Tema 4 Controlo de Fontes de Energia em Veículos Eléctricos. Orientador: Prof. Dr. Paulo José Gameiro Pereirinha

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Luiz Guilherme Alcaide Fortunato
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1 Fundação para a Ciência e Tecnologia Tema 4 Controlo de Fontes de Energia em Veículos Eléctricos Instituto de Engenharia de Sistemas e Computadores de Coimbra Orientador: Prof. Dr. Paulo José Gameiro Pereirinha Instituto Superior de Engenharia de Coimbra Orientando: Mário António Correia da Silva

2 Redução da dependência dos combustíveis fosseis Redução da emissão de gases para a atmosfera Aumento da qualidade de vida Desenvolvimento de uma alternativa viável Controlo eficiente das várias fontes presentes num veículo eléctrico (VE) Gestão das mesmas nos diferentes regimes de funcionamento do VE Garantir o maior tempo de vida possível

Controlo eficiente das várias fontes presentes num veículo eléctrico (VE) Gestão das

3 Estudo do controlo de fontes de energia em VE's Implementação prática do controlo de fontes de energia Obtenção de resultados por meio da simulação dos vários regimes de funcionamento de um VE

4 Baterias Iões de Lítio (Li-ion) Ácido de Chumbo (Lead Acid) Hidreto metálico de Níquel (NiMH) Níquel Cádmio (NiCd) Elevado coeficiente de energia específica Baixa coeficiente de potência específica Elevado número de ciclos de carga e descarga

Elevado coeficiente de energia específica Baixa coeficiente

5 Super Condensadores Derivam dos condensadores convencionais Camada simples Camada dupla Elevado coeficiente de potência específica Baixo coeficiente de energia específica Suportam elevadas correntes Ciclo de vida muito elevado

coeficiente de potência específica Baixo coeficiente de

6 Painéis fotovoltaicos Não armazena energia Aproveitamento de energia solar Possibilita o carregamento das baterias Baixo custo de manutenção Ciclo de vida consideravelmente elevado Eficiência abaixo do nível desejado

carregamento das baterias Baixo custo de manutenção

7 Associados à redução ou elevação de tensão Controlados em frequência Trabalham tipicamente com valores de corrente elevados Constituídos por dispositivos que são facilmente integráveis em sistemas fixos ou moveis Possibilidade de associação de vários conversores DC-DC

Constituídos por dispositivos que são facilmente integráveis em

8 Conversor redutor (buck) Vsupply > Vload Vload = Vsupply*D Conversor elevador (boost) Vsupply < Vload Vload = Vsupply/(1-D) Conversor redutor-elevador (buck-boost) Vsupply > Vload ou Vsupply < Vload Vload = (-Vsupply*D)/(1-D)

9 A associação de conversores DC-DC é feita normalmente para permitir a ligação entre várias fontes energéticas e um consumidor final, bem como a troca de energia entre as mesmas fontes Garantir que é aplicado o valor adequado de tensão a cada dispositivo, possuindo estes valores de tensão nominais diferentes entre si

energia entre as mesmas fontes Garantir que é aplicado o valor adequado de

10 Acoplamento directo Acoplamento magnético Maior facilidade de implementação Não necessita de transformador, tornando-se por isso mais compacto No acoplamento directo existe um barramento de tensão DC (DC-Link) onde estão ligados fisicamente todos os conversores Neste caso não são admissíveis grandes variações de tensão à saída dos conversores Consegue-se construir um conversor de múltiplas entradas e bidireccional com um menor numero de No comutadores acoplamento magnético são usados transformadores para possibilitar a transferência de Menos dispendioso energia Neste tipo de acoplamento pode haver variações de tensão consideráveis, não havendo qualquer problema para as fontes

conversores Consegue-se construir um conversor de múltiplas entradas e bidireccional com um menor numero de No comutadores acoplamento magnético são usados

11 Dispositivos de potência actuados por um sinal de comando São aplicados aos seus terminais grandes valores de tensão São atravessados por elevados valores de corrente Não existe um comutador ideal em relação aos parâmetro principais: tensão, corrente e frequência de comutação

atravessados por elevados valores de corrente Não existe um

12 IGBT PrimeSTACK 6 comutadores (IGBT's) Tensão máxima1200v Corrente máxima 400A Controlado por PWM (Pulse width modulation) Uma saída analógica por canal para medição de corrente, tensão e temperatura Protecção contra sobre tensão, curto-circuito e temperatura excessiva

analógica por canal para medição de corrente, tensão e temperatura

13 dspace OPAL-RT NI-cRIO MatLab/Simulink MatLab/Simulink LabVIEW

14 Controlador de tempo real com processador de 400MHz e 64Mb memória FPGA 40MHz (Field Programmable Gate Array) Chassis reconfigurável de 4 slots Expansível até 8 slots Grande numero de módulos para aquisição ou geração de sinais analógicos e digitais (Acelerómetros, Temperatura, PWM, etc.) Módulos direccionados para protocolos de comunicação específicos

numero de módulos para aquisição ou geração de sinais analógicos e digitais

15 Funcionamento do conjunto crio: Escolha dos módulos de entradas e saídas Desenvolvimento do programa Compilação do programa desenvolvido

16 Para possibilitar a implementação prática deste projecto fezse a junção do hardware de potência (modulo de IGBT's) e do hardware de controlo (crio) Para a interligação dos sistemas acima referidos foi projectada e executada a placa para recepção e envio do sinais ilustrada na seguinte figura A placa foi desenhada utilizando software Eagle O seu propósito é alimentar, receber os sinais de comando e permitir o acesso aos sinais de saída da PrimeSTACK

executada a placa para recepção e envio do sinais ilustrada na seguinte figura A placa foi desenhada utilizando

17 Ensaio 1: regime de funcionamento do veículo alimentado por duas fontes, sendo uma controlada em tensão e a outra controlada em corrente Tensão na carga Tensão na bateria Corrente da bateria Tensão na fonte Corrente da fonte A tensão na carga é 4x superior à tensão da fonte e da bateria Corrente na carga O conversor está a funcionar como elevador

bateria Corrente da bateria Tensão na fonte Corrente da fonte A tensão na carga é 4x

18 Ensaio 2: aumento da carga com o veículo alimentado por duas fontes, em que uma tem débito de corrente fixo A tensão na carga mantêm-se O controlador compensa o aumento de carga

19 Ensaio 3: troca de energia entre fontes Neste ensaio é feito o carregamento das baterias a partir das fontes, a limitação da entrada de corrente nas baterias causa a subida de tensão no barramento DC

20 Ensaio 4: aproveitamento energético de uma travagem regenerativa No caso de uma travagem regenerativa a carga fornece energia às fontes durante alguns instantes Tensão no barramento DC ultrapassa a tensão nominal

carga fornece energia às fontes durante alguns

21 Ensaio 5: queda de tensão nas fontes devido à descarga das mesmas Com o decorrer da descarga das fontes o seu nível de tensão tende a diminuir, como este fenómeno altera a tensão na carga o controlador age compensando esta descida

23 Conclui-se com o presente trabalho que foram cumpridos os objectivos iniciais propostos, a implementação do controlo de fontes de energia com aplicação em veículos eléctricos Este permitiu a aquisição de novos conhecimentos e a constatação da dificuldade inerente à implementação prática de um projecto deste tipo No entanto existe ainda um longo caminho a percorrer tendo em vista o aperfeiçoamento deste tema, este caminho pode passar por: Teste do hardware com níveis de potencia mais elevados Implementação de uma terceira fonte Substituição do actual controlador Proporcional Integral (PI) por um Proporcional Integral Derivativo (PID)

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