A seleção de uma combinação de interruptores permite transitar entre diferentes modos de funcionamento. Os modos possíveis para um esquemático de duas células são apresentados na Figura4.5.
(a) LC ligado a ambas as células (b) LC ligado à célula 1 (c) LC ligado à célula 2
Figura 4.5: Três modos de funcionamento para um conjunto de duas células em série Para além dos modos exemplificados existe também um modo natural de free-wheeling que surge quando todos os transístores estão no estado OFF. Neste caso, a corrente fluirá pelos díodos dos transístores interiores (2 e 3 da Figura4.5).
Já no caso do esquema aplicado às três células em série (Figura4.2), os MOSFETS a serem ligados são aqueles imediatamente acima e abaixo da célula correspondente. Em qualquer caso serão ligados quatro MOSFETS a partir de dois sinais de comando equivalentes, para cada dois consecutivos.
Para aceder a uma célula específica, do conjunto das seis usadas, são neste caso ligados um total de oito MOSFETs, dois a dois, o que corresponde a quatro sinais de gate distintos. Dada a complexidade acrescida que uma série de seis células acarreta, a demonstração dos modos de funcionamento deste sistema seria um estudo algo labiríntico.
Tabela 4.3: Especificação dos transístores a ligar para conectar o ramo LC a cada célula no es- quema da Figura4.3
T1
T2
T3
T4
T5
T6
T7
T8
T9
T10
T11
Cell1
ON
-
ON
-
ON
ON
-
-
-
-
-
Cell2
ON
-
ON
-
ON
ON
-
-
-
-
Cell3
ON
-
ON
-
-
-
ON
ON
-
-
-
Cell4
-
ON
-
ON
-
-
-
ON
ON
-
-
Cell5
ON
-
ON
-
-
-
-
-
ON
ON
-
Cell6
-
ON
-
ON
-
-
-
-
-
ON
ON
4.4 Conclusão 39
Assim, a tabela 4.3 identifica-os, sendo que Ti representa na realidade dois MOSFETs que
deverão ser ligados em simultâneo. Por exemplo, T1 corresponde aos MOSFETS Q1.1 e Q1.2, identificados na Figura4.3.
No entanto, uma caraterística particular do esquemático considerado centra-se no facto deste permitir ligar as células em séries de três ou cinco elementos adjacentes. Para tal são ligados os MOSFETs 1 e 3 ou 2 e 4 (os de primeiro nível) de acordo com a paridade da primeira célula da série. Os MOSFETs de segundo nível que deverão ser ligados são o superior à primeira célula da série e o inferior à última (fechando naturalmente o circuito). Esta característica é explicada com mais detalhe no capítulo5.
4.4
Conclusão
O projeto de qualquer sistema deve partir de um conjunto de requisitos bem estipulados aos quais se deverá sempre voltar, a par da análise do funcionamento do mesmo. Assim, e partindo dos mesmos, deve ser feita uma modelação consistente do sistema levando em conta o programa de simulação adotado.
Do projeto do sistema de balanceamento aqui proposto é possível realçar algumas conclusões tais como:
• O sistema deverá considerar a utilização de um único ramo LC para a transferência de energia entre quaisquer células de uma série;
• A escolha dos componentes a utilizar deverá ser focada na frequência de ressonância da qual advém a frequência de comutação dos semicondutores, na dimensão e no custo;
• O esquemático projetado permite ao sistema comutar entre diferentes modos de funciona- mento, que se refletem em resultados diferentes e em necessidades de controlo também elas distintas;
• O programa de simulação PSIM não dispõe de um modelo típico de uma bateria que deverá portanto ser simulada. Nest trabalho usou-se um modelo previamente escolhido de acordo com os parâmetros associados à bateria em questão.
A fase seguinte ao projeto de um sistema deste tipo será focada no estudo dos algoritmos de controlo que melhor encaminhem os resultados deste sistema face a relações custo/benefício e tempo de equalização/rendimento.
Capítulo 5
Algoritmos de Controlo
Para o controlo do sistema de balanceamento apresentado é necessário, em prol dos objeti- vos, desenvolver um método apropriado e acima de tudo otimizado de acordo com os resultados pretendidos.
A generalidade dos controladores, e os dos circuitos elétricos não são exceção, usam um sinal de referência, que se pretende seguir, e medidas das variáveis de interesse, obtidos por sensori- zação, criando um tipo de controlo que se designa por controlo em malha-fechada por utilizar a realimentação (feedback) das referidas variáveis. No entanto, isso resulta num aumento dos cus- tos, por exigir elementos sensores muitas vezes caros face ao custo pretendido para o fim a que se destinam.
Assim, há que estudar alternativas que dispensem a utilização de um número elevado de sen- sores e que, ainda assim, permitam cumprir os objetivos em vista.
No caso específico de um sistema de balanceamento, pretende-se controlar a transferência de energia entre as diferentes células, levada a cabo pela criação de caminhos de corrente entre as mesmas e o elemento armazenador utilizado.
O problema prende-se com determinar a melhor estratégia para transferir a energia entre célu- las no menor espaço de tempo possível. Este problema é um problema de investigação operacional com uma solução não trivial. Admita-se, por exemplo, um sistema com quatro células de bateria mas com diferentes quantidades de carga (SOC). O número de modos possíveis para transferir energia entre elas, de forma a que fiquem todas com a mesma carga, é significativo. Naturalmente, a adição de mais células irá fazer aumentar a quantidade de alternativas de forma exponencial. Assim, de modo a melhor escolher um possível algoritmo a aplicar, comecemos por enumerar os objetivos aos quais este se propõe. Deste modo, o algoritmo responsável por alcançar a equaliza- ção entre todas as células terá como objetivos principais os seguintes:
1) Minimizar o tempo de equalização; 2) Minimizar as perdas;
3) Maximizar o tempo de vida da bateria; 4) Maximizar a eficiência energética.
42 Algoritmos de Controlo
Deve salientar-se ainda que a escolha entre algoritmos diferentes está também ela associada à topologia de balanceamento escolhida para o efeito.
É, por isso, comum agrupar as topologias sob a forma de técnicas de transferência de energia: cell-to-celle pack-to-cell. A primeira permite apenas transferir energia entre células adjacentes. Por outro lado, a segunda remete para a possibilidade de transferir energia de toda a bateria para apenas uma célula.
Ambas as técnicas podem coexistir, derivando da utilização de um circuito apropriado e uma estratégia de controlo mais complexa. Isto é, será possível, ao sofrer algumas alterações, criar um sistema capaz de selecionar entre apenas uma ou um conjunto de células, das quais deverá ser retirada energia, e uma ou mais células para a qual essa energia deverá ser redirecionada. Expressamente, a escolha de um algoritmo ótimo não é imediata nem linear e deverá usar uma função que cumpra o compromisso entre o pretendido e as condições em que se garantem as exigências do algoritmo. As exigências do controlo projetado deverão ainda ter em conta questões de aquisição de dados e sensorização, a par do poder computacional que o processador empregue deverá ter. Assim, é indispensável garantir um compromisso entre estes fatores e o valor acrescido no preço do sistema de balanceamento em questão.