Equalização ativa da tensão em baterias conectadas em série, aplicando o conversor CC-CC Flyback no modo de condução descontínua

(1)

EQUALIZAÇÃO ATIVA DA TENSÃO EM BATERIAS CONECTADAS EM SÉRIE, APLICANDO O CONVERSOR CC – CC FLYBACK NO MODO DE CONDUÇÃO DESCONTÍNUA Dissertação submetida ao Programa de Engenharia em Automação e Sistemas da Universidade Federal de Santa Catarina para a obtenção do Grau de mestre em engenharia de automação e sistemas. Orientador: Prof. Dr. Ing. Ivo Barbi Florianópolis 2018

(2)

Ficha de identificação da obra elaborada pelo autor através do Programa de Geração Automática da Biblioteca Universitária da UFSC.

(3)

(4)

(5)

Dedico este trabalho em primeiro lugar a Deus, a minha família (em especial aos meus pais Joacir, Madalena e aos meus irmãos Gabriel, Maysa, Gean e Gregory) e a todos os professores que participaram de minha formação desde o primário, secundário, graduação até o mestrado.

(6)

(7)

Agradeço de modo especial ao professor Ivo que orientou com maestria o andamento deste trabalho, foram inúmeras reuniões desde a escolha do tema até a conclusão dos trabalhos, todas muito produtivas. Agradeço ao professor Mauro Pagliosa, ao professor Carlos Henrique Illa Font, ao professor Daniel Juan Pagano, ao professor Ricardo Ruther e ao professor Telles Brunelli Lazzarin por suas contribuições extremamente valiosas para o andamento e conclusão do presente estudo. Tenho também profunda gratidão aos meus colegas de curso e laboratório Victor, Cássio, Jesiel, Carlos Eduardo, José, Ronny, Delvanei e Feres que me auxiliaram na busca da solução de inúmeros desafios que surgiram durante o andamento deste trabalho. Agradeço a Universidade Federal de Santa Catarina, ao Departamento de Pós‐ Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas e ao Laboratório Fotovoltaica por me proporcionarem a oportunidade de desenvolver esta pesquisa em suas respectivas magníficas infraestruturas. Agradeço ao povo brasileiro, pois de forma direta todos os recursos de custeio deste projeto são advindos de recursos públicos oriundos dos impostos. E por fim sou grato a todos os pesquisadores que pelo mundo a fora buscam aperfeiçoar métodos, técnicas e processos e que registram seus saberes em artigos, dissertações e teses para compartilhar informações relevantes ao desenvolvimento da ciência.

(8)

(9)

“A persistência é o caminho do êxito.” (Charles Chaplin)

(10)

(11)

Armazenar energia vem sendo um desafio para a humanidade ao longo de grande parte da sua história. Com isto, inúmeras tecnologias foram criadas visando suprir estas necessidades. Como consequência, hoje em dia pode‐se realizar o armazenamento energético de diversas formas que vão desde sistemas químicos, mecânicos, elétricos até uma composição entre eles. O desenvolvimento mais recente de veículos elétricos e das gerações de energia elétrica por meio de fontes intermitentes, tais como energia eólica e fotovoltaica, vêm sendo os principais fomentadores do desenvolvimento do armazenamento eletroquímico no século XXI. Uma das soluções mais difundidas até o momento são as baterias de Íon‐lítio. A montagem de bancos de baterias de Íon‐lítio com altas potências exige alta capacidade técnica tanto no projeto, quanto na execução e operação destes sistemas. Entre os problemas encontrados na prática está o da equalização de células conectadas em série. Para tanto, este trabalho busca apresentar alternativas que possam colaborar cientificamente com a questão do balanceamento de tensão nas baterias conectadas em série, a partir da utilização do conversor CC – CC Flyback operando no modo de condução descontínuo de 100W, 48V de entrada e com 4 saídas em 12V e 50kHZ de frequência de chaveamento. A alimentação deste conversor será realizada pela própria saída, o conversor estará conectado em paralelo com as baterias, e vai balancear automaticamente sem a adição de controle em malha fechada tanto na carga como na descarga das baterias ligadas em série. Aí encontra‐se a maior vantagem deste método de equipotencialização de baterias conectadas em série, a simplicidade, pois pode‐se realizá‐la sem a adição de métodos de controle complexos e avançados.

Palavras‐chave: baterias de Íon‐lítio. Equalização. Conversor de energia.

(12)

ABSTRACT

Storing energy has been a challenge for humanity throughout much of its history. Regarding this, numerous technologies were created to supply these needs. As a consequence, storage energy now can to be realized by different ways since chemical, mechanical, electrical systems to a composition among of them. The recent development of electric vehicles and the electric power generations through intermittent sources, such as wind and photovoltaic, have been the main goals of the electrochemical storage development in the 21st century. One of the most widespread solutions so far is lithium‐ion batteries. The assembly of lithium‐ion batteries banks with high powers requires high technical capacity both in the design, execution and operation of these systems. Among the problems found in practice is the equalization of connected cells in series. In order to do so, this work aims to present alternatives that can collaborate scientifically with the issue of voltage balancing in series ‐ connected batteries, using the DC ‐ DC Flyback converter operating in the discontinuous conduction mode of 100W, 48V input and with 4 outputs at 12V and 50kHz of switching frequency. The source converter will be by its own output, the converter will be connected in parallel with the batteries, and It will automatically balance without the addition of closed‐loop control in both the load and the discharge of the batteries connected in series. This is the biggest advantage of this method of equalization of batteries connected in series, the simplicity, because it can be done without the addition of complex and advanced control methods. Keywords: Lithium‐ion batteries. Equalization. Power converter.

(13)

Figura 1 ‐ Pilha Voltaica de 1800. ... 34

Figura 2 ‐ Primeira pilha recarregável 1859. Elemento: Chumbo ácido. ... 34 Figura 3 ‐ Bateria de Íon‐lítio. ... 36 Figura 4 ‐ Bateria de Íon‐lítio. ... 38 Figura 5 ‐ Representação da carga e descarga de uma bateria. .... 39 Figura 6 ‐ Estado de carga e profundidade de descarga. ... 41 Figura 7 ‐ Formato físico das baterias (associação de células). .... 42

Figura 8 ‐ Banco de baterias de Íon‐lítio do laboratório Fotovoltaica‐UFSC. ... 48 Figura 9 ‐ Países com as maiores reservas de lítio no mundo em milhões de toneladas [17]. ... 49 Figura 10 ‐ Armazenamento energético mundial [18]... 50 Figura 11 ‐ Dados de armazenamento energético mundial [18]. . 50 Figura 12 ‐ Estimativa de custo x demanda. [19] ... 51 Figura 13 ‐ Circuito equivalente de Thévenin da bateria de Íon‐lítio. ... 52 Figura 14 ‐ Curvas da evolução da tensão em função do tempo nas baterias de Íon‐lítio. ... 55 Figura 15 ‐ Associação série e paralelo de baterias. ... 56 Figura 16 ‐ Esquema meramente ilustrativo de um BMS. ... 58 Figura 17 ‐ Principais funções do BMS [26]. ... 58 Figura 18 ‐ Baterias desbalanceadas [12] [28]. ... 61 Figura 19 ‐ Fluxograma de BMS [13]. ... 62 Figura 20 ‐ Classificação das técnicas de equalização [12]. ... 63 Figura 21 ‐ Técnicas passivas de equalização de bancos de baterias [14]. ... 65 Figura 22 ‐ Capacitor chaveado [14]. ... 66 Figura 23 ‐ Capacitor único chaveado [14]. ... 67 Figura 24 ‐ Capacitor chaveado com comutação de dois níveis. . 67 Figura 25 ‐ Capacitor chaveado para a modularização de baterias ... 68

(14)

Figura 26 ‐ Utilização de indutores para equalização de baterias.

... 69

Figura 27 ‐ Balanceador com uso de um transformador com enrolamento simples. ... 70

Figura 28 ‐ Equalizador de múltiplos transformadores. ... 71

Figura 29 ‐ Conversor CC ‐ CC Cuk no modo de condução contínuo. ... 73 Figura 30 ‐ Estrutura de balanceamento Buck. ... 74 Figura 31 ‐ Conversor Buck‐boost aplicado a equalização [28]. .... 74 Figura 32 ‐ Conversor em rampa aplicado à equalização... 75 Figura 33 ‐ Topologia balanceadora ponte completa. ... 76 Figura 34 ‐ Topologia quase ressonante. ... 77 Figura 35 ‐ Conversor Flyback simples. ... 81 Figura 36 ‐ Transformador com um único enrolamento de saída. ... 81 Figura 37 ‐ Primeira etapa de operação. ... 82 Figura 38 ‐ Segunda etapa de operação. ... 84 Figura 39 ‐ Formas de onda do modo de condução contínua ... 85 Figura 40 ‐ Primeira etapa de operação. ... 88 Figura 41 ‐ Segunda etapa de operação. ... 89 Figura 42 ‐ Terceira etapa de operação. ... 90 Figura 43 ‐ Formas de onda do conversor Flyback MCD. ... 91 Figura 44 ‐ Curva característica de saída do conversor Flyback. .. 96 Figura 45 ‐ Conversor Flyback com dois enrolamentos na saída. 97 Figura 46 ‐ Corrente na indutância magnetizante. ... 98 Figura 47 ‐ Transformador idealizado. ... 99 Figura 48 ‐ Comportamento da tensão nos super capacitores. .. 100

Figura 49 ‐ Relação entre a derivada negativa da indutância magnetizante e as tensões nos diodos da saída. ... 100

Figura 50 ‐ Comportamento das correntes nos semicondutores no período emque as células estão totalmente desbalanceadas. ... 101

Figura 51 ‐ Fase de transição entre células desequalizadas para equalizadas. ... 102

(15)

Figura 54 ‐ Segunda etapa de operação com células desbalanceadas (conduzirá somente o diodo de menor tensão). ... 107 Figura 55 ‐ Segunda etapa de operação com células equalizadas. ... 110 Figura 56 ‐ Terceira etapa de operação. ... 110 Figura 57 ‐ Formas de ondas na indutância magnetizante. ... 112 Figura 58 ‐ Formas de onda da tensão e da corrente do Flyback. 113 Figura 59 ‐ Diferença entre o ganho do período desequalizado e equalizado. ... 120

Figura 60 ‐ Razão cíclica em função do desiquilíbrio. ... 121

Figura 61 ‐ Potência em função da razão cíclica e indutância magnetizante. ... 123

Figura 62 ‐ Transferência de energia entre células desbalanceadas. ... 125

Figura 63 ‐ Tempo de equalização em função da razão cíclica. . 127

Figura 64 ‐ Variação da corrente na saída do conversor. ... 128

Figura 65 ‐ Equilíbrio nos esforços de tensão entre a entrada e a saída do conversor. ... 129 Figura 66 ‐ Conversor Flyback com quatro enrolamentos. ... 136 Figura 67 ‐ Bateria chumbo ácida estacionária moura. ... 137 Figura 68 ‐ Representação do núcleo E e do carretel. ... 150 Figura 69 ‐ Representação do entreferro. ... 152 Figura 70 ‐ Conversor Flyback com grampeador RCD. ... 157 Figura 71 ‐ Métodos de confecção dos enrolamentos. ... 161 Figura 72 ‐ Circuito de simulação no PSIM. ... 166 Figura 73 ‐ Tensão na chave. ... 166 Figura 74 ‐ Tensão na chave com a tensão de grampeamento. .. 167 Figura 75 ‐ Corrente na chave. ... 167

Figura 76 ‐ Corrente nos diodos com circuito sendo equalizado. ... 168

Figura 77 ‐ Corrente sobre os diodos. ... 168

Figura 78 ‐ Tensões sobre os super capacitores de saída. ... 169

(16)

Figura 80 ‐ Esquemático do circuito auxiliar e de potência... 170 Figura 81 ‐ Protótipo do Conversor Flyback. ... 172 Figura 82 ‐ Pulsos de comando da chave MOSFET. ... 173 Figura 83 ‐ Tensão e corrente na chave. ... 174 Figura 84 ‐ Tensão e corrente nos diodos de saída. ... 175 Figura 85 ‐ Formas de onda na saída do conversor. ... 176 Figura 86 ‐ Teste do protótipo com baterias. ... 177 Figura 87 ‐ Equalização singular. ... 178

Figura 88 ‐ Equalizador e baterias no processo de carregamento. ... 179

Figura 89 ‐ Equalizador e baterias sendo descarregadas com uma corrente média de 1A... 180

Figura 90 ‐ Principais formas de onda no início da equalização. ... 181 Figura 91 ‐ Formas de onda após a equalização. ... 181

(17)

Quadro 1 ‐ Desempenho entre diferentes tecnologias de lítio[3]. 47

(18)

(19)

Tabela 1 ‐ Principais composições de ânodos e catodos [23] ... 43

Tabela 2 ‐ Comparação entre diferentes tecnologias de armazenamento. ... 44

Tabela 3 ‐ Principais dados de uma bateria ... 46

Tabela 4 ‐ Dados do banco de baterias. ... 48

Tabela 5 ‐ Comparação entre os principais tipos de equalização existentes. ... 78

Tabela 6 – Informações técnicas fornecidas pelo fabricante [20]. ... 137 Tabela 7 – Especificações gerais de entrada do conversor Flyback. ... 138 Tabela 8 ‐ Razão cíclica crítica. ... 139 Tabela 9 ‐ Indutância magnetizante. ... 140 Tabela 10 ‐ Valor da resistência de saída. ... 140 Tabela 11 ‐ Ganho estático ... 140

Tabela 12 ‐ Tempo de equalização (super capacitores na saída). ... 141

Tabela 13 ‐ Tensão máxima sobre a chave. ... 142

Tabela 14 ‐ Tensão máxima sobre a chave. ... 143

Tabela 15 ‐ Tensões na indutância magnetizante refletida no secundário. ... 143 Tabela 16 ‐ Tensões máximas nos diodos de saída. ... 144 Tabela 17 ‐ Corrente de pico na chave. ... 145 Tabela 18 ‐ Corrente de pico nos diodos. ... 145 Tabela 19 ‐ Corrente média na chave. ... 146 Tabela 20 ‐ Tensão média nos diodos. ... 146 Tabela 21 ‐ Tensão eficaz na chave. ... 146 Tabela 22 ‐ Corrente eficaz no diodo. ... 147

Tabela 23 ‐ Especificações de entrado do transformador Flyback ... 148

Tabela 24 ‐ Dados para o cálculo do núcleo. ... 149

Tabela 25 ‐ Valor referência para cálculo do núcleo. ... 149

(20)

Tabela 27 ‐ Dimensões do núcleo 42/15. ... 150 Tabela 28 ‐ Energia acumulada no transformador ... 151 Tabela 29 ‐ Valor do entreferro. ... 151 Tabela 30 ‐ Corrente pico que passa pelo transformador. ... 152 Tabela 31 ‐ Número de espiras no primário. ... 153 Tabela 32 ‐ número de espiras nos secundários. ... 153 Tabela 33 ‐ Seção máxima do condutor em cm ... 154 Tabela 34 ‐ Número de condutores em paralelo. ... 155 Tabela 35 ‐ Seção dos condutores dos secundários. ... 155 Tabela 36 ‐ Possibilidade de execução ... 156 Tabela 37 ‐ Dados para cálculo do circuito grampeador. ... 158 Tabela 38 ‐ Potência de grampeamento. ... 158 Tabela 39 ‐ Resistência de grampeamento. ... 159 Tabela 40 ‐ Capacitância de grampeamento. ... 159 Tabela 41 – Especificações do transformador... 160

Tabela 42 ‐ Tabela com indutâncias obtidas pelas diferentes técnicas de enrolamento. ... 161 Tabela 43 – Mosfet. ... 163 Tabela 44 – Capacitor do circuito grampeador. ... 163 Tabela 45 – Diodo do circuito grampeador. ... 164 Tabela 46 – Diodo de saída. ... 164 Tabela 47 – Capacitor de saída. ... 165

Tabela 48 ‐ Comparação dos valores calculados aos simulados (simulação ideal). ... 171

(21)

SOC – Estado de Carga. SOH – Estado de Vida. DOD – Profundida de descarga. CC‐CC – Corrente contínua para corrente contínua. MCD – Modo de condução descontínua. MCC – Modo de condução contínua. ESS – Sistema de Armazenamento de Energia. BMS – Sistema de Gerenciamento de Energia. NASA – Agência Nacional da Aeronáutica e Espaço dos Estados Unidos da América. DOE – Banco de Dados de Armazenamento de Energia Global do Governo Americano. D.D.P – diferença de potencial. Tensão. GBT – Transistor bipolar de Porta Isolada. GTO – Gate Turn‐Off Thyristor. WEG – empresa multinacional brasileira do ramo de eletricidade. UFSC – Universidade Federal de Santa Catarina. PWM ‐ Pulse Width Modulation ou Modulação de Largura de Pulso. RCD – Resistor, capacitor e diodo. EV – Veículos elétricos. Ni‐Cd – bateria de níquel cádmio. Ni‐Fe – bateria de níquel ferro. LiAlSi4O10 – petalite. Li‐ion – Íon lítio. LiCoO2 ‐ Óxido de lítio cobalto. LiMn2O4 ‐ Óxido de lítio manganês. LiNiCoAIO2 ‐ Óxido de lítio níquel cobalto alumínio. Li4Ti5O12 ‐ Titanato de lítio. LiNiMnCoO2 ‐ Óxido de lítio manganês cobalto. LiFePO4 ‐ Fosfato de lítio ferro. LiNiO2 ‐ Dióxido de níquel de lítio. RC – Resistor e capacitor.

(22)

(23)

A

_{– Ampere, unidade de corrente elétrica.}

V

_{– Volt, unidade de tensão elétrica.}

kWh

_{– Unidade de energia watts hora.}

/

mAh g

‐ Capacidade específica em ampere hora por grama.

/

Wh kg

_{‐ Densidade de energia por massa em quilograma.} 3

/

Wh m

_{‐ Densidade volumétrica por volume em metros cúbicos.}

kHz

_{‐ Frequência em quilohertz.}

C



_{– Unidade de temperatura em graus Celsius.} OC

V

–Tensão de circuito aberto. S

R

– Resistência série. TS

C

– Capacitor de transiente de curta duração. TS

R

– Resistor transiente de curta duração. TL

C

– Capacitor de transiente de longa duração. TL

R

‐ Resistor transiente de longa duração.

 

SoC t

‐ Estado de carga da bateria no tempo t [%].

 

1 SoC t



‐ Estado de carga no tempo inicial [%].

I

‐ Corrente de carga ou descarga (A). t ‐ Tempo (h). bat

C

‐ Capacidade da bateria (Ah).

B

‐ Bateria.

R

‐ Resistor.

ESR

‐ Resistência série do capacitor.

Q

‐ MOSFET.

N

‐ Número de espiras.

S

‐ Chave.

T



‐ Variação de corrente na indutância magnetizante. Lmmd

I

‐ Corrente média na indutância magnetizante. Co

V



‐ Variação da tensão no capacitor. s

f

‐ Frequência de chaveamento. energia

E

‐ Energia armazenada. o

P

‐ Potência de saída. 2

t

‐ Tempo de comutação da segunda etapa de operação.

G

‐ Ganho estático. o

I

‐ Corrente de saída parametrizada. L

di

dt

‐ Derivada da corrente em função do tempo.

dv

dt

‐ Derivada da tensão em função do tempo. equal

t

‐ Tempo de equalização.



‐ Rendimento.

(26)

(27)

1 INTRODUÇÃO GERAL ... 27 1.1 PROBLEMA ... 28 1.2 OBJETIVOS ... 28 1.2.1 Objetivo geral ... 28 1.2.2 Objetivos específicos ... 28 1.3 JUSTIFICATIVA ... 29 1.4 ESTRUTURA DO TRABALHO ... 30 1.5 PUBLICAÇÕES ... 31 2 BATERIAS DE ÍON‐LÍTIO ... 33 2.1 INTRODUÇÃO ... 33 2.2 UM BREVE HISTÓRICO ... 33 2.3 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO ... 37 2.4 DEFINIÇÕES IMPORTANTES ... 39 2.4.1 Estado de carga (SOC – State of Charge) ... 39 2.4.2 Estado de vida (SOH – State of Health) ... 40

2.5 FORMATOS FÍSICOS MAIS COMUNS DE

FABRICAÇÃO DAS CÉLULAS ... 41

2.6 TIPOS DE BATERIAS DE LÍTIO ... 42

2.7 VANTAGENS DAS BATERIAS DE LÍTIO ... 44

2.7.1 Desempenho entre diferentes baterias de Íon‐lítio .... 47

2.8 DADOS ESTATÍSTICOS ... 49

2.9 REPRESENTAÇÃO DAS BATERIAS A PARTIR DE CIRCUITOS ELÉTRICOS EQUIVALENTES ... 52

2.10 SISTEMAS DE ARMAZENAMENTO DE ENERGIA ... 56

(28)

3 TÉCNICAS DE EQUALIZAÇÃO DE BATERIAS DE ÍON‐LÍTIO ... 60 3.1 INTRODUÇÃO ... 60 3.2 BMS (Battery Management System) ... 61 3.3 TÉCNICAS DE EQUALIZAÇÃO ... 63 3.3.1 Método passivo ... 65 3.3.2 Método ativo ... 66 3.3.2.1 Capacitores ... 66 3.3.2.2 Indutor/transformador: ... 68 3.3.2.3 Conversores CC – CC ... 71 3.3.2.4 Comparação entre os principais métodos de equalização ...77 3.4 CONCLUSÃO ... 79 4 ANÁLISE DO CONVERSOR FLYBACK EM MODO DE CONDUÇÃO DESCONTÍNUA (MCD) APLICADO A EQUALIZAÇÃO DE BATERIAS ... 80 4.1 INTRODUÇÃO ... 80 4.2 FLYBACK SIMPLES ... 80 4.2.1.1 Transformador com um enrolamento de saída ... 81

4.2.2 Conversor Flyback simples no modo de condução contínua ...82

4.2.2.1 Etapas de operação ... 82

4.2.2.2 Formas de onda ... 85

4.2.2.3 Análise estática do conversor Flyback em ‐ MCC ... 86

4.2.3 Conversor Flyback simples no modo de condução descontínua ... 87

(29)

ENROLAMENTOS APLICADO AO BALANCEAMENTO DAS BATERIAS ... 96

4.3.1 Conversor Flyback com 2 enrolamentos no modo de condução contínua... 96

4.3.1.1 Definições básicas do transformador ... 98

4.3.1.2 Ciclos de operação do conversor Flyback ... 100

4.3.1.4 Formas de onda de tensão e corrente na indutância magnetizante ... 112 4.3.1.5 Formas de onda ... 113 4.3.1.6 Análise estática ... 114 4.3.1.7 Esforços nos semicondutores ... 130 4.4 CONCLUSÕES ... 135 5 PROJETO, DIMENSIONAMENTO E SIMULAÇÃO NUMÉRICA DO CONVERSOR FLYBACK EM MCD ... 136 5.1 INTRODUÇÃO ... 136 5.2 ESPECIFICAÇÕES DAS BATERIAS ... 137 5.3 PROJETO DO CONVERSOR ... 138 5.3.1 Especificações de entrada do conversor ... 138

5.3.2 Cálculo da razão cíclica crítica em função dos desiquilíbrios e relação de transformação ... 139

5.3.3 Cálculo da indutância magnetizante ... 139

5.3.4 Resistência de saída ... 140

5.3.5 Cálculo do ganho estático do conversor ... 140

(30)

5.3.7 Cálculo dos esforços de tensão e corrente: ... 141 5.3.7.1 Tensão máxima na chave: ... 141 5.3.7.2 Tesão máxima na magnetizante do lado primário: ... 143 5.3.7.3 Tensão máxima na magnetizante no secundário: ... 143 5.3.7.4 Tensão máxima nos diodos de saída: ... 143 5.3.8 Cálculo dos esforços de corrente: ... 144 5.3.8.1 Corrente de pico na chave: ... 144 5.3.8.2 Corrente de pico nos diodos: ... 145 5.3.8.3 Corrente média na chave: ... 145 5.3.8.4 Corrente média nos diodos: ... 146 5.3.8.5 Corrente eficaz na chave: ... 146 5.3.8.6 Corrente eficaz nos diodos: ... 147 5.3.9 Projeto do transformador de múltiplas saídas: ... 147 5.3.9.1 Especificações para o projeto: ... 147 5.3.9.2 Cálculo para a escolha do núcleo: ... 148 5.3.9.3 Cálculo do entreferro: ... 151

5.3.9.4 Cálculo do número de espiras nos enrolamentos primários e secundários: ... 152 5.3.9.5 Determinação da seção dos condutores: ... 154 5.3.9.5.1 Seção máxima dos condutores. ... 154 5.3.9.5.2 Determinação da seção dos condutores do primário. ... 154 5.3.9.5.3 Determinação da seção dos condutores do secundário. ... 155 5.3.9.6 Possibilidade de execução:... 156

5.3.9.7 Considerações finais sobre o projeto do transformador. ...156

(31)

5.4.1.1 Transformador: ... 160 5.4.1.2 Chave ‐ MOSFET: ... 163 5.4.1.3 Capacitor de polipropileno: ... 163 5.4.1.4 Diodo – MUR (Ultra Fast Rectifiers) 1100 E ... 164 5.4.1.5 Diodo IXYS – ShottKy DSA90C200HB: ... 164 5.4.1.6 Capacitor de filme: ... 165 5.5 SIMULAÇÃO NUMÉRICA ... 165 5.5.1 Resultados obtidos pela simulação numérica ... 166 5.6 LEIAUTE DA PLACA ... 169 5.7 CONCLUSÕES ... 171 6 RESULTADOS EXPERIMENTAIS ... 172 6.1 INTRODUÇÃO ... 172 6.2 TESTES DO CONVERSOR ... 173 6.2.1 Resultados obtidos com cargas resistivas ... 173

6.2.2 Resultados obtidos com baterias conectadas na saída ...177 6.3 CONCLUSÃO ... 182 7 CONCLUSÃO GERAL ... 184 REFERÊNCIAS ... 186 APÊNDICE A ... 193 APÊNDICE B ... 195 ANEXO A – Descrição ... 196

(32)

(33)

1 INTRODUÇÃO GERAL

Operar sistemas de armazenamento com excelência requer inúmeros cuidados e é algo de profunda complexidade. Sendo assim os pré‐requisitos na utilização das baterias variam de acordo com cada tecnologia, porém, aqui neste trabalho haverá um aprofundamento sobre os cuidados com as baterias de Íon‐lítio.

Na atualidade a demanda da geração de energia elétrica por meios que impactam menos ao meio ambiente é algo crescente. Como exemplo de métodos de geração limpos pode‐se dar destaque a extração de eletricidade a partir dos ventos e do sol. Entretanto, estes dois possuem um problema em comum: a intermitência na geração.

Esta lacuna é suprida na prática a partir da instalação de bancos de baterias que alimentam a carga em momentos que não há a incidência de correntes de ar ou irradiação solar. A grande adversidade desta solução é o custo total do sistema que é elevado expressivamente quando comparado a sistemas sem armazenamento.

Esta dissertação abordará, de modo superficial diversas técnicas de equalização em baterias de Íon‐Lítio a partir de revisão bibliográfica e aprofundará as análises do conversor Flyback.

O balanceamento das baterias é algo muito importante em diversos aspectos, dentre os quais estão o prolongamento da vida útil, melhora em sua eficiência e ampliação da segurança na sua utilização. Além disto, há inúmeras outras vantagens que serão detalhadas nos capítulos posteriores.

Tendo em vista estas questões o respectivo trabalho focará no estudo de bancos de baterias que possuem conexão de células em série, a partir da aplicação do conversor Flyback no modo de condução descontínua com múltiplas saídas, em malha aberta e adição de controle para o balanceamento destas.

Serão realizadas abordagens teóricas a partir das análises matemáticas do conversor com uma única saída tanto no modo de condução contínua, como no modo de condução descontínuo (com

(34)

resistores na saída). Posteriormente será abordado o conversor com múltiplas saídas no modo de condução descontínua com super capacitores na saída. Por fim será realizada a prototipagem do conversor, para testes práticos.

Estes testes serão divididos em duas fases: a primeira com resistores e a segunda com baterias de chumbo ácido, visto que estas serão utilizadas por questões de limitações financeiras e por segurança, já que não há BMS para realizar a proteção da utilização de baterias do Íon‐lítio. 1.1 PROBLEMA

Avaliar o desempenho da aplicação do conversor CC‐CC Flyback com múltiplas saídas, no modo de condução descontínua em malha aberta, na equalização ativa de tensão das baterias conectadas em série tanto na carga, quanto na descarga. 1.2 OBJETIVOS 1.2.1 Objetivo geral O principal objetivo do trabalho é gerar conhecimento que permita a um engenheiro: conceber, modelar, dimensionar, simular, construir e testar sistemas de equalização de tensão de baterias conectadas em série, a partir da utilização do conversor Flyback com múltiplas saídas no modo de condução descontínua em malha aberta e com razão cíclica fixa.

1.2.2 Objetivos específicos

 Compreender a tecnologia de Íon‐lítio com um aprofundamento que permita a sua modelagem e representação em circuitos elétricos;

 Revisar principais técnicas de equalização já utilizadas pela indústria e pelo mundo acadêmico;

(35)

 Realizar análise matemática completa do conversor Flyback aplicado a equalização;

 Projetar, simular e realizar o protótipo deste conversor em MCD (modo de condução descontínuo) aplicados a equalização de baterias;

 Analisar as vantagens e desvantagens do uso deste conversor.

1.3 JUSTIFICATIVA

A bateria de Íon‐lítio é a tecnologia mais empregada para a fabricação de relógios, celulares, laptops, marca‐passo cardíaco, veículos elétricos ou híbridos, subestações de transmissão de energia, sistemas de micro ou grande geração de eletricidade sejam eólicos, fotovoltaicos, hidroelétricos, enfim em inúmeras tecnologias há a presença do armazenamento.

Estes sistemas são destinados a inúmeras finalidades que variam desde aplicações de segurança, mobilidade, praticidade ou até a redução de intermitências na falta da fonte de geração.

Segundo Correia (2016, p.14) a “implementação de um ESS (energy storage system) numa fonte renovável, permite, portanto, aumentar a previsibilidade da produção, pois, armazena o excedente de energia num determinado período e descarrega‐o num momento posterior, em que haja escassez de energia” [1], por exemplo.

Levando‐se em consideração a importância dos sistemas de ESS houve ao longo dos anos um refinamento dos mesmos. O aperfeiçoamento das tecnologias de ESS não parou, porém chegou‐se as baterias de Lí‐Ìon que são a tecnologia mais difundida no mercado neste século.

Esta se tornou popular devido às características extremamente positivas, as quais cabe‐se destacar conforme Correia (2016, p.14) “a alta eficiência, maior longevidade e alta energia específica” [1].

(36)

Estas tecnologias apresentam desafios para sua operação ótima. Estes desafios se devem a partir de Schmidt (2011, p.1) “pelas características químicas que requerem novas tecnologias para monitorar e manter as células durante sua utilização, tomando decisões em tempo real baseadas em parâmetros medidos, e otimizando a duração do sistema para obter a máxima performance” [2]. Considerando‐se todos estes aspectos, chega‐se à conclusão de que há muito para colaborar cientificamente com o setor. Este trabalho buscará contribuir com o estudo e desenvolvimento das técnicas de equalização. Sendo estas fundamentais ao que tange a montagem de bancos de baterias, sendo associadas em série ou paralelo. Os ESS’s não podem negligenciar o balanceamento, pois a falta de balanço de tensão entre células pode levar a inutilização das baterias. 1.4 ESTRUTURA DO TRABALHO

Esta dissertação encontra‐se dividida em seis capítulos. Cada um deles procura trazer conhecimentos relevantes acerca dos seus respectivos propósitos. Eles possuem introdução, desenvolvimento e conclusão. Em cada introdução é feito um apanhado geral do contexto do capítulo dentro do trabalho.

Como esta pesquisa envolve distintas áreas do conhecimento, pensou‐se em estruturá‐la em três eixos, sendo eles: baterias de Íon‐lítio, equalizadores e equalizador Flyback.

No capítulo 1 é realizada a introdução geral da dissertação através da apresentação do problema, objetivos, justificativa e estrutura do trabalho para que o leitor possa compreender o contexto no qual o texto está inserido.

No capítulo 2 encontra‐se uma revisão bibliográfica sobre as baterias de Íon‐lítio, que vai desde o histórico, princípio de funcionamento até a modelagem genérica das baterias de Íon‐lítio. No capítulo 3 busca‐se conceituar, de modo básico, sistemas de armazenamento de energia químicos, e realiza‐se uma revisão

(37)

bibliográfica sobre diferentes tipos de equalizadores utilizados na indústria e no mundo acadêmico. O intuito principal deste capítulo é apresentar a o leitor que existem diversas formas de equalizar sistemas de armazenamento.

No capítulo 4 faz‐se uma análise estática e dinâmica (tempo de equalização) das características quantitativas e qualitativas que envolvem o conversor Flyback no modo de condução contínua, descontínua, com enrolamento único e com múltiplos enrolamentos. Sendo estas análises realizadas primeiramente com resistores e posteriormente com super capacitores.

No capítulo 5 realiza‐se um passo‐a‐passo do projeto do conversor Flyback em MCD equalizador e a simulação numérica para comprovação do estudo vigente neste documento.

No capítulo 6 são apresentados os resultados experimentais a partir da prototipagem do conversor Flyback com múltiplas saídas. Sendo ela crucial para a comprovação de toda a teoria desenvolvida nos capítulos anteriores.

E por fim vem as considerações finais, apêndices e anexos com as planilhas e documentos importantes para a reprodução deste projeto por outros engenheiros e pesquisadores da área. 1.5 PUBLICAÇÕES Durante o período de desenvolvimento desta dissertação, foi realizada uma publicação com a respectiva denominação:

G. D. Costa, C. H. I. Font, I. Barbi, “Comprehensive Analysis of a Flyback Converter for Voltage Equalization of Battery Strings,” IEEE/IAS 13th International Conference on Industry Applications, São Paulo, 2018.

(38)

(39)

2 BATERIAS DE ÍON‐LÍTIO 2.1 INTRODUÇÃO Armazenar energia nunca teve um papel tão crucial para o desenvolvimento da sociedade quanto agora. Chega‐se ao ponto em que o armazenamento energético dita o ritmo do desenvolvimento tecnológico em praticamente todos os setores. Desde a medicina com os nano submarinos até à NASA em suas missões espaciais. Levando‐se em consideração este cenário, a engenharia assume uma grande responsabilidade e papel de destaque nas pesquisas e desenvolvimento do setor. Os esforços se encontram desde a descoberta de novas tecnologias de baterias até o aperfeiçoamento das já existentes.

Neste capítulo, haverá um maior enfoque na apresentação dos conceitos sobre baterias de Íon‐lítio. Será, de modo resumido, explicado desde o histórico, o princípio de funcionamento até a sua modelagem a partir de circuitos elétricos. Princípios estes que são fundamentais para a compreensão como um todo destes sistemas. 2.2 UM BREVE HISTÓRICO

A história das baterias não é algo recente. Tudo começou com Benjamin Franklin em 1748 a partir da análise da carga de placas de vidro. Passou por Luigi Galvani em 1786 com os estudos dos impulsos elétricos, porém teve seu marco revolucionário com Alessandro Volta em 1800 com a publicação da pilha popularmente conhecida como “Voltaica”, em sua homenagem [3]. Na Figura 1 apresenta‐se uma foto da pilha voltaica.

Até então a maioria das baterias eram primárias, o que significa que não podiam ser recarregadas [3]. Portanto eram mais rudimentares e possuíam poucas aplicações práticas. Com isto as pesquisas continuaram e consequentemente mais a frente foram desenvolvidas novas técnicas de armazenamento de energia.

(40)

Figura 1 ‐ Pilha Voltaica de 1800. Fonte: Powered by Wikia [4]. Em 1836, John F. Daniell desenvolveu uma pilha de sulfato de cobre e sulfato de zinco com um melhor desempenho e em 1859 o médico francês Gaston Planté inventou a primeira bateria recarregável com base em chumbo ácido, apresentada na Figura 2 [3]. Ambos os sistemas são a base utilizada até hoje nestas tecnologias de armazenamento químico de energia elétrica.

Figura 2 ‐ Primeira pilha recarregável 1859. Elemento: Chumbo ácido.

Fonte: Battery University [3].

(41)

No ano de 1899 Waldmar Jungner da Suécia inventou a primeira bateria de Níquel‐Cadmio (Ni‐Cd), em 1901 Thomas Edison substituiu o níquel por ferro e criou a bateria Níquel‐ferro (Ni‐Fe). Porém, a baixa energia específica e a auto descarga em baixas temperaturas levou a sua substituição em 1932. Schlecht e Ackermann obtiveram maiores correntes de carga e melhoraram a longevidade da NiCd. Em 1947 Georg Neumann Conseguiu selar a célula. Por muitos anos a bateria de NiCd recarregável aprimorada foi a mais utilizada para aplicações portáteis. Até que entre 1960 e 1970, devido à crise energética, iniciaram‐se os estudos sobre às técnicas de armazenamento de Íon‐Lítio. Mas é sabido conforme encontrado em Roselem (2012, p.60) “que o lítio foi isolado em 1817 por Johan Arfvedson, durante uma análise de uma rocha do tipo petalite (LiAlSi4O10). O pesquisador batizou a rocha com a palavra grega “Lithos”, que significa pedra” [5]. E em 1855, dois cientistas, Robert Bunsen e Augustus Matthiessen, simultaneamente produziram em grande quantidade o lítio metálico através da eletrólise do sal de cloreto de lítio (BRODD, 2002, apud ROSELEM et. al., 2012, p. 60) [5].

Depois da metade do século 20 começaram a surgir registros científicos acerca das baterias de lítio, encontra‐se a primeira publicação mais especificamente em 1958. Os conceitos mais populares surgiram no Japão com a bateria de Li/(CF)n – fluoreto de lítio, mas não eram recarregáveis e eram inseguras pois podiam gerar explosões [6]. As baterias de lítio passaram a ser utilizadas comercialmente depois dos anos 90, pois até então as mesmas não tinham obtido resultados satisfatórios no quesito segurança. Correia (2016, p.18) fundamenta esta questão:

A falta de compostos apropriados e as dificuldades dos eletrólitos cumprirem as regras de segurança – custo e performance necessários para uma bateria ter sucesso no

(42)

mercado – arrastaram durante 10 anos a implementação da tecnologia Li‐ion. Atualmente, esta tecnologia cuja diferença reside, essencialmente, nos materiais usados para o cátodo, ânodo e eletrólito [...]‐ é utilizada e comercializada em larga escala. Assim, embora as primeiras baterias de Lítio datem do final de 1960, e tenha havido bastante pesquisa e investigação durante essa época, apenas na década de 90, o conceito se tornou viável com a substituição do uso do metal Li pelo Li iônico [1].

Nos anos 80 o cientista americano John Bannister Goodenough inventou a bateria de Lítio com o catodo fabricado utilizando óxido de cobalto. O mesmo cientista lançou, pela Sony, em 1991, comercialmente a primeira bateria recarregável de Íon‐ lítio, com ânodo de grafite (C) e cátodo de cobalto de lítio (LiCoO2). Essa célula tem uma tensão nominal de 3,7 V [5]. (STEWART, 2012, apud ROSELEM et. al., 2012, p. 60). A história da bateria de lítio pode ser sintetizada em três grandes fases:

Li/CF(N) 1970 – Bateria recarregável (LiCoO2) – Baterias Lí‐Íon¹

Na atualidade a bateria de Íon‐lítio, apresentada na Figura 3, é a tecnologia mais empregada para a fabricação de diversos utensílios utilizados pela humanidade na vida contemporânea.

Figura 3 ‐ Bateria de Íon‐lítio.

Fonte: Battery University [3]

(43)

¹ Na atualidade há inúmeras tecnologias. As mais usuais são:  Óxido de lítio cobalto (LiCoO2) – LCO;  Óxido de lítio manganês (LiMn2O4) ‐ LMO;  Óxido de lítio níquel cobalto alumínio (LiNiCoAIO2) – NCA;  Titanato de lítio (Li4Ti5O12) – LTO;  Óxido de lítio manganês cobalto (LiNiMnCoO2) – NMC;  Fosfato de lítio ferro (LiFePO4) – LFP 2.3 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO

Uma bateria recarregável é um dispositivo que armazena energia elétrica na forma de compostos eletroquimicamente ativos (energia química) e, vice‐versa, transforma energia química em elétrica [23].

É, portanto, um dispositivo capaz de armazenar e gerar energia elétrica mediante reações eletroquímicas de oxidação (perda de elétrons) e de redução (ganho de elétrons).

Nessas reações a transferência dos elétrons ocorrem no circuito elétrico externo, o que gera a corrente elétrica. Quando a bateria é utilizada, isto é, na descarga, a energia química armazenada nos eletrodos se transforma direta e espontaneamente em energia elétrica [2].

As baterias de Íon‐lítio respeitam o princípio básico universal da óxido‐redução, que rege o funcionamento de qualquer bateria.

Elas são compostas basicamente por um cátodo (elemento eletricamente mais positivo), um ânodo (eletricamente mais negativo), um eletrólito (elemento pelo qual ocorre a troca dos elétrons) e um separador que isola internamente os polos, evitando assim um curto circuito interno [23]. No esquemático da Figura 4 encontra‐se uma bateria de Íon‐Lítio com a apresentação das reações químicas internas.

(44)

Figura 4 ‐ Bateria de Íon‐lítio.

Fonte: adaptado de FEUP,2016 [6]

Durante o processo de carga, Li+ions migram do ânodo (negativo) para o cátodo (positivo), conforme apresentado na Figura 5. O contrário acontece quando se descarrega, ou seja, elétrons são retirados do cátodo (oxidante neste momento) e transportados até o ânodo [23]. Às seguintes reações químicas ocorrem internamente em uma bateria de LiCoO2 (Óxido de cobalto de lítio) no momento da descarga. Semirreação do Ânodo: LiyC6 (s) → y Li + C6 + y e‐ Semirreação do Cátodo: LixCoO2 (s) + y Li+(s) + y e‐ → Lix+yCoO2(s) ________________________________________________________________ Reação Global: LiyC6(s) + LixCoO2 → C6 (s) + Lix+yCoO2(s) [7]

Esta reação é a partir da composição química da primeira bateria com reversibilidade, ou seja, com capacidade de ser recarregada. Fabricada em 1991 pela Sony, contém aproximadamente uma tensão de 3,7V em uma temperatura de 25°C.

(45)

Figura 5 ‐ Representação da carga e descarga de uma bateria.

Fonte: Autoral.

Essas baterias são recarregáveis, bastando impor uma corrente elétrica externa que provoca a migração dos Íons‐lítio no sentido inverso, ou seja, do óxido para a grafita [4].

Com isto pretendeu‐se, de modo resumido e básico, explicar os princípios das reações químicas existentes em baterias. Sendo que neste trabalho não há o objetivo de repassar informações mais aprofundadas em torno delas. Para quem tem o objetivo de entender mais sobre os princípios químicos recomenda‐se pesquisar nos referenciais bibliográficos explicitados ao final desta dissertação. 2.4 DEFINIÇÕES IMPORTANTES 2.4.1 Estado de carga (SOC – State of Charge) O estado de carga da bateria indica o percentual de energia acumulada (Carga) que há na bateria [8]. Ele pode ser medido quando a bateria está em circuito aberto‐off‐line, após a acomodação da tensão de flutuação, sendo este o método mais eficiente. Ou ainda, estimado a partir da medição de algumas

Sentido do fluxo de elétrons

++ +

+

CÁTODO FILTRADO ÂNODO

1

++ +

+

2 Carregada + + + +

3 Bateria sendo descarregada

4 Bateria descarregada + + + +

(46)

variáveis como: a tensão, a corrente, temperatura ou a resistência interna por exemplo, método conhecido como on‐line.

2.4.2 Estado de vida (SOH – State of Health)

É a medição do percentual da condição da bateria atual comparada com às condições ideais. Este valor é 100% quando a bateria está nova e diminui de acordo com seu uso. A cada ciclo (carga ou descarga) uma pequena quantidade de massa ativa se desprende das placas reduzindo a capacidade da bateria. Como não representa uma medição física, não existe ainda um consenso sobre sua medição. Mas de forma geral é possível relacioná‐lo com as seguintes variáveis (BOSH, 2007; LINDEN 2002, apud. OGAWA, 2011):  Resistência, capacitância e impedância internas;  Capacidade;  Auto descarga;  Habilidade para aceitar carga;  Número de ciclos de carga/descarga;  Tipo de separador utilizado;  Densidade da pasta de revestimento das grades;  Profundidade de descarga. Detalhando um pouco melhor os itens acima listados a auto descarga por exemplo ocorre devido as condições inadequadas de temperatura, idade da bateria, humidade e quantidade de impurezas metálicas. A resistência interna estabelece a quantidade de energia que pode ser absorvida da bateria em um determinado tempo. Ela muda de acordo com a temperatura, quanto mais elevada a temperatura menor é a resistência interna e vice‐versa. Profundidade de descarga ou o DOD (Depht of Discharge) é o percentual da capacidade nominal da bateria que foi perdida durante um processo de descarga [6]. Na Figura 6 é apresentado uma representação do SOC e DOD.

(47)

Há também a profundidade de carga que é o percentual de energia acumulada para um dado valor de corrente de descarga [6]. Todas estas definições são básicas para a compreensão do funcionamento das baterias. Mas ainda são dados que geram grandes desafios a ciência em sua obtenção e que tornam o setor de armazenamento um dos mais estudados na área de engenharia atualmente. Figura 6 ‐ Estado de carga e profundidade de descarga. Fonte: FEUP,2016 [6]. 2.5 FORMATOS FÍSICOS MAIS COMUNS DE FABRICAÇÃO DAS CÉLULAS Estas baterias existem em diversos formatos que podem ser cilíndricos, mostrado na Figura 7 (a), em forma de pastilhas (b), prismáticos (c) ou em forma de cartuchos conforme ilustrado em (d).

As formas como as células são associadas variam de acordo com o objetivo de aplicação e consequentemente com as potências a serem obtidas.

As células cilíndricas são amplamente utilizadas em equipamentos de envio de sinais como controles de TV, ar condicionado, etc. As prismáticas em veículos elétricos e entre outras aplicações.

(48)

Figura 7 ‐ Formato físico das baterias (associação de células). Fonte: CHEN, Min. 2.6 TIPOS DE BATERIAS DE LÍTIO

Existem diversas tecnologias de Íon‐lítio e o que as diferencia são os materiais usados na sua fabricação. Na Tabela 1 é mostrado os principais materiais usados como matéria prima do catodo e do anodo. É realizado também uma comparação entre diferentes composições.

O eletrólito é projetado especificamente para cada bateria. Ele pode ser líquido, em gel, polímero sólido ou um sólido inorgânico. O separador não participa das reações químicas e geralmente é fabricado com polietileno ou polipropileno. Na atualidade há inúmeras tecnologias. As mais usuais são:

 Óxido de lítio cobalto (LiCoO2) – LCO;  Óxido de lítio manganês (LiMn2O4) ‐ LMO;

 Óxido de lítio níquel cobalto alumínio (LiNiCoAIO2) – NCA;  Titanato de lítio (Li4Ti5O12) – LTO;  Óxido de lítio manganês cobalto (LiNiMnCoO2) – NMC;  Fosfato de lítio ferro (LiFePO4) – LFP. + + -Eletrólito líquido Eletrólito líquido (a) _(c) (d) Malha de alumínio +Eletrodo plástico (Cátodo) Eletrodo plástico ‐Eletrodo plástico (Ânodo) Malha de cobre (b) Revestimento externo Separador Carbono Eletrólito líquido 3.8V 1.5 Ah Revestimento externo Separador Separador Separador Separador Al Cu Carbono Carbono Li1+xMn2O4 Li1+xMn2O4 Li1+xMn2O4 3‐4.1 W Revestimento externo 1.1 Ah Al Cu

(49)

Um exemplo de aplicação das baterias de LFP, são a utilização das duas últimas respectivamente em um banco de baterias de 66kWh e do ônibus elétrico do laboratório Fotovoltaica da Universidade Federal de Santa Catarina. Tabela 1 ‐ Principais composições de ânodos e catodos [23] Tipo Química Capacidade específica em mAh/g (teórica/observada) Potencial em V Cátodo LiCoO2 273/160 3,9 LiNiO2 274/180 3,6 LiNixCoyMn2O2 ~270//150‐180 3,8 LiNixCoyAl2O2 ~250/150‐180 3,7 LiMn2O4 148/130 4,1 LiMn1,5Ni0,5O4 146/130 4,7 LiFePO4 170/160 3.45 LiMnPO4 171/80‐150 4,1 LiNiPO4 166/‐ 5,1 LiCoPO4 166/60‐130 4,8 Li2FeSiO4 165/160 2,8 Li2MnSiO4 166/140 ~4,0 Li3V2(PO4)3 131/130 4,1/3,6 LiFeBO3 220/~150 2,7 LiMnBO3 222/‐ 3,7 TiS2 239/200 2,0 VS2 233/210 2,2 Ânodo Grafite 372/330 0,1‐0,2 Carbono leve ‐‐/<700 <1 Carbono pesado 600 <1 Li4TiO12 175/170 1,55 TiO2 168/168 1,85 SnO2 782/780 <0,5 Sn 993/990 <0,5 Si 4198/<3500 0,5‐1 Al 2235 <0,3 Bi 385 <0,8 Fonte: Ellis, B. L, 2009.

(50)

O desempenho de uma bateria depende das características de fabricação de seus elementos [2]. Quesito, este, bem descrito a partir da Tabela 1. Outra situação que é importante destacar é o desempenho da segurança para diferentes tipos de aplicações que é variável ao tipo de material usado no eletrodo e catodo. As baterias de óxido de lítio manganês cobalto (LiNiMnCoO2) – NMC e fosfato de lítio ferro (LiFePO4) – LFP por exemplo obtém melhor segurança em altas potências. A complexidade destes sistemas é intrínseca e torna o estudo ainda mais desafiador, mas buscou‐se ser o mais didático possível ao que tange a explicação de caráter descritivo à cerca das baterias de Íon‐lítio. 2.7 VANTAGENS DAS BATERIAS DE LÍTIO

Estas baterias são consideradas uma revolução no mundo tecnológico do século XX e XXI, pois possibilitaram um desenvolvimento exponencial da ciência. E o que às torna superiores, em relação às demais existentes no mercado, obviamente são os componentes que são utilizados em sua fabricação. Na Tabela 2 apresenta‐se uma comparação da bateria de Íon‐lítio com outras baterias.

Tabela 2 ‐ Comparação entre diferentes tecnologias de armazenamento.

Chumbo‐

ácido Ni‐Cad NiMh Lithium‐ion

Custo Inicial Baixo Médio Médio Alto

Custo a

longo prazo Alto Médio Médio Baixo

Segurança Boa Boa Boa Boa

Impacto

ambiental Alto Alto Médio/alto Médio/Baixo

Ciclos 200 250 400‐500 400‐600

Tensão

(51)

Densidade de energia (Wh/kg) 35 41 80 120 Densidade de energia volumétrica (Wh/m³) 80 120 200 280 Auto descarga por mês (%) <5 <10 <2 <5 Efeito

memória Não Sim Pouco Não

Temp.(°C) ‐15 a 50 ‐20 a 50 ‐20 a 60 ‐20 a 60

Peso Pesada Leve Leve Muito leve.

Tempo de

carga Longo Médio Médio Curto

Fonte: Ellis, B. L, 2009. De acordo com Roselem (2012, p.62) os principais desafios a serem superados pelas tecnologias de armazenamento são [5]: a) alta confiabilidade; b) alto desempenho (ciclos de vida e profundidade de descarga); c) alta densidade energética (Wh/kg e Wh/l); d) ampla faixa de temperatura de operação; e) tempo de recarga reduzido; f) vida útil elevada; g) peso e volume reduzidos; h) custo razoável; i) segurança; j) não agressividade ao meio ambiente. Estes desafios são, em parte, superados pela bateria de lítio e são exatamente o que a torna mais atraente que as demais. Inclusive estas características viabilizam a fabricação de veículos elétricos sofisticados, eletroeletrônicos e equipamentos médicos cada vez mais compactos, autônomos e eficientes. Quando busca‐

(52)

se realizar a compra de uma bateria em geral os fabricantes fornecem às especificações demonstradas na Tabela 3.

Tabela 3 ‐ Principais dados de uma bateria

Principais dados da bateria

Corrente – I fluxo ordenado dos elétrons. A

Tensão – V força que impulsiona os elétrons. V Capacidade específica – C É a quantidade de corrente que a célula é capaz de fornecer em um determinado tempo. Ah Energia específica – Wh É a quantidade de energia elétrica que a célula é capaz de fornecer em um determinado tempo.

Wh

Energia específica mássica – Wm

É a quantidade de energia elétrica que a célula é capaz de fornecer em uma determinada massa.

Wh/kg

Energia específica volumétrica ‐ Wv

É a quantidade de energia elétrica que a célula é capaz de fornecer em um

determinado volume. Wh/m³

Potência específica ‐ P

Capacidade de a bateria fornecer altas taxas de corrente em regime longo ou de curta duração.

Wh/kg

Ciclos de vida É número de cargas e descargas. Ciclos

Fonte: Roselem,2012.

A cada dia surgem inúmeras inovações que aprimoram ainda mais a performance das baterias, até a data da realização deste estudo os dados encontrados na revisão bibliográfica, foram os acima apresentados.

A partir das informações aqui apresentadas é possível verificar algumas vantagens das baterias de Íon‐lítio em relação às demais citadas na Tabela 1, vale ressaltar a alta densidade energética, tensão elevada, ausência do efeito memória e manutenção simples. Estas são as vantagens que as tornam muito populares no mundo tecnológico hoje em dia.

(53)

2.7.1 Desempenho entre diferentes baterias de Íon‐lítio

O Quadro 1 apresenta gráficos com o desempenho das tecnologias comercialmente mais utilizadas, entre as quais estão custo, energia específica, potência específica, segurança, performance e vida útil. Quadro 1 ‐ Desempenho entre diferentes tecnologias de lítio [3]. Fonte: Battery University [3]. Lítio Óxido de Cobalto (LiCoO2) Lítio Óxido de Manganês (LiMn2O4) Lítio Níquel óxido de cobalto e manganês (LiNiMnCoO2 or NMC) Lítio fosfato de ferro (LiFePO4) Lítio Níquel Óxido de colbalto alumínio (LiNiCoAlO2) Lithium Titanate (Li4Ti5O12) Custo Vida útil Performance Segurança Potência Específica Energia específica Custo Vida útil Performance Segurança Potência Específica Energia específica Custo Vida útil Performance Segurança Potência Específica Energia específica Custo Vida útil Performance Segurança Potência Específica Energia específica Custo Vida útil Performance Segurança Potência Específica Energia específica Custo Vida útil Performance Segurança Potência Específica Energia específica

(54)

No laboratório em que esta pesquisa vem sendo desenvolvida, o Fotovoltaica da Universidade Federal de Santa Catarina, existe um banco de baterias (Figura 8) que é composto por baterias de Íon‐lítio fosfato de ferro. Como foi apresentado no Quadro 1 a mesma possuí um excelente desempenho nos quesitos potência específica, segurança e vida útil. O sistema de gerenciamento foi desenvolvido pela empresa americana denominada Elithion e o sistema de balanceamento é passivo com resistor chaveado. A integração do sistema e montagem do ESS foi realizada pela empresa Brasileira WEG. Figura 8 ‐ Banco de baterias de Íon‐lítio do laboratório Fotovoltaica‐ UFSC. Fonte: Autoral. A Tabela 4 apresenta os principais dados do banco de baterias. Tabela 4 ‐ Dados do banco de baterias. Dado Unidade Número de células em série 224 Tensão de cada célula 3,6V Capacidade de cada célula 90Ah Fonte: Autoral.

(55)

2.8 DADOS ESTATÍSTICOS

O lítio é o elemento de número 3 na tabela periódica, sua quantidade na natureza é estimada em cerca de 230 milhões de toneladas, sendo que a maior parte deste lítio é encontrado no oceano. Os países que possuem as maiores reservas de lítio podem ser observados na Figura 9. Figura 9 ‐ Países com as maiores reservas de lítio no mundo em milhões de toneladas [17]. Fonte: Statista, 2018.

O país no mundo que mais possui reservas de lítio é a Bolívia, seguida pela Argentina, China e Austrália. Considerando que a demanda por lítio tende a crescer exponencialmente nos próximos anos, sendo o reflexo do crescente número de veículos elétricos se faz prudente estudar, desde já, novas formar de armazenar energia.

Porém, ainda há a partir dos dados de reservas de lítio no mundo, o suficiente para suprir o consumo pelo menos das próximas gerações.

(56)

De acordo com o Departamento Americano de Armazenamento de Energia (DOE) o armazenamento energético ao longo dos anos vem sendo predominantemente dominado pelo armazenamento hídrico, de acordo com a Figura 10. Figura 10 ‐ Armazenamento energético mundial [18]. Fonte: DOE, 2018.

Para visualizar melhor o armazenamento eletroquímico se faz necessário desconsiderar o dado de armazenamento hídrico, conforme mostrado na Figura 11.

Figura 11 ‐ Dados de armazenamento energético mundial [18].

Fonte: DOE, 2018.

(57)

A demanda por Íon‐lítio advinda de baterias para veículos elétricos crescerá de modo bastante significativo nos próximos anos. Consequentemente o preço do mesmo será reduzido proporcionalmente, conforme apresenta a Figura 12. Figura 12 ‐ Estimativa de custo x demanda. [19] Fonte: Capitalist, Visual. A partir dos dados aqui apresentados pode‐se presumir que armazenar energia é extremamente importante para o presente e futuro da sociedade. Ao que tange, principalmente, o desenvolvimento de veículos elétricos. Diversos países do mundo já estabelecem metas de substituição de suas frotas veiculares movidas a petróleo por veículos elétricos. Sendo assim muitas pesquisas se voltam ao setor para a solução dos desafios que se impõem como entraves ao seu desenvolvimento.

(58)

2.9 REPRESENTAÇÃO DAS BATERIAS A PARTIR DE CIRCUITOS ELÉTRICOS EQUIVALENTES

Para realizar estudos e pesquisas acerca das baterias, em que objetivam‐se verificar o seu comportamento diante de diferentes estímulos e aplicações, há a necessidade de obter um modelo equivalente que a represente. Este modelo pode ser apresentado de diversas formas, porém entre os principais estão o químico, térmico, elétrico ou uma combinação entre estes.

Nesta dissertação há o objetivo de aplicar o conversor CC‐ CC Flyback na equalização das baterias conectadas em série, sendo assim se torna mais apropriado utilizar o modelo elétrico.

Na literatura há inúmeras formas de representar estes circuitos, mas optou‐se aqui em utilizar o circuito equivalente de Thévenin, pois ele representa de modo bastante preciso, quando perturbado por um sinal, o comportamento estático e dinâmico da bateria de Íon‐lítio. Este circuito é apresentado na Figura 13. Figura 13 ‐ Circuito equivalente de Thévenin da bateria de Íon‐lítio. Fonte: CHEN, Min; MORA. A bateria de Íon‐lítio pode ser representada por uma fonte de tensão de circuito aberto em série com um resistor e dois circuitos RC em paralelo. A seguir tem‐se uma legenda das variáveis do circuito da Figura 13.