Desenvolvimento de um sistema ativo de gestão de baterias para aplicações de mobilidade elétrica

Abstract

A mobilidade elétrica tem-se demonstrado uma área em grande crescimento e destaque, muito por causa dos problemas ambientais e energéticos. Atualmente há uma grande aposta no desenvolvimento da indústria de veículos elétricos, que usam como principal fonte de armazenamento de energia bancos de baterias ligadas em série. Como não existem baterias exatamente iguais, com o tempo, esse agrupamento de baterias apresenta desequilíbrios de tensão entre as mesmas. Por consequência, esses desequilíbrios causam um impacto negativo na capacidade de carga do banco de baterias e no tempo de vida útil de cada bateria. Atualmente torna-se indispensável a utilização de um sistema de gestão de baterias, conhecido na literatura como Battery Management System (BMS). Este tipo de sistema visa melhorar o desempenho das baterias, i.e., fazer a monitorização de parâmetros, a proteção da bateria contra abusos de utilização, o controlo da carga e descarga, e principalmente, fazer o equilibro da carga entre as baterias do mesmo sistema. Em suma, um BMS tem como objetivo preservar a vida útil de cada bateria. Inicialmente, nesta Dissertação de Mestrado, é apresentado o estado da arte relativo aos sistemas de gestão de baterias, onde são apresentados alguns exemplos de BMS existentes no mercado, bem como algumas topologias de equalização (passivas e ativas). Seguidamente são realizadas várias simulações computacionais, com recurso à ferramenta PSIM, para validar o princípio de funcionamento de algumas topologias ativas que utilizam condensadores como o elemento de transferência de energia. Posteriormente, é apresentado todo o desenvolvimento de hardware e software para a implementação da topologia ativa switch matrix with capacitor. Por fim, são apresentados os resultados experimentais da topologia implementada, juntamente com as conclusões do trabalho.

In the recent years, electric mobility has become a prominent issue with plenty of developments, mainly due to environmental and energy concerns. Nowadays, the electric vehicle industry is experiencing significant research and development using supply batteries banks connected in series as the main energy storage system. Since there are no exactly equal batteries, along the time this group of batteries will present voltage imbalances between them. These imbalances have a very negative impact on the battery pack capacity and individual battery lifetime. In most battery applications it has become essential to use a battery management system (BMS). This type of system aim to improve battery performance, i.e., to monitor parameters, battery system protection against damages, control of charge and discharge processes and mainly ensure the balance between the batteries’ capacity. Briefly, a BMS aims to preserve the lifetime of each battery. Initially, this master dissertation presents the state of the art regarding battery management systems, where some examples of existing BMS on the market are presented, as well as some equalization passive and active topologies. Furtherly, various computer simulations are carried out using the PSIM tool to validate the operating principle of some active topologies that use capacitors as energy transfer element. Subsequently, the development of hardware and software for implementing the active topology switch matrix with capacitor is presented. Lastly, the experimental results of the implemented topology are presented together with the conclusions of the work.