Sistema híbrido de armazenamento de energia para aplicação em veículos elétricos

WELLINGTON DE OLIVEIRA AVELINO

SISTEMA HÍBRIDO DE ARMAZENAMENTO DE ENERGIA PARA APLICAÇÃO EM VEÍCULOS ELÉTRICOS

CAMPINAS 2014

UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS

FACULDADE DE ENGENHARIA ELÉTRICA E DE COMPUTAÇÃO

CAMPINAS 2014

Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação da Universidade Estadual de Campinas para obtenção do título de Mestre em Engenharia Elétrica, na área de Energia Elétrica.

ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA DISSERTAÇÃO DEFENDIDA PELO ALUNO WELLINGTON DE OLIVEIRA AVELINO E ORIENTADO PELO PROF. DR. JOSÉ ANTENOR POMILIO Assinatura do Orientador

_______________________________________________________________________

WELLINGTON DE OLIVEIRA AVELINO

SISTEMA HÍBRIDO DE ARMAZENAMENTO DE ENERGIA PARA APLICAÇÃO EM VEÍCULOS ELÉTRICOS

RESUMO

Este trabalho propõe um sistema de armazenamento de energia híbrido composto por bate-ria e ultracapacitor para aplicações em veículos elétricos, baseado em uma estratégia de controle que possui o intuito de combinar especialidades de múltiplas fontes que diferem em termos de densidade de energia e de densidade de potência. O sistema atua gerenciando o fluxo de potência entre os dispositivos de suprimento de energia, permitindo eficiência energética necessária para um bom desempenho do sistema de propulsão do veículo elétrico. O sistema também permite o fluxo bidirecional de potência, possibilitando o veículo atuar com frenagem regenerativa. Um conveni-ente arranjo entre as fontes, juntamconveni-ente com o gerenciamento de energia permitiu reduzir os requi-sitos de dimensionamento da bateria que funciona como fonte de maior densidade de energia. Adi-cionalmente, a vida útil destas fontes e a imunidade do sistema de suprimento a variações bruscas de demanda de potência são melhoradas. A integração do sistema do sistema de gerenciamento implementado em um conversor de potência de 12 kW a um kart indoor elétrico permitiu validar o sistema e analisar experimentalmente o desempenho do veículo, comprovando a eficácia da estra-tégia de controle.

Palavras-chave: Sistemas Híbridos, Baterias, Energia - Armazenamento, Energia - Fontes Alter-nativas, Veículos Elétricos.

ABSTRACT

This work proposes a hybrid energy storage system for applications on electric vehicles, based on a control strategy that combines multiple power sources with different characteristics in terms of energy density and power density. The system manages energy flow among the storage devices, providing necessary energetic efficiency to guarantee high performance for vehicular pro-pulsion system. In addition, the system permits bidirectional power flow, providing regenerative braking for the vehicle. Convenient organizations among power sources, working with energy man-agement have permitted to reduce requirements for the battery that works as higher energy density power source. At the same time, lifetime for these energy storage devices and immunity for sudden variations are improved. The integration of the power management system implemented in a power converter of 12 kW to an electric indoor kart allowed to validate experimentally and analyze the performance of the vehicle, proving the effectiveness of the control strategy.

SUMÁRIO

RESUMO ... VII

ABSTRACT ...IX

SUMÁRIO ...XI AGRADECIMENTOS ... XVII LISTA DE FIGURAS ... XXI LISTA DE TABELAS ...XXV LISTA DE SÍMBOLOS ... XXVII LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ... XXXI

INTRODUÇÃO ... 1

1 ASPECTOS SOBRE OS ARMAZENADORES DE ENERGIA ... 3

1.1 ULTRACAPACITORES ... 3

1.2 BATERIAS ... 4

1.3 DEMANDA DE POTÊNCIA PARA UM VEÍCULO ... 6

2 ESTUDO DO COMPORTAMENTO DINÂMICO VEICULAR PARA UM KART. .... 9

2.1 DESCRIÇÃO DO COMPORTAMENTO DINÂMICO VEICULAR ... 9

2.1.1 Resistência ao rolamento ... 11

2.1.2 Resistência aerodinâmica... 12

2.1.3 Resistência à inclinação ... 13

2.1.4 Equação dinâmica ... 14

2.2 MODELAGEM PARA O VEÍCULO ... 16

2.3 ANÁLISE QUANTITATIVA SOBRE O PERFIL DE POTÊNCIA ... 19

2.4 ANÁLISE QUALITATIVA SOBRE O PERFIL DE POTÊNCIA ... 21

3 ESTUDO DO CONVERSOR BIDIRECIONAL DE MÚLTIPLAS ENTRADAS ... 27

3.1 ESPECIFICAÇÕES PARA INTEGRAÇÃO ENTRE FONTES ... 27

3.1.1 Configuração passiva ... 27

3.1.2 Configuração semiativa ... 28

3.2 ANÁLISE DO CONVERSOR DE POTÊNCIA ... 31

3.2.1 Topologia ... 31

3.2.2 Conversor bidirecional de múltiplas entradas ... 33

3.3 DIMENSIONAMENTO DOS COMPONENTES DO SISTEMA HÍBRIDO ... 34

3.3.1 Considerações sobre a máquina propulsora ... 34

3.3.2 Considerações sobre os armazenadores de energia ... 34

3.3.3 Dimensionamento do Indutor Boost ... 36

3.3.4 Dimensionamento para o capacitor de saída ... 37

3.3.5 Dimensionamento para as chaves de potência ... 38

4 ESTUDO DA ESTRATÉGIA PARA O GERENCIAMENTO DE ENERGIA ... 41

4.1 ESTRATÉGIA PARA GERENCIAMENTO DE ENERGIA ... 41

4.1.1 Controle do fluxo de potência entre as fontes ... 41

4.1.2 Acoplamento entre as variáveis controladas ... 44

4.2 MODELAGEM DO CONVERSOR ... 47

4.2.1 Linearização do estágio de potência ... 48

4.2.2 Determinação das funções de transferência ... 50

5 METODOLOGIA PARA O PROJETO DOS CONTROLADORES ... 55

5.1 METODOLOGIA PARA O PROJETO DOS CONTROLADORES ... 55

5.1.1 Projetos dos controladores de corrente ... 56

5.1.2 Projeto do controle de tensão de saída... 59

5.1.3 Projeto do controle da tensão do ultracapacitor ... 61

5.2 ANÁLISE DO COMPORTAMENTO DINÂMICO ... 63

5.2.1 Análise da estratégia no domínio da frequência... 63

5.2.2 Análise da estratégia no domínio do tempo ... 65

5.3 IMPLEMENTAÇÃO DIGITAL DOS CONTROLADORES ... 68

6 AVALIAÇÃO DO SISTEMA DE GERENCIAMENTO E IMPLEMENTAÇÃO EM UM KART INDOOR ... 71

6.1 IMPLEMENTAÇÃO DO SISTEMA HÍBRIDO AO PROTÓTIPO ... 71

6.1.1 Adaptações ao kart indoor ... 71

6.1.2 Conversor CC-CC bidirecional de múltiplas entradas ... 74

6.2 RESULTADO DE TESTES ... 76

6.2.2 Análise dos dados registrados... 77

CONCLUSÕES ... 83

REFERÊNCIAS ... 85

APÊNDICES ... 89

APÊNDICE A – DIVULGAÇÃO DE PESQUISA ... 91

APÊNDICE B – DETERMINAÇÃO DA FUNÇÃO DE TRANSFERENCIA PARA A REGULAÇÃO DE TENSÃO DO ULTRACAPACITOR ... 93

APÊNDICE C – CIRCUITOS E ESQUEMÁTICOS ... 97

APÊNDICE D – PROGRAMAÇÃO DO DSP TEXAS INSTRUMENTS ... 101

ANEXOS ... 103

Aos meus pais Orlando e Edilma,

Aos meus irmãos William, Wallison e Werbeson, À minha querida tia Maria do Socorro,

E a todos com grande importante que não citei, Eu dedico meu trabalho.

AGRADECIMENTOS

Primeiramente a Deus por me conceder a graça da vida e uma oportunidade dessa magni-tude.

À Universidade Estadual de Campinas por proporcionar importante conhecimento e valioso tempo de experiência profissional.

Ao professor Antenor Pomilio pela sua valiosa orientação e amizade, ele foi responsável por despertar ainda mais interesse pelo mundo da Eletrônica de Potência e por permitir, devido aos aconselhamentos durante o período em que trabalhamos juntos, que eu absorvesse um pouco de sua experiência em pesquisa. Agradeço a confiança em mim depositada e a oportunidade de traba-lhar em projetos sob sua orientação.

Aos membros da banca examinadora: Prof. Flávio Alessandro Serrão Gonçalves e Prof. Marcelo Gradella Villalva pelas importantes contribuições à essa versão da dissertação.

Aos pesquisadores com quem compartilhei bom tempo no laboratório LCEE da Unicamp Tiago Curi, Maria Gabriela Paredez, Jackson Bonaldo, Marcos Balduino, Filipe Braga e em espe-cial ao Fellipe Garcia, com quem trabalhei com mais proximidade e tive oportunidade de discutir várias ideias e assuntos relacionados ao trabalho. Sem dúvida ele contribuiu muito para minha formação.

A todos os meus colegas de trabalho do Centro de Tecnologia da Informação – Renato Archer: Marcos Hamanaka, Vinicius Pimentel, Viviane Nogueira, Anderson Vedoveto, Luiz Al-berto, Alessandra Greatti, Pablo Paredez, Natanael Lopes, Antônio Camargo e outros. Com certeza participaram de forma veemente não só na motivação para finalizar esse trabalho mas também no desenvolvimento de outros projetos de pesquisa.

“Comece fazendo o que é necessário, depois o

que é possível e de repente você estará fazendo o impossível.”.

LISTA DE FIGURAS

Figura 1.1 - Diagrama de Ragone ... 4

Figura 1.2 - Curvas de descarga para várias taxas, para 𝐼𝐸 − 𝐿𝑖(𝑁𝑖0,5𝑀𝑛0,5)𝑂2 [A superior] e 𝑆𝑆 − 𝐿𝑖(𝑁𝑖0,5𝑀𝑛0,5)𝑂2 [A inferior ]. Em B, diagrama de Ragone para as duas amostras, reproduzida de (KANG, SHIRLEY, et al., 2006). ... 5

Figura 1.3 - Resultados experimentais para variação de temperatura bateria, extraído de (JOSSEN, 2005). ... 6

Figura 1.4 - Resultados de simulação para um veículo elétrico de médio porte (2003 Honda Accord EV) sob o ciclo UDDS suprido apenas por bateria, extraído de (CAO e EMADI, 2011). ... 7

Figura 2.1 - Representação das forças atuantes sobre um veículo, extraído de (EMADI, 2005). . 10

Figura 2.2 - Bloco representando a dinâmica longitudinal do veículo. ... 16

Figura 2.3 - Perfil de velocidade para um kart indoor. ... 17

Figura 2.4 - Kartódromo Internacional Aldeia da Serra. ... 18

Figura 2.5 - Modelo em Simulink para a avaliação do “kart indoor”. ... 18

Figura 2.6 – Modelo responsável por emular os comandos do motorista. ... 19

Figura 2.7 - Demanda de potência para um kart obtida a partir do perfil de velocidade e modelo no Simulink. ... 20

Figura 2.8 - Decomposição da potência demanda pelo kart em potência média (superior) e variável (inferior)... 21

Figura 2.9 - Decomposição da potência demandada em componente dissipativa (superior) e conservativa (inferior). ... 22

Figura 2.10 - Analise espectral sobre as potências dissipativas (superior) e conservativas (inferior). ... 23

Figura 2.11 - Analise espectral sobre as potências dissipativas (superior) e conservativas (inferior) na faixa de frequência até 250 𝑚𝐻𝑧. ... 24

Figura 2.12 - Divisão da potência demandada em componentes de baixa (superior) e alta frequência (inferior)... 24

Figura 3.1- Sistema Híbrido Passivo ... 28

Figura 3.2 - Sistema híbrido semiativo com conversor CC-CC conectado à bateria. ... 28

Figura 3.4 - Sistema híbrido totalmente ativo. ... 30 Figura 3.5 - Conversor boost bidirecional em corrente. ... 31 Figura 3.6 – Estrutura de potência de múltiplas entradas para sistema totalmente ativo. ... 33 Figura 3.7 - Ondulação de corrente no indutor para dois ciclos de chaveamento. ... 36 Figura 4.1 - Diagrama de blocos representando a estratégia de controle. ... 42 Figura 4.2 - Diagrama de blocos destacando a dinâmica das malhas internas de corrente. ... 43 Figura 4.3 - Diagrama representando o acoplamento entre as variáveis (a) e estrutura de potência no momento do carregamento do ultracapacitor através do conversor da bateria (b). ... 45 Figura 4.4 - Diagrama de blocos com as variáveis desacopladas (a) e a estrutura de potência para componentes de alta frequência e (b) para componentes de baixa frequência (c). ... 46 Figura 4.5 - Diagrama de blocos para o projeto dos controladores do conversor do UC. ... 46 Figura 4.6 - Conversor elevador conectado a cada fonte. ... 48 Figura 4.7 - Configurações topológicas para o conversor. ... 48 Figura 5.1 - Diagrama de blocos representando a implementação do controle ... 55 Figura 5.2 - Diagrama de blocos para o controle em modo corrente. ... 56 Figura 5.3 - Controlador PI com filtro passa-baixa. ... 56 Figura 5.4 - Diagrama de bode relacionando corrente e razão cíclica para os conversores. ... 57 Figura 5.5 - Diagrama de bode para o controlador de corrente. ... 58 Figura 5.6 - Diagrama de bode da planta e controlador de corrente. ... 59 Figura 5.7 - Diagrama de bode que relaciona tensão de saída e corrente de entrada. ... 60 Figura 5.8 - Diagrama de Bode da função de transferência de malha aberta para o controle da tensão de saída. ... 61 Figura 5.9 - Diagrama de bode da função de transferência da tensão do ultracapacitor e corrente da bateria. ... 62 Figura 5.10 - Diagrama de bode da função de transferência da tensão do ultracapacitor e corrente da bateria em malha aberta e o controlador projetado. ... 63 Figura 5.11 - Diagrama de bode representado a demanda de corrente de cada fonte de suprimento 𝐼𝑏𝑡(𝑠)𝐼𝑜(𝑠) para linha azul; 𝐼𝑢𝑐(𝑠)𝐼𝑜(𝑠) para a linha verde e 𝐼𝑏𝑡𝑠 + 𝐼𝑢𝑐(𝑠)𝐼𝑜(𝑠) para a linha vermelha. ... 64 Figura 5.12 - Circuito simplificado do sistema híbrido em ambiente de simulação. ... 65 Figura 5.13 - Controladores implementados em ambiente de simulação. ... 66

Figura 5.14 - Resultados de simulação para o sistema. ... 67 Figura 5.15 - Corrente eficaz fornecida pelo ultracapacitor e bateria sob variação da frequência da fonte. ... 68 Figura 6.1 - kart elétrico. ... 72 Figura 6.2 - Velocidade x Eficiência, Torque. ... 72 Figura 6.3 - Circuito simplificado para o conversor CC-CC. ... 74 Figura 6.4 - Vistas interna e externa da montagem do conversor CC-CC. ... 76 Figura 6.5 - Kartódromo do Taquaral, Campinas-SP. ... 77 Figura 6.6 - Dados experimentais para duas voltas usando o kart elétrico. ... 78 Figura 6.7 - Dados experimentais do teste no intervalo de 140°s a 180°s. ... 78 Figura 6.8 - Estado de carga para o ultracapacitor e bateria. ... 80

LISTA DE TABELAS

Tabela 2.1 - Coeficientes de rolamento ... 12 Tabela 2.2 - Coeficientes de resistência aerodinâmica ... 13 Tabela 2.3 - Parâmetros para um kart convencional ... 17 Tabela 3.1 - Parâmetros para o projeto do conversor ... 35 Tabela 3.2 - Especificações para o indutor ... 36 Tabela 3.3 - Especificações para a capacitância de saída. ... 38 Tabela 3.4 - Especificações para a chave de potência IXFN230N20T ... 39 Tabela 4.1 - Pontos de operação nominais para os conversores ... 53 Tabela 5.1 - Especificações do controlador de corrente do ultracapacitor. ... 57 Tabela 5.2 - Parâmetros para o controlador de corrente dos ultracapacitores ... 58 Tabela 5.3 - Parâmetros para o controlador de corrente na bateria ... 59 Tabela 5.4 - Especificações do controlador de tensão do barramento... 60 Tabela 5.5 - Parâmetros para o controlador de tensão de saída ... 60 Tabela 5.6 - Especificações do controlador de tensão do ultracapacitor. ... 62 Tabela 5.7 - Parâmetros para o controlador de tensão do ultracapacitor. ... 62 Tabela 6.1 - Resumo das características do protótipo ... 73 Tabela 6.2 – Quadro comparativo da pesagem para os karts elétrico e a combustão. ... 74 Tabela 6.3 - Parâmetros calculados a partir de dados experimentais ... 80

LISTA DE SÍMBOLOS

SÌMBOLO SIGNIFICADO

𝐶_𝑝 Capacidade de descarga de Peukert para a bateria 𝐼 Corrente de descarga da bateria

𝑘 Constante de Peukert

𝑇 Tempo de descarga

𝐹_𝑟 Força de resistência de rolamento

𝐹𝑎 Força de resistência ao arrasto aerodinâmico 𝐹_𝑔 Força resultante devido à inclinação do pavimento 𝐹_𝑐 Força resultante devido à aceleração do veículo 𝐹𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 Força produzida pelo sistema de propulsão 𝐹𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 Força de resistência

𝐹_{𝑟𝑒𝑠𝑢𝑙𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒} Força resultante sobre o veículo

𝑚 Massa

𝑣 Velocidade do veículo

𝑡 Tempo

𝑓𝑟 Coeficiente de rolamento 𝑔 Aceleração gravitacional

𝛼 Ângulo entre o eixo transversal do veículo e o pavimento

𝜌 Densidade do ar

𝐴_𝑓 Área frontal do veículo

𝐶_𝑑 Coeficiente de resistência aerodinâmico 𝐸_𝑐 Energia cinética de translação do veículo 𝑁𝑟 Número de rodas do veículo

𝐼_𝑟 Momento de inércia de cada roda

𝜔 Velocidade angular de rotação das rodas 𝑟 Raio da roda do veículo

𝐸_𝑡 Energia cinética total do veículo 𝐸𝑟 Energia cinética das rodas do veículo

𝑚_𝑒𝑓 Massa efetiva do veículo ∆𝑚 Aumento de massa efetiva

𝑃_𝑐 Potência relativa às acelerações e frenagens 𝐹𝑐 Força resultante cinética

𝑇 Torque resultante 𝑣_𝑏𝑡 Tensão sobre a bateria

𝑖𝑏𝑡 Corrente através da bateria 𝑣_𝑢𝑐 Tensão sobre o ultracapacitor 𝑖_𝑢𝑐 Corrente através do ultracapacitor

𝑣𝑜 Tensão sobre o barramento 𝑖_𝐿 Corrente através do indutor

𝐶𝑜 Capacitância do barramento do inversor 𝑅𝑜 Resistência que representa uma carga resistiva 𝑇_1…6 Transistores de potência

𝐿_1…6 Indutores boost

𝐼𝑚 Fonte de corrente modelada pelo conjunto inversor/motor

𝛿 Razão cíclica

𝐿𝑚𝑖𝑛 Indutância mínima para ondulação de corrente de 5% 𝑉_𝑖 Tensão de entrada do conversor

𝛼 Ondulação relativa

𝐼_𝐿 Corrente média através do indutor 𝑓𝑐ℎ Frequência de chaveamento ∆_𝐼𝐿 Variação de corrente no indutor

𝐿 Indutância boost de uma fase do conversor

𝑅𝑠é𝑟𝑖𝑒 Resistência série do indutor boost para uma fase do conversor 𝐼_{𝐿,𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎} Corrente máxima para o indutor boost

𝑊_𝐶𝑜 Energia armazenada no capacitor do barramento do inversor 𝑉_{𝑜,𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑜} Tensão máxima sobre o barramento do inversor

𝑉_{𝑜,𝑚í𝑛𝑖𝑚𝑜} Tensão mínima do barramento do inversor

𝐶𝑜𝑚𝑖𝑛 Capacitância mínima do barramento do inversor 𝑅_𝑠𝑒 Resistência série do capacitor do barramento 𝑅𝑠𝑒(𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎) Resistência máxima do capacitor do barramento

𝐼_{𝑐ℎ,𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎} Corrente máxima para a chave no conversor boost 𝑉_{𝑐ℎ,𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎} Tensão máxima sobre a chave do conversor boost

∆_𝑣𝑜 Variação de tensão sobre o barramento

𝑉𝑑𝑠𝑠 Tensão máxima entre os terminais dreno e fonte da chave 𝐼_𝑑25 Corrente máxima de dreno para a temperatura de 25° 𝐶 𝑅_{𝑑𝑠,𝑜𝑛} Resistência série da chave em estado ligado

𝑽_𝑶 Tensão sobre o barramento

𝑽𝑶(𝒓𝒆𝒇) Referência de tensão sobre o barramento na malha de tensão 𝑽_𝒖𝒄 Tensão do ultracapacitor na malha de tensão do ultracapacitor

𝑽_{𝒖𝒄(𝒓𝒆𝒇)} Referência de tensão do ultracapacitor na malha de tensão do ultracapacitor 𝑰𝒊,𝒖𝒄 Corrente de entrada para o conversor do ultracapacitor

𝑰𝒊,𝒖𝒄(𝒓𝒆𝒇) Referência de corrente de entrada para o conversor do ultracapacitor 𝑰_{𝒐,𝒖𝒄} Corrente de saída do conversor do ultracapacitor

𝑰_{𝒊,𝒃𝒕} Corrente de entrada do conversor da bateria

𝑰𝒊,𝒃𝒕(𝒓𝒆𝒇) Referência de corrente de entrada do conversor da bateria 𝑰_{𝒐,𝒃𝒕} Corrente de saída do conversor da bateria

𝜹_𝒖𝒄 Razão cíclica do conversor do ultracapacitor 𝜹𝒃𝒕 Razão cíclica do conversor da bateria

𝐶𝑣𝑜 Compensador de tensão do barramento 𝐶_{𝑖,𝑢𝑐} Compensador de corrente do ultracapacitor 𝐶_{𝑣,𝑢𝑐} Compensador de tensão do ultracapacitor 𝐻_{𝑖,𝑏𝑡} Malha interna de controle de corrente da bateria

𝐻_{𝑖,𝑢𝑐} Malha interna de controle de corrente do ultracapacitor 𝐶_𝑢𝑐 Capacitância do ultracapacitor

𝑅_𝑢𝑐 Resistência interna do ultracapacitor

𝑉𝑖 Tensão de entrada do conversor 𝑖_𝑖 Corrente de entrada do conversor 𝑖𝑜 Corrente de saída do conversor

𝒙 Vetor de estado

𝒚 Vetor de saída

𝑨, 𝑩, 𝑪 𝒆 𝑫 Matrizes de estado 𝒖 Vetor de entrada

𝑿 Termo constante para o vetor de estado 𝒀 Termo constante para o vetor de saída ∆ Termo constante para a razão cíclica 𝑼 Termo constante para o vetor de entrada

𝒙

̃ Termo variável para o vetor de estado 𝒚

̃ Termo variável para o vetor de saída 𝜹

̃ Termo variável para a razão cíclica 𝒖̃ Termo variável para o vetor de entrada

𝑿_𝒆𝒒 Matriz que representa o ponto de operação do conversor

𝑯(𝑠) Matriz que representa as funções de transferência para o conversor ∆𝑏𝑡 Razão cíclica no ponto de operação nominal do conversor da bateira ∆_𝑢𝑐 Razão cíclica no ponto de operação nominal do conversor do ultracapacitor

𝑘_𝑝 Ganho proporcional do controlador 𝑘𝑖 Ganho proporcional do controlador

𝑓_𝑝 Frequência de corte do filtro associado ao controlador 𝑓_𝑐 Frequência de cruzamento

𝑀𝐹 Margem de fase

𝑇𝑎 Taxa de amostragem 𝑆𝑜𝐶_𝑏𝑡 Estado de carga da bateria 𝑆𝑜𝐶𝑏𝑡(𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙) Estado de carga inicial da bateria

𝑆𝑜𝐶_𝑢𝑐 Estado de carga do ultracapacitor

𝐸_{𝑢𝑐(𝑚𝑎𝑥)} Energia máxima armazenada no ultracapacitor 𝐼_𝑐𝑜 Corrente no capacitor do barramento

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas

CC-CC Conversão de corrente contínua para corrente contínua DNER Departamento Nacional de Estradas de Rodagem FEEC Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação HESS Hybrid Energy Storage System

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

ITEC International Transportation Electrification Conference LCEE Laboratório de Condicionamento de Energia Elétrica MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor PESC Power Electronics Specialists Conference

UDDS Urban Dynamometer Driving Schedule UNICAMP Universidade Estadual de Campinas

INTRODUÇÃO

Os veículos elétricos têm sua existência desde meados do século XIX e são praticamente contemporâneos aos veículos à combustão. Apesar de já terem dominado significativa parcela do mercado, estes tiveram utilização preterida em relação àqueles, por vários fatores construtivos, políticos e históricos, (BARAN e LEGEY, 2010). No entanto, durante as últimas décadas, os im-pactos ambientais provenientes da emissão de gases de veículos deslocaram atenção para o dese-quilíbrio causado pela atividade humana, sendo a indústria automotiva um dos principais agentes.

No contexto do desenvolvimento sustentável, a utilização dos veículos elétricos é vista como uma condição importante para a sustentabilidade. A eletrificação de sistemas de propulsão desponta como principal solução por apresentar emissão nula de gases durante sua utilização. Além disso, o custo energético é atrativo e apresenta-se menor, por empregar dispositivos motores de rendimento superior e maior relação potência processada por peso, comparado aos sistemas con-vencionais à combustão.

Pelo lado estratégico, ocorreria maior diversificação de fontes energéticas associadas ao setor de transportes, ampliando as opções de matriz energética para este tipo de veículo. A eletri-cidade no Brasil é distribuída por um sistema interligado altamente confiável (sem dependências de exportadores, sem oscilação da economia com eventos mundiais), com um custo relativamente baixo, se comparada aos combustíveis líquidos. O uso dos veículos elétricos aliados às redes inte-ligentes (smart grids) permite ainda que os automóveis funcionem como amortecedores para a rede de distribuição, carregando suas baterias nas horas de baixa demanda e descarregando-as nos ho-rários de pico (MARQUES, 2010).

Mesmo possuindo máquinas propulsoras de maior rendimento e com um bom cenário para carregamento das fontes de energia, existem restrições à implantação dos veículos elétricos que barram o seu crescimento. Elas estão relacionadas às características dos armazenadores de energia, que possuem baixa autonomia, reduzindo o emprego dos veículos elétricos a pequenos trajetos. Como parte de uma tendência mais ampla sobre a eletrificação de transportes, é de fundamental importância a redução do peso do automóvel, grande parte constituído pelos armazenadores de energia, pois isso implica em uma redução da demanda de potência e do consumo total de energia. Portanto, são desejáveis fontes de suprimento com alta densidade de potência e alta densidade de energia (EHSANI, GAO, et al., 2008).

É sabido que, considerando-se a tecnologia atual, os ultracapacitores têm baixa capacidade de armazenar energia e alta capacidade de fornecer potência, enquanto que as baterias possuem características contrárias e complementares, com superior quantidade de energia armazenada e me-nor capacidade de fornecimento de potência. Além disso, ultracapacitores possuem um número de ciclos de utilização muito maior, podendo operar em uma faixa de temperatura mais ampla e são mais eficientes do que as baterias (VIRTANEN, HAAPALA, et al., 2011).

Este trabalho tem seu foco na implementação de uma solução para integração de diferentes fontes de armazenamento de energia, a fim de atender as necessidades de performance e autonomia do veículo, com o projeto de um sistema híbrido de fontes de suprimento, usufruindo de uma téc-nica de gerenciamento do fluxo de potência entre elas.

A organização do trabalho se dá da seguinte forma:

No capítulo 1, uma breve discussão foi feita sobre as fontes de suprimento que despontam com maior veemência à aplicação em veículos elétricos, destacando as restrições de utilização e soluções implementadas.

No capítulo 2 é feita uma análise sobre a dinâmica veicular destacando o perfil de demanda de potência para um veículo. Essa observação é a base para a estratégia de controle empregada no sistema.

Visando a implementação do sistema híbrido em um veículo, foram levantadas, no capítulo 3, as possíveis configurações entre as fontes de armazenamento de energia interagindo com o sis-tema de propulsão. Dentre essas foi destacada uma, ressaltando o projeto para os componentes passivos da estrutura de potência.

No capítulo 4 é descrita a estratégia de controle do fluxo de potência entre as fontes, desta-cando a modelagem matemática do sistema, necessária para o projeto dos controladores envolvi-dos.

O capítulo 5 apresenta a metodologia para o projeto dos controladores lineares, ressaltando a eficácia do sistema em ambiente de simulação. A validação da estratégia é mostrada nos domínios da frequência e do tempo.

Os resultados experimentais são apresentados no capítulo 6, descrevendo o trabalho reali-zado para adaptação do sistema híbrido de armazenamento de energia a um “kart indoor”. A vali-dação do sistema é feita em um circuito de um kartódromo, tentando aproximar o veículo a situa-ções reais de teste.

1 ASPECTOS SOBRE OS ARMAZENADORES DE ENERGIA

Conforme citado anteriormente, o grande avanço ocorrido na tecnologia dos armazenadores de energia nos últimos anos em conjunto com pressões econômicas e ambientais, abriram um ca-minho para o aumento no uso de veículos elétricos e veículos elétricos híbridos. No entanto, é ainda necessário o aprimoramento do sistema de armazenamento de energia para permitir uma adoção mais ampla das máquinas de propulsão elétrica.

Para atingir este objetivo, uma alternativa é utilizar dois, ou mais, dispositivos de armaze-namento no veículo, explorando as vantagens de cada um. Dentre estes sistemas, destacam-se os sistemas híbridos que utilizam baterias e ultracapacitores, que são as tecnologias evoluíram mais rapidamente e que possuem custos decrescentes.

Este capítulo descreve as importâncias e peculiaridades de cada fonte visando o forneci-mento da potência demandada por um veículo elétrico. Descreve também as fontes utilizadas no sistema híbrido, destacando as possibilidades de integração entre elas.

1.1 ULTRACAPACITORES

Os ultracapacitores são armazenadores eletroquímicos que acumulam energia basicamente por dois efeitos. O efeito prioritário é o eletrostático, causado pela separação de cargas em uma camada dupla formada pelo eletrodo condutor e um eletrólito (SCHINDALL, Nov. 2007) e pelo efeito secundário da “pseudocapacitância” obtida por meio de reações de oxirredução na superfície do eletrodo. A relação entre os dois efeitos varia com o tipo de ultracapacitor.

O fato deles não armazenarem energia predominantemente na forma de ligações químicas, permite que os ultracapacitores forneçam energia mais rapidamente quando requisitados, atingindo elevados valores de potência. Esses dispositivos de armazenamento não são sensíveis à ondulação da corrente, porém para altas frequências observa-se o aumento na resistência interna devido ao efeito pelicular, semelhante ao que ocorre com as baterias.

Apesar dos ultracapacitores permitirem o armazenamento de grandes quantidades de ener-gia, eles ainda acumulam menos energia do que as baterias. Esta relação é apresentada no diagrama

de Ragone da Figura 1.1. Este diagrama é usado para comparar a performance de vários armaze-nadores ou conversores de energia (no caso da célula combustível) relacionando valores de densi-dade de potência e energia.

Figura 1.1 - Diagrama de Ragone

Os ultracapacitores ocupam um local intermediário entre os capacitores convencionais e as baterias, sob a visão da quantidade de energia armazenada. Por acumularem energia em sua maior parte na forma de campo elétrico, os ultracapacitores possuem um número muito elevado de ciclos, conservando uma vida útil muito alta, para muitas aplicações pode ser até considerada ilimitada.

A desvantagem dos ultracapacitores está associada basicamente à menor densidade de ener-gia comparado a outras fontes. Contudo, as vantagens anteriormente citadas o tornam atrativo para uso em conjunto com outros dispositivos de armazenamento, (AVELINO, GARCIA, et al., 2013).

1.2 BATERIAS

A bateria é a fonte de suprimento que predomina com relação a número de aplicações, e seu funcionamento provém basicamente de processos eletroquímicos. É um dispositivo de armazena-mento com enorme capacidade, vida útil bem definida e que possui um lento processo para o trans-porte de energia comparado às outras fontes. Apesar de melhorias que se têm observado ao longo dos anos, o progresso ainda é modesto em comparação com os grandes avanços na microeletrônica

Densidade de Potência (W/kg) D en si da de d e E ne rg ia ( W h/ kg )

10

100

1000

10000

0,01

0,1

1

10

100

1000

1 segundo

1 hora

0,03 segundos

10 horas

e dispositivos semicondutores. Pelo fato do princípio de funcionamento das baterias está funda-mentalmente baseado no emprego de reações químicas para o fornecimento de energia, as limita-ções na capacidade de suprimento de potência irão prevalecer. A relação entre o tempo de descarga e a corrente de descarga de uma bateria pode ser modelada pela relação de Peurket (LARMINIE e LOWRY, 2003).

𝐶_𝑝 = 𝐼𝑘_{∙ 𝑇 (1.1)}

Onde 𝐶_𝑝 é a capacidade de Peurket da bateria, 𝐼 é a corrente de descarga, 𝑇 é o tempo de descarga e 𝑘 é a constante de Peurket que depende do tipo de bateria (normalmente 1,1 − 1,3 para baterias de chumbo ácido e 1,05 − 1,2 para baterias de 𝑁𝑖𝑀𝐻 e Li-íon (EMADI, 2005). Esta rela-ção mostra que uma bateria, independentemente do tipo (KANG, SHIRLEY, et al., 2006), fornece mais carga se descarregada com taxas menores de corrente. Nos testes realizados na referência citada, as taxas de descargas partem de 5% até 600% da sua capacidade de corrente nominal (C/20 até 6C). Como a tensão é menor para altas corrente, pode-se concluir que a energia fornecida pela bateria se reduz. Esta relação pode ser observada nas curvas de descarga mostradas na Figura 1.2.

Figura 1.2 - Curvas de descarga para várias taxas, para 𝐼𝐸 − 𝐿𝑖(𝑁𝑖0,5𝑀𝑛0,5)𝑂2 [A superior] e 𝑆𝑆 − 𝐿𝑖(𝑁𝑖0,5𝑀𝑛0,5)𝑂2

Nas Figura 1.2-A (superior e inferior), a área sob cada curva está relacionada com a energia fornecida pela bateria durante a descarga. Pode-se observar uma redução da energia fornecida com o aumento da corrente de descarga.

A redução da quantidade de energia disponível nas baterias para altas correntes de descarga está relacionada com o aumento das perdas na bateria e o consequente aumento da temperatura do dispositivo. Sobre tal efeito pode-se constatar pela análise experimental feita em (JOSSEN, 2005) mostrada na Figura 1.3, no qual o aumento do pico de corrente na descarga provoca um aumento na temperatura da bateria, para o mesmo valor de corrente média.

Figura 1.3 - Resultados experimentais para variação de temperatura bateria, extraído de (JOSSEN, 2005).

No experimento citado, a corrente média extraída de uma bateira é mantida constante, variando os valores da corrente de pico e razão cíclica, A partir do aumento da corrente de pico, a temperatura da bateria se eleva. O aumento da temperatura está relacionado à diminuição da vida útil das bate-rias segundo (CHOI e LIM, 2002). Portanto, um fator importante a ser associado ao sistema que processará a energia fornecida pela bateria é o de, além de gerenciar o fluxo de potência, gerenciar as variáveis que garantam a integridade das fontes de suprimento.

1.3 DEMANDA DE POTÊNCIA PARA UM VEÍCULO

A potência exigida por um veículo elétrico durante percurso é bastante variável. Picos de potência associados à aceleração e a frenagem do veículo são geralmente exigidos, enquanto a

potência média fornecida encontra-se em patamar muito inferior, conforme apresentado na Figura 1.4.

Figura 1.4 - Resultados de simulação para um veículo elétrico de médio porte (2003 Honda Accord EV) sob o ciclo UDDS suprido apenas por bateria, extraído de (CAO e EMADI, 2011).

Na simulação feita em (CAO e EMADI, 2011), um veículo elétrico de médio porte foi testado executando um percurso Urban Dynamometer Driving Schedule (UDDS) que representa um ciclo de condução emulando as condições de tráfego urbano, (AGENCY, 2014). Observa-se que a potência máxima extraída pelo conjunto de baterias, cerca de 54,8 𝑘𝑊, equivale aproxima-damente a 10 vezes a potência média desenvolvida pelo veículo, 5,95 𝑘𝑊.

Considerando-se o compromisso existente entre densidade de energia e densidade de po-tência e a alta relação entre popo-tência de pico e popo-tência média nos veículos elétricos, torna-se con-veniente utilizar baterias e ultracapacitores em conjunto.

O intuito é o de utilizar o ultracapacitor para fornecer ou armazenar energia durante os picos de potência, reduzindo a demanda de potência sobre a bateria. Esta integração equivale a uma fonte de suprimento com características de alta densidade de energia e alta densidade de potência supe-riores a qualquer outra sozinha. O sistema híbrido de armazenamento de energia é então capaz de permitir um aumento da performance do veículo, garantindo maior autonomia.

A integração entre fontes de energia com propriedades complementares faz com que o sis-tema de armazenamento utilizado em veículos elétricos se posicione no diagrama de Ragone, fer-ramenta comparativa entre distintas fontes de suprimento, no canto extremo direito superior, ver Figura 1.1. Desta forma, reduz-se as restrições relativas aos armazenadores de energia, colocando os veículos elétricos em condição favorável para sua adoção em situações que exigem grande au-tonomia.

Mais especificamente, a utilização do sistema híbrido de energia visa melhorar o desempe-nho do veículo, em termos de aceleração e frenagem, devido à potência adicional disponibilizada pelos ultracapacitores, aumentando a autonomia do veículo, associado a redução da potência ex-traída pela bateria e ao acréscimo de energia aproveitada no possível processo de frenagem rege-nerativa.

Com relação aos aspectos de conservação das fontes de suprimento, a bateria trabalhará com menor taxa de descarga, aumentando sua vida útil e preservando-a a operar sob condições de temperatura cômodas à sua aplicação. Este fato ainda determina que o sistema híbrido provenha otimização no dimensionamento das fontes de armazenamento, devido à redução do custo associ-ado às baterias, na seleção de células com menor densidade de potência.

2 ESTUDO DO COMPORTAMENTO DINÂMICO VEICULAR PARA UM KART.

Este capítulo apresenta um estudo sobre o comportamento dinâmico de um veículo e uma análise para a implementação do sistema de armazenamento. O intuito desta etapa foi desenvolver um ambiente de simulação para o dimensionamento das fontes de suprimento e determinação da estratégia de gerenciamento do fluxo de potência. O veículo escolhido para o desenvolvimento dessa trabalho foi um “kart indoor”, devido às maiores facilidades em relação às modificações mecânicas, simulando-o a partir de dados reais de um perfil de velocidade para uma volta em kartó-dromo. Essa etapa do estudo é de extrema importância pois fornece informações sobre a energia que pode ser regenerada, e como o controle do fluxo de potência atua para que a gestão do forne-cimento de energia resulte em maior rendimento.

2.1 DESCRIÇÃO DO COMPORTAMENTO DINÂMICO VEICULAR

Com o intuito de desenvolver um modelo matemático para simulações, um estudo inicial foi realizado levando em consideração a dinâmica veicular. A análise das forças totais que agem sobre o veículo em movimento, considerando apenas o deslocamento longitudinal, permitiu obser-var o perfil da potência demandada durante um percurso pré-estabelecido.

O ambiente de simulação fornece condições para que possa ser feita a análise de cada força atuante no veículo de maneira isolada, dando possibilidade de conhecer a influência dessas forças sobre o sistema de propulsão. A importância dessa análise permitiu que fosse possível conhecer as componentes de potência que são processadas pelos armazenadores de energia, definindo como implementar a divisão entre o fluxo de potência da bateira e do ultracapacitor.

Basicamente, pode-se dividir a potência desenvolvida pelo sistema de propulsão em duas componentes: as componentes dissipativas e conservativas. A Figura 2.1 apresenta um veículo com suas forças atuantes durante o movimento.

As componentes dissipativas reproduzem a variação de energia responsável por superar as resistências ao deslocamento e, obviamente, essas são dissipadas (não regeneradas). Elas são re-presentadas pela componente da força de resistência ao rolamento (𝐹𝑟), a componente da força de arrasto aerodinâmico paralela ao eixo longitudinal (𝐹_𝑎) (EMADI, 2005).

Diferentemente das anteriores, as componentes conservativas podem ser acrescentadas ao sistema e recuperadas posteriormente. Elas estão associadas à parcela de energia que interage entre veículo e dispositivo de tração para que ocorra variação de velocidade e variação no potencial gravitacional. Essa parcela não é dissipada, apenas transferida ao carro podendo ser então recupe-rada pelo motor quando o veículo desacelera. Para veículos elétricos (e híbridos) existe grande interesse na utilização da frenagem regenerativa a fim de contribuir para o aumento da eficiência e redução do custo energético.

A variação potencial gravitacional e de velocidade no veículo tem como consequência a ação das forças resultantes que são representadas pelas forças devido à inclinação do pavimento, (𝐹𝑔) e pelas forças devido à aceleração do veículo, (𝐹𝑐).

Figura 2.1 - Representação das forças atuantes sobre um veículo, extraído de (EMADI, 2005).

O esforço do dispositivo de tração é produzido pelo conjunto motor e sistema de transmis-são traseiro. Contudo, a força produzida, 𝐹𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟, age na área de contato entre os pneus das rodas motrizes e a superfície da estrada, impulsionando o veículo para frente. Pela segunda lei de Newton, a força resultante para acelerar o veículo é dada por:

𝐹_{𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟} − ∑ 𝐹_{𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎} = ∑ 𝐹_{𝑟𝑒𝑠𝑢𝑙𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒𝑠} (2.1) A análise que considera apenas a dinâmica longitudinal, mostra que a força total que age sobre o veículo é dada por:

𝐹_{𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟} − 𝐹_𝑟− 𝐹_𝑎 = 𝑚 ∙𝑑𝑣

𝑑𝑡 (2.2)

O ambiente de simulação funcionará como ponto de partida para estimar parâmetros sobre os dispositivos de armazenamento e peculiaridades a serem tratadas pelo algoritmo de gerencia-mento de energia. Nas subseções seguintes são discutidas as forças que compõem a equação (2.2), relacionando-as no modelo matemático para a análise do perfil energético.

2.1.1 Resistência ao rolamento

Sobre as componentes que representam a resistência ao rolamento, define-se a força utili-zada para superar as resistências (atritos) ao deslocamento, essencialmente produzida pelo contato das rodas ou pneus com o pavimento. A deflexão do pneu enquanto está girando faz com que ocorra uma distribuição assimétrica das forças de reação no solo, gerando um torque que se opõe ao rola-mento da roda.

A equação (2.3) apresenta o cálculo da força de rolamento.

𝐹_𝑟 = 𝑓_𝑟∙ 𝑚 ∙ 𝑔 ∙ 𝑐𝑜𝑠(𝛼) _(2.3)

Onde:

𝑓𝑟 é o coeficiente de rolamento; 𝑚 é a massa do veículo;

𝑔 é aceleração da gravidade;

𝛼 é ângulo formado entre o eixo transversal do veículo e o pavimento;

O termo 𝑚 ∙ 𝑔 ∙ 𝑐𝑜𝑠(𝛼) representa a componente do peso na direção perpendicular ao pa-vimento.

O termo 𝑓_𝑟 depende tanto do formato dos pneus como do tipo de interação do material dos pneus com o pavimento. Alguns valores típicos para o coeficiente de rolamento são mostrados na Tabela 2.1, (EMADI, 2005).

Tabela 2.1 - Coeficientes de rolamento

Condições 𝒇_𝒓

Pneus sobre concreto ou asfalto 0,013

Pneus sobre cascalho 0,02

Pavimento Tar macadam (MCADAM, 1980) 0,025

Estrada não asfaltada 0,05

Campo 0,1 − 0,35

Pneus de caminhão sobre concreto ou asfalto 0,006 − 0,001

Roda de trem sobre trilho de ferro 0,001 − 0,002

Os valores apresentados na Tabela 2.1 são extraídos de resultados experimentais. Os dados são exclusivamente de origem empírica, e não levam em consideração as variações de velocidade do veículo. Para um cálculo mais específico, é suficiente considerar que o coeficiente de resistência ao rolamento seja uma função linear da velocidade, ver (EMADI, 2005). A expressão (2.4), é ado-tada pela referência ciado-tada para veículos convencionais de transporte de passageiros, predizendo o coeficiente ao rolamento para velocidade até 128 𝑘𝑚/ℎ.

𝑓_𝑟(𝑣) = 0,01 ∙ (1 + 𝑣

100) (2.4)

Para aplicações em “kart-indoor”, em que a velocidade alcança valores até 70 𝑘𝑚/ℎ, cor-respondente a 19,45 𝑚/𝑠, pode-se considerar que esse coeficiente possui baixa variabilidade com a velocidade, podendo ser fixado em 𝑓_𝑟 = 0,012.

2.1.2 Resistência aerodinâmica

A resistência aerodinâmica é causada pela diferença de pressão durante o movimento do veículo, em decorrência do atrito que ocorre na camada de ar próximo à superfície do veículo. A força de resistência aerodinâmica é descrita pela expressão (2.5), segundo (EMADI, 2005).

𝐹𝑎 = 0,5 ∙ 𝜌 ∙ 𝐴𝑓∙ 𝐶𝑑∙ 𝑣2 (2.5) Onde:

𝜌 é a densidade do ar;

𝐴_𝑓 é a área frontal do veículo;

𝐶𝑑 é o coeficiente de resistência aerodinâmica; 𝑣 é a velocidade do veículo.

A densidade do ar possui valor típico de 𝜌 = 1,2 𝑘𝑔/𝑚3 _{ao nível do mar. Adota-se a área frontal} para o veículo escolhido para a modelagem de 𝐴_𝑓 = 0,9 𝑚2_{. O coeficiente de resistência} aerodi-nâmica típico para alguns veículos é mostrado na Tabela 2.2, segundo (EMADI, 2005).

Tabela 2.2 - Coeficientes de resistência aerodinâmica

Veículo 𝑪_𝒅

Carro de passeio (sedan) 0,40 − 0,55

Carro otimizado aerodinamicamente 0,15 − 0,22

Ônibus convencional 0,60 − 0,70

Ônibus otimizado aerodinamicamente 0,30 − 0,40

Caminhão convencional 0,80 − 1,50

Kart Indoor 0,09

2.1.3 Resistência à inclinação

A força proveniente da ação gravitacional em função da inclinação do pavimento é repre-sentada por uma componente da força peso projetada na direção do deslocamento do veículo. A resistência devido à inclinação é dada pela equação (2.6):

𝐹_𝑔 = 𝑚 ∙ 𝑔 ∙ 𝑠𝑒𝑛(𝛼) _(2.6)

Esta força adquire valores consideráveis em relação à força total que age sobre o veículo apenas em vias urbanas, especialmente nas de baixa velocidade, pois nelas podem-se encontrar inclinações muito maiores a 10° (DEPARTAMENTO NACIONAL DE ESTRADAS DE RODAGEM, 1973). Neste trabalho, a força responsável pela inclinação do pavimento é desconsi-derada, uma vez que a inclinação dos circuitos de karts é quase nula. Portanto, considera-se a equa-ção (2.7) sendo os efeitos potenciais gravitacionais desprezados.

𝛼 = 0 _(2.7) Este ângulo está representado na Figura 2.1.

2.1.4 Equação dinâmica

A potência desenvolvida devido às acelerações e frenagens depende da variação da energia cinética de translação do veículo, dada por:

𝐸_𝑐 = 0,5 ∙ 𝑚 ∙ 𝑣2

(2.8) Onde:

𝑚 é a massa do veículo; 𝑣 é a velocidade do veículo;

Considerando a energia armazenada nas partes girantes, principalmente nas rodas do veí-culo, a energia cinética de rotação é dada por:

𝐸𝑟 = 0,5 ∙ 𝑁𝑟∙ 𝐼𝑟∙ 𝜔2 (2.9)

Onde:

𝑁_𝑟 é o número de rodas do veículo; 𝐼𝑟 é o momento de inércia de cada roda; 𝜔 é a velocidade angular de rotação das rodas.

É possível simplificar a análise, convertendo a energia cinética de rotação das rodas para energia de translação, conforme equação (2.9), usando a relação entre velocidade longitudinal do veículo e velocidade angular das rodas, dada por:

𝑣 = 𝜔 ∙ 𝑟 _(2.10)

Sendo 𝑟 o raio das rodas. A energia cinética total do veículo pode ser escrita como: 𝐸𝑡 = 𝐸𝑐 + 𝐸𝑟 = 0,5 ∙ (𝑚 +𝑁𝑟∙ 𝐼𝑟⁄ ) ∙ 𝑣_𝑟2 2 = 0,5 ∙ 𝑚𝑒𝑓∙ 𝑣2 (2.11) Onde:

Tipicamente, o momento de inércia de cada roda de um kart é 𝐼_𝑟 = 0,2 𝑘𝑔 ∙ 𝑚2_{. O raio da} roda é 𝑟 = 0,14 𝑚. Para um carro com quatro pneus (𝑁_𝑟 = 4), a energia de rotação das rodas pro-duz um aumento da massa efetiva de:

∆𝑚 = 𝑁𝑟∙ 𝐼𝑟 𝑟2

⁄ = 40,81 𝑘𝑔 _(2.12)

Sabendo que a potência desenvolvida para que o veículo acelere é dada por: 𝑃_𝑐 = 𝑚 ∙ 𝑣 ∙𝑑𝑣

𝑑𝑡 (2.13)

A força resultante cinética é dada pela equação: 𝐹_𝑐 = 𝑚 ∙𝑑𝑣

𝑑𝑡 (2.14)

O torque resultante no deslocamento do veículo é dado por:

𝑇 = 𝑚 ∙𝑣 2 𝑟 ∙

𝑑𝑣

𝑑𝑡 (2.15)

Substituindo as equações (2.3), (2.11) e (2.14) em (2.2) obtêm-se a equação dinâmica do movimento do veículo ao longo da direção longitudinal:

𝐹_{𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟} = 𝑚 ∙𝑑𝑣

𝑑𝑡+ 0,5 ∙ 𝜌 ∙ 𝐴𝑓∙ 𝐶𝑑∙ 𝑣

2_{+ 𝑚 ∙ 𝑔 ∙ 𝑓}

𝑟∙ 𝑐𝑜𝑠(𝛼) (2.16) Somando-se os momentos de todas as forças acerca do ponto de encontro entre o pneu traseiro e o pavimento e ainda considerando a inclinação nula do pavimento, o torque pelo dispo-sitivo de tração é determinado por:

𝑇_{𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟} = 𝑚 ∙𝑣 2 𝑟 ∙ 𝑑𝑣 𝑑𝑡 + 0,5 ∙ 𝜌 ∙ 𝐴𝑓∙ 𝐶𝑑 ∙ ℎ𝑔 ∙ 𝑣 2_{+ 𝑚 ∙ 𝑔 ∙ 𝑟 ∙ 𝑓} 𝑟 (2.17)

A expressão (2.17) será base para a determinação da modelagem matemática para o veículo em ambiente de simulação.

2.2 MODELAGEM PARA O VEÍCULO

O modelo a ser utilizado na avaliação do perfil energético do veículo parte da análise da dinâ-mica longitudinal e foram utilizados blocos da biblioteca de funções em ambiente

MATLAB/Simu-link. A SimDriveline é, essencialmente, uma biblioteca de funções para Simulink com o intuito de

modelar e simular sistemas de acionamento mecânicos. A biblioteca inclui componentes como en-grenagens, eixos de rotação, embreagens, modelos de transmissão, motores e modelos de pneus.

A Figura 2.2 representa o modelo matemático para o veículo, seguindo descrição das subseções anteriores. As forças de resistência são convertidas em torque e adicionados ao eixo de transmissão.

Figura 2.2 - Bloco representando a dinâmica longitudinal do veículo.

Para determinação do perfil da demanda de potência do veículo, os parâmetros utilizados na simulação são os apresentados na Tabela 2.3. Estes são correspondentes a valores de um kart convencional, segundo (BIANCOLINI, RENZI, et al., 2007).

1 VehSpd 1 Eixo -K-kph to mps -K-half ro densidade do ar Wheel inertias Velocidade kph Vehicle effective inertia V el oc ity B F Vehicle Speed, Power B F Total friction B F Simple Gear Sign T Resistência ao Rolamento Relay Product1 Product u2 Housing -T- -C-Coeficiente Rolamento -K-Cd Af Area T Aerodynamic Drag -K--radius

Tabela 2.3 - Parâmetros para um kart convencional

Parâmetros Valor

Coeficiente de resistência ao rolamento 0,012

Coeficiente de atrito aerodinâmico 0,9

Área frontal 0,6 𝑚2 Massa do veículo 150 𝑘𝑔 Massa do piloto 70 𝑘𝑔 Massa total 220 𝑘𝑔 Densidade do ar 1,2 𝑘𝑔/𝑚3 Aceleração gravitacional 9,81 𝑚/𝑠2 Relação da transmissão 1: 4,5 Raio do pneu 0,14 𝑚

Existem diversos ciclos de condução para padronização das avaliações dos veículos, como testes de emissões, análise do desempenho dos motores e fontes de suprimento de energia. Uma análise inicial para determinação de parâmetros do sistema de tração e características do perfil de potência do veículo proposto foi feita a partir de um perfil de velocidade extraído de testes de um kart em percurso de kartódromo. A Figura 2.3 apresenta um perfil de velocidade para uma volta do veículo.

Figura 2.3 - Perfil de velocidade para um kart indoor.

Os dados da Figura 2.3, representam registros de velocidades para uma volta no kartó-dromo internacional Aldeia da Serra. A Figura 2.4 apresenta uma vista do circuito oficial que

possui 1021 𝑚 de extensão. O tempo de duração dos testes foi de 100 𝑠.

Figura 2.4 - Kartódromo Internacional Aldeia da Serra.

O diagrama apresentado na Figura 2.5 representa o ambiente utilizado nas simulações.

Figura 2.5 - Modelo em Simulink para a avaliação do “kart indoor”.

O bloco “Comando do Motorista” gera os sinais equivalentes às ações de acelerador e freio, a partir do gráfico com os registros de velocidades, emulando o comportamento do motorista do veículo. Esses sinais são convertidos para valores respectivos aos torques de tração e frenagem do veículo como representado na Figura 2.6.

Figura 2.6 – Modelo responsável por emular os comandos do motorista.

Para a simulação foi adotado um torque máximo para a tração de 30 𝑁 ∙ 𝑚 e um torque máximo para frenagem de 80 𝑁 ∙ 𝑚. O limite para o torque de tração foi estimado a partir de in-formações do motor que será usado no protótipo (ver ANEXO A). Com relação ao torque máximo de frenagem, este foi extraído de dados obtidos de um projeto para kart elétrico, segundo referência (ISTARDI, 2011). Os blocos “Atuador Motor” e “Atuador Freio” recebem os comandos dos blocos anteriores e os convertem em torque, aplicando-o ao sistema de transmissão.

O sistema ainda abriga um bloco que representa a transmissão do veículo que fará a adap-tação entre a roadap-tação do motor elétrico e a roadap-tação do eixo do kart. Após isso o sinal dará o comando de torque ao bloco com a modelagem dinâmica longitudinal do veículo.

2.3 ANÁLISE QUANTITATIVA SOBRE O PERFIL DE POTÊNCIA

Considerando as características das fontes de suprimentos escolhidas para esse trabalho, o projeto de um sistema de armazenamento híbrido tem como ponto de partida o perfil da potência demandada do veículo. Torna-se importante uma análise quantitativa energética para o kart cuja análise dará informações necessárias para o projeto do conversor que gerenciará o fluxo de potência entre as fontes.

Executando a simulação para o perfil de velocidade obtido para um kart, o perfil da de-manda de potência para o veículo é apresentado na Figura 2.7.

Figura 2.7 - Demanda de potência para um kart obtida a partir do perfil de velocidade e modelo no Simulink.

A potência máxima de tração requerida pelo kart é de 8,53 𝑘𝑊, enquanto a potência má-xima durante a frenagem foi de −12,54 𝑘𝑊. A potência média do veículo é de apenas 2,37 𝑘𝑊. Mostra-se que a potência máxima de regeneração é maior do que a potência máxima de aceleração, tornando mais crítico para o sistema de controle a eficácia da recuperação da energia durante a frenagem.

É evidente que a demanda de potência durante uma corrida tem picos de valores elevados, principalmente para veículos de competição que usufruem de arrancadas e frenagens acentuadas. Uma figura de mérito que representa o comportamento da potência exigida pelo veículo é a relação pico-média da demanda de potência. Um valor elevado significa sobrecargas pontuais considerá-veis que determinam momentos críticos para o sistema de fornecimento de energia. Para veículos convencionais essa relação é de aproximadamente 10: 1, segundo (EMADI, 2005).

Porém, para o kart, essa relação apresentou um valor pouco menor, em torno de 3,6: 1. Isso se deve ao fato de que durante uma volta de kart, não ocorrem paradas durante o percurso, e que na maior parte do tempo o piloto está acelerando ou freando o veículo. Mesmo assim, o perfil de potência demonstra a necessidade de um acumulador de energia com características especiais que possa suprir os requisitos das acelerações e regenerar com máxima eficiência durante as frenagens. A energia utilizada para o kart operar sob esse ciclo de condução é de 65,84 𝑊ℎ, da mesma forma considerando a condição de não utilizar frenagem regenerativa a energia foi de 102 𝑊ℎ. Isso indica que na presença de um sistema de fornecimento que regenere a energia proveniente nas frenagens com alta eficiência, pode-se chegar a uma redução no consumo do veículo em torno de 36%.

Outros dados importantes para o projeto do sistema propulsor são: velocidade máxima atin-gida pelo veículo 1267,8 𝑟𝑝𝑚 e torque máximo 31,99 𝑁𝑚.

2.4 ANÁLISE QUALITATIVA SOBRE O PERFIL DE POTÊNCIA

A divisão da potência instantânea entre dispositivos armazenadores com características de densidade de energia e potência diferentes deve ter o objetivo de aumentar a eficiência e o desem-penho do veículo. Desta forma, a estratégia de controle empregada nesse trabalho visa permitir que cada fonte de suprimento, que para este trabalho são ultracapacitor e bateria, opere com perfis de demanda de potência que mais se adequem às suas características de fornecimento de energia. Para a definição do algoritmo de gerenciamento implementado no protótipo, o perfil de potência para o modelo do veículo foi estudado.

Como apresentado na seção anterior a potência média é bem inferior aos picos de potência requeridos durante o trajeto. Uma análise é feita decompondo o perfil da potência demandada em componente constante (referente ao valor médio) e variável (potência total menos potência média), conforme Figura 2.8.

Figura 2.8 - Decomposição da potência demanda pelo kart em potência média (superior) e variável (inferior).

A componente variável da potência, representa, em sua grande maioria, uma constante troca de energia entre o veículo e o sistema de armazenamento, com elevados picos de potência. Isso

sugere que o sistema submeta essa demanda a uma fonte de suprimento que apresente maior ren-dimento ao processar a energia. A aptidão de suprir transientes de potência de maneira eficiente confere ao veículo desempenho maior. Em contrapartida, submetendo a uma fonte de maior capa-cidade de fornecimento de energia o processamento da componente média da demanda de potência, o sistema proveria maior autonomia ao carro.

Ainda que a decomposição entre potência média e potência variável mostre uma caracterís-tica importante para o veículo, esta divisão não é útil do ponto de vista de controle, uma vez que a potência média só é conhecida ao final do trajeto. Uma análise é feita a partir da simulação, repre-sentando a demanda de potência dissipativa e conservativa, como mostra a Figura 2.9.

Figura 2.9 - Decomposição da potência demandada em componente dissipativa (superior) e conservativa (inferior).

A componente dissipativa, representada pelas forças de arrasto e rolamento, é sempre posi-tiva e representa a energia que, uma vez fornecida não pode ser mais recuperada. A componente conservativa, é a energia fornecida do sistema de armazenamento para a energia cinética do veículo ou vice-versa. Como o veículo sempre inicia e termina o ciclo com a mesma velocidade, esta com-ponente possui média nula.

Em condições reais de condução é difícil condicionar para o controle do veículo um cálculo em tempo real para decompor a potência em componentes conservativa e dissipativa, pois as con-dições do veículo (peso, pressão dos pneus, janelas abertas ou fechadas, etc.) variam significativa-mente a cada trajeto que ele realiza. É necessário que a estratégia de gerenciamento de energia possa ser executada em circunstâncias suficientes para que a solução independa da carga do sistema

e de suas variações, submetendo as fontes de suprimentos a condições específicas de operação independente do veículo e do percurso.

Visando obter a decomposição do perfil de potência em tempo real, de forma a manter a compatibilidade com as características de operação de cada fonte, adotou-se que o sistema de ge-renciamento de potência atue decompondo a potência instantânea do veículo com base em uma frequência limiar, semelhante ao descrito em (POMILIO, GARCIA e FERREIRA, 2010). Para eficácia deste método o valor da frequência de corte precisa ser determinado e por isso fez-se uma análise espectral sobre as formas de onda que representam a potências dissipativa e conservativa, como apresentado na Figura 2.10.

Figura 2.10 - Analise espectral sobre as potências dissipativas (superior) e conservativas (inferior).

Considerando as bases teóricas de como a análise espectral de sinais pode ser realizada utilizando sinais amostrados, utilizou-se o software MATLAB® que executa o cálculo da Discrete

Fourier Transform (DFT), sendo esta um equivalente da transformada de Fourier contínua para um

conjunto finito de dados, (NAWAB, OPPENHEIM e WILLSKY, 2010).

Como pode ser observado na figura Figura 2.10, as componentes se concentram na faixa de dezenas a centenas de miliHertz, para isso na Figura 2.11, é mostrado o espectro de frequência destacando a faixa que se concentra entre 0 e 250 𝑚𝐻𝑧.

Figura 2.11 - Analise espectral sobre as potências dissipativas (superior) e conservativas (inferior) na faixa de fre-quência até 250 𝑚𝐻𝑧.

Analisando a Figura 2.11, assume-se como sendo uma boa escolha para a frequência de corte do filtro, a ser incorporada à estratégia de controle, um valor com o qual as componentes conservativas possam abranger a maior parte das componentes de alta frequência e a maior parte das componentes dissipativas representando as componentes de baixa frequência.

O perfil de potência para o modelo do kart foi decomposto em componentes de baixa e alta frequência como mostra a Figura 2.12. A frequência de corte escolhida é de 10 𝑚𝐻𝑧.

Comparando a Figura 2.9 e a Figura 2.12, é possível notar grande semelhança entre as cur-vas de potência das componentes dissipaticur-vas e das componentes de baixa frequência. Esta análise sobre o perfil de potência mostra que um sistema que atue como filtro de potência decompondo as componentes entre as fontes, basicamente atuará fazendo com que uma fonte forneça energia para as componentes dissipativas, enquanto uma outra suprirá as componentes conservativas.

Baseado nessa análise, os capítulos subsequentes mostram que a estratégia de gerencia-mento do fluxo de potência está relacionada com o resultado mostrado na Figura 2.12. A decom-posição da potência demandada por componentes de frequência, fará com que o ultracapacitor for-neça as componentes de alta frequência da potência, que estão relacionadas com o processo de aceleração e frenagem do veículo. Enquanto isso a bateria atuará fornecendo os residuais dissipa-tivos durante o trajeto do veículo.

3 ESTUDO DO CONVERSOR BIDIRECIONAL DE MÚLTIPLAS ENTRADAS

Os dispositivos de armazenamento de energia utilizados nesse projeto foram bateria e ul-tracapacitor que concernem características especiais com relação à densidade de energia e densi-dade de potência, respectivamente. Este capítulo apresenta considerações para determinar o arranjo entre as fontes de energia e uma breve discussão das vantagens e desvantagens de cada configura-ção, destacando os impactos na implementação.

O projeto do conversor de potência utilizado no gerenciamento do fluxo de potência tam-bém é detalhado especificando as partes integrantes do conversor.

3.1 ESPECIFICAÇÕES PARA INTEGRAÇÃO ENTRE FONTES

Para integrar ultracapacitores e baterias, alguns arranjos são propostos na literatura, como em (KUPERMAN e AHARON, 2011) que faz uma revisão mais aprofundada sobre este tópico. Algumas possibilidades são discutidas a seguir.

3.1.1 Configuração passiva

Trata-se da configuração mais simples, sendo a ligação em paralelo da bateria com o ultra-capacitor, conforme Figura 3.1. A simplicidade do sistema se deve por não utilizar nenhum controle ativo do fluxo de potência e, portanto, o desempenho é limitado pelos valores de tensão das fontes serem aproximadamente iguais. O fluxo de potência é determinado apenas pelas características dos dispositivos de armazenamento (como a resistência interna).

Figura 3.1- Sistema Híbrido Passivo

Como a energia armazenada no ultracapacitor é proporcional ao quadrado da tensão, e pelo fato de a tensão do ultracapacitor ser restringida pela tensão da bateria, a maior parte da energia não é aproveitada, ver em (DOUGAL, LIU e WHITE, 2002). Devido essa inflexibilidade no con-trole do fluxo de potência entre as fontes, esta estrutura não foi utilizada neste projeto, que irá se concentrar nas conexões ativas de baterias e ultracapacitores.

3.1.2 Configuração semiativa

Uma estrutura semiativa para integração de baterias e ultracapacitores é proposta em (DIXON, NAKASHIMA e ARCOS, 2010). Esta configuração utiliza apenas um conversor CC-CC para bateria e o ultracapacitor está conectado diretamente à carga, como mostrada na Figura 3.2,

Figura 3.2 - Sistema híbrido semiativo com conversor CC-CC conectado à bateria.

B at er ia U lt ra ca pc it or

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A tensão dos dispositivos é desacoplada e pode-se controlar diretamente o fluxo de energia apenas para uma fonte. Para que o ultracapacitor possa suprir ou absorver energia, é necessário permitir a variação da tensão (tipicamente, o ultracapacitor opera entre 50% e 100% da tensão nominal, o que permite utilizar 75% da energia armazenada). A possibilidade de utilizar a conexão da Figura 3.2 está relacionada com a tolerância da carga à variação da tensão.

Esta estrutura se torna atrativa pela possibilidade de utilizar apenas um conversor CC-CC, cuja potência pode ser muito menor que o pico de potência da carga. Porém o sistema propulsor está sujeito a variação da tensão de trabalho do ultracapacitor podendo prejudicar a tração do veí-culo. O controle associado ao conversor poderá atuar para evitar esse efeito, onde será responsável por manter a demanda de potência em situações de alta aceleração. A fim de preservar a bateria de picos de potência demandada, esta solução não será utilizada neste trabalho.

Em outra configuração semiativa, apresentada em (NIEMOELLER e KREIN, 2010) é mos-trada na Figura 3.3, a bateria é conectada diretamente à carga e o conversor CC-CC é utilizado para controlar o fluxo de potência fornecido/absorvido pelo ultracapacitor.

Figura 3.3 - Sistema híbrido semiativo com conversor CC-CC conectado ao ultracapacitor.

A vantagem dessa configuração em relação à anterior é que a tensão das baterias em geral apresenta menor variação do que a tensão dos ultracapacitores, impedindo grande queda do torque da máquina propulsora pela variação de tensão no barramento. Contudo, mesmo considerando pe-quenas variações de tensão, o conjunto inversor/motor passa a depender do estado de carga da bateria. Portanto, esse arranjo não será utilizado nesse trabalho.

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3.1.3 Configuração totalmente ativa

A configuração mostrada na Figura 3.4 resolve os problemas sobre a regulação de tensão do barramento, fazendo uso de dois conversores CC-CC. A tensão de saída passa a ser independente da tensão das fontes.

Figura 3.4 - Sistema híbrido totalmente ativo.

O sistema híbrido totalmente ativo, cujo projeto é discutido em (SOLERO, LIDOZZI e POMILIO, 2005), reúne vantagens das configurações discutidas anteriormente, adaptando-se às necessidades dos sistemas de propulsão para o automóvel. Esta configuração ainda permite ter uma tensão de saída maior do que a tensão da bateria e do ultracapacitor.

A presença de dois conversores CC-CC permite ainda mais flexibilidade da estratégia de controle, pois é possível controlar independentemente o fluxo de potência de ambas as fontes. Essa propriedade mostra-se importante pela possibilidade de limitar a corrente da bateria em situações de baixo estado de carga ou de alta temperatura.

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