Desenvolvimento de um carregador de baterias para um veículo elétrico com base num conversor fonte de corrente

Abstract

A emissão de gases poluentes para a atmosfera tem vindo a provocar alterações climáticas irreparáveis, levantando inúmeras questões relativas ao desenvolvimento sustentável para o futuro que se avizinha. Entre outros, a mobilidade de pessoas e bens apresenta-se como uma das principais origens deste problema. Com o intuito de mitigar este problema, a mobilidade elétrica tem vindo a ter uma presença cada vez mais assídua na sociedade de hoje em dia, proporcionando um meio de transporte com zero emissões. Contudo, a maior desvantagem deste conceito reside no sistema de armazenamento de energia, usualmente baterias eletroquímicas, resultando em autonomias baixas e tempos de carregamento elevados. Com o intuito de contribuir com o desenvolvimento tecnológico nesta área de investigação, o objeto de estudo desta dissertação teve como foco principal os sistemas de carregamento de baterias. No presente documento de dissertação de mestrado são apresentados vários tipos de carregamento de baterias existentes no mercado, os seus princípios de funcionamento, bem como vantagens e desvantagens. Tendo em consideração estes últimos pontos, e com o intuito de contribuir com o desenvolvimento tecnológico nesta área, foi desenvolvido um conversor de eletrónica de potência para o carregamento de baterias de um veículo elétrico. O carregador de eletrónica de potência desenvolvido é trifásico de carregamento lento e unidirecional, tendo sido adotada uma topologia em fonte de corrente, possuindo uma bobina como elemento armazenador de energia, em vez dos típicos condensadores aplicados aos conversores do tipo fonte de tensão. Além das diferenças mencionadas anteriormente, o conversor fonte de corrente permite ajustar de forma dinâmica a corrente de carregamento da bateria, evitando o uso de um segundo conversor CC-CC para esse efeito. Foi utilizado um sistema de controlo para o conversor funcionar como carregador de baterias que tem com base a modulação vetorial. O estudo e validação teórica do conversor de eletrónica de potência para o carregamento das baterias foi realizada com a ajuda da ferramenta de simulação PSIM. O desenvolvimento do protótipo e consequente validação experimental foi realizado em ambiente laboratorial, onde dispunha dos materiais e equipamentos necessários para a realização deste projeto.

The emission of gaseous pollutants into the atmosphere has been causing irreparable climate change, raising several issues regarding sustainable development for the near future. Among others, mobility presents itself as one of the main origins of this problem. In order to mitigate this problem, electric mobility has been an increasingly frequent presence in today's society, providing a means of transportation with zero emissions. However, the major disadvantage of this concept lies in the energy storage system, usually electrochemical batteries, imposing low autonomy and high charging times. To contribute to the technological development in this area of research, the study object of this dissertation was focused on battery charging systems. In this Master Dissertation document are presented various types of battery charging systems existing in the market, its operating principles as well as advantages and disadvantages. Taking into consideration these last points, and with the intention of contributing to the technological development in this area, it was developed a power electronics converter to charge electric vehicle batteries. The developed power electronics converter is a three-phase, slow charging unidirectional device, with a current source topology having a coil as energy storage element instead of the typical capacitors applied in voltage source converters. In addition to these differences, the current source converter allows to dynamically adjust the battery charging current, avoiding the use of a secondary DC-DC converter for this purpose. A control system adapted to the converter was used, the main one being based in the space vector modulation. The study and theoretical validation of the power electronic converter for battery charging was carried out with the help of the PSIM simulation tool. The development of the prototype and consequent experimental validation was performed in laboratory environment, where it had the necessary components and instruments for the realization of this project.