José Alexandre Pinheiro da Mota
Implementação de um Sistema
de Carregamento Rápido para
Baterias de Veículos Elétricos
José Alexandre Pinheiro da Mota
Im plement ação de um Sis tema de Car regamento R ápido par a Bater ias de V eículos Elétr icos
Escola de Engenharia
Dissertação de Mestrado
Mestre em Engenharia Eletrónica e de Computadores
Trabalho efectuado sob a orientação do
Professor Doutor João Luiz Afonso
José Alexandre Pinheiro da Mota
Implementação de um Sistema
de Carregamento Rápido para
Baterias de Veículos Elétricos
Agradecimentos
Em primeiro lugar gostaria de agradecer ao meu orientador, o Professor Doutor João Luiz Afonso, por todo o apoio, orientação e paciência mostrados ao longo deste trabalho de mestrado.
Ao Engenheiro Vítor Monteiro por todos os conselhos, trocas de ideias, dedicação e prazer demonstrados no auxílio à escrita e implementação do trabalho efetuado na realização desta dissertação.
Aos meus amigos, Rui Macedo, Rafael Morais, Francisco Guevara, Luís Novais, Henrique Abreu, Tiago Alves e Delfim Pedrosa, pela camaradagem mostrada ao longo deste trabalho e por estarem sempre presentes nos vários momentos da minha passagem pela academia.
Aos meus restantes colegas e investigadores do laboratório do Grupo de Eletrónica de Potência e Energia (GEPE) pelo ambiente agradável e amigável proporcionado durante a realização da presente dissertação.
À Andreia Ferreira por todo o apoio, amizade, carinho e assistência prestados ao longo das várias etapas do curso.
À Afonsina por tornar a passagem pela academia numa experiência mais enriquecedora e interessante.
Um especial obrigado aos meus pais, Alexandre Mota e Rosa Pinheiro, e irmãs, Lara Mota e Ana Mota, por todo o apoio, emocional e monetário, pois sem eles a realização deste curso não era possível.
Por fim, e não menos importante, a Deus por me dar forças nos momentos mais difíceis para poder contornar os vários obstáculos que apareceram ao longo do meu percurso universitário.
Resumo
Um dos grandes problemas na aceitação dos veículos elétricos (VEs) por parte dos utilizadores está na autonomia que estes oferecem e nos elevados tempos de carregamento das baterias em comparação com o tempo de abastecimento de combustível dos veículos com motor de combustão interna. A pensar nisso, cada vez mais empresas e instituições académicas se dedicam à pesquisa e desenvolvimento de soluções para colmatar esse défice dos VEs, apostando na criação de sistemas de carregamento rápido de baterias e no melhoramento das tecnologias de baterias existentes para suportarem esses elevados valores de potência.
Esta dissertação de mestrado tem como principal objetivo a implementação de um sistema de carregamento rápido de baterias para VEs, que surge no âmbito de uma tese de doutoramento, e que irá fazer parte de um protótipo com a mesma finalidade.
O sistema de carregamento rápido tem um módulo de potência constituído por dois conversores de potência e pelos diversos elementos passivos inerentes a este. Para fazer a interface com a rede elétrica é utilizado um conversor CA-CC trifásico que tem como finalidade atuar como retificador ativo, permitindo consumir correntes sinusoidais, controlar o fator de potência e controlar a tensão no barramento CC. Por outro lado, para o carregamento das baterias é utilizado um conversor CC-CC que está conectado ao barramento CC do conversor CA-CC e que tem a importante tarefa de fornecer uma corrente constante para o carregamento das baterias. Além do módulo de potência, existe um módulo responsável pelo seu controlo e que permite obter os resultados esperados por parte do sistema de carregamento rápido de baterias.
Nesta dissertação está apresentado um breve levantamento histórico dos VEs, onde também estão apresentadas algumas das principais caraterísticas inerentes aos VEs, tais como, os diferentes tipos existentes, sejam estes puramente elétricos ou híbridos, quais as tecnologias de baterias que são mais proeminentes à integração nos VEs, quais as soluções para carregamento rápido para baterias de VEs que existem atualmente e por fim uma análise aos conversores que mais se enquadram neste trabalho.
Para se poder validar o sistema de carregamento rápido implementado nesta dissertação foram obtidos resultados em duas etapas. Inicialmente através de simulações computacionais com a ferramenta de simulação PSIM 9.1, e depois através de ensaios feitos em bancada após a implementação do protótipo.
Palavras-Chave: Veículos elétricos, Conversores CA-CC Trifásicos, Conversores CC-CC, Controlo de Corrente, Carregamento de Baterias.
Abstract
Implementation of a Fast Charging System for Batteries of Electric
Vehicles
One of the major problems in the acceptance of electric vehicles (EVs) by users is related with the autonomy and the required battery charging time, when compared to the refueling time on vehicles with internal combustion engine. With that thought in mind, more and more companies and academic institutions engaged in the research and development of solutions to overcome that gap of the Evs, betting on the creation of fast charging systems for batteries and improvement of existing batteries technologies to support this high power values.
This master dissertation has as main goal the implementation of a fast charging system for batteries of Evs, which comes within the framework of a doctoral thesis, and that will be part of a prototype with the same purpose.
The fast charging system has a power module that is constituted by two power converters and the various passive inherent elements. To do the interface with the power grid, it is used a three-phase AC-DC converter that aims to act as active rectifier, allowing consumption of sinusoidal currents, control the power factor and control the DC-link voltage. On the other hand, for battery charging is used a DC-DC converter that is connected to the DC-link of the AC-DC converter, and has the important task of providing a constant current for the batteries charging process. In addition to the power module there is a module responsible for their control and that allows to obtain the expected results from the fast charging system for batteries of Evs.
In this dissertation it is presented a brief historical survey of Evs, where are also presented some of the main features inherent in Evs, such as the different types of existing Evs, being these purely electric or hybrids, which battery technologies that are more prominent to integrate in these vehicles, the currently solutions for fast charging on Evs and finally an analysis to the converters that are more applicable for such purpose.
In order to validate the fast charging system implemented in this dissertation it was necessary obtain results in two stages. Initially, the results were achieved through computer simulations with PSIM 9.1 simulation tool and after the implementation of the prototype through tests made on laboratorial environment.
Keywords: Electric Vehicles, Three-phase AC-DC Converters, DC-DC Converters, Current Control, Batteries Charging.
Índice
Agradecimentos ... v
Resumo ... vii
Abstract ... ix
Implementation of a Fast Charging System for Batteries of Electric Vehicles ... ix
Lista de Figuras ... xiii
Lista de Tabelas ... xvii
Lista de Acrónimos ... xix
Nomenclatura ... xxi
Introdução ... 1
Enquadramento ... 1
Motivações ... 3
Objetivos ... 4
Organização e Estrutura da Dissertação ... 4
Veículos Elétricos, Baterias e Carregadores ... 7
Introdução ... 7
História do Veículo Elétrico ... 7
Tipos de Veículos Elétricos ... 9
Veículos Puramente Elétricos ... 10
Veículos Híbridos Elétricos ... 11
Veículos Híbridos Elétricos Plug-in ... 12
Veículos a Células de Combustível ... 12
Baterias ... 14
Carregadores para Veículos Elétricos ... 23
Níveis e Modos de Carregamento ... 24
Exemplos de Carregadores Rápidos no Mercado Atual... 29
Conclusão ... 37
Conversores CA-CC Trifásicos ... 39
Introdução ... 39
Conversor Boost Unidirecional ... 43
Conversor Boost Bidirecional ... 45
Conversor Buck Unidirecional ... 47
Conversor Buck Bidirecional ... 48
Conversor Buck-Boost Unidirecional ... 50
Conversor Buck-Boost Bidirecional ... 51
Comparação das Topologias ... 52
Conclusão ... 53
Simulações do Sistema de Carregamento Rápido ... 55
Introdução ... 55
Andar de Potência ... 55
Conversor CA-CC Boost ... 56
Conversor CC-CC Buck ... 58
Controlo do Conversor CA-CC ... 60
PLL (Phase-Locked Loop) ... 61
Regulação da Tensão no Barramento CC ... 63
Controlo de Corrente ... 66
SPWM (Sinusoidal Pulse With Modulation) ... 72
Controlo do Conversor CC-CC ... 75
Modelo da Bateria ... 76
Algoritmo de Carregamento ... 77
Simulação do Conversor CC-CC ... 78
Conclusão ... 80
Implementação do Sistema de Carregamento Rápido ... 81
Módulo de Potência... 81
Módulo de IGBTs ... 83
Condensador de Snubber ... 84
Condensadores do Barramento CC ... 84
Bobinas dos Conversores CA-CC e CC-CC ... 85
Placa de Proteção de Gate dos IGBTs ... 86
Placa de Driver dos IGBTs ... 86
Sistema de Controlo ... 87
Sensor de Tensão ... 89
Sensor de Corrente ... 91
Placa de Condicionamento de Sinal ... 92
DSC (Digital Signal Controller) e Placa de Adaptação ... 93
Placa de DAC... 95
Placa de Comando ... 96
Conclusão ... 97
Resultados Experimentais ... 99
Introdução ... 99
Resultados do Condicionamento de Sinal ... 99
Sincronismo com a Tensão da Rede Elétrica (PLL – Phase Locked Loop) ... 100
Resultados do Conversor CA-CC ... 102
Resultados do Conversor CC-CC ... 105
Resultados do Sistema Completo ... 106
Conclusão ... 107
Conclusões ... 109
Conclusões ... 109
Sugestões para Trabalho Futuro ... 110
Lista de Figuras
Figura 2.1 – Configuração típica de um VE. ... 10
Figura 2.2 – Configuração Toyota Prius HEV. ... 11
Figura 2.3 – Configuração do Toyota Prius PHEV. ... 12
Figura 2.4 – Configuração típica de um FCV. ... 13
Figura 2.5 – Célula eletroquímica. ... 16
Figura 2.6 – Bateria de Chumbo-Ácido (INVT) [30]. ... 18
Figura 2.7 – Baterias de Ni-Cd (ALCAD) [31]. ... 19
Figura 2.8 – Bateria de NiMH (Panasonic) [32]. ... 20
Figura 2.9 – Bateria de iões de lítio (Tenergy) [34]. ... 21
Figura 2.10 – Esquema genérico da transferência de potência unidirecional e bidirecional. ... 24
Figura 2.11 – Modo de carregamento 1. ... 27
Figura 2.12 – Modo de carregamento 2. ... 28
Figura 2.13 – Modo de carregamento 3. ... 29
Figura 2.14 – Modo de carregamento 4. ... 29
Figura 2.15 – Magnum Cap MCR63 [51]. ... 30
Figura 2.16 – Efacec QC45 [55]. ... 32
Figura 2.17 – Possíveis configurações do Terra 53 (da esquerda para a direita): Terra 53 C, Terra 53 CT, Terra 53 CJ e Terra 53 CJG [58]. ... 34
Figura 2.18 – Schneider Electric EVlink Fast Charge [60]. ... 35
Figura 3.1. – Classificação dos conversores IPQC (Improved Power Quality Converters). ... 41
Figura 3.2 – Conversor boost unidirecional single-switch. ... 44
Figura 3.3 – Conversor boost bidirecional VSI. ... 45
Figura 3.4 – Conversor boost bidirecional a 4 fios. ... 46
Figura 3.5 – Conversor buck unidirecional com single-switch. ... 48
Figura 3.6 – Conversor buck bidirecional a IGBTs. ... 49
Figura 3.7 – Conversor buck-boost unidirecional SEPIC. ... 50
Figura 3.8 – Conversor buck-boost bidirecional em matriz. ... 51
Figura 4.1 – Andar de potência do sistema de carregamento rápido. ... 56
Figura 4.2 – Formas de onda da tensão e corrente de entrada da fase A. ... 57
Figura 4.3 – Conversor CC-CC: (a) Buck Síncrono; (b) Operação de carregamento das baterias; (c) Operação de descarga das baterias. ... 58
Figura 4.4 – Corrente na bateria em função da corrente de referência... 59
Figura 4.5 – Bloco de controlo do conversor CA-CC. ... 60
Figura 4.6 – Estratégia de controlo adotada para controlar o conversor CA-CC. ... 61
Figura 4.7 – Estrutura da PLL implementada. ... 62
Figura 4.8 – Resultado da PLL após o instante inicial de simulação. ... 62
Figura 4.9 – Malha de controlo do barramento CC. ... 63
Figura 4.10 – Regulação da tensão do barramento CC por etapas. ... 64
Figura 4.12 – Detalhe da tensão no barramento CC após o início do carregamento das baterias. ... 65
Figura 4.13 – Circuito equivalente da conexão entre o conversor e a rede elétrica. ... 66
Figura 4.14 – Malha de controlo da corrente do conversor CA-CC. ... 67
Figura 4.15 – Corrente de referência e corrente de linha da fase A. ... 68
Figura 4.16 – Evolução da tensão do barramento CC e da corrente de linha ia. ... 69
Figura 4.17 – Corrente de linha ia durante a etapa 1, isto é, durante a pré-carga dos condensadores do barramento CC. ... 69
Figura 4.18 – Corrente de linha ia em regime permanente. ... 70
Figura 4.19 – Correntes de linha ia, ib, ic em regime permanente. ... 70
Figura 4.20 – Tensões da rede e correntes de linha em regime permanente da: (a) Fase A; (b) Fase B; (c) Fase C. ... 71
Figura 4.21 – Modulação SPWM: (a) Onda portadora (triangular) e onda de referência (sinusoidal); (b) Sinais de PWM enviados para os IGBTs. ... 72
Figura 4.22 – Modulador SPWM implementado em PSIM. ... 73
Figura 4.23 – Modulação SPWM: (a) Sinais de referência; (b) Portadora triangular. ... 74
Figura 4.24 – Bloco de controlo do conversor CC-CC. ... 75
Figura 4.25 – Modulador de PWM do conversor CC-CC. ... 75
Figura 4.26 – Esquemático da estratégia de controlo do conversor CC-CC. ... 75
Figura 4.27 – Modelo de bateria utilizado em PSIM... 76
Figura 4.28 – Gráfico do desenvolvimento das formas de onda da tensão e corrente durante a aplicação do algoritmo corrente constante – tensão constante. ... 78
Figura 4.29 – Corrente de carregamento da bateria (ibat) e corrente de referência (iref_bat). ... 78
Figura 4.30 – Evolução da tensão das baterias durante o carregamento. ... 79
Figura 4.31 – Mudança do período de corrente constante para tensão constante. ... 80
Figura 5.1 – Módulo de potência do sistema de carregamento rápido (Conversores CA-CC trifásico e CC-CC): 1 – Módulos de IGBTs; 2 – Condensadores de snubber; 3 – Drivers dos IGBTs; 4 – Placas de proteção dos IGBTs. ... 82
Figura 5.2 – Caixa com circuito de pré-carga dos condensadores do barramento CC. ... 82
Figura 5.3 – Esquema elétrico dos componentes necessários para a pré-carga dos condensadores do barramento CC. ... 83
Figura 5.4 – Módulo IGBTs SKM100GB125DN: (a) Fotografia; (b) Esquema elétrico do módulo [94]. ... 83
Figura 5.5 – Condensador de snubber [95]. ... 84
Figura 5.6 – Desenho em PADS da placa do banco de condensadores do barramento CC. ... 84
Figura 5.7 – Bobina conectada em série com a rede elétrica e o conversor CA-CC. ... 85
Figura 5.8 – Bobina utilizada no conversor CC-CC. ... 85
Figura 5.9 – Placa de proteção de gate dos IGBTs. ... 86
Figura 5.10 – Esquema elétrico, de um dos circuitos elétricos, das placas de proteção de gate com as respetivas ligações. ... 86
Figura 5.11 – Placa de driver dos IGBTs. ... 87
Figura 5.12 – Caixa com os componentes responsáveis pelo controlo do sistema de carregamento rápido e fonte de alimentação. ... 88
Figura 5.13 – Diagrama de blocos da ordem pela qual é efetuado o controlo do sistema de carregamento. ... 89
Figura 5.14 – Caixa com os componentes responsáveis pelo controlo do sistema de carregamento
rápido (vista superior). ... 89
Figura 5.15 – Placa com sensor de tensão CYHVS5-25A da ChenYang. ... 90
Figura 5.16 – Esquema elétrico do sensor de tensão na respetiva placa. ... 90
Figura 5.17 – Placa com sensor de corrente LA 100-P da LEM. ... 92
Figura 5.18 – Esquema elétrico da placa com o sensor LA 100-P da LEM. ... 92
Figura 5.19 – Diagrama da sequência de controlo. ... 93
Figura 5.20 – (a) DSC TMS320F28335 na controlCARD; (b) Docking Station TMDSDOCK2833 [103]. ... 94
Figura 5.21 – Placa de adaptação do DSC. ... 95
Figura 5.22 – Placa de DAC (Digital-to-Analog Converter). ... 96
Figura 5.23 – Placa de comando. ... 96
Figura 5.24 - Protótipo em ambiente laboratorial. ... 97
Figura 6.1 – Corrente de linha ia da fase A: Sinal de corrente bipolar (10 A/div); Sinal de corrente unipolar (1 A/div). ... 100
Figura 6.2 – PLL (PLLa) da fase A sincronizada com a tensão (Va) da fase A. ... 101
Figura 6.3 – Detalhe da PLL (PLLa) da fase A sincronizada com a tensão (Va) da fase A (500 µs/div). ... 101
Figura 6.4 – Resultado experimental da PLL trifásica: (a) Tensões da rede elétrica Va, Vb e Vc; (b) PLL trifásica PLLa, PLLb e PLLc. ... 102
Figura 6.5 – Comutação do IGBT antes do filtro digital passa-baixo: Tensão do conversor Vconversor (5 V/div) e corrente na bobina ibobina (2 A/div). ... 102
Figura 6.6 – Formas de onda das correntes de linha ia, ib eic durante as comutações dos IGBTs (2 A/div). ... 103
Figura 6.7 – Resultado experimental da corrente de linha e de referência da fase A: (a) Corrente de linha ia da fase A medida com a pinça Fluke (5 A/div); (b) Corrente de referência iref_a e corrente de linha ia da fase A. ... 103
Figura 6.8 – Resultado experimental da corrente de linha e de referência da fase A: (a) Corrente de linha ia da fase A medida com a pinça Fluke (5 A/div); (b) Corrente de referência iref_a e corrente de linha ia da fase A. ... 104
Figura 6.9 – Tensão do barramento CC e valor médio desta obtido através de um filtro digital passa-baixo. ... 105
Figura 6.10 –Resultado experimental obtido através da corrente medida na saída do conversor CC-CC: Corrente de carregamento nas baterias ibat (1 A/div). ... 106
Figura 6.11 – Resultado experimental do teste ao sistema completo com uma carga resistiva de 13 Ω: Correntes de linha ia, ib e ic (2,5 A/div) e corrente nas baterias ibat (2 A/div). ... 106
Lista de Tabelas
Tabela 2.1 – Principais caraterísticas das topologias de VEs [15]. ... 14
Tabela 2.2 – Desempenho técnico básico das diferentes tecnologias de baterias utilizadas em VEs [29] [33]. ... 22
Tabela 2.3 – Níveis de carregamento dos VEs [39]. ... 27
Tabela 2.4 – Ficha técnica do Magnum Cap MCR63 [50]. ... 31
Tabela 2.5 – Ficha técnica do QC45 [54]. ... 33
Tabela 2.6 – Ficha técnica dos modelos ABB Terra 53 [57]. ... 35
Tabela 2.7 – Ficha Técnica EVlink Fast Charge [2]. ... 36
Tabela 3.1 – Propriedade autocorreção do fator de potência no modo DCM (Discontinuous Conduction Mode) nos diferentes conversores trifásicos. ... 51
Tabela 3.2 - Comparação entre as topologias boost, buck e buck-boost. ... 52
Lista de Acrónimos
ADC Analog to Digital Converter
CA Corrente Alternada
CC Corrente Contínua
CCM Continuous Conduction Mode
CSC Current Source Converter
CSI Current Source Inverter
DAC Digital-to-Analog Converter
DSC Digital Signal Controller
DCM Discontinuous Conduction Mode
DSP Digital Signal Processor
EMI Electromagnetic Interference
GTO Gate Turn-Off thyristor
HEV Hybrid Electric Vehile
HPFC High Power Factor Converter
IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor
IPQC Improved Power Quality Converter
MOSFET Metal–Oxide–Semiconductor Field-Effect
Transistor
PFC Power Factor Correction
PHEV Plug-In Hybrid Electric Vehile
PLL Phase-Locked Loop
PWM Pulse Width Modulation
SPWM Sinusoidal Pulse Width Modulation
SMR Switched Mode Rectifiers
THD Total Harmonic Distortion
VE Veículo Elétrico
VSC Voltage Source Converter
VSI Voltage Source Inverter
Nomenclatura
Símbolo Significado Unidade
Vα, Vβ Tensões instantâneas no sistema de coordenadas α-β V
La, Lb, Lc Indutâncias de linha H
Ra, Rb, Rc Resistências de linha Ω
Va, Vb, Vc Tensões na fonte V
ia, ib, ic Correntes na fonte A
VCC Tensão no barramento de corrente contínua dos conversores de
potência V
Vbat Tensão nas baterias V
PLLa,
PLLb,
PLLc
Sinais gerados pela PLL para cada uma das fases da tensão da rede
elétrica V
ibat Corrente na bateria A
iref_a, iref_b,
iref_c Correntes de referência das correntes do conversor CA-CC A
iref_bat Corrente de referência da corrente do conversor CC-CC A
F Frequência Hz
fS Frequência de amostragem HZ
fC Frequência de comutação Hz
T Período s
TS Período de amostragem s
THD Distorção harmónica total calculada com base nas primeiras 40
Introdução
Enquadramento
Cada vez mais o interesse pelos veículos elétricos (VEs) e veículos híbridos elétricos (Hibrid Electric Vehicles – HEVs) tende a aumentar, devido a serem uma alternativa aos atuais veículos com motores de combustão interna que contribuem fortemente para emissão de gases com efeito de estufa. Contudo, tanto os VEs como os HEVs também apresentam desvantagens que se traduzem em barreiras a ultrapassar, das quais se destacam, o custo, o tempo de vida útil e a falta de infraestruturas para carregamento das baterias. A par destas desvantagens estão também associados problemas de qualidade de energia elétrica, principalmente os que são derivados dos sistemas de carregamento de baterias. Assim, é extremamente importante que o conversor CA-CC, que faz a interface dos carregadores de baterias com a rede elétrica, seja do tipo retificador ativo, de modo a mitigar problemas de qualidade de energia elétrica relacionados com distorção harmónica e redução do fator de potência. Por outro lado, é também extremamente importante que o conversor CC-CC, que faz a interface com as baterias, seja capaz de carregar as mesmas de forma adequada, com o intuito de maximizar a vida útil das baterias. A combinação de ambos os conversores deve resultar num sistema de carregamento de baterias eficiente, fiável, com alta densidade de potência e de baixo custo [1].
A interface entre os VEs e a rede elétrica, pode ser efetuada de diferentes formas, sendo assim necessário conhecer como é efetuado o carregamento dos mesmos, de forma a garantir a segurança dos utilizadores, dos próprios veículos e das infraestruturas onde o carregamento é efetuado [2].
Os sistemas de carregamento de baterias dos VEs podem ser classificados como on-board (carregador localizado na arquitetura do veículo) ou off-board (carregador externo) com trânsito de potência unidirecional ou bidirecional. Dentro dos sistemas de carregamento lento existem dois níveis (nível 1 e nível 2), sendo que para o carregamento rápido existe apenas um nível (nível 3). O nível 1 é para uso privado, isto é, para o carregamento que é efetuado nas casas dos utilizadores com uma tensão de 120 V CA (EUA) ou 230 V CA (UE) sendo este um carregamento monofásico e efetuado a partir de
um carregador on-board. O nível 2 é normalmente considerado o método primário, tanto para carregamento privado como público. É um carregamento semirrápido que utiliza tensões de 240 V CA (EUA) ou 400 V CA (UE) monofásicas. No entanto, também podem ser utilizadas tensões trifásicas. Tal como no nível 1, o carregador encontra-se on-board [1],[3]. Já no nível 3 o carregamento é feito através de corrente contínua, que permite o carregamento rápido das baterias, com uma tensão na ordem dos 600 V CC. Para tal, é utilizado um carregador de baterias do tipo off-board, devido aos componentes eletrónicos que o compõem e que o tornam demasiado volumoso e pesado para ser inserido no veículo [1].
Um carregador que esteja localizado dentro do veículo (on-board) permite aos utilizadores de VEs carregar a sua viatura sempre que uma fonte de alimentação compatível esteja disponível. Os carregadores on-board típicos limitam a potência para o nível 1 devido ao seu peso, espaço e restrição de custos [4]. Por outro lado, o carregamento off-board, isto é, através de carregadores externos, envolve eletrónica de potência redundante e custos extra associados. Existem outas desvantagens não tão significativas no que diz respeito à eletrónica de potência envolvida nos carregadores off-board, no entanto estas são também levadas em consideração, sendo elas o risco de vandalismo e desordem no ambiente urbano [5].
Quanto ao fluxo de potência, tal como foi mencionado anteriormente, pode ser unidirecional ou bidirecional. O carregamento unidirecional normalmente é o mais aconselhável, pois há uma redução nos componentes de hardware utilizados, simplificação das conexões entre a rede elétrica e o carregador e não há tanta degradação nas baterias [6]. Já o carregamento bidirecional existe quando além de se carregar as baterias dos VEs, os carregadores de baterias permitem devolver parte da energia armazenada nestas de volta à rede elétrica [7].
Para efetuar a ligação entre a rede elétrica e as baterias dos VEs são necessários conversores (CA-CC e CC-CC) de potência, podendo estes ser monofásicos ou trifásicos. Tradicionalmente os conversores CA-CC, também conhecidos como retificadores, são implementados com díodos ou tirístores, de forma a obter-se tensão no barramento CC, controlada ou não controlada. No entanto, este tipo de conversores não apresenta boas caraterísticas de qualidade de energia, isto é, existe a injeção de harmónicos de corrente e um baixo fator de potência à entrada do conversor. Além disso, apresentam uma baixa performance e necessitam de filtros CA e CC de grandes dimensões [6].
De forma a ultrapassar estes problemas, vários conversores e esquemas de controlo têm sido propostos ao longo dos últimos anos, nomeadamente, conversores CA-CC
especificamente conhecidos como Power Factor Correction Converters (PFCs) [8], Switched Mode Rectifiers (SMRs) [9], PWM Converters [10], Improved Power Quality Converters (IPQCs) [6], e High Power Factor Converters (HPFCs) [11]. Estes conversores são uma parte intrínseca do sistema de conversão CA-CC e por isso não devem contribuir para a degradação da qualidade de energia elétrica, e devem ainda ter elevada performance e alta densidade de potência, tal como previamente abordado. Desta forma, os problemas de qualidade de energia elétrica criados pelos conversores CA-CC convencionais são mitigados pelos novos tipos de conversores que foram surgindo ao longo destas últimas duas décadas [12].
Motivações
A indústria automóvel está a passar por uma fase de grande reestruturação e por sua vez os construtores de automóveis estão constantemente à procura de novas gerações de veículos, onde por razões óbvias se encontram os veículos elétricos (VEs). Contudo, ainda existem muitos défices presentes nos VEs, e assim que estes sejam colmatados e que os VEs estejam mais disponíveis ao consumidor comum, uma vez que os preços praticados para a aquisição de VEs ainda são bastante elevados, espera-se um aumento significativo do seu número a circular nas estradas.
Um problema vital nos VEs é a forma como estes irão ser carregados e se a atual rede elétrica conseguirá aguentar o aumento dos mesmos. No entanto, apesar do aumento numérico que possa vir a acontecer mostrar ser gravemente prejudicial para a rede elétrica, se o carregamento for efetuado de forma correta, os VEs podem representar uma mais-valia para rede, isto é, através de uma estratégia de controlo adequada, os VEs podem funcionar como sistemas consumidores, armazenadores ou fornecedores de energia elétrica [13].
No que diz respeito aos carregadores off-board (sistemas de carregamento rápido), estes devem ser desenvolvidos para melhorar a forma como é efetuado o carregamento das baterias dos VEs e para garantir que os problemas de qualidade de energia elétrica sejam mitigados.
A nível pessoal ter a oportunidade de melhorar os conhecimentos na área de eletrónica de potência, bem como o tema estar relacionado com a indústria automóvel atual, nomeadamente, no que diz respeito aos VEs, foram fatores determinantes na escolha do tema da dissertação.
Objetivos
Tal como sugere o título, o objetivo global desta dissertação consiste na implementação de um sistema de carregamento rápido para baterias de VEs, com alimentação trifásica.
De referir que todo o trabalho desenvolvido fará parte de um protótipo de um sistema de carregamento rápido de baterias, que será implementado no âmbito de uma tese de doutoramento, pelo que a escolha dos vários componentes integrantes do sistema de carregamento, sejam eles referentes ao andar de potência ou ao sistema de controlo do mesmo, foram premeditados de forma a irem de encontro às especificações do protótipo em desenvolvimento. Assim, os principais objetivos a atingir podem ser resumidos nos seguintes tópicos:
Estudo do estado da arte sobre diversas topologias unidirecionais e bidirecionais de conversores trifásicos CA-CC e posterior simulação da topologia adotada; Estudo do estado da arte sobre a topologia bidirecional do conversor CC-CC
adotada e posterior simulação;
Estudo do estado da arte e posterior implementação no modelo de simulação das estratégias de controlo de corrente para o conversor CA-CC (controlo da corrente da rede elétrica) e CC-CC (controlo da corrente das baterias);
Implementação do sistema digital de controlo, nomeadamente, o circuito de condicionamento de sinal, o circuito de suporte do DSP, o circuito de comando, o circuito de drivers dos IGBTs, o circuito de DAC e os circuitos de suporte dos sensores;
Implementação do andar de potência, nomeadamente, o circuito de suporte dos condensadores do barramento, o circuito de interligação dos IGBTs (do sistema total de carregamento rápido de baterias) e os circuitos de proteção de gate dos IGBTs;
Validação experimental preliminar do sistema de carregamento rápido de baterias conectado à rede elétrica de forma isolada através de transformadores e em baixa tensão.
Organização e Estrutura da Dissertação
Toda a organização e estrutura da presente dissertação foi planificada para que o leitor possa entender facilmente o conteúdo da mesma, de forma objetiva e compreensível.
No Capítulo 1 é feito o enquadramento dos carregadores elétricos e de toda a informação relevante aos mesmos. São também enunciadas as principais motivações que levaram à escolha desta dissertação e quais os objetivos da mesma.
No Capítulo 2 é feito um breve levantamento histórico dos VEs, que tipos de VEs existem, quais as baterias que são empregues nos mesmos e quais os métodos existentes de transferência de energia entre a rede elétrica e o VE. São também apresentados alguns dos carregadores para VEs atuais e quais as suas especificações.
O Capítulo 3 é dedicado aos conversores CA-CC trifásicos, nomeadamente aqueles que mais se destacam para a integração num sistema de carregamento rápido para baterias de VEs.
No Capítulo 4 são apresentadas as diferentes simulações efetuadas ao sistema escolhido e ao controlo utilizado, nos conversores (CA-CC e CC-CC) de potência.
No Capítulo 5 é feito o levantamento e documentação de todo o hardware desenvolvido e implementado para a criação do sistema de carregamento rápido, incluindo o módulo de potência e o módulo de controlo.
No Capítulo 6 são apresentados os resultados obtidos a partir dos testes realizados ao sistema de carregamento rápido em ambiente laboratorial.
No Capítulo 7 são apresentadas as conclusões que se podem obter do trabalho realizado, no que diz respeito ao levantamento biográfico, das simulações computacionais efetuadas e dos testes ao sistema de carregamento rápido implementado. São também apresentadas algumas sugestões para o que pode ser futuramente melhorado no sistema de carregamento rápido implementado.
Veículos Elétricos, Baterias e Carregadores
Introdução
Nos primeiros anos da indústria automóvel existiam três tecnologias de veículos a competir pelo domínio do mercado: veículos com motor de combustão interna, veículos a vapor e veículos elétricos (VEs). Todos eles tinham as suas vantagens e desvantagens e era bastante óbvio que a tecnologia que colmatasse os seus problemas mais rapidamente iria ser a dominante [14], [15].
Das várias desvantagens apontadas aos veículos de combustão interna, as que mais se destacavam eram o barulho que os mesmos faziam, a dificuldade de os pôr a trabalhar (tinha de se utilizar uma alavanca de arranque) e velocidade máxima baixa. Os veículos a vapor, por sua vez tinham duas principais desvantagens: precisavam de aquecer durante cerca de vinte minutos antes de uma viagem e consumiam grandes quantidades de água. Já nos VEs a maior desvantagem estava no fraco desempenho das baterias, em que os carros não conseguiam subir colinas mais íngremes, eram muito limitados nas distâncias que podiam percorrer e, tal como os veículos com motor de combustão interna, a sua velocidade máxima era baixa [14].
Hoje em dia, devido aos avanços tecnológicos, exigências ambientais e a previsível escassez dos combustíveis fósseis a médio prazo, a aposta dos VEs começou a emergir. A locomoção de veículos através de energia elétrica é a forma mais eficaz de alcançar transporte limpo e eficiente, que é crucial para o desenvolvimento sustentável de todo o planeta. Num futuro próximo, por motivos económicos e ambientais, a indústria dos VEs, veículos híbridos elétricos (Hibrid Electric Vehicles – HEVs) e veículos híbridos elétricos plug-in (Plug-In Hibrid Electric Vehicles – PHEV) irá ter um impacto notório na indústria automóvel e dominar o mercado dos veículos eficientes [16].
História do Veículo Elétrico
Até hoje, a atribuição da invenção do VE é incerta, dando-se esse crédito a vários inventores. Em 1828, o Húngaro Ányos Jedlik inventou um modelo de carro em pequena escala que era propulsionado por um motor elétrico que o próprio desenhou. Entre 1832 e 1839 (não se sabe exatamente a data), o escocês Robert Anderson inventou a primeira
carruagem elétrica. Já em 1835, na Holanda, outro carro em pequena dimensão foi desenhado pelo Professor Stratingh of Groningen e construído pelo seu assistente Christopher Becker. No outro lado do atlântico Thomas Davenport, um ferreiro que vivia em Brandon, Vermont, construiu também um pequeno VE, sendo responsável pela invenção do primeiro motor elétrico CC de origem americana [17], [14].
VEs mais práticos e bem-sucedidos foram inventados por Thomas Davenport e pelo escocês Robert Davidson por volta de 1842. Ambos foram os primeiros a utilizar as recém-inventadas baterias não recarregáveis. Já em 1865, o Francês Gaston Plante inventou uma bateria ainda melhor que depois foi aprimorada pelo seu compatriota Camille Faure em 1881. Nesta altura cada vez mais se queria que as baterias tivessem uma maior capacidade para os VEs se tornarem mais práticos [17].
No final do século XIX, a França e o Reino Unido foram os primeiros países a apoiar os avanços nos VEs. Em 1899, o Belga Camile Jénatzy construiu um VE de corrida chamado “Le Jamais Contente” estabelecendo um recorde mundial de velocidade quando o carro atingiu os 105,88 km/h. Só depois de 1895 é que os americanos começaram a dar a devida atenção aos VEs quando Andrew L. Ryker construiu um triciclo elétrico e William Morrison construiu uma carruagem elétrica para seis pessoas. Muitas outras inovações se seguiram e o interesse em veículos a motor cresceu significativamente entre os finais de 1890 e os inícios de 1900. Na realidade, o veículo desenvolvido por William Morrison com capacidade de transporte de passageiros é considerado o primeiro VE prático da história [14], [17].
Com o virar do século a América tornou-se um lugar próspero e os veículos, disponíveis com tração elétrica, a vapor ou a gasolina, estavam a tornar-se cada vez mais populares. Os anos de 1899 e 1900 foram o ponto alto dos VEs na América vendendo mais do que os outros tipos de veículos. Um dos modelos mais vendidos foi o Phaeton de 1902, contruído pela Woods Motor Vehicle Company de Chicago, que tinha uma autonomia de 29 km, uma velocidade de 22,5 km/h e um custo de aproximadamente 2000 dólares. Mais tarde em 1916, a mesma companhia inventou um carro híbrido que continha um motor elétrico e um motor de combustão interna [17], [14].
Os VEs tinham muitas vantagens em relação aos seus competidores no início dos anos 1900, não tinham a vibração, cheiro e barulho associado aos veículos a gasolina. A mudança de velocidades necessária nos veículos a gasolina era uma das maiores dificuldades dos mesmos durante a condução, enquanto nos VEs isso não era necessário. Nos veículos a vapor a mudança de velocidades também não era um problema, no entanto, em manhãs frias, em vez dos vinte minutos necessários para este estar operacional, eram
necessários cerca de quarenta e cinco minutos para o veículo arrancar, ou seja, mais de o dobro do tempo, além de que estes tinham uma autonomia menor que os VEs [17].
Os VEs eram a escolha do consumidor pois não necessitavam de esforço manual para arrancar, tal como a manivela manual nos veículos a gasolina, e não existia uma luta constante na mudança de uma velocidade para outra [18].
Passaram várias décadas até que o interesse nos VEs despoletasse novamente, sendo algumas das razões para essa falta de interesse as seguintes [19], [14]:
Por volta de 1920 os Estados Unidos da América tinham estradas que conectavam as cidades umas às outras, havendo assim a necessidade de veículos com maior autonomia;
A descoberta de petróleo no Texas fez com que o preço da gasolina baixasse e ficasse acessível para o consumidor comum;
A invenção da ignição automática por Charles Kettering em 1912 eliminou o uso da manivela de mão;
A industrialização em massa de veículos com motor de combustão interna por parte de Henry Ford, tornaram este tipo de veículos amplamente disponíveis e acessíveis por um valor entre os 500 a 1000 dólares. Por outro lado, o preço de produção dos VEs continuou a crescer. Em 1912 um VE vendia-se por 1750 dólares, enquanto um carro a gasolina se vendia por 650 dólares.
Os VEs eram bastante promissores, no entanto o interesse por estes desvaneceu por volta de 1935. Até à década de sessenta do século XX o interesse pelos VEs desapareceu, tanto no seu desenvolvimento como no seu uso para transporte pessoal [19].
Durante as décadas de sessenta e setenta do século XX, devido à crise do petróleo, e consequente necessidade para encontrar alternativas ao uso da gasolina, o interesse pelos VEs voltou a surgir [17], tendo vindo a aumentar desde então [14].
Tipos de Veículos Elétricos
Um VE, por definição, utiliza eletricidade como fonte de energia e um motor elétrico para se mover em vez de combustíveis fósseis e motores de combustão interna.
Existem diferentes tipos de VEs, os puramente elétricos que utilizam a energia elétrica nas baterias como fonte de alimentação, os híbridos que combinam um motor elétrico com um motor de combustão interna, os híbridos plug-in que têm uma arquitetura semelhante à dos híbridos com a particularidade de as baterias poderem ser carregadas através de uma fonte externa. Por fim, existem os veículos alimentados a células de
combustível, que combinam a transformação de hidrogénio em energia elétrica que por sua vez carregam as baterias alojadas no veículo [15], [20].
Seguidamente são apresentados de forma resumida os diferentes tipos de VEs mencionados anteriormente.
Veículos Puramente Elétricos
Um VE típico contém um pack de baterias conectado a um motor elétrico e fornece energia de tração através da utilização de um sistema de transmissão. As baterias são primeiramente carregadas através de um carregador de baterias, que pode ser on-board ou off-board, que recebe a energia através de uma fonte externa, como por exemplo a rede elétrica. Também durante a travagem regenerativa [21], o motor funciona como um gerador e devolve energia às baterias enquanto desacelera o veículo.
Uma das principais vantagens dos VEs é o seu desenho simples e operação com um baixo número de componentes. A principal desvantagem deste tipo de veículos é a limitação imposta pelas baterias, isto é, dependendo do tipo das mesmas, os tempos de carregamento podem durar entre quinze minutos a oito horas e a autonomia que proporcionam não é a desejada [20].
Na Figura 2.1 é possível ver a configuração típica de um VE.
Figura 2.1 – Configuração típica de um VE.
Esta configuração consiste num pack de baterias e num controlador de motor que fornecem a energia necessária para o motor elétrico, que por sua vez fornece a tração necessária para as rodas do VE.
Muitos dos VEs atuais utilizam um motor síncrono de ímanes permanentes que pode também ser utilizado como gerador para recarregar as baterias quando o veículo se encontra em processo de desaceleração, isto é, a travagem é feita com o motor. Tal como referido anteriormente, durante a travagem regenerativa o motor irá atuar como gerador e recarregar as baterias ao mesmo tempo que desacelera o veículo. No entanto, o veículo também possui travões mecânicos para que seja possível imobilizar o veículo numa situação em que seja necessário [20].
Rede Elétrica Carregador de
Baterias Pack de Baterias Controlador do Motor Roda Roda M/G
Veículos Híbridos Elétricos
Os componentes que constituem um típico HEV são um pack de baterias, um controlador de motor, um motor/gerador, um motor de combustão interna, uma transmissão e a cadeia cinemática1. As baterias são carregadas através do motor de combustão interna e gerador, não existindo carregamento por via externa. O componente principal de eletrónica de potência utilizado é o conversor CC-CA que fornece alimentação trifásica a um motor síncrono de ímanes permanentes [20].
Na Figura 2.2, está representado a configuração de um Toyota Prius híbrido-elétrico.
Figura 2.2 – Configuração Toyota Prius HEV.
O Toyota Prius híbrido-elétrico utiliza dois motores/geradores síncronos de ímanes permanentes, um de 10 kW e um outro de 50 kW. As baterias estão conectadas a um conversor CA-CC, que está ligado aos motores/geradores. O conversor utilizado é bidirecional o que permite que as baterias sejam recarregadas e que os motores sejam alimentados quando assim o é necessário [20].
Os motores/geradores elétricos e o motor de combustão interna alimentam um planetário redutor2. O sistema opera num modo de transmissão continuamente variável (Continuously Variable Transmission - CVT) em que a relação de transmissão da caixa de velocidades é determinada pela energia transferida pelas baterias, pelo motor/gerador
1A cadeia cinemática de um veículo, normalmente um automóvel, é o conjunto de elementos envolvidos
na tração do mesmo.
2 O redutor planetário é constituído por uma engrenagem central (ou sol), dois ou mais carretos satélites
(ou planetários) ligados entre si por um suporte dos carretos dos satélites, e uma coroa circular (ou anel). 50 kW Conversor CC-CC Roda Roda Pack de Baterias Controlador do Motor 10 kW Planetário Redutor Caixa Redutora Motor de Combustão Interna Tanque de Combustível M/G M/G
e pelo motor de combustão interna [22]. Tal como nos VEs, as baterias podem ser recarregadas regenerativamente através do motor elétrico de 10 kW quando este se encontra a funcionar como gerador.
Veículos Híbridos Elétricos Plug-in
Os veículos híbridos elétricos plug-in (Plug-in Hibrid Electric Vehicle - PHEV) são constituídos pelos mesmos componentes base dos veículos híbridos-elétricos, no entanto, ao contrário deles, estes têm a capacidade de serem carregados por uma fonte externa. Desta forma, os PHEVs normalmente têm incorporado um conversor CA-CC para fazer a transformação da energia fornecia pela rede elétrica para que se possam carregar as baterias. As baterias podem também ser diretamente carregadas através de uma fonte de energia solar, sendo necessário um conversor CC-CC, ou através de uma fonte de energia eólica utilizando assim um conversor CA-CC [20].
Na Figura 2.3 está representada a configuração de um Toyota Prius PHEV.
Figura 2.3 – Configuração do Toyota Prius PHEV.
Normalmente os PHEV têm baterias com uma capacidade superior ao HEV, no entanto, a grande vantagem do PHEV em relação ao HEV é que podem operar unicamente a partir do motor elétrico garantindo assim uma redução no consumo de combustíveis fósseis. O carregamento é feito de forma unidirecional, isto é, apenas há transmissão da rede elétrica para o pack de baterias [20].
Veículos a Células de Combustível
Os veículos a células de combustível (Fuel Cell Vehicles – FCV) utilizam o hidrogénio como combustível para produzir eletricidade. Como utilizam uma reação
50 kW Roda Roda 10 kW Planetário Redutor Caixa Redutora Motor de Combustão Interna Tanque de Combustível Rede Elétrica Carregador de Baterias Pack de Baterias Controlador do Motor M/G M/G
química (isotérmica) para produzir a eletricidade através do hidrogénio não fazem a combustão do combustível sendo assim livres de emissões poluentes [15]. Estes possuem uma configuração bastante parecida com os veículos puramente elétricos (Figura 2.4), no entanto, como são movidos através de células de combustível necessitam de um tanque de hidrogénio pressurizado que alimenta as células, que através de um conversor CC-CC carregam as baterias [20].
Figura 2.4 – Configuração típica de um FCV.
Tal como é possível observar na figura anterior, também é possível o carregamento das baterias pela rede elétrica através do carregador que se encontra on-board. À semelhança dos VE puramente elétricos, também é possível recuperar energia para as baterias através da travagem regenerativa [20].
Rede Elétrica Carregador de Baterias Controlador do Motor Roda Roda Tanque de Hidrogénio Pressurizado Conversor CC-CC Pack de Baterias M/G
Por fim na Tabela 2.1 estão descritas as principais caraterísticas de cada uma das topologias anteriormente apresentadas.
Tabela 2.1 – Principais caraterísticas das topologias de VEs [15].
Tipo de VE Puramente Elétrico HEV/PHEV FCV
Propulsão Motor Elétrico
Motor Elétrico Motor Elétrico Motor de Combustão Interna Sistema de Armazenamento de Energia
Baterias Baterias Células de Combustível Ultracondensadores
Ultracondensadores Necessita de baterias /ultracondensadores para
o arranque do veículo A partir do Motor de
Combustão Interna Fonte de energia e
infraestrutura Rede elétrica
Postos de combustível Hidrogénio Rede elétrica (no caso
dos PHEV)
Infraestruturas de produção e distribuição
de hidrogénio
Caraterísticas
Sem emissões Baixas emissões Sem emissões Alta eficiência
energética
Grande poupança de combustível em ralação
aos veículos com MCI
Alta eficiência energética Pouca autonomia Boa autonomia Boa autonomia
Custo inicial elevado
Necessitam de combustíveis fósseis
Custo inicial elevado Mais caros em relação
aos veículos de motor de combustão interna Disponíveis comercialmente Disponíveis comercialmente Ainda em desenvolvimento Desvantagens
Baterias e a sua gestão Controlo, gestão e otimização das diferentes fontes de
energia
Custo das células de combustível, ciclos de vida e fiabilidade Locais de carregamento Custo Gestão e dimensionamento das baterias Infraestruturas de hidrogénio
Baterias
A importância das baterias para os VEs já foi verificada ao longo da história. O primeiro VE foi produzido pouco depois da invenção das baterias de chumbo-ácido e do motor elétrico nos finais do século XIX [23].
O início do século XX foi uma era de ouro no que diz respeito aos VEs, devido à existência de quase o dobro em relação aos veículos movidos a gasolina. No entanto, os VEs quase que desapareceram com a introdução do motor de combustão interna na segunda década do século XX, devido às limitações de peso, curtas distâncias de viagem, elevado tempo para carregamento e a fraca duração de vida das baterias na altura. Contudo, com os avanços feitos nas últimas décadas nos VEs, o interesse nas baterias
voltou a aumentar com o intuito de as tornar tecnologicamente avançadas para responder eficazmente às necessidades dos VEs [24].
As baterias utilizadas nos VEs são bastante diferentes das que são utilizadas nos dispositivos eletrónicos da vida quotidiana, pois são desenhadas para aguentar grandes quantidades de potência (até dezenas de kW) e de energia (até dezenas de kWh) dentro de um tamanho e peso limite, por um preço relativamente acessível [24].
Nos VEs puramente elétricos as baterias são a sua única fonte de energia, e por sua vez, o componente com o maior custo, peso e volume. Nos veículos híbridos-elétricos e híbridos-elétricos plug-in, as baterias devem receber ou fornecer energia de forma contínua, o que as torna também num componente chave nos mesmos.
As baterias utilizadas em aplicações para VEs devem incluir [25] :
Uma capacidade suficientemente grande para garantir uma distância de viagem considerável. A título de exemplo, 25 km em modo elétrico no híbrido Toyota Prius[26], ou no caso de um veículo puramente elétrico como é o caso do Nissan Leaf que tem uma autonomia para cerca de 200 km[27];
Uma capacidade de potência de entrada elevada o suficiente para garantir uma boa aceleração, boa travagem regenerativa, que por sua vez providencia alta eficiência energética, e que aceite carregamento rápido por uma questão de conveniência;
Um ciclo de vida longo o suficiente para que corresponda ao tempo de vida dos componentes padrão de um automóvel;
Durabilidade contra condições adversas (como por exemplo, stress mecânico, stress climático, entre outros), para que o VE possa trabalhar em ambientes hostis onde os veículos convencionais normalmente funcionam;
Ter uma tolerância de abuso excessivo para manter a bateria resguardada mesmo sob condições extremas (como por exemplo sobretensões, curto-circuitos internos e altas temperaturas).
Para que se possa trabalhar diretamente com VEs, é vital ter um bom conhecimento das tecnologias de baterias existentes. No entanto, antes disso é necessário saber o que é a própria bateria em si.
Uma bateria consiste em duas ou mais células eletroquímicas juntas, que convertem energia química para energia elétrica. As células consistem em dois elétrodos, um positivo e um negativo, juntos por um componente eletrolítico, tal como se pode observar na Figura 2.5. A reação química entre os elétrodos e o eletrolítico geram corrente
contínua. No caso de baterias secundárias ou recarregáveis, a reação química pode ser revertida, através da alteração do sentido da corrente e da bateria para um estado de carga [28].
Figura 2.5 – Célula eletroquímica.
Apesar de todo o desenvolvimento efetuado nas baterias ao longo das últimas décadas, termos como o preço, o tamanho, a densidade energética e a densidade de potência representam um entrave na expansão dos VEs. Desta forma, seguidamente são apresentados e de forma resumida alguns dos parâmetros das baterias [24], [29]:
Tensão das células: A tensão da célula é a diferença entre o potencial que é gerado entre as placas positivas e negativas dos elétrodos. O potencial gerado vai depender do material das placas, dos eletrólitos e da sua concentração. A tensão das células não é um valor constante, pois depende do estado de carga e da temperatura dos eletrólitos;
Tensão nominal: No caso de se tratar de uma bateria de chumbo-ácido, a tensão nominal de uma única célula é aproximadamente de 2 V. A tensão nominal da bateria resulta da multiplicação da tensão nominal de uma célula individual pelo número de células que se encontram conectadas em série na mesma. Normalmente a tensão nominal da bateria fixa-se nos 12 V, no entanto quando falamos de veículos em que os sistemas elétricos necessitam de mais energia, como é o caso dos camiões que precisam de 24 V, utilizam-se duas baterias de 12 V conectadas em série;
Tensão em circuito aberto: A tensão em circuito aberto corresponde à tensão da bateria sem carga. Após um processo de carga ou descarga o valor da tensão em circuito aberto muda, isto deve-se à polarização e efeitos de difusão. Depois de um determinado tempo, e após a estabilização da tensão em circuito aberto, é
Eletrólito Á nod o C át odo + -Fluxo de Eletrões
possível medir aquilo que se chama de tensão em circuito aberto em estado estável. No entanto, caso esse valor seja medido precocemente depois de um processo de carga ou descarga, não é possível obter o valor real do estado de carga. Para isso, é por vezes necessário deixar a bateria repousar quase 24 h de forma a atingir um estado estável;
Capacidade: A capacidade elétrica que uma bateria pode fornecer é um dos parâmetros mais importantes da mesma. A unidade SI que representa esta medida é o Coulomb (C), e trata-se da quantidade de corrente que uma bateria consegue fornecer por um determinado período de tempo, neste caso sendo 1 C a carga correspondente a 1 A durante 1 s. No entanto por se tornar de uma unidade pequena utiliza-se a unidade ampere-hora (Ah) o que torna mais fácil a sua caraterização e utilização, isto é, uma bateria que tenha uma capacidade de 10 Ah, pode fornecer ou receber 1 A em 10 h, 2 A em 5 h ou em teoria 10 A em 1 h. Contudo, na prática, o funcionamento não é bem assim para a maior parte das baterias, enquanto uma bateria pode ser capaz de fornecer 1 A durante 10 h, caso esteja a fornecer 10 A, irá demorar certamente menos de 1 h [29];
Energia Armazenada: A energia armazenada numa bateria depende da sua tensão e da sua carga atual. O seu valor é obtido através da multiplicação da tensão pela capacidade da bateria. A unidade do SI utilizada é o Joule, no entanto por ser uma unidade de medida pequena utiliza-se o Watt-hora (Wh);
Energia específica: Energia específica, também conhecida por densidade de energia gravimétrica, é utilizada para definir a quantidade de energia que uma bateria pode armazenar por unidade de massa. É expressa através de Watt-hora por quilograma (Wh/kg);
Potência específica: Potência específica, também conhecida por densidade de potência gravimétrica de uma bateria, é o pico de potência da bateria por unidade de massa. É expressa em Watt por quilograma (W/kg);
Densidade de energia: Densidade de energia, também conhecida por densidade de energia volumétrica, é a energia nominal de uma bateria por unidade de volume. A sua unidade de medida é Wh/m3;
Densidade de potência: É o pico de potência de uma bateria por unidade de volume da mesma. É representada por W/m3;
Eficiência Energética: Trata-se de outro parâmetro importante nas baterias, e é definido através da relação entre a energia elétrica fornecida por uma bateria, com
a quantidade de energia elétrica necessária para se voltar ao estado antes da sua descarga;
Taxa de Auto Descarga: A maioria das baterias descarregam-se
automaticamente quando não são utilizadas durante algum tempo, sendo este processo conhecido como auto descarga, pelo que não se devem deixar durante muito tempo sem serem recarregadas.
Número de ciclos de vida: É o número de cargas e recargas que uma bateria pode efetuar até um determinado nível de descarga (normalmente 80 %) sem que certas caraterísticas da mesma sejam alteradas. Este número depende da tecnologia de bateria em utilização e também da forma como a bateria é utilizada. Torna-se um parâmetro de extrema importância a ter em atenção pois representa o tempo de vida de uma bateria, o que poderá ter consequências aquando a sua utilização em VEs, mais propriamente nos custos de manutenção/substituição das mesmas. Dentro das tecnologias de baterias existentes que mais se enquadram para a aplicação em VEs são [24], [25], [29]:
Chumbo-Ácido
As baterias de chumbo-ácido são um dos mais antigos e comuns sistemas de armazenamento de energia, pois são robustas e economicamente baratas (Figura 2.6). No entanto, devido a possuírem uma potência específica baixa não são uma opção para VEs de longa distância, além de que, o facto de terem um ciclo de vida pequeno levaria a que fosse necessário substituir o pack de baterias a cada dois ou três anos.
Figura 2.6 – Bateria de Chumbo-Ácido (INVT) [30].
O comportamento de carregamento deste tipo de baterias também desempenha um papel importante, isto porque normalmente o carregamento rápido das baterias é o desejado e a experiência com as mesmas ao efetuar o carregamento rápido mostrou que
existe um baixo potencial por parte destas para carregá-las com correntes elevadas, o que iria levar a um decréscimo nos seus ciclos de vida de forma dramática.
Apesar dos inconvenientes apresentados, a utilização de baterias de chumbo-ácido não é expectável que diminua num futuro próximo, pois são bastante mais baratas que os outros sistemas de armazenamento alternativos. Em termos gerais, as baterias de chumbo-ácido apresentam à volta de 800 números de ciclos, no que diz respeito ao seu ciclo de vida, uma energia específica de cerca de 35 Wh/kg e uma potência específica de aproximadamente 150 W/kg [25][29].
São utilizadas normalmente em cadeiras de rodas, carros de golfe, iluminação de emergência e UPS (Uninterruptible Power Supply).
Níquel-Cádmio (NiCd)
As baterias de níquel-cádmio (Figura 2.7) foram em tempos consideradas umas das principais concorrentes às baterias de chumbo-ácido na utilização em VEs, tendo quase o dobro da energia específica que as baterias de chumbo-ácido. Outras das vantagens em relação às baterias de chumbo-ácido incluem a alta potência específica, um número de ciclos de vida elevado, operação numa gama de temperaturas considerável, baixa taxa de descarga e são um bom sistema de armazenamento a longo prazo. Ainda dentro das vantagens, esta tecnologia de baterias também é robusta, tanto mecanicamente como eletricamente, e podem ser recarregadas até 60 % da sua capacidade em cerca de 20 minutos [29].
Figura 2.7 – Baterias de Ni-Cd (ALCAD) [31].
Ao contrário da tecnologia das baterias de chumbo-ácido que utilizam apenas 6 células em cada bateria para obter 12 V, a tensão nominal de cada célula das baterias de níquel-cádmio é de 1,2 V sendo necessário a utilização de 10 células para perfazer os 12 V, o que acaba por explicar o seu custo, uma vez que o cádmio é bastante mais caro que o chumbo. No entanto, devido ao seu elevado número de ciclos de vida, a questão do
preço acaba por ser colmatada. Outra desvantagem está no facto do cádmio ser altamente prejudicial, tanto para o ambiente como para a saúde.
Mais uma vez, e utilizando as baterias de chumbo-ácido como exemplo, as baterias de níquel-cádmio necessitam de ser carregadas propriamente. No entanto, como as células de níquel-cádmio são menos propensas a auto descargas, o problema aqui não é tão grave como nas de chumbo-ácido. Normalmente, o carregamento da bateria é feito através do método negative delta v (-Δv) que consiste em parar o carregamento da bateria assim que o declive da tensão em função do tempo passa a ser negativo [28], [29].
As suas principais aplicações são ferramentas elétricas, rádios bidirecionais, aeronaves e UPS.
Níquel-Hidreto-Metálico (NiMH)
São uma substituição prática para o níquel-cádmio e para a utilização em VEs, pois têm uma densidade de energia mais elevada, com um número de ciclos maior e sem metais tóxicos, os quais são recicláveis tornando-a ambientalmente amigável. Estas baterias (Figura 2.8), que são compostas por elétrodos positivos de hidróxido de níquel e elétrodos negativos feitos de ligas absorventes de hidrogénio, estão a ser utilizadas desde que em 1970 Philips conseguiu desenvolver propriedades absorventes do LaNi5.
Atualmente são utilizadas outras ligas absorventes de hidrogénio, tais como o alumínio, magnésio, cobalto, zircónio, entre outras, o que permite uma capacidade da bateria cada vez maior [25].
Figura 2.8 – Bateria de NiMH (Panasonic) [32].
De todos os novos sistemas de baterias, as baterias NiMH são consideradas umas das mais avançadas e são utilizadas numa gama de VEs, que inclui modelos como o Toyota Prius que é considerado um dos híbridos com maior sucesso. Este tipo de baterias são também utilizadas em instrumentos médicos e aplicações industriais e podem ser encontradas em aplicações mais pequenas, como por exemplo em pilhas AA e AAA para consumo doméstico [29].
Baterias de Lítio
O lítio é o mais leve de todos os metais e apresenta caraterísticas bastante interessantes a partir de um ponto de vista eletromecânico. Quando aplicado em sistemas de armazenamento, nomeadamente baterias é o mais promissor. São utilizadas na maior parte dos aparelhos portáteis (telemóveis, computadores, etc), como também nos sistemas elétricos dos VEs. No que diz respeito ao preço, são mais caras que as referidas anteriormente e necessitam de circuitos de proteção. Existem duas grandes tecnologias de baterias de lítio: as baterias de lítio-polímero Po) e as baterias de iões de lítio (Li-Ion) [33].
As baterias de lítio-polímero utilizam lítio metálico para o elétrodo negativo e a transição de um óxido de metal de intercalação para o positivo. No entanto, devido à utilização de lítio sólido no elétrodo negativo existem uma série de problemas nas células destas baterias, problemas estes que causam dificuldades no que diz respeito à segurança e por vezes uma diminuição no desempenho das mesmas devido à passivação3 dos materiais [29]. Desta forma, esta tecnologia foi largamente ultrapassada pelas baterias de iões de lítio.
De entre os vários tipos de baterias de iões de lítio (LiCoO2, LiMn2O4, LiFePO4 e
LiNi1-y-zMnyCOzO2) o tipo mais promissor são as baterias de lítio-fosfato-ferro (LiFePO4 - Figura 2.9), pois o material do cátodo que utilizam são fosfatos, o que torna a bateria
mais fiável e segura em relação aos outros materiais, isto porque os fosfatos são extremamente estáveis em condições de sobrecarga ou curto-circuito e têm a particularidade de suportar altas temperaturas sem se decomporem [33].
Figura 2.9 – Bateria de iões de lítio (Tenergy) [34].
3Os princípios da passivação baseiam-se na cinética eletroquímica, que resulta da formação de películas
As baterias de iões de lítio quando comparadas com as baterias de chumbo-ácido, as de níquel-cádmio e níquel-hidreto-metálico são as mais adequadas para os VEs de nova geração. Na Tabela 2.2 encontram-se as caraterísticas básicas das baterias mencionadas anteriormente que são utilizadas nos VEs [33].
Como é possível observar através da Tabela 2.2 as baterias de iões de lítio são superiores às restantes, quer em energia específica quer em densidade de potência, o que permite que estas sejam mais leves e pequenas no que diz respeito ao peso e tamanho, respetivamente. Além disso, outras vantagens das baterias de iões de lítio incluem uma ampla gama de temperaturas de operação, capacidade de carregamento rápido, sem efeito de memória, um ciclo de vida relativamente grande e uma taxa de auto descarga baixa [33]. Todas estas caraterísticas apelativas explicam o porquê das baterias de iões de lítio estarem presentes nos produtos eletrónicos de consumo, como é o caso dos telemóveis, computadores portáteis, câmaras de vídeo, ferramentas elétricas e outros dispositivos portáteis.
No entanto, o termo baterias de iões de lítio engloba uma ampla variedade de processos químicos, tal como fora anteriormente referido, e cada um deles oferece um número de soluções para o desenvolvimento de VEs, nomeadamente a densidade energética, questões de segurança no que diz respeito ao abuso sobre o número de sobrecargas e sobre descargas, e confiabilidade e durabilidade no uso automotivo [35].
Tabela 2.2 – Desempenho técnico básico das diferentes tecnologias de baterias utilizadas em VEs [29] [33].
Tipo de Bateria
Caraterísticas
Chumbo-Ácido NiCd NiMH LiFePO4
Energia Específica (Wh/kg) 30-50 45-80 60-120 110-160 Densidade de Energia (Wh/m3) 54-95 70-90 70-90 153 Potência Específica (W/kg) 250 125 250 350 Densidade de Potência (W/m3) 180 150 250-1000 1800 Tensão Nominal (por célula) (V) 2 1,2 1,2 3,6 Resistência Interna (mΩ) <100 12 V pack 100-200 6 V pack 200-300
6 V pack Muito baixa
Tempo de carregamento 8-16 h 1 h típico 2-4 h 2-3 h
Tolerância a Sobrecargas Alta Moderada Baixa Muito baixa
Auto Descarga Baixa Moderada
Baixa
Moderada
Alta Muito baixa Temperatura Operacional
(ºC) -12 - 60 -40 – 60 -20 - 60 -20 - 60
![Tabela 2.2 – Desempenho técnico básico das diferentes tecnologias de baterias utilizadas em VEs [29]](https://thumb-eu.123doks.com/thumbv2/123dok_br/17378063.798331/46.893.105.749.740.1161/tabela-desempenho-técnico-básico-diferentes-tecnologias-baterias-utilizadas.webp)
![Figura 2.17 – Possíveis configurações do Terra 53 (da esquerda para a direita): Terra 53 C, Terra 53 CT, Terra 53 CJ e Terra 53 CJG [58]](https://thumb-eu.123doks.com/thumbv2/123dok_br/17378063.798331/58.893.208.643.324.616/figura-possíveis-configurações-terra-esquerda-direita-terra-terra.webp)
