Desenvolvimento de um Range Extender para Veículo Elétrico

Abstract

O inevitável fim das reservas de petróleo existentes no planeta e consequente aumento do preço dos combustíveis, bem como uma maior consciencialização relativamente às questões ambientais, fazem com que hoje em dia, mais do que nunca, se valorize a redução do consumo de combustíveis e da emissão de gases poluentes, e se procurem de forma exaustiva novas soluções para o transporte de pessoas e bens. Exemplo disso é o investimento sempre crescente em investigação e desenvolvimento de novas aplicações relacionadas com a mobilidade elétrica. Contudo, as vantagens oferecidas hoje em dia pelos veículos que utilizam sistemas puramente elétricos são ainda eclipsadas pela baixa autonomia que os mesmos disponibilizam. Um sistema Range Extender (extensor de autonomia) é basicamente uma unidade auxiliar de produção de energia, que quando em aplicação num veículo elétrico possibilita aumentar a autonomia do mesmo. Para tal, é normalmente utilizado um motor de combustão interna que aciona um gerador elétrico, cuja função consiste em produzir energia elétrica que poderá ser utilizada pelo sistema de tração do veículo, ou para carregar o sistema de armazenamento de energia elétrica do mesmo. Esta dissertação de mestrado centra-se no desenvolvimento de um conversor de potência integrável num sistema Range Extender, cuja função passa por fazer a interface entre o gerador elétrico e o barramento CC (Corrente Contínua) do veículo, bem como efetuar o carregamento do sistema de baterias do mesmo. A topologia implementada é constituída por um estágio CA-CC (Corrente Alternada – Corrente Contínua) trifásico, responsável por regular a tensão do barramento CC, e ao mesmo tempo fazer com que as correntes extraídas do gerador tenham baixo conteúdo harmónico e estejam em fase com as tensões produzidas pelo mesmo. O conversor é ainda constituído por um estágio CC-CC, cuja finalidade consiste em efetuar o carregamento de um sistema de baterias de chumbo-ácido, através da imposição de um estágio de corrente constante seguido de um outro de tensão constante. Após revisão bibliográfica do estado da arte dos sistemas Range Extender e dos conversores de potência adequados para este tipo de aplicação, procedeu-se à simulação do sistema proposto, de forma a comprovar o seu correto funcionamento, antes da implementação do protótipo e da realização de ensaios ao mesmo.

The unavoidable end of oil reserves across the planet combined with the consequent increase in fuel price, as well as a growing concern regarding environmental matters, are the causes for the rising need to reduce fuel consumption and the emissions of pollutant gases, as well as the reasons behind the exhaustive search for new ways to provide transport for people and goods. An example of that is the ever increasing investment in research and development of new applications related to Electric Mobility. However, the major advantages provided by battery electric vehicles are almost always overshadowed by the little autonomy provided by them. A Range Extender is basically an auxiliary power unit that when applied to an electric vehicle helps increasing its autonomy. To do so, the system normally uses an internal combustion engine coupled to an electric generator, whose function is to produce electric energy that could either be used by the traction system or to charge the energy storage system. The focus of this Master Thesis is the development of an electronic power converter which could be used in a Range Extender system, and whose function is to make the connection between the electric generator and the vehicle’s DC (Direct Current) bus, as well as to charge its battery system. The implemented topology uses a three phase AC-DC (Alternating Current – Direct Current) converter responsible for regulating the DC bus voltage, and at the same time makes sure that the currents flowing from the generator have little harmonic content and are in phase with the correspondent phase voltages. The developed power converter also integrates a DC-DC stage whose function is to charge a lead-acid battery system with constant current followed by constant voltage. After reviewing the state of the art on Range Extender systems and the adequate power converters for this kind of application, the proposed system was simulated in order to validate its proper functioning, before the assembling of the prototype and the performing of practical tests.