universidade federal do abc ufabc programa de … · 6.1.1.3 dimensionamento do indutor l ......

105
UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO MESTRADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA Wberney Sanchez Echeverri TECNOLOGIAS RELACIONADAS AOS VEÍCULOS ELÉTRICOS E PROPOSTA DE UM MODELO DE CARREGADOR PARA USO EM REDES DE DISTRIBUIÇÃO Santo André - SP 2014

Upload: vanminh

Post on 19-Dec-2018

235 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC

UFABC

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO MESTRADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA

Wberney Sanchez Echeverri

TECNOLOGIAS RELACIONADAS AOS VEÍCULOS ELÉTRICOS E PROPOSTA DE UM MODELO DE

CARREGADOR PARA USO EM REDES DE DISTRIBUIÇÃO

Santo André - SP 2014

Page 2: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

Wberney Sánchez Echeverri

TECNOLOGIAS RELACIONADAS AOS VEÍCULOS

ELÉTRICOS E PROPOSTA DE UM MODELO DE CARREGADOR PARA USO EM REDES DE DISTRIBUIÇÃO

Orientador: Prof. Dr. Thales Sousa

Santo André - SP 2014

Texto de dissertação submetido à banca examinadora designada pela Universidade Federal do ABC - UFABC, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Mestre em Engenharia Elétrica.

Page 3: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

Dedico este trabalho a meus

Pais Luis Antonio e Sonia Amanda,

minha Irmã Diana Marcela e meu

bonito sobrinho Evan.

Page 4: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

Agradecimentos

Agradeço a Deus pela força, paciência e por nunca desistir de mim. A meus Pais e

minha Irmã, por o apoio, compreensão, e sobre tudo por a paciência nos momentos mais

difíceis mesmo estando longe. A familiares e amigos que fiz na UFABC que de maneira

direta ou indireta contribuiriam na minha formação.

De forma especial agradeço ao meu orientador Professor Doutor Thales Sousa pela

oportunidade que tem me proporcionado.

Agradeço a toda a equipe de pesquisadores amigos do Laboratório de Pós-Graduação

em Engenharia Elétrica e a todos os professores da Pós-Graduação que contribuiriam para

esta realização.

Agradeço à UFABC pelo apoio financeiro, pois sem o mesmo talvez fosse impossível

a realização deste trabalho.

Page 5: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

Resumo

O mundo vem buscando diferentes tecnologias que mitiguem a possibilidade de uma

crise energética, em função de uma demanda crescente de energia e uma crise ambiental,

resultante das emissões de poluentes advinda das fontes de energia atualmente utilizadas. O

desenvolvimento de novas tecnologias, como por exemplo, os meios de transporte elétricos

recarregáveis, contribuem para que esses problemas sejam mitigados, colaborando para a

minimização dos problemas energéticos e ambientais. Nesse sentido, o presente trabalho

propõe o estudo dos veículos elétricos, enfatizando as diferentes classificações dos mesmos,

dependendo de como a energia elétrica e a energia de combustão são integradas. São

apresentadas também, as tecnologias de geração de energia mais promissoras para o aumento

de autonomia de condução, bem como as formas de armazenamento da energia e como os

veículos elétricos são alimentados. Adicionalmente, são indicados os impactos dos veículos

elétricos na rede de distribuição, os impactos ao ambiente e os impactos econômicos. Por

último, é proposta uma modelagem de um carregador de baterias bidirecional para um veículo

elétrico que possa obter e fornecer energia da rede de distribuição para carregar e descarregar

baterias de Lition-Ion. O carregador é composto por um conversor CA/CC Full-Bridge com

propriedades de correção de fator de potência e um conversor CC/CC Full-Bridge com

isolamento em alta frequência.

Palavras Chave: Veículos Elétricos, Carregador de baterias, Conversor Full-Bridge,

Conversor Full-Bridge Isolado, Bidirecional.

Page 6: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

Abstract

The world has been searching different sorts of technology to mitigate any energetic

crises in function in a growing demand of energy, resulting by generation of pollutants from

the actual energy source uses. Developments of new technology application as electric

transport with rechargeable cell are actually trends to mitigate these problems, cooperating to

reduce energetic and environmental issues. In order, the present work proposes a two electric

vehicles study, emphasizing the different classification of each other, depending on how

electric and combustion energies are integrated. Different promising technological trend are

presented to enhance the driving autonomy from the vehicles as the different ways to storage

of energy and fuel feeding methods. Otherwise, the impacts on distribution network,

environmental impacts and economic impacts are defined. Finally, a model of

a bidirectional battery charger is proposed for an electric vehicle that achieves to obtain

energy from network distribution system and provide them as well to charged and des-

charged Lithium-Ion batteries

. The charger will consist of a bidirectional converter CA/CC

Full-bridge with factor-power correction properties and a bidirectional converter CC/CC full-

bridge and with high-frequency isolation.

Key-words: Battery Charger, Bidirectional, Electrical Vehicle, Full-Bridge Converter,

Full-Bridge Isolated Converter.

Page 7: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

Sumário

Lista de Figuras ............................................................................................... 10

Lista de Tabelas ............................................................................................... 12

Lista de abreviaturas e siglas .......................................................................... 13

Lista de símbolos ............................................................................................. 15

1. Introdução .................................................................................................. 19

1.1 Objetivos do Trabalho .............................................................................................. 20

1.2 Estrutura do Trabalho .............................................................................................. 20

2. Classificação dos veículos elétricos ........................................................... 22

2.1 Veículos Elétricos Híbridos ...................................................................................... 22

2.1.1 Configurações Básicas dos HEV ..................................................................................... 23

2.1.1.1 Veículo Elétrico Híbrido - Configuração em Série ................................................ 23

2.1.1.2 Veículo Elétrico Híbrido com Configuração em Paralelo ..................................... 24

2.1.1.3 Veículo Elétrico Híbrido com Configuração Série – Paralelo ............................... 26

2.1.2 Grau de Hibridação dos HEV ......................................................................................... 27

2.1.2.1 Veículos Elétricos Micro – Híbridos ...................................................................... 28

2.1.2.2 Veículos Elétricos Meio – Híbridos ........................................................................ 29

2.1.2.3 Veículos Elétricos Totalmente – Híbridos .............................................................. 29

2.1.2.4 Veículo Elétrico Híbrido Plug-in ............................................................................ 30

2.2 Veículos Elétricos Puros .......................................................................................... 31

2.2.1 Veículo Elétrico de Bateria ............................................................................................. 31

2.2.2 Veículo Elétrico de Pilha de Combustível ....................................................................... 32

3. Fontes de energia em veículos elétricos .................................................... 33

3.1 Tecnologias de geração de energia. ......................................................................... 33

3.1.1 Painéis Fotovoltaicos ...................................................................................................... 33

3.1.2 Gerador Termoelétrico Automotivo ................................................................................ 33

3.1.3 Células de Combustível (FC) .......................................................................................... 34

3.1.4 Frenagem Regenerativa .................................................................................................. 36

3.2 Tecnologias de Armazenamento de Energia ............................................................ 37

Page 8: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

3.2.1 Baterias ........................................................................................................................... 37

3.2.2 Ultra – capacitores .......................................................................................................... 38

3.2.3 Armazenamento de Energia com Bateria Eletromecânica .............................................. 39

3.2.4 Hidrogênio ....................................................................................................................... 39

3.3 Tecnologias de Alimentação ..................................................................................... 40

3.3.1 Nível 1 de Carga .............................................................................................................. 41

3.3.2 Nível 2 de Carga .............................................................................................................. 42

3.3.3 Nível 3 de Carga .............................................................................................................. 42

3.3.4 Troca de Bateria .............................................................................................................. 42

4. Impactos dos veículos elétricos .................................................................. 43

4.1 Impactos à Rede Elétrica .......................................................................................... 43

4.2 Impactos ao Ambiente .............................................................................................. 44

4.3 Impactos Econômicos ............................................................................................... 44

4.4 Impactos no Armazenamento de Energia Proveniente de Geração Distribuída

Intermitente ........................................................................................................................... 45

5. Carregadores de baterias para veículos elétricos ..................................... 46

5.1 Carregadores de Baterias Unidirecionais ............................................................... 48

5.2 Carregadores de Baterias Bidirecionais .................................................................. 52

5.3 Carregadores Integrados ......................................................................................... 57

5.4 Modelagem Proposta ................................................................................................ 58

5.4.1 Estágio CA/CC e CC/CA ................................................................................................. 59

5.4.1.1 Modo Retificação CA/CC ....................................................................................... 62

5.4.1.1.1. Determinação do indutor Boost ........................................................................ 66

5.4.1.1.2. Determinação do Capacitor CLinkcc 67 ...................................................................

5.4.1.2 Modo Inversão CC/CA............................................................................................ 67

5.4.1.1.3. Determinação do Indutor Buck ......................................................................... 71

5.4.2 Estágio CC/CC ................................................................................................................ 71

5.4.2.1 Modo de Carregamento (V2G) ............................................................................... 75

5.4.2.2 Modo Geração (G2V) ............................................................................................. 75

5.4.3 Método de carregamento das baterias de Lition-Ion ...................................................... 76

6. Especificações do modelo e simulações .................................................... 78

6.1 Especificações do modelo ......................................................................................... 78

6.1.1 Estágio CA/CC – CC/CA ................................................................................................. 80

6.1.1.1 Dimensionamento do Indutor Ls 80no modo Boost ....................................................

Page 9: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

6.1.1.2 Determinação do capacitor Clinkcc 81 no modo Boost .................................................

6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor Ls 81 no modo Buck .....................................................

6.1.2 Estágio CC/CC ................................................................................................................ 82

6.2 Controle proposto ..................................................................................................... 83

6.2.1 Controle do estágio CA/CC ............................................................................................. 83

6.2.2 Controle do estágio CC/CA ............................................................................................. 84

6.2.3 Controle do estágio CC/CC ............................................................................................. 84

6.3 Simulações e resultados ........................................................................................... 85

6.3.1 Simulações no modo carregamento (G2V) ...................................................................... 88

6.3.2 Simulações no modo descarregamento (V2G) ................................................................ 92

7. Conclusões .................................................................................................. 95

8. Sugestões para trabalhos futuros .............................................................. 97

9. Referências ................................................................................................. 98

Page 10: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

Lista de Figuras

Figura 1 - Configuração série de um veículo elétrico híbrido ________________________________ 23

Figura 2 - Configuração paralelo de um veículo elétrico híbrido ____________________________ 24

Figura 3 - Configuração série-paralelo de um veículo elétrico hibrido ______________________ 26

Figura 4 - Veículo elétrico meio – híbrido _____________________________________________________ 29

Figura 5 - Arquitetura do veículo elétrico híbrido Plug-in ___________________________________ 30

Figura 6 - Veículo elétrico de bateria _________________________________________________________ 32

Figura 7 – Funcionamento pila de combustível ______________________________________________ 34

Figura 8 – Fluxo de potência entre a rede elétrica e as baterias dos EV ____________________ 47

Figura 9 - Topologia geral dos carreadores On/Off Board para EV _________________________ 47

Figura 10 - Carregador básico de baterias ___________________________________________________ 49

Figura 11 - Conversor Buck ____________________________________________________________________ 49

Figura 12 - Topologia de UBC com conversor Boost _________________________________________ 50

Figura 13 - Carregador controlado com dois estágios _______________________________________ 50

Figura 14 - Topologias de conversores para UBCs ___________________________________________ 52

Figura 15 - Topologia de um BBC Trifásico ___________________________________________________ 53

Figura 16 - Topologias de BBCs para EV ______________________________________________________ 54

Figura 17 - Estrutura típica de carregador integrado para PEV ____________________________ 57

Figura 18 - Inserção dos PEV nas redes de distribuição ______________________________________ 58

Figura 19 - Topologia de carregador bidirecional monofásico ______________________________ 59

Figura 20 - Retificador/Inversor monofásico, com trânsito de potência bidirecional. _____ 60

Figura 21 - Modos de conversão de potência – Retificação e Inversão ______________________ 61

Figura 22 – Modo retificação G2V (Grid to vehícle) __________________________________________ 62

Figura 23 - Etapas de operação do conversor no modo retificação _________________________ 63

Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _________________ 64

Figura 25 - Variação da razão cíclica em função de ωt ______________________________________ 66

Figura 26 - Corrente Parametrizada no Indutor LS 66 __________________________________________

Figura 27 - Modo inversão V2G (Vehicle to Grid) _____________________________________________ 68

Figura 28 - Etapas de operação do inversor Full-Bridge sob Modulação Bipolar __________ 68

Figura 29 - Etapas de operação do inversor Full-Bridge sob Modulação Unipolar _________ 69

Page 11: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

Figura 30 - Circuito equivalente do conversor Buck _________________________________________ 70

Figura 31 - Curva da razão cíclica em função de ω·t _________________________________________ 70

Figura 32 - Conversor Bidirecional Isolado em Ponte Completa_____________________________ 72

Figura 33 - Modelo do Conversor sem Perdas ________________________________________________ 73

Figura 34 - Formas de onda das tensões no transformador e corrente no indutor Llk 74 _____

Figura 35 - Conversor Operando em modo carregamento (G2V) ____________________________ 75

Figura 36 - Conversor Operando em Modo Geração (V2G) __________________________________ 76

Figura 37 – Etapas de carregamento da bateria de Lition-Ión ______________________________ 77

Figura 38 – Modelo do carregador bidirecional para o EV __________________________________ 78

Figura 39 – Diagrama de blocos de PFC ______________________________________________________ 84

Figura 40 – Diagrama de Blocos para o controle do estágio CC/CC _________________________ 85

Figura 41 – Diagrama de blocos do carregador bidirecional ________________________________ 86

Figura 42 – Modelo do carregador de baterias simulado em SimPowerSystem ____________ 86

Figura 43 – Parâmetros e curvas de descarga da bateria de Lition-Ion ____________________ 87

Figura 44 – Tensão e corrente na entrada do carregador no modo G2V____________________ 88

Figura 45 – Corrente de referência e corrente de entrada ___________________________________ 89

Figura 46 – Tensão no linkcc __________________________________________________________________ 89

Figura 47 – Tensões no transformador e corrente no indutor Llk 90no modo G2V ____________

Figura 48 – Estado de carrega da bateria – SOC 30% e 60% ________________________________ 90

Figura 49 – Tensão e corrente na bateria modo G2V ________________________________________ 91

Figura 50 – Ondulação na tensão da saída ___________________________________________________ 91

Figura 51 - Estado de carrega da bateria – SOC 50% ________________________________________ 92

Figura 52 – Tensão na bateria no modo V2G _________________________________________________ 92

Figura 53 - Tensões no transformador e corrente no indutor Llk 93 no modo V2G ____________

Figura 54 – Tensão no linkcc __________________________________________________________________ 94

Figura 55 - Tensão e corrente na entrada do carregador no modo V2G ____________________ 94

Page 12: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

Lista de Tabelas

Tabela 1 - Comparação geral de configuração híbrida série e paralela ____________________ 26

Tabela 2 - Grau de hibridação de diferentes veículos e sua economia em combustível_____ 28

Tabela 3 – Configurações e diferentes níveis de hibridação dos HEV e PHEV _______________ 31

Tabela 4 - Características das FC ______________________________________________________________ 36

Tabela 5 - Características dos principais tipos de baterias __________________________________ 38

Tabela 6 – Sistema condutivo de carga para EV de acordo a IEC-61851 ___________________ 41

Tabela 7 – Topologias e comparações dos UBCs e BBCs para EV ____________________________ 56

Tabela 8 – Especificações do carregador bidirecional _______________________________________ 79

Tabela 9 – Características típicas de um carregador bidirecional on-board _______________ 79

Tabela 10 – Considerações para o carregador bidirecional _________________________________ 80

Tabela 11 – Considerações para estagio CC/CC ______________________________________________ 82

Page 13: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

Lista de abreviaturas e siglas

AEV All Electric Vehicle

AFC Alkaline Fuel Cell

APFC Active Power Factor Controller

ATEG Automotive Thermoelectric Generator

AUBC Active Unidirectional Battery Charger

BBC Bidirectional Battery Charger

BEV Battery Electric Vehicle

CA Corrente Alternada

CBC Conventional Battery Charger

CC Corrente Continua

DAFC Direct Alcohol Fuel Cell

DMFC Direct Metanol Fuel Cell

EPRI Electric Power Research Institute

EDLC Electric Double Layer Capacitor

ESS Storage System Electric

EV Electric Vehicle

FC Fuel Cell / Célula de Combustível

FCEV Fuel Cell Electric Vehicle

FES Flywheel Energy Storage

G2V Grid to Vehicle

GD Geração Distribuida

GHE Grau de Hibridação Elétrica

HEV Hybrid Electric Vehicle

IBC Integral Battery Charger

ICE Internal Combustion Engine

ICEV Inetrnal Combustion Engine Vehicle

Page 14: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

IEC International Electrotechnical Commission

MCFC Molten Carbonate Fuel Cell

MCI Motor de Combustão Interna

ME Motor Elétrico

NEC National Electric Code

ONU Organização das Nações Unidas

PAFC Phosphoric Acid Fuel Cell

PEMFC Célula de Combustível a Membrana Trocadora de Protões

PF Painéis fotovoltaicos

PF Painéis Fotovoltaicos

PFC Power Factor Corrected

PEV Plug-in Electric Vehicle

PHEV Plug-in Hybrid Electric Vehicle

PLL Phase Lock Loop

SAE Society of Automotive Engineers

SOC State of the Charger

SOFC Solid Oxide Fuel Cell

UBC Unidirectional Battery Charger

UC Ultra Capacitor

V2G Vehicle to Grid

ZCS Zero Current Switching

ZEV Zero Emissions Vehicle

ZVS Zero Voltage Switching

Page 15: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

Lista de símbolos

Símbolos Adotados nos Equacionamentos

Símbolo Descrição Unidade

𝐶𝑙𝑖𝑛𝑘𝑐𝑐 Capacitor do link CC F

𝐶𝑜 Capacitor de filtro de saída do conversor Full_Bridge Isolado F

𝐷 Razão cíclica -

𝐷𝑚𝑎𝑥 Razão cíclica máxima -

𝐷𝑚𝑖𝑛 Razão cíclica mínima -

𝑑 Razão de defasagem angular -

𝑓 Frequência da rede elétrica Hz

𝑓𝑠 Frequência de comutação Hz

𝑓𝑠𝑠 Frequência de comutação do interruptor Hz

𝐺𝐻𝐸 Grau de hibridação elétrica -

𝐼𝐿𝑠𝑝𝑖𝑐𝑜

Valor pico da corrente pelo indutor L A s

𝐼𝐿𝑠𝑟𝑚𝑠 Valor eficaz da corrente do indutor L V S

𝐼𝐿𝑠𝑚𝑎𝑥 Valor máximo de corrente que circula através do indutor A

𝑖𝐷 Corrente instantânea no diodo D A

𝐼𝐷 Corrente de pico no diodo D A 1

𝑖𝑙𝑖𝑛𝑘𝑐𝑐 Corrente instantânea do capacitor C linkcc

𝑖𝐿𝑠 Corrente instantânea no indutor L A S

𝐿𝑠 Indutor de filtro de entrada H

𝑚𝑝𝑔 Milhas por galão mpg

𝑛 Relação de transformação -

𝑃 Potência ativa fornecida pela fonte de CA W

𝑃𝑖 Potência nominal de entrada W

𝑃𝑜 Potência nominal de saída -

𝑃𝑀𝐶𝐼 Potência do motor de combustão interna W

Page 16: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

𝑃𝑀𝐸 Potência do motor elétrico W

𝑄

Potência reativa fornecida pela fonte VAr

𝑅0 Resistencia de carga do conversor Full-bridge Ω

𝑅𝑏𝑎𝑡 Resistencia da bateria Ω

𝑇 Período de Comutação Seg

𝑡𝑜𝑛 Tempo de comutação dos interruptores Seg

𝑡𝑠 Tempo de condução nas chaves semicondutoras Seg

𝑉𝐶𝐴

Tensão de entrada CA nominal V

𝑉𝐶𝐴1 Tensão alternada no terminal do transformador do lado do

V

𝑉𝐶𝐴2 Tensão alternada no terminal do transformador do lado das

V

𝑉𝐶𝐶 Tensão do corrente continua V

𝑉𝐶𝐶𝑚𝑖𝑛 Tensão mínima de entrada V

𝑉𝑑 Queda de tensão nos diodos V

𝑉𝑑𝑒𝑠 Valor de tensão mínima na saída do conversor Full-Bridge

𝑉𝑙𝑖𝑛𝑘𝑐𝑐 Tensão nominal de saída do conversor full-bridge V

𝑉𝑙𝑖𝑛𝑘𝑐𝑐′ Tensão do linkcc V

𝑉𝑟 Tensão de entrada do conversor Full-Bridge

𝑉𝑠𝑤 Queda de tensão nas chaves semicondutoras V

𝑣𝐶𝑙𝑖𝑛𝑘𝑐𝑐 Tensão instantânea no capacitor do C V linkcc

𝑉𝑏𝑎𝑡′ Tensão da bateria refletida ao linkcc V

𝑣𝐺𝑆 Tensão de gatilho dos interruptores S1...S V 12

𝑣𝐿𝑠 Tensão instantânea no indutor L V s

%∆𝑉𝐶𝐶𝑚𝑎𝑥

Valor máximo porcentual da variação da tensão de entrada -

∆𝑣𝐶𝑙𝑖𝑛𝑘𝑐𝑐 Ondulação de tensão no capacitor do C V linkcc

%∆𝐼𝐿𝑠𝑚𝑎𝑥 Valor porcentual da variação da corrente no indutor L A S

Δ𝐼𝐿𝑠𝑚𝑎𝑥 Ondulação máxima de corrente no indutor L - S

∆𝚤𝑝 Ondulação de corrente parametrizada -

∆𝑖𝐿𝑠 Ondulação de corrente no indutor L - s

∆𝑡 Hold-up time ou tempo de sustentação da tensão -

𝛽 Ganho do conversor / Relação de tensões -

Page 17: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

𝜂 Rendimento do conversor -

𝜑 Ângulo de deslocamento de fase º

𝜔 Frequência angular Rad/seg

Page 18: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

Símbolos usados para referenciar elementos de circuitos

Símbolo Descrição

𝐶 Capacitor

𝐷 Diodo

𝐿 Indutor

𝑅 Resistor

𝑆 Interruptor de potência / Mosfet

𝑉𝐶𝐴 Fonte de corrente alternada

𝑉𝐶𝐶 Fonte de corrente continua

𝑇𝑟 Transformador

Símbolos de unidades de grandezas físicas

Símbolo Descrição

𝐴 Ampère

𝑉 Volt

𝑊 Watt

Ω Ohm

𝐻𝑧 Hertz

𝐻 Henrio

𝐹 Faradio

Page 19: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

Capítulo 1

1. Introdução

O mundo tem buscado, cada vez mais, diferentes tecnologias que mitiguem a

possibilidade de uma crise energética em função de uma demanda crescente de energia e uma

crise ambiental, onde cada pessoa é parte importante do processo.

Nesse sentido, soluções otimizadas são buscadas de maneira que exista uma sinergia

entre a energia e o meio ambiente, de tal modo que se otimizem os recursos naturais e

minimizem os impactos no ambiente.

A organização das Nações Unidas (ONU) busca reduzir em 50% até 2030 a produção

de gases do efeito estufa. Além disso, busca-se também que tecnologias, como as energias

renováveis, se tornem as principais fontes de energia do mundo, acrescentando o uso da

energia renovável a nível mundial de 30%.

O desenvolvimento e melhoramento dia a dia de novas tecnologias, como os veículos

elétricos (Electric Vehicle, EV), contribuem para que os problemas de mobilidade sejam

solucionados, auxiliando na minimização dos problemas ambientais (ROSSO, 2009).

Atualmente, a eletrônica de potência existente nos EV, como por exemplo, no motor

de tração, no módulo de carregamento e nos sistemas de armazenamento de energia como as

baterias, tem um papel muito crítico no desenvolvimento e popularidade dos veículos

elétricos. No entanto, a maior limitação neste momento encontra-se no dispositivo de

armazenamento. De maneira a vencer estas limitações, um novo conceito de poder recarregar

as baterias dos EV em qualquer hora do dia por meio de uma tomada elétrica desde a rede de

alimentação (casa, lugar de trabalho, ou shopping center), de modo a aumentar o ciclo de

carregamento, tem sido denominado como Plug-in Electrical Vehicle (PEV) (YILMAZ &

KREIN, 2013) (GALLARDO et al, 2011).

O fluxo de energia dos PEV pode ser bidirecional, uma vez que os veículos podem ser

carregados (Grid to Vehicle, G2V) ou descarregados (Vehicle to Grid, V2G) a partir da rede

elétrica. O modo G2V carrega as baterias na hora que o usuário precise e a opção V2G pode

ajudar a e melhorar a eficiência e confiabilidade do sistema com a injeção de potência na rede

elétrica (CLEMENT-NYNS, HAESEN & DRIESEN, 2010).

Page 20: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

No entanto, esta interação com a rede de distribuição, pode proporcionar uma

degradação da energia fornecida pela rede elétrica (RICHARDSON, 2012).

Nesse sentido existe um desafio no desenvolvimento dos sistemas de recarregamento

dos PEV, de maneira a garantir o correto funcionamento do sistema e das cargas conectadas à

rede de distribuição.

1.1 Objetivos do Trabalho

O presente trabalho propõe o estudo dos veículos elétricos, enfatizando nas diferentes

classificações dos mesmos, dependendo de como a energia elétrica e a energia de combustão

são integradas. São apresentadas também, as tecnologias de geração de energia mais

promissoras para o aumento de autonomia de condução do veículo, bem como as formas de

armazenamento da energia e como os veículos elétricos são alimentados. Adicionalmente, são

indicados alguns impactos dos veículos elétricos na rede de distribuição, os impactos ao

ambiente e os impactos econômicos.

Adicionalmente, é proposta uma modelagem de um carregador de baterias bidirecional

para um PEV bem como a análise, desenho de seus principais componentes e simulação do

mesmo em uma rede elétrica de distribuição monofásica a 220VCA

. O modelo de carregador

proposto oferece uma potência de 2,5kW de saída, um fator de potencia unitário e consumo e

fornecimento de potência à rede.

1.2 Estrutura do Trabalho

O presente capítulo apresenta uma introdução, os objetivos deste trabalho e sua

organização.

O capítulo 2 apresenta a classificação dos veículos elétricos, abordando suas

características e configurações.

O capítulo 3 apresenta de forma detalhada as fontes de energia em veículos elétricos,

ressaltando as tecnologias de geração de energia, as tecnologias de armazenamento de energia

e as tecnologias de alimentação.

O capítulo 4 apresenta os impactos causados pelos veículos elétricos.

Page 21: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

O capítulo 5 apresenta as topologias dos carregadores de bateria utilizados em

veículos elétricos e propõe uma modelagem de um carregador de baterias bidirecional para

PEV.

O capítulo 6 apresenta o cálculo dos principais componentes do carregador, o controle

implementado e as simulações de acordo às especificações consideradas.

O capítulo 7 apresenta as conclusões e os trabalhos futuros.

Page 22: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

Capítulo 2

2. Classificação dos veículos elétricos

O veículo elétrico (Electric Vehicle, EV) é menos complexo que o atual veículo de

motor de combustão interna (Internal Combustion Engine Vehicle, ICEV) em relação à

disposição mecânica dos componentes.

O EV é constituído principalmente por um dispositivo de armazenamento de energia,

que é a bateria. A bateria atua com os componentes elétricos do EV, já que a mesma pode

fornecer energia para deslocar o VE ou receber energia pelo funcionamento do motor elétrico

como gerador. No motor de combustão interna (Internal Combustion Engine, ICE) a energia

química presente no combustível (gasolina, etanol, gás natural ou diesel) é transformada em

energia térmica em seguida em energia cinética, sendo esta última utilizada para o

deslocamento dos ICEV.

Os EV são classificados em dois grupos; veículos elétricos híbridos (Hybrid Electric

Vehicle, HEV) e veículos elétricos puros (All Electric Vehicles, AEV). Os HEV são

compostos por um motor de combustão interna (ICE) e um motor elétrico (ME), assim a

combinação do funcionamento desses dois tipos de motores produz uma força de tração para

movimentar o HEV. No AEV a potência elétrica utilizada para movimentar o veiculo é

produzida só pelo motor elétrico.

2.1 Veículos Elétricos Híbridos

Existem diferentes modelos de HEV, os quais são diferenciados pela sua

configuração em relação ao sistema elétrico e o sistema a base de combustível. Cada

configuração apresenta uma porcentagem de contribuição de potência diferente que é

utilizada para a força de tração do veículo (MOMOH & OMOIGUI, 2009).

Em termos gerais, a contribuição do ME melhora a eficiência do desempenho do

HEV e com a característica de frenagem regenerativa obtém-se uma maior diminuição do

consumo de combustível. A contribuição do ICE para o HEV é que em diferentes etapas do

ciclo de condução do veículo existem excessos de energia produzida pelo ICE a qual é

Page 23: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

armazenada na bateria. Nesse sentido, o sistema a base de combustível do HEV proporciona

uma maior autonomia no modo elétrico.

2.1.1 Configurações Básicas dos HEV

Atualmente, existem três tipos de configurações dos HEV, que dependem de como a

energia elétrica e a energia de combustão são integradas, conforme é ilustrado nas Figuras 1,

2 e 3.

2.1.1.1 Veículo Elétrico Híbrido - Configuração em Série

O veículo elétrico com arquitetura híbrida série é basicamente um EV composto de

uma fonte de energia para carregar as baterias e movimentar um motor elétrico.

Na Figura 1, observa-se que o ICE e o ME são utilizados para operar em uma

configuração série. Nesse caso, o veículo é movimentado pelo ME conectado ao sistema de

transmissão, já que não existe uma conexão mecânica entre o ICE e as rodas, melhorando a

eficiência do combustível e minimizando as emissões de carbono.

O ICE tem a função de controlar o gerador que fornece energia elétrica para o ME e

as baterias. O gerador é desligado através de uma unidade de controle eletrônica (ULLAH et

al, 2012) quando as baterias estão completamente carregadas.

Figura 1 - Configuração série de um veículo elétrico híbrido Fonte: Elaboração própria a partir de (SIANG & CHEE, 2012)

Page 24: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

A unidade de controle eletrônico permite obter a energia elétrica para o motor

proveniente das baterias ou do gerador. A necessidade do HEV de utilizar a energia

proveniente do gerador ou das baterias depende de algumas características, tais como: estado

de carga da bateria (State of the Charge, SOC), requisitos de carregamento, aceleração do

veículo, etc.

Vantagens:

• Maior flexibilidade e eficiência do ICE por não ter um acoplamento mecânico entre a

transmissão e as rodas.

• Redução de emissões durante o deslocamento.

• Maior eficiência na utilização da força de tração.

Desvantagens:

• Conversão múltipla de energia.

• Limitação da autonomia no modo totalmente elétrico em função do tamanho das

baterias.

2.1.1.2 Veículo Elétrico Híbrido com Configuração em Paralelo

Na Figura 2, é apresentada a configuração do sistema elétrico e do sistema de

combustão interna, os quais são conectados em paralelo para produzir a propulsão do HEV.

Figura 2 - Configuração paralelo de um veículo elétrico híbrido Fonte: Elaboração própria a partir de (SIANG & CHEE, 2012)

Page 25: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

A potência transmitida pode ser entregue pelo ICE ou pelo ME ou pelos dois

simultaneamente. Deste modo, se a potência de saída do ICE é inferior à potência requerida

pela transmissão, o ME é ativado. Assim, o ICE e o ME fornecem energia à transmissão.

Se a potência de saída do ICE é superior a potência requerida pela transmissão, a

potência restante é usada para carregar as baterias. Além disso, o motor elétrico pode

trabalhar como gerador no momento da frenagem. Na frenagem é gerada uma energia

adicional, sendo esse processo definido como frenagem regenerativa. (LI & WILLIAMSON,

2007).

Vantagens:

• Este tipo de configuração oferece uma grande liberdade para escolher as

combinações de fontes de propulsão.

• Pela característica de ter dois tipos de sistemas para produzir propulsão no HEV,

mecânico e elétrico, a eficiência da força de tração pode ser teoricamente multiplicada por

um fator de dois (LI & WILLIAMSON, 2007).

• O motor elétrico é usado como gerador, e está característica diminui o número de

componentes físicos.

Desvantagens:

• O acoplamento mecânico entre o ICE e a transmissão é muito complexo comparado

com o acoplamento utilizado em outras configurações.

• O sistema de controle se torna mais complexo, pela combinação da utilização das

duas fontes de energia.

• O rendimento do HEV é diminuído pelo uso do motor como gerador.

Na Tabela 1 é apresentada uma comparação geral das configurações híbridas série e

híbrida paralela.

Page 26: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

Tabela 1 - Comparação geral de configuração híbrida série e paralela

TIPO DE

CONFIGURAÇÃO

TENSÃO DO

SISTEMA

REQUERIMENTO DE

POTÊNCIA TIPICA [kW]

FRAÇÃO

ELÉTRICA [%]

GANHO

ECONÔMICO DE

COMBUSTÍVEL [%]

SERIE 14V, 42V,

3 - 40 5 - 20 5 - 40 144V, 300V

PARALELA

216V, 274V,

> 50 100 > 75 300V, 350V,

550V, 900V

Fonte: (KAMIL; MEHMET & AHMET, 2010)

2.1.1.3 Veículo Elétrico Híbrido com Configuração Série – Paralelo

Este tipo de configuração em comparação com as demais configurações é a mais

utilizada pelos fabricantes de EV para construir os HEV, já que reúne as características

híbridas do HEV com configuração série e com configuração em paralelo. A diferença se

baseia uma vez que essa configuração possui um gerador independente para carregar as

baterias, assim o motor elétrico não opera como gerador o que aumenta sua eficiência. A

Figura 3 ilustra esse tipo de configuração.

Figura 3 - Configuração série-paralelo de um veículo elétrico hibrido Fonte: Elaboração própria a partir de (SIANG & CHEE, 2012)

Vantagens:

• Maior eficiência do motor elétrico utilizando um gerador independente para carregar

suas baterias.

• Reúne as vantagens do HEV com configuração série e com configuração paralela.

Page 27: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

Desvantagens:

• Este tipo de veículo possui um maior número de componentes em relação às demais

configurações, o que indica que este tipo de veículo é mais pesado e de um maior custo.

2.1.2 Grau de Hibridação dos HEV

Com as configurações do HEV apresentadas nas subseções anteriores, observa-se que

para cada configuração existe um nível diferente de funcionalidade dependendo do grau de

hibridação elétrica (GHE).

O grau de hibridação elétrica é representado pela Eq. (1.1), que mostra a relação

entre a potência elétrica do motor elétrico e a somatória da potência total de tração, que é

igual à potência do ME mais a potência do ICE.

(1.1)

: Grau de hibridação elétrica

: Potência do motor de combustão interna

: Potência do motor elétrico

Dessa forma, com um maior GHE o uso do ICE é menor, o que indica que o

consumo de combustível e as emissões durante um percorrido são diminuídos.

Com isso, os diferentes fabricantes classificam diferentes tipos de configurações

segundo GHE, onde o HEV que tem um GHE baixo é classificado como Micro-Híbrido, com

um GHE médio é classificado como Meio Híbrido e com um GHE alto é classificado como

Totalmente Híbrido.

A Tabela 2 apresenta um exemplo de diferentes HEV, onde a economia de

combustível em milha por galão representa o GHE.

GHE

MEP

MCIP

Page 28: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

Tabela 2 - Grau de hibridação de diferentes veículos e sua economia em combustível

VEÍCULO

HIBRIDAÇÃO

(PME / PTOTAL

GRAU DE

HIBRIDAÇÃO

[GHE]

)

[hp]

ECONOMIA DE

COMBUSTÍVEL [mpg]

MODO

HÍBRIDO

MODO

ELÉTRICO

BMW ActiveHybrid

7 2012 15 / 455 0.03 20 -

Lexus LS 600h L

2012 49 / 438 0.11 20 -

Honda Insight 2012 13 / 111 0.12 42 -

PorchePanamera S

Hybrid 2012 47 / 380 0.12 25 -

Ford Fusion hybrid

2012 40 / 196 0.20 39 -

Honda Civic Hybrid

2012 23 / 110 0.21 44 -

Toyota Prius 2012 36 / 134 0.27 50 -

Toyota Prius Plug-

in hybrid 2012 36 / 134 0.27 50 95

Toyota Camry

hybrid 2012 66 / 200 0.33 41 -

Chevrolet Volt 2012 149 / 232 0.64 37 94

BMW ActiveE 2011 170 / 170 1 - 102

Ford Focus BEV

FWD 2012 123 / 123 1 - 105

Mitsubishi i-MEV

2012 63 / 63 1 - 112

Nissan Leaf 2012 110 / 110 1 - 99

Honda Fit EV 2012 100 / 100 1 - 118

Fonte: (SIANG & CHEE, 2012)

2.1.2.1 Veículos Elétricos Micro – Híbridos

Estes tipos de veículos têm sistemas de tração convencionais os quais incorporam um

motor elétrico com uma potência nominal não maior do que 5kW, e níveis de tensão de 12 até

14V só para reiniciar o ICE, sem gerar uma força de tração para movimentar o veículo.

O EV Micro-Híbrido adiciona um sistema de arranque / parada que faz com que o ICE

seja desligado durante a frenagem do veículo, por exemplo, em um semáforo, com a

finalidade de melhorar a economia do combustível entre 5% e 15% do consumo total (SIANG

& CHEE, 2012).

Page 29: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

2.1.2.2 Veículos Elétricos Meio – Híbridos

Os EV Meio-Híbridos têm as mesmas vantagens que os EV Micro-Híbridos, e, além

disso, estes veículos possuem um ME com potência nominal entre 7kW e 12kW, e níveis de

tensão de 120 até 160V.

O ME tem como função ajudar o ICE com a propulsão do veículo, o que reduz o

tamanho do ICE e aumenta a eficiência do combustível em 30%. Porém, só o ME não pode

fornecer propulsão ao veículo já que este está acoplado com o ICE através do mesmo eixo. Na

Figura 4 é apresentada a arquitetura deste tipo de veículo.

Figura 4 - Veículo elétrico meio – híbrido Fonte: Elaboração própria a partir de (SIANG & CHEE, 2012).

2.1.2.3 Veículos Elétricos Totalmente – Híbridos

Um veículo totalmente-híbrido é aquele que pode operar com o ICE ou com a energia

das baterias e também pode operar simultaneamente com o ICE e as baterias. Tipicamente

possui um ME com uma potência nominal de 50kW e tensões de 200V até 350V.

Este tipo de veículo tem um sistema de armazenamento de energia (Energy Storage

System, ESS) o qual é utilizado para a alimentação do ME, já que pode operar no modo

totalmente elétrico sem o auxilio do ICE. Neste modo, o veículo é conhecido como veículo de

zero emissões (Zero Emissions Vehicle, ZEV), tendo uma economia de combustível entre

20% e 50% do consumo total (CHAN; BOUSCAYROL & CHEN, 2010).

Page 30: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

2.1.2.4 Veículo Elétrico Híbrido Plug-in

A principal diferença do veículo elétrico híbrido plug-in (Plug-in Hybrid Electric

Vehicle, PHEV) em relação aos demais tipos de EV é que o PHEV pode ser conectado na

rede elétrica para carregar suas baterias. Na Figura 5 é apresentada a arquitetura do PHEV.

Figura 5 - Arquitetura do veículo elétrico híbrido Plug-in Fonte: Elaboração própria a partir de (SIANG & CHEE, 2012).

Em alguns casos, a autonomia do PHEV (em km) pode ser estendida carregando as

baterias desde o ICE, sendo chamados de veículos elétricos de range estendido (VERE)

(CHAN; BOUSCAYROL & CHEN, 2010).

A principal diferença entre os PHEV e os VERE é que os PHEV Utilizam o ICE em

caso de viagens em rodovias de longas distâncias ou de alta velocidade, isto acontece

independentemente do nível de carga na bateria, enquanto os VERE usam o ICE em função

do nível de carga na bateria, já que o ICE se comporta como um gerador, o qual indica que o

ICE pode fornecer energia dependendo da necessidade do VERE durante seu deslocamento.

O PHEV utiliza estratégias para melhorar o rendimento do veículo, o qual torna este

tipo de VE mais adequado para ser utilizado em cidades pequenas no modo totalmente

elétrico e também em rodovias de longas distâncias no modo híbrido.

O PHEV oferece uma redução entre 40% e 80% do consumo total de combustível do

ICEV e uma redução de gases de efeito estufa na faixa de 35% a 65% do total de gases que

gera o ICEV (SHAIK; NEELAKRISHNAN & RUDRAMOORTHY, 2009).

O PHEV pode ser carregado com eletricidade gerada através de fontes renováveis,

tornando uma contribuição ao aumento da eficiência energética e à integração destas novas

fontes de energia, beneficiando o setor de transporte.

Page 31: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

A Tabela 3 apresentam-se os tipos de configurações e os diferentes níveis de

hibridação do PHEV em relação aos HEV.

Tabela 3 – Configurações e diferentes níveis de hibridação dos HEV e PHEV

Micro -

HEV

Meio -

HEV

Totalmente

- HEV

HEV

Plug-in

SERIE x x

PARALELO x x x

SERIE - PARALELO x x

Fonte: (CHAN; BOUSCAYROL & CHEN, 2010).

2.2 Veículos Elétricos Puros

Os veículos elétricos puros (AEV) possuem as baterias como a única fonte de

energia utilizada para a propulsão do veículo. A Figura 6 apresenta um exemplo deste tipo de

configuração.

Normalmente no mercado existem dois tipos destes veículos: veículo elétrico a

bateria (Battery Electric Vehicle, BEV) e veículos elétricos de pilha de combustível (Fuel Cell

Electric Vehicle, FCEV).

2.2.1 Veículo Elétrico de Bateria

A energia para o ME do veículo elétrico de bateria (BEV) é fornecida por uma

bateria a qual é carregada na rede elétrica. Normalmente o ME controla a transmissão, mas

existem algumas variações onde a tração do ME é substituído por pequenos motores

acoplados nas rodas, fazendo com que o veículo fique mais compacto.

Em comparação com o ICEV, o BEV tem uma eficiência superior a 90%, atingindo

um nível emissão igual zero. Porém, o grande limitante deste tipo de EV é a bateria, já que as

características elétricas da mesma representam uma curta autonomia e um longo tempo de

recarga em relação às baterias do HEV e PHEV.

Page 32: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

2.2.2 Veículo Elétrico de Pilha de Combustível

O sistema de propulsão do veículo elétrico de pilha de combustível (Fuel Cell

Electric Vehicle, FCEV) e o BEV são semelhantes. Atualmente existe mais interesse na

aplicação do sistema de propulsão baseado em pilha de combustível, já que em comparação

com o ICE, o FCEV reduz as emissões de dióxido de carbono (CO2

Figura 6

) em 75% do total de

emissões geradas pelo ICE (LEE & RAJASHEKARA, 2008). Além disso, o FCEV pode ser

equipado com baterias ou ultra-capacitores. A apresenta este tipo de veículo.

Figura 6 - Veículo elétrico de bateria Fonte: Elaboração própria a partir de (SIANG & CHEE, 2012).

Page 33: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

Capítulo 3

3. Fontes de energia em veículos elétricos

Atualmente, existem diferentes desafios na indústria automotiva em relação à

integração dos EV como meios de transporte, tais como a diminuição do nível de

contaminação no meio ambiente e o impacto no sistema elétrico.

Nesse sentido, busca-se a integração de unidades de geração de energia alternativa

no veículo com o objetivo de carregar as baterias e aumentar sua autonomia. Para isso, têm

sido desenvolvidas algumas formas de geração tais como: painéis fotovoltaicos instalados nos

PHEV, geradores termoelétricos instalados no veículo, freios regenerativos e células de

combustível.

3.1 Tecnologias de geração de energia.

3.1.1 Painéis Fotovoltaicos

Os Painéis fotovoltaicos (PF) podem ser instalados em EV para o aproveitamento da

luz solar. A idéia principal é atingir uma boa quantidade de potência em um espaço mínimo.

Existem dois tipos de PF no mercado. São eles: o PF de silício cristalino e o PF de

lâmina fina.

Os PF têm uma eficiência máxima de 30% nos PF de silício cristalino e 21% nos PF

de lâmina fina. O grande desafio dos fabricantes de automóveis é gerar toda a energia que

utiliza o VE a partir de PF (SIANG & CHEE, 2012).

3.1.2 Gerador Termoelétrico Automotivo

O gerador termoelétrico automotivo (Automotive Thermoelectric Generator, ATEG)

é um dispositivo utilizado para a conversão de energia térmica residual gerada pelo ICE em

energia elétrica. Este dispositivo aproveita a energia perdida em forma de calor do ICE

Page 34: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

através do efeito Seebeck. Este efeito aparece quando dois semicondutores apresentam uma

voltagem em sua união por causa da diferença de temperatura entre eles.

A perda de energia é produzida pelos gases expulsos pelo motor de combustão

interna (MCI) e seu aproveitamento aumenta a eficiência em torno de 70% (SIANG & CHEE,

2012) (XIAODONG; CHAN & WENLONG, 2011). As vantagens deste sistema é que não

tem uma manutenção complexa, é silencioso e de baixo custo comparado com outros sistemas

de geração.

3.1.3 Células de Combustível (FC)

Este dispositivo é utilizado para a conversão de energia química contida em um

combustível eletroquímico em energia elétrica através de um processo de eletrólise. A

configuração física é apresentada na Figura 7.

Figura 7 – Funcionamento pila de combustível Fonte: (PRIETO, 2013)

O combustível e o oxidante são fornecidos continuamente ao eletrodo negativo

(anodo) e ao eletrodo positivo (catodo), o qual gera em eles reações eletroquímicas que criam

uma corrente elétrica através do eletrólito.

A classificação das células de combustível (Fuel Cell, FC) depende do eletrólito e

tipo de combustível utilizado. Algumas FC são:

• Células de combustível de álcool direto (Direct Alcohol Fuel Cell, DAFC) ou

comumente chamadas células de combustível de metanol direto (Direct Metanol Fuel

Hidrogênio Ar

Ar

+

Agua Ânodo Cátodo Eletrólito

Page 35: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

Cell, DMFC). São utilizadas principalmente para aplicações móveis como celulares,

computadores, PDAs e tablets.

• Células de combustível de polímero sólido (Solid Polymer Fuel Cell, SPFC) também

conhecidas como células de combustível a membrana trocadora de prótons (Polymer

Membrane Fuel Cell, PEMFC). Estas são desenhadas principalmente para fornecer

energia primária às células de combustível de VEs (Fuell Cell Electrical Vehicles,

FCEV) por meio de hidrogênio. As células PEMFC são principalmente utilizadas para

aplicações em transporte elétrico.

• Células de combustível de eletrólito alcalino (Alkaline Fuel Cell, AFC) que são

utilizadas para aplicações no espaço, podendo ser utilizadas para aplicações em

tecnologias móveis.

• Células de combustível de ácido fosfórico (Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC) que são

comumente utilizadas em aplicações de sistemas estacionários.

• Células de combustível de carbonato fundido (Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC).

• Células de combustível de óxido sólido (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) consideradas

para aplicações de geração de energia estacionária, tecnologias móveis e potência

auxiliar em VE (KHALIGH & ZHIHAO, 2010) (EG&G, 2004).

A alta eficiência, as baixas emissões e a simplicidade do sistema fazem a FC ideal para

aplicações automotivas. Na Tabela 4 são apresentadas as características das FC.

Page 36: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

Tabela 4 - Características das FC PAFC MCFC AFC SOFC DAFC / DMFC SPFC / PEMFC

Temperatura (ºC) 150 - 200 600 - 700 60 - 100 900 - 1000 50 - 100 50 - 100

Densidade de Potência (W/cm2 0.2 - 0.25 ) 0.1 - 0.2 0.2 - 0.3 0.24 - 0.3 0.04 - 0.23 0.35 - 0.6

Duração (Horas) 40000 40000 10000 40000 10000 40000

Custo ($/kW) 1000 1000 200 1500 200 200

DAFC - Célula de Combustível de Álcool Direto também conhecida como DMFC

DMFC - Célula de Combustível de Metanol Direto

SPFC - Célula de Combustível de Polímero Sólido também conhecida como PEMFC

PEMFC - Célula de Combustível a Membrana Trocadora de Protões

AFC - Célula de Combustível de Eletrólito Alcalino

PAFC - Célula de Combustível de Ácido Fosfórico

MCFC - Célula de Combustível de Carbonato Fundido

SOFC - Célula de Combustível de Óxido Sólido

Fonte: (KHALIGH & ZHIHAO, 2010)

3.1.4 Frenagem Regenerativa

A frenagem regenerativa permite ao veículo capturar e armazenar parte da energia

cinética que seria convertida em calor nos discos das rodas durante a frenagem. Na frenagem

regenerativa, quando o motorista pisa no freio para reduzir a velocidade do veículo elétrico, o

motor elétrico de tração é chaveado para atuar como gerador de eletricidade acionado pela

roda ou eixo das rodas. A energia elétrica gerada com a frenagem do veículo é armazenada

nas baterias onde é recuperado entre o 8% e 25% da energia perdida durante a frenagem

(YOONG et al, 2010). Para possibilitar uma frenagem rápida e abrupta, os veículos elétricos

são providos também dos freios tradicionais.

A frenagem regenerativa, além de contribuir para a redução do consumo de

combustível, no caso dos veículos elétricos híbridos, e do consumo de energia elétrica, no

caso dos veículos elétricos a bateria e híbridos plug-in, proporciona redução do desgaste das

lonas ou discos de freios, por frear o veículo via campo eletromagnético (sem atrito),

resultando em maior durabilidade para essas partes do sistema de freios (YOONG, et al 2010)

(JINGANG; JUNPING & BINGGANG, 2009) (SIANG & CHEE, 2012).

Page 37: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

3.2 Tecnologias de Armazenamento de Energia

Estudos realizados por pesquisadores na área automotiva têm buscado formas de

permitir a armazenagem de grandes blocos de energia em espaços reduzidos para uma

utilização posterior, levando em consideração variáveis como: o tamanho, o peso, a

capacidade de armazenamento, a segurança, a manutenção e o preço. Os sistemas de

armazenamento de energia como baterias, ultra-capacitores (Ultra Capacitor, UC), bateria

eletromecânica (Flywheel) e tanques de hidrogênio são avanços importantes para este fim.

3.2.1 Baterias

São dispositivos de armazenamento de energia elétrica devido a um processo

eletroquímico através de dois eletrodos (anodo e catodo) unidos por um fio ou um cabo

elétrico. As baterias se classificam em dois grupos: baterias primárias e baterias secundárias.

As baterias primárias são aquelas em que todos os agentes químicos são consumidos

deixando de produzir energia e não tendo a possibilidade de serem carregadas, por exemplo,

as pilhas disponíveis no mercado com tensões de 1,5V (TOSHIZAEMOM, 2009).

As baterias secundárias são aquelas que podem ser carregadas utilizando algum

dispositivo (carregadores) para que a energia seja restaurada cada vez que a bateria esteja

descarregada. Hoje em dia, essas baterias são adotadas para aplicações de transporte devido à

alta densidade de energia, tamanho compacto e viabilidade.

O mercado atual fornece principalmente tecnologias de baterias de chumbo-ácido

(Pb) sendo as mesmas mais baratas, de pouca manutenção e usadas por veículos

convencionais de combustão interna. No entanto, a energia específica e a densidade de

potência são baixas. Além disso, quando a bateria opera em um nível de carga muito próximo

do nível mínimo o ciclo de vida é diminuído.

As baterias de hidreto metálico de níquel (Ni-Mh) têm o dobro da densidade de

energia das baterias de chumbo-ácido e ambientalmente mais amigáveis, não apresentando o

efeito memória, o que resulta em uma vida útil mais longa e podem ser totalmente

descarregada sem danos. Por outro lado, embora as baterias possam ser recicladas, o níquel é

uma substância que pode causar contaminação ambiental tornando-se não atraentes para uso

automotivo.

A bateria de íon de Lítio (Litio-Ion) tem sido um avanço de muita importância para

aplicações portáteis devido a seu mínimo peso, alta capacidade de armazenamento de energia,

Page 38: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

alta densidade de potência e alta energia específica. Ademais, a bateria de íon de Lítio não

apresenta efeito memória e também não contem componentes tóxicos (TOSHIZAEMOM,

2009) (SOARES, 2012) (SIANG & CHEE, 2012). Sua principal desvantagem é seu custo de

produção.

Por outro lado, as baterias de Lition-Ion e as de Polímero de Litio são as que

apresentam melhores relações de energia/peso, energia/volume e potência/volume. Ademais,

possuem uma maior tensão nominal por célula. Esta última característica as fazem ideais para

o armazenamento de energia nos veículos elétricos. A capacidade das atuais baterias dos

veículos elétricos é de 10 e 30kWh que podem oferecer entre 100 e 200km de autonomia

dependendo da potência do motor (SIANG & CHEE, 2012) (BUCHMANN, 2013).

Atualmente, existem 4 tecnologias promissórias de baterias: Lítio-Ion Silício, Lítio-

Ion 3D, Lítio-Ar e Zinc-Ar. Embora os avanços sejam promissores, os pesquisadores

concordam que o maior desafio é a construção em grande escala (PRIETO, 2013).

A Tabela 5 apresenta as características dos principais tipos de baterias.

Tabela 5 - Características dos principais tipos de baterias Características Pb Ni - Cd Ni - Mh Li - Ion

Energia Especifica (Wh/kg) 30 - 50 50 - 80 40 - 100 118 - 250

Densidade de Energia (Wh/L) 100 300 180 - 220 200 - 400

Potência Especifica (W/kg) 180 200 200 - 300 200 - 430

Numero de Ciclos (Carga/Descarga) 200 - 500 1000 1000 1200

Tempo Minimo para Carga (h) 8 - 16 1 - 1.5 2 - 4 2 - 4

Tensão por Célula (V) 2.00 1,25 1.25 3.60

Corrente de Carga Baixa Muito Baixa Moderada Alta

Custo Baixo Médio Alto Muito alto

Fonte. (SOARES, 2012) (SIANG & CHEE, 2012)

3.2.2 Ultra – capacitores

Os ultra-capacitores (UC) ou normalmente conhecidos como capacitores “dupla

cara”, são constituídos por um par de condutores separados por um dielétrico. Sua resistência

interna é baixa, o que os torna mais eficientes, e sua principal diferença em relação aos

capacitores comuns está em que sua densidade de potência é muito maior.

Além disso, o UC tem um ciclo de vida longo, não precisa de manutenção e é

ambientalmente amigável. Existem 5 tipos de tecnologia de UC diferenciadas por seus

Page 39: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

mecanismos de armazenamento de energia e os materiais para a construção de seus eletrodos

(KHALIGH & ZHIHAO, 2010).

No entanto, apenas alguns tipos de tecnologias são utilizados em veículos elétricos,

são elas: capacitores (Electric Double Layer Capacitor, EDLC) carbono/carbono com

densidade de energia entre 5 Wh/kg e 7 Wh/kg; pseudo-capacitores com densidade de energia

entre 10 Wh/kg e 15Wh/kg.

A densidade de potência dessas tecnologias está em um intervalo de 1000 kW/kg a

2000 kW/kg (LI &WILLIAMSON, 2007) (SIANG & CHEE, 2012).

Essa tecnologia tem como desvantagem o alto custo e a dimensão, que é muito

maior que a dimensão das baterias de chumbo-ácido.

3.2.3 Armazenamento de Energia com Bateria Eletromecânica

O armazenamento de energia com bateria eletromecânica (Flywheel Energy Storage,

FES) ou volante é um sistema de armazenamento de energia mecânica (cinética), onde essa

energia é armazenada por um disco ou um rotor que gira sobre seu eixo.

A energia armazenada é proporcional à massa do volante e ao quadrado de sua

velocidade angular. São basicamente motores elétricos que podem absorver e fornecer energia

em um curto intervalo de tempo, os quais necessitam primeiro obter uma grande quantidade

de energia, para que o tempo de geração seja muito maior (XION & XIAPENG, 2007).

Possui alta densidade de potência, confiabilidade e sua vida útil está próxima dos 15

anos. Comparada com outros dispositivos de armazenamento, não necessita manutenção

contínua e não gera problemas para o ambiente. Este sistema tem diferentes aplicações no

setor automotivo. Sua resistência à força centrífuga, correntes de Foucault, efeito giroscópio e

vibrações são algumas de suas desvantagens.

3.2.4 Hidrogênio

O hidrogênio como combustível pode ser utilizado de muitas formas aproveitando a

energia que armazena. Em uma pilha de combustível, por exemplo, a energia química contida

no hidrogênio reage com oxigênio, produzindo energia elétrica; ou em um motor de

combustão, transforma energia térmica em energia mecânica.

Page 40: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

Existem basicamente duas formas de obtenção do hidrogênio. Na primeira forma o

hidrogênio é produzido por meio de reações químicas em vários passos a altas temperaturas

em presença de catalizadores que tem como resultado o hidrogênio químico.

Na segunda forma, a molécula de água é divida em oxigênio e hidrogênio aplicando

eletricidade, onde é obtido como resultado hidrogênio eletrolítico. O hidrogênio produzido

por eletrólises tem uma pureza superior ao produzido por processos químicos.

Uma característica do hidrogênio é seu elevado poder térmico, porém, possui baixa

densidade de energia por unidade de volume o que faz com que necessite de soluções de

armazenamento.

3.3 Tecnologias de Alimentação

Existem duas formas de recarregar o EV no mercado atual, recarga condutiva e

recarga indutiva.

A recarga indutiva é também chamada de conexão sem fio e é feita por meio de um

acoplamento indutivo entre dois objetos que possuem seus respectivos enrolamentos para o

envio e recepção da energia. Os enrolamentos de transferência encontram-se no EV e no piso.

Sua principal vantagem é a segurança por não ter contatos elétricos que aumentam o

risco de choques elétricos, além de ser mais confiável em aplicações expostas a água. Por

outro lado, comparada com a recarga condutiva, possui baixa eficiência, baixa

compatibilidade de frequência e indutância de fuga.

A recarga condutiva é uma carga convencional onde a potência é transferida por

contato físico entre carregador e EV por meio de um fio e uma tomada padrão. A diferença

com a recarga indutiva é que a recarga condutiva oferece uma maior eficiência, mas uma

menor segurança. Na atualidade a recarga condutiva é mais utilizada que a recarga indutiva.

A Norma de América do Norte SAE J1772 utilizada atualmente por os Estados

Unidos de América (EUA) e Japão, e as Normas IEC 62196 e IEC 61851 utilizadas por

Europa definem os padrões dos carregadores, infraestrutura de carga utilizada e possíveis

níveis de recarga dos VE (SOARES, 2012),.

Na recarga condutiva existem dois tipos de classificação de carregadores de EV. O

primeiro tipo é conectando à rede de alimentação CA. Nesse caso, um carregador é instalado

no interior do EV (carregador on-board) sendo apropriado para recarga noturna em zona

residencial e durante o dia no lugar de trabalho. O segundo tipo é conectando à rede de

Page 41: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

alimentação CA, onde um carregador é instalado por fora do EV (carregador off-board) para

que este forneça energia em CC ao EV, sendo análogo a um posto de gasolina.

A Tabela 6 apresenta os modos de carregamento de acordo a padrão IEC61851.

Tabela 6 – Sistema condutivo de carga para EV de acordo a IEC-61851 IEC - 61851

Modo de

Carregamento

Corrente

Máxima

Potência

[kW] Características

Modo 1

CA 16A * fase 3.7 - 11kW

- Tomada elétrica padrão, não especificada para EV.

- É preciso de um dispositivo de proteção antes da instalação.

- Em alguns países está proibido o modo 1 de carregamento.

Modo 2

CA 32A * fase 7.4 - 22kW

- Conexão do EV numa Tomada padrão por meio de um cabo especial com

função de piloto de controle e proteção diferencial.

Modo 3

CA 64A * fase

14.8 -

43kW

- Estação de carregamento para uso do EV, conectada permanentemente à

rede CA. Conector especial (5 - 7 pines).

Modo 4

CC Hasta 400A

Aprox. 50

- 150kW

- Estação de recarrega para uso exclusivo do EV. Conectada diretamente à

CA

- Carregador Off-Board.

Fonte: (ASIN, 2010)

De acordo a padrão SAE-J1772 os níveis de carga podem ser divididas em três

níveis.

3.3.1 Nível 1 de Carga

Também chamado de “recarga lenta”, neste nível o EV se conecta diretamente à rede

de CA através de uma conexão monofásica padrão até 120V por meio de uma tomada padrão

NEMA de 15 ou 20A normalmente localizada nas garagens das casas e usualmente o veículo

é conectado no horário da noite onde as tarifas de energia são mais baratas que em horário de

ponta. Em geral, nenhum equipamento especial precisa ser instalado para este nível de carga.

A potência máxima de recarga será de aprox. 1.9kW. O carregador é on-Board. O tempo de

recarga dependendo do tipo e do modelo do veículo oscila entre 12 e 18 horas. (SAE, 2010).

Page 42: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

3.3.2 Nível 2 de Carga

Neste nível, o EV conecta-se à rede CA com uma tomada padrão, com corrente menor

que 80A e tensão 208 - 240V em conexão monofásica com proteção a terra. A diferença com

o Nível 1 é que neste nível o fabricante do EV fornece um equipamento de controle externo

que indica a correta conexão do EV. Além disso, este nível recarrega a bateria mais rápido

que o nível 1 de carregamento. Normalmente este nível encontra-se em lugares de atividades

diárias como centros comerciais, estações públicas de recarga e lugares de trabalho. Ainda

pode ser encontrado em residências (SAE, 2010).

3.3.3 Nível 3 de Carga

Também chamado “recarga rápida” ou recarrega em DC e, algumas vezes referido ao

nível 3 de carregamento. Este nível permite obter a recarrega das baterias de 10 a 15min.

Admite tensões de 600 e 400A em conexão DC (SAE, 2010).

A vida útil da bateria se reduz pelo alto nível de corrente (GARCIA, 2013). A

infraestrutura de carga é similar com uma estação de gasolina atual. No entanto, a alta

potência envolvida neste nível precisa de modificações e reforços na rede elétrica.

3.3.4 Troca de Bateria

Na troca de bateria, a bateria descarregada é substituída por outra bateria

completamente carregada. Neste processo o EV é estacionado na estação de serviço e

mediante um dispositivo automático se faz a troca da bateria.

O processo pode demorar de 2 a 5 minutos (TOSHIZAEMOM, 2009), sendo sua

principal vantagem. No entanto, as desvantagens são o elevado custo da infraestrutura para

automatizar o processo e a preocupação com o padrão dos sistemas de baterias e sistemas

mecânicos.

Page 43: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

Capítulo 4

4. Impactos dos veículos elétricos

Hoje, os problemas ambientais e os preços dos combustíveis fósseis fazem a

necessidade de mudar o sistema de transporte. De acordo com o informe internacional sobre

as perspectivas da energia, o setor transporte vai incrementar sua participação com o consumo

de petróleo até um 60% em 2030 1

No entanto, as redes elétricas não estão desenhadas para o ingresso massivos dos EV,

considerando o recarregamento de suas baterias como um novo tipo de carga para o sistema

elétrico, tornando maior a demanda de energia e os valores de carga nas hora ponta

(FERREIRA, et al 2010) (RICHARDSON, 2012) (LIN et al, 2010) (ROBERT; LINGFEN &

MANSOOR, 2010).

. Nesse sentido, surge a oportunidade de assegurar os

benefícios dos EV ao sistema elétrico mundial.

Ademais, o elevado custo dos EV e sua baixa fabricação em massa é a sua principal

desvantagem. Há de se considerar que a fabricação em grande escala dos EV pode significar

um impacto desfavorável para o ambiente, devido aos materiais e a tecnologia utilizada para a

fabricação das baterias e motores elétricos (ROSSO, 2010) (RICHARDSON, 2012).

4.1 Impactos à Rede Elétrica

O impacto dos EV na rede elétrica está intimamente associado com o tempo e o

momento de recarga das baterias (YILMAZ & KREIN, 2013) (ROSSO, 2010).

Deste modo, um curto tempo de recarga pode gerar picos de energia na curva de

demanda quando existir um número alto de EV recarregando. Dependendo da estratégia de

recarga usada, mesmo que seja uma estratégia simples de carregamento, irá requer

investimentos adicionais em transmissão e distribuição já que implica um aumento de carga

nos transformadores, perdas no sistema, desvios de tensão, aumento das correntes de falta e

distorções harmônicas (RICHARDSON, 2012) (REI et al, 2010).

1 Ver: "International Energy Outlook 2013," Energy Information Administration Office of Integrated Analysis and Forecasting U.S. Department of Energy Washington DC, Jul 2013.

Page 44: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

No entanto, quando os EV usam uma estratégia inteligente de carregamento o uso e

aproveitamento da rede podem ser melhor explorados, por exemplo, os EV podem ter a

capacidade de regular o perfil de consumo da rede elétrica e garantir a estabilidade da tensão e

frequência, armazenando e fornecendo energia das baterias dos veículos estacionados

(SOARES, 2012) (ROSSO, 2010) (RICHARDSON, 2012).

4.2 Impactos ao Ambiente

Os EV podem ser alternativas para diminuir os impactos ambientais dos atuais

veículos de combustão interna, ajudar à redução de gases de efeito estufa e propiciar uma

menor contaminação acústica (RICHARDSON, 2012).

Atualmente, tem-se discutido os impactos de sua fabricação, já que alguns de seus

componentes como o neodímio encontrado nos motores e o lântano achado nos anodos das

baterias, só podem ser obtidos por meio de processos químicos contaminantes.

Ademais a fabricação em massa das baterias gera um grande volume de resíduos que

deve ser armazenado de forma adequada. Adicionalmente, a troca das baterias que

normalmente ocorrem a cada três anos, devem ter lugares especiais para o descarte das

mesmas, incrementando o custo de substituição (BACHER, 2013).

4.3 Impactos Econômicos

Atualmente, considerando os problemas ambientais existentes, procura-se soluções

mais rápidas e eficazes, sobre tudo cada vez mais econômicas tanto para o produtor como

para o consumidor final. A partir desta perspectiva, os impactos econômicos podem ser

analisados de duas formas: pelos veículos e pelo sistema elétrico.

Os componentes e o processo de fabricação dos EV os fazem mais custosos que os

veículos convencionais, mas cada dia o governo e as entidades públicas estão procurando

alternativas para incentivar a compra dos EV pelos benefícios ambientais (emissão zero de

poluentes e ruído) que reduzem os custos indiretos na área da saúde, por exemplo.

O custo do sistema elétrico está diretamente afetado pelo momento da recarga do EV.

Dependendo do horário e da estratégia de carregamento pode-se buscar o uso das instalações,

sem custo de inversões adicionais e uma maior integração com fontes renováveis de energia

(ROSSO, 2009).

Page 45: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

4.4 Impactos no Armazenamento de Energia Proveniente de Geração Distribuída Intermitente

Algumas agências como a Distribution Power Coalition of América (DPCA),

International Energy Agency (IEA), California Energy Comission (CEC), Electrical Power

Research Institute (EPRI), Conseil International des Grands Réseaux Electriques (CIGRE)

definem de um jeito diferente a Geração Distribuída (GD), pelo qual, todavia não existe um

acordo na definição do que constitui a GD. Isto porque, são múltiplos os fatores que afetam

sua definição: nível de tensão de conexão do gerador, potência da unidade geradora,

tecnologia empregada, limite de potência, seguindo aspectos técnicos e não seu impacto no

sistema de potência.

No entanto de forma geral, a GD pode ser definida como a geração de energia elétrica

instalada perto dos pontos de consumo e conectada diretamente ao sistema elétrico de

distribuição, podendo operar em paralelo ou de forma isolada (OCHOA, 2006).

O uso integrado da GD com base em energias renováveis e os veículos que podem se

conectar à rede, precisam de sistemas onde os excessos de energia elétrica em momentos de

alta produção e baixa demanda possam ser armazenadas. Nesse sentido os excessos de energia

elétrica podem ser absorvidos pelos veículos elétricos, ao ser considerados sistemas de

armazenamento de energia e não só como cargas elétricas. Deste modo tem-se um

aproveitamento total da energia gerada por parte das fontes de GD e outras fontes

intermitentes como painéis fotovoltaicos, usinas eólicas, etc. No entanto, os sistemas de

distribuição e transmissão não estão geralmente projetados para o emprego de GD e conexão

massiva de veículos elétricos, causando estes, problemas tais como: regulação de tensão,

níveis de curto-circuito, coordenação dos dispositivos de proteção, perdas de potência e

fornecimento de energia as cargas (OCHOA, 2006).

Page 46: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

Capítulo 5

5. Carregadores de baterias para veículos elétricos

O sucesso da implantação dos EV está relacionado diretamente com os sistemas de

distribuição e os equipamentos de carregamento e armazenamento. Nesse sentido, a entrada

massiva dos EV pode gerar sobrecarga nos horários de ponta, variações da tensão e distúrbios

das formas de onda da tensão e corrente nas redes de distribuição. Nesse sentido, as baterias e

os sistemas de carregamento podem ajudar à estabilização das redes por possíveis flutuações,

armazenamento da energia que sobra e regulação de tensões.

Uma vez que o desempenho das baterias não só dependem de sua construção, mas

também de como são usadas e recarregadas, os carregadores das baterias são uns dos

componentes mais importantes que podem aumentar significativamente a eficiência e

confiabilidade dos EV.

Existe uma variedade de topologias de construção, arquiteturas de potência e

algoritmos de carregamento que estão sendo desenvolvidos para os carregadores das baterias

dos EV. Assim, são definidos três classificações para os carregadores utilizados em EV,

considerando a direção do fluxo de potência ou a integração no veículo:

• Carregadores unidirecionais.

• Carregadores bidirecionais.

• Carregadores integrados.

A Figura 8 apresenta a topologia geral do fluxo de potência entre a rede elétrica e as

baterias dos EV.

Os EV com carregadores de baterias unidirecionais possuem só um estado de

carregamento, denominado estado de recarga (fluxo de potência da rede elétrica para as

baterias). A Figura 8 (a) apresenta esta topologia.

Por outro lado, os carregadores de baterias bidirecionais possuem dois estados, estado

de recarga (fluxo da corrente da rede elétrica para as baterias) e estado de descarga conhecido

como modo geração (fluxo de potência das baterias para a rede elétrica), Figura 8 (b).

Page 47: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

(a) (b)

Figura 8 – Fluxo de potência entre a rede elétrica e as baterias dos EV Fonte: Elaboração própria a partir de (YILMAZ & KREIN, 2013) (ORELLANA, 2011).

Como apresentado na Figura 9, os componentes principais dos carregadores de

baterias para os EV são o conversor CA-CC, uma etapa do controle do fator de potência por

meio do Power Factor Controller (PFC) e o conversor CC-CC, (ORELLANA, 2011).

Figura 9 - Topologia geral dos carreadores On/Off Board para EV Fonte: (YILMAZ & KREIN, 2013) – Modificado

Page 48: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

O conversor CA-CC tem a função de transformar a tensão alternada da rede em tensão

contínua, mantendo um alto fator de potência por meio do PFC. Por outro lado, a tensão e

corrente de saída do conversor CA-CC são adaptadas por meio do conversor CC-CC,

geralmente isolado em alta frequência, para ser utilizadas na recarga das baterias

(ORELLANA, 2011). Estes conversores CC-CC possuem um alto nível de eficiência de

conversão (>90%) (BELLUR & KAZIMIERCZUK, 2007).

Apesar dos conversores serem utilizados em muitas aplicações como computadores,

equipamentos de comunicações, telefones, equipamento médico e eletrodomésticos, nem

todos os tipos de conversores são apropriados para uso em carregadores de baterias para EVs

(KHAN, 1994). Por outro lado, os carregadores de baterias dos EVs estão desenhados para

cumprir os padrões IEEE-1574, SAE-J2894, IEC-1000-3-2, IEC61851-1 e o National Electric

Code (NEC) – 690, os quais se referem às limitações das harmônicas de corrente injetada na

rede de alimentação (YILMAZ & KREIN, 2013).

5.1 Carregadores de Baterias Unidirecionais

Devido ao aumento dos carregadores de baterias convencionais, Conventional Battery

Charger (CBC), e seu impacto nas redes de distribuição, pela utilização de diodos

retificadores e capacitores com baixo fator de potência, foram desenvolvidos os carregadores

de baterias unidirecionais Unidirectional Battery Chargers (UBC’s).

Os UBCs possuem a característica de adquirem potência da rede de distribuição para

carregar as baterias dos EVs e não injetar potência na mesma (fluxo de energia unidirecional).

Esses carregadores são utilizados para os três níveis de carregamento, já que não precisam de

muitos componentes (hardware) para sua configuração, minimizando os problemas de

interconexão e não produzindo degradação nas baterias (YILMAZ & KREIN, 2013).

Além disso, estes carregadores são desenhados com a capacidade de corrigir o fator de

potência e aumentar a eficiência, em função do tipo de circuito conversor unidirecional CC-

CC e à técnica de controle utilizada. Por tal motivo, os UBCs que possuem esta característica

são denominados carregadores de baterias unidirecionais com fator de potência corrigido

Power Factor Corrected (PFC) ou carregadores de baterias unidirecionais ativos Active

Unidirectional Battery Charger (AUBC) (BERTOLUZZO; ZABIHI & BUJA, 2012).

A Figura 10 apresenta um UBC básico sem correção de fator de potência (PFC), uma

vez que não possui um conversor que seja capaz de proporcionar corrente contínua constante

Page 49: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

as baterias sem distorcer a tensão e a corrente da fonte de alimentação (ORELLANA,

2011)(BRADLEY, 1981).

Figura 10 - Carregador básico de baterias Fonte: (ORELLANA, 2011) (BRADLEY, 1981).

Atualmente, os UBCs estão disponíveis e configurados com pontes retificadoras para

o conversor CA-CC na entrada do carregador, em conjunto com filtros e conversores CC-CC,

normalmente, Buck, Boost, Buck/Boost, isolado com Flayback, Forward, Pushpull, Half-

Bridge, Full-Bridge, SEPIC, CUK e conversores Multinível. Adicionalmente,

transformadores isolados de alta frequência podem ser utilizados para reduzir custos, peso,

tamanho e oferecer tensões otimizadas (SINGH et al, 2003) (YILMAZ & KREIN, 2013).

O conversor Buck (redutor) mostrado na Figura 11 é o conversor mais simples de

todos, com uma eficiência elevada, maior que 90%. Neste conversor a tensão de saída é

menor que a tensão de entrada. Por outro lado, devido ao esforço elétrico dos semicondutores,

este conversor não é utilizado para PFC.

Figura 11 - Conversor Buck Fonte: (MUHAMMAD, 2011).

Um dos conversores mais utilizados na indústria de carregadores de baterias que

possui PFC, alta eficiência e baixa distorção harmônica é o conversor Boost. Nesses

conversores, a tensão de saída é maior que a tensão de entrada. A Figura 12 apresenta uma

Page 50: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

topologia convencional na qual possui uma ponte retificadora dedicada para retificar a tensão

de entrada CA para CC, seguida do conversor Boost, constituído por um indutor, uma chave

semicondutora, um diodo e um capacitor.

Figura 12 - Topologia de UBC com conversor Boost Fonte: (MUHAMMAD, 2011) – Modificado

Devido ao capacitor de saída que trabalha em alta tensão, a energia é armazenada mais

eficientemente, permitindo valores menores de capacitância. A presença do indutor na entrada

bloqueia variações súbitas na tensão da rede, podendo obter a corrente desejada. Esta

topologia é boa para níveis baixos e médios de potência (aprox. 1kW). Variações deste

conversor ou módulos de semicondutores são usados para níveis maiores de 1kW (MUSAVI,

et al, 2012). Para aplicação em carregadores de baterias, este conversor é usado em frenagem

regenerativa e devido a sua estrutura simples se derivam outras mais complexas como o

conversor Buck-Boost ou CUK.

O conversor Buck-Boost, ilustrado na Figura 13, consiste de um conversor Boost com

PFC e um conversor Buck.

Figura 13 - Carregador controlado com dois estágios Fonte: (ORELLANA, 2011).

Page 51: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

Este conversor é outra topologia utilizada que fornece uma tensão de saída que pode

ser maior ou menor que a tensão de entrada. Nesse caso, a polaridade da tensão de saída é

oposta à tensão de entrada, permitindo uma grande gama de tensões na saída.

Topologias isoladas e não isoladas derivadas dos conversores citados são

desenvolvidas. A Figura 14 apresentam distintas topologias deste tipo de conversores.

Transformadores isolados de alta frequência oferecem melhor controle da tensão, segurança

na carga, redução de peso, tamanho e perdas (SINGH et al, 2003). Estas configurações

melhoram a qualidade da energia e possuem controle variável sobre a tensão da saída CC,

para cumprir as necessidades requeridas.

A Figura 14 (a) apresenta um circuito típico usando um conversor CC-CC Buck com

transformador isolador de alta frequência. A configuração Flyback é amplamente utilizada

onde a conversão isolada é requerida para baixas taxas de potência (até 250W). Várias tensões

de saída isoladas são obtidas facilmente reguladas por um só circuito de controle. É um

conversor simples e pouco custoso, mas tem baixa eficiência e grande esforço elétrico devido

à indutância de fuga (YILMAZ & KREIN, 2013). A Figura 14 (b) mostra um conversor Buck-

Boost unidirecional baseado em Flyback.

O conversor Forward é um conversor isolado com capacidade de manejar mais

potência que o conversor anterior. Pode ser considerada uma derivação direta do conversor

Push-pull, onde uma das chaves é substituída por um diodo. Além de seu baixo custo do

conversor Push-pull, a transferência de energia ocorre no ciclo de magnetização e

desmagnetização do transformador, o que significa um melhor aproveitamento do núcleo,

permitindo um tamanho reduzido do mesmo (KOLLING, 2010).

Análogo ao conversor Buck-Boost, o conversor CUK utiliza um capacitor em vez de

um indutor para o armazenamento da energia, proporcionando uma corrente contínua de

entrada e saída, sendo sua maior vantagem. Além de ser mais custoso comparado com outros

conversores (Flyback, Boost), tem a desvantagem de ter alto número de componentes passivos

e maior esforço elétrico sobre o capacitor. A Figura 14 (c) apresenta esta topologia.

A Figura 14 (d) mostra o conversor SEPIC que apresenta indutores de alto valor e um

capacitor de saída. Este conversor tem a característica Buck-Boost não inversora e os esforços

de tensão sobre o capacitor são mais baixos que no CUK (YILMAZ & KREIN, 2013).

Page 52: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

(a) Conversor Unidirecional Buck isolado com

Transformador de Alta Frequência

(b) Conversor Unidirecional Buck-Boost baseado

em Flayback

(c) Conversor Buck-Boost Unidirecional Isolado

derivado do CUK

(d) Conversor Unidirecional Buck-Boost derivado

do SEPIC

Figura 14 - Topologias de conversores para UBCs Fonte: (SINGH et al, 2003).

Atualmente, mais EVs utilizam carregadores monofásicos para recarregar suas

baterias. Assim, a implantação dos EVs fazem dos UBCs uma solução importante devido à

simplicidade em seu controle, baixo custo, menor peso, volume e perdas, e mitigação dos

problemas associados aos carregadores bidirecionais (YILMAZ & KREIN, 2013)

5.2 Carregadores de Baterias Bidirecionais

Os carregadores de baterias bidirecionais, Bidirectional Battery Charger (BBC),

permitem o fluxo de eletricidade da rede elétrica para as baterias dos automóveis (modo

recarga) e das baterias para a rede elétrica (modo geração) (BERTOLUZZO; ZABIHI &

BUJA, 2012). A topologia de um carregador de baterias trifásico bidirecional é apresentada

na Figura 15.

Page 53: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

Figura 15 - Topologia de um BBC Trifásico Fonte: (SINGH et al, 2003).

Os BBCs estão geralmente construídos por filtros, conversores CA-CC e conversores

CC-CC, ambos bidirecionais. A rede elétrica está acoplada ao conversor bidirecional CA-CC

para a conversão de corrente alternada em corrente contínua e para a correção do fator de

potência, seguido de um conversor CC-CC para regular a corrente das baterias.

Geralmente os conversor são construídos com transistores MOSFET (Metal Oxide

Semiconductor Field Effect Transistor) para níveis baixos de potências, IGBT (Insulated Gate

Bipolar Transistor) para níveis médios de potência e GTO (Gate Turn-off Thyristor) para

níveis altos de potência, em função das propriedades semicondutoras destes dispositivos.

Entre as topologias mais utilizadas para configuração destes carregadores têm-se os

conversores Half-Bridge, Full-Bridge (VSI-CSI), Multilevel (VSI-CSI) e Matriz de

Conversores (YILMAZ & KREIN, 2013), mostrados na Figura 16. Adicionalmente,

configurações de circuitos não-isolados e isolados são aproveitados.

Os conversores Half-Bridge, como se apresentam na Figura 16 (a) e (c), possuem

menor número de componentes semicondutores e menor custo que os conversores Full-

Bridge.

Os carregadores com conversores Full-Bridge, Figura 16 (b), possui mais

componentes, requerendo mais entradas Pulse Width Modulation (PWM), elevando os custos

e a complexidade no controle. Suas vantagens são sua relação de conversão e a alta potência

de operação.

A Figura 16 (d) apresenta a topologia de um conversor CC-CC bidirecional CUK. A

corrente de saída descontínua quando trabalha em modo Boost (elevador) é seu principal

inconveniente. (YILMAZ & KREIN, 2013).

Page 54: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

(a) Carregador Bidirecional Monofásico com

Conversor Half-Bridge

(b) Carregador Bidirecional Monofásico com

Conversor Full-Bridge

(c) Topologia de Conversor Bidirecional CC – CC

Half-Bridge

(d) Topologia de Conversor Bidirecional CC – CC

CUK

Figura 16 - Topologias de BBCs para EV Fonte: (YILMAZ & KREIN, 2013) (SINGH et al, 2003) (SIANG & CHEE, 2012).

.

Outro tipo de conversor bidirecional para aplicação em carregadores de baterias são os

conversores Multinível (VSI-CSI). Estes conversores estão configurados com semicondutores

de potência e capacitores como fontes de tensão. Requerem controle mais complexo devido

ao número de chaves utilizadas, tornando-os mais custosos. Ademais, possuem tamanho

reduzido, alto fator de potência, baixo esforço de tensão nas chaves, baixas perdas dos

componentes e são aconselhados para carregadores Nível 3 (YILMAZ & KREIN, 2013).

A Matriz de Conversores fornece formas de onda de entrada e saída senoidais, com

harmônicas de mínima ordem e sem sub-harmônicas. O fator de potência da entrada pode ser

totalmente controlado. Possui requerimentos mínimos de armazenamento de energia que

permite a eliminação dos capacitores de armazenamento volumosos e de vida limitada. No

entanto, têm uma tensão de entrada/saída limitada até 87% para formas de onda senoidais e

precisa de mais dispositivos semicondutores que os conversores convencionais. São

Page 55: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

particularmente sensíveis às perturbações do sistema de alimentação (YILMAZ & KREIN,

2013).

Com o crescimento das redes inteligentes ou “smart grids” (uso da tecnologia digital

para o fornecimento de eletricidade aos consumidores) e o conceito de veículo à rede (Vehicle

to Grid, V2G) tem-se procurado um sistema de gestão de eletricidade coordenada entre as

redes elétricas e os EVs.

Este conceito recente de V2G permite, por meio dos BBCs, recarregar as baterias em

um momento de pico de produção de eletricidade e entregar eletricidade à rede elétrica em um

pico de demanda de eletricidade. Outros serviços, como regulação de tensão, regulação da

frequência podem ser realizados com a ajuda dos BBCs.

No entanto, alguns problemas associados à degradação das baterias devido aos

permanentes ciclos de carga e descarga, melhoras nos sistemas de distribuição, circuitos de

controle adicionais, medidas de segurança, sistemas de proteção e custos, têm dificultado sua

aplicação, sendo esperados só para o Nível 2 (nível de recarga público) (YILMAZ & KREIN,

2013).

A Tabela 7 apresenta as topologias e comparações dos carregadores de baterias

unidirecionais e bidirecionais incluindo nível e fluxo de potência, algoritmos de controle,

métodos de melhora de desempenho, efeito sobre as baterias, custos, necessidades e desafios.

Page 56: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

Tabela 7 – Topologias e comparações dos UBCs e BBCs para EV

Fonte: (YILMAZ & KREIN, 2013) – Modificado

Situação Nivel de Potência

Fluxo de potência e dispositvos

de chaveamento

Configuração, Isolamento e Segurança Propriedades e compararação Métodos para

melhorar o desempenho

Algoritmo de

controle Controle

Efeito sobre as baterias

Sistema de distribução

Custos e Beneficios

Necessidades e desafíos

Car

rega

dore

s Uni

dire

cion

ais e

In

fres

trut

ura

de R

ecar

rega

Disponível

Nivel 1 (Reisdencial), Nivel 2 (Público/On-Board), Nivel 3

(Rápida/Ultra-

Rápida/Off-Board)

- Fluxo de enêrgia unidirecional, carregador de energia básico (G2V). - Ponte de diodos + conversor unidirecional.

Monofásico Baixa Potência Recarrega Lenta

- Não Isolado - Isolado

- Ponte de diodos + Buck - Ponte de diodos + Boost - Ponte de Diodos + Buck/Boost - Ponte de Diodos + Configuração isolada - Flyback - Forward - Pushpull - Half-Bridge - Full-Bridge - SEPIC - CUK - Multilevel

O conversor Buck é o conversor mais simples dos conversores. Neste conversor a tensão de saída é menor que a tensão de entrada. Requere poucos componentes e seu gasto energético é baixo. - No conversor Boost a tensão de saída é maior que a tensão de entrada. Este conversor possui ao menos um par de diodos e transistores e ao menos um condensador ou qualquer elemento de armazenamento de energia. No conversor Buck-Boost a tensão de saída pode ser maior ou menor que a tensão de entrada. Também, se obtém uma saída de polaridade negativa com respeito a terminal comum da corrente de entrada. A vantagem principal é o baixo numero de dispositivos. Suas desvantagens são o alto rizado da tensão de entrada e o alto esforço elétrico. Flyback é amplamente utilizado onde a conversão isolada é requerida para baixos rangos de potência. Altas tensões de saída são obtidas de um jeito fácil, porque não existe um indutor na seção de saída. É simples e pouco custoso, mas tem alto esforço de tensão e baixa eficiência devido à indutância de fuga. O Forward pode ser considerado uma derivação direta do conversor Push-Pull, onde um dos switches é substituído por um diodo. Esta topologia é usualmente muito comum devido seu custo menor. Similar ao Buck-Boost, o CUK proporciona uma tensão de saída regulada de polaridade negativa respeito a terminal comum da entrada. Suas vantagens são a corrente continua na entrada e saída. As desvantagens são o alto numero de componentes passivos, grandes enrolamentos e alto esforço elétrico. SEPIC possui dois grandes indutores e capacitores de saída, sua corrente de saída é descontinua. Tem uma característica Buck-Boost não inversora. Igualmente mostra (como o Cuk) que o terminal do switch de controle esta conectado à terra, que simplifica a construção do circuito de controle da porta. Os esforços da tensão no capacitor são mais baixos que no CUK. Isto mostra uma corrente de entrada não pulsante. Cuk e SEPIC/Luo podem converter potência bidireccionalmente utilizando dois switches ativos. O esforço da corrente para os switches e diodos no Cuk e SEPIC/Luo são maiores que no Half-Bridge debaixo as mesmas condições de potência e de tensão de entrada/saída. Por tanto, espera-se que o Half-Bridge seja mais eficiente. Também tem um menor numero de indutores e condensadores.

- PFC. - Bridgless Boost PFC. - Interleaved: Reduz a corrente de carregamento das baterias, tamanho do indutor e tensão no capacitor de saída, mas limita o nivel de potência. - Bridgless Interleaved: Alto nivel de potência. - Multicell. - Circuito Ressonante: Reduz os esforços e perdas, possui alta eficiência. - Soft/Hard Switching. - Zero Voltage and Current Switching (ZVS - ZCS): Reduz tamanho e peso.

- PI - PID - Modo Sliding - Lógica Fuzzy - Controle Adaptativo. - Redes Neurais.

- Simples. - Controle ativo de corrente de carregamento. - Controle basico e pode ser controlado por medio de tiempo e enêrgia.

Sem degradação

Não precisa de atualização ou de investimento.

- Fornece serviços baseados em potência reativa e ajuste dinâmico, sem precisar investimento. - Ministra ou absorve potência reativa, sem ter que descarregar a bateria, por meio do controle do ângulo de fase da corrente. - Controle da frequência e tensão. - Custo baixo.

Conexão de potência à rede elétrica.

Trifásico Alta Potência Recarrega Rápida

Car

rega

dore

s Biid

irec

iona

is e

In

fres

trut

ura

de R

ecar

rega

Não Disponível

Esperado só para nivel 2

(Público/On-Board)

- Fluxo de enêrgia y comunicación bidirecional, carrega/descarrega (V2G). - MOSFET (Baixo nivel de Potência). - IGBT (Nivel de potência Meia). - GTO (Alto nivel de potência).

Monofásico Baixa Potência Recarrega Lenta

- Não Isolado - Isolado - Não Isolado tem a vantagens de uma estrutura simples, alta eficiência, baixo custo, alta segurança, etc. - Extensivas medidas de segurança. - Proteção anti-ilhamento. -Problemas de interconexão

- Push-pull - Hall-Bridge - Full-Bridge (VSI - CSI) - Multinivel (VSI - CSI) - Matriz de Conversores

Half-Bridge tem menos componentes, menor custo, simplicidade no controle, esforço mais alto nos componentes. Ele tem o mesmo numero de componentes ativos e passivos como o Buck-Boost de dois quadrantes. Possui só um indutor em vez de dois (SEPIC-CUK). Maior eficiência que o SEPIC e o CUK, porque tem menor perdas de comutação e menor indutor de condução. Seu inconveniente é a corrente de saída descontinua quando funciona como Boost. Full-Bridge mais componentes e entradas PWM, controle complexo, alto custo, mas menor esforço nos componentes. Além disso, tem uma alta relação de conversão e nível de potência. Multilevel requer circuito de controle adicional. Os componentes adicionais incrementam a complexidade e seu custo, mas reduzem o esforço e perdas dos componentes. Possui alta eficiência, reduzindo tamanho e frequência de comutação. Matrix Converters fornece formas de onda de entrada e saída sinusoidais, com harmônicas de mínimo ordem e sem sub-harmônicas. Têm um fluxo de energia bidirecional; o fator de potência da entrada pode ser totalmente controlado. Possui requerimentos mínimos de armazenamento de energia que permite a eliminação dos capacitores de armazenamento voluminosos e de vida limitada. No entanto, têm uma tensão de entrada/saída limitada até 87% para formas de onda sinusoidais e precisa mais dispositivos semicondutores que os conversores CA-CA convencionais. São particularmente sensíveis às perturbações do sistema de alimentação.

- Complexo. - Precisa de circuitos de controle adicionais.

Degradação devido à continua carrega/descarrega (fluxo de potência bidirecional)

Precisa de atualização e de custos de investimento

- Serviços auxiliares como regulação de tensão e regulação de frequência - Suporte de potência reativa. - Balaço energético. - Custo alto.

-Comunicação e potência bidirecional. - Medição e monitoramento inteligente. - Troca de informação importante. - Investimento e custos adicionais. - Perdas de energia.

Trifásico Alta Potência Recarrega Rápida

Page 57: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

5.3 Carregadores Integrados

Uma das formas de diminuir a eletrônica de potência, peso e volume no interior dos

PEV e ainda poder recarregar suas baterias quando for preciso, é por meio dos carregadores

de baterias integrados, Integral Battery Charger (IBC). Os IBC surgem da idéia de usar todos

ou alguns dos dispositivos de potência do sistema de tração do veículo.

Os enrolamentos do motor de tração, dispositivos de comutação e conversores

bidirecionais formam o IBC, como mostrado na Figura 17.

Figura 17 - Estrutura típica de carregador integrado para PEV Fonte: (YILMAZ & KREIN, 2013)

Uma vez que o motor de tração é usado, os modos de carregamento das baterias e

movimento do veículo não podem operar simultaneamente. O carregamento ou movimento do

veículo ativa-se abrindo ou fechando comutadores geralmente de tipo eletromecânico. Seu

fator de potência unitário, baixo custo e geração de alta potência são ideais para os níveis de

carregamento 2 e 3, sendo suas maiores vantagens. No entanto, a complexidade no controle e

hardware adicional são suas desvantagens.

Outras topologias derivadas dos conversores citados anteriormente têm sido

desenvolvidas para melhorar o desempenho dos carregadores de baterias. Nesse sentido,

pode-se citar a técnica de intercalamento (Interleaving), que consiste de dois conversores

Boost em paralelo e operando na mesma frequência de conversão, porém desafasados de 180º

entre si (BELTRAME, 2009). O Interleaving reduz o tamanho do conversor, reduz o ripple de

corrente e o tamanho do indutor. A topologia Bridgless Boost PFC resolve o problema do

aquecimento na entrada da ponte retificadora (YILMAZ & KREIN, 2013), enquanto os

circuitos ressonantes reduzem os esforços nas chaves de comutação e as perdas.

Page 58: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

5.4 Modelagem Proposta

Nos próximos anos, as redes elétricas enfrentarão dois grandes desafios, suportar a

inserção dos veículos elétricos plug-in PEV nas redes de distribuição e combinar

convenientemente o fornecimento não administrável das energias renováveis com a demanda

diária de energia elétrica.

Nesse sentido, conforme Figura 18, os PEV podem ser definidos como sistemas de

armazenamento ou sistemas de consumo de energia.

De um lado, os PEV como sistemas de armazenamento, podem trabalhar em conjunto

com as redes de distribuição para armazenar e entregar energia nas mesmas. Por outro lado,

como sistemas de consumo, podem se apresentar como um novo tipo de carga que contribuem

com a degradação da qualidade da energia elétrica.

Figura 18 - Inserção dos PEV nas redes de distribuição Fonte: (VIAN, 2009)

O adequado funcionamento dos PEV, como sistemas de consumo e/ou sistemas de

armazenamento, e os novos problemas inerentes à inserção dos PEV nas redes de distribuição

podem ser minimizados, em grande parte, pelo adequado desenho do carregador das baterias.

Por este motivo, os carregadores de baterias são uns dos componentes mais

importantes que podem aumentar significativamente o ciclo de vida das baterias e aumentar a

eficiência de carregamento. Além disso, podem minimizar os tempos de recarga, atingir um

Page 59: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

balanço entre produção e consumo, reduzir os custos da energia e melhorar a qualidade da

energia fornecida e consumida da fonte de alimentação.

Neste trabalho, é proposta uma topologia de um carregador monofásico bidirecional

para baterias de Lition-Ion para PEV, formado por dois estágios de conversão de energia.

Conforme Figura 19, o primeiro estágio está constituído por um conversor Full-Bridge

Bidirectional. No modo de carregamento, este conversor é o encarregado pela conversão da

CA em CC para o segundo estágio do conversor, mantendo o fator de potência unitário. No

modo geração, o conversor é encarregado pela conversão CA em CC, fornecida pelo segundo

estágio.

O segundo estágio de conversão é composto pelo conversor Bidirectional Isolated

Full-Bridge. Este conversor ajusta a tensão e corrente do conversor Full-Bridge do primeiro

estágio para carregar as baterias de forma controlada, no modo de carregamento.

Adicionalmente, é também responsável pela regulação de tensão e corrente entregue pelas

baterias para o primeiro estágio, quando operando no modo de geração.

Figura 19 - Topologia de carregador bidirecional monofásico Fonte: Elaboração própria

5.4.1 Estágio CA/CC e CC/CA

O conversor bidirecional em ponte completa (Bidirectional isolated Full-Bridge) é

utilizado de maneira a transferir uma maior quantidade de energia de forma bidirecional, com

Page 60: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

menor peso e volume, possuindo alta eficiência e podendo controlar a forma de onda e o fator

de potência da corrente consumida (SINGH et al, 2003) (TUAN et al, 2012).

Este circuito atua como um controlador ativo do fator de potência, Active Power

Factor Controller (APFC), que devido à atuação de seus interruptores e a adequada estratégia

de controle, pode diminuir a emissão de harmônicos e manter o fator de potência unitário.

A Figura 20 ilustra esta etapa de conversão que possui dois modos de transferência de

energia: o modo retificação e o modo inversão.

Figura 20 - Retificador/Inversor monofásico, com trânsito de potência bidirecional. Fonte: (TUAN, 2012) – Modificado

A Figura 21 apresenta os modos de conversão de potência. De um lado, trabalhando

como retificador, o valor médio da corrente de Icc é positivo e a corrente Is está em fase com

VCA, Figura 21como apresentado nas (b) e 21 (d). Figura

21

Por outro lado, no modo inversão,

(c) e (e), o valor médio da corrente de Icc é negativo e a corrente Is está em oposição de

fase relativamente a V

Diante do controle da amplitude e o ângulo de fase de VCA.

r

, os valores da potência ativa

P e a potência reativa Q podem ser determinados, além, da direção do fluxo de potência

(JAVDANI, 2011) (MOHAN, 2003).

Page 61: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

(a) Diagrama fasorial Geral

(b) Modo Retificação (c) Modo Inversão

(d) Retificação (e) Inversão

Figura 21 - Modos de conversão de potência – Retificação e Inversão Fonte: (MOHAN, 2003)

Considerando a malha de entrada e as componentes fundamentais destas grandezas,

obtém-se a potência ativa e potência reativa fornecidas pela fonte CA como mostra a Eq. (5.1)

e a Eq. (5.2), respectivamente (MOHAN, 2003).

(5.1)

(5.2)

Page 62: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

O vetor IS pode ser expresso como mostra a Eq. (5.3). Assim, os valores de P e Q

podem ser determinados a partir da amplitude e da fase de Vr

.

(5.3)

5.4.1.1 Modo Retificação CA/CC

Neste modo, o conversor trabalha em operação rede elétrica – veículo (Grid to

Vehicle, G2V), ou seja, trabalha realizando a conversão do sinal CA da rede de distribuição

em CC mantendo o fator de potência unitário, para o estágio CC/CC do carregador de baterias

do EV (TUAN et al, 2012). Este modo é apresentado pela Figura 22.

Figura 22 – Modo retificação G2V (Grid to vehícle) Fonte: (TUAN, 2012) – Modificado

Esse modo possui quatro etapas principais de operação num período de comutação,

como é apresentado na Figura 23. A corrente de entrada é assumida sem distorção e em fase

com a tensão. Todos os elementos são ideais e o conversor opera em regime permanente.

Durante o semi-ciclo positivo da fonte VCA e a ligação dos Mosfet S2 e S4, atuando

como interruptores ligados, a corrente circula através dos mesmos, armazenando energia no

indutor Ls , Figura 23como é mostrado (a). Esta é a primeira etapa de operação.

Page 63: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

Na segunda etapa, o Mosfet S2 está desligado e os diodos D1 e D4 intrínsecos aos

Mosfet S1 e S4 são polarizados diretamente. A fonte VCA e o indutor Ls

Figura 23

enviam energia ao

capacitor e à carga através destes diodos, como apresentado na (b).

No semi-ciclo negativo da fonte VCA, terceira etapa de operação, os Mosfets S2 e S4

recebem a sinal de condução. Essa operação permite circular corrente negativa para ser

armazenada no indutor Ls Figura 23, como apresentado a (c).

Na quarta etapa de operação, o Mosfet S4 está desligado e os diodos D2 e D3

intrínsecos aos Mosfets S2 e S3 são diretamente polarizados. Assim, a fonte VCA e o indutor Ls

Figura 23

enviam energia ao capacitor e à carga resistiva através deles, como mostrado na (d).

O ciclo de comutação se repete novamente, terminando esta etapa.

(a) Primeira Etapa de Operação (b) Segunda Etapa de Operação

(c) Terceira Etapa de Operação (d) Quarta Etapa de Operação

Figura 23 - Etapas de operação do conversor no modo retificação Fonte: Própria do Autor

De acordo às etapas de operação, esta topologia no modo retificação pode ser

analisada como a topologia do conversor Boost convencional, já que é considerado que a

frequência de comutação fs é muito maior que a frequência da rede elétrica (f) de 60 Hz. Além

Page 64: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

disso, assume-se que, para um período de comutação dos interruptores, a variação da tensão

de entrada é mínima e, neste caso, desprezada. Por tanto, a tensão de entrada é considera

constante (ORELLANA, 2011) (MUHAMMAD, 1999).

A Figura 24 apresenta os circuitos equivalentes e as formas de onda do conversor

Boost. As Figura 24 (a) e (b) apresentam o modelo reduzido do conversor Boost e, suas

formas de onda obtidas a partir das etapas de operação são apresentadas na Figura 24 (c).

(a) Circuito Equivalente do Conversor Boost – Estado

Ligado

(b) Circuito Equivalente do Conversor Boost – Estado Desligado

c) Formas de onda do conversor Boost

Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. Fonte: (ORELLANA, 2011) (AHMED, 2009) (BATSCHAUER, 2012)

A partir das formas onda da Figura 24 (c) é possível determinar os equacionamentos

necessários para o dimensionamento de cada componente do circuito de potência, do indutor

Boost e do capacitor de filtro de saída.

Lembrando-se que a razão cíclica de operação (D), define-se como a relação entre seu

tempo de condução ton e seu período de comutação Ts

, Eq. (5.4).

(5.4)

Page 65: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

Define-se o parâmetro β como o ganho do conversor, ou seja, a relação entre a tensão

nominal de saída e o valor pico da tensão de entrada, como mostrado na Eq. (5.5).

(5.5)

A partir da Eq. (5.4) e Eq. (5.5) é obtida a Eq. (5.6), que relaciona o valor da razão

cíclica D com a variação de frequência angular ωt da tensão de entrada VCC

.

(5.6)

onde:

D(ωt) é o valor instantâneo da razão cíclica e VCC

é definido como a tensão de entrada

instantânea. Substituindo a Eq. (5.5) na Eq. (5.6), obtém-se a Eq. (5.7):

(5.7)

Na Figura 25, pode-se identificar o valor mínimo da razão cíclica Dmin

em função do

parâmetro β. Este valor ocorre no instante da passagem pelo pico de tensão de alimentação

em ω·t=π/2, repetindo-se no semi-ciclo negativo para um valor ω·t=3π/2. Substituindo

ω·t=π/2 na Eq. (5.7) obtém-se o valor mínimo da razão cíclica mínima em função do

parâmetro β na Eq. (5.8).

(5.8)

Page 66: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

Figura 25 - Variação da razão cíclica em função de ωt Fonte: (ORELLANA, 2011)

5.4.1.1.1. Determinação do indutor Boost

Para o dimensionamento da indutância de entrada Ls

Figura 26

é necessária a determinação da

ondulação da corrente de entrada. A análise deste parâmetro é realizada observando-se um

período de comutação do Mosfet, de acordo com (LESSA, 2005) e (ORELLANA, 2011). A

apresenta a variação máxima da corrente parametrizada no indutor Lb

expressada

em função da frequência angular e representada na Eq. (5.9).

Figura 26 - Corrente Parametrizada no Indutor LFonte: (ORELLANA, 2011)

S

Page 67: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

(5.9)

Desta maneira, a Eq. (5.10) expressa o valor da indutância LS, que se encontra em

função da variação da tensão de saída, da ondulação percentual da corrente no indutor LS

e da

ondulação de corrente parametrizada (ORELLANA, 2011).

(5.10)

Por último, o valor máximo da corrente que circula através do indutor LS,

para uma

condição de tensão mínima de entrada é dada pela Eq. (5.11).

(5.11)

5.4.1.1.2. Determinação do Capacitor CLinkcc

Para o cálculo do capacitor CLinkcc é considerado o valor de tensão mínima Vdes do

conversor Full-Bridge e o parâmetro ∆t (hold-up time ou tempo de sustentação da tensão), o

qual determina o tempo máximo que o capacitor poderá manter a tensão mínima na saída do

conversor. A Eq. (5.12) mostra o valor do CLinkcc

que deve ser projetado para suportar cargas

não lineares. Este valor é calculado e obtido seguindo às recomendações da TI (Texas

Instruments) (ORELLANA, 2011) (PICARD, 2010).

(5.12)

5.4.1.2 Modo Inversão CC/CA

A Figura 27 apresenta o modo inversão CC/CA do conversor. Este modo trabalha em

operação veículo-rede elétrica (Vehicle to Grid, V2G), ou seja, fazendo a conversão da tensão

CC armazenada no capacitor em CA para ser injetada na rede de distribuição. De acordo com

Page 68: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

o diagrama fasorial da Figura 21 (c), a corrente IS deve ser injetada à rede em oposição de

fase a Vr,, a partir do controle do ângulo de fase de Vr

, por meio do comando dos Mosfets do

inversor.

Figura 27 - Modo inversão V2G (Vehicle to Grid) Fonte: (TUAN, 2012) – Modificado

A partir das técnicas de modulação unipolar e modulação bipolar, (MOHAN, 2003)

(MUHAMMAD, 2011), os Mosfets do inversor são comandados, permitindo obter uma tensão

VCC

As

que depende do padrão de comportamento da razão cíclica de operação (ELMANO,

2012).

Figura 28 e Figura 29 apresentam as etapas de operação do inversor sob modulação

bipolar e sob modulação unipolar, respectivamente.

Figura 28 - Etapas de operação do inversor Full-Bridge sob Modulação Bipolar Fonte: (ELMANO, 2012)

Page 69: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

Figura 29 - Etapas de operação do inversor Full-Bridge sob Modulação Unipolar Fonte: (ELMANO, 2012)

Considerando as etapas de operação do inversor Full-bridge na direção proposta, o

mesmo apresenta um comportamento semelhante a de um conversor Buck, podendo-se

representar o inversor da Figura 27 pelo circuito equivalente da Figura 30, o qual possui duas

etapas de operação apresentadas na Figura 30 (a) y Figura 30 (b).

Nesse sentido, deve-se ter em conta que a tensão do barramento VCC tem que ser

superior ao máximo valor pico da tensão da rede VCA

A frequência de comutação do inversor (f

.

s) é a metade da frequência do interruptor

Buck (fss

), devido à utilização de modulação unipolar, Eq. (5.13).

(5.13)

Assim, a partir do ganho de tensão do conversor Buck, pode-se garantir que qualquer

que seja o valor de LS, a razão cíclica é invariável quanto forma e a amplitude e que a razão

cíclica máxima Dmax

Figura 31

é seu próprio índice de modulação. A Eq. (5.14) é apresentada

graficamente na , para identificar o valor máximo da razão cíclica Dmax

que no caso

é π/2.

(5.14)

Page 70: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

(a) Circuito equivalente do conversor Buck –Chave Ligada

(b) Circuito Equivalente Conversor Buck –Chave Desligada

c) Formas de onda do conversor Buck

Figura 30 - Circuito equivalente do conversor Buck Fonte: (AHMED, 2009)( BATSCHAUER, 2012)

Figura 31 - Curva da razão cíclica em função de ω·t Fonte: (ELMANO, 2012)

Page 71: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

5.4.1.1.3. Determinação do Indutor Buck

A indutância LS pode ser determinada a partir da Eq. (5.15) usando as condições do

contorno do pior caso, que ocorre no pico de ILs e com uma ondulação máxima especificada

∆iLs

(ELMANO, 2012).

(5.15)

A Eq. (5.16) expressa o valor pico de ILS e a Eq. (5.17) expressam o valor eficaz de ILS

em função do rendimento do inversor η e da potência Po

drenada pelo inversor do Link-cc.

(5.16)

(5.17)

5.4.2 Estágio CC/CC

A Figura 32 apresenta o segundo estágio do carregador do EV composto pelo

conversor Bidirecional Full-Bridge isolado em ponte completa (Bidirectional Full-Bridge

isolated). Este estágio é constituído por uma ponte Full-Bridge como fonte de tensão no lado

do Linkcc usando o capacitor CLinkcc. Um transformador de alta frequência une outra ponte

Full-Bridge como fonte de corrente usando o indutor Lo

. Estas pontes permitem a

bidirecionalidade deste conversor controlando a razão cíclica D. O transformador de alta

frequência, que divide o lado das baterias do lado da alimentação, fornece isolamento

galvânico com o propósito de proteção e redução da compatibilidade eletromagnética CEM

(Electromagnetic Compatibility, EMC) (KRISMER, 2010).

Page 72: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

Figura 32 - Conversor Bidirecional Isolado em Ponte Completa Fonte: (TUAN, 2012) (KRISMER, 2010) – Modificado

Ademais, operando o conversor com características de modulação por deslocamento

de fase (phase-shift), comutação sob tensão nula (Zero Voltage Switching, ZVS) e comutação

sob corrente nula (Zero Current Switching, ZCS) (TUAN, 2012) (KRISMER, 2010) é

possível aumentar o rendimento do conversor e minimizar as perdas do mesmo.

Normalmente este conversor é utilizado para potências maiores que 500W

(JAVDANI,2011)( MUHAMMAD, 2011) e em frequências de comutação elevadas,

permitindo a redução dos componentes como o transformador e indutor (KRISMER, 2010).

De modo a transferir a potência variável no tempo, as tensões vCA1(t) e vCA2(t) tem que

ser fornecidas por as pontes, considerando o transformador Tr com relação de transformação

n e o indutor Llk. Desta maneira, as pontes podem ser substituídas pelas respectivas fontes de

tensão vCA1(t) e vCA2(t). Para simplificar a análise e a compreensão do funcionamento do

sistema, todos os componentes são considerados ideais, as perdas são desprezadas e as

tensões VCA2 e VCA2 Figura 33 são constantes (KRISMER, 2010). A apresenta o modelo sem

perdas do conversor.

Page 73: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

Figura 33 - Modelo do Conversor sem Perdas Fonte: (KRISMER, 2010) - Modificado

O nível de potência do conversor é ajustado utilizando um ou mais dos seguintes

parâmetros, de acordo à modulação empregada.

• O deslocamento de fase ϕ, entre vCA1 e vCA2

• A razão cíclica D

.

1, de vCA1(t) com 0 < D1

• A razão cíclica D

< 0,5.

2, de vCA2(t) com 0 < D2

• A frequência de chaveamento f

< 0,5.

s

.

No entanto, o princípio de modulação mais simples que permite o controle da

transferência de potencia é o chamado modulação por deslocamento de fase (phase-shift).

Este tipo de modulação opera o conversor com uma frequência de chaveamento constante e

com as razões cíclicas máximas D1 = D2 = 0,5. O atraso de tempo δ*T1/2

segundos entre as

portadoras produzem a defasagem angular ϕ entre as tensões no primário e secundário do

transformador. A razão de defasagem entre as tensões do transformador esta definido pela Eq.

(5.18) onde ϕ ∈[-180º, 180º] (WODSON, 2013).

(5.18)

De acordo à Eq. (5.19) a transferência de potência é controlada pelo ângulo de

deslocamento de fase ϕ entre o primário e secundário do transformador. Quanto maior a

diferença de fase, maior é a potência transferida. A máxima transferência de potência é

alcançada quando a defasagem angular ϕ=±90º .

(5.19)

Page 74: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

Como resultado, tem-se que o fluxo de potência entre VCA1 e VCA2

• Se P >0, então, denota fluxo de transferência de V

é controlado

através de ϕ. Assim,

CA1 para VCA2, sendo VCA1

• Se P < 0, então, denota fluxo de transferência de V

o

barramento de maior tensão;

CA2 para VCA1, sendo VCA1

o

barramento de menor tensão.

A Figura 34 apresenta as formas de onda das tensões no primário do transformador

VCA1 e no secundário do transformador VCA2, além da corrente no indutor Llk

Figura 34

. De outro lado, a

(a) apresenta o fluxo de potência de VCA1 para VCA2 Figura 34 e a (b) apresenta o

fluxo de potência de VCA2 para V

CA1.

(a) Formas de onda das tensões no transformador e corrente no indutor Llk – Fluxo de potência de VCA1

para V

(a) Formas de onda das tensões no transformador e corrente no indutor L

CA2 lk – Fluxo de potência de VCA2

para V

Figura 34 - Formas de onda das tensões no transformador e corrente no indutor LCA1

lk

Fonte: (WODSON, 2013) - Modificado

Desta maneira, este conversor tem a capacidade de operar em modo de carregamento

(G2V) ou modo Buck e em modo de geração (V2G) ou modo Boost, dependendo da direção

da potência transferida entre a entrada e a saída, que é controlada através do ângulo de

deslocamento de fase ϕ.

Page 75: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

5.4.2.1 Modo de Carregamento (V2G)

Conforme é apresentado na Figura 35, neste modo de operação, as baterias são

recarregadas por meio do fluxo de energia de VCA1 para V

Por meio dos Mosfets S5, S6, S7 e S8 e a lógica de controle empregada, a tensão

alternada V

CA2

CA1 é fornecida ao indutor em série com o enrolamento do lado primário do

transformador Tr. A ponte composta por os Mosfets S9, S10, S11 e S12 retificam a tensão

VCA2 e por meio do filtro de segunda ordem composto pelo indutor Lo e o capacitor Co

filtram

a tensão para fornecê-la às baterias (KRISMER, 2010).

Figura 35 - Conversor Operando em modo carregamento (G2V) Fonte: (TUAN, 2012) - Modificado

5.4.2.2 Modo Geração (G2V)

Neste modo de operação, o fluxo de potência é das baterias para o Linkcc, como

apresentado na Figura 36. O conversor formado pelos Mosfets S9, S10, S11 e S12 gera uma

corrente alternada iCA2 nos terminais do transformador Tr. O lado composto pelos Mosfets S5,

S6, S7 e S8 retificada a tensão VCA1 e, o capacitor Clinkcc, fornece o filtragem da tensão de

saída V

linkcc.

Page 76: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

Figura 36 - Conversor Operando em Modo Geração (V2G) Fonte: (TUAN, 2012) - Modificado

Para o cálculo dos componentes deste estágio, deve-se considerar que a tensão de saída

do estágio CA/CC (tensão do linkcc, Vlinkcc ) é a própria tensão de entrada para este estágio,

além do valor de potência Po e da frequência de chaveamento fs

. Assim, os valores dos

componentes obtidos para o modo de carregamento e modo geração são os mesmos para os

dois modos, sendo o defasagem angular ϕ entre as tensões no primário e secundário do

transformador o controle para a quantidade e o fluxo de potência entre o lado da bateria e o

linkcc. As chaves semicondutoras de cada ponte operam com um ciclo de trabalho de 50%

(WODSON, 2013).

5.4.3 Método de carregamento das baterias de Lition-Ion

Devido às estritas especificações que precisa a recarrega das baterias de Litio-Ion,

normalmente é utilizado um algoritmo ou método pelo qual o carregador restabelece a carga

às baterias, ou seja, como o carregador controla a tensão aplicada, a quantidade de corrente

fornecida e os tempos das etapas de carregamento.

Como apresentado na Figura 37, na primeira etapa chamada fase Bulk, a bateria está

parcial ou totalmente descarregada. Nesta etapa é plicada uma corrente constante limitada

pelo carregador de 1A, aumentando a tensão por célula até atingir seu máximo permitido

(4.2V por célula). Na segunda etapa, chamada fase Absorção, a bateria alcança 100% de sua

carrega e a tensão mantém-se constante e a corrente de recarga reduz-se exponencialmente até

Page 77: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

atingir um valor de 3% da corrente nominal da célula. O tempo total de carregamento é

aproximadamente três horas e, para este tipo de baterias não existem carregadores rápidos,

pois sua estrutura química não permite. Por outro lado, esta técnica de carregamento prolonga

o tempo útil de vida da bateria, já que a célula pode ser carregada a 80% da tensão nominal

(4.1V, 0.8C, 80% da capacidade) (ORELLANA, 2011).

Figura 37 – Etapas de carregamento da bateria de Lition-Ión Fonte: (ORELLANA, 2011) (BUCHMANN, 2013) - Modificado

Page 78: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

Capítulo 6

6. Especificações do modelo e simulações

De acordo à Figura 38 o carregador de bateria proposto conecta-se à rede de distribuição

de baixa tensão em um nível de tensão de 220V eficazes em corrente alternada. No modo de

carregamento (G2V), a rede injetará potência nas baterias de Lition-Ion e no modo de

descarregamento (V2G), o banco de baterias fornecerá potência para a rede, necessitando de

um conversor bidirecional CA/CC.

Figura 38 – Modelo do carregador bidirecional para o EV Fonte: Elaboração própria

6.1 Especificações do modelo

Decidiu-se utilizar uma bateria de lítio-Ion com tensão em seus terminais de 400V e uma

energia de 25kWh o qual corresponde a um valor bastante aproximado às baterias dos PEV

comercializados atualmente.

Page 79: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

Para o acoplamento das baterias com o conversor CA/CC é necessário um conversor

CC/CC que acople os 400V do linkcc e os 400V nominais da bateria escolhida. Este

conversor CC/CC possui características tais como isolamento galvânico o que lhe conferi

maior segurança, fluxo bidirecional para o carregamento e descarregamento das baterias, alta

transferência de potência, alta densidade de potência e amplo range em acordo às variações

de carga.

Desta forma as especificações técnicas para o carregador de baterias são apresentadas na

Tabela 8. Deve-se considerar que os carregadores para EV devem operar em uma ampla faixa

de tensão. Além disso, algumas considerações são feitas de acordo às características gerais

dos carregadores on-board apresentadas na Tabela 9. As considerações adotadas são

apresentadas na tabela 10.

Assim, a partir destes dados serão calculados para os dois estágios de conversão os

componentes principais do carregador de baterias bidirecional tais como Ls, Clinkcc, Llk, Tr, Lo

e Co

, Os demais componentes do carregador serão considerados ideais.

Tabela 8 – Especificações do carregador bidirecional

Parâmetro Descrição Valor

𝑉𝐶𝐴 Tensão de entrada CA nominal 220 ± 10%

𝑉𝑙𝑖𝑛𝑘𝑐𝑐 Tensão no linkcc 400V ± 5%

𝑃𝑜 Potência nominal de saída 2,5kW

𝑉𝑏𝑎𝑡 Tensão de saída CC nominal 400V

Tabela 9 – Características típicas de um carregador bidirecional on-board

Rendimento baixo carga total >90% (para potência de entrada de 2,2kW)

Tensão de entrada 50-60Hz, 230Vrms ±10%, (provendo 380V no linkcc)

Corrente de entrada CA < 10A

Potência de saída CC 2kW @ 90% durante o carregamento total da bateria

Controle PWM para um fator de potencia unitário

EMC Standard IEC61000-1-1 and <5% THD

Classe de proteção Isolamento galvânico

Resfriamento Ar

Fonte: (GOULD, 2013)

Page 80: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

Tabela 10 – Considerações para o carregador bidirecional

Parâmetro Descrição Valor

𝑓𝑠 Frequência de comutação 30kHz

𝜂 Rendimento teórico 0,95

𝑃𝑜 Potência nominal de saída 2,5kW

𝑉𝑏𝑎𝑡 Tensão de saída CC nominal 400V

Δ𝑉𝐼𝐿𝑠𝑚𝑎𝑥 Valor porcentual da variação da corrente no indutor Ls

0,2

%∆𝑉𝐶𝐶𝑚𝑎𝑥 Valor máximo porcentual da variação da tensão de entrada

0,2

𝑉𝑑𝑒𝑠 Variação da tensão de saída

linkcc 375

∆𝑡 Tempo de sustentação da tensão 8,3[ms]

∆𝑖𝐿𝑠 Máxima ondulação de corrente

no indutor L2%I

s

Lsrms

6.1.1 Estágio CA/CC – CC/CA

6.1.1.1 Dimensionamento do Indutor Ls

no modo Boost

Calculando primeiro o parâmetro do ganho do conversor β da Eq. (5.5) e a corrente

parametrizada ∆𝐼𝐿𝑠𝑚𝑎𝑥 da Eq. (5.9) o valor da indutância de entrada Ls é determinada a partir

da Eq. (5.10).

(6.1)

[A] (6.2)

[µH] (6.3)

Page 81: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

6.1.1.2 Determinação do capacitor Clinkcc

no modo Boost

A partir da Eq. (5.12) o capacitor do Linkcc é calculado por meio dos parâmetros

adoptados de Vdes

e ∆t.

[µF] (6.4)

6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor Ls

no modo Buck

Como a ondulação proposta é função da máxima corrente de entrada, a mesma deve

ser calculada. A potência de entrada é dada pela Eq. (5.17).

[A] (6.5)

Por tanto, a ondulação de corrente é igual a ∆ILsrms

= 0,2.

Da Eq. (5.14) e Eq. (5.16) obtém-se o valor máximo da razão cíclica e a corrente de

pico no indutor Ls

para assim obter o valor do indutor Buck da Eq. (5.15).

(6.6)

[A] (6.7)

[µH] (6.8)

Assim, os valores encontrados dos indutores no modo Boost e no modo Buck são

muito aproximados, validando as expressões desenvolvidas. As chaves, os capacitores e seus

diodos intrínsecos serão utilizados nos dois modos de conversão.

Page 82: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

6.1.2 Estágio CC/CC

Utilizando os parâmetros das Tabelas 8, 9 e 10, além das considerações para este

estágio de conversão apresentadas na Tabela 11, obtém-se o valor de Clinkcc, indutância Llk, Co

e Lo.

(WODSON, 2013).

Tabela 11 – Considerações para estagio CC/CC

Parâmetro Descrição Valor

𝜑 Defasagem angular 90º

A partir da Eq. (6.10) obtém-se o valor da indutância Llk, que depende dos valores das

tensões Vlinkcc, Vbat, Po e fs

, assim como da razão de defasagem angular obtida a partir da Eq.

(5.18).

(6.9)

(6.10)

[µH] (6.11)

Os valores dos capacitores Clinkcc e Cbat

estão definidos pela Eq. (6.12) e Eq. (6.13)

(WADSON, 2013).

(6.12)

(6.13)

Page 83: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

Os valores da tensão da bateria Vbat refletida ao lado da tensão Vlinkcc e o valor do

Vlinkcc refletida ao lado do Vbat

são dados pelas Eq. (6.14) e Eq. (6.15). A relação de

transformação N=1 assim como os capacitores em paralelo com as chaves semicondutoras

produzem a comutação em tensão nula ZVS, ou seja, a tensão é mantida constante durante o

intervalo de comutação e as perdas por comutação são diretamente proporcionais aos valores

da capacitância adicionados em paralelo (WADSON, 2013)

(6.14)

(6.15)

Sendo ∆Vc = 1%Vlinkcc para Clinkcc e ∆Vc = 1%Vbat para Vbat

(WADSON, 2013), obtém-

se os valores dos capacitores das Eq. (6.12) e Eq. (6.13).

[µF] (6.16)

[µF] (6.17)

6.2 Controle proposto

De acordo com os parâmetros desejados, o circuito de controle aplicado ao carregador

de baterias deve ter capacidade de atuar e manter a operação do sistema.

6.2.1 Controle do estágio CA/CC

Neste estágio é proposta a técnica de controle por corrente média, amplamente utilizada

no controle de retificadores com elevado fator de potência, PFC. Esta técnica de controle gera

sinais de comando para os interruptores do retificador CA/CC a fim de manter a corrente de

entrada aproximadamente com a mesma forma e em fase com a tensão de entrada senoidal

(MUHAMMAD, 2011) (ELMANO, 2012) (ORELLANA, 2011).

Page 84: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

A Figura 39 apresenta o diagrama de blocos do controle implementado, onde o

compensador da malha de corrente Hx se dedicará a manter a corrente de entrada com a

mesma forma e em fase com a tensão de entrada senoidal. Além disso, um compensador de

tensão Hl

ajusta a amplitude do sinal a fim de regular a tensão de saída por meio do sinal de

erro entre a tensão de linha e a tensão de saída retificada (MUHAMMAD, 2011).

Figura 39 – Diagrama de blocos de PFC Fonte: (MUHAMMAD, 2011) - Modificado

6.2.2 Controle do estágio CC/CA

O retificador monofásico com PFC do estágio CA/CC difere do inversor monofásico em

ponta completa com saída em corrente e interligado à rede elétrica do estado CC/CA, só no

sentido do fluxo de potência, sendo que para o inversor, esse fluxo é bidirecional. Por esse

motivo, a técnica de controle por corrente média implementada no estado CA/CC se adéqua

ao controle do inversor monofásico deste estágio (ELMANO, 2012).

6.2.3 Controle do estágio CC/CC

O controle deste estágio de conversão é por meio da modulação por deslocamento de fase

(phase-shift), visto no Capítulo 5. Para este método de modulação, o controle atua somente na

razão de defasagem δ. A Figura 40 apresenta o diagrama de blocos implementado para o

controle do conversor.

Page 85: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

A tensão de saída é controlada por meio de um controlador proporcional – integral PI de

modo a manter a tensão constante a medida que a carga varia.

Por outro lado, o controlador da corrente por meio de um controlador PI garante o

deslocamento relativo entre as pontes para gerar as respectivas ondas quadradas.

Figura 40 – Diagrama de Blocos para o controle do estágio CC/CC Fonte: (SEGARAN; HOLMES & McGRATH, 2008) – Modificado

6.3 Simulações e resultados

Com o objetivo de verificar as principais formas de onda e o comportamento do

carregador de baterias proposto, o diagrama de blocos da Figura 41 é representado por meio

do circuito da Figura 42 e simulado a partir do software Simulink do Matlab.

O módulo SimPoweSystem do Simulink é utilizado para o sistema de potência e para o

sistema de controle e medição. Os distintos módulos da biblioteca do Simulink são

aproveitados devido a sua disponibilidade de blocos, controle sobre o processo da simulação e

interatividade com o usuário (MATHWORKS, 2012).

Page 86: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

Figura 41 – Diagrama de blocos do carregador bidirecional

O modelo da Figura 42 é projetado para uma tensão monofásica de 220VCA na entrada

do carregador. O indutor da rede Ls possui uma indutância de 790µH. Três pontes completas

de chaves Mosfet com seus respectivos diodos intrínsecos e em paralelo com capacitores

permitem a possibilidade de bidirecionalidade e, poder atingir ZVS. O capacitor de 2174µF

representa o linkcc entre o conversor CA/CC e o conversor CC/CC. A indutância de fuga Llk

de 300µH é inserida em série com o transformador de alta frequência e relação de

transformação N:1. Uma indutância Lo de 1pF e um capacitor Co

de 33µF para diminuir a

tensão de ripple são inseridos em paralelo às baterias de Lition-Ion de 400V em seus

terminais.

Figura 42 – Modelo do carregador de baterias simulado em SimPowerSystem

O modelo da bateria de Litio-Ion do módulo do Simulink do Matlab é utilizado para a

simulação. Este modelo de bateria proporciona o SOC, tensão e a corrente, de modo que

Page 87: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

possa ser avaliado o correto funcionamento do carregador em seu modo de carga e descarga,

respectivamente. Este modelo considerada a resistência interna constante durante os ciclos de

carga e descarga, não variando com a amplitude da corrente. A capacidade da bateria não

muda com a amplitude da corrente. A temperatura não afeta o comportamento da bateria. Não

é representada a auto-descarga da bateria. Apesar destas simplificações, os resultados obtidos

com este modelo correspondem com a realidade ((MATHWORKS, 2012).

A capacidade das atuais baterias dos veículos elétricos é de 10 e 30kWh que podem

oferecer entre 100 e 200km de autonomia dependendo da potência do motor (SIANG &

CHEE, 2012) (BUCHMANN, 2013).

Assim, a Figura 43 apresenta os parâmetros e as curvas de descarga da bateria no modelo

do Simulink para atingir 400V e uma energia de 12kWh.

(a) Parâmetros da bateria de Lition-Ion (b) Curvas de descarrega da bateria de Lition-ion

Figura 43 – Parâmetros e curvas de descarga da bateria de Lition-Ion

De acordo com a Figura 43 (b) a tensão nominal da bateria é a tensão quando termina-se

a zona linear da curva de descarga. Quando a bateria esta totalmente carregada e começa a

descarregar, produz a primeira curva exponencial. Nesse caso, a tensão diminui rapidamente e

chega até a zona linear. Nesta zona a tensão é praticamente constante começando a descer

Page 88: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

lentamente durante a descarga da bateria, até chegar à segunda zona exponencial. Nesse

ponto, não se aconselha utilizar a bateria devido à grande queda de tensão. Por isso, a bateria

é usada normalmente com uma tensão maior que a tensão nominal, pois na primeira zona

exponencial, assim como na zona linear, a tensão é maior que a tensão nominal.

6.3.1 Simulações no modo carregamento (G2V)

Como apresentado anteriormente, o objetivo principal da simulação é verificar e avaliar o

correto funcionamento dos estágios de operação do carregador de baterias. A Figura 44

apresenta o comportamento da corrente ao conectar o carregador de baterias à rede de 220VAC

para carregar a bateria. Verifica-se que a corrente de entrada é senoidal e em fase com a

tensão de entrada.

Figura 44 – Tensão e corrente na entrada do carregador no modo G2V

No controle por corrente média proposto é utilizada uma técnica chamada (Phase Lock-

Loop, PLL) para obter o ângulo da rede de alimentação e reproduz a corrente de referência

gerada pela estratégia de controle, como se apresenta na Figura 45 (CIOBOTARU;

TEODORESCU & BLAABJERG, 2006).

Page 89: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

Figura 45 – Corrente de referência e corrente de entrada

A Figura 46 apresenta a tensão no linkcc, mantida em seu valor de referência.

Figura 46 – Tensão no linkcc

A Figura 47 apresenta as formas de onda no primário e secundário do transformador

de alta frequência do segundo estágio do carregador, assim como a forma de onda da corrente

no indutor Llk

Verifica-ser a partir da forma de onda na corrente do indutor Llk que o ângulo de

deslocamento de fase igual a 90º (10A) entre as ondas de tensão equivale a 8,33e-6seg a uma

frequência f

. Pode-se verificar o funcionamento do controle, no qual existe uma injeção de

fluxo de potência do lado do linkcc para o lado da bateria.

s de 30kHz.

Page 90: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

Figura 47 – Tensões no transformador e corrente no indutor Llk

no modo G2V

A Figura 48 apresenta o valor de SOC inicial igual a 30% e o mesmo vai aumentando

à medida que o tempo passa. Também é simulado um SOC inicial de 60% para validação do

modelo.

Figura 48 – Estado de carrega da bateria – SOC 30% e 60%

Na Figura 49 verifica-se que a corrente decresce enquanto a tensão aumenta. Além

disso, a o valor da tensão incrementa-se até atingir um valor de 435VDC

a qual é a tensão na

faixa de carregamento ótimo.

Page 91: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

Figura 49 – Tensão e corrente na bateria modo G2V

De acordo com a Figura 50, a tensão de carregamento da bateria apresenta um ripple

ou ondulação de 20V o que equivale a 0,4% desta tensão. Esta faixa é permitida de acordo as

especificações típicas do carregador on-board.

Figura 50 – Ondulação na tensão da saída

Page 92: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

6.3.2 Simulações no modo descarregamento (V2G)

Como apresentado na Figura 51, no modo V2G, a bateria começa a injetar potência na

rede de modo que seu SOC vai diminuindo com o tempo.

Figura 51 - Estado de carrega da bateria – SOC 50%

No momento de injeção de potência na rede e diminuição do SOC, a tensão na bateria

também começa a diminuir, conforme ilustrado na Figura 52.

Figura 52 – Tensão na bateria no modo V2G

Page 93: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

As formas de onda na entrada do transformador de alta frequência são apresentadas na

Figura 53. A forma de onda da corrente no indutor Llk representa o fluxo de potência do lado

do secundário do transformador (lado da bateria) para o primário do transformador (lado do

linkcc). Pode-se observar a simetria que existe com a corrente no modo G2V, com a diferença

no deslocamento de fase. Para este modo V2G o deslocamento de fase foi de -90º o que

corresponde a 2,5e-6seg a uma frequência de chaveamento fs

de 30kHz.

Figura 53 - Tensões no transformador e corrente no indutor Llk

no modo V2G

A Figura 54 ilustra a tensão no linkcc, sendo que a mesma foi controlada e se manteve

igual ao valor de referência.

Page 94: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

Figura 54 – Tensão no linkcc

No momento da bateria injetar potência na rede, a corrente encontra-se em contra-fase

ou em oposição de fase com a tensão de entrada, conforme ilustrado na Figura 55.

Nesse sentido, verifica-se que o fluxo de potência é da bateria para a rede, validando a

teoria e o controle implementado.

Figura 55 - Tensão e corrente na entrada do carregador no modo V2G

Page 95: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

Capítulo 7

7. Conclusões

O presente trabalho propôs um carregador de baterias bidirecional para o carregamento e

descarregamento de uma bateria de Lition-Ion para PEV, composto por dois estágios de

conversão de energia, tendo a rede de distribuição como fonte de entrada a uma tensão de

220VCA e uma saída a 400VCC

O primeiro estágio foi composto por um conversor CA/CC Full-Bridge bidirecional

encarregado da conversão da corrente alternada da fonte, em corrente contínua para o linkcc, e

da correção do fator de potência. O segundo estágio foi composto por um conversor Full-

Bridge isolado CC/CC para ajustar a corrente e a tensão para as baterias.

para o lado das baterias.

Para atingir esses objetivos, inicialmente, foi apresentado o estudo dos veículos

elétricos, enfatizando as diferentes classificações dos mesmos, dependendo de como a energia

elétrica e a energia de combustão são integradas. Em seguida, foram apresentadas também, as

fontes de energia mais promissoras para o aumento de autonomia de condução do veículo,

bem como as formas de armazenamento da energia e como os veículos elétricos são

alimentados.

Analisadas as topologias dos carregadores de baterias, considerando a direção do fluxo

de potência entre a rede elétrica e as baterias, assim como seus principais componentes, foi

proposta uma modelagem para o carregador de baterias bidirecional.

Nesse ponto, foi proposta uma alternativa que possui dois estágios de conversão de

energia, sendo o primeiro um conversor CA/CC Full-Bridge com correção do fator de

potência e o segundo um conversor CC/CC Full-Bridge Isolado, ambos bidirecionais.

De maneira a validar o sistema proposto, foram apresentadas as especificações e

considerações do modelo do carregador bidirecional, bem como o cálculo dos componentes

do circuito (Ls, Clinkkcc, Llk, Cbat) para os diferentes estados de conversão. Foi utilizado e

implementado o controle por corrente média para o conversor CA/CC e controle por meio da

modulação por deslocamento de fase para o conversor CC/CC.

Page 96: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

Os resultados obtidos a partir da simulação permitirão validar o sistema proposto na

medida em que se verificou, a partir das formas de ondas apresentadas, o correto

funcionamento do carregador de baterias bidirecional.

Conforme verificado, os carregadores de baterias são muito importantes no

desenvolvimento dos veículos elétricos. De um lado, o desempenho e vida útil das baterias

dependem de sua construção e de como as mesmas são utilizadas e recarregadas. Por outro

lado, os algoritmos de carga, controles do processo de carregamento e circuitos utilizados na

construção do carregador aumentam sua eficiência e confiabilidade.

Os PEV representam um novo tipo de carga que podem acrescentar problemas as

redes de distribuição, porém também oferecem soluções que permitem regular o perfil de

consumo da rede elétrica, armazenar energia das fontes não intermitentes e assegurar

estabilidade de frequência e tensão das redes de distribuição.

Nesse sentido, a modelagem do veículo elétrico e o estudo da operação do mesmo em

redes de distribuição é um passo importante para a minimização dos problemas da conexão

dessa nova carga às redes elétricas de distribuição.

Page 97: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

Capítulo 8

8. Sugestões para trabalhos futuros

São sugestões de trabalhos futuros:

• Estudar outros tipos de conversores, avaliando seu custo-benefício, quando instalado

no PEV;

• Avaliar dos impactos dos VE nos sistemas de distribuição quando da ocorrência de

contingências;

• Quanto ao armazenamento de energia, aperfeiçoar o estudo das novas tecnologias de

baterias para veículos elétricos e;

• Estudar outros tipos de controle de modo que se possa calcular o estado de

carregamento das baterias - SOC, avaliando o comportamento dinâmico das baterias

de modo que sejam capazes de escolher seu modo de operação.

Page 98: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

9. Referências

AHMED, Ashfaq. Eletrônica de Potência. 1th Edition.: Pearson Prentice Hall, 2009.

ASIN, Jon Muñoa. Estándares y Normativa Internacional Referente al Vehículo

Eléctrico. INGETEAM. Feria de Valladolid, 2010

BACHER, Diane. Impacto Medioambiental de las Baterías Usadas en Coches Eléctricos.

http://www.ehowenespanol.com/impacto-medioambiental-baterias-usadas-coches-

electricos-sobre_35390/. [Consulta: Sábado, 13 de Abril de 2013]. Traducido por Susana

Margarita López Millót.

BELLUR, D.N; KAZIMIERCZUK, D.M. DC-DC Converters for Electric Vehicle

Aplications, IEEE Electrical Insulation Conference and Electrical Manufacturing Expo,

pp 286-293, 2009.

BUCHMANN, Isidor. Batteries as a Power Source. Battery University

http://batteryuniversity.com/. [Consulta em Sabado, 13 de Abril de 2013].

BELTRAME, Fernando. Análise Comparativa de Conversores Monofásicos Aplicados à

Correção de Fator de Potência. Dissertação apresentada ao Curso de Mestrado do

Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, como requisito parcial para a

obtenção de grau de Mestre em Engenharia Elétrica. Santa Maria, RS, 2009.

BARBI, I. Eletrônica de Potência. 6a

. Edição. Edição do autor, 2006.

BATSCHAUER, Alessandro Luiz. Apostila da Disciplina de Controle de Conversores

Estáticos. Universidade do Estado Santa Catarina. 2012.

BERTOLUZZO, Manuele; ZABIHI, Nima; BUJA, Giuseppe. Overview on Battery

Chargers for Plug-in Electric Vehicles. IEEE - International Power Electronics and

Motion Control Conference (EPE/PEMC), pp, LS4d.1-1 – LS4d.1-7, 2012.

Page 99: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

BRADLEY, W.G. Electric Vehicle Battery Charger Power Line Interface. IEEE

Conference Proceedings Southeastcon. pp 430 – 434, 1981.

CHAN, Chun-Chung C; BOUSCAYROL, Alain; CHEN, Keyu. Electric, Hybrid, and Fuell-

Cell Vehicles: Architectures and Modeling. IEEE Transactions on Vehicular

Technology, v. 59, n. 2, pp 589 – 598, 2010.

CIOBOTARU, M; TEODORESCU, R; BLAABJERG, F. A New Single Phase PLL

Structure Based on Second Order Generalized Integrator. IEEE Power Electronic

Specialists Conference, pp 1 – 6, 2006.

CLEMENT-NYNS, Kristien; HAESEN, Edwin; DRIESEN, Johan. The impact of vehicle to

grid on the distribution grid. ELSEVIER, Electric Power System Research, pp, 185 –

192, 2010.

EG&G; Technical Services, Inc. Fuel Cell Hand Book. U.S. Department of Energy Office of

Fossil Energy, National Energy Technology Laboratory, West Virginia. Seventh Edition,

2004.

ELMANO, Carlos de Alencar e Silva. Estudo e Desenvolvimento Experimental de um

sistema eólico Interligado à Rede Elétrica. Tese submetida à Universidade Federal do

Ceará para a obtenção do grau de Doutor em Engenharia Elétrica. 2012.

FERREIRA, João Carlos; TRIGO, Paulo; RODRIGUES da SILVA, Alberto; COELHO,

Helder; ALFONSO, João L. Simulation of Electrical Distributed Energy Resourses for

Electrical Vehicles Charging Process Strategy. IEEE Computer Magazine – Second

Brazilian Workshop on Social Simulation, pp. 82-89, 2010.

GARCIA, Victor Alberto. Carregamento Óptimo de Veículos Elétricos Considerando as

Restrições das Redes de Distribuição de Média Tensão. Dissertação Apresentada à

Faculdade de Engenharia – UNESP – Campus de Ilha Solteira. 2013.

GALLARDO, J. Lozano; MILANES, M.I. Montero, GUERRERO, M.A. Martinez;

Page 100: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

ROMERO, E. Cadaval. Three-phase Bidirectional Battery Charger for Smart

Electric Vehicles. IEEE. International Conference – Workshop Compatibility and Power

Electronics (CPE), pp 371 – 376, 2011.

GOULD, Chris. A Comparative Stufy of On-Board Bidirectional Chargers for Electric

Vehicles to Support Vehicle to Grid Power Transfer. eMobility eMotion. France,

2013.

JAVDANI, Mehdi Efani. Design of a Bidirectional On-Board Battery Charger in Hybrid

Electric Vehicle Applications. Thesis for the degree of Master of Sciencie. Chalmers

University Technology. 2011.

JINGANG, Guo; JUNPING, Wang; BINGGANG, Cao. Regenerative Braking Strategy for

Electric Vehicles. IEEE Intelligent Vehicles Symposium, pp 864 – 868, 2009.

KAMIL, Çagatay Bayindir; MEHMET, Ali Gözükücük; AHMET, Teke. A comprehensive

overview of hybrid electric vehicle: Powertrain conFigurations, powertrain control

techniques and electronic control units. ELSEVIER Energy Conversion and

Management, pp 1305 – 1313, 2010.

KHALIGH, Alireza; ZHIHAO, Li. Battery, Ultracapacitor, Fuel Cell, and Hybrid Energy

Storage Systems for Electric, Hybrid Electric, Fuel Cell, and Plug-In Hybrid

Electric Vehicles: State of the Art. IEEE Transactions on Vehicular Technology, v. 59,

n. 6, pp 2806 – 2814, 2010.

KHAN, Iftikhar A. Battery Chargers for Electric and Hybrid Vehicles. Power Electronics

in Transportation [Proceedings]. pp 103 – 112, 1994.

KOLLING, João Carlos Neto. Conversor DC-DC Isolado Tipo Push-Pull em Modo

Corrente. Projeto de Diplomação apresentado ao Departamento de Engenharia Elétrica

da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, como parte dos requisitos para

Graduação em Engenharia Elétrica. Porto Alegre, 2010.

KRISMER, Floriam. Modeling and Optimization of Bidirectional Dual Active Bridge

Page 101: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

DC-DC Converter Topologies. A Dissertation Submitted to ETH ZURICH for the

degree of Doctor of Sciencies, 2010.

LEE, Young-Joo Joo; RAJASHEKARA, Kaushik S. Power Electronics and Motor Drives

in Electric, Hybrid Electric, and Plug-In Hybrid Electric Vehicles. IEEE Transactions

on Industrial Electronics, v. 55, n. 6, pp 2237 – 2245, 2008.

LESSA, Fernando Tofoli. Estudo e Concepção de Retificadores a Três Níveis com Alto

Fator de Potência Utilizando Técnicas de Comutação não Dissipativas. Tesse

apresentada para obtenção do titulo de Doutor em Ciências, 2005.

LI, Xin; WILLIAMSON, Sheldon S. Assessment of Efficiency Improvement Techniques

for Future Power Electronics Intensive Hybrid Electric Vehicle Drive Trains. IEEE

Canada Electrical Power Conference, pp. 268 – 273, 2007.

LIN, Sheng; HE, Zhengyou; ZANG, Tianlei, QUIAN, Qingquan. Impact of Plug-In Hybrid

Electric Vehicles on Distribution Systems. IEEE International Conference on Power

System Technology (POWERCON), pp 1 – 5, 2010.

MATHWORKS, Inc. User’s Guide. SimPowerSystems, Matlab & Simulink.

http://www.mathworks.com/help/simulink/index.html?s_cid=BB [Consulta: Quarta Feira,

5 de fevereiro de 2014].

MOMOH, David Omonowo; OMOIGUI, Michael Osaterin. An Overview of Hybrid

Electric Vehicle Technology. IEEE Vehicle Power and Propulsion Conferense, pp. 1286

– 1292, 2009.

MUSAVI, Fariborz; EDINGTON, Murray; EBERLE, Wilson; DUNFORD, William G.

Evaluation and Efficiency Comparison of Front End AC-DC Plug-in Hybrid

Charger Topologies. IEEE Transactions on Smart Grid. v. 3, Issue:1, pp. 413 – 421,

2012.

Page 102: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

MOHAND, Ned; UNDELAND, Tore M; ROBBINS, William P. Power Electronics,

Converters Applications, and Desing. 3nd Edition.: Jhon Wiley & Sons. 2003.

MUHAMMAD, Rachid H. Power Electronics Handbook. Devices, Circuits, and

applications. ELSEVIER. Third Edition, 2011.

MUHAMMAD, Rachid H. Eletrônica de Potência. Circuitos, Dispositivos e aplicações.

MAKRON. Segunda Edição, 1999.

OCHOA PIZZALI, Luis Fernando. Desempenho de Redes de Distribuição com Geradores

Distribuídos. Dissertação Apresentada à Faculdade de Engenharia – UNESP – Campus

de Ilha Solteira. 2006.

ORELLANA, Cesar Lafuente. Carregador de Baterias Monofásico para Aplicação em

Veículos Elétricos. Dissertação apresentada à Universidade Federal do Ceará como parte

dos requisitos para obtenção de grau de Mestre em Engenharia Elétrica. Fortaleza. 2011.

PENA-ALZOLA, R; SEBASTIAN, R; QUESADA, J; COLMENAR, A. Review of Flywheel

Based Energy Storage Systems. IEEE International Conference on Power Engineering,

Energy and Electrical Drives (POWERENG), pp 1 – 6, 2011.

PICARD, Jean. High – Voltage Energy Storage. The Key to Efficient Holdup Time. Texas

Instruments Applications Note, 2010.

PRIETO, Leo. El Futuro de las baterias. http://www.fayerwayer.com/2012/08/el-futuro-de-

las-baterias/ [Consulta: Sábado, 13 de Abril de 2013].

REI, R.J; SOARES, F.J; ALMEIDA, P.M.R; PEAS LOPES, J.A. Grid Interactive Charging

Control for Plug-In Electric Vehicles. IEEE 13th International Conference on

Intelligent Transportation Systems, pp 386 – 391, 2010.

RICHARDSON, David B. Electric Vehicles and Electric Grid: A Review of Modeling

Approaches, Impacts, and Renewable Energy Integration. ELSEVIER Renewable

and Sustainable Energy Reviews, pp 247 – 253, 2012.

Page 103: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

ROBERT, C Green II; LINGFENG, Wang; MANSOOR, Alam; The Impacto of Plug-in

Hybrid Electric Vehicles on Distribution Networks: A Review and Outlook.

ELSEVIER Renewable and Sustainable Energy Reviews, pp 544 – 552, 2010.

ROSSO, Ángel Mateo. Evaluación del Imapcto de los Vehículos Eléctricos en la Red de

Distribución. Consegeria de Economía y Hacienda. Comunidad de Madrid, pp 1 – 232.

2009.

ROSSO, Ángel Mateo. Evaluación del Imapcto de los Vehículos Eléctricos en la Red de

Distribución. Proyecto Fin de Carrera – Universidad Pontificia Comillas, Escuela

Tecnica Superior de Ingeniería. 2010.

SAE. Electric Vehicle and Plug in Hybrid Electric Vehicle Condutive Charge Coupler,

SAE Standard J1772. 2010.

SEGARAN, D; HOLMES, D. G; McGRATH, B. P. Comparative Analysis of Single and

Three-Phase Dual Active Bridge Bidirectional DC-DC Converters. IEEE. Power

Engineering Conference, pp 1 – 6, 2008.

SEGURA, Isidoro Heras. Evaluación del Impacto de la Generación Distribuida en

Sistemas de Distribución Primaria de Energía Eléctrica. Tesis Doctoral - Universidad

Politécnica de Valencia. 2005.

SHAIK, Amjad; NEELAKRISHNAN, S; RUDRAMOORTHY, R. Review of design

considerations and technological challenges for successful development and

deployment of plug-in hybrid electric vehicles. ELSEVIER Renewable and Sustainable

Energy Reviews, pp 1104 – 1110, 2009.

SIANG, Fui Tie; CHEE, Wei Tan. A Review of Energy Sources and Energy Management

System in Electric Vehicles. ELSEVIER Renewable and Sustainable Energy Reviews,

pp 82 – 102, 2012.

SINGH, Bhim; BRIJ, N Singh; AMBRISH, Chandra; KAMAL, Al-Haddad; ASHISH,

Page 104: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

Pandey; DWARKA, P Kothari. A Review of Single-Phase Improved Power Quality

AC-DC Converter. IEEE Transactions on Industrial Electronics. v.50, Issue.5, pp 962 –

981, 2003.

SOARES, Bruno Moreira; Modelagem Integrada da Introdução de Veículos Leves

Conectáveis À Rede Elétrica No Sistema Energético Brasileiro. Tese de Doutorado

apresentada ao Programa de Planejamento Energético, COPPE, da Universidade Federal

do Rio de Janeiro. 2012.

TOSHIZAEMOM, Noce. Estudo do Funcionamento de Veículos Elétricos e

Contribuições ao seu Aperfeiçoamento. Dissertação apresentada ao Programa de Pós-

Graduação em Engenharia Mecânica da Pontifícia Universidade Católica de Minas

Gerais. Belo Horizonte. 2009.

TUAN, Ngo; KILHO, Lee; JEHYUK, Won; KWANGHEE, Nam. Study of Single – Phase

Bidirectional Battery Charger for High Power Application. 7th International Power

Electronics and Motion Control Conference (IPEMC), pp 958 – 962, 2012.

ULLAH, M, Habib; GUNAWAN, Teddy Surya; SHARIF, M,R; MUHIDA Rizah. Design of

environmental friendly hybrid electric vehicle. IEEE International Conference on

Computer and Communication Engineering (ICCCE), pp 544 – 548, 2012.

UNIVERSIDAD DO ABC, Guia de Normalização de Trabalhos Acadêmicos. Biblioteca

Universitária – Santo André, 2009.

VIAN, Veículos Elétricos, Impactos sobre a Rede de Distribuição. VE-2009. Capinas, São

Paulo. Nov, 2009.

XIAODONG, Zhang; CHAN, C, C; WENLONG, Li. An automotive thermoelectric energy

system with parallel conFiguration for engine waste heat recovery. Internacional

Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS), pp 1 – 6, 2011.

XION, Xin Fu; XIAPENG, Xie. The Control Strategy of Flywheel Battery for Electric

Vehicles. IEEE International Conference on Control and Automation, pp 492 – 496,

Page 105: UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC UFABC PROGRAMA DE … · 6.1.1.3 Dimensionamento do Indutor L ... Figura 24 - Circuitos Equivalentes e Formas de Onda do Conversor Boost. _____64 Figura

2007.

YILMAZ, Murat; KREIN, Philip T. Review of Battery Charger Topologies, Charging

Power Levels, and Infrastructure for Plug-In Electric and Hybrid Vehicles. IEEE

Transactions on Power Electronics, v. 28, Issue.5, pp 2151 – 2169, 2013.

YOONG, M.K; GAN, Y.H; GAN, G.D; LEONG, G.K; PHUAN, Z.Y; CHAH, B.K; CHEW,

K.W. Studies of regenerative braking in electric vehicle. IEEE Conference on

Sustainable Utilization and Development in Engineering and Technology (Student), pp

40 – 45, 2010.

WODSON, Waner Aparecido Gonçalves Silva. Estudo e implementação de um conversor

bidirecional como interface na regulação de tensão em barramento c.c. e

carregamento de baterias em um Sistema Nanorrede. Texto de dissertação.

Universidade Federal de Minas Gerais, 2013.