Desenvolvimento de um sistema distribuído de gestão e balanceamento ativo da carga das baterias para veículos elétricos

Abstract

Ao longo dos últimos anos a preocupação com a emissão de gases poluentes para a atmosfera por parte dos veículos movidos a energia de origem fóssil tem crescido. Essa emissão tem diversos efeitos nocivos, por exemplo, o aumento do risco de chuvas ácidas. A preferência por veículos elétricos em detrimento da utilização de veículos movidos a partir de combustíveis fósseis constitui uma alternativa mais sustentável, sobretudo devido ao facto de a propulsão elétrica não emitir quaisquer gases nocivos para a atmosfera. Através da realização deste trabalho almeja-se contribuir para o avanço da tecnologia dos veículos elétricos – esta intenção passa pela atualização tecnológica do Carro Elétrico Plug-In da Universidade do Minho (CEPIUM) ao nível do armazenamento e gestão da energia no seu pack de baterias. Os principais objetivos deste trabalho consistem no estudo, desenvolvimento, implementação, teste e validação de um sistema de gestão de bateria – Battery Management System (BMS) ativo para o CEPIUM e na substituição do pack atual de baterias de ácido-chumbo por um pack de baterias de LiFePO4. No âmbito desta dissertação desenvolveu-se um BMS ativo modular baseado numa arquitetura constituída por um módulo master e vários módulos slave. O módulo master tem como principal função gerir e coordenar o funcionamento dos módulos slave através de um barramento de comunicação diferencial RS-485 half-duplex. A transferência de energia entre células foi implementada com recurso a um conversor CC-CC bidirecional isolado baseado na topologia flyback. O desenvolvimento do BMS implicou, entre outras tarefas, a realização de simulações no software PSIM e o desenho dos esquemas elétricos e do layout das placas de circuito impresso de ambos os módulos. Além disto, procedeu-se à remoção do pack de baterias de ácido-chumbo existente no CEPIUM. O protótipo do BMS foi validado. Recorrendo ao protocolo RS-485, os módulos master e slave foram capazes de comunicar e monitorizar a tensão em cada uma das células e ajustar o fluxo de energia entre elas consoante a existência de desequilíbrios.

Over the last few years, concerns about the emission of gaseous pollutants into the atmosphere by fossil-fueled vehicles have grown. This gas emission has several harmful effects, for example, the increased risk of acid rain. The preference for electric vehicles over the usage of fossil-fueled powered vehicles is a more sustainable alternative, mainly because electric propulsion does not release any harmful pollutant into the atmosphere. This work aims to contribute to the advancement of electric vehicle technology – this intention consists on updating the technology of plug-in electric vehicle of University of Minho – Carro Elétrico Plug-In da Universidade do Minho (CEPIUM) in terms of storage and energy management of its battery pack. The main goals of this work are to study, develop, implement, test and validate an active battery management system (BMS) for CEPIUM and replacing the current lead-acid battery pack with a LiFePO4 battery pack. In the scope of this dissertation, a modular active BMS has been developed based on an architecture consisting of a master module and several slave modules. The main purpose of the master module is to manage and coordinate the operation of the slave modules through a half-duplex RS-485 differential communication bus. The energy transference among cells has been implemented using a bidirectional isolated DC-DC converter based on the flyback topology. The development of the BMS implied, among other tasks, the development of simulation models in the PSIM software and the drawing of electrical schematics and layout of the printed circuit boards of both modules. In addition, the pack of lead-acid batteries in CEPIUM has been removed. The prototype has been validated. Using the RS-485 protocol, the master and slave modules have were able to communicate and monitor the voltage on each cell and make adjustments on the energy flow depending on the existence of imbalances.