Desenvolvimento de um carregador bidirecional para baterias de bicicletas elétricas

Abstract

Num mundo onde os combustíveis fósseis se vão inevitavelmente esgotar, aliado à crescente consciencialização relativamente à poluição causada pela sua intensa utilização, leva a que os Veículos Elétricos (VEs) sejam vistos como um dos meios mais promissores para uma mobilidade mais limpa e sustentável. No grupo dos VEs surgem as Bicicletas Elétricas, que se apresentam como um meio de transporte com um enorme potencial, devido ao seu baixo custo de aquisição e manutenção, e à sua versatilidade. O crescente aumento do número de VEs em geral acarreta novos desafios na gestão da rede elétrica, devido ao carregamento das baterias. Contudo a integração dos VEs na rede elétrica afigura-se também como uma oportunidade para o armazenamento de energia distribuído, oferecendo uma maior flexibilidade no equilíbrio da operação da rede elétrica. Assim sendo, torna-se necessário o desenvolvimento de carregadores de baterias que possibilitem a bidirecionalidade da energia, proporcionando os modos de operação Grid-to-Vehicle (G2V) e Vehicle-to-Grid (V2G). Nesta dissertação, é descrito o desenvolvimento de um Carregador Bidirecional para Baterias de Bicicletas Elétricas, bem como todas as etapas adjacentes a este projeto. Na sua conceção consta um conversor CA-CC bidirecional, responsável pela interface entre a rede elétrica e o barramento CC, e um conversor CC-CC bidirecional, responsável pela interface entre o barramento CC e as baterias. Além do hardware de potência, existe ainda um sistema de controlo, responsável pela gestão do funcionamento do carregador bidirecional para baterias de bicicletas elétricas. Ao longo desta dissertação, é apresentado um breve estudo sobre a história e evolução das bicicletas elétricas, assim como os elementos que as constituem, como são os casos do motor elétrico e das baterias. Posteriormente, é apresentado um levantamento de conversores de potência capazes de serem empregues em sistemas de carregamento de baterias para bicicletas elétricas, assim como das técnicas de controlo a implementar nesses mesmos conversores. De seguida, para estudar e validar o funcionamento do carregador de baterias nos modos de operação G2V e V2G, são apresentadas as simulações computacionais realizadas. Por fim, são apresentados os resultados experimentais obtidos nos ensaios realizados ao protótipo do carregador bidirecional para baterias de bicicletas elétricas implementado.

In a world where fossil fuels will inevitably be exhausted, coupled with growing awareness of the pollution caused by their heavy use, makes Electric Vehicles (EVs) be seen as one of the most promising tools for cleaner and more sustainable mobility. In VEs group arise the Electric Bicycle that present itself as a means of transport with enormous potential, due to its low cost of acquisition and maintenance, and its versatility. The increasing number of VEs in general brings new challenges into the management of the electrical grid, due to the charging of the batteries. However, the integration of VEs into the electrical grid poses an opportunity for the storage of distributed energy, offering a greater flexibility into the balance of the operation of the electrical grid. Therefore, it is necessary to develop battery chargers that allow the bidirectionality of energy, providing Grid-to-Vehicle (G2V) and Vehicle-to-Grid (V2G) operating modes. In this dissertation, is described the development of a Bidirectional Battery Charger for Electric Bicycles, as well as all steps adjacent to this project. It´s constituted by a bidirectional CA-CC converter, responsible for the interface between the electrical grid and the DC bus, and a bidirectional DC-DC converter, responsible for the interface between the DC bus and the batteries. In addition to the power hardware, there is also a control system, responsible for managing the operation of the bidirectional battery charger for electric bicycles. Throughout this dissertation a brief study is presented on the history and evolution of electric bicycles, as well as the elements that constitute them, such as electric motor and batteries. Subsequently, it is presented a survey of power converters capable of being used in battery charging systems for electric bicycles, as well as the control techniques to be implemented in these converters. Then, to study and validate the operation of the battery charger in the G2V and V2G operating modes, computer simulations are performed and presented. Finally are presented experimental results obtained in the tests carried out with the developed bidirectional battery charger for electric bicycles prototype.