hev_projeto

UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINASFACULDADE DE ENGENHARIA ELTRICA E DE COMPUTAO

DEPARTAMENTO DE SISTEMAS E CONTROLE DE ENERGIA Laboratrio de Condicionamento de Energia Eltrica

SISTEMA SUPERVISRIO DE GESTO DE MLTIPLAS FONTES DE SUPRIMENTO PARA

APLICAES EM VECULOS ELTRICOS

ANDR AUGUSTO FERREIRA Mestre em Engenharia Eltrica

PROF. DR. JOS ANTENOR POMILIO

Orientador

Tese submetida Faculdade de Engenharia Eltrica e de Computao da Universidade Estadual de Campinas - UNICAMP

como parte dos requisitos para a obteno do ttulo de Doutor em Engenharia Eltrica.

BANCA EXAMINADORA

Prof. Dr. Jos Antenor Pomilio FEEC / UNICAMP

Prof. Dr. Ennio Peres da Silva IFGW / UNICAMP

Prof. Dr. Hilton Ablio Grndling DELC / UFSM

Prof. Dr. Jos Raimundo de Oliveira FEEC / UNICAMP

Prof. Dr. Gilmar Barreto FEEC / UNICAMP

Dr. Edson Adriano Vendrusculo FEEC / UNICAMP

Campinas, SP Brasil, 26 de fevereiro de 2007.

FICHA CATALOGRFICA ELABORADA PELA BIBLIOTECA DA REA DE ENGENHARIA E ARQUITETURA - BAE - UNICAMP

F413s

Ferreira, Andr Augusto Sistema supervisrio de gesto de mltiplas fontes de suprimento para aplicaes em veculos eltricos / Andr Augusto Ferreira. --Campinas, SP: [s.n.], 2007. Orientador: Jos Antenor Pomilio. Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eltrica e de Computao. 1. Veculos eltricos. 2. Clulas a combustvel. 3. Energia - Armazenamento. 4. Energia - Fontes alternativas. 5. Sistemas difusos. 6. Sistemas de controle digital. 7. Eletrnica de potncia. I. Pomilio, Jos Antenor. II. Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Eltrica e de Computao. III. Ttulo.

Ttulo em Ingls: Energy management supervisory system of multiple power

sources for electric vehicle applications. Palavras-chave em Ingls: Electric vehicles, Fuel cell, Energy storage, Alternative

power sources, Fuzzy systems, Digital control systems, Power electronics.

rea de concentrao: Automao Titulao: Doutor em Engenharia Eltrica Banca examinadora: Ennio Peres da Silva, Hilton Ablio Grndling, Jos Raimundo

de Oliveira, Gilmar Barreto, Edson Adriano Vendrusculo Data da defesa: 26/02/2007 Programa de Ps-Graduao: Engenharia Eltrica

Este exemplar corresponde redao final da tese devidamente corrigida, submetida Faculdade de Engenharia Eltrica e de Computao da

Universidade Estadual de Campinas - UNICAMP, defendida por Andr Augusto Ferreira e

aprovada pela banca examinadora em 26 de fevereiro de 2007.

Dedico este trabalho aos meus pais Augusto e Maria Aparecida, minha amada esposa Adriana e aos meus familiares e, em especial, minha irm Edna.

iii

Prefcio

Esta tese o fruto da experincia do trabalho iniciado pelo professor Antenor na

Universidade de Roma Trs, Itlia, durante o perodo de Licena Especial (Sabtico), no ano de

2003, em que foram pesquisados o comportamento dinmico e o controle convencional do

conversor eletrnico com mltiplas entradas que combina trs fontes de suprimento: clula a

combustvel, bateria e supercapacitor.

O enfoque principal desta tese foi desenvolver e implementar a estratgia de gesto de

energia deste sistema com mltiplas fontes de suprimento. Cabe destacar a imprescindvel

colaborao do professor Giorgio Spiazzi, da Universidade de Padova, Itlia, em especial na

elaborao da estratgia de controle supervisrio nebuloso do sistema.

A implementao experimental somente foi possvel graas taxa de bancada do CNPq,

ao financiamento da FAPESP para a aquisio dos mdulos supercapacitores e do osciloscpio

Agilent, a doao da plataforma de DSP (ADSP-21992) pela Analog Devices e a infra-estrutura

do Laboratrio de Condicionamento de Energia Eltrica (LCEE) da UNICAMP.

Atualmente, o presente autor prossegue sua pesquisa no LCEE, em um trabalho conjunto

com o Laboratrio de Hidrognio (UNICAMP) e bolsa de ps-doutorado da FAPESP, para a

incluso dos mdulos supercapacitores, implementao do conversor eletrnico com mltiplas

entradas e avaliao experimental da estratgia de gesto de energia no sistema de suprimento do

veculo eltrico VEGA.

iv Prefcio

v

Resumo

Este trabalho prope uma estratgia de gesto de energia, para aplicaes em veculos

eltricos, baseado em um sistema supervisrio nebuloso que combina trs diferentes fontes de

suprimento, em termos de densidade de energia e de densidade de potncia, a saber: clula a

combustvel, bateria e supercapacitor.

O sistema supervisrio coordena o fluxo de potncia entre os dispositivos de suprimento

de energia e prov elevada qualidade de energia necessria para um bom desempenho do sistema

de propulso do veculo eltrico.

A estratgia proposta de gesto de energia do conversor eletrnico com mltiplas entradas

possibilita o controle individual da transferncia de potncia das fontes de suprimento, em suas

melhores regies da atuao.

Um conveniente arranjo entre as fontes e alocao dos recursos disponveis permite

reduzir o dimensionamento da clula a combustvel. Adicionalmente, a vida til destas fontes e a

imunidade do sistema de suprimento a variaes bruscas de demanda de potncia so

melhoradas.

Um prottipo de 3 kW simulado e avaliado experimentalmente, incluindo um banco de

baterias de chumbo-cido e supercapacitor, para comprovar a eficcia da estratgia de controle

proposta.

vi Resumo

vii

Abstract

This work introduces an Energy Management strategy, for electrical vehicle applications,

based on a fuzzy logic supervisory system that is able to combine three different power supply

sources, i. e., fuel cell, battery and supercapacitor.

The supervisory system coordinates the power flow between the power sources so that the

system is able to provide high power quality, which is needed to achieve the desirable dynamic

performance of the propulsion system.

The proposed energy management strategy of a multiple input power electronic converter

takes advantage of the individual characteristics of each power source and makes than operate at

the best operation region.

Through adequate power sources arrangements and use of the available resources, the fuel

cell size is reduced. In addition, the power sources life time and the system ride-through at

sudden load disturbances are increased.

Simulation and experimental results of a 3 kW prototype, with real supercapacitor and

lead-acid batteries bank, prove that the fuzzy logic is a suitable energy management control

strategy.

viii Abstract

ix

Agradecimentos

Ao professor Jos Antenor Pomilio pela oportunidade, amizade, carter, competncia

profissional, dedicao s atividades de pesquisa e excelente orientao durante todo o

desenvolvimento desta tese de doutorado.

Ao professor Giorgio Spiazzi pelas valiosas contribuies para a elaborao da estratgia

de controle nebuloso, bem como as sugestes para reduzir a interferncia eletromagntica no

prottipo desenvolvido e melhorar o estudo sobre o conversor elevador de tenso bidirecional em

corrente.

Ao professor Ennio Peres da Silva, pelas valiosas sugestes para melhorar a tese, o

suporte financeiro aps o trmino da bolsa CNPq e oportunidade de trabalharmos em conjunto

para o desenvolvimento de um veculo eltrico no meu ps-doutorado.

Aos amigos Fellipe S. Garcia e Alexandre A. Mota, pela contribuio no ensaio das

baterias de chumbo-cido e sugestes para a construo do algoritmo de controle nebuloso. Ao

professor Simone Buso e ao Alessandro Lidozzi pelo auxlio e troca de informaes.

Aos professores Jos Cludio Geromel, Pedro Peres e Gilmar Barreto, pelo auxlio no

estudo da estabilidade dos controladores e do funcionamento das baterias.

Aos meus orientadores de trabalho final de curso e de mestrado, Pedro G. Barbosa e

Sigmar M. Deckmann, pela importante contribuio para minha formao acadmica. Ao Centro

Regional de Inovao e Transferncia de Tecnologia (CRITT) e ao Laboratrio de Fsica da

Universidade Federal de Juiz de Fora, em especial ao Andr Xand e aos professores Maurlio,

Carmelita, Pablo e Scrates, pela proveitosa oportunidade de trabalho na iniciao cientfica.

Aos amigos, Srgio, Fernando, Gustavo, Moiss, Clodoaldo, Ricardo, Kenji, Alexandre,

Marelo, Luciana, Geomar, Massakit, Rodolfo, Helmo, Giuliano, Karina, Rafael, Roberto e Edson

Vendrusculo, pela agradvel convivncia durante o mestrado e doutorado, em especial aos

amigos Leonardo Silva que me auxiliaram de forma significativa na implementao do prottipo.

x Agradecimentos

A todos que de alguma forma contriburam com sua experincia terica ou profissional

em veculos eltricos ou em dispositivos de converso de energia qumica em eletricidade.

A UNICAMP, a Faculdade de Engenharia Eltrica e de Computao, ao Departamento de

Sistema e Controle de Energia e aos seus funcionrios pela infra-estrutura e apoio necessrios

para a realizao deste trabalho.

Ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Cientfico e Tecnolgico (CNPq) e a

Fundao de Amparo a Pesquisa do Estado de So Paulo (FAPESP) pelo auxlio financeiro para

custear a bolsa de doutorado e aquisio de componentes e equipamentos. A Analog Devices pela

doao da plataforma do DSP utilizado.

A Deus, aos familiares, aos irmos, a minha esposa e aos meus pais o reconhecimento

pelo amor, carinho, dedicao e incentivo em todos os momentos e pelo grande orgulho e amor

que possuo de cada um deles.

xi

Sumrio

Prefcio.......................................................................................................................................... iii

Resumo ........................................................................................................................................... v

Abstract ........................................................................................................................................ vii

Agradecimentos ............................................................................................................................ ix

1 Introduo ................................................................................................................................... 1

1.1 Gesto coordenada de mltiplas fontes de potncia.............................................................. 1

1.2 Aplicaes ............................................................................................................................. 4

A. Veculos Eltricos............................................................................................................... 4

B. Veculos Eltricos Hbridos ................................................................................................ 6

C. Gerao Distribuda ............................................................................................................ 7

1.3 Estrutura da tese..................................................................................................................... 8

2 Dispositivos de converso e armazenamento de energia eltrica........................................... 9

2.1 Clulas a Combustvel ........................................................................................................... 9

A. Aspectos histricos ............................................................................................................. 9

B. Princpio de funcionamento ............................................................................................ 10

C. Aspectos fundamentais ..................................................................................................... 12

2.2 Supercapacitores.................................................................................................................. 15

A. Aspectos histricos ........................................................................................................... 15

xii Sumrio

B. Capacitor eletroqumico de dupla camada........................................................................ 15

C. Princpio de funcionamento .............................................................................................. 17

2.3 Baterias ................................................................................................................................ 19

A. Aspectos histricos ........................................................................................................... 19

B. Princpio de funcionamento .............................................................................................. 19

C. Aspectos Fundamentais .................................................................................................... 20

2.4 Combinao das fontes de suprimento ................................................................................ 22

2.5 Dimensionamento dos dispositivos de suprimento ............................................................. 24

A. Demanda de potncia........................................................................................................ 24

B. Ciclo de conduo............................................................................................................. 25

C. Dimensionamento da clula a combustvel....................................................................... 26

D. Dimensionamento da bateria ............................................................................................ 27

E. Dimensionamento do supercapacitor ................................................................................ 31

F. Discusso........................................................................................................................... 33

2.6 Concluses........................................................................................................................... 33

3 Inteterconexo entre as fontes de potncia............................................................................. 35

3.1 Introduo............................................................................................................................ 35

3.2 Arranjo dos dispositivos de suprimento .............................................................................. 36

A. Arranjo srie ..................................................................................................................... 37

B. Arranjo cascata.................................................................................................................. 38

C. Arranjo paralelo ................................................................................................................ 40

D. Outros arranjos ................................................................................................................. 40

3.3 Estruturas bsicas de converso CC-CC ............................................................................. 42

A. No isolada e unidirecional em corrente .......................................................................... 42

Sumrio xiii

B. No isolada e bidirecional em corrente............................................................................. 43

C. Isolada e bidirecional em corrente .................................................................................... 45

D. Interleaved..................................................................................................................... 46

3.4 Conversor eletrnico com mltiplas entradas ..................................................................... 47

A. Introduo......................................................................................................................... 47

B. Princpio de funcionamento .............................................................................................. 48

3.5 Concluses........................................................................................................................... 49

4 Anlise e controle dos subconversores do MIPEC ................................................................ 51

4.1 Introduo............................................................................................................................ 51

4.2 Conversor elevador de tenso bidirecional em corrente...................................................... 52

A. Definio das variveis de estado..................................................................................... 52

B. Linearizao do estgio de potncia ................................................................................. 53

C. Equaes do comportamento esttico............................................................................... 56

D. Projeto dos elementos do conversor ................................................................................. 60

E. Equaes do comportamento dinmico para pequenos sinais .......................................... 62

4.3 Projeto do MIPEC ............................................................................................................... 69

A. Dimensionamento do indutor ........................................................................................... 70

B. Dimensionamento do capacitor de sada .......................................................................... 72

C. Dimensionamento do capacitor de entrada ....................................................................... 72

D. Especificao do mdulo de potncia............................................................................... 73

4.4 Anlise esttica dos subconversores.................................................................................... 73

4.5 Anlise do comportamento dinmico .................................................................................. 75

A. Resposta em freqncia .................................................................................................... 76

B. Resposta transitria........................................................................................................... 78

xiv Sumrio

C. Estudo da sensibilidade dos conversores a alguns parmetros ......................................... 80

4.6 Projeto dos controladores .................................................................................................... 84

A. Circuitos bsicos para implementao do controlador ..................................................... 85

B. Sntese do controlador ...................................................................................................... 89

C. Controle da corrente no indutor ........................................................................................ 92

D. Controle da tenso de sada .............................................................................................. 94

E. Implementao digital do controlador com saturao dinmica..................................... 101

4.7 Concluses......................................................................................................................... 107

5 Sistema supervisrio nebuloso de controle........................................................................... 109

5.1 Introduo.......................................................................................................................... 109

5.2 Controle nebuloso.............................................................................................................. 110

5.3 Sntese do supervisrio nebuloso ...................................................................................... 111

A. Estratgia de gesto da energia....................................................................................... 111

B. Referncia de corrente da bateria.................................................................................... 113

C. Variveis de entrada e de sada do controlador nebuloso............................................... 114

D. Definio das funes de pertinncia nebulosa .............................................................. 114

E. Definio da base de decises para o controle nebuloso ................................................ 118

F. Definio do mtodo de inferncia nebulosa .................................................................. 122

5.4 Resultados simulados ........................................................................................................ 123

A. Descrio do circuito simulado ...................................................................................... 123

B. Simulao com carga resistiva........................................................................................ 125

C. Simulao para uma pequena demanda de potncia de um motor eltrico .................... 129

D. Simulao para uma grande demanda de potncia de um motor eltrico....................... 131

5.5 Resultados experimentais .................................................................................................. 133

Sumrio xv

A. Descrio da bancada ..................................................................................................... 133

B. Procedimento experimental ............................................................................................ 135

C. Ensaio com carga resistiva.............................................................................................. 138

D. Ensaio com o acionamento do motor eltrico................................................................. 141

5.6 Ciclo de conduo urbano europeu (ECE 15) ................................................................... 144

5.7 Concluses......................................................................................................................... 147

6 Concluses e perspectivas ...................................................................................................... 149

6.1 Concluso geral ................................................................................................................. 149

6.2 Perspectivas de trabalhos futuros ...................................................................................... 152

Bibliografia................................................................................................................................. 153

Apndice A Divulgao da pesquisa ..................................................................................... 163

Apndice B Circuitos esquemticos ...................................................................................... 165

Apndice C Cdigo fonte do algoritmo de controle............................................................. 167

xvi Sumrio

xvii

Lista de figuras

Figura 1.1: Esboo esquemtico do sistema de propulso do VE. .................................................. 2

Figura 2.1: Esboo simplificado do funcionamento de uma CaC tipo PEM................................. 11

Figura 2.2: Curvas caractersticas de operao da clula a combustvel....................................... 13

Figura 2.3: Limite de ondulao de corrente da CaC. ................................................................... 14

Figura 2.4: Estrutura bsica em camadas de um supercapacitor (desenho a esquerda) e foto

comparativa (a direita) entre o SC da Epcos de 10 F e 2,3 V e uma BT alcalina de 9 V.............. 16

Figura 2.5: Estrutura interna e distribuio de cargas no SC. ....................................................... 17

Figura 2.6: Foto ilustrativa do mdulo supercapacitor EPCOS de 150 F e 42 V.......................... 18

Figura 2.7: Estrutura simplificada interna de uma bateria............................................................. 20

Figura 2.8: Diagrama de Ragone, densidade de energia versus densidade de potncia................ 23

Figura 2.9: Ciclo de conduo urbano europeu ECE15. ............................................................ 26

Figura 2.10: Ensaio da BT com uma carga resistiva e tenso em circuito aberto de 145,8 V:

variao da tenso terminal (grfico superior) e variao da corrente (grfico inferior). ............. 29

Figura 2.11: Ensaio do SC com uma carga resistiva e tenso em circuito aberto de 109 V:

variao da tenso terminal (grfico superior) e variao da corrente (grfico inferior). ............. 32

Figura 3.1: Arranjo srie da conexo ativa do SC......................................................................... 38

Figura 3.2: Arranjo cascata da conexo ativa da fonte primria. .................................................. 38

Figura 3.3: Arranjo cascata da conexo ativa do supercapacitor. ................................................. 39

xviii Lista de figuras

Figura 3.4: Arranjo cascata da conexo ativa do SC e da BT, localizado no ponto intermedirio.

....................................................................................................................................................... 39

Figura 3.5: Arranjo cascata da conexo ativa da BT e do SC, localizado no ponto intermedirio.

....................................................................................................................................................... 39

Figura 3.6: Arranjo paralelo da conexo entre as fontes de energia e de potncia. ...................... 40

Figura 3.7: Arranjo srie da conexo ativa da BT e SC. ............................................................... 40

Figura 3.8: Topologia isolada da conexo ativa das fontes e carga. ............................................. 41

Figura 3.9: Conversores elevador de tenso (esquerda) e abaixador-elevador de tenso (direita).42

Figura 3.10: Conversores uk (superior), SEPIC (meio) e Zeta (inferior). .................................. 43

Figura 3.11: Estruturas bsicas no isoladas de converso CC-CC bidirecional em corrente. ..... 44

Figura 3.12: Estruturas bsicas isoladas de converso CC-CC bidirecional em corrente............. 45

Figura 3.13: Estrutura trifsica de converso interleaved do conversor elevador de tenso

bidirecional em corrente. ............................................................................................................... 46

Figura 3.14: Conversor eletrnico com mltiplas entradas........................................................... 48

Figura 4.1: Modelo ideal do conversor elevador de tenso bidirecional em corrente................... 52

Figura 4.2: Modelo com perdas do conversor elevador de tenso bidirecional em corrente. ....... 52

Figura 4.3: Formas de onda do conversor elevador de tenso bidirecional em corrente: tenso no

indutor (vL), corrente no indutor (iL), tenso de sada (vo) e corrente chave S2 (iS2)...................... 56

Figura 4.4: Circuito equivalente do conversor durante a conduo da chave S1........................... 62

Figura 4.5: Circuito equivalente do conversor durante a no conduo da chave S1.................... 63

Figura 4.6: Circuitos equivalentes do circuito durante a conduo da chave S1 (esquerda) e a no

conduo da chave S1 (direita). ..................................................................................................... 65

Lista de figuras xix

Figura 4.7: Circuitos equivalentes do conversor durante a conduo da chave S1 (esquerda) e a

no conduo da chave S1 (direita)................................................................................................ 67

Figura 4.8: Resultado do ensaio experimental do indutor acoplado CaC................................... 70

Figura 4.9: Ganho esttico e rendimento do subconversor do SC. ............................................... 74

Figura 4.10: Ganho esttico e rendimento dos subconversores para uma corrente de sada de 5 A.

....................................................................................................................................................... 75

Figura 4.11: Circuito do conversor para simulao no domnio da freqncia no PSPICE.......... 76

Figura 4.12: Resposta em freqncia da tenso de sada dos subconversores da CaC, BT e SC

para variao na razo cclica........................................................................................................ 76

Figura 4.13: Resposta em freqncia da corrente no indutor dos subconversores da CaC, BT e SC

para variao na razo cclica........................................................................................................ 77

Figura 4.14: Lugar das razes para a tenso de sada (esquerda) e corrente no indutor (direita). . 78

Figura 4.15: Diagrama de simulao do conversor elevador de tenso bidirecional em corrente. 79

Figura 4.16: Resposta transitria do conversor a uma pequena perturbao na razo cclica. ..... 80

Figura 4.17: Efeito das perdas hmicas sobre a resposta em freqncia da corrente no indutor. . 81

Figura 4.18: Efeito do capacitncia de entrada na resposta em freqncia da corrente no indutor.

....................................................................................................................................................... 82

Figura 4.19: Efeito da variao da corrente de sada na resposta da corrente no indutor. ............ 83

Figura 4.20: Efeito da variao da tenso de entrada na resposta em corrente do indutor para uma

corrente de sada nula. ................................................................................................................... 84

Figura 4.21: Esquema simplificado do controle da corrente no indutor. ...................................... 84

Figura 4.22: Esquema simplificado do controle em cascata da tenso de sada. .......................... 85

xx Lista de figuras

Figura 4.23: Circuito e resposta em freqncia do controlador PI................................................ 86

Figura 4.24: Circuito e resposta em freqncia do controlador PI com filtro passa-baixas.......... 87

Figura 4.25: Circuito e resposta em freqncia do controlador com avano de fase. ................... 88

Figura 4.26: Avano de fase () para os controladores do tipo atraso de fase e avano de fase. . 91

Figura 4.27: Controle em malha fechada da corrente no indutor. ................................................. 92

Figura 4.28: Respostas em freqncia da malha aberta da corrente no indutor da BT para

diferentes margens de fase............................................................................................................. 93

Figura 4.29: Diagrama de blocos esquemtico do controle da corrente no indutor no SIMULINK.

....................................................................................................................................................... 93

Figura 4.30: Resposta transitria do controle em malha fechada da corrente no indutor da BT para

diferentes valores de margens de fase. .......................................................................................... 94

Figura 4.31: Resposta transitria do controle em malha fechada da corrente no indutor para uma

margem de fase de 75 e diferentes valores de correntes de sada. ............................................... 94

Figura 4.32: Controle da tenso de sada com mltiplas malhas. ................................................. 95

Figura 4.33: Diagrama de blocos equivalente da malha de controle da tenso de sada............... 96

Figura 4.34: Respostas em freqncia da malha interna da corrente no indutor do SC................ 96

Figura 4.35: Efeito da variao da corrente de sada na reposta em freqncia, em malha aberta,

da tenso de sada, incluindo a malha interna de controle............................................................. 97

Figura 4.36: Resposta em freqncia da malha aberta da tenso de sada para uma corrente de

sada nula, freqncia de corte de 50 Hz e diferentes margens de fase......................................... 98

Figura 4.37: Resposta em freqncia da malha aberta da tenso de sada para uma freqncia de

corte de 50 Hz, margem de fase 75 e diferentes correntes de sada. ............................................ 99

Lista de figuras xxi

Figura 4.38: Diagrama de blocos esquemtico do controle da tenso de sada no SIMULINK. 100

Figura 4.39: Resposta transitria do sistema em resposta a um degrau de corrente de sada de 5 A

para diferentes margens do controlador da tenso de sada......................................................... 100

Figura 4.40: Diagrama de blocos esquemtico do controlador digital com saturao dinmica. 101

Figura 4.41: Amostragem da corrente no indutor no meio do perodo de comutao: tenso de

sada (superior), corrente no indutor (meio) e sinal de disparo da interrupo (inferior). .......... 104

Figura 4.42: Resultado experimental do controle digital da tenso de sada e corrente no SC... 105

Figura 4.43: Resposta experimental, em detalhe, da tenso de sada e corrente no indutor. ...... 105

Figura 4.44: Partida suave da tenso de sada com uma carga resistiva conectada ao terminais do

barramento de sada do conversor. .............................................................................................. 107

Figura 5.1: Diagrama de blocos simplificado do sistema de gesto de energia. ......................... 112

Figura 5.2: Circuito equivalente do comportamento dos subconversores do MIPEC................. 113

Figura 5.3: Funes de pertinncia nebulosa das variveis de controle nebuloso. ..................... 115

Figura 5.4: Diagrama esquemtico simplificado do processo de inferncia nebulosa................ 122

Figura 5.5: Circuito esquemtico do MIPEC no PSIM............................................................... 124

Figura 5.6: Grficos da tenso de sada, corrente nas fontes e corrente de sada em resposta a

conexo de uma carga resistiva de 100 (ou 1 kW). ................................................................. 126

Figura 5.7: Grficos das variveis de entrada do controlador nebuloso para uma carga de 100 ...................................................................................................................................................... 126

Figura 5.8: Grficos das variveis de sada do controlador nebuloso para uma carga de 100 .126

Figura 5.9: Grficos da tenso de sada, corrente nas fontes e corrente de sada em resposta a

conexo de uma carga resistiva de 33 (ou 3,1 kW). ................................................................ 128

xxii Lista de figuras

Figura 5.10: Grficos das variveis de entrada do controlador nebuloso para uma carga de 33 ...................................................................................................................................................... 128

Figura 5.11: Grficos das variveis de sada do controlador nebuloso para uma carga de 33 .128

Figura 5.12: Grficos da tenso de sada, corrente nas fontes e corrente de sada em resposta ao

acionamento de um motor eltrico com pequena demanda de potncia. .................................... 130

Figura 5.13: Grficos das variveis de entrada do controlador nebuloso.................................... 130

Figura 5.14: Grficos das variveis de sada do controlador nebuloso. ...................................... 130

Figura 5.15: Grficos da tenso de sada, corrente nas fontes e corrente de sada em resposta ao

acionamento de um motor eltrico com grande demanda de potncia........................................ 132

Figura 5.16: Grficos das variveis de entrada do controlador nebuloso.................................... 132

Figura 5.17: Grficos das variveis de sada do controlador nebuloso. ...................................... 132

Figura 5.18: Fotos da bancada experimental. .............................................................................. 135

Figura 5.19: Resultado do ensaio da referncia de corrente da BT sem utilizar a atuao do termo

de correo da referncia de corrente. ......................................................................................... 136

Figura 5.20: Resultado do ensaio da referncia de corrente da BT, incluindo a atuao do termo

de correo da referncia de corrente. ......................................................................................... 137

Figura 5.21: Formas de onda do pulso de disparo da interrupo da rotina de controle e dos

intervalos de tempo total de execuo da rotina de controle, do controlador nebuloso e do

controlador PI com filtro passa-baixas, respectivamente. ........................................................... 138

Figura 5.22: Grficos da tenso de sada e correntes nas fontes em resposta variao brusca de

corrente imposta por uma carga resistiva de 100 (ou seja, 1 kW)........................................... 139

Figura 5.23: Variao da corrente de sada para uma carga resistiva de 100 .......................... 139

Lista de figuras xxiii

Figura 5.24: Grficos da tenso de sada e correntes nas fontes em resposta variao brusca de

corrente imposta por uma carga resistiva de 33 (ou seja, 3,1 kW).......................................... 140

Figura 5.25: Variao da corrente de sada para uma carga resistiva de 33 ............................ 140

Figura 5.26: Formas de onda da tenso de sada e correntes nas fontes para o acionamento do

motor com uma demanda de carga mecnica pequena................................................................ 142

Figura 5.27: Variao da corrente de sada para uma demanda de carga mecnica pequena. .... 142

Figura 5.28: Formas de onda da tenso de sada e correntes nas fontes para o acionamento do

motor com uma demanda de carga mecnica grande. ................................................................. 143

Figura 5.29: Variao da corrente de sada para uma demanda de carga mecnica grande........ 143

Figura 5.30: Resposta transitria da tenso de sada e das correntes nas fontes do MIPEC

submetidas a demanda de carga estimada para o ciclo de conduo europeu (ECE 15). ........... 145

Figura 5.31: Variveis de entrada normalizadas do controlador nebuloso.................................. 145

Figura 5.32: Variveis de sada normalizadas do controlador nebuloso. .................................... 145

Figura 5.33: Resultado experimental para um percurso simples de conduo............................ 146

Figura 5.34: Variao da demanda da carga para um percurso simples de conduo. ............... 146

xxiv Lista de figuras

xxv

Lista de Tabelas

Tabela 2.1: Exemplo de demanda de potncia em um automvel eltrico [5].............................. 24

Tabela 2.2: Estimativa do estado de carga da BT a partir da tenso em circuito aberto. .............. 30

Tabela 4.1: Parmetros de projeto dos indutores........................................................................... 70

Tabela 4.2: Resultados da anlise experimental dos indutores que compem o MIPEC............. 71

Tabela 4.3: Indutncia e ESR dos indutores que compem o MIPEC. ......................................... 71

Tabela 4.4: Parmetros dos subconversores utilizados nas simulaes. ....................................... 73

Tabela 4.5: Margens de estabilidade da resposta em freqncia da tenso de sada..................... 98

Tabela 4.6: Coeficientes dos controladores digitais da corrente no indutor e tenso de sada.... 103

Tabela 4.7: Ganho dos sensores do MIPEC. ............................................................................... 103

Tabela 5.1: Conjunto de regras para situaes de conduo normal........................................... 119

Tabela 5.2: Conjunto de regras para situaes de conduo em subidas ou acelerao do VE. . 120

Tabela 5.3: Conjunto de regras para situaes de conduo em descidas ou frenagem do VE. . 121

xxvi Lista de Tabelas

xxvii

Lista de Siglas e Definies

BT Bateria

CaC Clulas a Combustvel

GD Gerao Distribuda

MCI Motor de Combusto Interna

MIPEC Conversor Eletrnico com Mltiplas Entradas (do ingls, Multiple-Input Power Electronic Converter)

SC Supercapacitor

SoC Estado de Carga (do ingls, State of Charge)

VE Veculo Eltrico

VEH Veculo Eltrico Hbrido

MIMO Mltiplas Entradas Mltiplas Sadas (do ingls, Multiple Input Multiple Outuput).

PEM Membrana Trocadora de Prtons (do ingls, Proton Exchange Membrane), ou Membrana Eletroltica Polimrica (do ingls, Polimeric Electrolyte Membrane)

ESR Resistncia Srie Equivalente (do ingls, Equivalent Series Resistance)

xxviii Lista de Siglas e Definies

1

Captulo 1

Introduo

1.1 Gesto coordenada de mltiplas fontes de potncia

A integrao e a gesto de mltiplas fontes de suprimento com diferente densidade de

energia e de potncia so caractersticas dos modernos veculos eltricos (VE). Estes aspectos so

cruciais para alcanar elevada eficincia no uso da potncia gerada e melhorar o desempenho

dinmico nas fases de acelerao e frenagem regenerativa do veculo.

A princpio, as clulas a combustvel (CaC) poderiam substituir plenamente as baterias

(BT) para propulsar o VE, em decorrncia da reduo do peso, do menor volume e da grande

quantidade de energia disponvel para elevar a autonomia de percurso do veculo.

No entanto, as CaC apresentam pouca eficincia em situaes de baixa demanda de

potncia, lenta transferncia de energia em situaes transitrias e elevado custo por watt.

evidente que alguma outra fonte de energia pode ser usada para transferir rapidamente

potncia para mecanismo de trao eltrica. Com efeito, a CaC no precisa ser dimensionada para

a potncia de pico, mas somente para a potncia mdia. E ainda, alm de uma CaC mais

compacta e de menor custo, a vida til dos dispositivos de suprimento pode ser aumentada.

2 Captulo 1 - Introduo

As baterias possuem capacidade de energia suficiente para movimentar VE leves em

baixas velocidades como, por exemplo, em trajetos urbanos, ou fornecer potncia adicional

necessria por longos perodos de velocidade alta como, por exemplo, em estradas [1]. Todavia,

variaes bruscas de demanda da carga produzem considervel perda de potncia que podem

comprometer o desempenho e vida til da BT e da CaC.

A CaC e a BT possuem um lento processo eletroqumico para realizar a converso de

energia qumica em eletricidade. A soluo usual emprega o supercapacitor (SC) para melhorar a

resposta transitria do sistema de suprimento durante variaes bruscas de potncia [2] e [3].

Os dispositivos de armazenamento de energia, BT e SC, so usados juntos durante os

perodos transitrios de acelerao e de desacelerao e para aumentar a acmulo de energia nas

fases de frenagem regenerativa.

Um Conversor Eletrnico com Mltiplas Entradas (MIPEC, do ingls Multiple-Input

Power Electronic Converter) realiza a interconexo dos trs dispositivos de suprimento e o

mecanismo de trao do veculo eltrico (VE), como mostrado na Figura 1.1.

Motor eltrico

T

MIP

EC

Sistemasupervisrio

CaC

H2

BT

SC

Inversor

AC

CC

Figura 1.1: Esboo esquemtico do sistema de propulso do VE.

A principal tarefa do sistema supervisrio assegurar a disponibilidade da potncia

requerida para a trao do VE e coordenar a alocao dos recursos disponveis para aumentar o

desempenho e vida til das fontes de suprimento.

Captulo 1 - Introduo 3

Compensadores convencionais com atraso de fase (PI com filtro passa-baixas) regulam

cada uma das entradas do conversor [4]. As referncias de corrente so atualizadas pelo sistema

supervisrio, que coordena o fluxo da potncia gerada pela fonte primria (CaC) e a transferida

pelos dispositivos acumuladores de energia (BT e SC) a fim de propiciar elevado desempenho ao

sistema de propulso do VE.

Diversos arranjos de fontes, topologias de conversores de eletrnica de potncia e

estratgias de controle foram propostas, desenvolvidas, implementadas e testadas no intuito de

aperfeioar o sistema de propulso de veculos eltricos hbridos (VEH) ou VE [5] - [8]. Mtodos

de otimizao so amplamente empregados para atingir a situao de mxima eficincia

energtica e/ou elevado nvel de desempenho dinmico do sistema. Neste caso, o principal

desafio definir as variveis a serem otimizadas, enquanto satisfazem as restries impostas

pelas caractersticas de operao dinmica dos dispositivos de suprimento e demanda de energia.

Este trabalho prope a implementao de um algoritmo de gesto de energia baseado em

um sistema de controle supervisrio nebuloso.

Uma ampla pesquisa bibliogrfica foi realizada para identificar o potencial e as restries

de operao das fontes de suprimento de energia, bem como os principais arranjos e topologia de

conversores para combinar estas fontes.

O dimensionamento, o comportamento esttico e dinmico e o controle do conversor

eletrnico composto por mltiplas fontes de suprimento tambm so largamente investigados

para subsidiar a elaborao da estratgia de coordenao do fluxo de potncia do sistema de

suprimento do VE.

Com efeito, um controlador nebuloso projetado para realizar a gesto da energia do

sistema composto pelas trs fontes de suprimento, isto , para determinar o funcionamento da

clula a combustvel e para controlar o estado de energia dos dispositivos acumuladores.

Na parte final desta tese, so apresentados os resultados simulados e experimentais para

um prottipo de 3 kW composto por mdulos supercapacitores, banco de baterias de chumbo-

cido, conversor eletrnico com mltiplas entradas, inversor comercial e motor eltrico.


1.2 Aplicaes

A estratgia de gesto de energia baseado em lgica nebulosa um algoritmo flexvel,

que possibilita migrar, de modo relativamente simples e rpido, a estratgia de controle do

MIPEC para um razovel conjunto de aplicaes envolvendo diversas fontes de suprimento. Por

exemplo, um grupo motor de combusto interna (MCI) e gerador CC sem escovas poderiam

substituir a CaC. A roda de inrcia (flywheel), por sua vez, poderia substituir o SC.

De outro modo, a adio de novas fontes de suprimento como, por exemplo, um gerador

fotovoltaico ou um gerador elico, em aplicaes estacionrias, no iria requerer um enorme

esforo do projetista necessrio para modelar a nova entrada.

A. Veculos Eltricos

Nos veculos puramente eltricos, a propulso do veculo realizada exclusivamente por

motores eltricos. No entanto, prtica usual classificar os veculos eltricos hbridos (VEH)

como um tipo de VE. Esta tese adota a denominao VE como sinnimo de veculos puramente

eltricos, embora no VEH srie a trao tambm exercida exclusivamente por motores eltricos.

Do ponto de vista histrico, os VE automotivos competiam com os veculos de MCI no

final do sculo XIX. O elevado custo e limitada autonomia de percurso favoreceram a

prevalncia do carro a gasolina em detrimento do carro movido a BT [1].

A crise do petrleo na dcada de 70 gerou uma corrida mundial por fontes alternativas de

energia que pudessem reduzir a dependncia de combustveis fsseis. Na dcada de 80, a melhora

na tecnologia das BT e os avanos em eletrnica de potncia resultaram em modelos comerciais

de carros eltricos a BT.

No incio da dcada de 90 ficou claro para a indstria automobilstica que a baixa

densidade de energia e elevado peso das BT minavam a autonomia e desempenho dinmico do

carro eltrico de passeio, o que resultou em sua descontinuidade de fabricao [1].

Por outro lado, as empilhadeiras eltricas se consolidaram no mercado, uma vez que as


BT so um contrapeso natural. Outra vantagem o menor custo de manuteno do motor eltrico.

A legislao no setor farmacutico e alimentcio sobre emisso de gases poluentes tambm

contribuiu para a adoo das empilhadeiras a BT. Em carros de golfe e de transporte de pessoas

deficientes fsicas, a operao silenciosa e acelerao suave so caractersticas plenamente

suportadas por estes VE a BT.

Atualmente, novas tecnologias de BT com maior densidade de energia como, por

exemplo, ons de ltio e cloreto de sdio metal, geralmente associado com SC, representam novas

perspectivas para suprir o consumo de energia dos modernos veculos eltricos.

Obviamente, os VE no esto limitados aos veculos a BT. O bonde eltrico, trlebus,

metr e trens eltricos so exemplos de VE de transporte terrestre que empregam a rede eltrica

como fonte primria de energia.

O sucesso do uso da CaC no veculo lunar na misso Appolo 11, em 1969, foi um

importante marco histrico e motivador para viabilizar o interesse no emprego desta tecnologia

limpa de gerao de energia eltrica em VE. Do ponto de vista ambiental, o uso do hidrognio

nas CaC um importante vetor energtico para substituir o uso dos combustveis fsseis e

eliminar, ou pelo menos reduzir drasticamente, a emisso de gases poluentes.

Atualmente, os preos associados aquisio e operao da CaC so relativamente

elevados. No entanto, os benefcios ambientais e a tendncia de reduo de custos, a partir da

fabricao em larga escala industrial, justificam os investimentos em pesquisa e desenvolvimento

das CaC.

A maior densidade de energia da CaC em relao a BT contribui para aumentar

autonomia dos VE. Por outro lado, a baixa densidade de potncia do dispositivo limita o

desempenho dinmico do acionamento. O uso combinado de outras fontes de energia, como a BT

e o SC, assegura melhor comportamento do veculo nas fases de acelerao e frenagem, e ainda,

garante maior vida til e menor dimensionamento da CaC.

Neste contexto, imprescindvel aprimorar a gesto do fluxo de energia para aproveitar as

melhores caractersticas de desempenho de cada fonte e assegurar elevada qualidade de energia


necessria para um bom desempenho trao eltrica e demais cargas eltricas do veculo.

B. Veculos Eltricos Hbridos

Os VEH associam o potente MCI com o eficiente motor eltrico para diminuir a emisso

de gases poluentes, reduzir o volume e o peso do motor de combusto e aumentar o desempenho

energtico do sistema de propulso.

At a primeira guerra mundial, a tecnologia hbrida foi usada para que um motor eltrico

auxiliasse o MCI a apresentar desempenho dinmico satisfatrio e aumentar a autonomia de

percurso. A melhora na densidade de potncia do motor a gasolina, associado aos riscos do cido

das baterias, dificuldades no controle do motor eltrico e o custo do emprego de dois motores

foram elementos chaves para a prevalncia do MCI [1].

Somente na dcada de 90, com o fracasso dos carros eltricos a BT, foi retomado o

interesse dos fabricantes de automveis por VEH. No ano de 2005, cerca de 206 mil carros e

caminhonetes hbridos foram vendidos nos Estados Unidos, o que representa 1,2% deste mercado

automobilstico norte americano [9].

Existem basicamente trs arquiteturas para implementar o sistema de propulso dos VEH,

que so: srie, paralela e srie-paralela [10]. Do ponto de vista de compatibilidade com a

topologia de conversores e algoritmo de controle propostas neste trabalho, a configurao srie

possibilita rpida e efetiva migrao da estratgia de coordenao fluxo de energia.

Neste arranjo, o MCI acoplado a um gerador e opera, na maior parte do tempo, em uma

combinao tima de velocidade e de conjugado. Quando as baterias esto plenamente

carregadas, o motor de combusto pode ser desligado. Por outro lado, quando o estado de energia

das BT baixo, o MCI ligado. O SC um elemento essencial para estender a vida til das BT.

Com efeito, h uma diminuio no consumo de combustveis, menor dimensionamento do

MCI, recuperao de parte da energia cintica na frenagem, acelerao suave, operao silenciosa

e menor custo de manuteno, pois no h eixo de transmisso e engrenagens no VEH srie.

Independente da topologia do arranjo hbrido do sistema de propulso, necessrio


assegurar a harmonia do fluxo de potncia entre as fontes e a carga, no intuito de aumentar a

eficincia global do sistema sem comprometer o desempenho do VEH.

C. Gerao Distribuda

A Gerao Distribuda (GD) um dos mais promissores mercados para aplicaes da

CaC. Diversas empresas do setor energtico nacional e internacional tm realizado investimentos

para avaliar o emprego desta tecnologia de gerao limpa. H um forte interesse na viabilidade

do uso da energia eltrica na produo de hidrognio e, at mesmo, em veculos eltricos plug-

in para auxiliar a distribuir a demanda de energia do Sistema Eltrico de Potncia ao longo do

dia.

A gerao distribuda comumente definida como a gerao de energia eltrica, em

unidades de pequeno porte (tipicamente de alguns kW at 50 MW), posicionadas prximas ao

local de demanda. Dentre as aplicaes desta tecnologia destacam-se: reserva de potncia, co-

gerao de eletricidade e calor, gerao de ponta, reforo de carga e gerao isolada [11].

Por exemplo, em consumidores de pequeno e mdio porte, a GD pode reduzir a demanda

de pico, diminuir o consumo de energia da rede eltrica, assegurar qualidade e confiabilidade da

energia ou prover plenamente unidades de pequena demanda isoladas da rede eltrica. Para

consumidores de grande porte e empresas do setor energtico, pode aumentar a confiabilidade do

sistema, evitar grandes investimentos em novas linhas de transmisso e aumentar a capacidade de

gerao para atender rapidamente o crescimento de demanda [11] - [13].

O sistema de gesto de energia de um sistema de suprimento hbrido, composto por CaC,

BT e SC, tambm imprescindvel para coordenar o uso de energia, controlar a conexo e

desconexo com a carga e/ou rede e compensar transitrios de carga.

Deste modo, possvel operar a CaC na sua regio de eficincia tima da curva tenso

corrente, estender a vida til, compactar as dimenses da BT e da CaC, diminuir o consumo de

combustvel (H2) e, conseqentemente, reduzir custos. Cabe ressaltar que o aproveitamento da

energia trmica gerada pela CaC, aumenta a eficincia da CaC da faixa de 40 a 55 % para

aproximadamente 80 % [12].


1.3 Estrutura da tese

O Captulo 2 contm uma breve reviso histrica, o princpio de funcionamento e as

limitaes das trs fontes utilizadas. O dimensionamento dessas fontes de suprimento realizado

com base no ciclo de conduo urbano europeu (ECE 15). Para finalizar o captulo, as

resistncias internas da BT e do SC so obtidas experimentalmente.

No Captulo 3 so investigadas as principais topologias de conversores, e de alguns

possveis arranjo entre estes, propostos para realizar a interconexo entre as fontes e carga.

No Captulo 4 so estudados o modelo e o comportamento esttico e dinmico das

entradas do conversor, analisados isoladamente. Em seguida, o projeto e a anlise da estabilidade

dos compensadores convencionais so apresentados.

O Captulo 5 descreve o processo de sntese do sistema supervisrio de controle nebuloso

proposto para a gesto de energia do conversor com mltiplas entradas. Resultados de simulao

e experimentais validam a estratgia de controle em um prottipo de 3 kW.

O Captulo 6 resume as concluses gerais deste trabalho e algumas sugestes para

trabalhos futuros que possam resultar na continuidade desta pesquisa.

9

Captulo 2

Dispositivos de converso e armazenamento de

energia eltrica

2.1 Clulas a Combustvel

A. Aspectos histricos

Em 1839, o jurista e fsico amador ingls William Robert Grove descobriu o processo

reverso da eletrlise, ou seja, como combinar o hidrognio e o oxignio para produzir gua e

gerar eletricidade.

Acredita-se que Grove tenha fundamentado seu trabalho no artigo publicado, em 1838,

pelo suo Christian Friedrich Schoenbein; com um enfoque mais prtico e empreendedor que seu

futuro amigo e colaborador [14].

Em 1842, Grove apresentou uma realizao prtica do seu experimento usando eletrodos

de platina e, em 1845, consolidou o ensaio com uma publicao especfica sobre este assunto.

Deste modo, Christian F. Schoenbein pode ser considerado o descobridor do fenmeno, enquanto

William R. Grove o inventor da clula a combustvel.

10 Captulo 2 - Dispositivos de converso e armazenamento de energia eltrica

Uma experincia mais antiga com CaC descrita na literatura [15]. Em 1802, Humphrey

Davy criou uma clula usando carbono e cido ntrico durante seus estudos em eletroqumica. No

entanto, os resultados desta experincia no foram devidamente documentados.

No ano de 1932, o engenheiro britnico Francis Thomas Bacon construiu o primeiro

prottipo funcional de CaC, que possua eletrlito alcalino, operava em alta temperatura (200C),

sob presso e utilizava eletrodos de nquel. Em 1959, utilizando eletrodos porosos, Bacon

alcanou uma potncia considervel de 5 kW para alimentar uma mquina de solda [16] e [17].

Tambm no ano de 1959, Harry Karl Ihrig, da empresa fabricante de equipamentos para

fazendas Allis-Chalmers, demonstrou o primeiro veculo terrestre movido a CaC. Esta CaC

consistia de 1008 clulas empilhadas, com capacidade de gerar 15 kW para alimentar um trator.

A CaC desenvolvida por Bacon foi fundamental para o desenvolvimento e uso destes

dispositivos geradores de eletricidade pela NASA, durante a dcada de 60, para fornecer energia

de forma limpa, silenciosa e compacta aos equipamentos embarcados nas misses espaciais

Gemini e Appolo e prover gua limpa e calor aos astronautas.

Durante a dcada de 70, em resposta s crises de petrleo de 1973 e 1979, o governo dos

EUA incentivou a pesquisa e o desenvolvimento de CaC para veculos terrestres como estratgia

para reduzir a sua dependncia em relao ao petrleo importado.

Nos dias atuais, a CaC ainda se encontra em desenvolvimento e no economicamente

competitiva com relao a outras tecnologias de converso de energia existentes. No entanto, as

perspectivas de avanos tecnolgicos e de menores custos de aquisio e manuteno so

promissores para as prximas dcadas.

B. Princpio de funcionamento

A CaC um dispositivo eletroqumico que gera eletricidade, calor e vapor de gua a partir

do processo de oxidao (perda de eltrons) do hidrognio e reduo do oxignio. Em outros

termos, a CaC uma clula galvnica em que a energia qumica de um combustvel (hidrognio)

convertida diretamente em eletricidade por meio de um processo eletroqumico de reao com

Captulo 2 - Dispositivos de converso e armazenamento de energia eltrica 11

um agente oxidante [1].

As CaC so tipicamente classificadas de acordo com o tipo de eletrlito de suporte, que

particularmente define sua temperatura de funcionamento. Os principais tipos de CaC so:

alcalina , cido fosfrico, membrana trocadora de prtons, metanol direto, carbonato fundido e

xido slido [11].

A CaC de membrana trocadora de prtons, ou simplesmente PEM (do ingls, Proton

Exchange Membrane), atualmente a tecnologia mais vivel para aplicaes em VE terrestres.

Elas apresentam elevada densidade de energia, funcionam em baixa temperatura, em torno de

80C, possibilitam partida rpida e praticamente no emitem gases poluentes. No entanto, este

tipo de clula a combustvel requer elevado grau de pureza do combustvel (tipicamente superior

a 99,99 %) e catalisador base de platina.

A Figura 2.1 mostra um desenho esquemtico simplificado da estrutura e do

funcionamento de uma CaC do tipo PEM. O gs hidrognio pressurizado bombeado para os

canais de fluxo e flui para o anodo (eletrodo negativo). O catalisador acelera o processo de

separao das molculas de H2 em dois ons positivos (prtons) e dois eltrons.

OH

H

OH

H

PEM

Cat

alis

ador C

atal

isad

or

Anodo Catodo

H2

2H2O2

O2

H2O

Figura 2.1: Esboo simplificado do funcionamento de uma CaC tipo PEM.


A membrana trocadora de prtons (PEM) permite o livre fluxo de ons, mas inibe o

trnsito de eltrons. Deste modo, os eltrons fluem do anodo em direo ao catodo atravs de um

circuito externo, representado pelo resistor, produzindo corrente eltrica. Os ons de hidrognio

atravessam a PEM e combinam-se, no catodo, com as molculas de oxignio e com os eltrons

que retornam do circuito externo, gerando vapor de gua aquecido [18].

As reaes de oxidao do hidrognio e posterior reduo do oxignio ocorrem na

superfcie dos catalisadores do anodo e do catodo, conforme a expresso (2.1), respectivamente.

Estes catalisadores so base de platina e aceleram significativamente as reaes qumicas.

Como metal nobre, a platina um material to raro quanto caro.

OHe2H2O21

e2H2H

22

2

+++

++

(2.1)

A reao eletroqumica, conhecida como combusto a frio, ocorre sem haver qualquer

processo de queima, ou seja, no envolve a converso da energia trmica em energia mecnica

como em um MCI. Com efeito, as CaC no esto sujeitas ao ciclo de Carnot, isto , temperaturas

elevadas no so necessrias para atingir um elevado grau de eficincia [11] e [19].

Na CaC os gases reagentes so continuamente supridos por um tanque de hidrognio e

pelo ar retirado da atmosfera. Em relao s baterias, as CaC so mais compactas e possibilitam

maior autonomia de percurso ao VE, de acordo com a capacidade do tanque de hidrognio.

C. Aspectos fundamentais

A Figura 2.2 ilustra as curvas caractersticas de operao da CaC [1], [20] e [21]. De

acordo com a curva de tenso-corrente da clula existem trs regies distintas de operao do

dispositivo, associadas aos fenmenos de polarizao que ocorrem em clulas eletroqumicas

[11].

As perdas na regio de polarizao por ativao esto diretamente relacionadas com a

velocidade em que ocorrem as reaes na superfcie do eletrodo. So resultantes da energia

necessria para romper a barreira de ativao das reaes qumicas.


0 5 10 15 20 25 300

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

0 5 10 15 20 25 300

5

10

15

20

Regio de polarizaopor ativao

Regio de polarizaohmica

Regio de polarizaopor concentrao

Perd

as

Tenso ideal da clula

Potnc

ia da c

lula

Tenso da clula

Rendimento do sistema

Regio deoperao tima

Corrente (A)

Ren

dim

ento

e te

nso

term

inal

da

clu

la (V

)

Pot

ncia

da

clu

la (W

)

Figura 2.2: Curvas caractersticas de operao da clula a combustvel.

As perdas na regio de polarizao por concentrao, ou perdas por transporte de massa,

esto relacionadas a um insuficiente aumento do fluxo de combustvel em conseqncia de uma

elevada demanda de corrente.

As perdas na regio de polarizao hmica apresentam comportamento linear, elevado

rendimento e so relativas s resistncias ao fluxo de ons no eletrlito e ao fluxo de eltrons nos

eletrodos.

Valores de corrente muito elevados resultam em grande perda de potncia na forma de

calor, que pode ressecar a membrana da CaC. E ainda, variaes bruscas de corrente podem levar

a clula a operar na regio de perdas de polarizao por concentrao, uma vez que a dinmica de

ajuste de suprimento dos gases reagentes um processo lento.


A curva de rendimento da CaC difere sensivelmente da curva de uma clula isolada, pois

h consumo de energia pelos dispositivos auxiliares necessrios ao funcionamento da CaC [1].

Do ponto de vista de durabilidade e de consumo de combustvel, a CaC deve funcionar

dentro da regio de operao tima. A definio dos limites depende do compromisso com o

mximo rendimento que o dispositivo deve apresentar.

Para alcanar tenses e potncias mais elevadas, as clulas so conectadas em srie,

formando uma pilha a combustvel. Com efeito, este o outro nome que a CaC recebe.

Em geral, as CaC so acopladas a conversores eletrnicos para sua utilizao prtica. Os

efeitos da ondulao de corrente (ripple), em freqncias elevadas (10 kHz), ainda no esto

claramente demonstrados [22]. No entanto, possvel que a ondulao de corrente possa causar

degradao da membrana da CaC, de acordo com [23]. Em freqncias baixas (120 Hz), a

ondulao de corrente pode resultar em importantes perdas de potncia [24].

Os limites de ondulao de corrente especificados para uma CaC de 48 V e 10 kW para a

competio Future Energy Challenge 2001 Competition esto esboadas na Figura 2.3 [25].

Esta curva pode ser usada como diretriz para o projeto dos filtros do conversor eletrnico

conectado clula a combustvel.

100 1 k 10 k0

10

20

30

40

50

60

70

20Freqncia (Hz)

Ond

ula

o d

e co

rren

te (%

)

Figura 2.3: Limite de ondulao de corrente da CaC.


2.2 Supercapacitores


Em 1853, Hermann Helmholtz descreveu que ao aplicar uma tenso entre dois eletrodos

imersos em um fluido condutor no h circulao de corrente at que uma determinada tenso

limiar seja atingida. Ao iniciar a conduo ocorre a formao de gases, devido s reaes

qumicas na superfcie do eletrodo. Abaixo desta tenso limiar o dispositivo comporta-se como

um capacitor [26].

A primeira gerao de SC, disponvel comercialmente no final da dcada de 70, era

apropriada para produtos eletrnicos, em razo da pequena tenso que as clulas de SC suportam

(inferior a 2,5 V). Com o advento de mdulos SC, foi possvel empreg-los em aplicaes com

tenses mais altas. Somente na dcada de 90 seu uso comeou a se difundir, graas ao emprego

do SC em VE e em VEH [27]. Neste tipo de aplicao, o dispositivo funciona como uma fonte de

transferncia rpida de energia, o que possibilita a compactao e a melhora de desempenho do

sistema de armazenamento e de converso de energia.

O elevado custo dos SC ainda um empecilho para uma ampla utilizao do dispositivo

em aplicaes que requerem nveis de tenso mdia ou elevada. No entanto, em sistemas com

mltiplas fontes de energia, ou seja, em conjunto com baterias ou clulas a combustvel, podem

resultar em solues tcnicas e econmicas mais viveis [28].

Atualmente, os supercapacitores so uma das tecnologias mais promissoras para melhorar

a gesto, aumentar a eficincia, otimizar o desempenho e prolongar a durabilidade dos sistemas

de armazenamento e de gerao de energia eltrica.

B. Capacitor eletroqumico de dupla camada

Em um capacitor de placas paralelas, o acmulo de energia se d diretamente no campo

eltrico, devido separao entre as cargas. O valor da capacitncia uma grandeza que reflete a

capacidade do dispositivo de armazenar energia e depende somente de parmetros dimensionais e

da rigidez dieltrica.


Os supercapacitores, tambm denominados ultracapacitores ou capacitores eletroqumicos

de dupla camada, obedecem ao mesmo princpio. O valor extremamente elevado de capacitncia

alcanado graas enorme rea superficial dos eletrodos e mnima distncia entre as cargas.

Com efeito, os SC so capazes de armazenar uma quantidade de energia muito maior do que

qualquer capacitor convencional de massa ou volume equivalente.

Atualmente, cada eletrodo do SC composto por uma pelcula metlica revestida por uma

fina camada, em geral de carbono ativado, que possui imensa rea superficial (alcanado pela

elevada porosidade de seus ndulos microscpicos), condutividade eltrica, qumica inerte e

baixo custo. Entre dois eletrodos interposto um material separador (papel, membrana ou fibra

de vidro) que impede o contato eletrnico (conduo de corrente) entre os eletrodos, mas permite

o livre trnsito de ctions e nions [29]. O conjunto formado pelas camadas de carbono ativado e

separador encharcado por um eletrlito altamente condutivo (aquoso ou solvente orgnico) que

prov instantaneamente alta concentrao de ons mveis [30].

No estado carregado, cada um dos eletrodos possui cargas (do eletrodo e do eletrlito) de

polaridades opostas, as quais esto muito prximas entre si (2-5 nm). Este fato, aliado imensa

rea superficial do carbono ativado poroso (at 2000 m2/g), possibilita obter capacitncias na

ordem de milhares de Farads.

Na parte esquerda da Figura 2.4 mostrada a estrutura bsica em camadas de um

supercapacitor [31]. No canto inferior direito est a foto de um SC de 10 F e 2,3 V da empresa

Epcos e, na parte superior da foto, est uma BT alcalina de 9V, para efeitos de comparao.

Supe

rcap

acito

r

Car

bono

Ativ

ado

Car

bono

Ativ

ado

Sepa

rado

r

Pelc

ula

de M

etal

(Al)

Pel

cul

a de

Met

al (A

l)

Eletrodo NegativoEletrodo Positivo

Figura 2.4: Estrutura bsica em camadas de um supercapacitor (desenho a esquerda) e foto

comparativa (a direita) entre o SC da Epcos de 10 F e 2,3 V e uma BT alcalina de 9 V.


C. Princpio de funcionamento

No procedimento de armazenamento de energia, ao submeter os eletrodos do SC a uma

fonte, os eltrons acumulam-se no carbono acoplado pelcula metlica ligada ao terminal

negativo do dispositivo. No outro eletrodo h o acmulo de cargas positivas. Sob influncia do

campo eltrico criado pelas cargas nos eletrodos, os ons provindos do eletrlito movem-se

livremente, inclusive pelo material separador, em direo ao interior dos poros do carbono

ativado e em sentido oposto polaridade das cargas dos eletrodos [32].

Internamente, a estrutura de uma clula de SC a de dois capacitores conectados em srie

via eletrlito, haja vista que em cada eletrodo existem cargas opostas muito prximas entre si,

conforme possvel observar na Figura 2.5 [33].

on negativo

Carga negativa

on positivo

Carga positiva

Carbono Ativado

Carbono Ativado

Separador

Figura 2.5: Estrutura interna e distribuio de cargas no SC.

Como o processo de carga e de descarga do dispositivo se d pelo movimento dos ons

no eletrlito, sem haver reaes qumicas, o SC apresenta uma resistncia srie equivalente (ESR,

do ingls Equivalent Series Resistance) muito pequena, tornando o limite de corrente de carga

e de descarga bastante elevado.

O limiar de tenso para operao segura de uma clula de supercapacitor determinado

pela composio do eletrlito. Em eletrlito aquoso a tenso de 1 V, enquanto que em eletrlito

de solvente orgnico a tenso de 2,3 V. Excedido o limite haver a eletrlise do eletrlito,

ocasionando a formao de gases, que danificar o dispositivo.


A Figura 2.6 mostra a foto de um mdulo supercapacitor da empresa EPCOS 42 V e

150 F. Este dispositivo possui circuitos de balanceamento ativo para 18 clulas de 2700 F

conectadas em srie. Para efeitos de comparao, no canto inferior direito est um capacitor

eletroltico da SIEMENS de 3700 F e 200 V e, em sua base, o SC de 10 F e 2,3 V descrito previamente.

Figura 2.6: Foto ilustrativa do mdulo supercapacitor EPCOS de 150 F e 42 V.

Para alcanar tenses de operao mais elevadas, os SC so combinados em srie. Para

distribuir uniformemente as tenses, so empregados circuitos de balanceamento de tenso. Estes

circuitos podem ser passivos (resistores em paralelo), ativos (circuitos eletrnicos) ou uma

combinao de ambos [27], [31] e [34].

Em termos de comportamento dinmico, o SC um dispositivo robusto a variaes

bruscas e elevadas de corrente, no apresenta efeito de memria, trabalha em uma ampla faixa de

temperatura e de tenso e apresenta tendncia de custos decrescente.

O estado de carga do SC pode ser determinado com base na tenso do dispositivo. No

entanto, a energia acumulada (ESC) proporcional ao valor quadrtico da tenso do

supercapacitor, que uma informao mais conservativa. A partir das tenses terminal (vSC), da

sua resistncia interna (RiSC), da sua corrente (iSC) e da tenso mnima (VminSC) e mxima (VmaxSC)

de operao, possvel determinar a energia, em pu, acumulada no SC, de acordo com (2.2).

( ) ( ) ( )[ ]2

SCmax

2SCmin

2SCiSCSC

SC VVtiRtvtE += (2.2)


2.3 Baterias


Alguns estudiosos especulam que os egpcios utilizavam dispositivos galvnicos para

gerar eletricidade, denominados baterias de Bagd. No entanto, a hiptese mais provvel de que

estes artefatos teriam sido usados para galvanizar objetos [35].

Em 1799, o fsico italiano Alessandro Volta desenvolveu a primeira bateria eltrica. A

bateria, tambm denominada de clula voltaica, consistia de uma pilha de placas metlicas

diferentes (discos de zinco e cobre), intercaladas por um pedao de pano ou papelo, imersas em

uma soluo de cido fraco e conectadas por um fio condutor [36].

Somente em 1860 as baterias deixaram de ser uma curiosidade de laboratrio, com a

inveno da clula seca. J no incio de 1900, o engenheiro Thomas Edison utilizava BT

alcalinas mover veculos eltricos [37].

Atualmente, as BT de chumbo-cido ainda possuem a melhor relao custo benefcio para

diversas aplicaes. As BT de nquel-cdmio possuem baixo tempo de recarga e so to txicas

quanto as de chumbo-cido. As baterias de nquel-metal hidreto possuem moderada densidade de

energia e reduzido ciclo de vida. As baterias de ons de ltio proporcionam elevada densidade de

energia e baixa toxidade, tornando-as uma tecnologia bastante promissora para aplicaes em

veculos eltricos [38].

B. Princpio de funcionamento

A bateria um dispositivo eletroqumico que converte diretamente a energia armazenada

na forma qumica em eletricidade. Na bateria recarregvel, a energia fornecida por uma fonte

externa recompe as caractersticas qumicas do dispositivo.

A Figura 2.7 ilustra o esquema simplificado da estrutura interna de uma bateria de

chumbo cido. O eletrodo positivo, anodo, constitudo por uma placa de perxido de chumbo e

o eletrodo negativo, catodo, composto por uma placa de chumbo esponjoso.


Anodo Catodo

PbO2 Pb

H2S

O4+

H2O

H2S

O4+

H2O

Sepa

rado

r

Figura 2.7: Estrutura simplificada interna de uma bateria.

Os eletrodos so isolados por um material separador poroso que impede a conduo

eletrnica entre as placas e permite o livre trnsito de ons imersos em um eletrlito (cido

sulfrico diludo em gua pura) [39]. Na soluo do eletrlito ocorre a dissociao eletroltica, ou

seja, a decomposio da molcula de cido sulfrico em ons de hidrognio (positivo) e ons de

sulfato (negativo).

No processo de descarga, os eltrons migram do catodo em direo ao anodo via condutor

externo, enquanto os ons do anodo fluem em direo ao catodo atravs do eletrlito. Os dois

eletrodos reagem com o eletrlito, que possui alta concentrao de cido sulfrico, convertendo

os dois eletrodos em sulfato de chumbo (PbSO4) e o eletrlito parcialmente em gua.

No processo reverso, de carregamento, a injeo de corrente recompe os eletrodos em

chumbo esponjoso (Pb) e perxido de chumbo (PbO2), e a gua em cido sulfrico. As reaes

que ocorrem no dispositivo so resumidas pela expresso (2.3) [40].

424242 PbSOOH2PbSOPbOSOH2Pb ++++ (2.3)

C. Aspectos Fundamentais

A BT e a CaC so dispositivos eletroqumicos muito eficientes que produzem eletricidade

diretamente a partir de reaes qumicas nos eletrodos. Na BT os reagentes esto armazenados

internamente e o processo de converso de energia pode ser revertido.


As curvas tenso-corrente e potncia-corrente da CaC e BT so semelhantes (Figura 2.2),

uma vez que ambos dispositivos esto sujeitos aos mesmos processos de polarizao [41] [42]. A

descarga profunda pode reduzir permanentemente o desempenho da BT, em virtude do efeito

acumulativo da fadiga trmica dos materiais durante o processo de reverso do estado de carga.

Em geral, as restries para restabelecer o estado de carga da BT so tipicamente mais

severas que no processo de descarga. Se o processo de recarga no for devidamente controlado,

existe o risco de reduzir o ciclo de vida da BT por fadiga trmica ou por fadiga decorrente da

saturao de carga [43].

A dissipao trmica proporcional resistncia interna da BT e ao quadrado da corrente,

ou seja, h um significativo aumento de temperatura em correntes elevadas. Se a quantidade de

energia fornecida BT for superior sua capacidade de absoro, haver sobrecarga nas reaes,

elevao rpida da tenso da BT e aumento de temperatura.

O funcionamento da BT fora dos limites adequados de temperatura acelera o seu processo

de envelhecimento. Em BT de chumbo cido selada, a corrente de recarga deve ser limitada em

20 % da capacidade da BT e a tenso no deve superar o limite de 2,4 V por clula, devido ao

risco de corroso do anodo [38] e [40]. Mtodos mais sofisticados de controle de carga da BT,

utilizam a temperatura, a tenso e a corrente da BT como variveis de controle [43].

A capacidade de uma bateria indica a quantidade total de carga disponvel e comumente

expressa na unidade ampre-hora (Ah). A corrente de carga e descarga da BT comercialmente

especificada em termos da taxa C (C rate). Por exemplo, para uma BT de 10 Ah e taxa C/5,

previsto fluxo contnuo de 2 A de corrente por um perodo de 5 horas. No entanto, a capacidade

da BT varia de forma inversa taxa de descarga, ou seja, elevadas correntes de descarga resultam

em menor capacidade [1].

Determinar o estado de carga de uma BT em funcionamento extremamente complicado

[40]. Existem diversos componentes eletrnicos implementados para esta tarefa. O estado de

carga de uma BT (SoCBT) pode ser calculado a partir da sua capacidade (QBT), em ampre-hora, e

da corrente de descarga (iBT), conforme a equao (2.4) [1].


( ) ( ) ( )( ) =t

0BT

BTBTBT dtiQ

ti0SoCtSoC (2.4)

No entanto, a tenso em circuito aberto fornece uma boa estimativa da quantidade

remanescente de carga na BT. Por outro lado, quando a BT est em funcionamento, a medida

extremamente imprecisa, em virtude do comportamento no-linear da resistncia interna da BT.

A soluo utilizar o balano do fluxo de energia da bateria, que pode ser determinado a

partir da sua tenso terminal (vBT) e da sua corrente de descarga (iBT). Portanto, o estado de

energia da BT (EBT), em pu, pode ser estimado de acordo com (2.5).

( ) ( ) ( ) ( )3600VQ

dttitv3600VQ0SoCtE

BTBT

t

0 BTBTBTBTBT

BT = (2.5)

A energia inicial da bateria obtida a partir da estimativa do seu estado de carga inicial,

que baseado na sua tenso terminal em circuito aberto. As constantes QBT e VBT representam os

dados nominais de tenso e capacidade, em ampre-hora, respectivamente.

2.4 Combinao das fontes de suprimento

A principal motivao para realizar a combinao de fontes de energia, que apresentam

diferentes caractersticas de densidade de energia e de densidade de potncia, aumentar a vida

til e o desempenho do sistema de suprimento e melhorar a qualidade da energia fornecida, a fim

de propiciar adequado funcionamento das diversas cargas eltricas do VE.

Os critrios para a seleo e dimensionamento das fontes de suprimento de energia para

VE so: custos de aquisio e de manuteno, grau de compactao, confiabilidade, autonomia

de percurso e desempenho dinmico.

O Diagrama de Ragone [27], mostrado na Figura 2.8, ordena os dispositivos de converso

e de armazenamento de energia de acordo com a densidade de energia e a densidade de potncia

que apresentam.


107

100

101

102

103

104

105

106

10-2

10-1

100

101

102

103

Densidade de Potncia (W/kg)

Den

sida

de d

e E

nerg

ia (W

h/kg

) Clulas acombustvel

Baterias

Supercapacitores

Capacitores convencionais

Figura 2.8: Diagrama de Ragone, densidade de energia versus densidade de potncia.

Quanto mais elevada a densidade de energia, maior a quantidade de energia disponvel

por unidade de massa ou volume. E, quanto maior a densidade de potncia, maior a velocidade de

transferncia energia por unidade de massa ou volume.

O sistema proposto nesta tese integra trs diferentes fontes de suprimento para atender a

demanda de potncia de um VE, conforme o esboo esquemtico mostrado na Figura 1.1.

A fonte primria de energia deve garantir uma elevada autonomia de percurso para o

veculo. Em termos de compactao, a CaC a opo mais adequada para suprir a demanda

mdia de potncia do VE.

Uma fonte secundria de energia assegura o complemento da potncia requerida pela

carga fornecida pela fonte primria, ou armazena a energia gerada em excesso ou recuperada pela

frenagem regenerativa.

A quantidade de energia disponibilizada pela fonte secundria deve ser suficiente para

sustentar o consumo extra de potncia por longos perodos de tempo como, por exemplo, para o

veculo subir uma montanha ngreme. Neste caso, a BT possibilita obter razovel grau de

compactao da fonte primria.


Em virtude da limitada capacidade da CaC e da BT em relao a variaes bruscas de

potncia, uma fonte terciria requerida para transferncia rpida de energia.

O capacitor eletroltico, em detrimento de sua imensa densidade de potncia, no

apresenta quantidade de energia compatvel com a demanda do mecanismo de trao eltrica.

Deste modo, o SC permite atender a demanda mxima de potncia durante o intervalo de

tempo necessrio para aumentar a injeo de potncia da BT e da CaC, respeitando-se a taxa de

variao de corrente destas fontes.

2.5 Dimensionamento dos dispositivos de suprimento

A. Demanda de potncia

O dimensionamento dos dispositivos de suprimento pode ser realizado com base na

estimativa de demanda de potncia das diversas cargas eltricas em um VE. Tipicamente, a

demanda mdia de potncia aproximadamente um tero da demanda mxima potncia,

conforme pode ser constatado na Tabela 2.1.

Tabela 2.1: Exemplo de demanda de potncia em um automvel eltrico [5].

Caga eltrica Potncia mxima (kW) Potncia mdia (kW)

Mecanismo de propulso 100 30

Compressor de ar da CaC 12 8

Suspenso ativa 12 0,36

Compressor eltrico do ar condicionado 4 1

Direo eltrica 1,5 0,1

Comando de vlvula varivel 3,2 1,0

Aquecedor da janela frontal 2,5 0,25


B. Ciclo de conduo

O ciclo de conduo uma curva de perfil de velocidade desenvolvida por diferentes

pases e entidades para emular o comportamento do veculo em situaes de trfego real. Em

geral, so utilizadas para avaliar o consumo de combustvel e emisso de gases poluentes.

Nesta tese, o ciclo de conduo usado para estimar a curva de demanda de potncia do

mecanismo de trao eltrica em um veculo hipottico, cujo valor mximo especificado para

ser de 3 kW, a fim de simplificar o projeto do conversor eletrnico.

A demanda de potncia do mecanismo de trao eltrica varia bastante ao longo do trajeto

que o veculo percorre. A potncia (P) requerida para a trao do veculo pode ser estimada a

partir da expresso [1] e [44]:

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )tvdt

tdvmtvAC21cosfgmsengmtP 2fDr

+++= , (2.6)

em que, m a massa total do veculo, g a acelerao da gravidade, fr o coeficiente de

resistncia dos pneus, o ngulo de inclinao da pista, a densidade do ar, CD o coeficiente de arrasto aerodinmico, Af a rea frontal do veculo e v a velocidade.

Para veculos de passeio, em pistas de concreto, o coeficiente de arrasto aerodinmico

pode ser calculado em termos da velocidade, de acordo com:

( ) ( )( )tv01,0101,0tfr += . (2.7) Ser admitido que a massa total do veculo hipottico de 300 kg, a pista de prova no

possui inclinao, o coeficiente de arrasto aerodinmico de 0,19, a rea frontal do veculo de

1,5 m2 e a velocidade mxima alcanada de 60 km/h. A acelerao da gravidade de 9,8 m/s2 e a

densid

hev_projeto

Documents