Controlo de Fontes de Energia em Veículos

Fundação para a Ciência e Tecnologia
Tema 4 – Controlo de Fontes de Energia em
Eléctricos
Instituto Veículos
de Engenharia
de Sistemas e
Computadores de Coimbra
Orientador: Prof. Dr. Paulo José Gameiro
Pereirinha
Instituto Superior de Engenharia de
Orientando:
Coimbra Mário António Correia da Silva
Redução da dependência dos combustíveis fosseis
Redução da emissão de gases para a atmosfera
Aumento da qualidade de vida
Desenvolvimento
uma
alternativa
viável num
Controlo eficientede
das
várias
fontes presentes
veículo eléctrico (VE)
Gestão das mesmas nos diferentes regimes de
funcionamento do VE
Garantir o maior tempo de vida possível
Estudo do controlo de fontes de energia em
VE's
Implementação prática do controlo de
fontes de energia
Obtenção de resultados por meio da
simulação dos vários regimes de
funcionamento de um VE
Baterias
◦ Iões de Lítio (Li-ion)
◦ Ácido de Chumbo (Lead Acid)
◦ Hidreto metálico de Níquel (NiMH)
◦ Níquel Cádmio (NiCd)
Elevado coeficiente de energia específica
Baixa coeficiente de potência específica
Elevado número de ciclos de carga e
descarga
Super Condensadores
◦ Derivam dos condensadores
convencionais
◦ Camada simples
◦ Camada dupla
Elevado coeficiente de potência específica
Baixo coeficiente de energia específica
Suportam elevadas correntes
Ciclo de vida muito elevado
Painéis fotovoltaicos
◦ Não armazena energia
◦ Aproveitamento de energia
solar
◦ Possibilita o carregamento das
baterias
Baixo custo de manutenção
Ciclo de vida consideravelmente elevado
Eficiência abaixo do nível desejado
Associados à redução ou elevação de
tensão
Controlados em frequência
Trabalham tipicamente com valores de
corrente elevados
Constituídos por dispositivos que são
facilmente integráveis em sistemas fixos ou
moveis
Possibilidade de associação de vários
conversores DC-DC
Conversor redutor (buck)
Vsupply > Vload
Vload = Vsupply*D
Conversor elevador (boost)
Vsupply < Vload
Vload = Vsupply/(1-D)
Conversor redutor-elevador (buck-boost)
Vsupply > Vload ou Vsupply < Vload
Vload = (-Vsupply*D)/(1-D)
A associação de conversores DC-DC é feita
normalmente para permitir a ligação entre
várias fontes energéticas e um consumidor
final, bem como a troca de energia entre as
mesmas fontes
Garantir que é aplicado o valor adequado
de tensão a cada dispositivo, possuindo estes
valores de tensão nominais diferentes entre si
Acoplamento directo
No acoplamento directo existe um
barramento de tensão DC (DC-Link)
onde estão ligados fisicamente todos
os conversores
Neste caso não são admissíveis
grandes variações de tensão à saída
dos conversores
Acoplamento magnético
Maior facilidade de implementação
Não necessita de transformador,
tornando-se por isso mais compacto
Consegue-se construir um conversor
de múltiplas entradas e bidireccional
com um menor numero de
No
acoplamento magnético são
comutadores
usados transformadores para
possibilitar a transferência de
Menos dispendioso
energia
Neste tipo de acoplamento pode
haver variações de tensão
consideráveis, não havendo
qualquer problema para as fontes
Dispositivos de potência
actuados por um sinal de
comando
São aplicados aos seus
terminais grandes valores de
tensão
São atravessados por
elevados valores de corrente
Não existe um comutador
ideal em relação aos
parâmetro principais: tensão,
corrente e frequência de
comutação
IGBT PrimeSTACK
6 comutadores (IGBT's)
Tensão máxima1200V
Corrente máxima 400A
Controlado por PWM (Pulse
width modulation)
Uma saída analógica por
canal para medição de
corrente, tensão e
temperatura
Protecção contra sobre
tensão, curto-circuito e
temperatura excessiva
dSPACE
MatLab/Simulink
OPAL-RT
MatLab/Simulink
NI-cRIO
LabVIEW
Controlador de tempo real com
processador de 400MHz e 64Mb
memória
FPGA 40MHz (Field Programmable Gate
Array)
Chassis reconfigurável de 4 slots
Expansível até 8 slots
Grande numero de módulos para
aquisição ou geração de sinais
analógicos e digitais (Acelerómetros,
Temperatura, PWM, etc.)
Módulos direccionados para protocolos
de comunicação específicos
Funcionamento do conjunto cRIO:
Escolha dos módulos de entradas e saídas
Desenvolvimento do programa
Compilação do programa desenvolvido
Para possibilitar a implementação prática deste projecto fezse a junção do hardware de potência (modulo de IGBT's) e
do hardware de controlo (cRIO)
Para a interligação dos sistemas acima referidos foi
projectada e executada a placa para recepção e envio do
sinais ilustrada na seguinte figura
A placa foi desenhada utilizando
software Eagle
O seu propósito é alimentar,
receber os sinais de comando e
permitir o acesso aos sinais de
saída da PrimeSTACK
Ensaio 1: regime de funcionamento do veículo alimentado
por duas fontes, sendo uma controlada em tensão e a outra
controlada em corrente
Tensão na bateria
Corrente da bateria
Tensão na fonte
Corrente da fonte
Tensão na carga
A tensão na carga é 4x superior à tensão da fonte e da
bateria
Corrente na carga
O conversor
está a funcionar como elevador
Ensaio 2: aumento da carga com o veículo alimentado por
duas fontes, em que uma tem débito de corrente fixo
A tensão na carga mantêm-se
O controlador compensa o
aumento de carga
Ensaio 3: troca de energia entre fontes
Neste ensaio é feito o carregamento das baterias a partir das
fontes, a limitação da entrada de corrente nas baterias
causa a subida de tensão no barramento DC
Ensaio 4: aproveitamento energético de uma travagem
regenerativa
No caso de uma travagem regenerativa a carga fornece
energia às fontes durante alguns instantes
Tensão no barramento DC ultrapassa a tensão nominal
Ensaio 5: queda de tensão nas fontes devido à descarga das
mesmas
Com o decorrer da descarga das fontes o seu nível de
tensão tende a diminuir, como este fenómeno altera a
tensão na carga o controlador age compensando esta
descida
Conclui-se com o presente trabalho que foram cumpridos os
objectivos iniciais propostos, a implementação do controlo
de fontes de energia com aplicação em veículos eléctricos
Este permitiu a aquisição de novos conhecimentos e a
constatação da dificuldade inerente à implementação
prática de um projecto deste tipo
No entanto existe ainda um longo caminho a percorrer tendo
em vista o aperfeiçoamento deste tema, este caminho pode
passar por:
Teste do hardware com níveis de potencia mais elevados
Implementação de uma terceira fonte
Substituição do actual controlador Proporcional Integral (PI) por um
Proporcional Integral Derivativo (PID)