Modelagem de Frenagem Regenerativa em Veículo Elétrico

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1 Modelagem de Frenagem Regenerativa em Veículo Elétrico 1 M.G.S.P.Paredes, 1 J.A.Pomilio, 2 N. Mastelari 1 Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação; 2 Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade Estadual de Campinas- UNICAMP gabbil@dsce.fee.unicamp.br, antenor@fee.unicamp.br, niede@fem.unicamp.br Abstract Computational modeling is intended to enhance understanding of the process applied to regenerative braking electric vehicle with induction motor. The resulting analysis presented in this paper allows us to define kinetic energy recovered during the deceleration, leading a regenerated energy for a bank of ultracapacitors to be reused. At the same time, the deceleration process should be fully controlled, allowing the driver to determine the desired deceleration and being transparent if the braking process occurs regenerative or dissipative. Key-Words Regenerative Braking, Ultracapacitors, Eletric Vehicles, Simulation. Resumo Com uma modelagem computacional pretendese aprimorar o entendimento do processo da frenagem regenerativa aplicado a um veículo elétrico com motor de indução. A análise apresentada neste artigo permite determinar a energia cinética recuperada durante a desaceleração, levando a energia regenerada para um banco de supercapacitores para ser reutilizada. Ao mesmo tempo, o processo de desaceleração deve ser plenamente controlado, permitindo ao condutor determinar a desaceleração desejada, sendo-lhe transparente se o processo de frenagem ocorre de forma regenerativa ou dissipativa. Palavras-chave Frenagem Regenerativa, Supercapacitores, Veículo elétrico, Simulação. I. INTRODUÇÃO Um dos problemas associados aos veículos elétricos (VE) é sua relativamente baixa autonomia quando alimentado apenas por baterias. Além disso, especialmente em trajetos urbanos, a quantidade de procedimentos de aceleração e de frenagem é muito grande, o que demanda picos de potência da fonte. Sabe-se que um melhor desempenho das baterias, em termos de rendimento e de tempo de vida exige que tais picos sejam limitados [1]. De modo a não prejudicar o desempenho esperado dos VEs, pode-se fazer uso de outros dispositivos de acúmulo de energia, como os Supercapacitores (SC) [2], que podem ser utilizados para fornecer os picos de potência, ficando as baterias responsáveis pelo valor médio da demanda. Adicionalmente, no processo de frenagem, a capacidade das baterias absorverem a energia recuperada é muito limitada, de modo que os SC cumprem um papel fundamental para que, de fato, seja recuperada a energia cinética disponível no VE [3]. É feita a modelagem e a simulação de um VE, focalizando os aspectos de frenagem elétrica e mecânica. Estuda-se o comportamento da FR elétrica, considerando um VE com motor de indução trifásico acionado por inversor de frequência variável. A ação conjunta de freio elétrico e mecânico é proposta como meio de minimizar a ineficiência e pouca controlabilidade da FR em baixas velocidades, garantindo o comportamento esperado para a desaceleração. II. SISTEMA DE FRENAGEM REGENERATIVA O uso de frenagem regenerativa tem como objetivos a recuperação da energia cinética e a minimização do desgaste dos freios mecânicos. Em um veículo elétrico, a redução da velocidade normalmente faz a máquina elétrica passar a operar como gerador, havendo um retorno de energia para as fontes, a depender da topologia e do comando aplicado ao conversor eletrônico de potência. A figura 1 apresenta uma possível configuração de fontes e de conversores [4]. Os conversores DC/DC são bidirecionais em corrente e fazem a adequação dos níveis de tensão das fontes (baterias e SC) ao barramento DC que alimenta o conversor que aciona o motor. Para a etapa da frenagem o fluxo de potência será da máquina elétrica para as fontes. O sistema de gerenciamento deve garantir que esse fluxo se dirija, preferencialmente, para os SC, uma vez que o processo de recuperação de carga nas baterias é mais lento e apresenta maiores perdas. Figura 1 - Fluxo de potência no veículo na etapa da FR Os supercapacitores se caracterizam pela capacidade de suprir elevados picos de potência, o que vale dizer, de suportar elevadas correntes. Por outro lado, a energia acumulável é baixa, em comparação com as baterias [2]. O uso consorciado de ambas fontes apresenta-se, do ponto de vista do desempenho de um VE, como interessante, senão necessário. A Figura 2 apresenta a proposta para um sistema de frenagem que integra a frenagem elétrica regenerativa com o freio mecânico. A partir do comando de frenagem o inversor reduz a frequência sintetizada de modo que o escorregamento do motor se torne negativo 15

2 e este passe a atuar como gerador. A retirada de energia do veículo se relaciona com a redução da energia cinética e, portanto, da velocidade. Figura 3 Diagrama de Fluxo do algoritmo para a frenagem Figura2 Sistema de Freio com Banco de SC Como a potência necessária para a aceleração de um veículo é menor do que para a frenagem, pela simples razão de que o projeto de veículo pressupõe uma certa variação de velocidade em um dado intervalo de tempo, o que, em primeira aproximação, determina o torque e a máxima potência requerida. O processo de frenagem, por sua vez, pode ser requisitado em um intervalo de tempo muito menor, o que implica em um pico de potência mais elevado. Quando a frenagem é puramente mecânica, a energia retirada da massa em movimento se converte em calor. Já na FR essa energia reflui para os conversores e fontes. No caso de um VE, o motor é também dimensionado para o processo de aceleração e de cruzeiro (operação em velocidade constante) [5]. Durante a frenagem possivelmente operará em sobrecarga. A depender do ciclo de condução, esse é um procedimento aceitável, desde que se assegurem dispositivos de proteção que impeçam uma elevação exagerada de temperatura. Mas além do motor tem-se que levar em conta os conversores eletrônicos que processam essa potência. Tipicamente a capacidade de suportar sobrecarga de um circuito eletrônico é menor do que a de um dispositivo eletromagnético, como o motor. A capacidade de sobrecarga de curto prazo (alguns segundos) dos conversores eletrônicos tem que ser severamente respeitada, sob o risco de destruição dos mesmos. Caso a desaceleração demandada pelo condutor produza um valor de corrente que não é suportável pelos conversores faz-se necessário o uso concomitante do freio mecânico. Há ainda a questão da segurança, caso o sistema elétrico não funcione adequadamente na frenagem [3]. A Figura 3 apresenta o diagrama de fluxo de frenagem regenerativa e a estratégia que atuará em baixas velocidades. A partir da desaceleração determinada pelo condutor (acionamento do pedal de freio) é gerado um comando para a redução da frequência do inversor, o que leva o motor a operar como gerador. Caso o potência ou a corrente resultante seja excessiva para os conversores, um torque frenante adicional é proporcionado pelo freio mecânico. Conforme será visto na sequência, em baixa velocidade (o que equivale a dizer em baixa frequência de saída do inversor), o torque eletromagnético resultante na máquina elétrica passa a apresentar fores oscilações, o que prejudica o procedimento de frenagem, além de provocar desconforto para o usuário. Por essa razão, em tal condição a frenagem regenerativa é desabilitada e segue exclusivamente a frenagem mecânica. III. MODELO DE VE PARA ESTUDO DE FRENAGEM Utilizando Matlab/Simulink foram realizadas simulações de um veículo elétrico para estudo do processo de frenagem, como indica a Figura 4. Os parâmetros são baseados em um veículo de pequeno porte, tipo VW Gol, acionado por um motor de indução trifásico de 50 cv, 4 pólos, e caixa de redução fixa de 1:2,5. O banco de supercapacitores é de 17 F. A inércia considerada é de 6,83 kg.m 2 e corresponde ao total da inércia no eixo do motor. O bloco A apresenta a geração da velocidade de referência que será aplicada ao inversor. O bloco B se relaciona com a frenagem mecânica. Tem-se uma tabela que relaciona o torque mecânico de frenagem em 16

3 função da velocidade da roda [6]. No bloco C está representado o comportamento dinâmico do veículo, com medições de torque e de velocidade do motor. Inclui também parâmetros relacionados com o atrito entre o pneu e o solo. O coeficiente de atrito µ tem valores de 0,1 a 0,7 [6]. A. Definição das velocidades Os valores das velocidades são representativos da aplicação urbana de um veículo leve. São estudadas situações com as seguintes velocidades lineares e angulares no eixo das rodas: - Nível 1: 35 km/h ou 323 rpm - Nível 2: 50 km/h ou 461 rpm - Nível 3: 65 km/h ou 600 rpm Figura 4 Etapas do modelo da frenagem regenerativa do VE A Figura 5 explicita ao bloco A da Figura 4 que mostra como é feita a geração da referência de frequência a ser enviada ao inversor. V REF é a velocidade desejada no motor, enquanto ω m é a velocidade medida. O torque necessário para igualar as velocidades é determinado por meio de um compensador PI. A partir desse torque, considerando o momento de inércia do sistema e o torque eletromagnético do motor se determina a referência para o inversor [7]. (2) Tref = Ki ( Vref ωm ) dt + K p ( Vref ωm ) (3) J ω& ref _ Inv + B. ω F µ = F ref _ Inv atrito normal = T (1) Onde Kp T é proporcional aos atritos no sistema e Ki T é proporcional (inversamente) ao momento de inércia. Figura 5 Geração da referência para a velocidade no inversor [4] ref T em Tomado um veículo de pequeno porte, como o VW Gol, a desaceleração não ultrapassa 5 m/s 2.A faixa de desaceleração usual, que é aquela na qual o veículo freia na grande maioria das vezes, apresenta os seguintes níveis, considerados nas simulações: - Nível 1: 1,5 m/s 2 ou baixo - Nível 2: 2,5 m/s 2 ou médio - Nível 3: 3,5 m/s 2 ou alto IV. SIMULAÇÕES E RESULTADOS A. Simulações sem uso de freio mecânico Para observar o comportamento do veículo apenas com frenagem elétrica foi simulado o acionamento do motor em uma velocidade 1000 rpm, resultando em uma velocidade angular na roda de 400 rpm, como mostra a Figura 6. Após a aceleração há um intervalo de cruzeiro e, em seguida a frenagem. Em baixas velocidades há uma oscilação no torque devido ao comportamento do motor de indução. O acionamento foi feito apenas com a imposição da tensão e da frequência, sem controle da corrente. Uma limitação na taxa de variação da referência de torque, como se vê na Figura 7, minimiza o efeito na partida, mas não na frenagem. 17

4 Figura 6 Simulações sem freio mecânico: (a) Velocidades (RPM) (b) Torque (N.m). Figura 7 Simulações com freios elétrico e mecânico: velocidade, torque de frenagem elétrica e mecânica. (a) (b) B. Simulações com uso combinado de freios elétrico e mecânico Fazendo uso da estratégia de comando indicada na Figura 3, quando a velocidade atinge um valor baixo na frenagem, a energia cinética é muito pequena e, do ponto de vista de recuperação de energia muito pouco há a recuperar. Como se tem, adicionalmente, a oscilação no torque do motor, é conveniente passar a fazer uso do freio mecânico. A Figura 7 mostra tais resultados. Observe a interrupção no torque frenante do motor, o qual é substituído por um torque equivalente proveniente do freio mecânico, de modo a manter a desaceleração desejada até a parada do veículo. Na Figura 8 apresenta-se a tensão, corrente, potência e energia que fornece o banco de supercapacitores. Dadas as perdas do sistema (elétricos, atrito e aerodinâmicas), a energia recuperável é sempre menor do que a consumida. Observe que quando o sistema de freio elétrico é desligado a potência recuperada já é praticamente nula. 18

5 Figura 8 Variáveis elétricas durante o ciclo de condução. C. Simulações para velocidade baixa Outro conjunto de simulações foi realizado para velocidade de 35 km/h, como mostra a Figura 9. Novamente o freio mecânico é chamado a atuar quando a velocidade se reduz, de modo a garantir que o torque frenante se mantenha conforme solicitado pela referência. Figura 9 Resultados das simulações em baixa velocidade. A Tabela 1 quantifica tais grandezas. Tabela 1 - Variáveis Elétricas Potência de Pico 18 kw Corrente de Pico Tensão Inicial no SC Tensão Final no SC 55 A 320 Vdc 315 Vdc O algoritmo permite fornecer o torque que precisará para atuar nas baixas velocidades e seguir a desaceleração do veículo com o nível de 3,5 m/s 2. Na figura10 apresenta-se o comportamento da tensão, corrente, potência e energia no banco de supercapacitores. Energía Fornecida Energía Recuperada 50 kj 25 kj 19

6 Figura10 Resultados das simulações em frenagem elétrica e mecânica. Tabela 2 - Variáveis Elétricas no banco de SC Potência de Pico 11kW Corrente de Pico Tensão Inicial Tensão Final Energía Fornecida Energía Recuperada 38 A 320 Vdc 316 Vdc 35 kj 15 kj A Tabela2 apresenta os resultados numéricos obtidos nesse processo de frenagem a partir de uma baixa velocidade. Nota-se que, proporcionalmente, a recuperação de energia é menor, o que demonstra que em baixas velocidades a eficácia da frenagem regenerativa, do ponto de vista energético, é menos relevante. Resta ainda a vantagem da redução no desgaste do freio mecânico. V. CONCLUSÕES Este trabalho abordou uma modelagem e simulações para o estudo e desenvolvimento de procedimentos para frenagem de um VE, utilizando concomitantemente frenagem elétrica e mecânica. O VE considerado é um veículo leve, de uso urbano, acionado por motor de indução, com recuperação de energia para um banco de supercapacitores. A recuperação de energia está diretamente relacionada com a energia cinética no início da frenagem e, portanto, depende do ciclo de condução considerado. O consumo de energia relacionado com as perdas aerodinâmicas, atritos em geral e as perdas elétricas no sistema de acionamento, obviamente, não podem ser recuperadas. Em baixas velocidades, com o inversor operando em baixa frequência, têm-se elevadas oscilações de torque eletromagnético, o que não é conveniente para o processo de frenagem. Por essa razão, abaixo de certo limite de velocidade, quando a energia cinética já é muito reduzida, se propõe o uso de frenagem mecânica, garantindo o torque frenante desejado. As análises nas desacelerações foram satisfatórias, permitindo recuperar mais de 60% de energia consumida no ciclo de condução, quando são atingidas maiores velocidades. REFERÊNCIAS [1] Battery University, Basics about Discharging [Disponível em discharge_methods] [2] A.A.Ferreira, J.A. Pomilio. Estado da Arte sobre Aplicação de Supercapacitores em Eletrônica de Potência. Eletrônica de Potência (SOBRAEP), v.10, p.25-32, 2005 [3] FS. Garcia, José A. Pomilio, Grace S. Deaecto, José C. Geromel, Analysis and Control of DC-DC Converters based on Lyapunov Stability Theory. IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, ECCE, Set [4] Ferreira, A.A., Sistema Supervisório de Gestão de Múltiplas fontes de suprimento para Aplicações em Veículos Elétricos Dissertação (Doutorado) Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação, Universidade Estadual de Campinas, Campinas. [5] Ehsani, M., et AL., Modern electric, Hybrid Electric, and Fuel Cell Vehicles, second edition, USA: CRC Press, [6] Santos, A. H. C. Uma contribuição ao estudo dos freios de atrito para aplicação em frenagem regenerativa Dissertação (Doutorado) Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade Estadual de Campinas, Campinas. [7] Xiangpeng Yu; Tielong Shen; Gangyan Li; Hikiri, K., Regenerative Braking Torque Estimation and Control Approaches 20

7 for a Hybrid Electric Truck, American Control Conference (ACC), APÊNDICE As simulações foram feitas considerando os parâmetros da Tabela3. Estes dados se referem a um sistema de ensaio de processos de frenagem do Laboratório Ferroviário da Faculdade de Engenharia Mecânica da UNICAMP. No LaFer serão testados experimentalmente as propostas apresentadas nesse artigo. Tabela 3 - Parâmetros do motor de indução Potência Nominal Torque Nominal 37 kw 200 N.m Resistência do estator (r s) Resistência do rotor (r r) Indutância do estator (L s) Indutância do rotor (L r) Indutância mutua (L m) 0.2 mh mh 3.79 mh Momento de inércia(j) 6.83 kg.m 2 Número de pólos (P) 4 21