UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ CENTRO DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
JULIANO DE OLIVEIRA PACHECO
CONVERSOR CA-CC ĆUK BASEADO NA CÉLULA DE COMUTAÇÃO DE TRÊS
ESTADOS COM CORREÇÃO DE FATOR DE POTÊNCIA APLICADO EM CARREGADOR DE BANCO DE BATERIAS
JULIANO DE OLIVEIRA PACHECO
CONVERSOR CA-CC ĆUK BASEADO NA CÉLULA DE COMUTAÇÃO DE TRÊS
ESTADOS COM CORREÇÃO DE FATOR DE POTÊNCIA
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Ceará, como parte dos requisitos para obtenção do título de Mestre em Engenharia Elétrica.
Área de concentração: Sistemas de Energia Elétrica
Orientador: Prof. Dr. René Pastor Torrico Bascopé
Coorientador: Prof. Dr.-Eng. Sérgio Daher.
Dados Internacionais de Catalogação na Publicação Universidade Federal do Ceará
Biblioteca de Pós-Graduação em Engenharia - BPGE
P119c Pacheco, Juliano de Oliveira.
Conversor ca-cc Ćuk baseado na célula de comutação de três estados com correção de fator de potência aplicado em carregador de banco de baterias / Juliano de Oliveira Pacheco. – 2014.
146 f. : il. color., enc. ; 30 cm.
Dissertação (mestrado) – Universidade Federal do Ceará, Centro de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Fortaleza, 2014.
Área de Concentração: Sistemas de Energia Elétrica. Orientação: Prof. Dr. René Pastor Torrico Bascopé. Coorientação: Prof. Dr. Sérgio Daher.
1. Engenharia elétrica. 2. Fator de potência - Correção. 3. Conversores. 4. Carregador de baterias. I. Título.
JULIANO DE OLIVEIRA PACHECO
CONVERSOR CA-CC ĆUK BASEADO NA CÉLULA DE COMUTAÇÃO DE TRÊS
ESTADOS COM CORREÇÃO DE FATOR DE POTÊNCIA APLICADO EM CARREGADOR DE BANCO DE BATERIAS
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Ceará, como parte dos requisitos para obtenção do título de Mestre em Engenharia Elétrica. Área de concentração: Sistemas de Energia Elétrica. Aprovada em: 30/01/2014.
BANCA EXAMINADORA
________________________________________ Prof. Dr. René Pastor Torrico Bascopé (Orientador)
Universidade Federal do Ceará (UFC)
_________________________________________ Prof. Dr. Clóvis Antônio Petry
Instituto Federal de Santa Catarina (IFSC)
_________________________________________ Prof. Dr. Demercil de Souza Oliveira Júnior
Universidade Federal do Ceará (UFC)
_________________________________________ Prof. Dr. Flábio Alberto Bardemaker Batista
Instituto Federal de Santa Catarina (IFSC)
_________________________________________ Prof. Dr.-Eng. Tobias Rafael Fernandes Neto
À Deus.
Aos meus pais, Seloé e Nazarita.
AGRADECIMENTOS
Primeiro a Deus pela vida e saúde.
Ao povo brasileiro. Agradeço à Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES), pelo apoio financeiro com a manutenção da bolsa de auxílio.
Aos meus pais e avôs pelo carinho, amor, compreensão e apoio dados ao longo de minha vida, pois sou o que sou graças ao esforço e sacrifício deles.
Aos meus dois irmãos Gabriel e Nazareno pela amizade e fraternidade e por me aturarem até hoje.
A minha noiva Vanessa pela atenção e paciência esperando ao meu lado o termino da dissertação.
A toda a família Barroso a família cearense que me adotou principalmente as minhas duas mães cearenses Tânia e Eduarda e meus irmãos cearenses Dudu, Raul e Rafael.
Ao Prof. René Pastor Torrico Bascopé, pela orientação, pelo conhecimento transmitido durante as disciplinas, pelos ensinamentos durante a fase de construção da proposta da pesquisa, pelos rabiscos de papel que contêm informações valiosas, pela paciência e a seriedade. Gostaria também de agradecer ao Prof. Sérgio Daher, com quem pude aprender bastante, agradeço pelo auxílio na orientação.
Ao Grupo de Processamento de Energia e Controle (GPEC) pelo suporte a realização do trabalho.
Aos professores participantes da banca examinadora: Clóvis Antônio Petry, Demercil de Souza Oliveira Júnior, Flábio Alberto Bardemaker Batista e Tobias Rafael Fernandes Neto, pelo tempo, pelas colaborações e sugestões.
Aos professores do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Fernando Antunes e José Carlos, pelo ensinamento durante as disciplinas.
Aos colegas e amigos do laboratório e do departamento: Antônio Barbosa (Toinho), Bruno (Almeidinha), Dalton (Gzuz), Davi Joca, Derivan, Esio Eloi, Ernande, Eduardo (Bac), Fernando (Marshall), Hermínio, Janaína, João Neto, José Ailton (Vozão), Juarez, Levy, Luan, Marcos (Mestre), Wellington (ULN), Welton, Pedro Henrique, Samuel Jó, Samuel Carvalho, entre tantos outros.
Ao Francisco Brito e Ronny Cacau, amigos e companheiros de bancada, com os quais, nesses últimos meses, pude conviver aprender e trabalhar em conjunto.
“Solidários, seremos união. Separados uns dos outros seremos pontos de vista. Juntos, alcançaremos a realização de nossos propósitos.”
(Bezerra de Menezes)
“Quando alguém cair em erro, estendamos os braços em socorro do irmão equivocado, evitando a crítica que apenas o precipita a quedas ainda maiores. Lembremos que amanhã poderá ser a nossa vez de cair também.”
RESUMO
Este trabalho apresenta o estudo e desenvolvimento de um conversor ca-cc Ćuk baseado na
célula de comutação três estados para aplicação em carregadores de baterias para veículos elétricos. As principais características deste conversor são: a redução das perdas por condução nos interruptores controlados, um único estágio de processamento de potência e característica de fonte de corrente na entrada e na saída. Como inconvenientes a topologia apresenta: a tensão sobre os semicondutores igual à soma das tensões de entrada e saída e o desequilíbrio de corrente através dos componentes quando há assimetria no layout da placa de potência ou
nos sinais de comando dos interruptores. Um estudo teórico é realizado através das análises qualitativa e quantitativa, além das análises do processo de comutação e das perdas nos componentes do conversor. Para controlar o fluxo de potência da rede elétrica para as baterias é utilizada a estratégia de controle modo corrente média, sendo que, a mesma apresenta uma malha de corrente rápida que monitora a corrente de entrada e uma malha de tensão lenta que supervisiona a tensão sobre os terminais da bateria. Neste trabalho é realizado o projeto do carregador de baterias para aplicação em veículos elétricos com 1 kW de potência, tensão de entrada eficaz de 220 V e tensão de saída de 162 V, correspondente a 12 baterias conectadas em série. Um protótipo com as especificações indicadas foi construído e testado experimentalmente em laboratório e os resultados de simulação e experimentais obtidos são utilizados para validar a análise teórica e o projeto realizado. Foram realizados testes com carga puramente resistiva e em seguida com um banco de baterias, que comprovaram o funcionamento da topologia.
ABSTRACT
This work presents the study and implementation of an ac-dc Ćuk converter based on the three state switching cells applied in charger stations for electric vehicles. This converter has, as main characteristics, reduction of conducting power losses in the semiconductors, a single stage topology and current source behavior for both input and output terminals. As drawbacks, the topology presents: the voltage across the semiconductors is equal to the sum of the input and the output voltages, and a difference between the current values through the semiconductors caused by an inappropriate layout of the power prototypes or by a lack of symmetry between the control signals. The analysis of the converter is made through the qualitative and quantitative studies, beyond the analysis of the semiconductor losses which are presented as well. The current and voltage of the battery are controlled by the average current mode technique, which consist in a fast current control loop if compared with the terminals battery voltage control loop. The topology is design for 1 kW output power, 220 V in input voltage and 162 V in the output terminals (12 batteries in series connection). Experimental results for resistive load, as well batteries, are shown in order to verify the functionalities of the topology and its characteristics.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 - Esquema de uma célula eletroquímica... 30
Figura 2 - Comparação de densidade de energia. ... 31
Figura 3 - Curva de carga por célula de baterias chumbo-ácido. ... 34
Figura 4 - Curva de carga por célula de baterias Ni-Mh. ... 34
Figura 5 - Curva de carga por célula de baterias Li-Íon. ... 35
Figura 6 - Carregador baseado no conversor Buck+Boost. ... 36
Figura 7 - Carregador baseado nos conversores Boost-Buck cascateado. ... 37
Figura 8 - Carregador baseado no conversor Double-Buck e Boost cascateado. ... 38
Figura 9 - Carregador baseado no conversor Bridgeless Ćuk. ... 39
Figura 10 - Carro elétrico VPE-20BR. ... 40
Figura 11 - Conversor cc-cc Ćuk clássico. ... 40
Figura 12 - Célula de comutação de três estados. ... 41
Figura 13 - Estrutura do conversor Ćuk redesenhada (em detalhe: os terminais para a inserção da CCTE). ... 41
Figura 14. Conversor Ćuk com a célula de comutação de três estados: (a) topologia com indutores sem acoplamento, e (b) topologia com um segundo transformador. ... 42
Figura 15 - Estrutura da topologia do retificador Ćuk –CCTE-PFC. ... 45
Figura 16 - Modos de operação do conversor. ... 46
Figura 17 - Primeira etapa de operação. ... 47
Figura 18 - Segunda etapa de operação. ... 47
Figura 19 - Terceira etapa de operação. ... 48
Figura 20 - Primeira etapa de operação. ... 49
Figura 21 - Segunda etapa de operação. ... 49
Figura 22 - Quarta etapa de operação. ... 49
Figura 23 - Formas de onda para non-overlapping mode. ... 50
Figura 24 - Formas de onda para overlapping mode. ... 51
Figura 25 - Ondulação de corrente no indutor L1 e L2 normalizada para o modo non-overlapping. ... 54
Figura 26. Ondulação de corrente no indutor L1 e L2 normalizada para o modo overlapping. 55 Figura 27 - Variação da razão cíclica para meio período da rede. ... 60
Figura 29. Gráfico de perdas nos componentes do conversor. ... 94
Figura 30 – Conversor cc-cc Ćuk clássico. ... 96
Figura 31 - Etapas de operação do conversor cc-cc Ćuk (a) primeira etapa, e (b) segunda etapa. ... 96
Figura 32 – Degrau de perturbação de 1% na função de transferência Gi(s). ... 101
Figura 33 – Degrau de perturbação de 1% na função de transferência GVo(s). ... 102
Figura 34 - Diagrama de blocos do controle por modo corrente média. ... 103
Figura 35 - Circuito de potência e controle com CFP... 103
Figura 36 - Técnica de modulação PWM. ... 104
Figura 37 - Diagrama de Bode da função de transferência de laço aberto sem compensador de corrente. ... 106
Figura 38 - Curvas de avanço de fase em função do fator K. ... 107
Figura 39 - Controlador Tipo 2 (PI com filtro). ... 107
Figura 40 - Diagrama de Bode da função de transferência de laço aberto de corrente com compensador. ... 108
Figura 41 - Diagrama de Bode da função de transferência de laço aberto sem compensador de tensão. ... 110
Figura 42 - Função de transferência de laço aberto de tensão com compensador. ... 111
Figura 43 - Tensão de entrada Vi, corrente de entrada Ii e tensão de saída Vo. ... 113
Figura 44 - Tensão Vce sobre o interruptor IGBT1. ... 114
Figura 45 - Tensão VD1 sobre o diodo D1. ... 114
Figura 46 - Tensão no Capacitor C1. ... 115
Figura 47 - Tensão Vo, corrente Io e corrente Ii. ... 115
Figura 48 – Formas de onda da tensão Vo, corrente Io e corrente Ii para a condição de carregamento de um banco de baterias. ... 116
Figura 49 - Fotografia do protótipo implementado em laboratório. ... 116
Figura 50 - Esquemático utilizado para os testes com a carga com característica de fonte de tensão. ... 117
Figura 51 - Tensão de entrada Vi (100 V/div), corrente de entrada Ii (10 A/div) e tensão de saída Vo (100 V/div); (5 ms/div). ... 118
Figura 52 - Espectro harmônico da corrente de entrada ... 118
Figura 53 - Tensão VIGBT1 (100 V/div); (2 ms/div). ... 119
Figura 54 - Tensão VD1 (100 V/div); (2 ms/div). ... 119
Figura 56 - Tensão Vo (100 V/div) e corrente Io (1 A/div); (50 ms/div). ... 120
Figura 57 - Corrente Ii (5 A/div); (50 ms/div). ... 121
Figura 58 - Tensão Vo (100 V/div) e corrente Io (1 A/div); (50 ms/div). ... 121
Figura 59 - Corrente Ii (5 A/div); (50 ms/div). ... 122
Figura 60 - Curva do rendimento (%) x Potência de saída (W). ... 122
Figura 61. Circuito de simulação do conversor. ... 135
Figura 62. Diagrama esquemático da placa de potência. ... 137
Figura 63. Diagrama esquemático do circuito de controle. ... 139
Figura 64 - Fluxograma do método de carga. ... 145
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Principais características das baterias. ... 30
Tabela 2 - Especificações do conversor. ... 69
Tabela 3 - Parâmetros assumidos para o projeto. ... 69
Tabela 4 - Dados do interruptor S1. ... 71
Tabela 5 - Dados dos diodos D1 e D2. ... 72
Tabela 6 - Dados da ponte retificadora. ... 72
Tabela 7 - Dados do capacitor. ... 74
Tabela 8 - Parâmetros de projeto do autotransformador T1. ... 75
Tabela 9 - Dimensões do núcleo NEE 55/28/21-IP12R. ... 75
Tabela 10 - Dados do fio 26AWG. ... 76
Tabela 11 - Resumo do projeto físico do autotransformador T1. ... 77
Tabela 12 - Resumo do projeto físico do autotransformador T2. ... 78
Tabela 13 - Parâmetros de projeto do indutor L1. ... 79
Tabela 14 - Dimensões do núcleo NEE 42/21/20-IP12E. ... 80
Tabela 15 - Resumo do projeto físico do indutor L1. ... 82
Tabela 16 - Resumo do projeto físico do indutor L2. ... 85
Tabela 17 - Parâmetros para o cálculo de perdas nos enrolamentos do indutor L1... 87
Tabela 18 - Parâmetros para o cálculo de perdas no autotransformador T1. ... 91
Tabela 19 - Especificações do conversor ... 95
Tabela 20 - Funções de transferência e ganhos envolvidos com a malha de corrente ... 105
Tabela 21 - Funções de transferência envolvidas com a malha de tensão. ... 109
Tabela 22 - Equipamentos utilizados para os ensaios experimentais. ... 117
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas
AWG American Wire Gauge (Unidade Americana de Fios) CA Corrente Alternada
CC Corrente Continua
CCTE Célula de Comutação de Três Estados CFP Correção de Fator de Potência
FLA Flooded Lead Acid Batteries (Baterias de Chumbo-Ácido Inundado)
IEEE Institute of Electrical and Electronic Engineers (Instituto de Engenheiros
Eletricistas e Eletrônicos)
IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor (Transistor Bipolar de Porta Isolada)
NBR Norma Brasileira
PWM Pulse Width Modulation (Modulação por Largura de Pulso) SLA Sealed Lead Acid Batteries (Baterias Seladas de Chumbo-Ácido)
VEs Veículos Elétricos
VLRA Valve Regulated Lead-Acid (Bateria Chumbo Ácida Regulada por Válvula)
UFC Universidade Federal do Ceará
INTRODU TOPOL 1. ELÉTRIC Introd 1.1. Tipos 1.2. 1.2.1. Veíc 1.2.2. Veíc 1.2.3. Veíc Tecno 1.3. 1.3.1. Cara 1.3.2. Bate 1.3.3. Bate 1.3.4. Bate Técnic 1.4. 1.4.1. Técn 1.4.2. Técn 1.4.3. Técn Topol 1.5. 1.5.1. Carr 1.5.2. Carr 1.5.3. Carr 1.5.4. Carr Propo 1.6. Concl 1.7. ESTUD 2. COMUTA Introd 2.1. Anális 2.2. 2.2.1. Topo 2.2.2. Princ 2.2.3. Form Anális 2.3. 2.3.1. Parâ UÇÃO ... LOGIAS D COS ... dução ... de Veículo culos Híbrid culos Elétric culos Elétric
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2.3.2 2.3.3 2.3.4 A 2.4. Prop 2.4.1 2.4.2 2.4.3 2.4.4 2.4.5 2.4.6 2.4.7 A 2.5. 2.5.1 2.5.2 2.5.3 2.5.4 2.5.5 2.5.6 2.5.7 2.5.8 2.5.9 2.5.1 2.5.1 C 2.6. PR 3. I 3.1. E 3.2. D 3.3. D 3.4. A 3.5. I 3.6. I 3.7. A 3.8.
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Conclusões ROJETO D Introdução Especificaç Dimension Dimension Autotransf Indutor de Indutor de Análise de stático ... ação da Ond ação da Ond
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das nos Inter das nos Diod das nos Diod das no Indut das no Indut das no Capa das no Autot das no Autot das Totais no
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lusões... LAGEM E dução ... lagem do C tégia de Co to da Malh to da Malh lusões... LTADOS D dução ... tados de Si tados Expe rumentos Ut ultados Prel lusões... USÃO GER HOS PUBL NCIAS ... CE A – SCR
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Atualmente vive-se em um período de crescimento populacional e industrial elevado, enfrentando um grande aumento de demanda por energia. Os combustíveis fósseis como o carvão, o petróleo e o gás natural são recursos finitos e encontra-se em escassez (ANDERSEN, 2006), além de emitir gases poluentes durante sua queima levando a problemas como o efeito estufa. Sendo assim essa emissão de gases torna-se um grande problema ambiental de âmbito mundial. Estima-se que existam um bilhão de veículos no mundo, tendo uma média de um veículo para cada sete habitantes; só no Brasil existem cerca de setenta milhões de automóveis. Além de consumir 25% da demanda mundial de energia, principalmente de derivados do petróleo, sendo responsáveis por 33% das emissões de gases nocivos (CEBDS, 2012).
No Brasil, em 2005, o setor de transportes foi responsável por 43% das emissões de CO2 do setor energético e por 8,1% do total do país, totalizando a emissão de 133.431 GgCO2, dos quais 92% provêm do transporte rodoviário. As emissões de CO2 do transporte rodoviário cresceram 72,1% entre 1990 e 2005 (CEBDS, 2012). Dentro do setor de transportes, o principal emissor de gases poluentes, é o veículo automotor de uso individual devido ao tamanho da frota. Estes veículos emitem diversos gases, como: óxidos de nitrogênio (NO), monóxido de carbono (CO) e gás carbônico (CO2), dióxido sulfúrico, óxido nitroso e materiais particulados no ar. Até mesmo veículos automotores movidos a GNV (gás natural veicular) são poluentes, já que, em marcha lenta, eles emitem metano, que é o próprio GNV antes da queima e tem alto potencial de contribuição para o efeito estufa. Segundo (CEBDS, 2012) o intenso consumo de energia não renovável pelo setor de transportes é uma das principais contribuições do mesmo para as mudanças climáticas.
Dentro desse contexto, a utilização de veículos tracionados por energia elétrica pode contribuir com a redução das emissões de CO2 (gás carbônico) no meio ambiente. Segundo (BENEDET, 2012), os automóveis do futuro serão elétricos, já que, tais veículos beneficiam os consumidores tendo o custo por quilômetro rodado aproximado à metade do correspondente aos veículos movidos à gasolina.
Portanto, a eletrônica de potência é um importante aliado no desenvolvimento de novas tecnologias de carregadores de baterias que apresentem alta eficiência no processamento de energia e que forneçam uma energia com maior qualidade.
Através desta contextualização, este projeto busca uma contribuição ao estudo e desenvolvimento de uma topologia de conversor eletrônico de potência para a aplicação em um carregador de baterias para veículos elétricos do tipo recarregável através da rede elétrica.
Motivação
Ao longo dos anos vem crescendo o interesse pela utilização de veículos elétricos devido às vantagens inerentes a esse tipo de automóvel. Tais vantagens são: a redução do consumo de combustíveis fósseis, a inexistência da emissão de gases poluentes no meio ambiente, diminuição do custo por quilômetro rodado se comparado aos veículos convencionais e a redução do nível de ruídos sonoros emitidos.
Todavia, a demora na massificação desses automóveis deve-se em parte ao desenvolvimento das tecnologias de acumuladores de energia, acarretando assim uma baixa autonomia quando comparados aos automóveis convencionais. Devido à fatores como capacidade limitada, volume elevado, reduzido tempo de vida útil e a necessidade de cuidados no processo de carga e descarga, o banco de baterias torna-se o componente mais problemático do sistema elétrico de um veículo.
Dentro deste contexto, as tecnologias envolvendo os sistemas eletrônicos de potência aplicados ao carregamento de baterias são um ponto de grande importância para o desenvolvimento dos veículos elétricos. Pois, através de novas tecnologias de carregamento tem-se a possibilidade de se obter um melhor aproveitamento do estado atual das baterias, devido ao aumento da eficiência no processamento e do fornecimento de energia com melhor qualidade.
Objetivos
Com esse trabalho busca-se uma contribuição científica ao estudo e ao desenvolvimento de uma topologia de um carregador de baterias para veículos elétricos, visando um protótipo que se apresente como uma solução simples, com alta eficiência, alto fator de potência, alta confiabilidade e que realize a recarga do banco de baterias do automóvel.
Como objetivos específicos deste trabalho têm-se: (i) a realização de uma revisão
aplicados ao carregamento de baterias em veículos elétricos; (ii) o estudo teórico do
conversor: análises qualitativa e quantitativa; (iii) o projeto do circuito de potência; (iv) o
cálculo das perdas nos principais componentes do circuito de potência do conversor; (v) a
modelagem e o projeto do circuito de controle; (iv) uma simulação computacional via software dedicado para circuitos eletrônicos; e (v) a implementação de um protótipo de 1 kW
e experimentação em laboratório.
Estrutura da Dissertação
No Capítulo 2 é apresentada uma revisão bibliográfica sobre topologias de carregadores de baterias para veículos elétricos existentes na literatura técnica. Também é realizado um estudo sobre a tecnologia, os tipos de baterias e as técnicas empregadas ao carregamento de baterias. Para finalizar o capítulo é apresentada a topologia proposta para o carregador de baterias a ser utilizado.
No Capítulo 3 é realizado um estudo teórico sobre o conversor ca-cc Ćuk baseado na célula de comutação de três estados (CCTE) com correção de fator de potência (CFP). É realizada uma análise qualitativa da topologia apresentando suas etapas de operação. Na análise quantitativa são apresentados os intervalos de tempos das etapas de operação, o ganho estático e os esforços de tensão e corrente nos componentes da topologia adotada.
No Capítulo 4 é apresentado o projeto da topologia proposta, onde são destacados o projeto dos componentes do circuito de potência e a modelagem de perdas dos componentes do conversor para determinar o rendimento teórico do conversor.
No Capítulo 5 é apresentada a modelagem do conversor a partir da técnica do modelo CA em espaço de estados. É apresentada a estratégia de controle por modo corrente média adotada para o conversor. O projeto dos controladores é realizado no plano s. A implementação do circuito de controle é realizada na forma analógica.
TOPOL 1. ELÉT Introd 1.1. eletroquím sobre o fu apresentad descrição d de bateria apropriada topologias na literatur nesta disse Tipos 1.2.
motor elét convencion estufa.
entre si po recarregáv 1.2.1.Veíc
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LOGIAS D TRICOS
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Estes veíc or suas carac
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E CARRE
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os Elétricos
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GADORES
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emitindo g
S DE BATE
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ERIAS PA
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ARA VEÍCU
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ULOS
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Os
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Tecnologia
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Elétricos H
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Elétricos Al
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Híbridos Rec
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por Bateria
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emissão de
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nglês “plug
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1.3.1.Cara
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Figura 1
Importante
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Fonte: Elabo
es das Bater
eletrólise su evado poten ENTE, 201
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1 - Principais
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2
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Variação de peratura [° 35 30 20 40 40 300-4 0 400-4 0-1
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UENTE, 20
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11) e
os que evado rentes suas des de
Dentre as principais características das combinações de metais apresentadas na Tabela 1, a bateria de Níquel-cádmio se destaca por seus 2000 ciclos de carga úteis. Entretanto, as baterias de Li-Po (polímero de lítio) apresentam uma faixa de temperatura de trabalho de 0 a 100 °C, que é uma característica relevante em aplicações como os veículos elétricos.
A Figura 2 apresenta outro parâmetro a se destacar, que é a densidade de energia nas baterias. Pode-se observar as diversas combinações de metais e suas respectivas capacidades de armazenamento de energia em Wh/kg. As baterias de Li-íon, por exemplo, possuem uma maior densidade de energia (160 Wh/kg) em comparação com as de chumbo-acido, Ni-Cd e Ni-Mh.
Figura 2 - Comparação de densidade de energia.
Fonte: (Battery University, 2012).
1.3.2.Baterias de Chumbo-Ácido
Segundo (KEIHNE, 2000.), existem dois tipos principais de baterias de chumbo-ácido: baterias de chumbo-àcido inundado (flooded lead acid batteries - FLA) e valve regulated lead acid (VRLA), como citado em (KIEHNE, 2000).
Na bateria FLA, os eletrodos ficam imersos no eletrólito (que é uma solução líquida).
bateria SLA o eletrólito fica na forma de gel. Ambas as classes são bastante resistentes a temperaturas elevadas e não vazam.
As principais vantagens das baterias de chumbo-ácido são (CADEX, 2003) e (LINDEN, 2002): (i) baixo custo de aquisição e simples fabricação; (ii)
disponibilidade em diversos tamanhos; (iii) simplicidade de manutenção devido a ser uma
tecnologia conhecida e confiável. (iv) possibilidade de reciclagem dos componentes; e (v) alta
taxa de descarga.
Porém, apresentam algumas limitações (CADEX, 2003), como: (i) não
possibilidade ser estocadas na condição descarregada; (ii) não possibilidade de descarga
completa, pois isso diminui parte de sua capacidade e vida útil; (iii) possui restrições de
transporte, já que é considerada carga perigosa; (iv) temperatura ideal de operação é de 25 °C
pois a cada 8 °C de aumento de temperatura de operação, sua vida útil é reduzida pela metade. 1.3.3.Baterias de Níquel Metal Hidreto (Ni-Mh)
Segundo (AMBROSIO, 2001) as baterias de Níquel-metal hidreto (Ni-MH) podem ser consideradas como as sucessoras das baterias de níquel-cádmio por possuírem maior densidade de energia e não conter metais pesados tóxicos em sua composição. Devido à redução dos problemas referente ao descarte de baterias de níquel recarregáveis são consideradas ecologicamente corretas. A principal diferença entre a bateria de Ni-Mh e a bateria de Ni-Cd consiste no uso de hidrogênio absorvido em uma liga, na forma de hidreto metálico, como material ativo no eletrodo negativo, em contra partida do cádmio utilizado nas baterias de níquel-cádmio. A bateria de Ni-Mh apresenta uma maior densidade de energia que uma de Ni-Cd, portanto a massa de material ativo para o eletrodo negativo usado em uma bateria de níquel-hidreto metálico pode ser menor que a usada em baterias de níquel-cádmio (LAFUENTE, 2011). Com isso se permite a utilização de uma maior quantidade de material ativo no eletrodo positivo, resultando em uma maior capacidade ou tempo de descarga para esta bateria (AMBROSIO, 2001).
Segundo (LAFUENTE, 2011) as principais vantagens das baterias de Ni-Mh são: (i) densidades de energia 30 a 40% superiores às baterias Ni-Cd; (ii) sem efeito memória;
(iii) não é necessária regulamentação ou controle para seu transporte; e (iv) não poluem o
meio ambiente.
Entretanto, possuem algumas limitações, como: (i) limitação do tempo de vida
útil, deteriorando-se após 200/300 ciclos de carga para descargas profundas; (ii) limitação nas
comp a form 1.3.4 tecno dentr comp (BAT celul bater (LAF
(ii) b
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a, telefones imento das os elétricos
o potencial; orrentes de
retensões e a bateria de
omento de bateria, da onsistem na ferenciadas, e ultrapasse
A técnica de carregamento mais usual, que permite manter a vida útil da bateria, é composta de três estágios. No primeiro, aplica-se uma corrente constante durante cinco horas, elevando a tensão da célula até atingir uma tensão nominal. Durante esta etapa, a bateria recebe 70% da sua capacidade. Na segunda etapa de carregamento, a corrente vai diminuindo gradualmente até atingir o ponto em que a célula torna-se saturada, o que significa que a célula não tem mais capacidade de receber carga e dessa forma não permite a circulação de corrente através dela. A tensão aplicada nesta etapa é constante e dura aproximadamente cinco horas. A segunda etapa é considerada essencial, pois serve para prolongar o tempo de vida útil da bateria e, caso seja omitida, torna a bateria susceptível à perda de capacidade de carga máxima (DHAMEJA, 2002).
Figura 3 - Curva de carga por célula de baterias chumbo-ácido.
Fonte: (BATTERY UNIVERSITY, 2012).
Figura 4 - Curva de carga por célula de baterias Ni-Mh.
Fonte: (BATTERY UNIVERSITY, 2012).
Por fim, a terceira etapa, denominada de etapa de flutuação, consiste na aplicação de uma corrente mínima e uma tensão ondulatória. A presença de ondulações acima do valor
0 25 50 75 100
100
0 20 40 60 80 75/1,5
25/1,30 35/1,34 45/1,38 55/1,42 65/1,46
Estado de carga (%) Tensão
nominal é necessária para compensar o efeito de descarga natural da bateria. Essa última etapa tem o objetivo de manter a tensão nominal de saída em flutuação quando a bateria não estiver sendo utilizada.
1.4.2.Técnica de Carregamento de Baterias Ni-Mh
Segundo (DHAMEJA, 2002) existem variadas técnicas aplicadas ao carregamento de baterias de Ni-Mh conforme mostra a Figura 4. Percebe-se a maior complexidade do algoritmo de carregamento quando comparado com as técnicas normalmente recomendadas para outros tipos de baterias. No caso específico existe mais uma variável que é a pressão, a qual deve ser controlada direta ou indiretamente, não existindo nesta técnica tempos mínimos ou máximos de carregamento.
1.4.3.Técnica de Carregamento de Baterias de Li-Íon
Devido à estrutura química das baterias de Li-íon não são permitidos processos rápidos de carga. Os fabricantes são rigorosos quanto às recomendações como apresenta a Figura 5.
Figura 5 - Curva de carga por célula de baterias Li-Íon.
Fonte: (BATTERY UNIVERSITY, 2012).
Topol 1.5.
aplicados n com um ú correção de
seguir são 1.5.1.Carr
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(BASCOP
(ii) poucos
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entrada; e (
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Em (BEN ções: tensão saída Vo=1 de teste, o r ia da topolo D
D Vi
Isoladas de
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gia baseada DALL; PET
ologia pode m um ú 1999) essa logia aprese ntes semico de operação
Figura 6 - C
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D2 D4
e Carregado
orme de top aterias. No ssamento d ncontradas s topologias onversor Bu no convers TERSON, 1 e ser consid
único est topologia f enta as segu ondutores; ( o no modo
Carregador bas
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ores de Bat
opologias de entanto, sã de energia, n
várias topo s encontrad
uck+Boost
sor Buck+B
1996) e (BR derada como tágio de foi aplicada uintes vanta (iii) redução
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1996). sor são: (i)
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L1 D5 S1 terias e conversor o analisada não isolada
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m ser ásicas de de das. A gador entada
Buck e
Em
ência; vos; e único
LC na
seguintes especificações: tensão eficaz de entrada Vi =110 V, potência média de saída Po=100-200 W, tensão de saída Vo=100-200 V e a frequência de comutação 25 kHz. Para as condições de teste, o rendimento apresentado atinge o valor de 93%. Em (BRITO JÚNIOR, 2013) foi obtido um fator de potência de 0,99.
1.5.2.Carregador Baseado nos Conversores Boost eBuck Cascateado
A topologia baseada nos conversores Boost e Buck cascateados foi apresentada em
(MASSERANT; STUART, 1997) e é mostrada na Figura 7. Esta topologia possui dois estágios de processamento de energia, sendo composta pelo conversor Boost clássico em
cascata com um conversor Buck.
As vantagens desta topologia são: (i) correção de fator de potência; (ii) poucos
componentes ativos e passivos; (iii) sem a necessidade de filtro LC na entrada.
As desvantagens deste conversor são: (i) presença do capacitor intermediário do
barramento cc; (ii) comutação dissipativa dos interruptores.
Em (MASSERANT; STUART, 1997) o conversor foi testado com as seguintes especificações: tensão de entrada Vi =187-264 V, potência média de saída Po=8 kW, tensão de saída Vo=264-384 V. Para as condições de teste, o rendimento do conversor é de 95%. Não foi indicado o fator de potência da topologia.
Figura 7 - Carregador baseado nos conversores Boost-Buck cascateado.
Fonte: (MASSERANT; STUART, 1997).
1.5.3.Carregador Baseado nos Conversores Double-Buck e Boost
A topologia de carregador de baterias baseada no conversor Double-Buck e Boost
conversor Buck interleaved associado ao conversor Boost clássico. A partir da técnica de
paralelismo de conversores proporciona-se um menor valor de corrente nos interruptores. Figura 8 - Carregador baseado no conversor Double-Buck e Boost cascateado.
Fonte: (MILANOVIC; ROSKARIC; AUDA, 1999).
As vantagens deste conversor são: (i) correção de fator de potência; (ii)
possibilidade de operação no modo abaixador ou elevador de tensão, de acordo com o nível da tensão de saída; (iii) menor valor da indutância e volume devido ao dobro da frequência de
comutação nos interruptores; (iv) menores perdas por condução devido ao paralelismo dos
interruptores S1 e S2 dividindo os esforços de corrente nos mesmos; e (i) não apresenta o capacitor intermediário.
As desvantagens deste conversor são: (i) maior número de semicondutores; (ii)
comutação dissipativa dos interruptores.
Em (MILANOVIC; ROSKARIC; AUDA, 1999) o conversor foi testado com as seguintes especificações: tensão eficaz de entrada Vi=220 V, potência média de saída Po=480 W, tensão de saída Vo=120 V e frequência de comutação variável. O fator de potência apresentado é de 0,983, porém não foi apresentando o rendimento da topologia.
1.5.4.Carregador Baseado no Conversor Bridgeless Ćuk
A topologia Bridgeless Ćuk é apresentada em (PATIL; SINHA; AGARWAL,
2012) e é mostrada na Figura 9. Este carregador apresenta um estágio de processamento de energia composto pelo conversor Ćuk associado à ponte retificadora. O conversor opera no
modo de condução descontínua.
As vantagens deste conversor são: (i) correção de fator de potência; (ii) único
estágio de processamento de potência; (iii) apresenta comutação do tipo zero current swicthing (ZCS) nos interruptores; (iv) característica de fonte de corrente na entrada e na
inver segui tensã cond P 1.6. é res Neste induç (REV 20BR cond até 5 2012
para disse por (
As rtida; e (ii) b
Em intes especi ão nominal dições de tes
Proposta d
O ca sultado do e e veículo é ção trifásic VISTA UN R em funcio
Com dições simpl 50 km/h, c 2).
Part o modelo ertação se o (BASCOPÉ
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de saída ste, não fora
Figura Vi L Fonte: (PAT do Trabalho arro elétrico esforço aca é utilizado o e um circ NIVERSIDA onamento. m um tempo
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ens deste c idade à inte
SINHA; A ensão de en
Vo=200 V am indicado a 9 - Carregad
D2 D1 S1 S2 L1 TIL; SINHA; o o VPE-20BR dêmico loc
um banco cuito eletrô ADE PÚBLI
o de carga d tonomia pa
com o trân
temática e d ma se aplic
aplicação d conversor Ć
conversor erferência el AGARWAL ntrada Vi=10 e com freq os o fator de dor baseado no
D3
C1
AGARWAL
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de 36 bate ônico de pot ICA, 2012)
de 12 horas ara percorre ânsito local
da necessid ca a propos da célula de Ćuk não isol
são: (i) te
letromagnét L, 2012) o
00-230 V, p quência de e potência e o conversor Br
L2
Co
, 2012).
iva”, inspira nvolver um erias do ti tência para ). A Figura
s na tomada er 20 km a
(REVISTA
ade de um c sta deste tr
comutação lado clássic
ensão de s tica.
conversor potência méd
comutação e o rendimen
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+
-L3
ado no mod m veículo ec ipo chumbo realizar a 10 ilustra
a, o carro el uma veloci A UNIVER
carregador abalho. A t o de três esta
o proposto
saída com
r foi testad dia de saída o de 30 kH nto da topol
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Vbat
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de baterias topologia p ados (CCTE
por (ĆUK,
polaridade
do com as a Po=2 kW, Hz. Para as
logia.
Figura 10 - Carro elétrico VPE-20BR.
Fonte: (REVISTA UNIVERSIDADE PÚBLICA, 2012).
Segundo (BRKOVIC; ĆUK, 1995) e (NEWTON, 2000) o conversor Ćuk
apresenta as seguintes vantagens: (i) possibilidade de correção do fator de potência para
qualquer nível de tensão de saída; (ii) redução da ondulação da corrente de entrada e
harmônicos através do acoplamento dos indutores; (iii) facilidade em ser empregada a
isolação galvânica; (iv) não necessidade de filtro LC de entrada, conforme é visto no
conversor Buck+Boost; (v) funcionamento como abaixador e elevador da tensão de saída; e
(vi) entrada e saída em corrente. As desvantagens são: (i) tensão sobre os interruptores é a
soma da tensão de saída e da tensão de entrada; (ii) corrente nos interruptores é a soma das
correntes de entrada e saída; e (iii) elevado número de componentes é requerido. A Figura 11
apresenta a topologia clássica do conversor cc-cc Ćuk composta pelos seguintes componentes:
indutor de entrada L1, interruptor S, capacitor de acumulação C1, diodo D, indutor de saída L2 e o capacitor de filtro de saída C2.
Figura 11 - Conversor cc-cc Ćuk clássico.
Assim, com o intuito de minimizar os esforços de corrente através dos dispositivos semicondutores, optou-se por utilizar a técnica baseada na célula de comutação de três estados (CCTE) proposta em (BASCOPÉ; BARBI, 2000). Esta técnica permite a distribuição de corrente através dos dispositivos semicondutores que compõem o conversor. Segundo (BASCOPÉ; BARBI, 2000) e (BRITO JÚNIOR, 2012) esta topologia pode apresentar desequilíbrios de corrente quando existem assimetrias no layout da placa de
potência, e.g. nas resistências dos componentes e na fiação, e dos sinais de comando da
modulação por largura de pulso (do inglês pulse-width modulation - PWM).
A partir da aplicação da CCTE, visa-se obter uma distribuição mais adequada de corrente nos componentes do conversor. A Figura 12 apresenta a estrutura unidirecional da célula de comutação de três estados, a mesma é composta por: um indutor L1, um transformador T1 (comumente chamado de autotransformador), dois diodos D1 e D2 e os interruptores S1 e S2.
Figura 12 - Célula de comutação de três estados.
Fonte: Elaborada pelo autor.
Figura 13 - Estrutura do conversor Ćuk redesenhada (em detalhe: os terminais para a inserção da CCTE).
Figura 14. Conversor Ćuk com a célula de comutação de três estados: (a) topologia com indutores sem
acoplamento, e (b) topologia com um segundo transformador.
a
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b c
S2
L2
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C1
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Fonte: Elaborada pelo autor.
Na Figura 13 é ilustrada topologia do conversor Ćuk redesenhada, identificando
C 1.7.
desen elétri
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Conclusões
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3
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