Thayane Almeida Alves
Aplicação de supercapacitores em bicicleta
elétrica de curta jornada
Campinas 2019
Aplicação de supercapacitores em bicicleta elétrica de curta
jornada
Dissertação apresentada à Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação da Universidade Estadual de Campinas como parte dos requisitos exigidos para a obtenção do título de Mestra em En-genharia Elétrica, na Área de Energia Elétrica.
Supervisor/Orientador: Hudson Giovani Zanin
Este exemplar corresponde à versão final da dissertação defendida pela aluna Thayane Almeida Alves, e ori-entada pelo Prof. Dr. Hudson Gio-vani Zanin.
Campinas 2019
Luciana Pietrosanto Milla - CRB 8/8129
Alves, Thayane Almeida,
AL87a AlvAplicação de supercapacitores em bicicleta elétrica de curta jornada / Thayane Almeida Alves. – Campinas, SP : [s.n.], 2019.
AlvOrientador: Hudson Giovani Zanin.
AlvDissertação (mestrado) – Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação.
Alv1. Supercapacitores. 2. Bicicletas. 3. Veículos elétricos. 4. Conversores. I. Zanin, Hudson Giovani, 1983-. II. Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação. III. Título.
Informações para Biblioteca Digital
Título em outro idioma: Application of supercapacitors in electric bicycle of short journey Palavras-chave em inglês:
Supercapacitors Bicycles
Electric vehicles Converters
Área de concentração: Energia Elétrica Titulação: Mestre em Engenharia Elétrica Banca examinadora:
Hudson Giovani Zanin [Orientador] Madson Cortes de Almeida
Tárcio André dos Santos Barros
Data de defesa: 25-04-2019
Programa de Pós-Graduação: Engenharia Elétrica Identificação e informações acadêmicas do(a) aluno(a)
- ORCID do autor: 0000-0002-5338-6387
- Currículo Lattes do autor: http://lattes.cnpq.br/0286794034425875
Candidato: Thayane Almeida Alves RA:192715
Data da defesa: 25 de abril de 2019
Título da Dissertação: “Aplicação de supercapacitores em bicicleta elétrica de curta
jornada.”
Prof. Dr. Hudson Giovani Zanin (Presidente, FEEC/UNICAMP) Prof. Dr. Tárcio André dos Santos Barros (FEM/UNICAMP) Prof. Dr. Madson Cortes de Almeida (FEEC/UNICAMP)
A ata de defesa, com as respectivas assinaturas dos membros da Comissão Julgadora, encontra-se no processo de vida acadêmica do aluno.
Dedico esse trabalho à Deus, aos meus pais, ao meu irmão, aos meus sobrinhos e a todos os amigos e amigas que contribuíram para essa realização.
Agradeço primeiramente a Deus, que me permitiu está aqui hoje. Sei que se não fosse pela misericórdia e pelo poder dEle não teria conseguido. Obrigada Pai, por me permitir viver sonhos mais altos e mais elevados que os meus.
Também agradeço a minha família que sempre me apoia e contribui para realização de todos os meus projetos. Agradeço a família que encontrei aqui durante esse tempo.
Agradeço ao professor Hudson Zanin, por sua orientação e apoio durante a caminhada.
Agradeço ao professor, Antenor Pomílio que me direcionou e forneceu suporte técnico para iniciar o desenvolvimento da parte eletrônica desse trabalho.
Agradeço aos professores membros da banca de defesa, pela compreensão e suporte durante a elaboração do presente texto.
Agradeço aos funcionários do almoxarifado e SATE da Unicamp que contribuíram de forma efetiva com a execução do projeto.
Agradeço aos amigos que contribuíram muito para realização desse trabalho por meio de orações, conversas e suporte técnico.
Este trabalho foi vinculado ao projeto Jovem Pesquisador, sob o auxílio financeiro da FAPESP através do processo 2017/02634-8, o meu muito obrigado.
Os veículos elétricos ganham crescente destaque no cenário contemporâneo, pois apontam um caminho de possibilidades para melhoria da mobilidade urbana. A substituição percentual na frota de veículos a combustão por elétricos reduziria a queima de combustíveis fósseis, diminuindo a emissão de gases poluentes ao meio ambiente. Dentre os diversos veículos elétricos, as bicicletas elétricas se destacam pois combinam a atividade física de pedalar com a eficiência no deslocamento, promovendo melhoria na saúde e no bem-estar do usuário. As bicicletas elétricas, também conhecidas como e-bike, são uma alternativa viável ao uso de veículos convencionais como, por exemplo, carros e motocicletas, especialmente em cenários de curtas jornadas. Pode se entender como curta jornada o deslocamento dentro de regiões centrais de cidades, condomínios, universidades e etc. A faixa de autonomia das e-bikes convencionais (alimentadas por baterias) é da ordem de 20 km contudo, o seu banco de baterias levam até 6h para recarregar. Dentro deste contexto, propomos o desenvolvimento uma prova de conceito de e-bike alimentada por supercapacitores. O uso de supercapacitores confere as e-bikes alta densidade de potência, reduzindo tempo de recarga e permitindo deslocamentos curtos de ∼1,5 km. Esses avanços foram possíveis devido ao desenvolvimento de um conversor CC-CC elevador de tensão que realiza a transferência de energia entre o banco de supercapacitores e o motor. Tal conversor também atuou para o melhor uso da energia armazenada nos supercapacitores, regulando a tensão de entrada do motor. Em paralelo ao desenvolvimento do sistema eletroeletrônico da bicicleta buscou-se o estudo de técnicas para o desenvolvimento de supercapacitores em laboratório. Os dispositivos produzidos pelo grupo foram encapsulados em células tipo moeda permitindo a caracterização eletroquímica e validação do seu funcionamento. Essas caracterizações são importantes para posterior produção de dispositivos de maior capacidade de armazenamento de energia. Em uma visão geral, este trabalho contribuiu abrindo uma variedade de frentes de atuação para o grupo permitindo a produção de um protótipo de veículo elétrico com atribuições de produto. Espera-se que esta pesquisa seja continuada e que contribua para a produção de e-bikes ou tecnologias correlatas no mercado brasileiro.
Electric vehicles are gaining increasing prominence in the contemporary scenario, as they point to a path of possibilities for improving urban mobility. The percentage replacement in the fleet of combustion vehicles by electric would reduce the burning of fossil fuels, reducing the emission of polluting gases to the environment. Amongst the various electric vehicles, electric bicycles stand out because they combine the physical activity of pedaling with the efficiency in the displacement, promoting improvement in the health and well-being of the user. Electric bikes, also known as e-bikes, are a viable alternative to the use of conventional vehicles such as cars and motorcycles, especially in short journeys scenarios. It can be understood as short journey the displacement within central regions of cities, condominiums, universities and etc. The autonomy range of conventional e-bikes (powered by batteries) is in the order of 20 km however, its bank of batteries take up to 6 hours to recharge. Within this context, we propose the development of a proof of concept of e-bike powered by supercapacitors. The use of supercapacitors confers e-bikes high power density, reducing recharge time and allowing short shifts of ∼1,5 km. These advances were possible due to the development of a DC-DC voltage converter converter that performs the transfer of energy between the supercapacitor bank and the motor. Such a converter also acted for the best use of the energy stored in the supercapacitors by regulating the input voltage of the motor. Parallel to the development of the electronic-electric bicycle system, the study of techniques for the development of supercapacitors in the laboratory was sought. The devices produced by the group were encapsulated in coin-like cells allowing the electrochemical characterization and validation of their functioning. These characterizations are important for subsequent production of devices with higher energy storage capacity. In an overview, this work contributed by opening a variety of fronts for the group enabling the production of an electric vehicle prototype with product assignments. It is hoped that this research will be continued and contribute to the production of e-bikes or related technologies in the brazilian market.
2.1 Representação esquemática dos diferentes tipos de supercapacitor: (a) capa-citor de dupla camada elétrica (EDLCs, sigla do inglês, Electric Double Layer Capacitors); (b) pseudocapacitores; (c) capacitores híbridos - adaptado [1] 21 2.2 Gráfico de Ragone: densidade de potência em função da densidade de energia
para diferentes dispositivos de armazenamento de energia - adaptado [2] . . 23
2.3 Comparação do comportamento de carga e descarga para capacitores e baterias ideais - adaptado [3] . . . 24
2.4 Conversor elevador de tensão adaptado . . . 25
3.1 Sistema com forno de deposição química de vapor . . . 29
3.2 Pré-tratamento da folha de alumínio - adaptado [4]. . . 30
3.3 Eletrodeposição de níquel sobre a folha de alumínio - adaptado [4]. . . 31
3.4 Vista superior e diagrama esquemático da montagem da célula tipo moeda - adaptado [5]. . . 32
3.5 Dispositivo encapsulado para realização dos testes eletroquímicos. . . 33
3.6 Curvas de voltametria cíclica (a) e carga/descarga galvanostática (b) -adaptado [5]. . . 34
3.7 Micrografias SEM da folha de alumínio antes (a) e após etapa de pré-tratamento (b-c) - adaptado [5]. . . 35
3.8 Microscopia eletrônica de varredura do eletrodo de carbono mesoporoso crescido sobre coletor de corrente de alumínio - adaptado [5]. . . 35
3.9 Espectros Raman do carbono mesoporoso em diferentes linhas de lasers de excitação (a) evidenciando as bandas características dos materiais a base de carbono (b), detalhe do espectro do carbono mesoporoso mostrando a banda G’ em diferentes linhas de lasers de excitação (c) - adaptado [5]. . . 36
3.10 Curva da capacitância específica em função da densidade de corrente -adaptado [5]. . . 38
3.11 Curva Ragone - adaptado [5]. . . 39
4.1 Exemplo de percurso a ser seguido. . . 41
4.2 Sistema de armazenamento e fornecimento de energia para bicicleta elétrica de curta jornada . . . 41
4.3 Motor BLDC adaptado no cubo dianteiro da bicicleta . . . 42
4.4 Banco de supercapacitores montado . . . 44
4.5 Curva de descarga de um capacitor - adaptado [6] . . . 45
4.6 Representação do circuito RC. . . 46
4.7 Curvas de operação do conversor boost no modo de condução contínua. . . 47
4.8 Esquema elétrico do conversor implementado no Simulink/Matlab . . . 50
5.1 Teste preliminar com a e-bike implementado em laboratório . . . 54 5.2 Bicicleta montada com sistema elétrico desenvolvido. . . 56 5.3 Teste (a) - percurso realizado com a bicicleta com propulsão somente por
pedal, dados fornecidos pelo Strava. . . 57 5.4 Curva de velocidade em função do deslocamento obtida no teste (a)
-adaptado de Strava. . . 57 5.5 Teste (b) - percurso realizado com a bicicleta com propulsão somente elétrica,
dados fornecidos pelo Strava. . . 58 5.6 Curva de velocidade em função do deslocamento obtida no teste (b)
-adaptado de Strava. . . 59 5.7 Teste (c) - Percurso realizado com a bicicleta com propulsão por pedal &
elétrico, dados fornecidos pelo Strava. . . 60 5.8 Curva de velocidade em função do deslocamento obtida no teste (c)
2.1 Dados nominais das bicicletas elétricas comerciais - adaptado [7] e [8] . . . 18
2.2 Avaliação das características técnicas das baterias de íon de lítio - adaptado [7] 19 3.1 Análise XPS e EDS do eletrodo de carbono mesoporoso - adaptado [5] . . . 36
3.2 Valores da resistência série calculados para os dispositivos - adaptado [5] . 37 4.1 Características técnicas do banco de supercapacitores . . . 43
4.2 Especificações do banco de supercapacitores . . . 45
4.3 Especificações para projeto do conversor boost . . . 47
4.4 Especificações dos componentes do circuito de potência . . . 49
5.1 Características do sistema testado em campo . . . 56
5.2 Teste (a) - Resumo dos dados obtidos pelos aplicativos de rastreamento . . 58
5.3 Teste (b) - Resumo dos dados obtidos pelos aplicativos de rastreamento . . 59
5.4 Teste (c) - Resumo dos dados obtidos pelos aplicativos de rastreamento . . 61
BLDC Brushless Direct-Current
CC-CC conversão de corrente contínua para corrente contínua
FEEC Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação
PWM PWM, do inglês, Pulse Width Modulation
SATE Setor de Apoio Técnico ao Ensino
SCs supercapacitores
1 Introdução 15 2 Mobilidade Urbana 17 2.1 Bicicletas elétricas . . . 18 2.2 Capacitores elétricos . . . 19 2.2.1 Supercapacitores . . . 20 2.3 Conversores CC-CC . . . 25 3 Desenvolvimento de supercapacitores 27 3.1 Produção dos eletrodos . . . 28
3.1.1 Definindo coletor de corrente . . . 28
3.1.2 Síntese . . . 29
3.1.3 Síntese de Carbono Mesoporoso . . . 30
3.2 Encapsulamento do dispositivo e técnicas de caracterização . . . 31
3.3 Resultados . . . 34
3.3.1 Caracterização dos eletrodos . . . 34
3.3.2 Caracterização eletroquímica . . . 37
4 Desenvolvimento do sistema eletrônico 40 4.1 Introdução . . . 40
4.2 Motor escolhido . . . 42
4.3 Banco de supercapacitores . . . 42
4.4 Conversor CC-CC . . . 46
4.4.1 Dimensionamento do circuito de potência . . . 47
4.5 Resultados obtidos . . . 49
4.5.1 Simulação do conversor . . . 49
4.5.2 Implementação do conversor boost . . . 51
5 Teste e validação do sistema 54 5.1 Teste preliminar de bancada . . . 54
5.2 Teste de campo . . . 55
6 Conclusão 64
Capítulo 1
Introdução
Estudos indicam que o aquecimento global e a poluição atmosférica estão relacio-nados com a queima de combustíveis fósseis. Os efeitos da queima desses combustíveis interferem no funcionamento natural do ecossistema terrestre, causando inclusive danos à saúde humana [9]. Dentro deste contexto, as nações por meio dos estados e de empresas privadas do setor de energia estão buscando soluções energéticas ao petróleo, focando na transição para energias renováveis [10]. Estas novas energias devem representar considerável parte da matriz energética mundial, o que exigirá desenvolvimento da engenharia para o manejo, uma vez que tais energias são intermitentes. Novas tecnologias de armazenamento de energia elétrica estão sendo desenvolvidas com intuito de auxiliar neste manejo [3].
No que tange a mobilidade urbana, uma alternativa em destaque aos veículos convencionais a combustão dos derivados do petróleo são os veículos elétricos (VEs). Os VEssão realidade em diversas atividades e destacam-se como uma solução eminente para a
mobilidade urbana individual e coletiva. Dentre os diversos veículos elétricos, destacaremos o papel das bicicletas, neste cenário. Isso porque, em pesquisa recente sobre os meios de transporte em São Paulo [11], foi testado qual meio de transporte circula mais rápido no horário de maior movimento. Na pesquisa foram considerados o transporte por meio de metrô, trem, carro, moto, caminhada, corrida e bicicleta; como resultado a bicicleta completou o trecho em menor tempo [11]. Cidades como Amsterdam, Paris, Madri, Atenas e Londres estão modificando o trânsito nas regiões centrais, favorecendo a circulação de pedestres e reduzindo o movimento de carros. Esse cenário é bastante propicio para o uso de bicicletas permitindo que o usuário economize tempo além de promover melhoria na sua saúde por meio da atividade física realizada. As bicicletas elétricas oferecem uma alternativa de transporte interessante quando consideramos que alguns usuários não são motivados à atividade física ou não querem chegar ao trabalho transpirando, por exemplo. Dentro deste contexto o número de bicicletas elétricas, também conhecidas como e-bikes só tem aumentado no mundo. Contudo o maior inconveniente das e-bikes é o mesmo que dos demais veículos elétricos, as suas baterias levam horas para serem recarregadas e isso é um grande limitador destas tecnologias. De fato, nem sempre o usuário está atento à
carga e a autonomia do sistema, principalmente que a recarga da bateria pode levar horas e inviabilizar o deslocamento.
Para contornar essa problemática, propomos o desenvolvimento de uma bicicleta elétrica movida a supercapacitores (SCs) que carrega em minutos e permite ao usuário realizar curtas jornadas de até 1,5 km. O capítulo 2 apresenta uma revisão da literatura com os principais conceitos utilizados durante o desenvolvimento do presente trabalho. No capítulo 3 têm-se a metodologia de desenvolvimento para a confecção deSCs em células do
tipo moeda como prova de conceito. O capítulo 4, apresenta a metodologia utilizada no desenvolvimento do sistema eletrônico para possibilitar a aplicação de SCs como fonte de alimentação de uma bicicleta. Os resultados dos testes do sistema eletrônico desenvolvido e a avaliação da autonomia da bicicleta estão dispostos no capítulo 5. No capítulo 6 foram apresentadas as conclusões gerais do trabalho.
Capítulo 2
Mobilidade Urbana
O capítulo 2 apresenta uma visão geral dos veículos elétricos no cenário da mobilidade urbana. Também são mostradas as principais características das bicicletas elétricas comerciais e alguns dos conceitos elementares a respeito dos supercapacitores e conversores CC-CC.
Os desafios encontrados no cenário da transição dos veículos convencionais para veículos elétricos estão relacionados com os sistemas de armazenamento de energia no que diz respeito respeito ao custo, à segurança e às questões gerais de gerenciamento. Atualmente, têm-se buscado desenvolver sistemas de armazenamento de energia híbridos (sistemas com diferentes fontes de armazenamento), nos quais realiza-se gerenciamento de energia por meio da eletrônica de potência. O gerenciamento das fontes de energia promove aproveitamento eficiente da energia total armazenada, melhorando o desempenho dos veículos elétricos. Cada vez mais busca-se desenvolver sistemas de armazenamento de energia econômicos e eficientes, com maior durabilidade para aplicação em veículos elétricos [3]. As principais fontes de armazenamento de energia utilizadas atualmente em veículos elétricos são baterias, células de combustível e supercapacitores (SCs). Os veículos elétricos podem ser classificados de acordo com a fonte de energia que utilizam. Na literatura são encontradas algumas classificações como veículos elétricos híbridos (HEVs, do inglês Hybrid Electric Vehicles), veículos elétricos movidos a bateria (BEVs, do inglês, Battery Electric Vehicles), veículos elétricos híbridos plug-in, veículos elétricos fotovoltaicos e veículos elétricos a célula de combustível [10]. Dentro desse cenário, os supercapacitores podem ser usados como única fonte de armazenamento e fornecimento de energia para um dado sistema ou também podem ser associados com outros dispositivos como as baterias ou as células de combustível, caracterizando assim um sistema híbrido de armazenamento de energia.
2.1
Bicicletas elétricas
Há algumas décadas, as bicicletas elétricas estão entrando no mercado, e em alguns países essas bicicletas podem ser totalmente alimentadas por um motor elétrico mas em países como o Japão, as bicicletas elétricas devem operar com pelo menos 50% da propulsão via pedal. A velocidade máxima das bicicletas elétricas é regulamentada pela legislação de trânsito de cada país [7]. No Brasil, o uso de bicicletas elétricas está regulamentado pela Resolução Nº 465 de novembro de 2013. De acordo com essa resolução a velocidade máxima permitida para circulação com bicicleta elétrica nas ciclovias é de 25
km/h. Além disso, outras exigências são definidas em relação a potência nominal máxima
do motor, ao sistema de acionamento elétrico e aos requisitos de segurança do ciclista [12]. As bicicletas elétricas podem ser usadas para diferentes objetivos, por exemplo, como um veículo para policiais e agentes de trânsito, como uma bicicleta guia durante corridas, como um veículo de passeio ou para outros fins diversos. Nos Estados Unidos, as bicicletas elétricas são usadas com mais frequência para viagens curtas a lanchonetes ou para passeios de lazer [7].
Os principais aspectos que favorecem o uso de bicicletas elétricas são a redução de custos relacionados com seguros, licenças, registro, estacionamento, melhoria do fluxo de tráfego, responsabilidade ambiental, além dos benefícios para a saúde do ciclista. Na Tabela 2.1 têm-se uma visão geral das características nominais das bicicletas elétricas comerciais (movidas a bateria). As especificações técnicas das bicicletas elétricas podem variar de acordo com o modelo da bicicleta e com as condições de funcionamento para as quais a bicicleta elétrica foi projetada [7].
Tabela 2.1: Dados nominais das bicicletas elétricas comerciais - adaptado [7] e [8] Desempenho geral das bicicletas elétricas comerciais
Velocidade média 19 km/h Autonomia 16-80 km Tempo de carga 2-6 h Ciclos de carga/descarga 400-1000 Energia consumida 100-500 Wh Tensão nominal 12-36 V
Observando a Tabela 2.1 percebe-se que a autonomia das bicicletas elétricas comerciais varia de 16 a 80 km; essa é uma característica favorável para os usuários que desejam percorrer longas distâncias mas ao mesmo nota-se que o tempo de recarga e a vida útil das baterias precisam ser levados em consideração.
A análise do cenário contextual em que a bicicleta elétrica será utilizada possibilita a inserção de novas fontes de armazenamento como alternativa às baterias de íon de lítio. A Tabela 2.2 mostra as características técnicas gerais de um banco de baterias (íon de
lítio) utilizado nas bicicletas elétricas comerciais.
Tabela 2.2: Avaliação das características técnicas das baterias de íon de lítio - adaptado [7] Banco de baterias de uma bicicleta elétrica comercial
Tensão nominal 36 V
Capacidade de corrente 10 Ah
Energia armazenada 360 Wh
Autonomia 35 km
Tempo de carga 4-6 horas
Ciclos de carga/descarga 2000-3000
O uso de bicicletas convencionais não é incomum nas cidades mas elas são nor-malmente utilizadas em ocasiões de lazer e esporte. Já as bicicletas elétricas apresentam-se como um meio de transporte mais eficiente podendo ser utilizadas em curtas jornadas, como por exemplo, no intervalo de almoço do expediente de trabalho; alguns contextos são bastante favoráveis como no campus de uma universidade, em regiões centrais das grandes cidades, em cidades turísticas ou em outros lugares em que a jornada de deslocamento é relativamente curta, de aproximadamente 1,0 km. Acreditamos que se estas e-bikes estiverem disponíveis em pequenas centrais e com acesso facilitado por aplicativos de smartphone, como o caso similar demonstrado pela Yellow, as pessoas irão utilizá-las. Dentro deste contexto, iremos apresentar como podemos montar uma bicicleta de carrega-mento rápido, mas para tal iniciaremos apresentando os SCs, considerando o que são e como funcionam.
2.2
Capacitores elétricos
De modo geral, um capacitor é um componente passivo que armazena energia em um campo eletrostático e não na forma química. Consiste em dois eletrodos paralelos (placas) separados por um dielétrico. O capacitor é carregado pela aplicação de uma diferença de potencial entre os eletrodos, o que faz com que cargas positivas e negativas migrem em direção à superfície de eletrodos de polaridade oposta. Quando um capacitor carregado é conectado em um circuito atuará como uma fonte de tensão por um curto período de tempo [3]. A capacitância (C), é medida em Farads (F ), é definida como a razão entre a carga elétrica de cada eletrodo (Q) e a diferença de potencial entre eles (V ), definida pela Equação 2.1.
C = Q
V (2.1)
Nos capacitores de placas paralelas, C é proporcional à área (A) de cada eletrodo e a permissividade () do dielétrico é inversamente proporcional à distância (d) entre os
eletrodos [3], conforme mostrado na Equação 2.2.
C = 0.r.A
d (2.2)
onde, 0 é a permissividade elétrica no vácuo e r é a constante dielétrica (ou permissividade relativa) do material entre as placas. Portanto, os três principais fatores que determinam a capacitância de um capacitor são [3]:
• área das placas (comum aos dois eletrodos) • distância de separação entre os eletrodos • características do dielétrico utilizado
Entre os atributos primários de um capacitor estão a densidade de energia e potência, os quais podem ser expressos como uma quantidade por unidade de peso (energia ou potência específica) ou por volume unitário [3].
A energia E, medida em Joules (J ) armazenada em um capacitor está relacionada com a carga Q, medida em Coulombs (C), e com a diferença de potencial V medida em Volts (V ) definido pela Equação 2.3.
E = 1
2C.V
2 (2.3)
A energia máxima é alcançada ocorre quando tensão é máxima, o que geralmente é limitado pela tensão de ruptura do dielétrico. Em geral, a potência (P ) é a taxa de entrega de energia por unidade de tempo. A resistência dos componentes internos do capacitor deve ser levada em consideração para determinar a potência do capacitor. O valor da resistência desses componentes é geralmente medido em coletivamente e referido como a resistência em série equivalente (ESR, do inglês, Equivalent Series Resistance). A ESR introduz uma queda de tensão, que limita a energia e a potência máxima do capacitor como pode ser observado na Equação 2.4 [3].
Pmax =
V2 4Resr
(2.4) Da Equação 2.4 obtém-se que o valor da potência máxima é inversamente pro-porcional a resistência série do dispositivo. No entanto, embora a resistência de um bom capacitor seja tipicamente muito menor do que a resistência da carga conectada, a potência de pico real, embora ainda muito alta, é geralmente menor que Pmax [3].
2.2.1
Supercapacitores
Os capacitores eletroquímicos, ou supercapacitores, são capacitores eletroquímicos cujo princípio de funcionamento envolve carga e descarga da interface eletrodo-eletrólito
por processo eletrostático e ou troca de carga como nas baterias. É desejável que se utilize materiais de elevada área superficial como carvão ativado, nanotubos de carbono combinado com alguns óxidos metálicos e/ou polímeros condutores [13]. Os capacitores eletroquímicos são regidos pelos mesmos princípios básicos dos capacitores convencionais e são ideais para aplicações que exijam rápida liberação de energia. No entanto, eles incorporam eletrodos com área superficial muito maiores e dielétricos mais finos (que são definidos pela espessura da dupla camada), levando a um aumento tanto na capacitância quanto na energia armazenada. Enquanto os capacitores convencionais são frequentemente classificados nas faixas de micro e mili farads, os capacitores eletroquímicos podem ser classificados em dezenas, centenas e até milhares de farads por dispositivo [3].
Na literatura são encontrados 3 tipos de capacitores eletroquímicos que são classificados de acordo com o mecanismo envolvido no processo de armazenamento de energia: capacitores de dupla camada elétrica (supercapacitores), pseudocapacitores (supercapacitores faradáicos) e supercapacitores híbridos. A Figura 2.1 exemplifica o
mecanismo interno de cada um deles.
Figura 2.1: Representação esquemática dos diferentes tipos de supercapacitor: (a) capacitor de dupla camada elétrica (EDLCs, sigla do inglês, Electric Double Layer Capacitors); (b) pseudocapacitores; (c) capacitores híbridos - adaptado [1]
Como pode ser observado na Figura 2.1, o eletrólito na maioria dos capacitores eletroquímicos é uma solução líquida responsável pela transferência iônica dentro capacitor. Na literatura são reportados outros tipos de eletrólitos (sólido e gel), contudo a grande maioria das pesquisas e desenvolvimento de dispositivos comerciais estão concentradas no uso de eletrólitos líquidos.
Os eletrólitos líquidos podem ser classificados como: aquosos, não-aquosos e os líquidos iônicos; sendo que a escolha do eletrólito interfere nas características nominais do capacitor, dentre as quais está a tensão de operação máxima. A tensão de operação máxima,
ou tensão nominal dos capacitores eletroquímicos é um fator importante que influencia os valores de energia e potência específica, conforme evidenciado pelas Equações 2.3 e 2.4. Os eletrólitos aquosos podem suportar tensão nominal máxima de aproximadamente 1 V , os não-aquosos suportam tensão nominal de 2,5 a 2,7 V e os líquidos iônicos trabalham de em tensões de 3 a 6 V . Para todos os tipos de eletrólitos, a tensão de operação é baixa quando comparamos supercapacitores com os capacitores convencionais [3].
Dada a limitação na tensão nominal que se têm nos supercapacitores, em aplica-ções que demandam valores maiores de tensão são construídos bancos de supercapacitores através da associação em série dos capacitores eletroquímicos. Assim como nos capacitores convencionais, as Equações 2.5 e 2.6 definem o valor da tensão e da capacitância resultante da associação dos capacitores em série, respectivamente:
Veq = V1+ V2+ ...Vn (2.5)
Ceq =
Cn
n.Cn−1 (2.6)
Onde Veqé a tensão equivalente, resultante da soma de todas as tensões individuais de cada capacitor e Ceq é a capacitância equivalente do banco.
A associação em série dos capacitores resulta no aumento da tensão equivalente e na diminuição da capacitância equivalente. Contudo, a associação em paralelo dos capacitores resulta no aumento da capacitância equivalente, como pode ser observado pela Equação 2.7.
Ceq= C1+ C2+ ...Cn (2.7) Onde, Ceq é a capacitância equivalente do banco resultante da soma de todas as capacitâncias individuais de cada capacitor.
Os capacitores de dupla camada elétrica (EDLCs, sigla do inglês, Electric Double Layer Capacitors) também conhecidos na literatura como supercapacitores são aplicados principalmente em sistemas que requerem alta potência como por exemplo aceleração de veículos, bondes, guindastes, empilhadeiras, sistemas de emergência, entre outros. Além disso, devido ao seu baixo tempo de recarga, eles podem armazenar energia rapidamente, por exemplo, durante a desaceleração ou frenagem de veículos. Embora os supercapacitores sejam capazes de fornecer alta potência com um longo ciclo de vida em comparação com as baterias, eles possuem baixa densidade de energia por volta de 1/30 em relação as baterias.
Em relação ao armazenamento de energia, torna-se cada vez mais necessário o desenvolvimento de dispositivos mais eficazes, leves e compactos para atender a crescente demanda de armazenamento de energia. Visando aumentar a densidade de energia nos supercapacitores, é necessário aprimorar os materiais dos eletrodos e eletrólitos . Os eletrodos mais empregados nos supercapacitores são majoritariamente composto por
carvão ativado com poros de tamanho micro e meso, combinados com óxidos metálicos. Os poros encontrados nos materiais de carbono são classificados de acordo com o diâmetro, sendo considerados microporos, os poros de diâmetro menor que 2 nm; mesoporos, os poros de diâmetro entre 2–50 nm e macroporos os poros de diâmetro maior que 50 nm. De maneira geral os materiais de carbono possuem boa a estabilidade química, elevada condutividade elétrica e alta área superficial. Já os óxidos metálicos, introduzem ao sistema comportamento faradáico (pseudocapacitores) como nas baterias [3].
As fontes de armazenamento energia são comumente classificadas de acordo com a densidade de energia e a densidade de potência, essa classificação pode ser mais bem visualizada pelo gráfico de Ragone, conforme Figura 2.2. As baterias de íon de lítio possuem alta densidade de energia e baixa densidade de potência. Por outro lado, os supercapacitores possuem menor densidade de energia e alta densidade de potência. Contudo, se comparados aos capacitores convencionais, os supercapacitores apresentam maior densidade de energia [14].
Figura 2.2: Gráfico de Ragone: densidade de potência em função da densidade de energia para diferentes dispositivos de armazenamento de energia - adaptado [2]
Pode ser observado na Figura 2.2 que a densidade de energia máxima dos capacitores de dupla camada elétrica é de aproximadamente 5 W h/kg enquanto que nas baterias de íon de lítio é da ordem de 150 W h/kg. Por outro lado, a densidade de potência máxima dos supercapacitores é da ordem de 10000 W/kg e nas baterias de íon de lítio é
900 W/kg. Dentro deste viés, na ciência se busca o dispositivo híbrido que tenha o melhor dos dois dispositivos; na engenharia busca-se trabalhar com os dispositivos de forma a um complementar o outro.
Dentre os dispositivos apresentados na Figura 2.1, o presente trabalho trará ênfase no capítulo 3 na abordagem das técnicas de desenvolvimento e caracterização dos capacitores de dupla camada elétrica.
Outra característica importante dos capacitores é o comportamento dinâmico da tensão em função do tempo. Quando ocorre um aumento (carregamento) ou diminuição (descarregamento) na tensão de um capacitor, como resultado ocorrerá aumento ou
dimi-nuição na carga armazenada nos eletrodos do capacitor, isso pode ser entendido por meio da Equação 2.1. Em contrapartida, as baterias geralmente mantém tensão praticamente constante durante o tempo de cargamento e descarregamento. O comportamento carga e descarga de ambos pode ser visto na Figura 2.3.
Figura 2.3: Comparação do comportamento de carga e descarga para capacitores e baterias ideais - adaptado [3]
Portanto, para aplicações que exigem uma tensão de saída constante, os capaci-tores precisarão de um circuito de conversão de corrente contínua para corrente contínua (CC-CC) para regular e estabilizar a tensão de saída. Na próxima seção serão apresentados alguns conceitos importantes a respeito dos conversoresCC-CC que foram utilizados no desenvolvimento do presente trabalho.
2.3
Conversores CC-CC
Na literatura, encontramos diversos trabalhos relacionados ao desenvolvimento de veículos elétricos nos quais tem-se a aplicação de conversoresCC-CCpara possibilitar
o desenvolvimento do sistema de armazenamento de energia do veículo. O uso desses conversores nem sempre é necessário em veículos elétricos, mas em alguns casos apresentam-se como solução viável. Os conversoresCC-CCpossibilitam a integração de fontes de energia de características diferentes (sistemas híbridos), também permitem por exemplo, a aplicação de uma fonte de energia que possui tensão diferente da tensão nominal exigida pela carga. Nesse trabalho um conversor elevador de tensão (boost) é aplicado para ajustar o nível de tensão da fonte de alimentação (banco de supercapacitores) ao nível de tensão nominal da carga. A Figura 2.4 apresenta o circuito genérico do conversor elevador de tensão.
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Revision Page 1 of 1 Figura 2.4: Conversor elevador de tensão adaptado
No circuito da Figura 2.4, quando g é ligado, a tensão Vi é aplicada ao indutor, polarizando reversamente o diodo (pois Vo > Vi). Nesse caso, acumula-se energia no indutor (L), que será transferida ao capacitor (Co) e à carga (Ro) quando g desligar. A corrente de saída, é sempre descontínua, enquanto a corrente de entrada pode ser contínua ou descontínua [15]. A tensão de saída deve ser considerada para o dimensionamento tanto do diodo quanto do transistor. A Equação 2.8 relaciona a tensão de saída do conversor com a tensão de entrada:
Vo =
Vi
1 − δ (2.8)
Reescrevendo a Equação 2.8, temos:
Vo
Vi
= 1
1 − δ (2.9)
Na Equação 2.8, Vo é a tensão de saída, Vi é a tensão de entrada e δ é a razão cíclica do conversor que irá acionar g. Observando a Equação 2.9, quando a razão cíclica
tende ao valor 1, a tensão de saída tende para infinito, isso teoricamente. No entanto, os elementos parasitas e não ideais do circuito impedem o crescimento da tensão acima de certo limite, ou seja, as perdas nos elementos resistivos se tornam maiores do que a energia transferida pelo indutor para a saída [15].
Para consolidar o objetivo do projeto os nos próximos capítulos os esforços foram divididos em duas frentes de pesquisa, sendo que a primeira se concentrou no estudo e desenvolvimento de supercapacitores e a segunda na concepção do sistema de armazenamento e fornecimento de energia usando supercapacitores para alimentar a bicicleta elétrica de curtas jornadas.
Capítulo 3
Desenvolvimento de supercapacitores
O Capítulo 3 apresenta a metodologia geral para desenvolvimento de superca-pacitores utilizada em laboratório. Na seção 3.1 apresenta-se o método de produção dos eletrodos. A seção 3.2 apresenta as técnicas de encapsulamento e caracterização dos dispo-sitivos. Os resultados da caracterização dos eletrodos e da caracterização eletroquímica estão apresentados na seção 3.3.
Os materiais mais amplamente utilizados para produção de EDLCs são materiais à base de carbono, como carbono ativado, nanotubos de carbono de paredes múltiplas, fulerenos, grafenos, etc., devido a sua alta área superficial e custo moderado. Geralmente, os materiais a base de carbono são de baixo custo e apresentam em sua superfície a formação de poros de tamanhos diversificados. Na literatura esses poros são classificados como: micro, meso e macro, de acordo com o diâmetro interno. Os macroporos normalmente são de fácil acesso para os eletrólitos mais comuns, promovendo melhor transferência de massa para íons do eletrólito dentro do poro. Na literatura, são reportados na produção de supercapacitores os eletrólitos aquosos, os líquidos iônicos e os eletrólitos não-aquosos. Dentre os quais, os eletrólitos aquosos têm maior condutividade iônica, menor custo e citotoxicidade, na maioria dos casos possuem maior capacitância e não são inflamáveis [3]. Por outro lado, os eletrólitos aquosos trabalham em menor janela de potencial, reduzindo assim a capacidade de armazenamento de energia do dispositivo.
A crescente busca por melhoria na interação entre a interface do eletrodo e os íons do eletrólito está diretamente vinculada com a produção de EDLCs com melhor capacidade de armazenamento de energia. O carvão ativado é um dos materiais mais promissores para produção de eletrodos, porém apresentam baixa condutividade elétrica, alta resistência interna e, portanto, podem reduzir o transporte de carga no interior do dispositivo, prejudicando desempenho [16]. Em pesquisas recentes, esforços têm sido concentrados na busca por novos materiais que superem as desvantagens dos eletrodos produzidos com carvão ativado. Entre os materiais de carbono, o grafeno tem a maior área superficial apresentando-se como uma opção vantajosa frente ao carvão ativado. No entanto, o grafeno possui estruturas de poros instáveis que dificultam o transporte eficiente
dos íons nas regiões ativas do material do eletrodo [17].
Nas seções seguintes serão apresentadas as técnicas utilizadas no desenvolvi-mento dos EDLCs, bem como os métodos aplicados na caracterização dos materiais que foram produzidos experimentalmente em laboratório. A caracterização eletroquímica dos dispositivos produzidos também será apresentada.
3.1
Produção dos eletrodos
O estudo e desenvolvimento de capacitores de dupla camada elétrica teve início com a busca dos parâmetros de crescimento de filmes de materiais a base de carbono através da técnica conhecida como deposição química de vapor (CVD, sigla do inglês, Chemical Vapor Deposition). Durante a pesquisa, foram investigados diversos parâmetros de crescimento, entre os quais estão o tipo de substrato, temperatura e tempo de deposição. Os esforços foram concentrados em desenvolver métodos para depositar material a base de carbono sobre substratos com boas características elétricas, como por exemplo, folhas de alumínio. O desenvolvimento desses materiais é algo estratégico. Novos materiais têm possibilitado o desenvolvimento de dispositivos mais avançados e com melhor capacidade de armazenamento de energia. [3]. Nesse cenário, os supercapacitores são dispositivos de grande relevância no cenário energético principalmente, por apresentar elevada densidade de potência e ciclabilidade.
No desenvolvimento de supercapacitores as características mais investigadas são a área ativa dos eletrodos e o eletrólito. A área ativa do eletrodo possui influência direta na capacitância final do dispositivo que é diretamente proporcional a energia armazenada no dispositivo, conforme evidenciado pela Equação 2.3. O eletrólito por sua vez relaciona-se com a tensão nominal que o dispositivo pode ser submetido para que não haja prejuízos a sua estabilidade eletroquímica. Observando a Equação 2.3 percebe-se que a relação entre a energia armazenada e tensão nominal do dispositivo é quadrática, e portanto, um pequeno aumento na tensão nominal causa incremento considerável na energia armazenada. Isso revela a importância de se estudar e testar diferentes eletrólitos para montagem dos supercapacitores.
3.1.1
Definindo coletor de corrente
O termo eletrodo será utilizado para se referir ao conjunto substrato e material a base de carbono (sintetizado). Na literatura, o substrato é comumente referenciado como coletor de corrente [3]. Os eletrodos produzidos para os primeiros supercapacitores tiveram sua preparação baseada em trabalhos anteriores do grupo, contudo, houveram alterações e adaptações nos métodos para síntese desses materiais a base de carbono. As alterações foram feitas, objetivando-se melhores resultados para viabilizar a produção em manufatura
de supercapacitores. Inicialmente, foram estudados diversos substratos metálicos para deposição direta via método CVD entre os substratos testados estão: malha de aço inox, chapa de aço inox, folha de cobre e folha de alumínio. Contudo, nos procedimentos desse trabalho serão apresentados a descrição dos procedimentos e resultados alcançados com o coletor de alumínio (folha de alumínio).
A folha de alumínio foi um dos substratos testados em laboratório com intuito de se conseguir os parâmetros ideais de síntese dos materiais a base de carbono. A escolha do alumínio como substrato, está relacionada principalmente com as suas excelentes características elétricas. As suas características mecânicas (peso, flexibilidade) e o custo também são fatores relevantes, tendo em vista a produção em larga escala de eletrodos para fabricação de supercapacitores. Os eletrodos produzidos sobre substrato de alumínio foram combinados com dois eletrólitos aquosos neutros diferentes, para montagem dos supercapacitores em células tipo moeda (coin-cell).
3.1.2
Síntese
Os experimentos para síntese dos materiais a base de carbono em todos os tipos de substrato citados anteriormente, foram realizados em forno de deposição química de vapor, conforme ilustrado na Figura 3.1. É importante destacar, que os parâmetros de crescimento do material a base de carbono sobre cada tipo de substrato, diferem entre si, e foram determinados experimentalmente.
Figura 3.1: Sistema com forno de deposição química de vapor
Em paralelo aos estudos realizados com o alumínio outros coletores de corrente também foram investigados, como por exemplo, chapa de aço inox, folha de cobre e malha de aço inox. Entretanto, nos procedimentos desse trabalho será abordado de modo geral a metodologia padrão empregada para o desenvolvimento dos supercapacitores em laboratório. Os procedimentos de produção, caracterização e montagem podem ser aplicados a todos os tipos de substratos, com algumas modificações nos parâmetros de crescimento.
3.1.3
Síntese de Carbono Mesoporoso
Um dos materiais a base de carbono produzidos em laboratório foi a síntese do carbono mesoporoso sobre a folha de alumínio. Algumas etapas de pré-tratamento do coletor de corrente são necessárias antes da realização da síntese do carbono mesoporoso, essas etapas buscam melhorar a aderência do material sintetizado, na folha de alumínio. Para melhor entendimento do processo de síntese realizado em laboratório a etapa de pré-tratamento foi subdividida em: banho ultrassônico, secagem e eletrodeposição de níquel.
Na etapa de pré-tratamento com banho ultrassônico mostrada na Figura 3.2 (a) o coletor de corrente é colocado em recipiente com solução de etanol por 15 minutos; em seguida é retirado da solução, e passa para a etapa de secagem em temperatura ambiente (processo rápido) na capela. A etapa de banho ultrassônico é repetida, em solução de 25 % em peso de ácido sulfúrico em água deionizada por 3 minutos, conforme mostrado na Figura 3.2 (b). Esse banho elimina as impurezas depositadas na superfície do alumínio devido às condições de armazenamento e manuseio [3]. O processo de secagem em temperatura ambiente é repetido e, após a secagem inicia-se o processo de eletrodeposição de níquel sobre a folha de alumínio.
Figura 3.2: Pré-tratamento da folha de alumínio - adaptado [4].
A Figura 3.3 mostra a finalização do processo de pré-tratamento com a realização da eletrodeposição de níquel sobre a folha de alumínio. Esse processo de eletrodeposição foi feito com solução de nitrato de níquel hexahidratado, utilizando sistema de dois eletrodos, no qual a folha de alumínio foi conectada no cátodo e a haste de níquel ao ânodo. A eletrodeposição foi realizada a temperatura de 60°C, durante 1 minuto. Em seguida, a folha de de alumínio secou sob condições ambiente e, ao final do processo, a folha de alumínio foi cortada em círculos com 1 cm de diâmetro para montagem de células tipo moeda CR2032 [5].
Figura 3.3: Eletrodeposição de níquel sobre a folha de alumínio - adaptado [4].
A síntese do carbono mesoporoso foi realizada depois do processo de eletrode-posição, e para isso, o forno CVD da Figura 3.1 foi purgado com fluxo 1000 sccm de gás nitrogênio por 5 minutos, para remover o oxigênio do sistema. Depois disso, a temperatura do forno foi aumentada a uma taxa de 65°C por minuto até atingir a temperatura de 650°C. Quando a temperatura foi estabilizada em 650°C, o forno foi alimentado com vapor de 15 000 sccm de 43,6 wt% de cânfora em solução de etanol (fonte de carbono), adicionada a partir de 2 wt% em peso de nitrato de níquel [5]. Essa solução foi introduzida no forno CVD através do fluxo contínuo de gás nitrogênio por 60 minutos. Após o tempo de crescimento, o reator resfriou até a temperatura ambiente sob fluxo de gás nitrogênio. Posteriormente, os eletrodos produzidos foram retirados do forno para realização das caracterizações.
3.2
Encapsulamento do dispositivo e técnicas de
ca-racterização
Na produção dos primeiros capacitores adotou-se o encapsulamento em células do tipo moeda CR2032 (coin-cell). Para isso, a prensa hidráulica modelo GN-110, foi utilizada para selagem e consolidação dos dispositivos do tamanho aproximado ao de uma moeda de 1 real. Para a montagem dos capacitores de dupla camada elétrica, foram utilizados eletrólitos líquidos. De modo geral, os EDLCs são compostos por eletrodos, separador e eletrólito. A Figura 3.4 exemplifica o esquema de montagem adotado em laboratório para produção de dispositivos em células tipo moeda. Nesse tipo de encapsulamento são adicionados dois discos espaçadores e um anel espaçador, além dos eletrodos, do eletrólito
e do separador [5].
Figura 3.4: Vista superior e diagrama esquemático da montagem da célula tipo moeda -adaptado [5].
A sequência de montagem exibida na Figura 3.4 pode ser aplicada para todos os tipos de eletrodos citados anteriormente; sendo necessário apenas estar atento as dimensões físicas do eletrodo produzido, que deverá ser compatível às dimensões físicas da célula CR2032. Dos eletrodos produzidos em laboratório, o eletrodo de carbono mesoporoso que resultou em um dos trabalhos publicados pelo grupo, será utilizado nessa seção para exemplificar a montagem conforme mostrado na Figura 3.4. A caracterização eletroquímica dos EDLCs de carbono mesoporoso também será apresentada posteriormente.
Os eletrodos de carbono mesoporoso foram testados com dois eletrólitos aquosos: sulfato de lítio (Li2SO4), e sulfato de potássio (K2SO4); as concentrações e detalhes da preparação desses eletrólitos podem ser encontradas na literatura como em [18]. Para os eletrodos de carbono mesoporoso foram utilizados dois discos espaçadores para que a selagem da célula fosse adequada, e obtenção de bom contato elétrico (baixa resistência de contato).
A Figura 3.5 apresenta o dispositivo encapsulado. No detalhe em destaque está a prensa hidráulica utilizada para selagem da célula.
Figura 3.5: Dispositivo encapsulado para realização dos testes eletroquímicos.
A caracterização eletroquímica foi realizada utilizando o potenciostato Ametek VersaSTAT 4, aplicando testes de voltametria cíclica e de carga e descarga galvanostática sob condições ambientais de temperatura e pressão. Os dados da capacitância gravimétrica específica foram calculados a partir da inclinação da curva de descarga conforme a Equação 3.1 [3]:
C = I mdv
dt
(3.1)
onde m é a massa da célula, I é a corrente de descarga obtida das curvas de voltametria cíclica e t é o tempo de descarga correspondente.
As densidades de energia e de potência dos dispositivos foram calculadas usando as equações 3.2 e 3.3, para diferentes valores de corrente [3].
E = C.V 2 2 103 3600 (3.2) P = E t (3.3)
onde t é o tempo de descarga e as unidades da densidade energia e potência são: [W h/kg] e [W/kg], respectivamente. As análises eletroquímicas das células montadas com os eletrodos mesoporosos foram realizadas mesclando carga/descarga galvanostática e voltametria cíclica, como pode ser visto na Figura 3.6.
Figura 3.6: Curvas de voltametria cíclica (a) e carga/descarga galvanostática (b) - adap-tado [5].
3.3
Resultados
3.3.1
Caracterização dos eletrodos
Nessa seção apresentaremos as técnicas utilizadas para caracterização dos materi-ais sintetizados em laboratório por CVD. A caracterização dos materimateri-ais crescidos sobre a folha de alumínio foi realizada por algumas técnicas das quais serão apresentadas a espectroscopia Raman, microscopia eletrônica de varredura (SEM, sigla do inglês, Scan-ning Electron Microscopy), espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios X (XPS, do inglês,X-ray Photoelectron Spectroscopy) e espectroscopia de energia dispersiva (EDS, do inglês, Energy Dispersive Spectroscopy).
Essas técnicas são comumente aplicadas na caracterização de novos materiais para se obter informações a respeito da morfologia, área superficial, estrutura química, distribuição de fases e defeitos cristalinos, tipos de ligações entre os elementos, entre outros. Todos os tipos de eletrodos desenvolvidos em laboratório podem ser caracterizados por meio das técnicas citadas anteriormente, independentemente do coletor de corrente utilizado.
As técnicas de caracterização apresentadas nessa seção podem ser aplicadas para todos os tipos de substrato citados no início do capítulo 3. Os eletrodos de carbono mesoporoso, cuja metodologia de produção foi apresentada na seção anterior, foram caracterizados por espectroscopia Raman, SEM, EDS e XPS [5].
O efeito da etapa de pré-tratamento nas folhas de alumínio realizada antes do crescimento do carbono mesoporoso, pode ser observado na Figura 3.7. A micrografia da folha de alumínio sem tratamento é apresentada na Figura 3.7 (a) para contraste. As modificações causadas pela corrosão ácida e eletrodeposição de níquel podem ser observados na Figura 3.7 (b), onde a superfície lisa do alumínio adquire rachaduras e
outras irregularidades, causadas pela etapa de pré-tratamento.
Figura 3.7: Micrografias SEM da folha de alumínio antes (a) e após etapa de pré-tratamento (b-c) - adaptado [5].
Após o ataque ácido, a folha de alumínio recebe uma camada de níquel, essa camada de níquel parece ser composta por fases de material amorfo e fissuras. A Figura 3.7 (c) evidencia as nanopartículas de níquel que são catalisadoras para o crescimento do carbono mesoporoso; essas partículas proporcionam a decomposição dos hidrocarbonetos a uma temperatura mais baixa do que a temperatura de decomposição espontânea do hidrocarboneto [19].
A Figura 3.8 apresenta a microscopia eletrônica de varredura após o crescimento do carbono mesoporoso sobre a folha de alumínio com pré-tratamento.
Figura 3.8: Microscopia eletrônica de varredura do eletrodo de carbono mesoporoso crescido sobre coletor de corrente de alumínio - adaptado [5].
Pode-se observar na Figura 3.8 por meio das diferentes ampliações obtidas na microscopia eletrônica de varredura, que o material sintetizado possui superfície homogênea composta por partículas de carbono nanométricas [5].
Além da microscopia eletrônica de varredura, realizamos análise por espectros-copia Raman para melhor compreensão das características do material. A Figura 3.9 apresenta espectros Raman para o carbono mesoporoso adquiridos em diferentes linhas de excitação a laser.
Figura 3.9: Espectros Raman do carbono mesoporoso em diferentes linhas de lasers de excitação (a) evidenciando as bandas características dos materiais a base de carbono (b), detalhe do espectro do carbono mesoporoso mostrando a banda G’ em diferentes linhas de lasers de excitação (c) - adaptado [5].
De maneira geral e simples os materiais de carbono produzidos neste trabalho tem espectro como os da Figura 3.9 (c), contendo as bandas D, G, D’ e G’. A banda D é atribuída aos defeitos apresentados nas hibridizações sp2 do carbono. A banda G é designada as vibrações de estiramento das ligações sigma, referente à hibridização sp2 do grafeno e nanotubos de carbono [20]. Os picos centrados em 1350 cm−1 , 1580 cm−1 e 1610
cm−1 são conhecidos na literatura como bandas D, G e D’, respectivamente. A Figura 3.9 (c) evidencia melhor o pico de segunda ordem, também conhecido como banda G’(ou banda 2D), que é o segundo harmônico da banda D. Observa-se que as posições, intensidades e áreas dessas bandas mudaram de acordo com as linhas de excitação utilizadas.
As análises realizadas por meio da espectroscopia Raman são coerentes com os resultados da Figura 3.8, e a Tabela 3.1 apresenta os resultados da análise do carbono mesoporoso pelas técnicas de XPS e EDS (valores aproximados). Essas técnicas agregam informações a respeito dos elementos químicos presentes nos eletrodos.
Tabela 3.1: Análise XPS e EDS do eletrodo de carbono mesoporoso - adaptado [5]
Método Composição dos elementos, % C O Ni
XPS 98 2 –
EDS (±1%) 96 1 3
A realização de uma análise semi-quantitativa por meio de EDS foi importante para a investigação dos elementos alocados em maior profundidade nos eletrodos; já a técnica XPS foi utilizada para identificação das ligações químicas na superfície do eletrodo. A quantificação dos elementos químicos mostrados na Tabela 3.1 apontam que o teor de oxigênio inferior a 2%, sendo essa quantidade suficiente para garantir a molhabilidade do eletrodo sem afetar a condutividade elétrica, mostrando assim, que o carbono mesoporoso possui boas características para aplicação em EDLCs [5].
3.3.2
Caracterização eletroquímica
As formas das curvas de voltametria cíclica mostradas na Figura 3.6 (a), apre-sentam comportamento coerente com as curvas dos EDLCs encontrados na literatura. A Figura 3.6 (b) contrasta as curvas de carga e descarga galvanostática do dispositivo para os eletrólitos de sulfato de lítio e de sulfato de potássio, a uma corrente gravimétrica de 1, 6 A/g.
Em geral, a potência elétrica (P ) é definida como a taxa de entrega de energia por unidade de tempo. A resistência dos componentes internos do capacitor (por exemplo, coletores de corrente, materiais a base carbono, separador e eletrólito) precisam ser levados em consideração para determinar a potência máxima do EDLC. A resistência desses componentes é geralmente medida coletivamente e na literatura é referida como a resistência em série equivalente [3]. A potência máxima do EDLC é limitada pela ESR, como pode ser observado na Equação 2.4.
Na literatura são utilizados dois métodos para determinação da Resr dos su-percapacitores sendo que os pesquisadores se dividem entre a técnica de espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS, do inglês, Electrochemical Impedance Spectroscopy), enquanto outros utilizam o método de carga e descarga galvanostática (GCD, do inglês, Galvanostatic Charge Discharge) [3] e [21]. A resistência série dos dispositivos foram calculadas pelo método GCD aplicando a Equação 3.4 no trecho de descarga indicado na Figura 3.6 (b).
Resr = ∆V
2 × I (3.4)
Onde, Resr é a resistência série do capacitor, ∆V é a variação de tensão e I é a corrente de descarga. Aplicando a Equação 3.4 obteve-se os valores da Resr para os dispositivos montados com eletrodos de carbono mesoporoso exibidos na Tabela 3.2.
Tabela 3.2: Valores da resistência série calculados para os dispositivos - adaptado [5] Dispositivo ESR [mW.g]
1 mol/l Li2SO4 19 0,65 mol/l K2SO4 22
Os resultados da Tabela 3.2 indicam que que os íons hidratados de Li+ (∼0,34 nm) e K+ (∼0,64 nm) possuem raios suficientemente pequenos para acessar a maioria dos poros dos eletrodos de carbono mesoporoso.
A capacitância específica (F/g) também foi medida como uma função da densidade de corrente (A/g) para os dois eletrólitos utilizados na montagem. Observando a Figura 3.10 percebe-se que o aumento no valor da corrente gerou uma redução no valor da capacitância, isso ocorreu pois para valores elevados de corrente de carga e descarga, o
tempo é insuficiente para que ocorra a difusão e adsorção de íons dentro dos poros do material.
Figura 3.10: Curva da capacitância específica em função da densidade de corrente -adaptado [5].
A Figura 3.11 mostra o gráfico Ragone das densidades de energia e potência dos eletrodos de carbono mesoporoso, mostrando 20 pontos de diferentes correntes gravimétricas. Os capacitores de carbono mesoporoso apresentaram excelente eficiência 100% e densidade de energia de 0,23 W h/kg na corrente de 0,9 A/g e densidade de potência máxima de 5313,1 W/kg na corrente de 10,75 A/g. As densidades de energia reduziram em torno de 30% quando o capacitor foi carregado em correntes gravimétricas maiores. No geral a Figura 3.11 nos mostra que desenvolvemos um dispositivos com características típicas de capacitores eletroquímicos
Capítulo 4
Desenvolvimento do sistema
eletrônico
O Capítulo 4 apresenta a metodologia aplicada para o desenvolvimento do sistema eletrônico para uma bicicleta elétrica urbana. A seção 4.1 apresenta as características nominais do motor utilizado no projeto. Na seção 4.2 têm-se as considerações referentes ao desenvolvimento do banco de supercapacitores. A seção 4.3 mostra o dimensionamento do conversor. Na seção 4.4 são apresentados os resultados obtidos na simulação e na implementação do conversor.
4.1
Introdução
Em paralelo ao desenvolvimento de supercapacitores em células tipo moeda desenvolvemos o estudo do sistema eletrônico para uma bicicleta elétrica. A proposta de usar supercapacitores como fonte de energia tem o objetivo de viabilizar o uso de bicicletas elétricas como meio de transporte em jornadas curtas, sendo mais uma alternativa para estimular a mobilidade urbana. A aplicação de supercapacitores como fonte de alimentação da bicicleta elétrica permite que o sistema de carregamento seja mais rápido do que quando se utiliza baterias íon de lítio. A alta ciclabilidade dos supercapacitores garante maior flexibilidade no processo de recarga da bicicleta, que pode ser recarregada em alguma parada durante o trajeto do ciclista.
A Figura 4.1 apresenta um possível cenário de utilização da bicicleta elétrica de curta jornada. Nesse caso, estima-se que em média um ciclista percorrerá cerca de 1 km dentro de uma universidade para realizar atividades cotidianas.
Figura 4.1: Exemplo de percurso a ser seguido.
A aplicação de supercapacitores como a principal fonte de alimentação confere ao sistema alta densidade de potência e eficiência de recarga. No diagrama da Figura 4.2 têm-se o sistema de armazenamento e fornecimento de energia proposto para bicicletas elétricas de pequenas jornadas. O sistema elétrico proposto para a bicicleta é composto pelo carregador, banco de supercapacitores, conversor CC-CC e motor. Cada parte do sistema foi investigada individualmente para posterior integração e realização de testes.
Motor Conversor
Banco de supercapacitores
Carregador
Sistema para bicicleta elétrica de curta jornada
Figura 4.2: Sistema de armazenamento e fornecimento de energia para bicicleta elétrica de curta jornada
4.2
Motor escolhido
Para o presente projeto foi adquirido um motor elétrico Brushless Direct-Current (BLDC) previamente adaptado no cubo da roda de uma bicicleta comercial padrão, aro
26 polegadas. Esse motor possui tensão nominal de alimentação igual a 36 V e potência nominal igual a 250 W , conforme Figura 4.3.
Figura 4.3: Motor BLDC adaptado no cubo dianteiro da bicicleta
Geralmente, utiliza-se o motor sem escovas (BLDC, abreviação de Brushless DC Motor), que dá pouca manutenção, é eficiente e silencioso. O sistema com instalação no movimento central tem a vantagem de se aproveitar do câmbio da bicicleta, pois ele coloca sua força diretamente na corrente da e-bike.
Os motores BLDC, possuem construção simplificada contendo basicamente o estator preso no eixo (fixo) e o rotor (móvel) com ímãs permanentes. Além de serem considerados de alto rendimento e possuir manutenção reduzida (não possuem escova), proporcionam maior torque em baixa rotação. A potência desses motores varia de 180 a 500 Watts; sendo amplamente utilizado pelos fabricantes de bicicletas elétricas nos países onde a legislação de trânsito limita a potência máxima de operação. Para o presente projeto, foi adquirido um kit elétrico contendo um motor BLDC (placa de acionamento) previamente adaptado no cubo comercial, aro 26 polegadas.
4.3
Banco de supercapacitores
No dimensionamento do banco de supercapacitores levou-se em consideração a demanda de energia necessária para que um ciclista realize um percurso de aproxima-damente 1 km. Nos cálculos foram consideradas condições ideais de deslocamento, ou
seja, percurso sem declives consideráveis. Os dados nominais do motor elétrico também foram utilizados durante o projeto do banco de supercapacitores. Aplicando as equa-ções que definem a associação série e paralelo de capacitores apresentadas no capítulo 2, estabeleceu-se o valor nominal da capacitância total do banco. No projeto, as condições nominais de operação do motor foram consideradas e a equação que quantifica a energia armazenada no capacitor (2.3) foi aplicada na determinação dos parâmetros do banco de supercapacitores. Considerando os valores de energia da Tabela 2.2 e comparando com a análise experimental em [7] e [8], estima-se que é necessário aproximadamente 11,0 W h de energia para realizar um percurso de aproximadamente 1,0 km. Para dimensionamento do banco de supercapacitores adotamos os valores de energia do módulo comercial mostrado na Tabela 4.1 como referência.
Tabela 4.1: Características técnicas do banco de supercapacitores BMOD0500 P016 B01 - MAXWELL
Tensão nominal (V ) 16 Corrente nominal (A) 100 Capacitância (F ) 500 Energia armazenada (W h) 18,0 Energia aproveitável (W h) 12,6
Na montagem foram utilizados supercapacitores da N esscap. Cada dispositivo possui capacitância nominal igual a 360 F e tensão nominal de 2,7 V . Na Figura 4.4, temos o banco de supercapacitores projetado. Devido as questões práticas que tivemos como fatores limitantes durante a montagem utilizamos solda estanho para conexão elétrica dos dispositivos. Adicionalmente, foi inserido um divisor resistivo para minimizar a diferença de tensão entre os dispositivos durante processo de recarga.
Figura 4.4: Banco de supercapacitores montado
O balanceamento passivo da tensão é uma das formas de assegurar que os níveis de tensão não ultrapassem os valores nominais para cada célula associada em série. Contudo, em aplicações industriais e comerciais o balanceamento passivo deve ser substituído por sistema de balanceamento com controle ativo. Fabricantes de supercapacitores como a Maxwell desenvolvem bancos de supercapacitores para aplicações de grande potência. Devido a questões burocráticas, não foi possível realizar a aquisição do módulo BMOD0500 P016 produzido pela Maxwell para este projeto, pois o tempo de importação ultrapassaria o tempo hábil para execução dos testes. Por conta deste inconveniente, adotou-se a solução como ilustrado na Figura 4.4.
A tensão nominal estabelecida para o banco de supercapacitores montado foi de 24 V . Esse valor foi definido por questões de compatibilidade elétrica entre o banco de supercapacitores e sistema de carregamento proposto. O valor da tensão nominal do banco de supercapacitores poderá ser ajustado, se houver necessidade de adequação futura. O banco utiliza uma configuração com 50 células de 360 F , a energia total armazenada é de 14,4 W h e a capacitância total é de aproximadamente 180 F . Esses valores foram calculados utilizando as Equações 2.6, 2.7 e 3.2.
Tabela 4.2: Especificações do banco de supercapacitores
Parâmetros Valores
Tensão Nominal do Banco (V ) 24 Tensão Mínima do Banco (V ) 12 Capacitância Nominal do Banco (F ) 180 Número total de células associadas 50 Energia Nominal (W h) 14,4 Energia aproveitável (W h) 10,0
A alta densidade de potência dos supercapacitores é algo vantajoso do ponto de vista do fornecimento de energia para cargas que demandam picos de corrente em curto espaço de tempo. Mas diferentemente das baterias, os supercapacitores apresentam queda de tensão exponencial à medida que se descarregam, conforme mostrado na Figura 4.5.
Figura 4.5: Curva de descarga de um capacitor - adaptado [6]
A constante de tempo (T), da Figura 4.5 é diretamente proporcional a capacitância e a resistência. Esse é um gráfico que representa a curva de tensão e corrente de descarga de um circuito RC no qual têm-se um resistor conectado em série com um capacitor, como
representado na Figura 4.6.
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Revision Page 1 of 1 Figura 4.6: Representação do circuito RC.
O circuito da Figura 4.6 apresenta uma configuração típica utilizada para carac-terização de capacitores, na qual a constante de tempo pode ser extraída. Nos casos em que se têm a associação de vários capacitores formando um banco de capacitores, tomamos como analogia à resistência do circuito RC a resistência em série equivalente do banco de capacitores. Portanto, estima-se que o valor da ESR do banco de supercapacitores montado é de ∼7 mW.
Por causa da característica de descarga dos supercapacitores, o uso de conversores CC-CC para regular a tensão na carga é uma das soluções que se utiliza para viabilizar o uso de supercapacitores como fonte de alimentação principal.
4.4
Conversor CC-CC
Para definição da topologia do conversor CC-CC tivemos como parâmetro limi-tante a tensão nominal do motor. E, tomando a tensão nominal do motor como principal requisito de projeto, verificou-se a necessidade de se projetar um conversor elevador de tensão (boost) que viabilize o funcionamento do sistema elétrico da bicicleta. O uso do conversor elevador de tensão garante o funcionamento do sistema, mesmo que haja diferença nos níveis de tensão entre a fonte de alimentação e a carga. Desse modo, o conversor elevador de tensão possibilita a aplicação de supercapacitores como fonte de alimentação, permitindo melhor aproveitamento da energia armazenada. Assim, a variação de tensão (exponencial) que é característica dos supercapacitores pode ser contornada através do uso do conversor boost. O ganho do conversor boost é controlado por meio de sua razão cíclica, que é definida conforme mostrado na Equação 2.8 do capítulo 2.
Tabela 4.3: Especificações para projeto do conversor boost
Parâmetros Conversor
Tensão nominal do banco (V) 24 Tensão mínima do banco (V) 12 Razão Cíclica do Conversor 0.37 - 0.70 Corrente média máxima de entrada (A) 6 Ondulação de corrente máxima (%) ± 5 Ondulação de tensão máxima (%) ± 5
4.4.1
Dimensionamento do circuito de potência
Nos conversores CC-CC, os indutores devem ser projetados de modo a atenuar as ondulações da corrente de entrada em diferentes condições de carga. A curva de ondulação de corrente (IL) através do indutor está representada na Figura 4.7.
Figura 4.7: Curvas de operação do conversor boost no modo de condução contínua.
O valor de indutância mínima para garantir que o conversor opere com a ondulação de corrente requerida, é dado pela Equação 4.1:
L(δ) = Vi.δ α.IL.fch
