Sistema de carregamento externo de baterias de veículos elétricos com interface a fonte de energia renovável

Helder Miguel Gonçalves Barbosa

Sistema de Carregamento Externo de Baterias

de Veículos Elétricos com Interface a Fonte

de Energia Renovável

Helder Miguel Gonçalv

es Barbosa Sis tema de Car regamento Exter no de Bater ias de V eículos Elétr

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face a F onte de Ener gia R eno vá vel

Escola de Engenharia

Tese de Mestrado

Ciclo de Estudos Integrados Conducentes ao Grau de

Mestre em Engenharia Electrónica Industrial e Computadores

Trabalho efetuado sob a orientação do

Professor Doutor João Luiz Afonso

Helder Miguel Gonçalves Barbosa

Sistema de Carregamento Externo de Baterias

de Veículos Elétricos com Interface a Fonte

de Energia Renovável

Agradecimentos

Em primeiro lugar quero agradecer ao meu orientador o Professor João Luiz Afonso, pelo apoio, incentivo e por me disponibilizar o acesso ao Laboratório de Eletrónica de Potência sem o qual teria sido impossível a execução prática deste trabalho.

Um agradecimento especial ao Vítor Monteiro por todos os conselhos, ajuda e disponibilidade ao longo da execução desta Dissertação.

Aos investigadores Henrique Gonçalves, Gabriel Pinto, Bruno Exposto, Delfim Pedrosa, Rui Moreira, Rui Araújo e o Raúl Almeida pelo apoio e ajuda ao longo do tempo que estive no laboratório.

Aos funcionários das oficinas do DEI Joel Almeida, Carlos Torres e Ângela Macedo pela disponibilidade e ajuda sempre que foi necessário.

Quero também agradecer a todos os meus amigos pelo apoio ao longo destes anos de curso.

E por fim um agradecimento especial aos meus pais, Francisco e Luísa, pela paciência e sem os quais nunca teria chegado aqui.

Resumo

Atualmente a atividade humana é responsável por muitas ameaças ao meio ambiente e os efeitos da queima de combustíveis fósseis estão, certamente, entre os mais importantes e mediáticos. No entanto, as desvantagens não são apenas ambientais, existem também questões económicas, como o aumento contínuo dos preços do petróleo, que têm um impacto negativo na balança comercial de muitos países. Dessa forma, uma solução para estes problemas, pelo menos na área dos transportes, passa pela crescente aposta na mobilidade elétrica, nomeadamente os veículos elétricos (VEs) e os veículos híbridos plug-in (PHEV). Desta forma, no futuro poder-se-á finalmente atingir o equilíbrio no consumo final de energia no sector dos transportes. Mas tal só pode ser atingido se o carregamento das baterias for efetuado através de fontes de energia renovável. No entanto é necessário criar mecanismos de gestão que permitam o uso de fontes de energias renováveis em coexistência com a rede elétrica, otimizando o uso de ambos na produção e consumo de energia.

Então, enquadrado na aposta nas áreas da mobilidade elétrica e das energias renováveis, esta Dissertação de Mestrado tem como principal objetivo criar um sistema de carregamento externo de baterias para VEs e PHEVs, com interface para uma fonte de energia renovável. São utilizados três conversores eletrónicos de potência para efetuar a interligação entre os diferentes elementos. Isto permite ao sistema adaptar-se aos diferentes níveis de tensão dos diferentes elementos (rede elétrica, baterias dos VEs e a fonte de energia renovável). Ao sistema é requerido que extraia a máxima potência possível da fonte de energia renovável e tal é possível através da implementação de um sistema de controlo utilizando um dos algoritmos de procura do ponto de máxima potência (MPPT). Um conversor CA-CC efetua a ligação entre o sistema de carregamento e a rede elétrica. A utilização deste conversor pode trazer problemas de qualidade de energia elétrica, tais como distorção harmónica, interferências eletromagnéticas ou notches, que têm de ser mitigados pelo sistema de controlo. O carregamento das baterias dos VEs e PHEVs é efetuado através de um conversor CC-CC. É necessário que o sistema de controlo deste conversor cumpra as especificações de carregamento das baterias, a fim de preservar o seu tempo de vida, embora também seja importante o tempo de carregamento.

Palavras-chave: Carregamento de Veículos Elétricos, Energias Renováveis, V2G (Vehicle-to-Grid), V2H (Vehicle-to-Home), G2V (Grid-to-Vehicle).

Abstract

Currently human activity is responsible for many threats to the environment and the effects of burning fossil fuels are certainly among the most important and newsworthy. However the disadvantages are not only environmental, there are also economic issues such as the continued rise in oil prices which have a negative impact on the balance of trade of many countries. Thus, a solution to these problems, at least in the area of transportation, can be achieved by the increasing focus on electric mobility. So in the future it will be possible to finally achieve equilibrium in final energy consumption in the transportation sector. But this can only be achieved with the use of renewable energy sources to charge the electric vehicles batteries. However it is necessary to establish management mechanisms that allow the use of renewable energy sources in coexistence with the electrical power grid, optimizing the use of both the production and consumption of energy.

Then framed in the betting areas of electric mobility and renewable energies, this Master Thesis has the main objective of creating an external charging system for electric end plug-in vehicles batteries, with interface to a renewable energy source. It uses three power electronic converters to make the interface between the different elements. This allows the system to adapt to different voltage levels of the different elements (mains power, batteries of electric vehicles and renewable energy source). It’s required that the system extracts the maximum power from the renewable energy source, which is possible through the implementation of a control system using one algorithm for maximum power point tracking (MPPT). A bidirectional AC-DC converter performs the connection between the charging system and the power grid. The use of this converter can bring power quality problems such as harmonic distortion, electromagnetic interference, or notches, which have to be mitigated by the control system. The charging of the batteries of hybrid plug-in or electric vehicles is done through a DC-DC converter. It is required that the control system of this converter meets the specifications of charging batteries in order to preserve their life time, although it is also important to perform the loading in the shortest time possible.

Keywords: Electric Vehicles Charge, Renewable Energies Interface, V2G (Vehicle-to-Grid), V2H (Vehicle-to-Home), G2V (Grid-to-Vehicle).

Índice

Agradecimentos ... iii

Resumo ... v

Abstract ... vii

Índice ... ix

Lista De Figuras ... xiii

Lista de Tabelas ... xix

Lista de Siglas e Acrónimos ... xxi

Nomenclatura ... xxiii

Capítulo 1 Introdução... 1

1.1. Veículos Elétricos ... 1

1.2. Veículo como Armazenador de Energia ... 2

1.3. Enquadramento do Trabalho ... 4

1.4. Motivações do Trabalho ... 5

1.5. Objetivos do Trabalho ... 6

1.6. Organização da Dissertação ... 7

Capítulo 2 Sistemas de Carregamento de Baterias ... 9

2.1. Introdução ... 9 2.2. Baterias ... 9 Baterias de Ácido-Chumbo ... 9 2.2.1. Baterias de Níquel-Cádmio ... 12 2.2.2. Bateria de Hidreto Metálico de Níquel ... 12

2.2.3. Baterias de Iões de Lítio ... 13

2.2.4. Baterias de Polímero de Lítio ... 14

2.2.5. Baterias de Lítio-Ar ... 15

2.2.6. Comparação entre as Diversas Tecnologias de Baterias ... 16

2.2.7. 2.3. Carregamento de Baterias de Veículos Elétricos ... 18

MOBI.E ... 20

2.3.1. Pontos de Carregamento Normal MOBI.E ... 21

2.3.2. Pontos de Carregamento Rápido MOBI.E ... 22

2.3.3. Carregadores Domésticos ... 23

2.3.4. Carregamento Sem Fios ... 24

2.3.5. Estações de Troca de Baterias... 25

2.3.6. 2.4. Conversores CA-CC Monofásicos Bidirecionais ... 26

Conversor CA-CC Monofásico de Meia Ponte Bidirecional ... 27

2.4.1. Conversor CA-CC Monofásico de Ponte Completa Bidirecional ... 27 2.4.2.

Conversor CA-CC Monofásico Multinível Bidirecional Flying Capacitor ... 28

2.4.3. 2.5. Conversores CC-CC Bidirecionais ... 29

Conversor CC-CC Buck+Boost Bidirecional... 29

2.5.1. Conversor Dual Active Bridge (Buck-Boost Isolado) ... 30

2.5.2. 2.6. Conclusões ... 31

Capítulo 3 Sistemas Fotovoltaicos Para Produção de Energia Elétrica ... 33

3.1. Introdução ... 33

3.2. Sistemas Fotovoltaicos ... 36

Sistemas Fotovoltaicos Isolados da Rede Elétrica de Serviço Público (RESP) ... 36

3.2.1. Sistemas Fotovoltaicos com Ligação à Rede Elétrica de Serviço Público ... 37

3.2.2. 3.3. Módulo Fotovoltaico ... 42

Célula Fotovoltaica ... 42

3.3.1. Curva Característica I-V de um Módulo Fotovoltaico ... 44

3.3.2. 3.4. Extração da Máxima Potência ... 46

Perturbação e Observação ... 46 3.4.1. Condutância Incremental ... 48 3.4.2. Tensão Constante ... 49 3.4.3. Varrimento de Corrente ... 50 3.4.4. Comparação entre os Diferentes Métodos de MPPT ... 50

3.4.5. Conversor CC-CC ... 51

3.4.6. 3.5. Seguidor Solar ... 52

3.6. Sistemas Fotovoltaicos para Carregamento de Veículos Elétricos... 53

3.7. Conclusões ... 54

Capítulo 4 Simulação do Sistema de Carregamento de Baterias ... 57

4.1. Introdução ... 57

4.2. Sistema de controlo ... 58

Modelação e Controlo do Conversor CA-CC Full-Bridge Bidirecional ... 58

4.2.1. Sistema de Controlo do Conversor CC-CC para Carregar as Baterias ... 63

4.2.2. Sistema de Controlo do Conversor CC-CC para os Módulos Fotovoltaicos ... 65

4.2.3. 4.3. Simulação do Circuito de Controlo em PSIM ... 65

Implementação dos Sensores de Tensão e Corrente de Efeito Hall em PSIM ... 66

4.3.1. Implementação do circuito de Condicionamento de Sinal em PSIM ... 66

4.3.2. Implementação do Microprocessador em PSIM ... 67

4.3.3. 4.4. Implementação do Banco de Baterias em PSIM ... 69

4.5. Implementação dos Módulos Fotovoltaicos em PSIM ... 70

4.6. Simulação do Conversor CA-CC Bidirecional ... 71

Conversor CA-CC em Modo Retificador. ... 73

4.6.1. Conversor CA-CC em Modo VSI ... 74

4.6.2. 4.7. Simulação do Conversor CC-CC Bidirecional (MPPT) ... 75

Carregamento das Baterias ... 75

4.7.1. Devolução da Energia Armazenada nas Baterias ... 77

4.7.2. 4.8. Simulação do Conversor CC-CC Unidirecional (MPPT) ... 78

4.9. Simulação do Sistema Completo ... 80

Grid-to-Vehicle (G2V), Vehicle-to-Grid (V2G) e Vehicle-to-Home (V2H) ... 81

4.9.1. Carregamento das Baterias Através do Módulo Fotovoltaico ... 84

4.9.2. Perdas ... 85

4.9.3. 4.10. Conclusões ... 88

Capítulo 5 Implementação do Sistema de Carregamento de Baterias ... 91

5.1. Introdução ... 91 5.2. Circuito de Potência ... 92 Módulo de IGBTs... 92 5.2.1. Condensadores de Snubber... 93 5.2.2. Condensadores do Barramento CC... 94 5.2.3. Dissipador de Calor ... 95 5.2.4. Condensador de Saída do Conversor CC-CC Bidirecional ... 98

5.2.5. Bobina Conversor CA-CC ... 99

5.2.6. Bobinas dos Conversores CC-CC ... 99

5.2.7. Pré-Carga e Proteções ... 100

5.2.8. 5.3. Sistema de Controlo ... 101

Sensores de Tensão de Efeito Hall ... 102

5.3.1. Sensores de Corrente de Efeito Hall ... 104

5.3.2. Placa de Condicionamento de Sinais e ADC ... 106

5.3.3. Digital Signal Controller ... 109

5.3.4. Driver de IGBT ... 111 5.3.5. Placa de Comando ... 112 5.3.6. Placa de DAC ... 113 5.3.7. 5.4. Fonte de Alimentação para o Sistema de Controlo ... 114

5.5. Conclusões ... 115

Capítulo 6 Resultados Experimentais ... 117

6.1. Introdução ... 117

6.2. Baterias ... 117

6.3. Ensaio do Conversor CA-CC em Modo Retificador ... 119

6.4. Ensaio do Conversor CA-CC em Conjunto com o Conversor CC-CC Bidirecional ... 121

6.5. Carregamento das Baterias Utilizando uma Fonte de Energia Renovável ... 123

6.6. Ensaio ao Conversor CA-CC em Modo VSI ... 126

6.7. Conclusões ... 128

Capítulo 7 Conclusão ... 131

7.2. Propostas de Trabalho Futuro ... 132

Lista De Figuras

Figura 1.1 – Gráfico do consumo total da RNT do dia 29-05-2012 [2]. ... 3

Figura 1.2 – Diagrama de blocos do sistema de carregamento. ... 4

Figura 2.1 – Estrutura interna de uma bateria de ácido-chumbo de arranque [13] (fonte: Eurobat). ... 10

Figura 2.2 – Diferentes tipos de baterias de ácido-chumbo: (a) Bateria de arranque; (b) Bateria de ciclo profundo [15] (fonte: Battery University). ... 10

Figura 2.3 – Estágios de carga de uma bateria de ácido-chumbo. ... 11

Figura 2.4 – Pack de baterias Ni-Cd do Citroën Berlingo e Saxo, em exposição no Museu Autovision na Alemanha [25] (fonte: Wikipedia). ... 12

Figura 2.5 – Pack de baterias NiMH do veículo híbrido Toyota Prius [30] (fonte: Wikipedia). ... 13

Figura 2.6 – Pack de baterias do Nissan Leaf com 48 módulos de quatro células cada, instalados na parte inferior do automóvel [36] (fonte: Wikipedia). ... 14

Figura 2.7 – Veículo elétrico Mercedes-Benz AMG SLS E-CELL, onde se vê a disposição do pack de baterias, da eletrónica de potência e dos motores, entre outros [38] (adaptado de: Gizmag ). ... 14

Figura 2.8 – Densidade de energia de diversas baterias: futuras baterias de lítio-ar; futuras baterias de iões de lítio; baterias estado da arte de iões de lítio [39] (adaptado de: Jake Christensen et al.). ... 15

Figura 2.9 – Ilustração do principio de funcionamento de uma bateria de lítio-ar [40] (adaptado de: IBM). ... 16

Figura 2.10 – Distribuição da frota automóvel ao longo da semana nos Estados Unidos da América, para o ano de 2001 [47] (adaptado de: 2001 National Household Travel Survey). ... 19

Figura 2.11 – Rede MOBI.E: (a) Mapa com a indicação dos concelhos aderentes à rede MOBI.E [50]; (b) Pontos de carregamento rápido previstos para a rede MOBI.E [51] (fonte: Inteli). ... 20

Figura 2.12 – Pontos de carregamento normal MOBI.E: (a) Modelo MCR16 All-in-One da Magnum Cap [53] (fonte: Magnum Cap); (b) modelo da Efacec com o “quiosque” à esquerda e a “unidade satélite” à direita. ... 21

Figura 2.13 – Pontos de carregamento rápido MOBI.E: (a) As duas configurações do modelo Efapower EV QC50 da Efacec [54] (fonte: Efacec); (b) Modelo MCQC da Magnum Cap com o armário de potência e o “quiosque” [55] (fonte: Magnum Cap). ... 23

Figura 2.14 – Vários carregadores domésticos: (a) Efacec Homecharger [58] (fonte: Efacec); (b) Magnum Cap MCCWB Charger [59] (fonte: Magum Cap); (c) Schneider Electric EVlink [63] (fonte: Schneider Electric); (d) General ElectricWattStation wall mount [60] (fonte: General Electric). ... 23

Figura 2.15 – Ilustração de um sistema de carregamento sem fios [64] (adaptado de: Delphi). ... 24

Figura 2.16 – Sistema de carregamento sem fios da Delphi com as duas plataformas a serem montadas: (a) no veículo; (b) No chão [64] (fonte: Delphi)... 24

Figura 2.17 – Sistema de troca de baterias Better Place: (a) Ilustração de uma estação Better Place; (b) Processo de troca de baterias [65] (fonte: Better Place). ... 25

Figura 2.18 – Tesla Supercharger [66] (fonte:Tesla). ... 26

Figura 2.19 - Tesla Model S [68] (fonte: Tesla). ... 26

Figura 2.21 – Conversor CA-CC Monofásico de Ponte Completa Bidireccional... 28

Figura 2.22 – Conversor CA-CC monofásico multinível bidirecional flying capacitor com 3 níveis. ... 29

Figura 2.23 – Conversor CC-CC buck+boost bidireccional. ... 29

Figura 2.24 – Conversor CC-CC Dual Active Bridge. ... 30

Figura 3.1 – Irradiação solar vs. principais recursos energéticos atuais. Os combustiveis fosseis e nucleares são expressos em relação às reservas totais, enquanto os recursos renováveis estão expressos no potencial de produção anual [75] (adaptado de: EPIA). ... 33

Figura 3.2 – Evolução mundial da capacidade de potência instalada fotovoltaica (instalações anuais e capacidade acumulada) em MW [76] (adaptado de: EPIA). ... 34

Figura 3.3 – Irradiação direta solar em kW/m2_{/ano [78] (adaptado de: Omsun). ... 35}

Figura 3.4 – Tipologia dos sistemas fotovoltaicos. ... 36

Figura 3.5 – Sistema fotovoltaico isolado hibrido para forneciemento de eletricidade a uma povoação com geradores eólicos, armazenamento de energia em baterias e gerador a diesel. ... 37

Figura 3.6 – Vista aérea da Central Solar Fotovoltaica da Amareleja [84] (fonte: Acciona). ... 38

Figura 3.7 – Esquema da Central Solar Fotovoltaica da Amareleja [84] (fonte: Acciona). ... 38

Figura 3.8 – Unidade de microprodução com os módulos fotovoltaicos montados na estrutura do seguidor solar [87] (fonte: DST Renováveis). ... 40

Figura 3.9 – Elementos necessários à instalação de uma unidade fotovoltaica de microprodução ou miniprodução [88] (fonte: Efacec). ... 41

Figura 3.10 – Unidade de miniprodução de 250 kW no telhado da Mundo Têxtil em Vizela [89] (fonte: Efacec). .... 41

Figura 3.11 – Efeito fotovoltaico. ... 42

Figura 3.12 – Diferentes materiais de construção das células fotovoltaicas. ... 43

Figura 3.13 – Diferentes tipos de células fotovoltaicas; (a) Célula de silicio monocriristalino; (b) Célula de silicio policristalino; (c) Célula de silicio amorfo [92] (fonte: PVSolarChina.com). ... 43

Figura 3.14 – Circuito equivalente de uma célula fotovoltaica [93] (adaptado de: National Instruments). ... 44

Figura 3.15 – Efeitos da variação da temperatura nas caracteristicas I-V do módulo fotovoltaico PV MONO 240 W da Mprime [95] (adaptado de: Martifer). ... 45

Figura 3.16 – Efeitos da variação da irradiância nas caracteristicas I-V do módulo fotovoltaico PV MONO 240 W da Mprime [95] (adaptado de: Martifer). ... 45

Figura 3.17 – Curvas caracteristicas I-V e P-V de um módulo solar com indicação do ponto de máxima potência. .. 46

Figura 3.18 – Principio de funcionamento do algoritmo de perturbação e observação. ... 47

Figura 3.19 – Fluxograma do algoritmo Perturbação e Observação (P&O). ... 48

Figura 3.20 – Fluxograma do algoritmo Condutância Incremental (CI). ... 49

Figura 3.21 – Conversor CC-CC buck ligado entre o módulo fotovoltaico e o barramento CC... 51

Figura 3.22 – Conversor CC-CC boost ligado entre o módulo fotovoltaico e o barramento CC. ... 52

Figura 3.23 – Inclinação ideal dos módulos fotovoltaicos em relação aos raios solares. ... 52

Figura 3.24 – Variação da posição do Sol ao longo do ano no hemisfério norte [100] (fonte: Exposing PseudoAstronomy). ... 53

Figura 3.25 – Seguidores solares: (a) Seguidor com um grau de liberdade; (b) Seguidor com dois graus de

liberdade. ... 53

Figura 3.26 – Conjunto de soluções SmartPark da MPrime de carregamento de veículos eléctricos por sistemas fotovoltaicos [101] (fonte: Martifer). ... 54

Figura 4.1 – Interface gráfico do ambiente de simulação PSIM. ... 58

Figura 4.2 – Conversor CA-CC bidirecional full-bridge. ... 59

Figura 4.3 – Diagrama de blocos do controlador do conversor CA-CC em modo retificador, com malha interna de corrente e malha externa de tensão. ... 60

Figura 4.4 – Diagrama de blocos do controlador do conversor CA-CC em modo VSI. ... 60

Figura 4.5 – Diagrama de blocos do conversor CA-CC em modo VSI com controlo de corrente. ... 61

Figura 4.6 – Estrutura do algoritmo de PLL implementado. ... 61

Figura 4.7 - Resposta do algoritmo de PLL a várias perturbações: (a) Mudança de fase de 90º; (b) Harmónicos; (c) Desvio de frequencia; (d) Alteração da amplitude (sag e swel da tensão). ... 62

Figura 4.8 - Diagrama de bode do filtro notch utilizado no algoritmo de PLL. ... 62

Figura 4.9 - Simulação do algoritmo de PLL no PSIM. ... 63

Figura 4.10 – Circuitos para os diferentes modos de operação do conversor buck+boost. ... 64

Figura 4.11 – Diagramas de blocos do controlador do conversor CC-CC bidirecional: (a) Esquema de controlo durante a etapa de tensão contínua; (b) Esquema de controlo durante a etapa de corrente contínua. ... 64

Figura 4.12 – Digrama de blocos do sistema de controlo do conversor CC-CC bidirecional em modo boost. ... 64

Figura 4.13 – Conversor boost em que a entrada são os módulos fotovoltaicos e a carga é o resto do sistema visto da saída do conversor. ... 65

Figura 4.14 – Diagrama de blocos do controlador do conversor CC-CC unidirecional. ... 65

Figura 4.15 – Implementação em PSIM dos sensores de tensão e corrente utilizados. ... 66

Figura 4.16 – Implementação em PSIM do circuíto de condicionamento de sinais. ... 67

Figura 4.17 – Implementação em PSIM do bloco de C. ... 68

Figura 4.18 – Circuito utilizado para gerar os diversos sinais de PWM: a) gerador de PWM para o conversor CA-CC com esquema de comutação com tensão unipolar; b) gerador de PWM para o conversor de MPPT; c) gerador de PWM para o conversor CC-CC bidirecional. ... 69

Figura 4.19 – Modelo equivalente de Thevenin de uma bateria de ácido-chumbo. ... 70

Figura 4.20 – Implementação em PSIM do módulo fotovoltaico MPrime M 260 Mono. ... 71

Figura 4.21 - Tensão (vCA ) e corrente (iCA ) na rede, potência instantânea na rede (pCA ) e valor médio da potência (P), valor médio da tensão no barramento CC (VCC ) e ripple da tensão no barramento CC (∆vCC ). ... 72

Figura 4.22 – Implementação em PSIM do conversor CA-CC em modo retificador. ... 73

Figura 4.23 – Tensão da rede (vi ), corrente na bobina (iL ) e corrente de referência na bobina (iL_ref ) no modo retificador. ... 74

Figura 4.24 – Tensão no barramento CC (vCC ) e corrente de saída do conversor (icarga ) no modo retificador. ... 74

Figura 4.25 – Implementação em PSIM do conversor CA-CC em modo VSI. ... 75

Figura 4.26 – Tensão de saída do conversor (vi ), corrente na bobina (iL ) e corrente de referência na bobina (iL_ref ) em modo VSI. ... 75

Figura 4.27 – Implementação do conversor CC-CC bidirecional em modo buck. ... 76 Figura 4.28 – Resposta do conversor CC-CC bidirecional ao controlo de corrente constante. Em cima a corrente de

referência (Iref ) e a corrente das baterias (Ibat ); em baixo a tensão aos terminais das baterias (vbat ). ... 76

Figura 4.29 – Circuito de potência utilizado para simular o estágio de tensão constante. ... 77 Figura 4.30 – Resposta do conversor CC-CC bidirecional ao controlo de tensão constante. Em cima a corrente das

baterias (Ibat ); em baixo a tensão aos terminais das baterias (Vbat ) e a tensão de referência (Vref ). ... 77

Figura 4.31 – Implementação do conversor CC-CC bidirecional em modo boost. ... 78 Figura 4.32 – Resposta do conversor CC-CC bidirecional em modo boost, corrente nas baterias (ibat ), tensão nas

baterias (vbat ) e tensão no barramento CC (vCC). ... 78

Figura 4.33 – Implementação do seguidor de máxima potência. ... 79 Figura 4.34 – Simulação do conversor com a potência máxima do módulo constante: tensão (vpf ) e corrente (ipf ) aos

terminais do módulo fotovoltaico equivalente, potência máxima teórica, potência extraída e tensão no barramento CC (vCC). ... 79

Figura 4.35 – Simulação do conversor com a potência do módulo variável: tensão (vpf ) e corrente (ipf ) aos terminais

do módulo fotovoltaico equivalente, potência máxima teórica, potência extraída e tensão no barramento CC (vCC ). ... 80

Figura 4.36 – Implementação em PSIM do carregador de baterias com interface a energias renováveis... 80 Figura 4.37 – Corrente nas baterias (ibat ) e o seu valor de referência (ibat_ref ), tensão nas baterias (vbat ), tensão no

barramento CC (vCC)e corrente na rede (iL ) durante o modo G2V. ... 81

Figura 4.38 – Vista de promenor da corrente e da tensão da rede (iL e vi ) durante o modo G2V, vi encontra-se à

escala para melhor visualização. ... 82 Figura 4.39 – Corrente (ibat ) e tensão (vbat ) na bateria, tensão no barramento CC (vCC) e corrente da rede (iL ) durante

o modo V2G. ... 82 Figura 4.40 – Vista de promenor da corrente e da tensão da rede (iL e vi ) durante modo V2G, vi encontra-se à escala

para melhor visualização. ... 83 Figura 4.41 – Corrente (ibat ) e tensão (vbat ) na bateria, tensão no barramento CC (vCC) e corrente da rede (iL ) durante

o modo V2H. ... 83 Figura 4.42 – Vista de promenor da corrente e da tensão da rede (iL e vi ) durante modo V2H, vi encontra-se à escala

para melhor visualização. ... 84 Figura 4.43 – Resultados da simulação do carregamento de baterias pelo módulo fotovoltaico com a sua potência

máxima constante: tensão (vpf ) e corrente (ipf ) aos terminais do módulo fotovoltaico equivalente, potência

máxima teórica, potência extraída, potência fornecida às baterias, corrente (ibat ) e tensão nas baterias (vbat ).

... 84 Figura 4.44 – Resultados da simulação do carregamento de baterias pelo módulo fotovoltaico com variação da sua

potência máxima: tensão (vpf ) e corrente (ipf ) aos terminais do módulo fotovoltaico equivalente, potência

máxima teórica, potência extraída, potência fornecida às baterias, corrente (ibat ) e tensão nas baterias (vbat ).

... 85 Figura 4.45 – Ferramenta Device Database Editor do PSIM. ... 86 Figura 4.46 – Circuito utilizado para calcular as perdas e as temperaturas dos módulos de IGBT. ... 86

Figura 4.47 – Perdas de comutação e condução dos diversos módulos. ... 87

Figura 4.48 – Temperaturas nos diversos módulos e no dissipador. ... 87

Figura 5.1 – Esquemático do sistema de carregamento desenvolvido. ... 92

Figura 5.2 – (a) Módulo de IGBTs SKM50GB063D; (b) Esquema de ligações interno. ... 93

Figura 5.3 – Forma de onda tipica da tensão Vce no corte do IGBT: a preto a forma de onda sem condensador de snubber; a castanho a forma de onda com condensador de snubber [110]. ... 93

Figura 5.4 – Condensador de snubber B32656S0105+561. ... 93

Figura 5.5 – Barramento CC: (a) Esquema das placas do barramento CC; (b) Ligação utilizada com todos os condensadores em paralelo; (c) Ligação alternativa com ponto médio. ... 94

Figura 5.6 – Implementação do barramento CC. ... 95

Figura 5.7 – (a) Formas de onda de um IGBT durante a condução e as comutações; (b) Forma de onda das perdas de um IGBT. ... 96

Figura 5.8 – Dissipador de calor modelo P3 da Semikron [116]. ... 96

Figura 5.9 – Esquema de montagem realizado em Autocad dos conversores de potência, drivers, condensadores de snubber e condensadores do barramento CC. ... 97

Figura 5.10 – Esquema de montagem dos diferentes elementos do circuito de potência no dissipador (vista de cima) e esquema de ligações à rede elétrica, ao banco de baterias e aos módulos fotovoltaicos. ... 98

Figura 5.11 – Implementação final dos diferentes elementos do circuíto de potência no dissipador. ... 98

Figura 5.12 – Condensador à saída do conversor CC-CC bidirecional. ... 98

Figura 5.13 – Bobina do conversor CA-CC... 99

Figura 5.14 – Bobina utilizada nos dois conversores CC-CC. ... 100

Figura 5.15 – Esquematico com o circuito de acionamento que faz o interface entre o pino de GPIO e o relé. ... 101

Figura 5.16 – Placa de relés. ... 101

Figura 5.17 – Sensores de tensão: (a) Placa do sensor de tensão para 450 V; (b) Placa do sensor de tensão de 400 V; (c) Esquema de ligações do sensor de tensão de efeito hallCYHVS5-25A da ChenYang Technologies. ... 102

Figura 5.18 – Sensor de Corrente: (a) Implementação do sensor de corrente de efeito hall LEM LA 55-P; (b) Esquema de ligações. ... 105

Figura 5.19 – Placa de condicionamento de sinais e ADC... 106

Figura 5.20 – Circuito equivalente dos canais de aquisição da placa de ADC. ... 108

Figura 5.21 – DSC TMS320F28335 da Texas Instruments montado na docking station. ... 110

Figura 5.22 – Ambiente de desenvolvimento integrado Code Composer Studio 5.4. ... 110

Figura 5.23 – Placa do driverSKHI 22 AH4 da Semikron. ... 111

Figura 5.24 – Disposição dos pinos do MC14504B e diagrama lógico de uma entrada [126]. ... 112

Figura 5.25 – Disposição dos pinos do NE555 [127]. ... 112

Figura 5.26 – Placa de comando. ... 113

Figura 5.27 – Placa de DAC. ... 114

Figura 5.28 – Circuito equivalente dos canais da placa de DAC, com o amplificador operacional em montagem subtratora. ... 114

Figura 5.29 – Fonte de alimentação Traco Power TLX 035-1515D. ... 115 Figura 5.30 – Aspeto final do sistema de carregamento externo de baterias de veículos elétricos com interface a

energias renováveis. ... 116 Figura 6.1 - Bancada de trabalho. ... 117 Figura 6.2 – Relação entre a capacidade [Ah], a corrente [A] e o tempo [horas], durante o processo de descarga de

uma bateria WCG-U1 AGM (adaptado de: Vitor Monteiro et al.) [132]. ... 118 Figura 6.3 – Relação do tempo de vida útil da bateria, em número de ciclos, em função da profundidade de

descarga para a bateria WCG-U1 AGM (adaptado de: Vitor Monteiro et al.) [132]. ... 119 Figura 6.4 – Esquema do circuito de potência utilizado para testar o conversor CA-CC em modo retificador. ... 119 Figura 6.5 – Tensão (vi ) e corrente (iL ) do lado CA e tensão no barramento CC (vCC ) quando os IGBTs do conversor

CA-CC não estão a comutar. ... 120 Figura 6.6 – Tensão (vi ) e corrente (iL ) do lado CA, corrente de referência (iL_ref ) e tensão no barramento CC (vCC )

com os IGBTs do conversor CA-CC a comutar. ... 120 Figura 6.7 – Análise dos harmónicos e THD da corrente (iL ): (a) Quando os IGBTs do conversor CA-CC não estão a

comutar; (b) Quando os IGBTs do conversor CA-CC estão a comutar. ... 121 Figura 6.8 – Esquema de ligações do circuito de potência utilizado para testar o funcionamento do conversor CA-CC em conjunto com o conversor CA-CC bidirecional. ... 121 Figura 6.9 – Tensão (vi ) e corrente (iL ) do lado CA, tensão no barramento CC (vCC ) e tensão na carga (vcarga ). ... 122

Figura 6.10 – Esquema de ligações do circuito de potência utilizado para testar o carregamento das baterias através da rede. ... 122 Figura 6.11 – Tensão (vi ) e corrente (iL ) do lado CA, tensão no barramento CC (vCC ), tensão à saída do conversor

CC-CC (vbat ) e corrente nas baterias (ibat ). ... 123

Figura 6.12 – Fonte de tensão não-ideal. ... 124 Figura 6.13 – Esquema de ligações do circuito de potência utilizado para testar o algoritmo de MPPT. ... 124 Figura 6.14 - Esquema de ligações do circuito de potência utilizado para testar o carregamento das baterias através de uma fonte de energia renovável. ... 125 Figura 6.15 – Tensão da fonte CC (vfonte ),tensão (vpf ), e corrente do módulo fotovoltaico (ipf ), tensão no barramento

CC (vCC ), tensão das baterias (vbat ) e corrente nas baterias (ibat ). ... 126

Figura 6.16 – Esquema de ligações do circuito de potência utilizado para testar o funcionamento do conversor CA-CC em modo inversor off-grid. ... 126 Figura 6.17 - Tensão (vi ) e corrente (iL ) do lado CA e tensão no barramento CC (vCC ) em VSI. ... 127

Figura 6.18 – Esquema de ligações potência utilizado para testar o funcionamento do conversor CA-CC em modo VSI, alimentado pelas baterias. ... 127 Figura 6.19 – Ensaio em malha aberta do conversor CA-CC em modo boost. ... 128

Lista de Tabelas

Tabela 2.1 – Principais atributos das baterias utilizadas em VEs [22]. ... 17 Tabela 2.2 – Caracteristicas técnicas dos pontos de carregamento normal MOBI.E. ... 22 Tabela 2.3 – Caracteristicas técnicas dos pontos de carregamento rápido MOBI.E: Efapower EV QC45 [57],

Efapower EV QC50 [54] e MCQC [55]. ... 22 Tabela 3.1 – Capacidade instalada acumulada em 2012 para os maiores mercados (com mais de 100 MW) e a

respectiva àrea territorial de cada país [76] (fonte: EPIA). ... 35 Tabela 3.2 – Comparação entre os vários métodos de MPPT. ... 51 Tabela 5.1 – Tabela com diversos valores relativos aos sensores de tensão e respetivos canais na placa de

aquisição de sinais.. ... 108 Tabela 5.2 – Tabela com diversos valores relativos aos sensores de corrente e respetivos canais na placa de

aquisição de sinais. ... 109 Tabela 6.1 – Caracteristicas técnicas das baterias WCG-U1. ... 118 Tabela 6.2 – Resultados obtidos no ensaio do conversor CC-CC com o algoritmo de Condutância Incremental. .... 125

Lista de Siglas e Acrónimos

ADC Conversor Analógico-Digital

AGM Absorbed Glass Matt

CA Corrente Alternada

CAN Controller Area Network

CC Corrente Contínua

CE Comunidade Europeia

CI Condutância Incremental

DAC Conversor Digital-Analógico

DEI Departamento de Eletrónica Industrial

DSC Digital Signal Controller

EPIA Associação Europeia da Industria Fotovoltaica

ESR Resistência Equivalente Série

FP Fator de Potência

GEPE Grupo de Eletrónica de Potência e Energia

HEMS Home Energy Management System

IEC Comissão Eletrotécnica Internacional

IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor

MCI Motor de Combustão Interna

MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor

MPPT Maximum Power Point Tracker

MPP Ponto de Máxima Potência

NREL National Renewable Energy Laboratory

NTC Coeficiente de Temperatura Negativo

PCB Printed Circuit Board

PFC Power Factor Correction

PHEV Plug-in Hybrid Electric Vehicle

PI Proporcional-Integral

PLL Phase Locked Loop

P&O Perturbação e Observação

RESP Rede Elétrica de Serviço Público

RMS Root Mean Square

TC Tensão Constante

THD Taxa de Distorção Harmónica Total

V2G Vehicle-to-Grid

V2H Vehicle-to-Home

VC Varrimento de Corrente

Nomenclatura

Símbolo Descrição Unidade

∆vCC Ripple na tensão do barramento CC V

fa Frequência de amostragem Hz

fc Frequência de comutação Hz

frede Frequência da rede elétrica Hz

ibat Corrente instantânea no banco de baterias A

ibat_ref Valor de referência da corrente no banco de baterias A

iL Corrente instantânea na indutância do conversor CA-CC bidirecional A

iL_ref Valor de referência da corrente na indutância do conversor CA-CC

bidirecional A

ipf Corrente instantânea do módulo fotovoltaico equivalente A

Pmax Máxima potência teórica que o módulo fotovoltaico equivalente pode

fornecer W

Ppf Potência extraída ao módulo fotovoltaico equivalente W

Rcarga Resistência de carga utilizada durante os ensaios aos conversores Ω

Ta Período de amostragem s

THD Taxa de Distorção Harmónica Total %

vbat Tensão instantânea no banco de baterias V

vbat_ref Valor de referência da tensão no banco de baterias V

vCC Tensão instantânea no barramento CC V

vCC_ref Valor de referência da tensão no barramento CC V

vfonte Tensão instantânea na fonte CC V

vi Tensão instantânea na entrada do conversor CA-CC bidirecional V

vpf Tensão instantânea do módulo fotovoltaico equivalente V

vpf_ref Valor de referência da tensão no módulo fotovoltaico equivalente gerado

pelo algoritmo de MPPT V

Capítulo 1

Introdução

1.1. Veículos Elétricos

Desde o final do século XIX, a propulsão de veículos baseia-se em motores de combustão interna (MCI) que utilizam derivados do petróleo. Apesar dos desenvolvimentos mais recentes, esta tecnologia continua a contribuir bastante para a emissão de gases com efeito de estufa, é pouco eficiente, e o preço destes combustíveis continua a aumentar. Contudo, continua a ser a tecnologia de propulsão mais utilizada para veículos rodoviários. Isto acontece devido a diversos fatores, nomeadamente a elevada densidade de energia dos combustíveis (que se traduz em autonomia), a facilidade e rapidez com que se abastece o depósito, e o facto de um veículo com MCI ser mais barato que um veículo elétrico (VE) a baterias, ou com célula de combustível, equivalente.

Apesar do domínio dos MCI, ao longo do século XX existiram várias tentativas de produzir um VE que seja economicamente competitivo. Nesse sentido, foram desenvolvidos vários VEs, tais como automóveis, autocarros (sejam a baterias ou os Trolleybus que usavam catenárias), metropolitanos, comboios, entre outros. No entanto, até hoje os automóveis elétricos nunca se conseguiram impor, principalmente, devido ao elevado preço, baixa autonomia e tempos de carregamento das baterias superiores ao abastecimento com os tradicionais combustíveis. Os Trolleybus outrora utilizados em cidades como Braga, Porto e Coimbra só subsistem nesta última, e com um número reduzido comparado com outras épocas. Atualmente começam a ganhar terreno os autocarros elétricos com baterias ou com célula de combustível. Apenas no caso dos metropolitanos e comboios é que a propulsão elétrica se conseguiu impor aos MCI.

Em finais do século XX apareceram no mercado um tipo de veículos denominados de híbridos. Estes veículos aliam a propulsão elétrica e a com um MCI. Os veículos híbridos são classificados por híbrido série e híbrido paralelo. Nas primeiras versões destes veículos as baterias eram carregadas automaticamente pelo veículo, através do MCI e travagem regenerativa, no entanto, posteriormente foram lançados no mercado modelos destes veículos com possibilidade de carregamento das baterias através da rede elétrica, denominados híbridos

plug-in (Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEVi_{). Face a esta mudança de paradigma, estes}

veículos são vistos como um passo intermédio, entre os que são propulsionados por MCI e os VE.

Já no século XXI as grandes construtoras do setor automóvel começaram a comercializar várias versões de VE. Estes veículos tiram partido da evolução tecnológica das baterias e da eletrónica de potência, para que seja possível aumentar a autonomia, mantendo o peso e volume útil do veículo, em valores semelhantes aos veículos existentes.

1.2. Veículo como Armazenador de Energia

A introdução massiva e descontrolada de VEs no panorama atual dos transportes vai implicar constrangimentos para as atuais redes elétricas. Por outro lado, vão permitir outras áreas de atuação. Estes veículos oferecem a possibilidade de armazenar energia elétrica produzida em excesso durante as horas de vazio, em especial pelas fontes de energia renováveis, é um fator chave para a integração destes veículos na rede elétrica. Neste contexto, além da simples operação como elementos consumidores de energia elétrica, estes veículos podem operar em colaboração com a rede elétrica, funcionando como elementos armazenadores de energia. Assim, estes veículos contribuirão para a redução de custos aliada ao aumento da eficiência, e também para um melhor funcionamento e estabilidade do sistema elétrico. A título de exemplo, na Figura 1.1, encontra-se um o gráfico do consumo total de energia elétrica em Portugal no dia 29 de Maio de 2012. Nele é possível observar que ao longo do dia existem picos de consumo de energia elétrica, mas que à noite este consumo é bastante inferior.

Observa-se também que no período entre as 0:00 h e as 6:00 h existe mais produção de energia elétrica do que consumo, sendo o excesso aproveitado pelas barragens para efetuar a bombagem de água já turbinada de novo para a albufeira. Essa bombagem não é mais do que uma maneira de armazenar a energia produzida em excesso, em forma de energia potencial da água, funcionando de modo análogo a uma bateria. Como referido, a bombagem é utilizada como forma de armazenar energia produzida em excesso, ou aproveitar a energia importada que nesse período é mais barata. Mas há que ter em conta que a central hidrelétrica mais rápida a entrar em serviço em Portugal, a Central do Alto Lindoso, demora cerca de 90 segundos a fornecer potência à rede elétrica [1].

i _{Para enquadrar a dissertação com o cenário atual destes veículos e para facilitar a sua leitura será usada a}

Para além da bombagem, existem outras soluções para armazenar energia. Uma das soluções possíveis passa por utilizar a capacidade de armazenamento das baterias dos VE. Para tal, é necessário que estes permitam a devolução da energia elétrica à rede. Este cenário de

operação, designado vehicle-to-grid (V2G) quando associado às denominadas “redes

inteligentes” (smart grids), permite que a devolução para a rede elétrica de parte da energia armazenada nas baterias mais rapidamente do que qualquer central elétrica.

Figura 1.1 – Gráfico do consumo total da RNT do dia 29-05-2012 [2].

As smart grids permitem aos distribuidores de energia elétrica controlar e monitorizar em tempo real toda a rede elétrica, sendo que já se encontram em implementação em vários países. Em Portugal, a EDP Distribuição avançou em 2009 com o projeto InovGrid [3], tendo este sido implementado primeiramente com um projeto-piloto em Évora denominado InovCity [4]. No projeto InovGrid foram tidas em conta as implicações da massificação dos VEs para a rede elétrica [5], incluindo a possibilidade de o VE operar como elemento armazenador de energia.

Existe também a possibilidade de o veículo fornecer energia elétrica a uma casa off-grid, esta tecnologia designa-se por vehicle-to-home (V2H), e tem um princípio de funcionamento semelhante ao V2G. Numa parceria entre a Nissan e a companhia elétrica canadiana PowerStream, foi desenvolvido um sistema de V2H que utiliza as baterias de iões de lítio, com capacidade de 24 kWh, do Nissan Leaf para fornecer energia a uma casa típica canadiana durante um dia [6].

Também a Denso e a Toyota desenvolveram um sistema V2G que funciona em coordenação com um Home Energy Management System (HEMS). O HEMS faz o interface entre o veículo, a

casa e as fontes de energia renovável que possam existir, para que estes elementos operem da forma mais eficaz. Este sistema começou a ser testado em 10 casas na cidade de Toyota, utilizando o Toyota Prius PHV com um inversor instalado a bordo. Segundo a marca, com a bateria completamente carregada e o depósito atestado, é possível o veículo fornecer energia a uma casa típica japonesa durante quatro dias. Este sistema começou a ser testado no final de 2012 em dez casas, e faz parte do projeto Toyota City Low-Carbon Verification. A Denso também pretende instalar o mesmo sistema em veículos da Mitsubishi [7] [8].

Tanto no caso do V2G como no V2H, a devolução de parte da energia armazenada nas baterias, é conseguida de topologias de conversores de eletrónica de potência de carregamento bidirecionais. Existem diversas topologias que permitem efetuar este modo de operação e que podem ser enquadradas em sistemas de carregamento de baterias de VE. Assim, tipicamente estes sistemas são compostos por um conversor CA-CC bidirecional e por um conversor CC-CC bidirecional. Através deste conversor CC-CC bidirecional é possível a integração com fontes de energia renováveis, assim, além de efetuar o carregamento das baterias através da rede elétrica, é possível efetuar o carregamento das baterias utilizando fontes de energia renováveis. Por outro lado, com esta topologia é possível devolver energia elétrica para a rede, caso não seja necessário carregar as baterias do veículo.

Na Figura 1.2, é apresentado um diagrama de blocos com os principais elementos necessários para implementar a topologia do sistema de carregamento de baterias descrito acima e que é proposto para esta Dissertação de Mestrado Integrado.

Figura 1.2 – Diagrama de blocos do sistema de carregamento.

1.3. Enquadramento do Trabalho

Atualmente, a atividade humana é responsável por diversas ameaças ao meio ambiente, destas, os efeitos da queima de combustíveis fósseis são certamente dos mais importantes e mediáticos. Contudo, as desvantagens não ficam apenas pela questão ambiental,

economicamente também existem diversas desvantagens. Os custos crescentes do petróleo nos mercados internacionais, e os impactos para a balança comercial de muitos países fazem com que cada vez mais se procurem alternativas.

Um dos sectores que é altamente dependente dos combustíveis fósseis é o sector dos transportes. Em Portugal no ano de 2005, 99,3% do consumo final de energia no sector dos transportes provinha de produtos petrolíferos, e apenas 0,6% de eletricidade [9]. Com o advento dos VE, torna-se possível que um veículo se desloque apenas com energia proveniente de fontes renováveis. No entanto a produção de energia a partir de fontes renováveis não é constante e é altamente dependente de fatores ambientais. Como tal, torna-se necessário criar um sistema que faça uso sempre que possível de fontes de energia renováveis, e que em períodos de baixa produção e/ou elevado consumo opere em modo colaborativo com a rede elétrica.

Neste contexto, esta Dissertação de Mestrado Integrado tem como objetivo, criar um sistema de carregamento externo de baterias de VE com interface a fontes de energias renováveis. Assim, uma das mais-valias deste trabalho é permitir o carregamento dos VEs utilizando apenas eletricidade proveniente de fontes de energias renováveis, e deste modo conseguir emissões zero.

A interligação entre os diferentes elementos do sistema de carregamento de baterias será efetuada através de dois conversores CC-CC, mais um conversor CA-CC que faz a ligação à rede. Da utilização do conversor CA-CC poderão resultar vários problemas de qualidade de energia elétrica, tais como distorção harmónica, desequilíbrios de tensão ou corrente e interferências eletromagnéticas. Pretende-se que o sistema de controlo deste conversor seja capaz de garantir a qualidade da energia elétrica.

1.4. Motivações do Trabalho

Com este trabalho pretende-se contribuir para a evolução da mobilidade elétrica, que por sua vez poderá desempenhar um papel importante na redução de emissões poluentes para a atmosfera. Mas a mobilidade elétrica por si só não resolve os problemas, é necessário que as baterias dos veículos elétricos sejam carregadas utilizando fontes de energia limpa e segura. Neste sentido, procura-se desenvolver um sistema que pode ser utilizado em casa, no trabalho ou em pontos de carregamento situados nos principais percursos.

Esta é uma área em forte expansão a nível mundial, com os fabricantes de automóveis a lançarem para o mercado dos modelos híbridos plug-in, ou mesmo modelos totalmente elétricos.

Também os principais fabricantes de equipamentos eletrónicos possuem soluções de carregamento de VE, mas ainda existem poucos produtos no mercado que permitem o carregamento direto através de fontes de energia renovável.

A nível pessoal este trabalho envolve praticamente todas as áreas da eletrónica (eletrónica de potência, controlo, processamento de sinal, programação e instrumentação e sensores) pelo que permite consolidar os conhecimentos adquiridos ao longo do curso.

1.5. Objetivos do Trabalho

Esta proposta pretende dar continuidade a uma linha de investigação já iniciada na área dos VE no Grupo de Eletrónica de Potência e Energia (GEPE) da Universidade do Minho. Assim, esta dissertação surge no seguimento da crescente aposta que se tem feito nos últimos anos em VEs e em energias renováveis, principalmente fotovoltaica e eólica, e também nos benefícios para a rede elétrica de um sistema que permita englobar estas duas vertentes. Assim, pretende-se desenvolver um sistema que permita carregar as baterias dos VE a partir da rede elétrica ou através de fontes de energia renovável, e que também permita descarregar as baterias do VE diretamente para a rede elétrica (embora no âmbito desta Dissertação de Mestrado apenas se pretende que o inversor funcione off-grid, embora tenha a capacidade de funcionar on-grid ). Para este pressuposto, devem ser utilizados um ou mais conversores que permitam adequar os diferentes níveis de tensão, e ainda de forma a garantir a Qualidade da Energia Elétrica na rede, a máxima extração de energia a partir das fontes de energia renovável, o tempo de carregamento das baterias e a sua vida útil.

Este trabalho envolverá as seguintes tarefas:

 Pesquisa bibliográfica sobre o estado da arte de diferentes conversores para carregamento de baterias de veículos elétricos, máxima extração de energia de fontes de energia renovável, e otimização da qualidade de energia na rede elétrica. Serão também estudados os respetivos algoritmos de controlo dos conversores.

 Realização de simulações computacionais utilizando o software de simulação PSIM sobre os diferentes conversores abordados no estado da arte e respetivas estratégias de controlo.

 Estudo e desenvolvimento da plataforma do sistema de controlo para o Sistema de Carregamento Externo de Baterias de Veículos Elétricos com Interface a Fontes de Energia Renovável a ser implementado (DSP/microcontrolador).

 Estudo, projeto e desenvolvimento de conversores que melhor se adaptem ao tema proposto, tendo em conta a utilização de um banco de baterias de chumbo-ácido (com tensão total de 280 V e energia armazenada de 9 kWh) de um veículo elétrico, e visando também a interface com módulos fotovoltaicos e a rede elétrica (230 V – 50 Hz).

 Realização de testes dos conversores desenvolvidos e respetivos sistemas de proteção do Sistema de Carregamento Externo de Baterias de Veículos Elétricos com Interface a Fontes de Energia Renovável.

 Escrita da dissertação de Mestrado

 Escrita de um Artigo Técnico relativo ao trabalho efetuado.

1.6. Organização da Dissertação

Esta Dissertação de Mestrado encontra-se dividida em sete capítulos, incluindo o presente capítulo de introdução.

No segundo capítulo são abordados os sistemas de carregamento de baterias de veículos elétricos. Para tal começa-se por apresentar as diferentes tecnologias de baterias existentes e para cada uma delas é apresentado pelo menos um exemplo da sua utilização em veículos elétricos. De seguida são abordados os carregadores externos de baterias de veículos elétricos, com especial destaque para o sistema português MOBI.E, sendo ainda referidos os sistemas de carregamento sem fios e as estações de troca de baterias. Por fim são apresentadas algumas das topologias de conversores de potência que podem ser utilizadas nos sistemas de carregamento de baterias.

No terceiro capítulo são abordados os sistemas fotovoltaicos para produção de energia elétrica. Aqui são descritos os sistemas isolados e os sistemas conectados à rede elétrica de serviço público. Posteriormente são apresentados os algoritmos que permitem a máxima extração de potência dos módulos fotovoltaicos, bem como os conversores de potência utilizados para esse fim. No final do capítulo é apresentado um sistema de carregamento de baterias de veículos elétricos através de sistemas fotovoltaicos.

O quarto capítulo contém as várias simulações efetuadas aos diferentes conversores de potência e algoritmos de controlo, utilizados para implementar este sistema de carregamento.

No quinto capítulo encontram-se os passos efetuados durante a implementação de todo o sistema. São apresentados cálculos e as razões que justificam as opções tomadas na escolha dos diferentes componentes.

No sexto capítulo são apresentados os resultados experimentais dos diferentes testes que foram efetuados ao sistema de carregamento implementado.

No sétimo capítulo são apresentadas as conclusões retiradas do trabalho realizado. São ainda apresentadas propostas de trabalho futuro com o intuito de melhorar o sistema desenvolvido.

Capítulo 2

Sistemas de Carregamento de Baterias

2.1. Introdução

Os sistemas de carregamento de baterias são equipamentos eletrónicos que permitem efetuar o carregamento de uma ou várias baterias em simultâneo. Este carregamento deve ser efetuado em conformidade com o que é exigido por cada tecnologia de baterias, sob pena de estas serem danificadas ou verem a sua vida útil ser drasticamente reduzida.

Um sistema de carregamento de baterias deverá também ter em consideração a qualidade da energia elétrica. Este deve ser projetado de forma a reduzir os efeitos nocivos normalmente associados a este tipo de circuitos, como distorção harmónica na tensão e na corrente, fator de potência não unitário, interferências eletromagnéticas, subtensões momentâneas, sobretensões momentâneas e transitórios [10]. Para mitigar estes problemas, é importante escolher a topologia do conversor e o esquema de controlo mais adequados a cada aplicação.

2.2. Baterias

O armazenamento de energia é o fator crucial para a aposta massiva dos veículos elétricos (VEs). Um estudo de 2011 efetuado pela consultora Deloitte em 17 países [11], refere que as questões relacionadas com a autonomia, a facilidade de carregamento e os custos de carregamento foram classificadas como “extremamente importantes” ou “muito importantes” por mais de 85% dos inquiridos. No estudo, também é referido que as expectativas dos potenciais consumidores sobre estes aspetos não têm correspondência com as ofertas disponíveis no mercado.

Nos VEs, os principais tipos de baterias utilizadas são as baterias de ácido-chumbo, as baterias de níquel-cádmio, as baterias de iões de lítio, as baterias de polímero de lítio e as baterias de hidreto metálico de níquel. De seguida serão apresentadas as características de cada uma delas.

Baterias de Ácido-Chumbo 2.2.1.

As baterias de ácido-chumbo foram inventadas em 1859 por Gaston Planté, e foram as primeiras baterias recarregáveis [12]. O acionamento do motor de arranque de um motor de combustão interna (MCI) é uma das principais aplicações das baterias de ácido-chumbo. As

baterias construídas especialmente para esta aplicação são denominadas por baterias de arranque. Na Figura 2.1 pode-se ver uma ilustração da estrutura interna de uma bateria de ácido-chumbo de arranque. Como o próprio nome indica, estas baterias são utilizadas quando é necessário fornecer muita energia num curto espaço de tempo, como acontece no arranque de um MCI. Para tal, a bateria é composta por muitas placas finas (Figura 2.2), o que resulta numa elevada superfície de contato, permitindo assim que o processo químico de descarregamento se processe mais rapidamente, isto também implica que a resistência interna da bateria seja baixa.

Figura 2.1 – Estrutura interna de uma bateria de ácido-chumbo de arranque [13] (fonte: Eurobat).

Ao contrário das baterias de arranque, as baterias de ciclo profundo são construídas de forma a maximizar a capacidade e o número de ciclos de carregamento/descarregamento durante a sua vida útil. Para tal, a bateria é constituída por placas grossas (Figura 2.2), que favorecem o armazenamento de energia. Algumas baterias de ácido-chumbo de ciclo profundo possuem uma densidade de energia de 35 Wh/kg, e uma densidade de potência de 300 W/kg [14]. Estas características fazem com que as baterias de ciclo profundo possam ser utilizadas para armazenamento de energia em VE, mas a sua baixa densidade de energia obriga a um compromisso entre autonomia e peso.

(a) (b)

Figura 2.2 – Diferentes tipos de baterias de ácido-chumbo: (a) Bateria de arranque; (b) Bateria de ciclo profundo [15] (fonte: Battery University).

Em comparação com as baterias de arranque, as baterias de ciclo profundo são mais pesadas e caras, pois necessitam de uma quantidade maior de chumbo. Aliás, o peso e volume elevados são as principais desvantagens da utilização de baterias de ácido-chumbo em VE.

As baterias de ácido-chumbo são utilizadas num largo leque de VEs que vão desde carrinhos de golfe [16], empilhadores [17], até automóveis e veículos utilizados em minas [18]. No caso dos automóveis elétricos, que entre finais do século XIX e inícios do século XX foram mais populares do que os com MCI, as baterias de ácido-chumbo foram utilizadas desde que em 1881 foram aperfeiçoadas por Camille Faure, de modo a que estas pudessem propulsionar um VE [19]. Um exemplo mais recente de um VE com baterias de ácido-chumbo é o Fiat Seicento Elettra produzido entre 1996 e 2005 [20].

Na Figura 2.3 estão apresentados os estágios de carregamento de uma célula de uma bateria de ácido-chumbo. A linha descontínua representa a corrente, e a linha contínua representa a tensão. Tempo [h] C o rr en te [ A ] _Te n sã o [V ] 2.0 1.6 1.2 0.8 0.4 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 3 6 9 12

Estágio 1 Estágio 2 Estágio 3

Figura 2.3 – Estágios de carga de uma bateria de ácido-chumbo.

O carregamento de baterias de ácido-chumbo requer três estágios de carregamento. No primeiro estágio deve ser fornecida à bateria uma corrente constante, no segundo deve ser fornecida tensão constante, e por fim utiliza-se a “carga flutuante” que serve para compensar os efeitos de autodescarga da bateria.

O carregamento de baterias de ácido-chumbo pode demorar entre 12 a 16 horas até estar totalmente efetuado. Caso se utilize uma corrente mais elevada ou métodos de carregamento

com vários estágios, esse tempo pode ser reduzido para 10 horas. Ao contrário de outras tecnologias, estas baterias não permitem o carregamento rápido [21].

Baterias de Níquel-Cádmio 2.2.2.

As baterias de níquel-cádmio (NiCd), inventadas pelo sueco Waldemar Jungner em 1899, utilizam o hidróxido de óxido de níquel e cádmio como elétrodos. Estas baterias foram utilizadas em diversos VEs, como foi o caso do grupo PSA que produziu alguns modelos na década de 90 do século XX. O grupo fabricou versões elétricas dos veículos AX, 106, Saxo, Berlingo e Partner [22]-[24]. Em Portugal, esses veículos foram utilizados pelas empresas EDP e CTT [20]. Na Figura 2.4, pode-se observar um pack de baterias utilizado pelos veículos Saxo, Berlingo e Partner, em exposição no Museu Autovision na Alemanha.

Figura 2.4 – Pack de baterias Ni-Cd do Citroën Berlingo e Saxo, em exposição no Museu Autovision na Alemanha [25] (fonte: Wikipedia).

Bateria de Hidreto Metálico de Níquel 2.2.3.

As primeiras baterias de hidreto metálico de níquel (NiMH), para pequenas aplicações eletrónicas, apareceram no mercado em 1989. Estas baterias são uma alternativa mais económica às baterias de iões de lítio, apesar das suas menores densidades de energia e de potência [26]. Os veículos híbridos Toyota utilizam um pack de 28 baterias do tipo NiMH, com tensão nominal de 201,6 V e com uma capacidade de 6,5 Ah [27] [28], como o pack de baterias pesa 42 kg a sua densidade de energia é de 31 Wh/kg. Na Figura 2.5 encontra-se uma fotografia de um pack de baterias NiMH de um Toyota Prius. Já as utilizadas no modelo plug-in do Toyota Prius são do tipo Li-ion, com tensão nominal de 207 V e capacidade de 21,5 Ah [29]. A densidade de energia destas baterias varia entre os 40 Wh/kg e os 120 Wh/kg.

Figura 2.5 – Pack de baterias NiMH do veículo híbrido Toyota Prius [30] (fonte: Wikipedia).

Baterias de Iões de Lítio 2.2.4.

As baterias de iões de lítio (Li-ion) são baterias recarregáveis, cujo primeiro protótipo foi desenvolvido em 1985 pela empresa japonesa Asahi Chemical [31]. A primeira bateria comercial foi produzida em 1991 pela também empresa japonesa Sony [32]. Este é o tipo de baterias mais utilizado para aplicações de eletrónica de consumo, e nos últimos anos também têm sido bastante utilizadas em VEs, devido à sua boa relação entre densidade de energia e densidade de potência. A densidade de energia é de cerca 120 Wh/kg e a densidade de potência é de 180 W/kg [14].

Na Figura 2.6, encontra-se uma fotografia do pack de baterias de 24 kWh do Nissan Leaf. O pack é constituído por 48 módulos, cada um constituído por quatro células [33]. As baterias são instaladas na parte inferior do veículo entre os eixos, de forma a aumentar a estabilidade e baixar o centro de gravidade.

A utilização destas baterias em VE, apresenta diversas vantagens. Podem ser construídas com diversos tamanhos e formas, o que permite adaptar o formato do pack de forma a este aproveitar zonas como a parte de baixo dos bancos ou a consola central do automóvel. São ainda relativamente leves, quando comparadas com as outras tecnologias de baterias para o mesmo valor de capacidade.

Já a vida útil das células, a resistência interna, e as questões de segurança, quando não são utilizadas corretamente, são as desvantagens desta tecnologia [34]. Um estudo recente efetuado por investigadores do Laboratório de Armazenamento de Energia Eletroquímico do Instituto Paul Scherrer mostra que ao contrário do que até aqui se acreditava, as baterias de iões de lítio sofrem do efeito de memória. Contudo esse efeito poderá ser mitigado caso se adapte o software dos sistemas de gestão de baterias existentes, de forma a lidar com este problema [35].

Figura 2.6 – Pack de baterias do Nissan Leaf com 48 módulos de quatro células cada, instalados na parte inferior do automóvel [36] (fonte: Wikipedia).

Baterias de Polímero de Lítio 2.2.5.

As baterias de polímero de lítio (Li-poly), também conhecidas por baterias de polímero de iões de lítio, são uma evolução das baterias de iões de lítio. Devido às suas características, estas baterias podem ser moldadas com a forma pretendida. Isto permite um melhor aproveitamento do espaço disponível, e ao contrário das células de iões de lítio que são cilíndricas, estas baterias são mais compactas, pois não há espaço desperdiçado dentro de cada módulo.

Um dos automóveis que utiliza baterias de polímeros de lítio é o SLS AMG E-CELL da Mercedes-Benz (Figura 2.7). A capacidade das baterias é de 63 kWh e estas permitem uma autonomia de 250 km. O peso deste pack é de aproximadamente 500 kg, e a densidade de energia é de 126 W/kg [37].

Figura 2.7 – Veículo elétrico Mercedes-Benz AMG SLS E-CELL, onde se vê a disposição do pack de baterias, da eletrónica de potência e dos motores, entre outros [38] (adaptado de: Gizmag ).

Baterias de Lítio-Ar 2.2.6.

A bateria com células de lítio-ar (Li-air), é uma tecnologia que está a ser desenvolvida, mas da qual se espera que possa resolver o problema da baixa autonomia dos VEs. Segundo [39], as baterias de iões de lítio poderão atingir os 400 Wh/kg com a tecnologia plenamente desenvolvida, mas é expectável que as baterias de lítio-ar possam chegar a capacidades na ordem dos 1000 Wh/kg (Figura 2.8).

Figura 2.8 – Densidade de energia de diversas baterias: futuras baterias de lítio-ar; futuras baterias de iões de lítio; baterias estado da arte de iões de lítio [39] (adaptado de: Jake Christensen et al.).

Com este valor de densidade de energia, poder-se-á aumentar a autonomia de um automóvel elétrico até os 600 km com um único carregamento, esta autonomia é comparável a um automóvel a gasolina com o depósito cheio. Os autores preveem também, que estas baterias sejam mais baratas do que as atuais, o que fará baixar o preço dos VEs, e consequentemente torná-los mais competitivos para os consumidores.

Atualmente existem várias empresas a desenvolver este tipo de baterias. Uma delas é a IBM, que está a desenvolver o Projeto Bateria 500 (The Battery 500 Project), com o intuito de criar uma bateria que permita uma autonomia de 500 milhas (aproximadamente 800 km) [40]. Na Figura 2.9 é apresentado o princípio de funcionamento das baterias de lítio-ar, que é relativamente simples. Quando em descarga o oxigénio do ar reage com os iões de lítio, formando peróxido de lítio. Aquando da recarga, o oxigénio é libertado para a atmosfera e o lítio regressa ao ânodo.

Também a Toyota e a BMW [41], estão a trabalhar em conjunto para desenvolver esta tecnologia com vista a aplicá-la nos seus veículos. Está previsto até ao fim de 2013 a criação de

400 Wh/kg Futuras Baterias de Iões de Litío 1000 Wh/kg Futuras Baterias Litío-Ar 200 Wh/kg

Baterias de Estado da Arte de Iões Litío

Peso da Bateria [kg] A u to n o m ia [ km ]

um protótipo, e o objetivo é de em 2020 estas baterias já equiparem veículos para venda ao público.

Figura 2.9 – Ilustração do principio de funcionamento de uma bateria de lítio-ar [40] (adaptado de: IBM).

Comparação entre as Diversas Tecnologias de Baterias 2.2.7.

Na Tabela 2.1 encontram-se algumas das características das baterias referidas anteriormente, com exceção das baterias de lítio-ar que ainda não existem. A tabela foi retirada do livro “Understanding Batteries” de 2001 [22].

A tecnologia de baterias a instalar num VE varia de caso para caso. Quando se pretende adaptar veículos de MCI já existentes a autonomia não é o fator mais importante e normalmente recorre-se à utilização de baterias de ácido-chumbo de ciclo profundo. Para a mesma capacidade estas baterias são mais baratas e podem ser instaladas nos locais anteriormente ocupados pelo MCI, tanque de gasolina e mala do carro.

As baterias de NiCd têm vindo a perder importância ao longo dos anos, hoje em dia nenhum automóvel elétrico vem equipado de fábrica com estas baterias, e mesmo na eletrónica de consumo são substituídas por baterias de lítio. Uma grande desvantagem destas baterias está na necessidade de se proceder à descarga completa, sob pena de a sua capacidade ser seriamente afetada pelo chamado “efeito de memória”.

As baterias de iões de lítio são as preferidas dos construtores de automóveis para veículos puramente elétricos e híbridos plug-in, os packs podem ser construídos com o formato do

A tecnologia Bateria 500, é um sistema aberto que utiliza ar como reagente, o qual após a descarga liberta oxigénio para a atmosfera.

Carbono Cátodo conector Ânodo conector Eletrólito 1 Membrana de transporte Iões de Lítio Eletrólito 2 Lítio metálico Moléculas de oxigénio As moléculas de oxigénio são

absorvidas pela camada de carbono

O oxigénio e os iões de lítio reagem quimicamente, gerando eletricidade e formam peroxido de lítio Iões de lítio dissolvidos no eletrólito 1 impregnam a camada de carbono A membrana de transporte previne a contaminação das diversas camadas O lítio metálico liberta iões no eletrólito 2

espaço que vão ocupar, o que é mais complicado no caso dos veículos com MCI adaptados a elétricos.

Tabela 2.1 – Principais atributos das baterias utilizadas em VEs [22].

Bateria Prós Contras

Ácido-chumbo de ciclo profundo

 Industria estabelecida  Bateria mais barata

 Selada (sem manutenção)

 Baixa densidade de energia  Ciclo de vida médio (≈500)  Não indicada para baixas

temperaturas

Ni-Cd

 Industria estabelecida  Ciclo de vida longo (≈2000)

 Densidade de energia razoável

 Baixa performance acima dos 35°C

 Componentes tóxicos

 Custo elevado

NiMH

 Versátil

 Razoável densidade de energia  Elevada potência

 Tolera carregamento e

descarregamento excessivo

 Selada (sem manutenção)

 Ciclo de vida curto (≈300)

 Elevada autodescarga

 Dificuldades no carregamento com temperaturas mais elevadas

 Custo Elevado

Li-ion

 Elevadas densidades de energia e potência

 Ciclo de vida longo

 Ao carregar necessita controlo de tensão preciso

 Custo elevado

 Fase inicial de desenvolvimento

Li-poly  Flexibilidade de configuração

 Elevada densidade de energia

 Fase inicial de desenvolvimento

As baterias de NiCd têm vindo a perder importância ao longo dos anos, hoje em dia nenhum automóvel elétrico vem equipado de fábrica com estas baterias, e mesmo na eletrónica de consumo são substituídas por baterias de lítio. Uma grande desvantagem destas baterias está na necessidade de se proceder à descarga completa, sob pena de a sua capacidade ser seriamente afetada pelo chamado “efeito de memória”.

As baterias de iões de lítio são as preferidas dos construtores de automóveis para veículos puramente elétricos e híbridos plug-in, os packs podem ser construídos com o formato do espaço que vão ocupar, o que é mais complicado no caso dos veículos com MCI adaptados a elétricos.

As baterias de polímero de lítio são mais utilizadas quando se pretende instalá-las em veículos mais desportivos. A maior densidade de potência destas baterias, em relação às