CARREGADOR DE BATERIAS MICROCONTROLADO BASEADO EM CONVERSOR CHAVEADO

Transcrição

1 CARREGADOR DE BATERIAS MICROCONTROLADO BASEADO EM CONVERSOR CHAVEADO AFONSO VENTORINI, EMERSON P. TRARBACH, DOMINGOS S. L. SIMONETTI E JOSÉ L. F. VIEIRA UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO CENTRO TECNOLÓGICO - DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA UFES CP: , VITÓRIA ES, CEP: s: afonso_ventorini@yahoo.com.br; j.vieira@ele.ufes.br Abstract This paper introduces a microcontroller battery charger. The proposed charger presents high power factor universal input (127 or 220 V +/- 10%). It can charges 6V or 12V batteries, from 5Ah up to 100Ah. Besides that, the battery charger process can be done by using the charger current values in function of the battery rated capacity (Ahs), between 7 to 10% of the battery current value, which discharger completely the battery in one hour. At the moment when the equalization voltage is reach, the battery charger starts to operate maintaining the fluctuation voltage in order to avoid overcharge. This battery charger can be used in repair garages due to its flexibility in charger of different types of batteries. Keywords battery charger, microcontroller, high power factor. Resumo Este artigo apresenta um carregador de baterias automotivas microcontrolado. O carregador proposto possui entrada universal (127 ou 220 V +/- 10%) com correção do fator de potência. Ele é capaz de efetuar a carga de baterias de 6V ou 12V, desde 5Ah até 100Ah. Além disso, o carregador permite que o processo de carga da bateria seja feito utilizando valores de corrente de carga em função da capacidade nominal da bateria, entre 7 a 10% da corrente que descarregaria completamente a bateria em uma hora. Ao atingir a tensão de equalização, o carregador atua mantendo a tensão de flutuação sobre a bateria para que não haja sobrecarga. Este carregador pode ser empregado em oficinas de manutenção de baterias com a vantagem da sua flexibilidade de poder promover a carga de diversos tipos de bateria. Palavras-chave carregador de bateria, microcontrolador, alto fator de potência. 1 Introdução A maioria dos carregadores de baterias automotivas disponíveis no mercado normalmente não possui um sistema de carga com interrupção do processo, quando as baterias estão carregadas. Tal fato exige a necessidade de atuação de um operador para acompanhar o processo de carga monitorando a tensão da bateria. Quando realizado o carregamento da bateria, o sistema deveria ser desligado para não haver sobrecarga na bateria. Não havendo atuação do operador, e estando a bateria carregada, o sistema continuaria a fornecer energia à bateria fazendo com que esta se sobrecarregue. Os carregadores convencionais abrangem normalmente uma pequena faixa de tipos de bateria, o que restringe a sua aplicação a um pequeno grupo de baterias em função da tensão e das capacidades nominais de corrente. Outra questão que deve ser destacada é a qualidade da energia. Os carregadores de bateria convencionais podem proporcionar baixo fator de potência, e podem gerar uma quantidade considerável de harmônicos de corrente para a rede de alimentação. Para efeito de comparação, foram obtidos os seguintes resultados de um circuito retificador de onda completa a diodos, alimentado em 220 V e fornecendo 156 W a uma carga resistiva: fator de potência: 0,402; distorção harmônica total da corrente de entrada: 228,8 %. Estes fatos motivaram o desenvolvimento de um carregador de baterias microcontrolado, que monitore a corrente de carga e a tensão da bateria, possa se adaptar a uma grande faixa de tipos de bateria, possua alimentação universal e proporcione alto fator de potência. 2 O Processo de Carga da Bateria 2.1 Características Gerais da Bateria As principais características das baterias são descritas a seguir. Resistência Interna - é uma grandeza de difícil medição, pois depende de fatores operacionais tais como: temperatura, estado de carga, etc. Para uma bateria de 50 Ah, o valor desta resistência se encontra em torno de 2 a 5 m [1]; Tensão na bateria - a tensão entre os terminais da bateria está relacionada com o estado em que ela se encontra. Capacidade Nominal - é medida em ampéreshora, e representa a corrente que, exigida da bateria durante uma hora, seria suficiente para descarregá-la; Corrente de carga - a corrente de carga é limitada pelo aquecimento da bateria. Sem a monitoração da temperatura, os valores devem variar entre 7 e 10% da capacidade nominal da bateria [1]. 2.2 Modelagem Simplificada da Bateria De forma simplificada, a bateria pode ser modelada pelas seguintes equações [1]: Na carga Na descarga onde: V V bat bat E I r o o in E I r in (1) (2)

2 V bat tensão entre os terminais da bateria; E o tensão interna da bateria; I corrente de carga ou descarga; r in resistência interna da bateria. 2.3 Método de carga A seguir é descrito o método de carga adotado para o carregador de baterias proposto. Outros métodos diferentes são descritos em [1]. Foi adotado o método a um nível de corrente e um nível de tensão. Este método funciona da seguinte forma: em um primeiro momento é mantida na bateria uma corrente de carga constante, da ordem de 7 a 10% da capacidade da bateria, até que se atinja o nível de tensão de equalização, o que determina que ela está carregada. A tensão na bateria é então mantida constante, no nível da tensão de flutuação, até que o carregador seja desligado. Este método de carga foi o escolhido devido ao fato dele não necessitar do monitoramento de outras variáveis, como a temperatura. Isto se deve ao fato de se impor uma pequena corrente para a carga, que evita o sobreaquecimento da bateria. Desta forma, a implementação da estratégia de controle se torna mais simples. CC (capacitor C B), responsável pela alimentação do estágio de saída do carregador de baterias proposto. Este estágio garante a entrada universal automática (sem utilização de nenhuma chave de seleção) e a correção do fator de potência da entrada. Figura 2 - Estágio de entrada do carregador de baterias Será considerado inicialmente o conversor sem o filtro de alta freqüência e alimentando uma carga resistiva R o O seu funcionamento pode ser descrito em três etapas, as quais constituem um ciclo de operação do conversor. Na primeira etapa, mostrada na figura 3, a chave M boost encontra-se em condução, durante um intervalo de tempo Δt 1. A tensão da entrada é aplicada sobre o indutor L boost, e o diodo D boost se mantém bloqueado (pela tensão existente em C B). O indutor L boost acumula energia, enquanto C B alimenta R o. 3 Solução Proposta para o Carregador O carregador de baterias proposto é composto por dois estágios de potência, e o circuito de controle, como mostrado na figura 1 Figura 3 - Primeira etapa de funcionamento do PFP Na segunda etapa, mostrada na figura 4, a chave M boost é bloqueada. A corrente que circula por L boost faz com que D boost entre em condução. O indutor L boost fornece a energia acumulada na primeira etapa para C B e R o. Esta etapa ocorre durante um intervalo de tempo Δt 2. Figura 1 Diagrama de blocos do carregador proposto Os estágios que compõe o carregador de bateria são formados por: Estágio de Entrada - retificador pré-regulador de fator de potência (PFP), baseado no conversor boost em condução descontínua; Estágio de Saída - conversor forward isolado a dois transistores; Circuito de Controle - desempenhado por um microcontrolador, que faz a interface com o usuário e controla toda a estrutura. 3.1 Estágio de Entrada O estágio de entrada do carregador está mostrado na figura 2. É baseado em um conversor boost, operando em modo de condução descontínua, alimentado a partir de uma ponte retificadora a diodos. A saída deste conversor trata-se de um barramento Figura 4 - Segunda etapa de funcionamento do PFP A terceira etapa, mostrada na figura 5, ocorre quando a corrente de L boost se torna igual a zero. A chave M boost se mantém bloqueada, e o diodo D boost fica polarizado reversamente. O capacitor C B volta a alimentar a carga R o durante um intervalo Δt 3, após isto, um novo ciclo de operação reinicia-se. A operação do conversor é feita em uma freqüência muito maior do que a freqüência da rede de alimentação. Desta forma, em um dado ciclo de operação, a tensão de entrada pode ser considerada constante.

3 Figura 5 - Terceira etapa de funcionamento do PFP As correntes em L boost, D boost e M boost, e a tensão sobre M boost, durante um ciclo de operação, estão representadas respectivamente na figura 6. Figura 8 - Estágio de saída do carregador de baterias Na primeira etapa, mostrada na figura 9, as chaves M 1 e M 2 se encontram em condução. A tensão do barramento CC (C B) é aplicada sobre o primário de T 1. A tensão induzida no secundário faz com que o diodo D 3 entre em condução, transferindo potência da entrada para a saída. Figura 9 - Primeira etapa de funcionamento do forward Figura 6 - Principais formas de onda do PFP Utilizando-se uma freqüência constante e modulação por largura de pulso para controlar a chave M boost, o valor do pico da corrente no indutor de entrada é diretamente proporcional à tensão de alimentação. A figura 7 mostra as formas de onda típicas, indicando a tensão de entrada (senoidal) e a corrente no indutor boost (que é a corrente que circula pela rede de alimentação). Com a utilização do filtro de alta freqüência, composto por C f e L f (mostrado na figura 2), pode-se eliminar as variações bruscas da corrente tornando-a praticamente senoidal [2]. Na segunda etapa, mostrada na figura 10, as chaves M1 e M2 estão bloqueadas. A energia de magnetização existente em T 1 força a condução dos diodos D 1 e D 2. Esta energia é devolvida para o capacitor C B. O diodo D 3 fica polarizado reversamente, de forma que a corrente do indutor L o se mantém em roda livre através do diodo D 4 Figura 10 - Segunda etapa de funcionamento do forward A terceira etapa, mostrada na figura 11, ocorre após a total desmagnetização do transformador T 1. As chaves M 1 e M 2 e os diodos D 1 e D 2 se encontram bloqueados. Apenas persiste a circulação da corrente do indutor L o, através do diodo D 4 Figura 7 - Corrente de entrada do PFP sem filtro 3.2 Estágio de Saída O estágio de saída do carregador de baterias é mostrado na figura 8. Trata-se de um conversor forward isolado a dois transistores [1], alimentado pelo estágio de entrada através do barramento CC (Capacitor CB). O conversor forward isolado a dois transistores utiliza um transformador de alta freqüência (T1) para isolar sua entrada da saída. A operação do conversor é descrita por três etapas. Figura 11 - Terceira etapa de funcionamento do forward As correntes no primário de T 1, em M 1, M 2, D 1, D 2 e L o estão apresentadas respectivamente na figura Circuito de Controle Todas as tarefas de controle ficarão a cargo de um microcontrolador dedicado. Ele fará também a interface com o usuário do carregador de baterias. O

4 usuário selecionará a tensão nominal da bateria a ser carregada e a corrente a ser utilizada na carga. - memória de programa: 16K x 16 bits; - memória de dados: 1536 bytes; - portas de entrada e saída: 33; - periféricos: conversor analógico/digital de 10 bits, quatro temporizadores, dois módulos PWM e hardware multiplicador de 8 x 8 bits. 4.2 Controle da Tensão no Barramento CC Para controlar a tensão no barramento CC, o microcontrolador utiliza a estrutura de controle apresentada pelo diagrama de blocos da figura 13. A referência da tensão (V Bref) é comparada com o valor amostrado da tensão do barramento (V B), e gera o sinal de erro e B(k). O controlador digital PI utiliza o sinal de erro e B(k) para implementar a equação (3) e gerar o sinal de atuação u 1(k). O sinal u 1(k) é utilizado para a geração do sinal de comando da chave do conversor boost. Figura 12 - Principais formas de onda do conversor forward Para realizar as tarefas de controle, o microcontrolador necessitará de obter as seguintes grandezas elétricas: tensão no barramento CC; tensão na bateria; corrente na bateria. Os valores das grandezas elétricas e as informações obtidas do usuário serão tratados por um software específico, implementado no microcontrolador, o qual irá gerar as seguintes saídas: - sinal PWM para o comando da chave do estágio de entrada, para controlar o nível de tensão do barramento CC; - sinal PWM para o comando das chaves do estágio de saída, para controlar a corrente e a tensão na bateria. 4 Estrutura de Controle A estratégia de controle do carregador de baterias é baseada em três malhas. A primeira malha, de atuação independente, controla a tensão do barramento CC do estágio de entrada. As outras duas malhas operam em cascata e atuam no estágio de saída. A mais interna, controla a corrente da bateria e a mais externa controla a tensão da bateria. Todas as três malhas de controle utilizam um controlador PI digital, cuja equação, discretizada a partir da equação de um controlador PI contínuo [3], é a seguinte: u( k) u( k 1) ( K K T) e( k) K e( k 1) (3) p i onde: K p ganho proporcional do controlador K i ganho integral do controlador T período de amostragem e(k) erro do sistema de controle no instante kt u(k) resposta do controlador no instante kt 4.1 Principais Características do Microcontrolador A seguir são descritas as principais características do microcontrolador PIC18F452 [5], as quais estão relacionadas com a estrutura de controle implementada. p Figura 13 - Estrutura de controle da tensão no barramento CC 4.3 Controle da Corrente e da Tensão na Bateria Para efetuar o controle do processo de carga da bateria, é necessário obter do usuário a tensão nominal da bateria (Vref) e a corrente de carga (Iref) a ser utilizada. A interface com o usuário é realizada através de quatro botões (CONFIRMA, CANCELA, INCREMENTA e DECREMENTA) e por um mostrador de cristal líquido. A estrutura de controle implementada é apresentada pelo diagrama de blocos mostrado na figura 14. Figura 14 - Estrutura de controle do processo de carga da bateria 4.4 Determinação da referência de tensão A tensão de referência V ref é utilizada para gerar duas referências de tensão: a tensão de equalização (V ref eq) e a da tensão de flutuação (V ref fl). A tensão V ref eq é empregada como referência para o controlador digital PI de tensão, até o momento em que a tensão da bateria se iguala a este valor de tensão. A partir deste momento, a tensão de referência é alterada para V ref. fl. 4.5 Malha de Tensão A malha mais externa da estrutura de controle é a de tensão. Esta malha deve ser atualizada de forma mais lenta do que a malha interna de corrente. Neste caso, ela só é atualizada a cada oito atualizações da

5 malha de corrente. Desta forma, garante-se o desacoplamento entre estas duas malhas. A referência da tensão imposta pelo seletor de referência (V ref eq ou V ref fl) é comparada com o valor amostrado da tensão da bateria (V o(k)), e gera o sinal de erro e v(k). O controlador digital PI desta malha utiliza este sinal de erro para implementar a equação (3) e gerar o sinal u v(k). O sinal u v(k), gerado pelo controlador PI da malha de tensão fica limitado ao valor do limitador de corrente I ref. O sinal resultante u v2(k) é utilizado como valor de referência de corrente para malha interna de corrente. 4.6 Malha de Corrente Para garantir que a corrente da bateria seja mantida regulada no valor de referência I ref foi empregada uma malha interna rápida de corrente. A referência de corrente u v2(k) é obtida como resultado da atualização da malha de tensão. Este valor é comparado com a corrente amostrada I o(k), e o sinal de erro e i(k) é utilizado para implementar a equação (3) do controlador digital PI da malha de corrente. O sinal resultante u 2(k) é utilizado para a geração do sinal de comando das chaves do conversor forward. 4.7 Fluxograma do controle O fluxograma do programa desenvolvido é mostrado na figura Resultados Experimentais Foi implementado um protótipo de acordo com as especificações apresentadas na Tabela 1. Tabela 1 Especificações de Projeto Tensão eficaz de entrada 127 / 220 +/-10% Corrente máxima de saída 10 A Ondulação max. da corrente na bateria 5% Tensões nominais possíveis da bateria 6 V e 12 V Tensão máxima na bateria 14,4 V Potência máxima de saída 144 W Freq. de chaveamento dos conversores 50kHz Tensão do barramento CC 360 V Os valores dos parâmetros e os componentes utilizados foram os seguintes: L boost 70 H; L f 1mH; C f 1 F/400 V poliéster; M boost, M 1 e M 2 IRF740, da International Rectifier; D boost HFA15TB60, da International Rectifier; C B 330 F/400 V eletrolítico; T 1 número de espiras: 80:10; L o 345,6 H; C o 470 F/63V eletrolítico e 100nF/250V poliéster; D 1 e D 2 BYV26C, da Philips; D 3 e D 4 MUR1520, da Motorola. As equações e o procedimento de projeto podem ser encontrados em [2, 3, 4]. Os resultados experimentais foram obtidos com o protótipo alimentado pela rede de 127 V, e com uma corrente de saída de 10 A. Foi utilizada como carga uma bateria com capacidade de 40 Ah operando em paralelo com uma resistência ajustável de valor máximo igual a Estágio de entrada A figura 16 mostra a tensão e a corrente na entrada do carregador, da qual pode se comprovar o elevado fator de potência do carregador. Na figura 17 estão apresentadas a tensão retificada e a corrente no indutor L boost no período da rede de alimentação. A figura 18 mostra a tensão sobre a chave M boost e a corrente em L boost no período de chaveamento. Pode-se verificar que a condução ocorre em modo descontínuo. Figura 15 Fluxograma do controle. Figura 16 - Tensão e corrente de entrada do carregador. Escalas: tensão: 100 V/div, corrente: 2 A/div, tempo: 4 ms/div

6 foram obtidas a tensão e a corrente de entrada, que são mostradas na figura 21, Os índices de desempenho encontrados foram: Potência ativa absorvida da rede, P in = 156 W Fator de potência, fp = 0,909 Taxa de distorção harmônica da corrente de entrada, TDH = 43% Potência de saída, P o = 127 W Rendimento total, = 81,41% Figura 17 - Tensão retificada de entrada e corrente sobre no indutor L boost. Escalas: tensão: 100 V/div, corrente: 5 A/div, tempo: 1 ms/div Figura 21 - Tensão e corrente de entrada do carregador alimentado em 220V. Escalas: tensão: 100 V/div, corrente: 1 A/div, tempo: 4 ms/div Figura 18 - Tensão sobre M boost e corrente no indutor L boost Escalas: tensão: 250 V/div, corrente: 5 A/div, tempo: 2 us/div 5.2 Estágio de Saída A tensão sobre a chave M 1 e a tensão sobre o diodo D 2 são mostradas na figura Conclusão Este artigo apresentou o desenvolvimento de um carregador de baterias automotivas microcontrolado. O carregador foi projetado para alimentação universal (127 V ou 220 V) e proporcionar elevado fator de potência. Ele pode carregar baterias de 6 V ou 12 V com capacidade entre 5 Ah e 100 Ah. Os resultados experimentais obtidos comprovaram o funcionamento do carregador de baterias proposto. Além disso, foi demonstrado que ele apresenta alto fator de potência, bem como apresenta grande flexibilidade por permitir a seleção da tensão da bateria e selecionar a sua capacidade de corrente. Referências Bibliográficas Figura 19 - Tensões sobre M 1 e D 2 Escalas: tensão: 100 V/div, tempo: 4 us/div 5.3 Índices de Desempenho O carregador de baterias apresentou os seguintes valores, obtidos através do analisador universal de potência PM 3000A, quando operando com tensão de entrada de 127 V e fornecendo um corrente de saída de 9,72 A com tensão de saída fixada em 14,2 V: Potência ativa absorvida da rede, P in = 166 W Fator de potência, fp = 0,989 Taxa de distorção harmônica da corrente de entrada, TDH = 14,15% Potência de saída, P o = 138 W Rendimento total, = 83,14% Operando com tensão de entrada de 220 V, corrente de saída de 9,79 A e tensão de saída de 13 V, [1]FERREIRA, Raul P.; Carregador de Baterias Híbrido, Projeto de Graduação, Engenharia Elétrica da UFES, [2] POMILIO, José A.; Pré-Reguladores de Fator de Potência [on line] Disponível: s/pfp/pfpcap3.pdf [capturado em 25 jul. 2003]. [3] CÓ, Márcio A.; Sistemas Eletrônicos Microcontrolados para Acionamento de Lâmpadas de Alta Intensidade de Descarga, Tese de Doutorado, UFES, Vitória, [4] SIMONETTI, Domingos S. L.; VIEIRA, José L.; SOUSA G. Modeling of the high-power-factor discontinuous boost rectifiers. IEEE Transaction on Industrual Applications, Vol. 46, No 4, p , August [5] Microchip Data Book, Second Edition, Outubro 1992.