Desenvolvimento de um Conversor CA-CC Trifásico Full-Bridge para um Carregador de Baterias de Veículos Elétricos

Abstract

A mobilidade elétrica emerge como uma solução para os desafios ambientais do setor dos transportes, apoiada por avanços tecnológicos, políticas governamentais e transformações económicas. Ao reduzir a dependência de combustíveis fósseis, contribui para um sistema de transporte mais sustentável e alinhado com os objetivos globais de preservação ambiental. Esta transição tem sido estimulada por medidas regulatórias e incentivos que promovem a adoção de veículos elétricos, reforçando o compromisso com a descarbonização e a mobilidade de baixo impacto ecológico. Consequentemente, o aumento da adesão à mobilidade elétrica tem impulsionado a expansão do mercado, gerando uma maior diversidade de modelos de veículos elétricos. Entre eles, alguns apresentam diferentes características de carregamento, requerendo sistemas de carregamento adaptáveis a esses perfis. Paralelamente, a procura por autonomias mais elevadas requer uma maior potência de carregamento, de forma a reduzir o tempo de carregamento destes veículos e tornar esta mobilidade mais competitiva face à mobilidade tradicional. Como resultado, surgem os denominados MegaWatt Charging Systems (MCS). Ao mesmo tempo, a evolução das redes elétricas em direção às smart grids impõe requisitos mais rigorosos de qualidade de energia para os equipamentos elétricos conectados à rede elétrica. Isto implica que os sistemas de carregamento operem com fator de potência unitário e com correntes do lado da rede elétrica com baixa distorção harmónica. Além disso, a capacidade de operação bidirecional destes sistemas torna-se particularmente valorizada. Tendo isto em consideração, surgem assim os sistemas off-board multipoint MCS, que combinam flexibilidade e capacidade de operar a elevadas potências na ordem dos MW. Neste contexto, o trabalho desenvolvido consistiu no projeto e implementação de um protótipo à escala laboratorial de 25 kW, correspondente a um conversor CA-CC trifásico full-bridge bidirecional, a atuar como retificador ativo para integração em sistemas de carregamento off-board multipoint, onde se explorou a tecnologia de semicondutores Silicon Carbide (SiC). Inicialmente, foi realizada uma revisão bibliográfica sobre topologias de conversores CA-CC e estratégias de controlo aplicadas a estes. Seguiu-se a apresentação de resultados obtidos em ambiente de simulação para validação da topologia e do controlo implementado, a apresentação das diferentes fases de conceção do protótipo e a obtenção de resultados experimentais em ambiente laboratorial que confirmam o correto funcionamento do mesmo.

Electric mobility emerges as a solution to the environmental challenges in the transport sector, supported by technological advances, government policies, and economic transformations. By reducing dependence on fossil fuels, it contributes to a more sustainable transport system, aligned with global environmental preservation goals. This transition has been driven by regulatory measures and incentives promoting the adoption of electric vehicles, reinforcing commitment to decarbonization and low-impact mobility. Consequently, the increased uptake of electric mobility has fostered market growth, resulting in a greater diversity of electric vehicle models. Among these, some exhibit different charging characteristics, requiring charging systems capable of adapting to these profiles. Simultaneously, the demand for higher driving ranges requires increased charging power to reduce vehicle charging time and make this mobility more competitive compared to conventional transport. As a result, the so-called MegaWatt Charging Systems (MCS) have emerged. At the same time, the evolution of electrical grids towards smart grids imposes stricter energy quality requirements on electrical equipment connected to the grid. This implies that charging systems must operate with a unity power factor and low grid-side current harmonic distortion. Additionally, the bidirectional operation capability of these systems becomes particularly valuable. Taking this into account, off-board multipoint MCS have thus been developed, combining flexibility with the ability to operate at high power levels in the megawatt range. In this context, the work carried out consisted of the design and implementation of a 25 kW laboratory-scale prototype, corresponding to a three-phase full-bridge bidirectional AC-DC converter, acting as an active rectifier for integration into off-board multipoint charging systems, exploiting Silicon Carbide (SiC) semiconductor technology. Initially, a literature review was conducted on AC-DC converter topologies and control strategies applied to these systems. This was followed by the presentation of simulation results to validate the topology and control implementation, a description of the different design phases of the prototype, and experimental results obtained in a laboratory environment, confirming the proper operation of the system.