• Nenhum resultado encontrado

CARREGADOR DE BATERIAS MICROCONTROLADO BASEADO EM CONVERSOR CHAVEADO

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "CARREGADOR DE BATERIAS MICROCONTROLADO BASEADO EM CONVERSOR CHAVEADO"

Copied!
6
0
0

Texto

(1)

CARREGADOR DE BATERIAS MICROCONTROLADO BASEADO EM CONVERSOR CHAVEADO

AFONSO VENTORINI,EMERSON P.TRARBACH,DOMINGOS S.L.SIMONETTI E JOSÉ L.F.VIEIRA UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO

CENTRO TECNOLÓGICO -DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA UFES–CP:01-9011,VITÓRIA –ES,CEP:29060-970

Emails: afonso_ventorini@yahoo.com.br; j.vieira@ele.ufes.br

Abstract – This paper introduces a microcontroller battery charger. The proposed charger presents high power factor universal input (127 or 220 V +/- 10%). It can charges ¨6V or 12V batteries, from 5Ah up to 100Ah. Besides that, the battery charger pro-cess can be done by using the charger current values in function of the battery rated capacity (Ahs), between 7 to 10% of the bat-tery current value, which discharger completely the batbat-tery in one hour. At the moment when the equalization voltage is reach, the battery charger starts to operate maintaining the fluctuation voltage in order to avoid overcharge. This battery charger can be used in repair garages due to its flexibility in charger of different types of batteries.

Keywords – battery charger, microcontroller, high power factor.

Resumo – Este artigo apresenta um carregador de baterias automotivas microcontrolado. O carregador proposto possui entrada universal (127 ou 220 V +/- 10%) com correção do fator de potência. Ele é capaz de efetuar a carga de baterias de 6V ou 12V, desde 5Ah até 100Ah. Além disso, o carregador permite que o processo de carga da bateria seja feito utilizando valores de cor-rente de carga em função da capacidade nominal da bateria, entre 7 a 10% da corcor-rente que descarregaria completamente a bateria em uma hora. Ao atingir a tensão de equalização, o carregador atua mantendo a tensão de flutuação sobre a bateria para que não haja sobrecarga. Este carregador pode ser empregado em oficinas de manutenção de baterias com a vantagem da sua flexibilidade de poder promover a carga de diversos tipos de bateria.

Palavras-chave – carregador de bateria, microcontrolador, alto fator de potência.

1 Introdução

A maioria dos carregadores de baterias automo-tivas disponíveis no mercado normalmente não pos-sui um sistema de carga com interrupção do proces-so, quando as baterias estão carregadas. Tal fato exige a necessidade de atuação de um operador para acompanhar o processo de carga monitorando a ten-são da bateria. Quando realizado o carregamento da bateria, o sistema deveria ser desligado para não haver sobrecarga na bateria. Não havendo atuação do operador, e estando a bateria carregada, o sistema continuaria a fornecer energia à bateria fazendo com que esta se sobrecarregue.

Os carregadores convencionais abrangem nor-malmente uma pequena faixa de tipos de bateria, o que restringe a sua aplicação a um pequeno grupo de baterias em função da tensão e das capacidades no-minais de corrente.

Outra questão que deve ser destacada é a quali-dade da energia. Os carregadores de bateria conven-cionais podem proporcionar baixo fator de potência, e podem gerar uma quantidade considerável de har-mônicos de corrente para a rede de alimentação.

Para efeito de comparação, foram obtidos os se-guintes resultados de um circuito retificador de onda completa a diodos, alimentado em 220 V e fornecen-do 156 W a uma carga resistiva:

 fator de potência: 0,402;

 distorção harmônica total da corrente de en-trada: 228,8 %.

Estes fatos motivaram o desenvolvimento de um carregador de baterias microcontrolado, que monitore a corrente de carga e a tensão da bateria, possa se adaptar a uma grande faixa de tipos de bateria,

pos-sua alimentação universal e proporcione alto fator de potência.

2 O Processo de Carga da Bateria 2.1 Características Gerais da Bateria

As principais características das baterias são descritas a seguir.

Resistência Interna - é uma grandeza de difícil medição, pois depende de fatores operacionais tais como: temperatura, estado de carga, etc. Para uma bateria de 50 Ah, o valor desta resistência se encon-tra em torno de 2 a 5 m [1];

Tensão na bateria - a tensão entre os terminais da bateria está relacionada com o estado em que ela se encontra.

Capacidade Nominal - é medida em ampéres-hora, e representa a corrente que, exigida da bateria durante uma hora, seria suficiente para descarregá-la; Corrente de carga - a corrente de carga é limita-da pelo aquecimento limita-da bateria. Sem a monitoração da temperatura, os valores devem variar entre 7 e 10% da capacidade nominal da bateria [1].

2.2 Modelagem Simplificada da Bateria

De forma simplificada, a bateria pode ser mode-lada pelas seguintes equações [1]:

Na carga in o bat

E

I

r

V

Na descarga in o bat

E

I

r

V

onde: (1) (2)

(2)

Vbat – tensão entre os terminais da bateria; Eo – tensão interna da bateria;

I – corrente de carga ou descarga; rin – resistência interna da bateria. 2.3 Método de carga

A seguir é descrito o método de carga adotado para o carregador de baterias proposto. Outros méto-dos diferentes são descritos em [1].

Foi adotado o “método a um nível de corrente e um nível de tensão”. Este método funciona da se-guinte forma: em um primeiro momento é mantida na bateria uma corrente de carga constante, da ordem de 7 a 10% da capacidade da bateria, até que se atinja o nível de tensão de equalização, o que determina que ela está carregada. A tensão na bateria é então manti-da constante, no nível manti-da tensão de flutuação, até que o carregador seja desligado.

Este método de carga foi o escolhido devido ao fato dele não necessitar do monitoramento de outras variáveis, como a temperatura. Isto se deve ao fato de se impor uma pequena corrente para a carga, que evita o sobreaquecimento da bateria. Desta forma, a implementação da estratégia de controle se torna mais simples.

3 Solução Proposta para o Carregador O carregador de baterias proposto é composto por dois estágios de potência, e o circuito de contro-le, como mostrado na figura 1

Os estágios que compõe o carregador de bateria são formados por:

Estágio de Entrada - retificador pré-regulador de fator de potência (PFP), baseado no conversor boost em condução descontínua;

Estágio de Saída - conversor forward isolado a dois transistores;

Circuito de Controle - desempenhado por um microcontrolador, que faz a interface com o usuário e controla toda a estrutura.

3.1 Estágio de Entrada

O estágio de entrada do carregador está mostra-do na figura 2. É baseamostra-do em um conversor boost, operando em modo de condução descontínua, ali-mentado a partir de uma ponte retificadora a diodos. A saída deste conversor trata-se de um barramento

CC (capacitor CB), responsável pela alimentação do estágio de saída do carregador de baterias proposto. Este estágio garante a entrada universal automática (sem utilização de nenhuma chave de seleção) e a correção do fator de potência da entrada.

Será considerado inicialmente o conversor sem o filtro de alta freqüência e alimentando uma carga resistiva Ro O seu funcionamento pode ser descrito em três etapas, as quais constituem um ciclo de ope-ração do conversor.

Na primeira etapa, mostrada na figura 3, a chave Mboost encontra-se em condução, durante um interva-lo de tempo Δt1. A tensão da entrada é aplicada sobre o indutor Lboost, e o diodo Dboost se mantém bloqueado (pela tensão existente em CB). O indutor Lboost acu-mula energia, enquanto CB alimenta Ro.

Na segunda etapa, mostrada na figura 4, a chave Mboost é bloqueada. A corrente que circula por Lboost faz com que Dboost entre em condução. O indutor Lboost fornece a energia acumulada na primeira etapa para CB e Ro. Esta etapa ocorre durante um intervalo de tempo Δt2.

A terceira etapa, mostrada na figura 5, ocorre quando a corrente de Lboost se torna igual a zero. A chave Mboost se mantém bloqueada, e o diodo Dboost fica polarizado reversamente. O capacitor CB volta a alimentar a carga Ro durante um intervalo Δt3, após isto, um novo ciclo de operação reinicia-se.

A operação do conversor é feita em uma fre-qüência muito maior do que a frefre-qüência da rede de alimentação. Desta forma, em um dado ciclo de ope-ração, a tensão de entrada pode ser considerada cons-tante.

Figura 2 - Estágio de entrada do carregador de baterias

Figura 1 – Diagrama de blocos do carregador proposto

Figura 3 - Primeira etapa de funcionamento do PFP

(3)

As correntes em Lboost, Dboost e Mboost, e a tensão sobre Mboost, durante um ciclo de operação, estão representadas respectivamente na figura 6.

Utilizando-se uma freqüência constante e modu-lação por largura de pulso para controlar a chave Mboost, o valor do pico da corrente no indutor de entrada é diretamente proporcional à tensão de ali-mentação. A figura 7 mostra as formas de onda típi-cas, indicando a tensão de entrada (senoidal) e a corrente no indutor boost (que é a corrente que circu-la pecircu-la rede de alimentação).

Com a utilização do filtro de alta freqüência, composto por Cf e Lf (mostrado na figura 2), pode-se eliminar as variações bruscas da corrente tornando-a praticamente senoidal [2].

3.2 Estágio de Saída

O estágio de saída do carregador de baterias é mostrado na figura 8. Trata-se de um conversor for-ward isolado a dois transistores [1], alimentado pelo estágio de entrada através do barramento CC (Capa-citor CB).

O conversor forward isolado a dois transistores utiliza um transformador de alta freqüência (T1) para isolar sua entrada da saída. A operação do conversor é descrita por três etapas.

Na primeira etapa, mostrada na figura 9, as cha-ves M1 e M2 se encontram em condução. A tensão do barramento CC (CB) é aplicada sobre o primário de T1. A tensão induzida no secundário faz com que o diodo D3 entre em condução, transferindo potência da entrada para a saída.

Na segunda etapa, mostrada na figura 10, as chaves M1 e M2 estão bloqueadas. A energia de magnetização existente em T1 força a condução dos diodos D1 e D2. Esta energia é devolvida para o ca-pacitor CB. O diodo D3 fica polarizado reversamente, de forma que a corrente do indutor Lo se mantém em roda livre através do diodo D4

A terceira etapa, mostrada na figura 11, ocorre após a total desmagnetização do transformador T1. As chaves M1 e M2 e os diodos D1 e D2 se encontram bloqueados. Apenas persiste a circulação da corrente do indutor Lo, através do diodo D4

As correntes no primário de T1, em M1, M2, D1, D2 e Lo estão apresentadas respectivamente na figura 12.

3.3 Circuito de Controle

Todas as tarefas de controle ficarão a cargo de um microcontrolador dedicado. Ele fará também a interface com o usuário do carregador de baterias. O

Figura 11 - Terceira etapa de funcionamento do forward Figura 6 - Principais formas de onda do PFP

Figura 10 - Segunda etapa de funcionamento do forward Figura 5 - Terceira etapa de funcionamento do PFP

Figura 7 - Corrente de entrada do PFP sem filtro

Figura 8 - Estágio de saída do carregador de baterias

(4)

usuário selecionará a tensão nominal da bateria a ser carregada e a corrente a ser utilizada na carga.

Para realizar as tarefas de controle, o microcon-trolador necessitará de obter as seguintes grandezas elétricas: tensão no barramento CC; tensão na bate-ria; corrente na bateria.

Os valores das grandezas elétricas e as informa-ções obtidas do usuário serão tratados por um sof-tware específico, implementado no microcontrolador, o qual irá gerar as seguintes saídas:

- sinal PWM para o comando da chave do está-gio de entrada, para controlar o nível de tensão do barramento CC;

- sinal PWM para o comando das chaves do es-tágio de saída, para controlar a corrente e a ten-são na bateria.

4 Estrutura de Controle

A estratégia de controle do carregador de bateri-as é bbateri-aseada em três malhbateri-as. A primeira malha, de atuação independente, controla a tensão do barra-mento CC do estágio de entrada. As outras duas malhas operam em cascata e atuam no estágio de saída. A mais interna, controla a corrente da bateria e a mais externa controla a tensão da bateria.

Todas as três malhas de controle utilizam um controlador PI digital, cuja equação, discretizada a partir da equação de um controlador PI contínuo [3], é a seguinte: ) 1 ( ) ( ) ( ) 1 ( ) (kuk  KKTekKeku p i p onde:

Kp – ganho proporcional do controlador Ki – ganho integral do controlador T – período de amostragem

e(k) – erro do sistema de controle no instante kT u(k) – resposta do controlador no instante kT 4.1 Principais Características do Microcontrolador

A seguir são descritas as principais característi-cas do microcontrolador PIC18F452 [5], as quais estão relacionadas com a estrutura de controle im-plementada.

- memória de programa: 16K x 16 bits; - memória de dados: 1536 bytes; - portas de entrada e saída: 33;

- periféricos: conversor analógico/digital de 10 bits, quatro temporizadores, dois módulos PWM e hardware multiplicador de 8 x 8 bits.

4.2 Controle da Tensão no Barramento CC Para controlar a tensão no barramento CC, o mi-crocontrolador utiliza a estrutura de controle apresen-tada pelo diagrama de blocos da figura 13.

A referência da tensão (VBref) é comparada com o valor amostrado da tensão do barramento (VB), e gera o sinal de erro eB(k). O controlador digital PI utiliza o sinal de erro eB(k) para implementar a equação (3) e gerar o sinal de atuação u1(k). O sinal u1(k) é utilizado para a geração do sinal de comando da chave do conversor boost.

4.3 Controle da Corrente e da Tensão na Bateria Para efetuar o controle do processo de carga da bateria, é necessário obter do usuário a tensão nomi-nal da bateria (Vref) e a corrente de carga (Iref) a ser utilizada. A interface com o usuário é realizada atra-vés de quatro botões (CONFIRMA, CANCELA, INCREMENTA e DECREMENTA) e por um mos-trador de cristal líquido. A estrutura de controle im-plementada é apresentada pelo diagrama de blocos mostrado na figura 14.

4.4 Determinação da referência de tensão

A tensão de referência Vref é utilizada para gerar duas referências de tensão: a tensão de equalização (Vref eq) e a da tensão de flutuação (Vreffl). A tensão Vrefeq é empregada como referência para o controla-dor digital PI de tensão, até o momento em que a tensão da bateria se iguala a este valor de tensão. A partir deste momento, a tensão de referência é altera-da para Vref.fl.

4.5 Malha de Tensão

A malha mais externa da estrutura de controle é a de tensão. Esta malha deve ser atualizada de forma mais lenta do que a malha interna de corrente. Neste caso, ela só é atualizada a cada oito atualizações da Figura 14 - Estrutura de controle do processo de carga da bateria Figura 13 - Estrutura de controle da tensão no barramento CC Figura 12 - Principais formas de onda do conversor forward

(5)

malha de corrente. Desta forma, garante-se o desaco-plamento entre estas duas malhas.

A referência da tensão imposta pelo seletor de referência (Vref eq ou Vref fl) é comparada com o valor amostrado da tensão da bateria (Vo(k)), e gera o sinal de erro ev(k). O controlador digital PI desta malha utiliza este sinal de erro para implementar a equação (3) e gerar o sinal uv(k). O sinal uv(k), gerado pelo controlador PI da malha de tensão fica limitado ao valor do limitador de corrente Iref. O sinal resultante uv2(k) é utilizado como valor de referência de corren-te para malha incorren-terna de correncorren-te.

4.6 Malha de Corrente

Para garantir que a corrente da bateria seja man-tida regulada no valor de referência Iref foi empregada uma malha interna rápida de corrente.

A referência de corrente uv2(k) é obtida como re-sultado da atualização da malha de tensão. Este valor é comparado com a corrente amostrada Io(k), e o sinal de erro ei(k) é utilizado para implementar a equação (3) do controlador digital PI da malha de corrente. O sinal resultante u2(k) é utilizado para a geração do sinal de comando das chaves do conversor forward.

4.7 Fluxograma do controle

O fluxograma do programa desenvolvido é mostrado na figura 15.

5 Resultados Experimentais

Foi implementado um protótipo de acordo com as especificações apresentadas na Tabela 1.

Tabela 1 – Especificações de Projeto

Tensão eficaz de entrada 127 / 220 +/-10%

Corrente máxima de saída 10 A

Ondulação max. da corrente na bateria 5% Tensões nominais possíveis da bateria 6 V e 12 V

Tensão máxima na bateria 14,4 V

Potência máxima de saída 144 W

Freq. de chaveamento dos conversores 50kHz

Tensão do barramento CC 360 V

Os valores dos parâmetros e os componentes uti-lizados foram os seguintes:

Lboost – 70H; Lf – 1mH;

Cf – 1F/400 V poliéster;

Mboost, M1 e M2 – IRF740, da International Rectifier; Dboost – HFA15TB60, da International Rectifier; CB – 330F/400 V eletrolítico; T1 – número de espiras: 80:10; Lo – 345,6H; Co – 470F/63V eletrolítico e 100nF/250V poliéster; D1 e D2 – BYV26C, da Philips; D3 e D4 – MUR1520, da Motorola.

As equações e o procedimento de projeto po-dem ser encontrados em [2, 3, 4].

Os resultados experimentais foram obtidos com o protótipo alimentado pela rede de 127 V, e com uma corrente de saída de 10 A. Foi utilizada como carga uma bateria com capacidade de 40 Ah operan-do em paralelo com uma resistência ajustável de valor máximo igual a 5 .

5.1 Estágio de entrada

A figura 16 mostra a tensão e a corrente na en-trada do carregador, da qual pode se comprovar o elevado fator de potência do carregador.

Na figura 17 estão apresentadas a tensão retifi-cada e a corrente no indutor Lboost no período da rede de alimentação.

A figura 18 mostra a tensão sobre a chave Mboost e a corrente em Lboost no período de chaveamento. Pode-se verificar que a condução ocorre em modo descontínuo.

Figura 16 - Tensão e corrente de entrada do carregador. Escalas: tensão: 100 V/div, corrente: 2 A/div, tempo: 4 ms/div Figura 15 – Fluxograma do controle.

(6)

5.2 Estágio de Saída

A tensão sobre a chave M1 e a tensão sobre o diodo D2 são mostradas na figura 19.

5.3 Índices de Desempenho

O carregador de baterias apresentou os seguintes valores, obtidos através do analisador universal de potência PM 3000A, quando operando com tensão de entrada de 127 V e fornecendo um corrente de saída de 9,72 A com tensão de saída fixada em 14,2 V:

Potência ativa absorvida da rede, Pin = 166 W Fator de potência, fp = 0,989

Taxa de distorção harmônica da corrente de en-trada, TDH = 14,15%

Potência de saída, Po = 138 W Rendimento total,  = 83,14%

Operando com tensão de entrada de 220 V, cor-rente de saída de 9,79 A e tensão de saída de 13 V,

foram obtidas a tensão e a corrente de entrada, que são mostradas na figura 21, Os índices de desempe-nho encontrados foram:

Potência ativa absorvida da rede, Pin = 156 W Fator de potência, fp = 0,909

Taxa de distorção harmônica da corrente de en-trada, TDH = 43%

Potência de saída, Po = 127 W Rendimento total,  = 81,41%

6 Conclusão

Este artigo apresentou o desenvolvimento de um carregador de baterias automotivas microcontrolado. O carregador foi projetado para alimentação univer-sal (127 V ou 220 V) e proporcionar elevado fator de potência. Ele pode carregar baterias de 6 V ou 12 V com capacidade entre 5 Ah e 100 Ah. Os resultados experimentais obtidos comprovaram o funcionamen-to do carregador de baterias proposfuncionamen-to. Além disso, foi demonstrado que ele apresenta alto fator de po-tência, bem como apresenta grande flexibilidade por permitir a seleção da tensão da bateria e selecionar a sua capacidade de corrente.

Referências Bibliográficas

[1]FERREIRA, Raul P.; Carregador de Baterias Híbrido, Projeto de Graduação, Engenharia Elétrica da UFES, 2001.

[2] POMILIO, José A.; Pré-Reguladores de Fator de Potência [on line]. 2001. Disponível: http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor/pdffile s/pfp/pfpcap3.pdf [capturado em 25 jul. 2003]. [3] CÓ, Márcio A.; Sistemas Eletrônicos

Microcontrolados para Acionamento de Lâmpadas de Alta Intensidade de Descarga, Tese de Doutorado, UFES, Vitória, 2003. [4] SIMONETTI, Domingos S. L.; VIEIRA, José L.;

SOUSA G. Modeling of the high-power-factor discontinuous boost rectifiers. IEEE Transaction on Industrual Applications, Vol. 46, No 4, p. 788-795, August 1999.

[5] Microchip Data Book, Second Edition, Outubro 1992.

Figura 21 - Tensão e corrente de entrada do carregador alimentado em 220V. Escalas: tensão: 100 V/div, corrente: 1 A/div, tempo: 4

ms/div Figura 17 - Tensão retificada de entrada e corrente sobre no

indu-tor Lboost. Escalas: tensão: 100 V/div, corrente: 5 A/div, tempo: 1

ms/div

Figura 18 - Tensão sobre Mboost e corrente no indutor Lboost

Escalas: tensão: 250 V/div, corrente: 5 A/div, tempo: 2 us/div

Figura 19 - Tensões sobre M1 e D2

Referências

Documentos relacionados

Más en concreto, argumentaré que el aprendizaje de la ciencia, en contra de lo que han supuesto algunos de los modelos dominantes del cambio conceptua l a partir de la propuesta

Além desta verificação, via SIAPE, o servidor assina Termo de Responsabilidade e Compromisso (anexo do formulário de requerimento) constando que não é custeado

De acordo com o Consed (2011), o cursista deve ter em mente os pressupostos básicos que sustentam a formulação do Progestão, tanto do ponto de vista do gerenciamento

Contemplando 6 estágios com índole profissionalizante, assentes num modelo de ensino tutelado, visando a aquisição progressiva de competências e autonomia no que concerne

During the crisis, the transition from a Bismarck- ian to a Beveridgean was partially reverted: when in 2012 the Popular Party launched its battery of health austerity measures

The use of E/e′ as surrogate marker of PCWP during exercise, the so called diastolic stress test, 33 is based on the fact that in the absence of cardiac disease, e′ increases to

Findado este estudo, importa referir, que mais do que analisar os níveis de prática desportiva, de consumo de álcool, de tabaco e a percepção que os jovens faziam da sua