Nova topologia de conversor bidirecional unificado para sistema de tração e carregamento de baterias em veículos elétricos

Abstract

Os veículos elétricos são cada vez mais uma realidade dos nossos dias. Contudo, a introdução dos veículos elétricos no mercado tem sido constrangida por várias condicionantes tecnológicas que limitam o seu desempenho e que inflacionam o seu custo. Por outro lado, a introdução dos veículos elétricos traz novas oportunidades, nomeadamente a sua integração nos sistemas elétricos como elemento estabilizador, podendo ainda contribuir para o aumento da eficiência energética. A eletrónica de potência associada aos sistemas de tração em veículos elétricos possui uma complexidade acrescida, originando questões técnicas e económicas mais relevantes que as da própria máquina elétrica. Deste modo, o controlador da máquina elétrica desempenha um papel vital, sendo uma peça essencial em termos de desempenho e eficiência energética global do sistema de tração. Por sua vez, a utilização de sistemas bidirecionais para o carregamento das baterias eletroquímicas dos veículos elétricos possibilita o armazenamento de energia, produzida em horas de vazio, para posterior devolução à rede elétrica em horas de pico de consumo. Esta funcionalidade permite uma melhor gestão da carga do sistema, sempre que seja necessário. Assim, estes sistemas bidirecionais surgem como uma mais-valia para os sistemas elétricos. Tendo em consideração as diversas oportunidades existentes, não só no desenvolvimento dos sistemas de tração, mas também dos sistemas de carregamento das baterias dos veículos elétricos, existe uma forte aposta no desenvolvimento tecnológico para a mobilidade elétrica. Deste modo, foi identificado um espaço para a conceção de uma nova topologia de conversor de eletrónica de potência que integra o sistema de tração e o sistema de carregamento de baterias. Consequentemente, esta nova topologia contribui para uma melhoria do desempenho global do veículo, através da redução do peso e do custo, e de um aumento de funcionalidades, com benefícios para o utilizador e para a rede elétrica. Assim, esta tese de doutoramento tem como objetivo conceber, desenvolver e testar uma nova topologia de conversor bidirecional unificado que integra o sistema de tração e o sistema de carregamento de baterias. Tradicionalmente, o veículo elétrico possui um conversor de eletrónica de potência que aciona a máquina elétrica responsável pela tração. Adicionalmente, existe um segundo conversor de eletrónica de potência para o carregamento das baterias. Pode constatar-se a existência de semelhanças entre estes conversores, permitindo antever uma convergência entre eles num único conversor de potência. Este conversor é controlado para que em cada momento execute as funcionalidades implementadas, de tração ou de carregamento de baterias. Quando o veículo elétrico se encontra em andamento, o conversor de eletrónica de potência opera bidirecionalmente para efeito de tração e de travagem regenerativa. Analogamente, quando o veículo elétrico se encontra imobilizado e acoplado à rede elétrica, o conversor de eletrónica de potência pode também operar bidirecionalmente, tendo a função de controlar a transferência de energia entre a rede elétrica e as baterias, efetuando a carga ou descarga das mesmas. Ao longo desta tese foi possível realizar a validação da nova topologia de conversor bidirecional unificado proposto, bem como dos algoritmos de controlo necessários. Deste modo, numa fase inicial, e com o auxílio de ferramentas de simulação computacionais, foi possível obter resultados que fundamentam o correto funcionamento do sistema proposto. Em seguida, procedeu-se à implementação prática do protótipo laboratorial, onde foi possível obter, de forma análoga, resultados do funcionamento do protótipo desenvolvido. Com base nesses resultados experimentais, comparados com as simulações, foi possível comprovar o correto funcionamento da nova topologia proposta.

Electric vehicles are increasingly a reality of our days. However, the introduction of the electric vehicles in the market has been constrained by several technical constrictions, limiting their performance and increasing their cost. On the other hand, the introduction of electric vehicles brings new opportunities, namely their integration into the electrical power systems as a stabilizing element, and also contributing to improve energy efficiency. The power electronics associated with the powertrain systems for electric vehicles has increased complexity, witch brings technical and economic issues more relevant than those of the electric machine. In this way, the controller of the electrical machine has vital importance, being an essential part in terms of performance and overall powertrain system energy efficiency. On the other hand, the use of bidirectional systems for charging the electric vehicles electrochemical batteries allows the storage of energy produced during low consumption hours, for later return to the power grid during peak consumption hours. This feature can allow a better load system management whenever needed. These bidirectional systems can appear as an asset for the electrical power systems. Taking into consideration the existing opportunities, not only in the development of powertrain systems, but also on the charging systems of the electric vehicle batteries, there is a strong investment in technological development for electric mobility. Therefore, it was identified space for the creation of a new topology of power electronics converter that integrates the powertrain system and the batteries charging system. Consequently, this new topology contributes to increase the overall performance of the vehicle, reducing weight, space occupation and costs, and adding new functionalities which benefits the users of the electric vehicles and also the electrical power grid. The research work proposed in this PhD Thesis aims to design, develop and test a new topology of bidirectional converter that integrates the powertrain and the battery charging system. Traditionally, an Electric Vehicle has a power converter that drives the electric machine responsible for the traction. Additionally, there is a second power electronics converter used to charge the batteries. It can be observed similarities between these two power converters that allow foreseeing a convergence between them in a single power converter. This power converter is controlled at each moment to execute the implemented functionalities, as powertrain or as battery charging system. When the electric vehicle is running, the power electronics converter operates bidirectionally for traction and regenerative braking. Similarly, when the electric vehicle is immobilized and connected to the power grid, the power electronics converter can also operate bidirectionally, having the function of controlling the energy flow between the power grid and the batteries, during the charging or discharging. During this PhD Thesis it was possible to perform the validation of the new proposed unified bidirectional converter topology, as well as the verification of the necessary control algorithms. In an initial phase, with the aid of computational simulation tools, it was possible to obtain simulation results to support the correct operation of the proposed system. Then, the laboratory prototype was implemented, and it was possible to obtain the operation results with the developed prototype. Based on these experimental results, and comparing with those obtained on the simulations, it was possible to prove the correct operation of the new proposed topology.