A presente dissertação apresenta como principal objetivo o desenvolvimento do sistema de armazenamento para o powertrain de um veículo elétrico, com controlo do sistema e gestão da autonomia.
Este sistema consiste numa arquitetura híbrida, com um mecanismo de produção de energia elétrica, no caso células de combustível, que serão responsáveis pelo carregamento das baterias do veículo, e 2 sistemas de armazenamento, baterias (de iões de lítio) e supercondensadores neste caso, a fornecerem a energia necessária para colmatar o pedido de binário por parte do utilizador. O subsistema que recorre às baterias terá a funcionalidade de garantir o fornecimento, em regime contínuo, de energia, enquanto que aquele que utiliza os supercondensadores terá de ser capaz de providenciar energia nos momentos em que se altere o ponto de funcionamento, ou seja em regimes transitórios pois têm uma capacidade de entrega de energia muito superior à das baterias. As células de combustível, ou FCs são capazes de produzir eletricidade a partir de hidrogénio, e serão utilizadas como fonte de energia para o carregamento do sistema de armazenamento do sistema desenvolvido.
O sistema desenvolvido deve ter capacidade de controlo da operação do sistema, de gestão de energia, com o objetivo de otimizar a autonomia do veículo, sendo que para tal deve estar apto para supervisionar as diferentes variáveis de controlo do sistema.
Na Figura3.1é apresentado um esquema representativo do sistema a desenvolver.
Figura 3.1: Modelo representativo do sistema a desenvolver
No esquema apresentado estão assinalados os fluxos de energia (a cheio) e os sinais de senso- rização e controlo (a tracejado). Também se pode verificar a uni, ou bidirecionalidade dos fluxos de energia através das setas representativas da direção da mesma.
Iniciando a explicação do sistema a desenvolver pelo subsistema das células de combustível, estas serão do tipo PEMFC, uma vez que são das mais desenvolvidas e eficientes, são facilmente inicializadas e ocupam um volume reduzido. Para o seu funcionamento utilizam, como combustí- vel, hidrogénio retirado do respetivo tanque de armazenamento. A energia elétrica produzida por estes dispositivos é então utilizada por um conversor DC/DC do tipo Boost.
Para os conversores responsáveis pela transformação da energia dos sistemas de armazena- mento, quer as baterias quer os supercondensadores, a topologia adotada é do tipo Buck Boost, uma vez que permite uma gama alargada de valores de tensão de saída e o seu controlo pode ser considerado simples. A tensão gerada neste conversor é então injetada no barramento DC do sistema.
Abordando agora a questão do pré-carregamento das baterias, este é realizado a partir da rede elétrica através de um conversor AC/DC do tipo controlado em ponte completa. Este tipo de con- versores é capaz de operar com o fluxo de potência em ambos os sentidos, o que para além de garantir o carregamento das baterias, permite, também a injeção de potência na rede. Esta topolo- gia foi escolhida pois permite o controlo da tensão de saída, é composta por um número reduzido de componentes e, tal como referido anteriormente, permite o fluxo bidirecional de potência.
Tratando o sistema de armazenamento de energia elétrica, optou-se por baterias de iões de lítio, pois apresentam elevada densidade energética e taxa de descarga. A energia armazenada nestes componentes é então elevada no conversor DC/DC, semelhante ao apresentado anteriormente, de forma a poder ser injetada no barramento. O sistema de travagem regenerativa, e graças à bidirecionalidade do fluxo de potência dos conversores selecionados, permite o aproveitamento da energia cinética do veículo nos momentos de abrandamento.
A partir do barramento DC do veículo é recolhida a energia que irá alimentar o motor elétrico. Para tal recorre-se a um conversor AC/DC que realiza a inversão/retificação da energia. Este conversor é semelhante ao utilizado na interface entre o veículo e a rede elétrica.
Todos os conversores implementados são controlados, implicando, então a geração de sinais de comando para os seus switching devices. Tal geração é realizada no bloco de comando, que se baseia em malhas de realimentação para compreender o estado do sistema com base nos valo- res recolhidos dos vários sensores, de tensão, corrente, entre outros, introduzidos nos diferentes subsistemas. Os sinais de comando são obtidos por um processo de modulação sinusoidal por lar- gura de impulsos, já que apresentam uma distorção harmónica total inferior às outras abordagens possíveis, e os harmónicos incluídos na tensão de saída são de elevada ordem, facilitando a sua filtragem.
Metodologia e Plano de trabalho
4.1
Metodologia de abordagem
O sistema a desenvolver pode ser considerado complexo. Como tal, existe a necessidade de o quebrar em subsistemas, de menor complexidade e mais fácil análise. Ainda em relação aos subsistemas considerados, a estes estão associadas tarefas específicas que possibilitam o seu desenvolvimento.
De maneira a garantir que todas as tarefas são encerradas, apenas quando todos os objeti- vos específicos da mesma se concretizarem, serão estabelecidos testes e formas de verificação e validação das mesmas.
Após validação e verificação de cada subsistema como um sistema independente e isolado é necessário iniciar um processo de integração de todos os subsistemas, sendo que, para tal serão tidas em atenção as relações existentes entre eles, como por exemplo saídas e entradas físicas.
Este processo de evolução no desenvolvimento do powertrain será utilizado nas duas vertentes deste estudo, ou seja nos sistemas desenvolvidos em contexto de simulação e nos desenvolvidos em ambiente laboratorial.