Carregador de baterias com correção do fator de potência para utilização on-board em veículo elétrico

Abstract

O consumo desmedido dos combustíveis fosseis, o qual representa certamente um dos fatores que mais contribui para as ameaças ao meio ambiente, originou um aumento no desenvolvimento de produtos ecológicos. Na área da indústria automóvel, em particular, tem havido a preocupação de desenvolver veículos menos poluentes e energeticamente mais eficientes. Neste sentido, a solução mais proeminente encontra-se na mobilidade elétrica, nomeadamente os veículos elétricos (VEs) e veículos elétricos híbridos plug-in (VEHPs). No entanto, as baterias instaladas nestes veículos devem ser carregadas de acordo com as capacidades da rede elétrica e com consumo de corrente sinusoidal e fator de potência próximo da unidade, preservando assim a qualidade de energia elétrica. Enquadrada na aposta na área de mobilidade elétrica, esta Dissertação de Mestrado tem como objetivo fazer a comparação entre cinco conversores CA-CC, que podem ser utilizados num sistema de carregamento on-board para VEs e VEHPs, em termos de THDi da corrente consumida e do fator de potência. Uma vez que um sistema de carregamento de baterias para VEs e VEHPs por norma é formado por dois conversores de eletrónica de potência, um conversor CA-CC seguido de um conversor CC-CC, foi também estudado um conversor CC-CC responsável por efetuar o carregamento das baterias de acordo com as suas especificações. Ao longo da dissertação foi realizado um estudo sobre conversores CA-CC com correção do fator de potência e conversores CC-CC utilizados em sistemas de carregamento de baterias de VEs e VEHPs, tendo posteriormente sido realizadas simulações com o intuito de validar as topologias e o sistema de controlo escolhidos; por fim, com base num sistema de carregamento monofásico on-board, desenvolvido pelo Grupo de Eletrónica de Potência e Energias (GEPE), composto por um conversor CA-CC full-bridge totalmente controlado e um conversor CC-CC buck-boost bidirecional; o hardware deste sistema permitiu, utilizando diferentes estratégias de controlo, validar o funcionamento de diferentes topologias de conversor CA-CC, interessantes para sistemas de carregamento de baterias utilizados no contexto da mobilidade elétrica.

The excessive consumption of fossil fuels, which certainly is one of the factors that contributes to the threats to the environment, led to an increase in the development of environmentally friendly products. In the automotive industry, in particular, there has been a concern to develop cleaner and more fuel-efficient vehicles. The most prominent solution lies in electric mobility, in particular Electric Vehicles (EVs) and Plug-in Hybrid Electric Vehicles (PHEVs). However, the batteries installed in these vehicles should be charged in accordance with the electrical power grid capabilities and with a consumption of sinusoidal current and power factor close to unity, preserving the electrical power quality. As a part of a bet in the field of electric mobility, this dissertation aims to make the comparison between five AC-DC converters, which can be used in on-board charging system for EVs and PHEVs, in terms of THDi of the input current and power factor. Since a battery charging system for EVs and PHEVs is normally composed of two power electronic converters, an AC-DC converter followed by a DC-DC converter, a DC-DC converter was also studied, which is responsible for charging the batteries according to the its specifications. Along this dissertation, AC-DC converters with power factor correction and DC-DC converters used in battery charging systems for EVs and PHEVs were studied, having subsequently been conducted simulations in order to validate the topologies and the chosen control system; finally, based on an on-board single-phase charging system developed by the Group of Energy and Power Electronics (GEPE), composed of an AC-DC full-bridge totally controlled converter and a DC-DC buck-boost converter; the hardware of this system allowed, using different control strategies, the validation of the operation of different AC-DC topologies, interesting in the context of electrical mobility.