Implementação de um sistema de carregamento rápido para baterias de veículos elétricos

Abstract

Um dos grandes problemas na aceitação dos veículos elétricos (VEs) por parte dos utilizadores está na autonomia que estes oferecem e nos elevados tempos de carregamento das baterias em comparação com o tempo de abastecimento de combustível dos veículos com motor de combustão interna. A pensar nisso, cada vez mais empresas e instituições académicas se dedicam à pesquisa e desenvolvimento de soluções para colmatar esse défice dos VEs, apostando na criação de sistemas de carregamento rápido de baterias e no melhoramento das tecnologias de baterias existentes para suportarem esses elevados valores de potência. Esta dissertação de mestrado tem como principal objetivo a implementação de um sistema de carregamento rápido de baterias para VEs, que surge no âmbito de uma tese de doutoramento, e que irá fazer parte de um protótipo com a mesma finalidade. O sistema de carregamento rápido tem um módulo de potência constituído por dois conversores de potência e pelos diversos elementos passivos inerentes a este. Para fazer a interface com a rede elétrica é utilizado um conversor CA-CC trifásico que tem como finalidade atuar como retificador ativo, permitindo consumir correntes sinusoidais, controlar o fator de potência e controlar a tensão no barramento CC. Por outro lado, para o carregamento das baterias é utilizado um conversor CC-CC que está conectado ao barramento CC do conversor CA-CC e que tem a importante tarefa de fornecer uma corrente constante para o carregamento das baterias. Além do módulo de potência, existe um módulo responsável pelo seu controlo e que permite obter os resultados esperados por parte do sistema de carregamento rápido de baterias. Nesta dissertação está apresentado um breve levantamento histórico dos VEs, onde também estão apresentadas algumas das principais caraterísticas inerentes aos VEs, tais como, os diferentes tipos existentes, sejam estes puramente elétricos ou híbridos, quais as tecnologias de baterias que são mais proeminentes à integração nos VEs, quais as soluções para carregamento rápido para baterias de VEs que existem atualmente e por fim uma análise aos conversores que mais se enquadram neste trabalho. Para se poder validar o sistema de carregamento rápido implementado nesta dissertação foram obtidos resultados em duas etapas. Inicialmente através de simulações computacionais com a ferramenta de simulação PSIM 9.1, e depois através de ensaios feitos em bancada após a implementação do protótipo.

One of the major problems in the acceptance of electric vehicles (EVs) by users is related with the autonomy and the required battery charging time, when compared to the refueling time on vehicles with internal combustion engine. With that thought in mind, more and more companies and academic institutions engaged in the research and development of solutions to overcome that gap of the Evs, betting on the creation of fast charging systems for batteries and improvement of existing batteries technologies to support this high power values. This master dissertation has as main goal the implementation of a fast charging system for batteries of Evs, which comes within the framework of a doctoral thesis, and that will be part of a prototype with the same purpose. The fast charging system has a power module that is constituted by two power converters and the various passive inherent elements. To do the interface with the power grid, it is used a three-phase AC-DC converter that aims to act as active rectifier, allowing consumption of sinusoidal currents, control the power factor and control the DC-link voltage. On the other hand, for battery charging is used a DC-DC converter that is connected to the DC-link of the AC-DC converter, and has the important task of providing a constant current for the batteries charging process. In addition to the power module there is a module responsible for their control and that allows to obtain the expected results from the fast charging system for batteries of Evs. In this dissertation it is presented a brief historical survey of Evs, where are also presented some of the main features inherent in Evs, such as the different types of existing Evs, being these purely electric or hybrids, which battery technologies that are more prominent to integrate in these vehicles, the currently solutions for fast charging on Evs and finally an analysis to the converters that are more applicable for such purpose. In order to validate the fast charging system implemented in this dissertation it was necessary obtain results in two stages. Initially, the results were achieved through computer simulations with PSIM 9.1 simulation tool and after the implementation of the prototype through tests made on laboratorial environment.