Desenvolvimento de sistemas de carregamento bidirecionais para veículos elétricos com novos modos de operação para Smart Grids

Abstract

A aposta na mobilidade elétrica, principalmente em veículos elétricos (VEs), representa um novo paradigma de transporte tendo por base a mobilidade eficiente e sustentável. Como consequência, é também uma mais-valia para a independência dos custos do petróleo e para a redução das emissões de gases com efeito de estufa. Para que este novo paradigma de transporte seja uma alternativa viável face aos atuais veículos com motor de combustão interna, é espectável que os VEs tenham custos reduzidos, tanto ao nível da utilização como da produção e manutenção. Além disso, com a sua integração nas redes elétricas, é também espectável que a qualidade da energia elétrica não seja descurada. Assim, o projeto de investigação apresentado nesta tese enquadra-se na conjuntura atual de desenvolvimento científico e tecnológico da mobilidade elétrica. Neste contexto, são propostos novos modos de operação que permitem a integração dinâmica dos VEs na rede elétrica visando as smart grids, assim como novas topologias on-board e off-board para sistemas de carregamento de baterias de VEs. Hoje em dia, tipicamente, os VEs disponíveis comercialmente apenas permitem carregar as baterias através do modo de operação grid-to-vehicle (G2V). Nesta tese, os sistemas de carregamento de baterias de VEs desenvolvidos permitem operar em modo bidirecional, viabilizando o modo de operação vehicle-to-grid (V2G). Através dos modos de operação G2V e V2G, o VE pode atuar contextualizado com cenários colaborativos com a rede elétrica, i.e., como elemento consumidor, armazenador e fornecedor de energia, dando especial contributo à área de sistemas de armazenamento de energia das smart grids. Além disso, tendo em conta a evolução das smart homes e smart grids, nesta tese são propostos e validados experimentalmente novos modos de operação que representam novos desafios e oportunidades para a utilização do VE. Nesta tese é proposto o modo de operação home-to-vehicle (H2V), que é referente ao controlo dos modos de operação G2V e V2G em função das cargas da casa onde o VE está conectado. É proposto o modo de operação vehicle-for-grid (V4G), que está relacionado com a evolução das smart homes nas smart grids, e é referente à utilização do VE para mitigar problemas de qualidade da energia elétrica (fator de potência e harmónicas de corrente), durante os modos de operação G2V e V2G, ou mesmo fora dos períodos de operação nestes modos. É também proposto o modo de operação vehicle-to-home (V2H), que está relacionado com a evolução das smart homes nas smart grids, e é referente à utilização do VE como fonte de tensão independente ou como fonte de tensão ininterrupta, semelhante a uma uninterruptible power supply (UPS) do tipo off-line. Além da contextualização com estes modos de operação, os sistemas de carregamento de baterias propostos podem também operar em colaboração com fontes de energia renováveis, contribuindo para a integração ativa destes veículos na rede elétrica. Além dos modos de operação, nesta tese estão também propostas novas topologias para sistemas de carregamento de baterias de VEs on-board e off-board. O sistema de carregamento de baterias de VEs on-board é composto por um conversor CA-CC front-end do tipo multinível para interface com a rede elétrica, e por um conversor CC-CC back-end do tipo interleaved para interface com as baterias do VE. Por outro lado, o sistema de carregamento de baterias de VEs off-board é composto por um conversor CA-CC front-end do tipo interleaved para interface com a rede elétrica, e por um conversor CC-CC back-end bidirecional de três níveis para interface com as baterias do VE. Além dos sistemas de carregamento de baterias de VE on-board e off-board, nesta tese é também proposto um sistema integrado de carregamento de baterias e de interface com fonte de energia renovável. Este sistema integrado é composto por um conversor CA-CC front-end full-bridge para interface com a rede elétrica e por dois conversores CC-CC back-end half-bridge para interface com as baterias do VE e com a fonte de energia renovável. As topologias dos sistemas de carregamento de baterias de VE on-board e off-board, assim como do sistema integrado, estão validadas através de resultados de simulação e através de resultados experimentais, obtidos com os protótipos desenvolvidos no âmbito desta tese.

The focus on electric mobility, especially in electric vehicles (EVs) represents a new transport paradigm based on the efficient and sustainable mobility. As consequence, it is also an asset for the independence of oil costs and for the reduction of emissions of greenhouse gases. In order to obtain real benefits from this new transportation paradigm in counterpart of the traditional vehicles with internal combustion engine, it is expected that the EVs will have reduced costs, both in terms of usage as production and maintenance. Moreover, with the EVs integration in the power grids, it is also expected that the power quality is not neglected. Thus, the research project presented in this thesis is framed with the current situation of scientific and technological development for electric mobility applications. In this context, are proposed new operating modes that enable the dynamic integration of EVs into the power grids targeting smart grids, as well as new topologies of on-board and off-board EV battery charging systems. Nowadays, typically, the available EVs only allow charge the batteries through the grid-to-vehicle (G2V) operation mode. In this thesis, the developed EVs battery charging systems admit the bidirectional operation, also enabling the vehicle-to-grid (V2G) operation mode. Through the G2V and V2G, the EV can operate contextualized with collaborative scenarios with the power grid, i.e., capable of consuming, storing, and providing energy, representing a special contribution for the area of energy storage systems in the smart grids. Besides, taking into account the evolution of smart homes and smart grids, in the scope of this thesis are proposed, and experimentally validated, new operation modes that represent new challenges and opportunities for the EV usage. In this thesis is proposed the home-to-vehicle (H2V) operation mode, which is related with the dynamic control of the G2V and V2G modes according with the electrical appliances connected in the same installation. It is proposed the vehicle-for-grid (V4G) operation mode, which is related with the evolution of smart homes in the smart grids, and consists in the use of the EV battery charger to mitigate some power quality problems (power factor and current harmonics) during the G2V and V2G operation modes. It is also proposed the vehicle-to-home (V2H) operation mode, which is related with the evolution of smart homes in the smart grids, and consists in the use of the EV battery charger as voltage source in isolated systems or as an off-line uninterruptible power supply (UPS). Besides the contextualization with these operation modes, the proposed topologies for the EV battery charging systems can also operate in collaboration with renewable energy sources, contributing to their active integration into the power grid. Besides the aforementioned operation modes, in this thesis are also proposed new topologies of on-board and off-board EV battery charging systems. The on-board EV battery charging system is composed by a multilevel AC-DC front-end converter used to interface the power grid, and by an interleaved DC-DC back-end converter used to interface the EV batteries. On the other hand, the off-board EV battery charging system is composed by a three-phase interleaved AC-DC front-end converter used to interface the power grid, and by a bidirectional three-level DC-DC back-end converter used to interface the EV batteries. Besides the on-board and off-board EV battery charging systems, in this thesis is also proposed an integrated system to interface an EV and a renewable energy source with the power grid. This integrated system is composed by a full-bridge AC-DC front-end converter used to interface the power grid, and by two half-bridge DC-DC back-end converters used to interface the EV batteries and the renewable energy source. The topologies of the on-board and off-board EV battery chargers, as well as the integrated topology, are validated through simulations and experimental results obtained with the prototypes developed in the scope of this thesis.