamento Rápido