Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

Desenvolvimento de Barramento CC para carro eléctrico

André Filipe Ferreira Matos

RELATÓRIO DE PDI

Dissertação realizada no âmbito do Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Major Automação

Orientador: Prof. Doutor Adriano da Silva Carvalho

07-07-2011

ii

© André Filipe Ferreira Matos, 2011

iii

iv

Índice

Índice ............................................................................................... iv

Lista de figuras .................................................................................... v

Lista de tabelas ................................................................................... vi

Abreviaturas e Símbolos ........................................................................ vii

Capítulo 1 .......................................................................................... 1

Introdução ........................................................................................................ 1 1.1 - Enquadramento ........................................................................................ 1 1.2 - Objectivos ............................................................................................... 1 1.3 - Plano de trabalho ...................................................................................... 2

Capítulo 2 .......................................................................................... 3

Estado da arte .................................................................................................... 3 2.1 Veículos eléctricos..................................................................................... 3 2.2 Motores para os Veículos eléctricos ................................................................ 4 2.3 Armazenamento de energia .......................................................................... 5 2.4 Armazenamento de energia híbrido - Combinação de Ultra-condensadores com

Baterias ................................................................................................ 13 2.5 Métodos de Controlo – DSP ......................................................................... 17

Referências ....................................................................................... 19

v

Lista de figuras

Figura 1.1 – Distribuição da utilização das baterias químicas em 2009[5] .......................... 6

Figura 1.2 – Modelo básico de um circuito de uma bateria [9] ....................................... 9

Figura 1.3 – Comparação das características das baterias e dos UC [11] ......................... 11

Figura 1.4 – Circuito equivalente do ultra-condensador. [4] ........................................ 12

Figura1.5 – Circuito de potência típico (a)veiculo híbrido paralelo e (b) veiculo híbrido série[12] ................................................................................................ 14

Figura 1.6 – Modelo característico de um veículo híbrido série-paralelo [3] ..................... 15

Figura 1.7 – Comparação dos atributos das tecnologias de armazenamento de energia com a finalidade de hibridação. [11] .................................................................... 16

Figura 1.8 – Topologias de (a) conexão passiva paralela, (b) conversor CC/CC bidireccional , e (c) duas entradas para o conversor CC/CC bidireccional. [11] .......... 17

vi

Lista de tabelas

Não foi encontrada nenhuma entrada do índice de ilustrações.

vii

Abreviaturas e Símbolos

Lista de abreviaturas

AC Corrente alternada

CC Corrente Continua

DSP Digital Signal Processor

FEUP Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

GPL Gás de petróleo liquefeito

ICE Combustão interna

IV Corrente/Tensão

MÊS Main Energy System

SOC State Of Charge

VE Veículo Eléctrico

VEH Veículo Eléctrico Híbrido

UC Ultra-condensadores

ZEV Veículos de Emissão Zero

Capítulo 1

Introdução

Neste capítulo apresentam-se os aspectos iniciais a ter em consideração ao longo da dis-

sertação, tal como o enquadramento do projecto e a delineação dos objectivos para a pre-

sente tese.

1.1 - Enquadramento

Tendo em conta as circunstâncias actuais do cenário energético existente no mundo é

importante conseguir reduzir a dependência energética relativamente ao uso de combustíveis

fósseis. Tal facto não se deve apenas ao aumento do seu custo mas também pela sua escas-

sez. Esta situação leva a que as construtoras automóveis estejam a fazer um forte investi-

mento na modelização dos veículos para que estes não apresentarem dependência de com-

bustíveis fósseis.

O projecto enquadra-se numa visão ambientalista, pois é pretendido dar um contributo no

desenvolvimento sustentado das tecnologias inerentes aos veículos eléctricos como forma de

garantir a diminuição dos gases.

1.2 - Objectivos

Pretende-se neste trabalho validar o conceito de Barramento CC em tracção eléctrica

pelo desenvolvimento de um protótipo. Como elemento do sistema de tracção o Barramento

CC é relevante em qualquer sistema de movimentação eléctrica, quer a nível industrial, quer

a nível do transporte. No que se refere a este último nível, o carro eléctrico requer na arqui-

tectura de desenvolvimento um barramento CC capaz de fornecer a potência instantânea

2 Introdução

2

bem como armazenar a energia necessária à tracção eléctrica. Em tracção eléctrica, o bar-

ramento CC torna-se assim o elemento nuclear ao desenvolvimento de qualquer solução.

Pretende-se neste trabalho desenvolver um sistema de barramento incorporando baterias

de iões de lítio e ultra-condensadores que alimente o carro. A validação será feita em moto

4*4, com potência nominal de 12 kW.

1.3 - Plano de trabalho

O plano de trabalho coincidirá com as fases representadas abaixo

ID Fases

1 Estado da Arte e Modelação da bateria de iões de lítio e de ultra-condensadores

2 Projecto do sistema de controlo do barramento CC com definição perfis de carga/descarga a adoptar e dos regime de

funcionamento dos motores de tracção

3 Selecção da plataforma para conversor de potência, que garanta controlo de carga das baterias de iões de lítio

4 Construção de protótipo e validação experimental

5 Escrita da Dissertação

Capítulo 2

Estado da arte

2.1 Veículos eléctricos

Um VE é um veículo que contém um motor eléctrico em vez de um motor de combustão

(ICE), no qual o seu armazenamento de energia é feito por baterias. As baterias têm que ser

recarregadas frequentemente ligando a uma fonte de alimentação de 120V ou 240V para

recarregar.

Os veículos eléctricos são um tema em franco desenvolvimento. No entanto, este tipo de

veículo surgiu em 1834 por Thomas Davenport.

Os VEs são conhecidos por veículos de emissão zero (ZEV), e dessa forma são considerados

mais amigos do ambiente em relação aos veículos de combustão a gasolina ou a GPL. Uma das

muitas vantagens dos VE é o facto de terem poucas peças móveis e dessa forma garantirem

uma menor necessidade de manutenção. Outra das grandes vantagens dos VEs prende-se com

o facto de estes veículos terem uma grande eficiência energética em relação aos veículos de

combustão, apresentando também uma grande tranquilidade no seu funcionamento.

Os VEs mantêm-se em uso contínuo desde 1900 em várias aplicações. Hoje em dia esse

tipo de veículos não está só limitado aos conhecidos carrinhos de golfe. Com o avançar da

tecnologia ao nível das baterias, a integração dos sistemas, a aerodinâmica, e a pesquisa e

desenvolvimento por parte dos grandes fabricantes dos veículos permite cada vez mais trans-

formar numa realidade a existência de VEs nas ruas.

Os VEs não contêm ICE no seu sistema. Em vez disso a energia eléctrica é armazenada em

baterias ou ultra-condensadores e convertida a partir de energia química presente nas células

de combustível (do inglês Fuel Cell) ou a partir de energia mecânica a partir dos volantes de

inércia (do inglês Flywheels).

Na concepção dos sistemas de propulsão eléctrica é necessário ter em consideração três

grandes aspectos são eles: os motores eléctricos, os conversores de potência (e seu controlo)

e a forma de armazenamento da energia. [1]

4 Introdução

4

2.2 Motores para os Veículos eléctricos

O motor é o principal componente do VE. É por isso importante seleccionar o tipo de

motor adequado. É importante perceber que os motores eléctricos são classificados segundo

uma contínua actuação sobre uma carga. [1]

Torna-se então importante referenciar os grandes candidatos para o sistema a desenvol-

ver no que diz respeito ao motor eléctrico. Para tal é necessário ter em consideração a sua

eficiência, a densidade de binário disponibilizada por cada motor. Seguem-se portanto os

motores usados em VE.

2.2.1 Series Wound Brushed DC Motor

Este tipo de motor tem como característica física apresentar um enrolamento do campo e

sua armadura ligados em série. Este motor é dos mais utilizados no VE presentes na estrada

nos dias de hoje. Alem de apresentar um grande binário, este é um motor barato requerendo

controladores simples, quando comparado a outros tipos motores utilizados nos VE.

2.2.2 Brushless DC Motor

Estes motores apresentam-se como candidatos a motores de veículos eléctricos pois

necessitam de pouca manutenção embora requeiram controladores caros. Aliado a esta con-

dicionante temos que este motor se trata de um motor síncrono onde o seu campo magnético

gerado pelos enrolamentos do estator gira em sincronismo com o campo magnético do rotor

criado pelos ímanes permanentes, ou seja, os campos magnéticos do estator e do rotor rodam

à mesma frequência. Assim, e ao contrário do que sucede nos motores de indução, nestes

motores não existe deslizamento.

Este motor também pode ser classificado de acordo com a força electromotriz que apre-

senta que no caso é trapezoidal. A corrente também pode apresentar a mesma forma da for-

ça electromotriz e esse facto origina que o binário disponível num motor com correntes sinu-

soidais seja mais suave, apresentando menos ondulação do que num motor com correntes

rectangulares. [1, 2]

2.2.3 Motor AC

Os motores AC operam com altas rpm o que leva à necessidade de redução dessas rpm.

Esta característica faz com que haja a necessidade de existir um complexo mecanismo de

controlo de velocidade. [1]

2.2.4 Motor de ímanes permanentes

Os motores de ímanes permanentes apresentam uma grande eficiência, mas para uma

banda estreita de rpm, e rapidamente perdem a sua eficiência variando a sua velocidade de

condução normal. [1]

Os motores de ímanes permanentes possuem características como alta eficiência, binários

elevados e densidade de potência altas. No entanto, os motores de ímanes permanentes ter

uma faixa de potência constante curta devido ao seu campo limitado de enfraquecimento de

campo. [3]

Erro! A origem da referência não foi encontrada. 5

2.2.5 Shunt Wound DC Motors

Os componentes para este tipo de motor apresentam um custo mais elevado, também

apresentando uma fraca aceleração em relação ao motor série. [1]

2.3 Armazenamento de energia

Armazenar energia consiste em disponibilizar energia para o sistema (descarga) e adquirir

energia externa ao sistema (carga). Existem diversas formas de armazenar a energia num

veículo eléctrico, pois existem diversos tipos de baterias, e essas formas podem utilizar

diversos recursos para sustentar o armazenamento da energia de um veículo eléctrico ou

veículo eléctrico híbrido como ultra-condensadores ou volantes de inércia. [4]

Dessa forma é importante fazer referência aos vários tipos de baterias existentes, e dar

natural ênfase às suas principais características.

2.3.1 Baterias

A bateria no sistema de armazenamento de energia dá origem a um processo electroquí-

mico que transforma energia química em energia eléctrica durante o processo de descarga. A

bateria é composta essencialmente por três elementos principais: dois eléctrodos (positivo e

negativo) imersos num electrolítico.

Os fabricantes das baterias especificam a capacidade da bateria em Ampere-hora .

Os principais factores que influência a escolha de um tipo de bateria para além do seu

princípio de funcionamento são a densidade de energia, o ciclo de vida de cada bateria e a

sua densidade de potência. Torna-se então importante perceber o significado destes concei-

tos que permitirão fazer a escolha sobre um tipo de bateria.

Energia específica - é definida como a capacidade de energia por unidade de peso da

bateria . Teoricamente a energia específica é a energia máxima que pode ser gerada

por unidade de massa total do reagente celular da bateria.

Potência específica ou densidade de potência – é definida como a potência máxima de

uma bateria por unidade de peso que a bateria pode produzir num curto espaço de tempo. A

potência específica é importante na redução do peso da bateria, especialmente em aplica-

ções em que é exigida alta potência. A potência específica depende essencialmente da resis-

tência interna da bateria.

Eficiência energética – As perdas de energia, ou a descarga da bateria ou o carregamento

da bateria aparecem relacionadas com as perdas de tensão. Assim, a eficiência da bateria

durante a descarga e durante o período de carregamento pode ser definido em qualquer pon-

to como a relação entre a tensão de operação da célula com a tensão termodinâmica.

Densidade de Energia – refere-se à quantidade de energia que uma bateria tem em rela-

ção ao seu tamanho, isto é, a quantidade total de energia que uma bateria pode armazenar

por litro do seu volume para uma determinada taxa de descarga.

6 Introdução

6

Ciclo de vida – consiste no número total de vezes em que uma bateria pode ser descarre-

gada e carregada durante a sua vida, é importante ter em consideração que quando a bateria

não consegue atingir mais de oitenta por cento (80%) da sua carga o ciclo de vida da bateria é

considerado acabado.

Outros aspectos a ter em consideração na escolha das baterias e que influencia o seu

ciclo de vida é a forma como estabelecemos o estado de carga e o estado de descarga da

bateria. [4]

Figura 1.1 – Distribuição da utilização das baterias químicas em 2009[5]

2.3.1.1 Baterias de ácido de chumbo

As baterias de ácido de chumbo apresentam grandes vantagens para aplicações nos HEV.

Estas baterias nos dias de hoje são produzidas em larga escala permitindo gerar uma fonte de

energia de relativamente baixo custo.

Em adição existe também o facto de estas baterias de ácido de chumbo serem uma tecno-

logia de grande maturidade devido à sua utilização ao longo dos últimos 50 anos. No entanto,

as baterias de ácido de chumbo não são adequadas em situações que a descarga alcança um

valor abaixo dos 20% da sua capacidade.

A bateria de ácido de chumbo quando opera em situações em que o SOC é baixo faz redu-

zir o ciclo de vida da bateria.

Diferentes baterias de ácido de chumbo com melhor desempenho estão a ser desenvolvi-

das para os VE e VEHs.

Melhorias alcançadas com a selagem da bateria de ácido de chumbo permitem alcançar

uma energia específica da bateria para mais de , podendo ser dessa forma alcançar

rápido carregamento das baterias.

A densidade de energia e potência são baixas devido ao peso dos colectores de chumbo.

As baterias de ácido de chumbo contêm elementos que colocam em risco os ocupantes de

um VE na presença deste tipo de baterias, e para evitar este tipo de risco é selada a bateria

perdendo dessa forma a presença de gases na carcaça da bateria. Podendo provocar cons-

trangimentos ao nível mecânico.

Erro! A origem da referência não foi encontrada. 7

Diferentes baterias de ácido de chumbo têm vindo a ser desenvolvidas para VE e VEH.

Têm-se verificado um aumento da energia específica e da possibilidade de carregamento

rápido a partir dos desenvolvimentos que têm sido feitos. [4, 6]

2.3.1.2 Baterias de níquel

O níquel é um metal mais leve que o chumbo e apresenta características desejáveis para

baterias pois apresenta propriedades electroquímicas muito boas.

Existem quatro tipos de baterias baseadas no metal de níquel: níquel ferro, níquel zinco,

níquel cádmio e níquel hidreto metálico.

As baterias de níquel ferro foram comercializadas nos primeiros anos do século 20. Tendo

estas baterias apresentado problemas com a gasificação, corrosão e auto-descarga. Estes

problemas foram parcialmente ou totalmente resolvidos em protótipos que ainda não chega-

ram ao mercado. Estas baterias apresentam uma grande complexidade devido à necessidade

de manter o nível de água e fazer uma eliminação segura do hidrogénio e oxigénio libertado

durante o processo de descarga. As baterias de níquel ferro apresentam problemas com as

baixas temperaturas, embora as baterias de ácido de chumbo apresente mais problemas a

esse respeito. Estas baterias têm a capacidade de suportar 2000 descargas profundas e o

níquel é mais barato que o ácido de chumbo.

As baterias de níquel cádmio sofreram o seu desenvolvimento na mesma altura que as

baterias de níquel ferro e dessa forma apresentem um desempenho similar. A tensão nominal

de circuito aberto de uma célula de níquel cádmio é . Esta tecnologia de bateria de

níquel têm vindo a sofrer um aperfeiçoamento técnico enorme devido às suas vantagens de

potência específica elevada, tempo de ciclos de vida, uma alta tolerância ao nível eléctrico e

mecânico, uma queda de tensão numa ampla faixa de correntes de descarga, larga faixa de

temperaturas de funcionamento, taxa de descarga baixa, excelente a longo prazo em situa-

ções de armazenamento devido à corrosão desprezável e pelo facto da disponibilidade na

variedade de tamanho das baterias. No entanto, a bateria de níquel cádmio tem algumas

desvantagens incluindo um custo inicial alto, a tensão da bateria relativamente baixa e o

perigo ambiental de cádmio. A bateria de níquel cádmio pode ser geralmente dividida em

duas categorias principais, ou seja, as que são do tipo ventilado ou as seladas. O tipo de ven-

tilação é composto de muitas alternativas. A placa sintetizada ventilada é o desenvolvimento

mais recente e apresenta uma alta energia específica mas é mais caro. Caracteriza-se por

uma superfície plana de perfil de descarga de tensão e baixa temperatura de desempenho. A

bateria de níquel cádmio selada incorpora uma célula específica que contém umas caracterís-

ticas específicas de projecção de células para evitar uma acumulação de pressão causadas

pelo gás durante a sobrecarga. Como resultado a bateria não necessita de manutenção.

A bateria de níquel de zinco tem um curto ciclo de vida e dessa forma não é uma alterna-

tiva válida para os VE, A tensão nominal de uma célula deste tipo de tecnologia é de .

A bateria de níquel hidreto metálico está no mercado desde 1992. As características deste

tipo de bateria são semelhantes às da bateria de níquel cádmio, a principal diferença entre

elas é o uso do hidrogénio. A bateria de níquel hidreto metálico apresenta uma energia espe-

cífica superior à bateria de níquel cádmio e por não apresentar cádmio não apresenta o risco

ambiental introduzido pelo cádmio. A bateria de níquel hidreto metálico actualmente apre-

senta uma tensão nominal de , atinge uma energia especifica de e uma potên-

8 Introdução

8

cia especifica de . A bateria de níquel hidreto metálico ainda está em desenvolvi-

mento, as suas vantagens baseadas na tecnologia actual são: ter maior energia especifica,

maior potência especifica do que os outros tipos de baterias níquel, respeitando o ambiente,

com um perfil de descarga plano (menor queda de tensão), e capacidade de recarga rápida.

No entanto, esta bateria ainda apresenta um custo inicial elevado. Além disso ainda pode

apresentar um efeito de memória. A bateria de níquel hidreto metálico tem sido considerada

como uma opção a curto prazo importante para aplicações nos VE e VEH.[1, 4, 6, 7]

2.3.1.3 Baterias de lítio

O lítio é o metal mais leve de todos os metais e apresenta características muito interes-

santes de ponto de vista electroquímico. Este metal permite um elevado nível muito elevado

de tensão termodinâmica, o que resulta em uma energia específica muito alta e potencia

especifica muito elevada. Existem duas tecnologias principais de baterias com metal de lítio

e são elas baterias de polímero de lítio metálico e baterias de iões de lítio.

A bateria de polímero de lítio metálico permite oferecer uma grande flexibilidade e segu-

rança de design deste tipo de baterias. Esta tecnologia de baterias opera com uma tensão

nominal de e uma energia específica de e uma potência especifica de

. As vantagens correspondentes são muito baixa taxa de auto-descarga, a capacida-

de de fabricação em uma variedade de formas e tamanhos e permitir segurança de projecção

das baterias. No entanto, tem a desvantagem de um desempenho relativamente fraco a bai-

xas temperaturas devido à dependência da temperatura da condutividade iónica.

A bateria de iões de lítio teve a sua origem no ano de 1991, tendo esta tecnologia tido um

desenvolvimento sem precedentes até aos dias de hoje, este tipo de bateria é considerada

como a mais promissora para o futuro. Embora ainda em fase de desenvolvimento, a bateria

de iões de lítio já ganhou aceitação para os VE e aplicações VEH. A bateria de iões de lítio

apresenta uma tensão nominal de , uma energia específica de , uma densidade

de energia de e uma potência específica de . O facto de ter uma energia

específica e a densidade de energia superior faz aumentar o custo deste tipo de tecnologia

tal como tem um aumento significativo da taxa de auto-descarga. [1, 4, 6]

2.3.1.4 Modelização das baterias

Um dos aspectos importantes num veículo eléctrico consiste em modelizar a bateria utili-

zada no sistema VE, sendo um dos principais temas de estudo de forma a poder tornar viável

o VE. Tendo em conta este aspecto de modelização da bateria utilizada no VE é necessário

ter presente que os estudos que têm sido feitos para perceber o comportamento das baterias

a diversas condições.

Os modelos das baterias são essencialmente quatro tipos diferentes: modelo experimen-

tal, modelo electroquímico, modelo matemático e modelo baseado no circuito eléctrico. O

modelo experimental e o modelo electroquímico não são adequados para modelar células

dinâmicas. Assim, estes modelos não podem ser utilizados para estimar o estado de carga da

bateria (em inglês “state of charge”) SOC. Além disso, o modelo electroquímico é computa-

cionalmente caro e requer uma extensa experimentação para determinar os parâmetros do

modelo.

Os modelos matemáticos das baterias são baseados em abordagens estocásticas ou equa-

ções empíricas para prever o tempo de execução, a eficiência e a capacidade das baterias.

No entanto, os modelos matemáticos não têm relação directa entre os parâmetros do modelo

Erro! A origem da referência não foi encontrada. 9

e a característica corrente - tensão (IV) das baterias. Assim, estes modelos têm um uso limi-

tado em simuladores de circuitos.

O modelo baseado no circuito eléctrico ou no circuito equivalente é o modelo mais intui-

tivo para o uso em simuladores de circuitos. Estes modelos são baseados em circuitos equiva-

lentes de Thévenin e impedâncias. Estes modelos são mais simples e, portanto, computacio-

nalmente mais baratos. Uma das desvantagens deste tipo de modelos é a sua incapacidade de

prever a vida útil da bateria. No entanto, a sua simplicidade e a capacidade de prever a

característica corrente – tensão (IV), torna este mais adequado para a dinâmica dos veículos

eléctricos. [8]

2.3.1.5 Extracção de parâmetros

Existem diversificados modelos de baterias para diversas aplicações, é no entanto impor-

tante saber quais os parâmetros que modelização a bateria. Estes parâmetros são variáveis

em relação ao SOC, corrente, temperatura, número de ciclos de vida de uma bateria. Geral-

mente os parâmetros são extraídos após um número elevado de experiências, sendo estas

experiências demoradas e necessitarem de bastante perícia. [8]

Figura 1.2 – Modelo básico de um circuito de uma bateria [9]

2.3.2 Ultra-condensadores

Os ultra-condensadores também designados “Electric Double Layer Capacitors” são usados

na electrónica como dispositivos de armazenamento de energia, bem como fonte de energia

primária ou fonte de energia secundária, em inúmeras aplicações.

As mais atractivas aplicações para os ultra-condensadores são aplicação na recuperação

de energia para funções de memória, para situações de assistência nos picos de potência em

que se pretende reduzir o ciclo de trabalho das baterias e no armazenamento temporário da

energia eléctrica dos VE. Estes dispositivos operam entre baterias recarregáveis e condensa-

dores electrolíticos no que diz respeito à energia e ao desempenho de potência [10].

10 Introdução

10

Os ultra-condensadores são bastante interessantes por causa da sua alta densidade de

energia (comparado com os condensadores normais) e alta densidade de potência (comparan-

do com as baterias e as células de combustível).

Os ultra-condensadores por apresentarem uma separação física das cargas permitem

obter implicações importantes sobre as propriedades dos ultra-condensadores, pois é possível

alterar propriedades como o ciclo de vida, a eficiência energética e a densidade de potência

(como uma função do SOC). Os ultra-condensadores conseguem apresentar uma vida útil lon-

ga, já que idealmente não existem mudanças químicas nos eléctrodos em operação normal. A

eficiência dos ultra-condensadores é superior tendo em conta que é apenas função de uma

resistência ôhmica da parte condutora. A densidade de potência é excelente, já que as cargas

estão fisicamente armazenadas nos eléctrodos. Por outro lado, a densidade de energia é bai-

xa, já que os electrões não estão vinculados por meio de reacções químicas. Esta falta de

ligações químicas permite que os ultra-condensadores possam ser descarregados totalmente,

levando a maiores oscilações de tensão em função do SOC.

A característica apresentada pelos ultra-condensadores é única, pois a sua tensão é direc-

tamente proporcional ao seu SOC. A tensão de um ultra-condensador numa carga com corren-

te constante pode ser calculada como:

Onde o segundo termo do lado direito de (1) é o efeito da mudança do SOC, e o último

termo é o efeito da resistência interna do ultra-condensador. Umas das chaves da utilização

dos ultra-condensadores em veículos é o desenvolvimento da electrónica de interface que

permite os ultra-condensadores funcionarem em toda a sua gama de tensões variáveis. Exis-

tem alguns estudos que permitam melhorar a capacidade de armazenamento de energia. Os

investigadores estão interessados em fazer um dispositivo que junte as propriedades de um

condensar e de uma bateria. [11]

Na figura 1.3 são apresentados os atributos das baterias apresentadas anteriormente e os

ultra-condensadores, no sentido de comprar as suas características.

Erro! A origem da referência não foi encontrada. 11

Figura 1.3 – Comparação das características das baterias e dos UC [11]

A energia de armazenamento num ultra-condensador é expressa em:

em que C é a capacidade em Faraday e V é a tensão utilizável em Volts. Esta equação

indica que a maior tensão nominal V é desejável para maior capacidade de densidade de

energia.

O circuito do ultra-condensador é o que se apresenta na figura 1.4., e a partir dele

podemos verificar que a tensão aos seus terminais durante o processo de descarga é dado

por:

E o potencial eléctrico do ultra-condensador pode ser expresso por:

12 Introdução

12

Figura 1.4 – Circuito equivalente do ultra-condensador. [4]

2.3.3 Volantes de inércia

Os sistemas de volante de inércia são promovidos como baterias mecânicas e estes siste-

mas oferecem aos sistemas de armazenamento de energia capacidade de obter altas potên-

cias e altos ciclos de vida por parte do sistema.

A função de um volante de inércia num sistema de armazenamento de energia é basica-

mente a mesma do que um ultra-condensador, mas no caso do volante de inércia a energia é

armazenada como energia cinética e no caso de um ultra-condensador como energia poten-

cial. [3]

Um volante de inércia consiste num disco de grande rotação onde a energia cinética é

armazenada e um motor/gerador é acoplado ao volante de inércia para converter a energia

cinética em energia eléctrica. O motor eléctrico é usado para aumentar a energia armazena-

da no volante de inércia, enquanto o gerador é usado para fornecer a energia para a carga. A

energia cinética de um volante de inércia rotativo é derivado da:

onde é a energia cinética armazenada no volante de inércia, é o momento de inércia, é

a velocidade de rotação do volante de inércia, é os radianos do rotor e é a massa do

rotor. Com base na (5), a capacidade dos volantes de inércia pode ser melhorada, quer atra-

vés do aumento da velocidade de rotação. A alta velocidade de rotação de um volante de

inércia parece ser mais atraente para aplicações no sector automóvel, devido ao redução de

tamanho do sistema e devido ao facto do aumento da capacidade de armazenamento de enr-

gia, que aumenta com o quadrado da sua velocidade de rotação. No entanto, este sistema

terá que funcionar em vácuo parcial para garantir perdas aceitáveis, isto é diminuir o efeito

Erro! A origem da referência não foi encontrada. 13

do atrito do vento. Outra fonte de perdas é os rolamentos. Tal como acontece com outras

fontes de energia, a segurança é uma grande preocupação quando utilizados os volantes de

inércia. A bateria de um volante de inércia tem uma longa vida, pode aceitar grandes quanti-

dades de energia num curto espaço de tempo (limitado pelo tamanho da máquina eléctrica).

Por causa do valor actual dos volantes de inércia estes só são considerados para veículos de

grande porte, onde o custo de uma bateria é inerentemente alto. [11]

2.3.4 Células de Combustível

A célula de combustível é um dispositivo que combina hidrogénio com oxigénio para pro-

duzir electricidade, calor e água. As células de combustível são similares às baterias em que

a reacção electroquímica dá-se enquanto têm combustível disponível.

As células de combustível tem como objectivo substituírem ICEs como fonte de energia

primária. No entanto, o grande obstáculo prende com o preço e a durabilidade do sistema.

Outros dos grandes inconvenientes é o armazenamento do hidrogénio pela sua densidade de

energia ser relativamente baixa ( de hidrogénio líquido

em comparação a para a gasolina). [1, 3, 4]

2.4 Armazenamento de energia híbrido - Combinação de Ultra-

condensadores com Baterias

Um sistema híbrido no processo de armazenamento de energia consiste no uso de dois ou

mais dispositivos que combinam três características principais: energia específica para con-

duzir nas faixas da potência exigida pelo sistema, potência específica para a aceleração e

potência reversível para permitir ao sistema travagem regenerativa. A maioria das configura-

ções híbridas usa dois dispositivos de armazenamento de energia, um com alta capacidade de

armazenamento de energia designado sistema principal de energia (do inglês “main energy

system”) MES e um com capacidade de alta potência e reversibilidade designado por sistema

auxiliar de energia (do inglês “auxiliary energy system”) AES. O MES oferece os níveis de con-

dução e o AES oferece aceleração e travagem regenerativa. Apesar de um veículo poder

eventualmente ficar com apenas a trabalhar com o MES, leva a que nesta situação as caracte-

rísticas de potência e de eficiência fiquem demasiado fracas. A combinação do MES com o

AES permite alcançar um longo alcance com o veículo, uma boa alimentação do sistema, uma

capacidade alta de travagem regenerativa e uma melhor eficiência do sistema.

Estes dois dispositivos de armazenamento de energia podem ser ligados de diferentes

maneiras, e os veículos que usam este sistema são classificados em duas categorias princi-

pais: híbridos paralelos (do inglês “parallel hybrids”) e em híbridos serie (do inglês “serial

hybrids”).

Os veículos híbridos paralelos são veículos movidos a partir de duas saídas mecânicas

independentes trabalhando em paralelo. Estas unidades de energia podem mover as rodas

dianteiras e as rodas traseiras de forma independente ou pode ser usada uma caixa especial

para mover ambas as rodas ao mesmo tempo, este último caso é mostrado na Fig.1.5 (a) e a

maioria dos modelos comerciais usa esta configuração.

14 Introdução

14

Os veículos híbridos série são veículos com apenas uma saída mecânica, geralmente um

motor eléctrico, como demonstrado na Figura 1.5 (b), em que recebe energia através dos

conversores estáticos a partir de duas fontes de energia eléctrica. Neste caso, qualquer das

duas fontes que fornece energia eléctrica pode ser usada, desde que seja compatível em

termos de variáveis eléctricas. Esta topologia é a única possível quando as fontes de energia

são baterias ou células de combustível, porque estas fontes não produzem potência mecâni-

ca.

Os requisitos adequados para o AES são ter uma alta eficiência, alta densidade de potên-

cia e reversibilidade. [12]

Figura1.5 – Circuito de potência típico (a)veiculo híbrido paralelo e (b) veiculo híbrido série[12]

Também poderemos ter a situação de veículos híbridos série - paralelo e nesta situação o

veículo incorpora as características de ambas as situações, isto é, veículo híbrido série e veí-

culo híbrido paralelo, mas introduzindo uma variável mecânica adicional comparado com o

híbrido série e também um gerador adicional comparado com o híbrido paralelo. Apesar de

possuir ambas as características vantajosas do veículo híbrido série e do veículo híbrido para-

lelo o VEH série – paralelo é relativamente mais complicado e mais caro. No entanto, com os

avanços no controlo e tecnologia de produção, alguns VEHs modernos preferem adoptar este

sistema. [3]

Erro! A origem da referência não foi encontrada. 15

Figura 1.6 – Modelo característico de um veículo híbrido série-paralelo [3]

Os sistemas de armazenamento de energia garantem uma compensação entre a energia,

custo e ciclo de vida em aplicações no sector automóvel. Um sistema que combina as fontes

de energia e complementa as suas características. [11]

Na figura 1.6 mostra que as baterias combinadas com ultra-condensadores torna o sistema

num sistema superior.

16 Introdução

16

Figura 1.7 – Comparação dos atributos das tecnologias de armazenamento de energia com a finalidade de hibridação. [11]

Os dispositivos híbridos têm muitas variações, mas todos pretendem combinar dispositivos

de alta potência específica (resposta rápida) e dispositivos de alta energia (geralmente de

resposta lenta).[11]

Como mostrado na figura 1.7, há muitos métodos de emparelhar uma bateria e ultra-

condensadores.

Erro! A origem da referência não foi encontrada. 17

Figura 1.8 – Topologias de (a) conexão passiva paralela, (b) conversor CC/CC bidireccional , e (c) duas entradas para o conversor CC/CC bidireccional. [11]

2.5 Métodos de Controlo – DSP

O controlo é importante para a maioria dos processos para evitar perturbações que

degradem o processo global de desempenho do sistema. Os controladores electrónicos foram

introduzidos há muitos anos. Têm atingido um alto nível de sofisticação ao longo dos tempos,

devido aos rápidos avanços desenvolvidos pela indústria.

Com o enorme desenvolvimento que tem existido permitiu obter sistemas e acessórios de

tecnologia digital acoplada ao microcomputador e com custos cada vez mais reduzidos, o que

tornas os controladores digitais cada vez mais viáveis. Os vários factores que tornam um con-

trolador digital atraente são:

- Sensibilidade melhorada, isto é, o controlador é mais precisa;

- É mais confiável, pois o número de componentes do sistema é diminuído e o pro-

blema de ruído do sistema pode ser eliminado com sucesso;

- Oferece a capacidade de controlo avançado, tal como capacidade de aprendizagem

dos sistemas de controlo;

- Sem desvios e perdas devido ao ruído e a perturbações;

- São mais pequeno e mais leve de que controlos homólogos analógicos, e o consumo

de energia são minimizados;

- É geralmente mais barato em comparação com controlos analógicos;

- Oferece flexibilidade nos algoritmos de controlo.

18 Introdução

18

Em resumo, a principal vantagem do controlo digital é a sua versatilidade. O programa

que caracteriza o controlador pode ser modificado sem o hardware sofrer qualquer alteração.

[13]

Referências

[1] A. Emadi, Handbook of automotive power electronics and motor drives. Boca Raton

:: Taylor & Francis, 2005.

[2] F. A. P. Lopes, Estudo e comparação de diferentes métodos de controlo de motores

síncronos com ímanes permanentes. Porto:: [s. n.], 2008.

[3] C. C. Chan, "The State of the Art of Electric, Hybrid, and Fuel Cell Vehicles,"

Proceedings of the IEEE, vol. 95, pp. 704-718, 2007.

[4] M. Ehsani, Modern electric, hybrid electric, and fuel cell vehicles fundamentals,

theory, and design. Boca Raton :: CRC Press, 2005.

[5] http://batteryuniversity.com/.

[6] Handbook of batteries vol. 2nd ed. New York: McGraw Hill, 1995.

[7] C. C. Chan, Ed., The state of the art of electric, hybrid, and fuel cell vehicles.

p.^pp. Pages.

[8] M. Einhorn, et al., "Parameterization of an electrical battery model for dynamic

system simulation in electric vehicles," in Vehicle Power and Propulsion Conference

(VPPC), 2010 IEEE, 2010, pp. 1-7.

[9] P. Kumar and P. Bauer, "Parameter extraction of battery models using multiobjective

optimization genetic algorithms," in Power Electronics and Motion Control

Conference (EPE/PEMC), 2010 14th International, 2010, pp. T9-106-T9-110.

[10] P. Guillemet, et al., "Electro-thermal analysis of Electric Double-Layer-Capacitors," in

Thermal Inveatigation of ICs and Systems, 2008. THERMINIC 2008. 14th International

Workshop on, 2008, pp. 224-228.

[11] S. M. Lukic, et al., "Energy Storage Systems for Automotive Applications," Industrial

Electronics, IEEE Transactions on, vol. 55, pp. 2258-2267, 2008.

[12] M. Ortuzar, et al. (2007, Ultracapacitor-Based Auxiliary Energy System for an Electric

Vehicle: Implementation and Evaluation. Industrial Electronics, IEEE Transactions on

54(4), 2147-2156.

[13] M. Meenakshi, "Microprocessor Based Digital PID Controller for Speed Control of D.C.

Motor," in Emerging Trends in Engineering and Technology, 2008. ICETET '08. First

International Conference on, 2008, pp. 960-965.