Desenvolvimento de uma Bicicleta Elétrica

Universidade do Minho
Escola de Engenharia
Rui Jorge Fernandes Araújo
UMinho | 2012
Rui Jorge Fernandes Araújo Desenvolvimento de uma Bicicleta Elétrica
Desenvolvimento de uma Bicicleta Elétrica
Outubro de 2012
Universidade do Minho
Escola de Engenharia
Rui Jorge Fernandes Araújo
Desenvolvimento de uma Bicicleta Elétrica
Tese de Mestrado
Ciclo de Estudos Integrados Conducentes ao Grau de
Mestre em Engenharia Eletrónica Industrial e de Computadores
Trabalho efetuado sob a orientação do
Professor Doutor João Luiz Afonso
Outubro de 2012
DECLARAÇÃO
Rui Jorge Fernandes Araújo
Endereço eletrónico: [email protected]
Telefone: 964948918
Número do Bilhete de Identidade: 12564437
Título da Dissertação:
Desenvolvimento de uma Bicicleta Elétrica
Orientador:
Doutor João Luiz Afonso
Ano de conclusão: 2012
Dissertação submetida na Universidade do Minho para a obtenção do grau de
Mestre em Engenharia Eletrónica e de Computadores
É AUTORIZADA A REPRODUÇÃO INTEGRAL DESTA DISSERTAÇÃO/TRABALHO
APENAS PARA EFEITOS DE INVESTIGAÇÃO, MEDIANTE DECLARAÇÃO ESCRITA
DO INTERESSADO, QUE A TAL SE COMPROMETE;
Universidade do Minho, ___/___/______
Assinatura: ________________________________________________
Dedicatória.
Agradecimentos
A realização do presente trabalho não teria sido possível sem o apoio, a ajuda, a
orientação, a compreensão e o incentivo de algumas pessoas, a quem quero dirigir os
meus sinceros agradecimentos.
Em primeiro lugar, expresso um profundo agradecimento ao meu orientador
Doutor João Luiz Afonso, pela disponibilidade, incentivo, acompanhamento
permanente, e pelo sentido crítico na orientação, bem como por ter permitido que
usufruísse de um espaço no laboratório de Eletrónica de Potência, possibilitando a
execução prática do presente trabalho.
De seguida, expresso também um sincero e profundo agradecimento ao bolseiro
de Doutoramento Delfim Duarte Rolo Pedrosa, pelo apoio incondicional ao longo de
toda a dissertação.
Aos Investigadores do Grupo de Eletrónica de Potência e Energia da Universidade
do Minho, nomeadamente ao Gabriel Pinto, Henrique Gonçalves, Bruno Exposto, Vítor
Monteiro e Raul Almeida pela ajuda e disponibilidade, quando solicitada.
A todos os colegas e amigos que realizaram a dissertação de mestrado no Grupo
de Eletrónica de Potência e Energia, pelo ambiente proporcionado e pela ajuda.
Aos funcionários Joel Almeida, Ângela Macedo e Carlos Torres, na qualidade de
técnicos das oficinas do Departamento de Eletrónica Industrial.
À minha esposa Ana Catarina Araújo Perpetua por todos os momentos passados.
Finalmente, e não menos importante, aos meus pais, Belarmino Araújo Rodrigues
e Esperança de Jesus Freitas Fernandes, às minhas irmãs Isaura Filipa Fernandes Araújo
e Ana Catarina Fernandes Araújo, bem como a toda a minha família de uma forma geral
pelo apoio incondicional.
A todos, muito obrigado.
Desenvolvimento de uma Bicicleta Elétrica
Rui Jorge Fernandes Araújo - MIEEIC - Universidade do Minho
v
Resumo
A bicicleta desempenha um papel importante na sociedade atual, sendo um
veículo barato, versátil e amigo do ambiente, apresenta-se como um meio de transporte
ideal para curtas distâncias. No entanto, para distâncias mais longas representa cansaço
ao utilizador. Deste modo, começaram a ser desenvolvidas bicicletas elétricas que tem
como objetivo, percorrer maiores distâncias com um menor esforço, alargando assim a
sua utilidade.
As bicicletas elétricas podem ser compostas por diversos constituintes,
destacando-se três elementos essenciais: o motor elétrico, que permite auxiliar o
utilizador na tração da bicicleta elétrica quando solicitado; as baterias, que fornecem a
energia elétrica para alimentação do motor e dos componentes que são ou possam ser
integrados na bicicleta elétrica; e o controlador do motor.
O Grupo de Eletrónica de Potência e Energia (GEPE) da Universidade do Minho
tem apostado, no estudo e desenvolvimento de soluções na área da mobilidade elétrica.
Por isso, com o objetivo de alargar os conhecimentos nesta área, foi proposto o
desenvolvimento de uma bicicleta elétrica.
Nesta dissertação, é apresentado o estado da arte dos elementos constituintes da
bicicleta elétrica (motor elétrico, baterias e controlador). Além disso, são também
apresentados e descritos os constituintes auxiliares que suportam os constituintes
essenciais, designadamente os sensores de posição, algoritmos de carregamento das
baterias, conversores estáticos, e a monitorização das funcionalidades da bicicleta
elétrica.
No que diz respeito às simulações, estas permitiram estudar o comportamento
dos circuitos desenvolvidos de modo a validar conceitos, ajustar parâmetros e prever
problemas. Com esse objetivo, foram implementados modelos de simulação do motor
BLDC, da bateria de lítio polímero e do carregador de baterias.
Relativamente à implementação da bicicleta elétrica são apresentados o motor e
a bateria utilizados, bem como os circuitos eletrónicos que os interligam. Para o
interface com o utilizador é apresentado um LCD (Liquid Crystal Display) que informa
o utilizador sobre as diversas funcionalidades da bicicleta elétrica (distância percorrida,
estado de carga da bateria, velocidade atual, entre outros). Por fim, são apresentados os
resultados experimentais, as conclusões e as sugestões de trabalhos futuros.
Palavras-chave
Motor BLDC,
Inversor Fonte de Tensão,
Sistemas
de
Carregamento de Baterias, Baterias, Bicicleta Elétrica, Mobilidade Elétrica.
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vii
Abstract
The bicycle plays an important role in today's society. Being a cheap, compact
and environmentally friendly vehicle, it represents a good mean of transportation for
short distances. However, on long journeys, the bicycle has disadvantages in terms of
fatigue to the user. With this in mind, began the development of electric bikes, with the
purpose of helping the user on longer trips, thus extending the usefulness of the bicycle.
Electric bikes are composed of several components, by which there are three
main components: the electric motor, which assists the user when such is required; the
batteries, that guarantee power supply to the motor and to the others electronic
components that are incorporated in the electric bicycle; and the inverter, which is
responsible for converting the DC voltage of the batteries to the AC voltage required by
the motor.
The Group of Energy and Power Electronics (GEPE) of Minho University have
been focusing on the study and development of solutions in the field of electric
mobility. Therefore, and aiming to extend the knowledge in this area, it was proposed
the development of an electric bike.
In this dissertation is presented the state of art of several components of an
electric bike (electric motor, batteries and inverter). Is also studied the auxiliary
elements that support the main components, namely the Hall sensors, battery charging
algorithms and static converters.
Concerning the computer simulations, these allowed studying the behavior of the
elements, to validate concepts, adjust parameters and predict possible problems. With
that objective, is were design simulation models for the BLDC motor (Brushless Direct
Current) (operation, controller and inverter), of the lithium polymer battery and the
battery charger.
Regarding the implementation of the electric bicycle it is presented the motor
and the battery used, as well the electronic circuits that support them. To interface with
the user, is presented a LCD (Liquid Crystal Display), which informs the user of several
electric bicycle parameters (traveled distance, battery charge status, and present speed
among others features).
After electric bicycle implementation, are presented the experimental results and
conclusions, as well as future work propositions.
Keywords
BLDC Motor, Voltage Source Inverters, Battery Charging Systems,
Batteries, Electric Bicycle, Electric Mobility.
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ix
Índice
Agradecimentos.......................................................................................................................................... v
Resumo ..................................................................................................................................................... vii
Abstract ..................................................................................................................................................... ix
Lista de Figuras....................................................................................................................................... xiii
Lista de Tabelas ...................................................................................................................................... xix
Lista de Acrónimos ................................................................................................................................. xxi
CAPÍTULO 1 Introdução ......................................................................................................................... 1
1.1.
Bicicletas Elétricas ....................................................................................................................... 1
1.1.1.
1.1.2.
1.2.
1.3.
1.4.
1.5.
Breve História da Bicicleta Elétrica..................................................................................................... 1
O Mercado das Bicicletas Elétricas ..................................................................................................... 3
Bicicletas Elétricas no Mercado ................................................................................................... 4
Motivações ................................................................................................................................... 7
Objetivos ...................................................................................................................................... 7
Organização e Estrutura da Dissertação ....................................................................................... 8
CAPÍTULO 2 Elementos Constituintes da Bicicleta Elétrica ................................................................ 9
2.1.
2.2.
Introdução .................................................................................................................................... 9
Motores Elétricos ......................................................................................................................... 9
2.2.1.
2.2.2.
2.2.3.
2.2.4.
2.2.5.
2.3.
2.4.
Controladores de Motores Aplicados a Bicicletas Elétricas ...................................................... 17
Sensores de Posição ................................................................................................................... 18
2.4.1.
2.4.2.
2.5.
Sensores de Hall ................................................................................................................................ 19
Sensor Ótico ...................................................................................................................................... 21
Baterias ...................................................................................................................................... 23
2.5.1.
2.5.2.
2.5.3.
2.5.4.
2.6.
Motor de Corrente Continua .............................................................................................................. 10
Motor de Relutância Variável ............................................................................................................ 11
Motor de Indução .............................................................................................................................. 12
Motores Síncronos de Ímanes Permanentes....................................................................................... 13
Comparativo de Motores Elétricos Aplicados a Bicicletas Elétricas ................................................. 15
Baterias de Chumbo .......................................................................................................................... 25
Baterias de Lítio ................................................................................................................................ 26
Baterias de Níquel-Cádmio ............................................................................................................... 28
Baterias de Níquel Hidreto-Metálico ................................................................................................. 29
Conclusões ................................................................................................................................. 30
CAPÍTULO 3 Topologias e Técnicas de Comutação de Motores BLDC e de Sistemas de
Carregamento de Baterias ...................................................................................................................... 31
3.1.
3.2.
Introdução .................................................................................................................................. 31
Motor BLDC .............................................................................................................................. 31
3.2.1.
3.2.2.
3.3.
3.4.
Motor Utilizado na Bicicleta Elétrica ........................................................................................ 40
Inversores de Potência ............................................................................................................... 41
3.4.1.
3.5.
Inversor Fonte de Tensão .................................................................................................................. 42
Técnicas de Modulação para Inversores Fonte de Tensão Trifásicos ........................................ 42
3.5.1.
3.6.
Princípio de Funcionamento do Motor BLDC ................................................................................... 32
Modelo Matemático do Motor BLDC ............................................................................................... 36
Modulação de Onda Quadrada .......................................................................................................... 43
Sistema de Carregamento de Baterias ........................................................................................ 46
3.6.1.
Bateria de Lítio Polímero .................................................................................................................. 46
3.6.2.
Estado de Carga da Bateria ................................................................................................................ 47
3.6.3.
Algoritmos de Controlo ..................................................................................................................... 49
Corrente Constante Seguido de Tensão Constante .............................................................................................. 50
3.6.4.
Conversores Estáticos ........................................................................................................................ 52
3.7.
Conclusão................................................................................................................................... 56
CAPÍTULO 4 Simulações Computacionais dos Elementos Constituintes da Bicicleta Elétrica ....... 57
4.1.
4.2.
4.3.
4.4.
4.5.
Introdução .................................................................................................................................. 57
Sistema de Controlo do Motor BLDC ....................................................................................... 57
Circuito de Potência do Controlador .......................................................................................... 59
Controlador ................................................................................................................................ 60
Resultados de Simulação do Controlador .................................................................................. 61
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xi
Índice
4.5.1.
Resultados de Simulação do Controlador com Modulação de Onda Quadrada a 120 graus e sem
Controlo de Velocidade. ...................................................................................................................................... 61
4.5.2.
Resultados de Simulação do Controlador com Modulação de Onda Quadrada a 120 graus com
Controlo de Velocidade ....................................................................................................................................... 65
4.6.
4.7.
4.8.
4.9.
4.10.
Circuito de Potência do Carregador de Baterias......................................................................... 69
Sistema de Controlo do Carregador de Baterias......................................................................... 69
Modelo da Bateria ...................................................................................................................... 70
Resultados de Simulação do Carregador de Baterias ................................................................. 71
Conclusão ............................................................................................................................... 72
CAPÍTULO 5 Implementação dos Elementos Constituintes da Bicicleta Elétrica ............................ 75
5.1.
5.2.
Introdução .................................................................................................................................. 75
Sistema de Controlo ................................................................................................................... 75
5.2.1.
Sensores de Corrente.......................................................................................................................... 76
5.2.2.
Sensor de Tensão ............................................................................................................................... 77
5.2.3.
Sensor Magnético .............................................................................................................................. 78
5.2.4.
Sensor de Posição .............................................................................................................................. 79
5.2.5.
Algoritmos de Controlo ..................................................................................................................... 80
5.2.6.
LCD ................................................................................................................................................... 82
5.2.7.
Microcontroladores ............................................................................................................................ 83
Microcontrolador Utilizado no Carregador de Baterias ....................................................................................... 83
Microcontrolador Utilizado no Controlador do Motor BLDC ............................................................................. 85
5.2.8.
Funcionalidades da Bicicleta Elétrica ................................................................................................ 87
Velocímetro ......................................................................................................................................................... 87
Conta-quilómetros ............................................................................................................................................... 87
Relógio de Tempo Real ....................................................................................................................................... 88
Estado de Carga ................................................................................................................................................... 89
5.3.
Circuito de Potência do Controlador do Motor BLDC............................................................... 90
5.3.1.
5.3.2.
5.3.3.
5.4.
5.5.
5.6.
Circuito de Condicionamento de Sinal............................................................................................... 90
Conversor CC-CC .............................................................................................................................. 91
Inversor Trifásico ............................................................................................................................... 92
Circuito de Potência do Carregador de Baterias......................................................................... 94
Integração dos Elementos Implementados na Bicicleta Elétrica ................................................ 97
Conclusões ................................................................................................................................. 99
CAPÍTULO 6 Resultados Experimentais ............................................................................................ 101
6.1.
6.2.
6.3.
6.4.
6.5.
6.6.
6.7.
Introdução ................................................................................................................................ 101
Bancada de Ensaios .................................................................................................................. 101
Ensaio do Motor a Operar como Gerador ................................................................................ 102
Ensaio do Motor BLDC em Vazio ........................................................................................... 103
Ensaio do Motor BLDC em Carga ........................................................................................... 106
Ensaio do Carregador de Baterias ............................................................................................ 108
Conclusões ............................................................................................................................... 109
CAPÍTULO 7 Conclusões e Sugestões de Trabalhos Futuros ............................................................ 111
7.1.
7.2.
Conclusões ............................................................................................................................... 111
Sugestões de Trabalhos Futuros ............................................................................................... 113
Referências.............................................................................................................................................. 115
xii
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Lista de Figuras
Figura 1.1 - Primeira bicicleta elétrica patenteada [2]. ................................................................................ 1
Figura 1.2 - Bicicleta elétrica com motor no cubo da pedaleira [4]. ............................................................ 2
Figura 1.3 - Bicicleta elétrica com motor sob a roda traseira, friccionando-a [5]. ....................................... 2
Figura 1.4 - Bicicleta elétrica de marca Mercedes [9]. ................................................................................ 4
Figura 1.5 - Bicicleta elétrica da marca Ford [12]. ...................................................................................... 5
Figura 1.6 - Bicicleta elétrica da marca Órbita [13]. ................................................................................... 6
Figura 1.7 - Bicicleta elétrica e-bike da marca Smart [14]........................................................................... 7
Figura 2.1 - Classificação dos motores elétricos [17]. ............................................................................... 10
Figura 2.2 - Motor elétrico de corrente contínua para bicicletas elétricas [27]. ......................................... 11
Figura 2.3 - Motor de relutância variável passível de ser aplicado a bicicletas elétricas [21]. .................. 12
Figura 2.4 - Motor de indução aplicado a veículos elétricos [23]. ............................................................. 13
Figura 2.5 - Motor BLDC trifásico aplicado a bicicletas elétricas [25]. .................................................... 15
Figura 2.6 - Controlador de velocidade/binário para motores BLDC do fabricante
ElectroCraf [26]................................................................................................................................. 17
Figura 2.7 - Controlador de velocidade para motores BLDC do fabricante Anaheim
Automation [27]. ................................................................................................................................ 18
Figura 2.8 - Controlador para motores CC [28]. ........................................................................................ 18
Figura 2.9 - Princípio de funcionamento do efeito Hall [30]. .................................................................... 19
Figura 2.10 - Distribuição dos sensores de efeito Hall num motor elétrico para bicicletas de
propulsão elétrica [31]. ...................................................................................................................... 20
Figura 2.11 - Estado dos sensores de efeito Hall em função da disposição dos ímanes
permanentes [20]. .............................................................................................................................. 20
Figura 2.12 - Sensor ótico e seu esquema elétrico [32]. ............................................................................ 21
Figura 2.13 - Sensor ótico incremental [34]............................................................................................... 22
Figura 2.14 - Sinal de saída do sensor ótico incremental. .......................................................................... 23
Figura 2.15 - Sensor ótico absoluto [34]. ................................................................................................... 23
Figura 2.16 - Bicicleta elétrica com baterias de chumbo [38]. .................................................................. 25
Figura 2.17 - Bateria de Lítio aplicada a bicicletas elétricas [9]. ............................................................... 27
Figura 2.18 - Bateria de níquel-cádmio [40]. ............................................................................................. 29
Figura 2.19 - Bateria de níquel hidreto-metálico. ...................................................................................... 30
Figura 3.1 - Relação entre as saídas dos sensores de Hall e as tensões aplicadas ao motor BLDC. .......... 33
Figura 3.2 - Formas de onda da força contraelectromotriz e corrente do motor BLDC. ........................... 33
Figura 3.3 - Sentido da corrente nos enrolamentos do motor BLDC para seis estados. ............................ 34
Figura 3.4 - Forma de onda da tensão composta do motor BLDC à saída do inversor fonte de
tensão [47]. ........................................................................................................................................ 34
Figura 3.5 - Sequência de estados para a região de condução para o motor BLDC................................... 35
Figura 3.6 - Estado dos semicondutores da parte superior durante a comutação da corrente do
motor BLDC: (a) Antes da comutação; (b) Durante a comutação; (c) Depois da comutação da
corrente. ............................................................................................................................................. 36
Figura 3.7 - Estado dos semicondutores da parte inferior durante a comutação da corrente do motor
BLDC: (a) Antes da comutação; (b) Durante a comutação; (c) Depois da comutação da
corrente. ............................................................................................................................................. 36
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xiii
Lista de Figuras
Figura 3.8 - Circuito equivalente do motor BLDC e inversor de potência. ................................................ 37
Figura 3.9 - Motor BLDC de 250 W da Cristalyte utilizado na bicicleta elétrica. ..................................... 40
Figura 3.10 - Esquema elétrico de um inversor fonte de tensão................................................................. 42
Figura 3.11 - Relação entre as formas de ondas de modulação de onda quadrada a 180 graus e os
sinais de comando dos semicondutores eletrónicos. .......................................................................... 43
Figura 3.12 - Circuito equivalente para cada um dos seis estados de operação do inversor com
modulação de onda quadrada a 180 graus. ......................................................................................... 44
Figura 3.13 - Relação entre as formas de ondas da modulação de onda quadrada a 120 graus e os
sinais de comando dos semicondutores eletrónicos. .......................................................................... 45
Figura 3.14 - Circuito equivalente para cada um dos seis estados de operação do inversor com
modulação de onda quadrada a 120 graus. ......................................................................................... 45
Figura 3.15 - Bateria de lítio polímero 36 V 10 Ah, utilizada na bicicleta elétrica. ................................... 47
Figura 3.16 - Modelo de circuito equivalente linear para uma bateria. ...................................................... 48
Figura 3.17 - Modelo de circuito equivalente de Thevenin para uma bateria. ............................................ 48
Figura 3.18 - Modelo de circuito equivalente implementado para a bateria. ............................................. 49
Figura 3.19 - Evolução da tensão e da corrente ao longo do tempo para o primeiro modelo do
algoritmo de corrente constante seguido de tensão constante. ........................................................... 50
Figura 3.20 - Evolução da tensão e da corrente ao longo do tempo para o segundo modelo do
algoritmo de corrente constante seguido de tensão constante. ........................................................... 51
Figura 3.21 - Evolução da tensão e da corrente ao longo do tempo para o terceiro modelo do
algoritmo de corrente constante seguido de tensão constante. ........................................................... 51
Figura 3.22 - Evolução da tensão e da corrente ao longo do tempo para o quarto modelo do
algoritmo de corrente constante seguido de tensão constante. ........................................................... 52
Figura 3.23 - Esquemático do conversor boost. ......................................................................................... 53
Figura 3.24 - Forma de onda da corrente na indutância em regime permanente para um conversor
boost. .................................................................................................................................................. 53
Figura 3.25 - Tensão de saída de um conversor boost em função do duty cycle (D). ................................ 54
Figura 3.26 - Circuito equivalente do conversor boost quando o interruptor eletrónico está ligado. ......... 54
Figura 3.27 - Circuito equivalente do conversor boost quando o interruptor eletrónico está
desligado. ........................................................................................................................................... 55
Figura 4.1 - Formas de onda dos sensores de Hall (H1, H2 e H3) e dos pulsos para as gates dos
semicondutores eletrónicos (g1, g2, g3, g4, g5 e g6). ............................................................................ 59
Figura 4.2 - Circuito de potência do controlador do motor BLDC implementado em PSIM. .................... 60
Figura 4.3 - Sistema de controlo do controlador do motor BLDC implementado em PSIM. .................... 60
Figura 4.4 - Sinais de comando dos semicondutores eletrónicos da parte superior do inversor. ............... 62
Figura 4.5 - Sinais de comando dos semicondutores eletrónicos da parte inferior do inversor. ................ 62
Figura 4.6 - Sinais de saída dos sensores de Hall do motor BLDC. .......................................................... 62
Figura 4.7 - Tensões compostas aplicadas ao motor BLDC em vazio. ...................................................... 63
Figura 4.8 - Corrente consumida pelo motor BLDC em vazio. ................................................................. 63
Figura 4.9 - Tensões compostas fornecidas ao motor BLDC para diferentes valores de carga. ................ 64
Figura 4.10 - Correntes consumidas pelo motor BLDC para diferentes valores de carga.......................... 64
Figura 4.11 – Binário resistivo aplicado ao motor BLDC. ......................................................................... 65
Figura 4.12 - Análise em pormenor da região de comutação: (a) Comutação das tensões compostas
durante a comutação das correntes; (b) Comutação das correntes. .................................................... 65
Figura 4.13 - Sinais de comando dos semicondutores eletrónicos da parte superior do inversor com
controlo de velocidade. ...................................................................................................................... 66
xiv
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Lista de Figuras
Figura 4.14 - Sinais de comando dos semicondutores eletrónicos da parte inferior do inversor com
controlo de velocidade ao longo de 0,25 s. ........................................................................................ 66
Figura 4.15 - Velocidade de referência e velocidade atual do motor, sem carga, para os 3 modos de
ajuda................................................................................................................................................... 67
Figura 4.16 - Tensões compostas fornecidas ao motor BLDC para os três modos de ajuda, sem
carga................................................................................................................................................... 67
Figura 4.17 - Tensões compostas fornecidas ao motor BLDC em carga, para os três modos de
ajuda, em carga. ................................................................................................................................. 68
Figura 4.18 – Valores RMS das tensões compostas: (a) Valores RMS das tensões compostas para o
modo 1; (b) Valores RMS das tensões compostas para o modo 2; (c) Valores RMS das
tensões compostas para o modo 3. ..................................................................................................... 68
Figura 4.19 - Correntes consumidas pelo motor BLDC em carga, para os três modos de ajuda, em
carga................................................................................................................................................... 68
Figura 4.20 - Velocidade do motor BLDC em função da velocidade de referência para os três
modos de ajuda, em carga. ................................................................................................................. 69
Figura 4.21 - Circuito de potência do carregador de baterias. ................................................................... 69
Figura 4.22 - Circuito de controlo do carregador de baterias..................................................................... 70
Figura 4.23 - Circuito do modelo da bateria implementado no PSIM. ...................................................... 71
Figura 4.24 - Resultados de simulação para o algoritmo de controlo corrente constante seguida de
tensão constante: (a) Corrente fornecida à bateria; (b) Tensão aos terminais da bateria. .................. 71
Figura 4.25 - Evolução do estado de carga da bateria com o algoritmo corrente constante seguido
de tensão constante. ........................................................................................................................... 72
Figura 5.1 - Sensor de corrente de efeito de Hall: (a) Sensor ACS712-20A; (b) Circuito de
medição [58]. ..................................................................................................................................... 76
Figura 5.2 - Esquema elétrico do sensor de corrente do carregador de baterias. ....................................... 77
Figura 5.3 - Esquema elétrico do sensor de tensão do carregador de baterias. .......................................... 78
Figura 5.4 - Princípio de funcionamento do sensor Reed Switch [59]. ...................................................... 78
Figura 5.5 - Sensor magnético: (a) Esquema elétrico implementado; (b) Sensor magnético Reed
Switch utilizado na bicicleta elétrica. ................................................................................................. 79
Figura 5.6 - Sensor ótico: (a) Sensor ótico TCST1103 da Vishay; (b) Esquema elétrico do sensor
TCST1103 da Vishay.......................................................................................................................... 80
Figura 5.7 - Sensor de posição: (a) Esquema elétrico do sensor implementado; (b) Placa de circuito
impresso do sensor implementado. .................................................................................................... 80
Figura 5.8 - Algoritmo de controlo utilizado na bicicleta elétrica. ............................................................ 81
Figura 5.9 - Algoritmo de controlo do sistema de carregamento da bateria utilizada na bicicleta
elétrica. .............................................................................................................................................. 81
Figura 5.10 - LCD utilizado na bicicleta elétrica. ...................................................................................... 82
Figura 5.11 - Ambiente de programação utilizado na programação dos microcontroladores. ................... 83
Figura 5.12 - Diagrama de blocos do microcontrolador ATmega328P [61]. ............................................. 84
Figura 5.13 - Placa de desenvolvimento Duemilanove [62]. ..................................................................... 85
Figura 5.14 - Placa de desenvolvimento Arduino Mega [64]. ................................................................... 85
Figura 5.15 - Diagrama de blocos do microcontrolador ATmega2560 [63]............................................... 86
Figura 5.16 - Diagrama de blocos do circuito integrado DS1307 do fabricante Maxim [65]..................... 88
Figura 5.17 - Relógio de tempo real implementado: (a) Esquema elétrico; (b) Placa de circuito
impresso do relógio. ........................................................................................................................... 89
Figura 5.18 - Curva de descarga da bateria de lítio polímero utilizada na bicicleta elétrica. ..................... 89
Figura 5.19 - Circuito de potência do controlador do motor BLDC implementado. ................................. 90
Desenvolvimento de uma Bicicleta Elétrica
Rui Jorge Fernandes Araújo - Universidade do Minho
xv
Lista de Figuras
Figura 5.20 - Estágio de saída do sensor de Hall. ...................................................................................... 90
Figura 5.21 - Conversor buck PTB78560 da marca Texas Instruments [66]. ............................................. 91
Figura 5.22 - Conversor buck PTB78560 da Texas Instruments. ............................................................... 92
Figura 5.23 - Esquema elétrico de cada um dos braços do inversor trifásico. ........................................... 92
Figura 5.24 - MOSFETS utilizados no inversor trifásico: (a) PMOSFET IRF5210 do fabricante
International Rectifier [67]; (b) NMOSFET FQP44N10 do fabricante Fairchild [68]. .................... 93
Figura 5.25 - Opto-acoplador TLP621 da Toshiba [69]. ............................................................................ 94
Figura 5.26 - Esquema elétrico do inversor trifásico implementado. ......................................................... 94
Figura 5.27 - Esquema elétrico do sistema de carregamento implementado. ............................................ 95
Figura 5.28 - NMOSFET IRF540N do fabricante International Rectifier, utilizado no conversor
boost [70]. .......................................................................................................................................... 95
Figura 5.29 - Esquemático do circuito integrado LM7805C do fabricante Texas Instruments [71]. .......... 96
Figura 5.30 - Circuito de potência do carregador de baterias implementado. ............................................ 96
Figura 5.31 - Carregador de portátil utilizado como fonte de alimentação do sistema de
carregamento implementado. ............................................................................................................. 97
Figura 5.32 – Integração de um interruptor de pressão no interior das manetes dos travões, para
detetar quando as mesmas são pressionadas. ..................................................................................... 97
Figura 5.33 – Integração do sensor de posição e do disco com ranhuras no eixo da pedaleira da
bicicleta elétrica. ................................................................................................................................ 98
Figura 5.34 – Painel de instrumentos, para ligar o sistema e selecionar o modo de ajuda (baixo,
médio ou alto) na tração da bicicleta elétrica. .................................................................................... 98
Figura 5.35 – Circuito de potência e circuito de controlo do motor BLDC em pormenor (à
esquerda) Circuito de potência e circuito de controlo do motor BLDC, e bateria de lítio
polímero (à direita)............................................................................................................................. 98
Figura 5.36 – Aspeto final da bicicleta elétrica, desenvolvida nesta dissertação. ...................................... 99
Figura 6.1 - Bancada de ensaios utilizada para testar o funcionamento do circuito de potência e do
circuito de controlo desenvolvidos para o motor BLDC. ................................................................. 102
Figura 6.2 - Formas de onda das tensões simples (20 V/div) geradas pelo motor BLDC. ....................... 102
Figura 6.3 - Funcionamento do motor BLDC como gerador: (a) Formas de onda das tensões
compostas (20 V/div); (b) Sinais de saída dos sensores de Hall (1 V/div). ..................................... 103
Figura 6.4 – Sinais de comando gerados pelo microcontrolador para posteriormente serem
aplicados aos semicondutores eletrónicos da parte alta do inversor fonte de tensão (2 V/div). ....... 103
Figura 6.5 - Forma de onda das 3 tensões compostas (20 V/div) aplicadas ao motor BLDC. ................. 104
Figura 6.6 - Formas de onda das tensões compostas (20 V/div) e sinais de comando dos
semicondutores eletrónicos da parte alta do inversor (2 V/div) para o funcionamento do motor
BLDC no primeiro modo de ajuda. .................................................................................................. 105
Figura 6.7 - Formas de onda das tensões compostas (20 V/div) e sinais de comando dos
semicondutores eletrónicos da parte alta do inversor (2 V/div) para o funcionamento do motor
BLDC no segundo modo de ajuda. .................................................................................................. 105
Figura 6.8 - Formas de onda das tensões compostas (20 V/div) e sinais de comando dos
semicondutores eletrónicos da parte alta do inversor (2 V/div), para o funcionamento do
motor BLDC no terceiro modo de ajuda. ......................................................................................... 106
Figura 6.9 - Formas de onda das tensões compostas (20 V/div) e da corrente total (200 mV/div),
aplicadas ao motor BLDC, com uma carga mecânica de 1 Nm. ...................................................... 106
Figura 6.10 - Formas de onda das tensões compostas (20 V/div) e da corrente total (500 mV/div),
aplicadas ao motor BLDC, com uma carga mecânica de 4 Nm. ...................................................... 107
Figura 6.11 - Formas de onda das tensões compostas (20 V/div) e corrente total (500 mV/div),
aplicadas ao motor BLDC, com uma carga mecânica de 7 Nm. ...................................................... 107
xvi
Desenvolvimento de uma Bicicleta Elétrica
Rui Jorge Fernandes Araújo - Universidade do Minho
Lista de Figuras
Figura 6.12 - Tensão aos terminais da bateria de lítio polímero, e corrente consumida pelo motor
BLDC com carga mecânica de 7 Nm............................................................................................... 108
Figura 6.13 - Velocidade de rotação do motor BLDC em função da tensão aos terminais da bateria
de lítio polímero, para um funcionamento do motor com carga mecânica de 7 Nm........................ 108
Figura 6.14 - Tensão e corrente aplicada aos terminais da bateria de lítio polímero, durante o
algoritmo carregamento corrente constante com o valor de 1,5 A, seguido de tensão constante
com o valor de 42 V......................................................................................................................... 109
Desenvolvimento de uma Bicicleta Elétrica
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xvii
Lista de Tabelas
Tabela 2.1 - Comparativo entre os motores BLDC e BLAC. .................................................................... 15
Tabela 2.2 - Comparativo entre o motor BLDC e o motor CC. ................................................................. 16
Tabela 2.3 - Comparativo entre o motor BLDC e o Motor de Indução. .................................................... 16
Tabela 2.4 - Resultante dos sensores de efeito Hall para cada estado do rotor. ......................................... 21
Tabela 3.1 - Características do motor BLDC utilizado na bicicleta elétrica. ............................................. 41
Tabela 3.2 - Sequência de estados para o inversor fonte de tensão com modulação de onda
quadrada a 180 graus. ........................................................................................................................ 44
Tabela 3.3 - Sequência de estados para o inversor fonte de tensão com modulação de onda
quadrada a 120 graus. ........................................................................................................................ 46
Tabela 5.1 - Função e descrição dos pinos do LCD utilizado na bicicleta elétrica. ................................... 82
Tabela 5.2 - Especificações e características da placa de desenvolvimento Duemilanove [62]................. 84
Tabela 5.3 - Características e especificações da placa de desenvolvimento Arduino Mega. ..................... 86
Desenvolvimento de uma Bicicleta Elétrica
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xix
Lista de Acrónimos
ADC
Analog to Digital Converter
BLAC
Brushless AC Motor
BLDC
Brushless Direct Current
BMS
Battery Management System
CA
Corrente Alternada
CC
Corrente Contínua
DC
Direct Current
IPM
Interior Permanent Magnet
LCD
Liquid Crystal Display
LiPo
Lítio Polímero
NiCd
Nickel Cadmium
NiMH
Nickel-Metal-Hydride
Pb
Chumbo
PCB
Printed Circuit Board
PM
Permanent Magnet
PMSM
Permanent Magnet Synchronous Motor
PWM
Pulse Width Modulation
SLA
Sealed Lead Acid
SRM
Switch Relutance Motor
SOC
State Of Charge
Desenvolvimento de uma Bicicleta Elétrica
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xxi
CAPÍTULO 1
Introdução
1.1.
Bicicletas Elétricas
De acordo com a legislação portuguesa presente no Decreto-lei nº44 de 2005, as
bicicletas elétricas são velocípedes equipados com motor elétrico auxiliar de potência
máxima contínua de 0,25 kW, cuja alimentação é reduzida progressivamente com o
aumento da velocidade e é interrompida se esta atingir uma velocidade de 25 km/h, ou
se o utilizador deixar de pedalar. É também obrigatório que a bicicleta de propulsão
elétrica arranque usando somente a força humana, bem como o uso de capacete
devidamente ajustado e apertado [1].
Deste modo, o desenvolvimento da bicicleta elétrica deve ter as seguintes
especificações: motor elétrico de potência máxima contínua de 250 W; sensor de
velocidade; deteção de movimento e sentido de rotação da pedaleira e não deve ter
acelerador.
1.1.1. Breve História da Bicicleta Elétrica
Devido à falta de informação sobre a história da bicicleta elétrica fez-se um
pequeno levantamento das patentes sobre bicicletas elétricas. A primeira bicicleta
elétrica patenteada remonta ao ano de 1895, nos Estados Unidos da América, por Ogden
Bolton Jr., como mostra a Figura 1.1. Esta bicicleta elétrica apresentava um motor CC
de seis pólos no interior do cubo da roda traseira e uma bateria de 10 V [2].
Figura 1.1 - Primeira bicicleta elétrica patenteada [2].
Desenvolvimento de uma Bicicleta Elétrica
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1
Capítulo 1 - Introdução
Dois anos mais tarde, em 1897 Oséias W. Libbey idealizou uma bicicleta elétrica
cujo motor era incorporado no eixo da pedaleira, como mostra a Figura 1.2. Este
modelo foi posteriormente imitado pela marca Lafree no ano de 1990 no Reino
Unido [3].
Figura 1.2 - Bicicleta elétrica com motor no cubo da pedaleira [4].
Em 1899 John Schnepf projetou uma bicicleta elétrica, onde o motor era colocado
sob a roda traseira, friccionando-a (Figura 1.3). Esta patente não especifica nem o tipo
de motor, nem as baterias utilizadas [5].
Figura 1.3 - Bicicleta elétrica com motor sob a roda traseira, friccionando-a [5].
Com o decorrer dos anos surgiram novas patentes para bicicletas elétricas, no
entanto a maior evolução deu-se na década de 90, devido ao avanço tecnológico da
eletrónica de potência na área dos controladores de motores e sensores, bem como das
baterias. A evolução das baterias permitiu uma maior capacidade de armazenamento de
2
Desenvolvimento de uma Bicicleta Elétrica
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Capítulo 1 - Introdução
energia, maior fiabilidade, maior robustez e principalmente um menor custo na sua
aquisição, permitindo a utilização destas em bicicletas elétricas [6].
O Japão foi o primeiro país a desenvolver controladores para motores elétricos
aplicados a bicicletas elétricas, tendo sido desenvolvido o primeiro motor e respetivo
controlador no início da década 90 pelo fabricante Zike, rapidamente seguido pelas
marcas Yamaha, Honda e Panasonic que fabricavam também unidades motorizadas
para bicicletas elétricas. Estas unidades não eram baratas, contudo deu-se início à
comercialização de bicicletas elétricas.
A comercialização das primeiras bicicletas elétricas despertou de tal forma o
interesse da população a nível mundial, que os fabricantes chineses começaram a
produzir em larga escala motores embutidos no cubo da roda da bicicleta. Com o
aumento na procura de motores elétricos para bicicletas elétricas, passou-se de uma
única marca comercial, para cerca de cinquenta no final da década de 90.
1.1.2. O Mercado das Bicicletas Elétricas
Na China estima-se que existam cerca de 120 milhões de bicicletas elétricas, este
número deve-se principalmente aos incentivos governamentais chineses, de forma a
diminuírem substancialmente as motas das suas ruas [7][8]. Em termos percentuais, a
Holanda é a maior utilizadora de bicicletas a nível mundial, com cerca de 40% de todo o
seu tráfego sendo que, dos 40%, 10% são bicicletas elétricas. Apesar da elevada
percentagem de bicicletas elétricas no mundo, prevê-se que continue a crescer 9% ou
10% por ano, atingindo o número de 260 milhões de bicicletas elétricas em 2016 [8].
Em Portugal tem-se vindo a desenvolver de forma bastante positiva, um culto em
torno das bicicletas elétricas. Iniciativas como, o World Bike Tour tem vindo a dar
provas, não só em Portugal mas um pouco por todo o Mundo, que as bicicletas elétricas
vieram para ficar [4]. O projeto Buga na cidade de Aveiro é outro bom exemplo, pois
fornece bicicletas de propulsão elétrica gratuitamente durante um determinado período
de tempo, mediante a apresentação de um documento de identificação.
A nível nacional só existe um fabricante, a empresa Orbita, o que torna aliciante
este nicho de mercado, ou seja existe ainda espaço de mercado para outras empresas [5].
Existem ainda estudos que comprovam que a mobilidade elétrica em duas rodas
está em crescente expansão. De acordo com a associação da indústria de duas rodas na
Alemanha (ZIV), as vendas na Alemanha aumentaram de 70000, em 2007, para 200000
unidades, em 2010, existindo previsões que apontam para crescimentos ímpares. Em
2018, a ZIV prevê que as bicicletas de propulsão elétrica irão representar 15% de todas
Desenvolvimento de uma Bicicleta Elétrica
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3
Capítulo 1 - Introdução
as vendas de motociclos na Alemanha. A nível europeu, o aumento das vendas foi ainda
maior. Em 2007, aproximadamente 200000 pessoas optaram por uma bicicleta elétrica
e, de acordo com a ZIV, em 2009 este valor já atingiu os 500000. Em 2010, cerca de
700000 bicicletas de propulsão elétrica foram comercializadas em toda a Europa, um
aumento de 40%, comparando com o ano anterior [9].
1.2.
Bicicletas Elétricas no Mercado
Após a história das bicicletas elétricas e da análise do mercado das mesmas, serão
apresentados de seguida quatro novos modelos de bicicletas elétricas existentes no
mercado.
No salão automóvel de Paris do ano passado, foi apresentado um conceito de
bicicleta inteligente, pertencendo à marca Mercedes (Figura 1.4). Este protótipo
apresenta quatro níveis de impulso, de um sistema de acionamento elétrico, não é
controlada através do punho (acelerador), mas sim pelos pedais. Pesando apenas 22 kg,
a bicicleta tem um alcance por carga de bateria de 30 a 50 km. A relação de transmissão
é ajustada automaticamente em dois níveis, dependendo da velocidade. Relativamente à
velocidade máxima, esta depende do terreno e da potência cinética que o utilizador
fornece à bicicleta. Esta bicicleta apresenta um motor brushless de 250 W incorporado
na roda traseira, e usa uma bateria de iões de lítio compacta, com tensão de 36 V e
capacidade de 9,6 Ah, colocada no quadro acima dos pedais, ficando assim escondida.
Esta bateria pode ser totalmente carregada em aproximadamente três horas [10].
Figura 1.4 - Bicicleta elétrica de marca Mercedes [10].
Também a Ford, apresentou no salão automóvel de Frankfurt uma bicicleta de
propulsão elétrica, entrando assim neste mercado com um conceito deslumbrante que
combina tecnologia de ponta, com sensores provenientes do mundo da Fórmula 1 e
componentes topo de gama para bicicletas (Figura 1.5). O sistema de propulsão é
constituído por um motor CC de 250 W no centro da roda dianteira, uma bateria de iões
4
Desenvolvimento de uma Bicicleta Elétrica
Rui Jorge Fernandes Araújo - MIEEIC - Universidade do Minho
Capítulo 1 - Introdução
de lítio de 36 V, 9,3 Ah que permite 1000 ciclos com 80% de capacidade residual. A
bateria encontra-se escondida no quadro, e a marca promete um alcance de até 85 km
com a bateria totalmente carregada. Além disso, a bicicleta possui um controlador
integrado e um sensor electrostriction, tecnologia patenteada do mundo da Fórmula 1.
Figura 1.5 - Bicicleta elétrica da marca Ford [11].
Os materiais electrostriction, são utilizados para converter a energia magnética em
energia cinética e vice-versa. Para tal, são necessários pelo menos 1 par de sensores de
electrostriction [12] sendo que, cada um tem um eixo central. Os eixos centrais são
eliminados num plano comum e são mutuamente orientados perpendicularmente um ao
outro. Normalmente, são utilizados pelo menos dois pares de sensores, formando uma
roseta, para facilitar a análise dos vários componentes de uma amostra, possuindo assim
propriedades dielétricas sob tensão/deformação [13]. Na Fórmula 1, estes sensores
ajudam a lidar com as altas rotações do motor em combinação com tensões térmicas
intensas, não necessitando de contacto físico com outras partes do motor, são
independentes da temperatura e completamente isentos de manutenção. Estes registam
as rotações do rolamento interno e transmitem essa informação à unidade de controlo,
num centésimo de segundo. A unidade de controlo, ativa ou desativa o motor elétrico
instantaneamente, proporcionando uma integração perfeita entre a força do pedalar e a
força do motor [11].
Em Portugal, a marca Órbita comercializa apenas uma bicicleta de propulsão
elétrica (Figura 1.6), destinada para um público mais modesto, no sentido do design e
do preço. Como características tem: um motor de 24 V com potência nominal de 250 W
na roda dianteira, a bateria de iões de lítio com uma tensão de 24 V, 10 Ah e um
carregador de 24 V, 1,8 A [14].
Desenvolvimento de uma Bicicleta Elétrica
Rui Jorge Fernandes Araújo - MIEEIC - Universidade do Minho
5
Capítulo 1 - Introdução
Figura 1.6 - Bicicleta elétrica da marca Órbita [14].
Recentemente, também a Smart anunciou a produção em série de uma bicicleta de
propulsão elétrica, de nome e-bike para o primeiro semestre de 2012. Este veículo de
duas rodas junta-se ao portfólio de veículos de propulsão elétrica da marca alemã. De
acordo com o portal LusoMotores, a Smart e-bike está a ser desenvolvida em
cooperação com o fabricante de bicicletas de propulsão elétrica Grace, sediada em
Berlim [15].
Segundo a administradora da Smart, Annette Winkler, "a smart e-bike é um
verdadeiro Smart, mas em duas rodas". "Não se trata apenas de uma bicicleta
extremamente bem desenhada que irá atrair certamente a atenção dentro das cidades, é
também muito prática e fácil de conduzir. Qualquer pessoa pode circular com ela pela
cidade, independentemente da sua forma física e do seu estado de espírito".
Criada pelos designers da Smart, a e-bike possui um desenho e uma aparência
invulgar, afirmando-se capaz de romper com a linha convencional de bicicletas graças à
integração atrativa do sistema elétrico, como mostra a Figura 1.7. Os componentes
principais, tais como a estrutura, alojamento da bateria, guiador, luzes ou guarda-lamas,
foram desenhados e desenvolvidos especificamente para a Smart.
Os seus pontos fortes incluem o seu desempenho ágil, pois permite ao condutor da
Smart e-bike decidir a potência que o motor elétrico de 250 W deve debitar. Para tal
existe um botão no guiador, onde o utilizador pode escolher entre quatro níveis de
potência. Dependendo do nível de potência selecionado e da potência fornecida pelo
pedalar, a carga da bateria pode durar mais de 100 km.
Com mais de 400 Wh, "a bateria de iões de lítio é uma das baterias mais potentes
no ambiente concorrencial", salienta a administradora da marca Smart Annette Winkler.
Esta, sendo portátil pode ser carregada numa tomada convencional. O motor
incorporado na roda traseira, transforma-se num gerador quando o utilizador trava. A
energia cinética da travagem regenerativa é recuperada, ou seja, é convertida em energia
elétrica e armazenada na bateria de iões de lítio [9].
6
Desenvolvimento de uma Bicicleta Elétrica
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Capítulo 1 - Introdução
Figura 1.7 - Bicicleta elétrica e-bike da marca Smart [15].
1.3.
Motivações
A motivação primordial para o desenvolvimento de uma bicicleta elétrica, reside
na necessidade de encontrar um veículo que permita o transporte de pessoas para curtas
e médias distâncias, com um custo de aquisição e de manutenção reduzido.
O desenvolvimento de uma bicicleta elétrica permite também aplicar os
conhecimentos na área da Eletrónica de Potência, adquiridos ao longo do Mestrado
Integrado de Engenharia Eletrónica Industrial e de Computadores.
As bicicletas elétricas permitem solucionar alguns dos problemas das bicicletas
normais, nomeadamente percorrer maiores distâncias com um menor esforço, permitir
que a utilização da bicicleta seja alargada a uma faixa etária maior, no sentido em que
não é necessário ter preparação física regular.
Deste modo, permite a qualquer pessoa percorrer distâncias maiores,
economizando substancialmente os custos de transporte quando comparado com
veículos de combustão interna, designadamente nas manutenções periódicas, nos
impostos de circulação, no combustível e no seguro.
Assim sendo, para curtas e médias deslocações a bicicleta elétrica proporciona ao
utilizador a redução de custos no transporte, e a atividade física.
1.4.
Objetivos
O principal objetivo desta dissertação é o desenvolvimento de uma bicicleta
elétrica. Este desenvolvimento deve ser otimizado para a conversão de uma bicicleta
comum numa bicicleta elétrica. Desta forma, é necessário cumprir determinados
objetivos intermédios, nomeadamente a seleção do motor elétrico e das baterias,
desenvolver os circuitos de potência do motor e do carregador da bateria. Desenvolver o
sistema de controlo do motor e do carregamento das baterias, e por fim obter os
resultados experimentais das implementações realizadas.
Desenvolvimento de uma Bicicleta Elétrica
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7
Capítulo 1 - Introdução
1.5.
Organização e Estrutura da Dissertação
Nesta dissertação é descrito o desenvolvimento de uma bicicleta elétrica. Para tal
encontra-se estruturada em 7 capítulos, que são apresentados e descritos de seguida.
Assim, no capítulo 1 denominado por “Introdução”, são apresentados, a definição de
bicicleta elétrica segundo a legislação portuguesa, uma breve introdução sobre a história
da mesma, bem como o mercado financeiro e o mercado comercial das bicicletas
elétricas.
No capítulo 2, denominado por “Elementos Constituintes da Bicicleta Elétrica”,
são descritos e analisados os diversos elementos constituintes de uma bicicleta elétrica,
nomeadamente os motores elétricos, os controladores, os sensores de posição e as
baterias.
No capítulo 3, denominado por “Topologias e Técnicas de Comutação de Motores
BLDC e de Sistemas de Carregamento de Baterias”, são apresentadas as topologias e
técnicas de comutação de motores BLDC e de sistemas de carregamento de baterias.
No capítulo 4, denominado por “Simulações Computacionais dos Elementos
Constituintes da Bicicleta Elétrica”, são apresentadas as simulações computacionais dos
elementos constituintes da bicicleta elétrica, nomeadamente o circuito do controlador do
motor BLDC e do circuito de carregamento das baterias, bem como os sistemas de
controlo de ambos.
No capítulo 5, denominado por “Implementação dos Elementos Constituintes da
Bicicleta Elétrica”, são apresentadas as implementações dos circuitos desenvolvidos
para a bicicleta elétrica, designadamente o sistema de controlo, o circuito de potência do
controlador do motor BLDC e o circuito de potência do carregador de baterias.
No capítulo 6, denominado por “Resultados Experimentais”, são apresentados os
resultados experimentais obtidos, para o ensaio do motor como gerador, o ensaio ao
motor BLDC em vazio, bem como os ensaios ao motor BLDC para 3 valores de carga
mecânica diferentes.
O capítulo 7, denominado por “Conclusões e Sugestões de Trabalho Futuro”, são
apresentadas as conclusões do trabalho realizado, bem como as sugestões para melhorar
o que foi feito ao longo desta dissertação.
8
Desenvolvimento de uma Bicicleta Elétrica
Rui Jorge Fernandes Araújo - MIEEIC - Universidade do Minho
CAPÍTULO 2
Elementos Constituintes da Bicicleta Elétrica
2.1.
Introdução
No decorrer deste capítulo são descritos os elementos constituintes de uma
bicicleta elétrica, ou seja, são apresentados e analisados os elementos essenciais que
constituem uma bicicleta elétrica, como os motores elétricos, controladores de motores
elétricos, sensores de posição e baterias.
Inicialmente são analisados e comparados os principais motores elétricos
passiveis de serem aplicados a bicicletas elétricas. Em seguida são analisados alguns
controladores de motores elétricos comercialmente existentes, destinados a bicicletas
elétricas. São também apresentados os tipos de sensores de posição que alguns motores
necessitam para efetuar o seu controlo em malha fechada, bem como para detetar o
movimento da pedaleira da bicicleta elétrica. Posteriormente serão apresentados os tipos
de baterias mais utilizadas nestas bicicletas.
2.2.
Motores Elétricos
O motor elétrico é uma máquina destinada a transformar energia elétrica em
energia mecânica. É bastante utilizado, uma vez que reúne um conjunto de
características favoráveis, das quais se podem realçar: utilização de energia de baixo
custo (a energia elétrica é barata), facilidade de transporte (baixo peso), simplicidade de
comando
e
construção,
versatilidade
de
adaptação
(cargas
com
diferentes
características) e melhores rendimentos comparativamente com outras tecnologias [16].
Existem diferentes topologias de motores elétricos, que podem ser classificadas
em dois grupos principais, os motores com escovas e os sem escovas. Resultante destes
grupos principais surgem novas subclasses de topologias para motores elétricos, como
mostra a Figura 2.1.
Desenvolvimento de uma Bicicleta Elétrica
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9
Capítulo 2 – Elementos Constituintes da Bicicleta Elétrica
Motor CC de
Excitação
Independente
Excitação de Ímanes
Permanentes
Excitação de Campo
Com Escovas
Série
Motor CC com
Auto-Excitação
Paralela
Motor Elétrico
Motor de Indução
Motor de
Relutância
Sem Escovas
Motor de Ímanes
Permanentes
Excitação de
Campo-Hibrida
Excitação de Ímanes
Permanentes
Figura 2.1 - Classificação dos motores elétricos [17].
Cada tipo de motor elétrico é de certa forma, otimizado para um tipo de aplicação
específica, devido às suas características intrínsecas. Um tipo de motor elétrico pode ser
utilizado em distintas aplicações, por isso a seleção do motor para uma aplicação
constitui um assunto complexo, que envolve a análise dos diversos parâmetros do
sistema. Os parâmetros mais comuns, a ter em conta na seleção de um motor são o tipo
de ligação do motor, a exploração económica do sistema de acionamento e o controlo
do motor de forma a satisfazer as necessidades físicas da carga.
Com o desenvolvimento da eletrónica de potência é possível alimentar os motores
elétricos através de conversores eletrónicos, ajustando também o controlo do motor de
forma a respeitar as características nominais deste, em função da carga que vai acionar.
Entre as diferentes topologias de motores elétricos apresentados anteriormente, os
motores CC, de Indução, de Excitação de Ímanes Permanentes e de Relutância são os
mais utilizados em bicicletas elétricas, visto serem os que apresentam um melhor
desempenho para este tipo de aplicação [18].
2.2.1. Motor de Corrente Continua
Os motores de corrente contínua já tiveram um grande destaque nos sistemas de
propulsão elétrica, não só pela sua capacidade de produzir elevado binário a baixas
velocidades, mas também por apresentarem uma curva binário/velocidade adequada às
10
Desenvolvimento de uma Bicicleta Elétrica
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Capítulo 2 – Elementos Constituintes da Bicicleta Elétrica
aplicações de tração. É uma tecnologia madura com um controlo simples, sendo que
para alterar a velocidade de funcionamento do motor, apenas é necessário controlar a
tensão aplicada ao motor. No entanto, estes são de construção volumosa, baixa
fiabilidade, baixa eficiência e necessitam de uma maior manutenção, principalmente
pela presença dos anéis comutadores e das escovas. Além disso, o facto de existir atrito
entre os anéis comutadores e as escovas, e o facto de possuírem enrolamentos no rotor,
limita a velocidade máxima com que estes motores podem operar. Os motores de
corrente contínua podem ter 1, 2 ou 3 pares de pólos, dependendo da sua potência, da
sua tensão e da configuração do enrolamento de campo.
Em função do tipo de excitação podem ser obtidos três tipos de motores CC: o
motor série, motor shunt e o motor de excitação separada. Os motores CC do tipo shunt,
têm melhor controlabilidade comparativamente com os motores CC série. O motor de
excitação separada é adequado para operar com um enfraquecimento de campo, devido
às características do binário e do controlo de fluxo. Por outro lado, têm uma potência
constante para uma ampla faixa de funcionamento.
Destes três tipos de motores, o mais utilizado em bicicletas elétricas é o motor de
ímanes permanentes, devido às vantagens anteriormente referidas. No mercado existem
motores de ímanes permanentes especificamente construídos para a utilização em
bicicletas elétricas, como mostra a Figura 2.2.
Figura 2.2 - Motor elétrico de corrente contínua para bicicletas elétricas [27].
2.2.2. Motor de Relutância Variável
Com o aumento no preço dos ímanes permanentes de terras raras, os motores de
relutância variável passaram a ter grande potencial para aplicações em bicicletas
elétricas, quer pela não utilização dos ímanes permanentes de terras raras, quer pelas
vantagens que estes motores apresentam [19].
Desenvolvimento de uma Bicicleta Elétrica
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11
Capítulo 2 – Elementos Constituintes da Bicicleta Elétrica
Entre estas vantagens estão uma construção simples e robusta, o baixo custo de
fabrico e a excelente relação entre binário e velocidade, o que permite um elevado
binário a baixas velocidades e uma ampla gama de velocidades. Apesar da simplicidade
na sua construção, a sua conceção e controlo são difíceis, além disto estes motores
geralmente apresentam ruido acústico e ripple no binário, e o seu controlo implica a
necessidade de sensores de posição.
Os motores de relutância variável (Figura 2.3), sendo constituídos por pólos
salientes, permitem ter três ou mais conjuntos de enrolamentos no estator, que quando
alimentados magnetizam-se e atraem os pólos do rotor, o qual é constituído por
materiais laminados de boa permeabilidade magnética, não existindo no rotor
enrolamentos, ímanes ou anéis comutadores com escovas.
Quando a distância entre os pólos do estator e do rotor é mínima, a relutância do
circuito magnético é baixa. À medida que o rotor gira a indutância do enrolamento que
está alimentado também varia e assim os pólos vão estar desalinhados, fazendo descer o
valor da indutância e aumentar a corrente. Por sua vez, quando os pólos estão alinhados,
uma vez que a indutância é grande a corrente diminui. Apesar deste princípio básico,
torna-se difícil controlar o motor de relutância variável devido às constantes alterações
no valor da indutância e da sua respetiva corrente.
Recentemente, foi desenvolvido um modo de controlo deslizante para a utilização
em veículos elétricos, de modo a lidar com as não-linearidades e minimizar a vibração
da máquina devido à região de operação estar na saturação [19][20].
Figura 2.3 - Motor de relutância variável passível de ser aplicado a bicicletas elétricas [21].
2.2.3. Motor de Indução
Entre os diversos tipos de motores elétricos existentes, o motor assíncrono
trifásico, mais conhecido por motor de indução, é uma máquina que se sobressai
relativamente às restantes. Isto ocorre pelo facto de ter uma construção robusta, um
princípio de funcionamento simples, não requerer manutenção periódica, suportar
12
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Capítulo 2 – Elementos Constituintes da Bicicleta Elétrica
facilmente sobrecargas, permitir inverter o sentido de marcha de forma simples, ter um
comportamento estável e fiável em ambientes severos, dado que não tem contatos
deslizantes na parte do rotor, e quando comparado com outros tipos de motores ser
menos volumoso e pesado para a mesma potência. O termo assíncrono, é utilizado
devido ao facto da velocidade de rotação do rotor não ser igual à velocidade de rotação
do campo girante criado pelo estator. O termo indução, é utilizado pelo facto do
movimento de rotação do rotor ser originado pelo resultado do aparecimento de forças
eletromotrizes induzidas no rotor [22].
Figura 2.4 - Motor de indução aplicado a veículos elétricos [23].
O princípio de funcionamento do motor de indução, é baseado na criação de um
campo magnético rotativo, resultante da aplicação de tensão alternada no estator, o que
cria um fenómeno designado por campo girante, que atravessa os condutores do rotor
induzindo forças eletromotrizes. Desta forma, é criado um campo magnético girante no
rotor, que tem que ficar em sincronismo com o campo girante do estator, produzindo
assim um movimento de rotação no rotor. De salientar, que a velocidade do rotor é
sempre ligeiramente inferior à velocidade de rotação do campo girante do estator, sendo
esta diferença de rotação entre a rotação do rotor e do campo girante do estator é
designada por deslizamento ou escorregamento [22].
2.2.4. Motores Síncronos de Ímanes Permanentes
O motor síncrono de ímanes permanentes, é um motor onde o campo magnético
do rotor e o próprio rotor giram em sincronismo com o campo magnético produzido
pelo estator, ou seja, todos rodam à mesma frequência. A estrutura do rotor do motor
síncrono de ímanes permanentes é relativamente diferente quando comparado com o
motor síncrono de rotor bobinado, uma vez que o campo magnético produzido pelo
rotor do motor síncrono de ímanes permanentes é criado por ímanes permanentes
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13
Capítulo 2 – Elementos Constituintes da Bicicleta Elétrica
distribuídos pelo rotor, enquanto, o campo magnético criado pelo rotor do motor
síncrono de rotor bobinado é obtido através da alimentação do rotor por excitação
separada.
A não utilização de escovas permite ao motor síncrono de ímanes permanentes ser
mais robusto face ao motor CC. Além disso, o motor síncrono de ímanes permanentes é
mais eficiente face ao motor de indução, uma vez que não existem perdas associadas à
existência de corrente no rotor. No entanto o custo inicial deste motor é relativamente
superior aos anteriormente referidos, devido essencialmente à utilização de ímanes
permanentes de terras raras [24]. Além disso, a utilização deste tipo de motor em
ambientes críticos, como a altas temperaturas, pode questionar-se a sua fiabilidade na
medida em que os ímanes permanentes podem perder as suas propriedades físicas.
Porém, este tipo de motor tem vindo cada vez mais a ser largamente utilizado na
indústria devido às suas características tais como, alta eficiência, ótima relação entre
potência/volume, alto binário e controlo de velocidade fácil e preciso [24].
Os motores síncronos de ímanes permanentes são classificados em dois grupos
distintos, sendo essa distinção referente à disposição dos ímanes permanentes no rotor.
Assim, se os ímanes permanentes estiverem colocados na periferia do rotor são
denominados por PMSM (Permanent Mount Surface Magnet), permitindo uma maior
densidade de fluxo, mas por sua vez tem menor robustez e menor integridade estrutural.
No caso de os ímanes permanentes estarem colocados no interior do rotor, são
denominados por IPM (Interior Permanent Magnet), esta configuração confere maior
robustez ao motor e por isso, é apropriada para aplicações com velocidades elevadas
todavia, a conceção desta configuração é relativamente mais complexa, aumentando
assim o custo final do motor.
A subclasse PMSM também é ela classificada quanto ao modo de colocação dos
enrolamentos no estator, que por conseguinte, está diretamente relacionada com as
forças contraelectromotrizes geradas. Deste modo, se o motor PMSM tiver os
enrolamentos concentrados a forma de onda gerada da força contraelectromotriz é
trapezoidal, por outro lado se os enrolamentos forem distribuídos, a forma de onda da
força contraelectromotriz é sinusoidal. Os motores de enrolamentos concentrados são
denominados por BLDC (Brushless Direct Current) (Figura 2.5) enquanto que, os
motores de ímanes permanentes de enrolamentos distribuídos são denominados por
PMAC (Permanent Magnet Alternating Current) ou BLAC (Brushless Alternating
Current). Nestes motores, dependendo da aplicação, os ímanes permanentes podem ser
construídos com material magnético forte, nomeadamente samário de cobalto e
14
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neodímio de ferro e boro, obtendo assim um alto desempenho dinâmico, robustez, alta
eficiência e alto binário, ideais para aplicações de desempenho elevado, contudo, são
relativamente caros. Os mesmos motores podem igualmente ser fabricados com
materiais mais acessíveis, como por exemplo a ferrite, diminuindo deste modo o preço
de fabrico, contribuindo para a sua utilização em aplicações de baixo custo. Na
Tabela 2.1 é apresentado um comparativo entre os motores BLDC e BLAC.
Tabela 2.1 - Comparativo entre os motores BLDC e BLAC.
BLDC
Máquina síncrona
Força contraelectromotriz trapezoidal
A posição do fluxo do estator é comutada a cada
60 graus
Apenas duas fases podem estar ativas ao mesmo
tempo
Ripple de binário nas comutações
Harmónicos de baixa frequência na gama audível
Menos perdas nas comutações do inversor
Algoritmo de controlo simples
BLAC
Máquina síncrona
Força contraelectromotriz sinusoidal
Variação constante da posição do fluxo do estator
Possibilidade de ligar as três fases ao mesmo
tempo
Ausência do ripple de binário nas comutações
Menor conteúdo harmónico devido à excitação
sinusoidal
Perdas superiores nas comutações no inversor
Algoritmo de controlo complexo
O IPM é um motor desenvolvido com todas as características do PMSM, mas
adicionalmente permite a operação com enfraquecimento de campo, permitindo ter uma
maior gama de velocidades e um elevado binário quando comparado com o BLDC e
BLAC [25].
Figura 2.5 - Motor BLDC trifásico aplicado a bicicletas elétricas [26].
2.2.5. Comparativo de Motores Elétricos Aplicados a Bicicletas Elétricas
Neste subcapítulo, é apresentado um comparativo entre os principais motores
elétricos aplicados em bicicletas elétricas. Este comparativo, permite associar
facilmente quer as vantagens quer as desvantagens relativas a cada motor, bem como as
suas características. Na Tabela 2.2 é apresentado um comparativo entre o motor BLDC
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15
Capítulo 2 – Elementos Constituintes da Bicicleta Elétrica
e o motor CC, que destaca o comportamento de cada motor para determinadas
características.
Tabela 2.2 - Comparativo entre o motor BLDC e o motor CC.
Características
Comutações
Manutenção
Durabilidade
Velocidade/Binário
Motor BLDC
Motor CC
Comutações eletrónicas baseadas nos
sensores de Hall
Baixa manutenção devido à ausência das
escovas
Alta
Permite a operação linear em todas as
velocidades com carga nominal
Potência de
Saída/Tamanho do
Motor
Alta, pois não tem queda de tensão nas
escovas
Alta. Redução do tamanho devido às
características térmicas, pois como estes
motores tem os enrolamentos no estator a
dissipação é superior
Inércia do Rotor
Baixa, pois tem ímanes permanentes no
rotor, o que melhora a resposta dinâmica
Eficiência
Gama de Velocidade
Ruído Elétrico
Custo de Fabrico
Controlo
Requisitos do Controlo
Alta pois não contém limitações mecânicas
impostas pelas escovas
Baixo
Alto devido à existência dos ímanes
permanentes de terras raras
Complexo
O controlo é indispensável para o
funcionamento do motor
Comutação das escovas
Manutenção periódica
Baixa
Em velocidades altas o atrito
das escovas prejudica o
binário
Moderada
Moderada / Baixa
O calor produzido pela
armadura é dissipado no entre
ferro, aumentando a
temperatura
Alta inercia do rotor, o que
limita a característica
dinâmica
Baixa pois contém limitações
mecânicas das escovas
Alto devido à geração do arco
elétrico nas escovas
Baixo
Simples
O controlo só é necessário
para variar a velocidade
A Tabela 2.3 mostra o comparativo entre o motor BLDC e o motor de Indução,
que destaca o comportamento de cada motor para determinadas características.
Tabela 2.3 - Comparativo entre o motor BLDC e o Motor de Indução.
Características
Velocidade/Binário
Potência de
Saída/Tamanho
Inércia do Rotor
Corrente Inicial
Requisitos do
Controlo
Escorregamento
16
Motor BLDC
Motor de Indução
Linear, permitindo a operação em
todas as velocidades com carga
nominal
Alta devido à utilização de ímanes
permanentes
Baixa pois apresenta melhores
características dinâmicas
Não necessita de nenhum circuito
de controlo de corrente no arranque
O controlo é indispensável para o
funcionamento do motor, sendo que
o mesmo controlador pode ser
usado para variar a velocidade
Não existe escorregamento entre o
rotor e o estator
Baixo binário quando funciona a baixas
velocidades
Moderado devido à existência de
enrolamentos quer no estator quer no rotor
Alta pois apresenta poucas características
dinâmicas
Necessita de um circuito de controlo de
corrente no arranque.
O controlo só é necessário para variar a
velocidade
O rotor gira a uma frequência inferior do
que a do estator, existindo assim
escorregamento
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2.3.
Controladores de Motores Aplicados a Bicicletas Elétricas
Os controladores de motores aplicados a bicicletas elétricas, são dispositivos que
controlam o funcionamento do motor em função de determinadas variáveis. Essas
variáveis, dependem fundamentalmente da topologia do motor e/ou de imposições
legais, como o caso da velocidade máxima. Em função da topologia do motor, os
controladores podem ser desde um simples botão de ligar/desligar ou tão complexos que
controlam todos os parâmetros do motor de forma autónoma. Comercialmente existem
diversos controladores para bicicletas elétricas de seguida, são apresentados e
analisados alguns desses controladores.
A Figura 2.6 mostra um controlador de velocidade para motores BLDC com
potência máxima de 300 W comercializado pelo fabricante ElectroCraf. Este
controlador pode ser alimentado com uma gama entre 11 V e 50 V, 6 A e uma
frequência máxima de 50 kHz. Permite um controlo ajustável através de modos de
operação para as acelerações e para o binário, sendo estes modos selecionados por
pequenos botões. Este permite também salvaguardar o motor BLDC contra a inversão
de marcha, sobrecorrente e sobretemperaturas. O controlador é embebido numa caixa de
alumínio robusta, leve e pequena, tendo conexões para os três sinais provenientes dos
sensores de Hall, para o travão, para os botões de seleção do modo de operação, para o
botão de ligar/desligar e alimentação trifásica para o motor [27].
Figura 2.6 - Controlador de velocidade/binário para motores BLDC do fabricante ElectroCraf [27].
Na Figura 2.7, é apresentado um controlador desenvolvido para motores BLDC
cujo valor de tensão seja inferior a 50 V, do fabricante Anaheim Automation. O controlo
de corrente deste controlador pode ser ajustado através de um potenciómetro colocado
na parte superior do controlador, permitindo também a leitura dos sensores de Hall e o
controlo de velocidade em malha fechada, bem como detetar o sentido de rotação do
motor. O controlador é protegido contra sobrecorrentes, erros de leitura dos sensores de
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17
Capítulo 2 – Elementos Constituintes da Bicicleta Elétrica
Hall e subtensões, sendo que quando detetada uma destas anomalias é ligada uma luz
vermelha para notificar o utilizador [28].
Figura 2.7 - Controlador de velocidade para motores BLDC do fabricante Anaheim Automation [28].
A Figura 2.8 mostra um controlador para motores CC com potência nominal de
250 W. Este controlador de dois quadrantes foi desenvolvido para motores cuja tensão
de alimentação seja entre 20 V e 50 V, com um consumo máximo de corrente de 5 A.
Compatível com sinais de entrada TTL-CMOS, permite limitar a corrente fornecida ao
motor, o sentido de rotação do motor, controlar a velocidade do motor através do PWM
(Pulse Width Modulation) em malha aberta. Dispõe ainda de proteções contra
sobrecorrentes e sobretensões, que quando detetadas ligam um LED de modo a notificar
o utilizador [29].
Figura 2.8 - Controlador para motores CC [29].
2.4.
Sensores de Posição
Para saber a posição instantânea do rotor do motor elétrico são necessários
transdutores, de modo a realizarem a medição de grandezas físicas em grandezas
elétricas. Estes transdutores podem ser de quatro tipos, designadamente o sensor ótico, o
sensor de efeito Hall, o potenciómetro e o LVDT (Linear Variable Differential
Transformer). Em seguida são apenas apresentados o sensor ótico e o sensor de efeito
Hall, visto que são os que mais se aplicam em bicicletas elétricas.
18
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2.4.1. Sensores de Hall
O efeito Hall foi descoberto em 1879 por Edwin H. Hall, que submeteu um
condutor elétrico a um campo magnético perpendicular à direção da corrente elétrica,
como mostra a Figura 2.4. Hall, após isso, verificou que surgia uma diferença de
potencial elétrico nas laterais do condutor na presença desse campo magnético. Este
efeito ocorre devido ao facto das cargas elétricas tenderem a desviar-se da sua trajetória
original por causa da força de Lorentz, criando assim um acumulado de portadores de
carga nas superfícies laterias do condutor, o que se traduz numa diferença de potencial
elétrico [30].
Figura 2.9 - Princípio de funcionamento do efeito Hall [31].
A tensão de Hall é dada pele seguinte equação:
VH 
I B
ned
(2.1)
onde, n é a densidade da mobilidade das cargas, e é a carga do eletrão e d é a
espessura do condutor.
Com a descoberta do efeito Hall foram desenvolvidos sensores para os mais
diversos contextos, um dos quais, a utilização em motores BLDC. Para este tipo de
motores de força contraelectromotriz trapezoidal é suficiente obter informação da
posição do rotor a cada intervalo de 60 graus elétricos. Esta informação da posição do
rotor é posteriormente usada pelo controlador, de forma a executar as comutações do
inversor. Nos motores trifásicos é utilizado um sensor de efeito Hall para cada fase
(Figura 2.10), estando estes desfasados de 120 graus entre si, para determinar a posição
do campo magnético do rotor. Isto porque sempre que os pólos magnéticos passam
perto do sensor de efeito Hall é gerado um sinal analógico alto ou baixo indicando a
passagem do pólo N (norte) ou do pólo S (sul) pelo sensor. Normalmente o pólo N
corresponde ao sinal lógico alto e o pólo S ao sinal lógico baixo.
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19
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Figura 2.10 - Distribuição dos sensores de efeito Hall num motor elétrico para bicicletas de propulsão
elétrica [32].
Na Figura 2.11 é apresentado um esboço de um motor de dois pólos durante os
seis estados para uma volta completa do rotor, de modo a que seja mais percetível o
funcionamento dos sensores de efeito Hall em função dos ímanes permanentes no rotor
do motor. A resultante dos sensores de efeito Hall para cada estado do rotor pode ser
consultada na Tabela 2.4.
Figura 2.11 - Estado dos sensores de efeito Hall em função da disposição dos ímanes permanentes [20].
20
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Capítulo 2 – Elementos Constituintes da Bicicleta Elétrica
Tabela 2.4 - Resultante dos sensores de efeito Hall para cada estado do rotor.
Estado
1
2
3
4
5
6
Hall A
0
0
1
1
1
0
Hall B
1
0
0
0
1
1
Hall C
1
1
1
0
0
0
Fase Y
0
+VCC
+VCC
0
-VCC
-VCC
Fase Z
+VCC
0
-VCC
-VCC
0
+VCC
Fase W
-VCC
-VCC
0
VCC
+VCC
0
2.4.2. Sensor Ótico
O princípio de funcionamento do sensor ótico baseia-se na transmissão de um
feixe de luz infravermelha por parte do emissor que é posteriormente recebido por um
recetor. Esse feixe de luz infravermelha, invisível ao olho humano, quando
interrompido, deixa de ser detetado pelo recetor.
O sensor ótico, quando utilizado como sensor de posição, consiste num disco com
setores transparentes e opacos, montado num eixo de rotação, onde de um lado do disco
é emitido um feixe de luz infravermelha proveniente de um LED (Light-Emitting
Diode) infravermelho, e do outro lado esse feixe é recebido por um fototransístor, como
mostra a Figura 2.12. Os sensores óticos são largamente utilizados em inúmeras
aplicações, devido à sua simplicidade de construção, alta resolução com interface
digital, alta repetibilidade, por terem uma vida útil praticamente infinita pelo facto de
não conterem qualquer tipo de contatos mecânicos. Porém, é um sensor frágil e
normalmente necessita de circuitos de interface [33].
Figura 2.12 - Sensor ótico e seu esquema elétrico [33].
Os sensores óticos de posição podem ser divididos em dois tipos, o sensor ótico
incremental e o sensor ótico absoluto. A diferença entre estes sensores reside no modo
de leitura que será explicado mais abaixo.
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21
Capítulo 2 – Elementos Constituintes da Bicicleta Elétrica
Sensor Ótico Incremental
O sensor ótico incremental é utilizado para efetuar a realimentação da posição. O
seu princípio de funcionamento é relativamente simples como mostra a Figura 2.13,
deste modo, um emissor emite um feixe de luz tipicamente infravermelha sobre um
disco com ranhuras distribuídas de forma regular que acompanha o eixo móvel,
intercetando intermitentemente o feixe de luz. Do outro lado do disco está o recetor que
deteta a sucessão de ranhuras e não ranhuras do disco que acompanha a rotação do eixo
móvel, fornecendo um pulso digital por cada ranhura. Deste modo sabendo os pulsos e
conhecendo o ponto de referência, obtém-se por cálculo a posição absoluta do
disco [34].
Figura 2.13 - Sensor ótico incremental [35].
Este sensor apresenta como características alta precisão, alta fiabilidade e fácil
implementação, contudo na prática o sensor ótico incremental pode apresentar alguns
problemas, nomeadamente a calibração do sensor após o corte momentâneo da energia
elétrica, risco de perda da posição em velocidades muito elevadas, pois a contagem das
ranhuras do disco podem ser perdidas. Por fim, necessita de constante manutenção
quando utilizado em ambientes poluídos, na medida que a sujidade pode interromper o
feixe luminoso, levando a leituras incorretas.
Para determinadas aplicações é normal que os sensores óticos incrementais
disponham de dois canais de saída, os quais se encontram desfasados de 90 graus entre
si, permitindo deste modo ter na saída não só a posição mas também o sentido de
rotação. Este tipo de sensor pode ainda ser denominado de sensor em quadratura. Como
se pode observar na Figura 2.14, se a saída A aparecer primeiro que a sinal B o motor
encontra-se a rodar no sentido direto, caso seja a sinal B apareça primeiro que a saída A,
o motor está a rodar no sentido inverso [36].
22
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Capítulo 2 – Elementos Constituintes da Bicicleta Elétrica
Figura 2.14 - Sinal de saída do sensor ótico incremental.
Sensor Ótico Absoluto
O funcionamento do sensor ótico absoluto é muito similar ao do sensor ótico
incremental, como mostra a Figura 2.15. Todavia o sensor ótico absoluto usa uma
escala de leitura diferente, onde a posição absoluta é determinada diretamente, ou seja o
sensor ótico absoluto não necessita de uma referência. Tipicamente a saída destes
sensores é digital, sendo a resolução definida pelo número de bits que corresponde ao
número de sensores, isto é, se para cada posição angular houver um número N de
sensores e uma codificação binária destes mesmos sensores, permite definir 2N ângulos
distintos. Deste modo um disco é dividido em 2N sectores com N emissores a serem
detetados por N recetores alinhados radialmente. O código binário utilizado
normalmente é o código de Gray, para o qual dois números sucessivos só diferem de
um dígito, isto diminui a sensibilidade do sensor a um eventual mau alinhamento entre
os emissores e os recetores [37].
Figura 2.15 - Sensor ótico absoluto [35].
2.5.
Baterias
As baterias são dispositivos que armazenam energia elétrica através das reações
eletroquímicas que se processam no seu interior. De forma simplista, as baterias podem
ser vistas como dispositivos que armazenam energia por um tempo teoricamente
ilimitado, e fornecem essa mesma energia quando necessário. Assim, considera-se que
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23
Capítulo 2 – Elementos Constituintes da Bicicleta Elétrica
as baterias apenas trocam energia entre sistemas, ou seja, recebem energia elétrica,
armazenam-na sob a forma química, e posteriormente devolvem essa mesma energia
novamente como energia elétrica. No entanto, durante o processo de transformação das
várias formas de energia existem sempre perdas inerentes, principalmente sob a forma
de calor [38].
Dependendo da finalidade a que se destinam as baterias, estas são classificadas
como primárias ou secundárias, sendo que o primeiro conceito diz respeito ao tipo de
baterias fabricadas com o intuito de fornecer energia elétrica uma única vez. Por outro
lado, as baterias secundárias são aquelas que podem ser recarregadas um número finito
de vezes. Do ponto de vista ambiental, as baterias secundárias são preferíveis em
relação às baterias primárias, porque podem ser reutilizadas, todavia, ambas podem ser
recicladas em locais próprios, evitando assim a poluição do meio ambiente com os
elementos químicos que as constituem. Assim, a recolha e posterior reciclagem das
baterias é de extrema importância, visto que, as baterias são o elemento mais utilizado
para o armazenamento de energia elétrica.
Como anteriormente mencionado, a vida útil das baterias é finita, e não depende
apenas do processo de construção, embora seja um dos pressupostos mais importantes
para a longa durabilidade das baterias. O correto procedimento de carregamento e
descarregamento das mesmas, é outra característica que influencia a sua durabilidade
sendo que, cada tipo de baterias tem as suas próprias especificações em termos de
procedimento de carregamento e descarregamento. Respeitando estes pressupostos
consegue-se atingir a fiabilidade e durabilidade máxima para a qual a bateria foi
concebida.
No que concerne à distinção entre baterias, são distinguíveis pelos elementos
químicos que as constituem, e pelo objetivo final a que se propõem. Um exemplo típico
que evidencia a diferença do tipo de aplicação e mantendo a mesma tecnologia, é o caso
das baterias de chumbo, que podem ser utilizadas para alimentação do motor de
arranque dos automóveis, fornecendo uma corrente elevada por um período de tempo
curto, por outro lado, podem ser utilizadas em UPSs, de forma a fornecer corrente
praticamente constante durante um período de tempo relativamente longo.
No que diz respeito às características elétricas mais relevantes das baterias temos
a capacidade de armazenamento de energia, que por norma é definida através da
corrente que a mesma pode fornecer durante um período de tempo (Ah) e pela tensão
que a mesma dispõe aos seus terminais (V). No entanto, a par destas, a temperatura a
que a bateria está sujeita durante o carregamento e o descarregamento também é uma
24
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Capítulo 2 – Elementos Constituintes da Bicicleta Elétrica
caraterística muito relevante, no sentido de influenciar razoavelmente o rendimento e a
vida útil das baterias. É ainda por esta característica que é difícil fazer estimativas
exatas quanto ao rendimento das baterias. Por exemplo, teoricamente, uma bateria de
12 V com 7 Ah é capaz de alimentar um sistema de 12 V com uma corrente de 7 A
durante uma hora, ou com uma corrente de 3,5 A durante duas horas. Porém, o
rendimento para ambas as situações não é igual, devido às perdas mencionadas
anteriormente.
2.5.1. Baterias de Chumbo
As baterias de chumbo (Pb) são a principal opção para as mais diversas
aplicações, onde é primordial o custo e a robustez. Entre outras aplicações, estas
baterias são utilizadas em pequenas aplicações tais como, UPSs, no sistema de arranque
e de luzes dos automóveis, em sistemas de iluminação de emergência, mas também são
muito utilizadas na mobilidade elétrica, nomeadamente em veículos elétricos como
fonte de energia alternativa aos veículos de combustão interna, nomeadamente,
motociclos, barcos de pequeno porte, e mais recentemente em bicicletas elétricas, como
mostra a Figura 2.16.
Figura 2.16 - Bicicleta elétrica com baterias de chumbo [39].
Nas baterias de chumbo existem três tipos de tecnologias distintas,
designadamente as líquidas, as AGM (Absorbed Glass Mat) e as de gel. Nas baterias
líquidas o eletrólito move-se livremente nos compartimentos das células, permitindo ao
utilizador o acesso para efetuar medições e adição de água destilada. Existem também
baterias com eletrólito líquido construídas para uma manutenção mais reduzida, não
permitindo o acesso ao eletrólito, sendo designadas por baterias SLA (Sealed Lead
Acid). As baterias de AGM baseiam-se na tecnologia VRLA (Valve Regulated Lead
Acid), são as mais recentes no que concerne a baterias de chumbo, e utilizam fibra de
vidro a envolver o eletrólito, contribuindo assim para uma melhor resistência a
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25
Capítulo 2 – Elementos Constituintes da Bicicleta Elétrica
impactos. Nas baterias de gel o eletrólito é envolvido por gel, aumentando o rendimento
da bateria e não deixando estratificar o eletrólito, baseando-se também na tecnologia
VRLA, e como são seladas, possuem um mecanismo de válvula para o escape dos
gases [40][38]. Estas contêm um aditivo de sílica para envolver o eletrólito, formando
micro fendas no gel que permitem as reações e recombinações entre a placa positiva e a
placa negativa. Tipicamente, as baterias de gel são mais pequenas e requerem menos
manutenção, comparativamente com as outras tecnologias de baterias de chumbo [40].
Quanto às tecnologias de construção, as baterias de chumbo são projetadas para
terem taxas de descarregamento relativamente altas, mas essas taxas podem afetar a
vida útil das mesmas. Por exemplo, as baterias de arranque dos automóveis fornecem
uma corrente elevada num curto intervalo de tempo e não devem ser muito
descarregadas. Por outro lado, as baterias de uma UPS, normalmente, estão projetadas
para fornecer pouca corrente durante longos períodos de tempo e, geralmente permitem
descarregamentos mais profundos. Apesar das baterias de chumbo comuns serem
limitadas quanto à profundidade de descarregamento, existem as denominadas DeepCycle, que permitem descarregamentos mais profundos que as tradicionais. Os
processos químicos utilizados nestas baterias são os mesmos que os utilizados nas
baterias de chumbo comuns, diferindo unicamente na otimização da utilização, ou seja,
as baterias Deep-Cycle são projetadas para fornecer constante de corrente por um longo
período de tempo longo, podendo ter ciclos de descarregamento profundos, sem o risco
de ficarem danificadas [41][40].
Para preservar ao máximo as características das baterias de chumbo o controlo do
processo de carregamento e descarregamento é muito importante. Para tal, dependendo
das características da bateria, existem diversos métodos de carregamento das mesmas,
existindo inclusivamente, a tecnologia de baterias que permite ser carregada com os
mais diversos métodos, uma vez que devido às suas características intrínsecas, podem
suportar diversos estágios de tensão e/ou corrente constante, sem o risco das mesmas
ficarem instáveis, contudo os limites da bateria têm que ser respeitados [33]. Não
obstante, existem métodos de carregamento bastante populares que permitem carregar
de forma eficaz estas baterias, como por exemplo, fornecer num primeiro estágio
corrente constante seguindo um segundo estágio de tensão constante.
2.5.2. Baterias de Lítio
As baterias de lítio (Li) (Figura 2.17) são o tipo de baterias mais utilizadas em
bicicletas elétricas, pois apresentam maior densidade de energia/volume, são mais leves
26
Desenvolvimento de uma Bicicleta Elétrica
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e possibilitam longas ciclos de vida quando corretamente utilizadas. Contrariamente às
baterias à base de níquel, as baterias lítio não necessitam de serem descarregadas
totalmente antes de voltarem a ser carregadas, pois não apresentam “efeito de
memória”. Tipicamente, o processo de descarregamento das baterias de lítio não deve
ser excessivamente rápido para não provocar um sobreaquecimento indevido, ruturas ou
mesmo explosões. No entanto, algumas das baterias de lítio, já dispõem de proteções
incorporadas contra estes efeitos. Quando armazenadas devem estar parcialmente
carregadas, tipicamente, os fabricantes recomendam 40% da capacidade de
armazenamento total.
Quanto à construção, estas dispõem da mais recente tecnologia, sendo esta
bastante diferente das outras tecnologias de baterias. O lítio (Li) sendo o mais leve de
todos os elementos químicos utilizados em baterias, tem o maior potencial
eletroquímico e apresenta a melhor relação energia/peso, contudo apresentam um custo
de aquisição relativamente alto.
Figura 2.17 - Bateria de Lítio aplicada a bicicletas elétricas [10].
O processo químico intrínseco a estas baterias consiste na passagem de iões de
lítio de um elétrodo para o outro através de um eletrólito. Esta tecnologia tem sido alvo
de grande investigação tecnológica com o intuito de aumentar a sua capacidade de
armazenamento, bem como a rapidez do carregamento. Neste sentido, investigadores do
MIT (Massachusetts Institute of Technology) construíram um protótipo de bateria onde
o tempo de carregamento máximo ronda os 20 minutos.
Assente na tecnologia de lítio e procurando obter o melhor desempenho, têm
surgido novas topologias, tais como Lítio-polímero (LiPol), Lítio-fosfato-ferro
(LiFePO), Lítio-magnésio-oxigénio (LiMnO2) e Lítio-titânio (LiTi).
Relativamente à vida útil das baterias de lítio é bastante influenciada pelos
processos de carregamento e descarregamento, devendo ser inteiramente respeitadas as
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27
Capítulo 2 – Elementos Constituintes da Bicicleta Elétrica
características especificadas pelos fabricantes, nomeadamente os níveis de tensão, de
corrente e de temperatura.
O processo de carregamento das baterias de lítio consiste num estágio de corrente
constante, seguido de um estágio de tensão constante. Como apresentado anteriormente,
este algoritmo de carregamento também pode ser aplicado a baterias à base de chumbo,
todavia, estas baterias requerem cuidados muito mais específicos, principalmente,
porque existem várias tecnologias de baterias associadas ao lítio, e cada uma apresenta
valores nominais específicos, e caso não sejam inteiramente respeitados, a bateria pode
ficar instável e ocorrerem danos irreversíveis.
Quando estas baterias estão associadas em série e/ou paralelo, o carregamento
deve ser acompanhado por BMS (Battery Management System), ou seja um dispositivo
interno ou externo que assegure níveis de tensão e correntes semelhantes em todas as
baterias, caso contrário, podem ocorrer desequilíbrios entre as células [13][11].
2.5.3. Baterias de Níquel-Cádmio
As baterias de níquel-cádmio (Ni-Cd) (Figura 2.18), a par das baterias de lítio, são
largamente utilizadas nos mais diversos dispositivos, no entanto, devido à grande
expansão das baterias de lítio nos últimos tempos, as baterias de níquel-cádmio vão
perdendo competitividade. Neste tipo de tecnologia as baterias devem ser descarregadas
por completo, para evitar o efeito memória, ou seja, quando uma bateria não é
descarregada totalmente, a bateria guarda a tensão que tem aos seus terminais como
sendo a tensão mínima, logo quando voltar a ser descarregada a bateria em vez de ter a
tensão mínima nominal vai ter uma tensão mínima que corresponde ao valor de tensão
guardado.
Fisicamente, estas baterias apresentam longa durabilidade, fruto dos materiais
resistentes usados na construção das placas. O mesmo não acontece, por exemplo, com
as baterias de chumbo, onde o chumbo que constitui as placas é corroído pelas reações
químicas que ocorrem na bateria. Por esta razão, as baterias de níquel-cadmio podem
atingir um elevado número de anos de uso mantendo as mesmas características físicas.
O pólo positivo e o negativo da bateria encontram-se no mesmo compartimento, onde o
pólo positivo se encontra coberto de hidróxido de níquel, e o negativo coberto de
material sensível ao cádmio. Estes, estando imersos numa substância eletrolítica
(geralmente uma solução de hidróxido de potássio), permitem a condução dos iões.
28
Desenvolvimento de uma Bicicleta Elétrica
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Capítulo 2 – Elementos Constituintes da Bicicleta Elétrica
A vida útil destas baterias é relativamente longa em aplicações estacionárias e
normalmente são também resistentes a carregamentos e descarregamentos rápidos,
desde que os métodos destes sejam os especificados pelos fabricantes.
Relativamente ao método de carregamento, estas baterias permitem correntes de
carregamento elevadas. Tipicamente, quando a taxa de carregamento da bateria é de 1 C
a eficiência de carregamento é de 91%, e quando é de 0,1 C a eficiência é de 71%,
comprovando que se obtêm melhores resultados com taxas de carregamento mais
elevadas. Obviamente, para além de maior eficiência, o tempo do carregamento também
é mais reduzido. Durante o processo, nos primeiros 70% do carregamento, a eficiência
ronda perto dos 100%, ou seja, quase toda a energia fornecida é absorvida pela bateria,
logo esta permanece fria devido à ausência de perdas por efeito de Joule. Nos restantes
30% a bateria perde gradualmente a capacidade de armazenar energia, diminuindo ainda
mais quando a bateria se encontra entre os 80 a 90% da carga completa [42].
Ao contrário das restantes tecnologias, estas baterias de níquel-cádmio baterias
são carregadas com um único estágio de corrente constante, durante este estágio de
corrente constante a tensão aumenta progressivamente até um ponto em que começa a
estabilizar e ao fim de um certo tempo, diminui um pouco, produzindo uma variação
negativa da tensão, dando por terminado o carregamento. Esta situação, conhecida como
Negative Delta Voltage, traduz-se no método de deteção de fim de carregamento destas
baterias. Por exemplo, se a uma bateria com carregamento completo lhe for imposto
novo carregamento, o efeito Negative Delta Voltage é bastante acentuado, ou seja, o
término do carregamento é praticamente instantâneo. Para se obter uma variação de
tensão negativa significativa, a taxa de carregamento deve ser de pelo menos 0,5 C, caso
contrário, torna-se mais difícil de detetar [43].
Figura 2.18 - Bateria de níquel-cádmio [41].
2.5.4. Baterias de Níquel Hidreto-Metálico
As baterias de níquel-hidreto-metálico (Ni-MH) (Figura 2.19) são a mais recente
tecnologia de baterias à base níquel e apresentam-se como uma nova alternativa para
aplicações portáteis. Essencialmente, estas baterias visam substituir as baterias de
níquel-cádmio (Ni-Cd) e fazer concorrência às baterias de lítio, sendo que neste sentido,
grandes investimentos têm sido feitos para apoiar a expansão desta tecnologia [44].
Desenvolvimento de uma Bicicleta Elétrica
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29
Capítulo 2 – Elementos Constituintes da Bicicleta Elétrica
Como estas baterias assentam na tecnologia de níquel, também são afetadas pelo efeito
memória, no entanto, este não é tão intenso, ou seja, quando carregadas e descarregadas
corretamente esse efeito pode ser desprezado [42].
Do ponto de vista químico e elétrico as suas características são muito semelhantes
às baterias de Ni-Cd, sendo que a principal diferença consiste no uso de hidretometálico como material ativo no elétrodo negativo, ao invés do cádmio utilizado nas
baterias de Ni-Cd. O elétrodo de hidreto-metálico apresenta maior densidade de energia
que o elétrodo de cádmio. Normalmente, as baterias de Ni-MH possuem maior
capacidade de armazenamento que as de Ni-Cd [42].
Porém as baterias de Ni-MH têm um ciclo de vida menor que as baterias de NiCd, mas em contrapartida, normalmente, permitem descarregamentos mais profundos,
são também resistentes a elevadas taxas de carregamento e descarregamento, desde que
os métodos destes sejam os especificados pelo fabricante [44].
O processo de carregamento destas baterias é semelhante às de Ni-Cd, podendo
em muitos casos partilharem o mesmo carregador. Contudo, o método Negative Delta
Voltage para detetar o fim do carregamento tem que ser mais preciso porque a queda de
tensão produzida neste tipo de baterias é mais pequena [43].
Figura 2.19 - Bateria de níquel hidreto-metálico.
2.6.
Conclusões
Neste capítulo foram descritas e analisadas diversas topologias de motores
elétricos passiveis de serem aplicados a bicicletas elétricas, sendo apresentados
comparativos entre os motores BLDC e BLAC, BLDC e CC, e BLDC e Indução.
Seguidamente foram apresentados três tipos de controladores para motores
elétricos aplicados a bicicletas elétricas.
Foram ainda apresentados e analisados os diversos sensores de posição, bem
como, os sensores mais utilizados para detetar a posição do rotor do motor elétrico e
para detetar o movimento da pedaleira da bicicleta elétrica.
Por fim, foram apresentadas e analisadas quatro topologias de baterias que
apresentam um melhor comportamento em bicicletas elétricas designadamente, as
baterias de chumbo, as baterias de lítio, as baterias de níquel-cadmio e as baterias de
níquel hidreto-metálico.
30
Desenvolvimento de uma Bicicleta Elétrica
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CAPÍTULO 3
Topologias e Técnicas de Comutação de Motores
BLDC e de Sistemas de Carregamento de Baterias
3.1.
Introdução
Atualmente existem, quer no mercado, quer em fase de investigação, diversos
tipos de bicicletas elétricas. As diferenças entre cada implementação residem
fundamentalmente nas topologias de motores e de baterias. Dependendo das topologias
adotadas é determinado o tipo de modulação de onda e o sistema de controlo.
Neste capítulo são apresentados em concreto os elementos constituintes para o
desenvolvimento da bicicleta elétrica proposta nesta dissertação. É inicialmente
apresentado e analisado o princípio de funcionamento e modelo matemático do motor
BLDC, sendo de seguida obtidos os parâmetros reais do motor BLDC utilizado na
bicicleta elétrica.
Posteriormente é apresentada uma breve introdução sobre os inversores de
potência, destacando os inversores fonte de tensão. De seguida são analisadas as
técnicas de modulação para inversores fonte de tensão trifásicos. Por fim é analisado o
sistema de carregamento das baterias de lítio polímero, sendo abordadas: a análise da
bateria utilizada na bicicleta elétrica, o estado de carga da mesma, os algoritmos de
controlo aplicados a baterias de lítio polímero, bem como o tipo de conversor utilizado
para efetuar o carregamento.
3.2.
Motor BLDC
Os motores BLDC (Brushless DC) são motores síncronos, ou seja, o campo
magnético gerado pelo estator e o campo magnético gerado pelo rotor rodam à mesma
frequência. A energia elétrica é convertida em energia mecânica pela ação das forças
magnéticas entre os ímanes permanentes presentes no rotor e o campo magnético
rotativo induzido no estator por pólos bobinados [45].
O estator de um motor BLDC consiste em lâminas de aço empilhadas umas sobre
as outras, com os enrolamentos colocados nas ranhuras que são cortadas axialmente ao
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31
Capítulo 3 – Topologias e Técnicas de Comutação de Motores BLDC e Sistemas de Carregamento de Baterias
longo da periferia interna. Tradicionalmente, este assemelha-se a um motor de indução,
contudo, os enrolamentos são distribuídos de modo diferente. Os três enrolamentos do
motor BLDC são normalmente dispostos em estrela, sendo que cada enrolamento é
distribuído pela periferia do estator, formando um número par de pólos. A interconexão
dos enrolamentos do estator é feita de forma concentrada, o que origina uma força
contraelectromotriz trapezoidal [24].
Quanto ao rotor, é feito de ímanes permanentes, podendo variar de dois a oito
pares de pólos. Este pode ser construído com material magnético forte, nomeadamente
samário de cobalto e neodímio de ferro e boro, apresentando assim um alto desempenho
dinâmico, alta robustez, alta eficiência e alto binário, sendo ideais para aplicações de
elevado desempenho, contudo são relativamente caros. No entanto, os motores BLDC
podem ser fabricados com materiais mais baratos, como é o caso da ferrite, diminuindo
assim o preço de fabrico, o que lhe permite ser utilizado em aplicações de baixo
custo [24].
3.2.1. Princípio de Funcionamento do Motor BLDC
Ao contrário do motor CC, a comutação do motor BLDC é controlada
eletronicamente. Para o motor BLDC funcionar os enrolamentos do estator devem ser
energizados segundo uma sequência. Deste modo é fundamental saber a posição rotor
do motor, a fim de perceber qual é o enrolamento que deve ser energizado de seguida. A
posição do rotor é obtida através de sensores de Hall embutidos no estator do motor,
como anteriormente apresentado na Figura 2.10. A leitura dos sensores é efetuada
através da combinação das três saídas digitais dos sensores (onde o valor 0 V
corresponde ao sinal digital baixo e o valor de 5 V ao sinal digital alto).
Desta forma resultam seis valores válidos entre as oito possíveis, sendo que cada
valor equivale a um estado que por sua vez representa a posição instantânea do rotor do
motor BLDC, permitindo assim informar o sistema de controlo de qual é o enrolamento
que necessita de ser energizado em seguida para fazer rodar o rotor. Assim, baseado na
combinação dos sinais lógicos dos três sensores de Hall é determinada a sequência
exata da comutação.
Na Figura 3.1 é apresentado um diagrama temporal que mostra a relação entre as
saídas dos sensores de Hall e as tensões aplicadas ao motor BLDC.
32
Desenvolvimento de uma Bicicleta Elétrica
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Capítulo 3 – Controlador do Motor BLDC e Carregador de Baterias
Código
011 001 101 100 110 010 011 001 101 100 110 010
H1
H2
H3
Va
Vb
Vc
Estado
1
6
5
4
3
2
1
6
5
4
3
2
Figura 3.1 - Relação entre as saídas dos sensores de Hall e as tensões aplicadas ao motor BLDC.
De salientar que a cada 60 graus elétricos, cada sensor de Hall muda de estado,
resultando num total de seis estados para um ciclo elétrico [46]. No entanto um ciclo
elétrico pode não corresponder a um ciclo mecânico do rotor, isto porque o número de
ciclos elétricos é determinado pelo número de pares de pólos, ou seja o número de
ciclos elétricos sobre um ciclo mecânico do rotor é igual ao número de pares de pólos
do motor. A Figura 3.2 mostra que as correntes aplicadas aos enrolamentos do motor
são praticamente quadradas, sendo que, apenas são aplicadas durante o valor constante
da força contraelectromotriz, a fim de produzir um binário suave.
S6 S1 S1 S2 S2 S3 S3 S4 S4 S5 S5 S6
ea
ia
Fase A
Fase B
wt
ia
ib
ib
Fase C ic
wt
ib
ic
ic
eb
ec
wt
Binário
30º
90º
150º
210º
270º
330º
390º
Figura 3.2 - Formas de onda da força contraelectromotriz e corrente do motor BLDC.
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33
Capítulo 3 – Topologias e Técnicas de Comutação de Motores BLDC e Sistemas de Carregamento de Baterias
A Figura 3.3 mostra o sentido da corrente nos enrolamentos do motor para seis
estados fornecidos pelos sensores de Hall.
a
Estado 1
c
a
i
i
b
c
a
Estado 2
b
a
i
c
i
Estado 3
b
c
a
Estado 4
b
a
i
c
Estado 5
b
c
Estado 6
i
b
Figura 3.3 - Sentido da corrente nos enrolamentos do motor BLDC para seis estados.
Devido às comutações eletrónicas do motor BLDC, as formas de onda das
tensões compostas aparecem com micro-cortes na tensão, como mostra a Figura 3.4.
Deste modo, o inversor fonte de tensão opera em duas regiões distintas, a região de
condução e a região de comutação [47].
Figura 3.4 - Forma de onda da tensão composta do motor BLDC à saída do inversor fonte de tensão [48].
34
Desenvolvimento de uma Bicicleta Elétrica
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Capítulo 3 – Controlador do Motor BLDC e Carregador de Baterias
Na Figura 3.5 é apresentado um esquema para os seis estados da região de
condução. Esta região ocorre quando a forma de onda da força contraelectromotriz é
constante, permitindo o fluxo de corrente da fonte de tensão para os enrolamentos do
motor BLDC durante um intervalo de 60 graus.
Este processo repete-se ao longo dos seis estados, sendo que em cada estado
apenas dois dos seis semicondutores estão ativos, condicionando a condução da corrente
em dois dos três enrolamentos do motor.
D3
D1
S1
Vdc
D5
D1
S5
S3
S1
+
-
R
L
R
L
R
L
Vdc
D4
D6
S6
S4
ea
eb
Vdc
D3
+
-
ec
D2
D4
S2
D6
S6
S4
D1
Vdc
D3
D5
S1
+
-
D4
D6
S6
S4
D1
S5
S3
D1
R
L
R
L
R
L
ea
eb
Vdc
D3
Vdc
D4
D4
ec
R
L
R
L
R
L
ea
eb
ec
D2
S2
Estado 5
D5
D1
S5
D6
S6
L
D5
D6
S6
S4
S1 Vdc
+
-
S4
R
ea
eb
S5
ec
D2
D3
R
D2
+
-
S2
S3
L
L
S2
S3
Estado 2
S1
R
Estado 4
Estado 1
S1
D5
S5
S3
R
L
R
L
R
L
ea
eb
Vdc
D3
D5
S5
S3
+
-
ec
D4
D2
S2
Estado 3
S4
D6
S6
R
L
R
L
R
L
ea
eb
ec
D2
S2
Estado 6
Figura 3.5 - Sequência de estados para a região de condução para o motor BLDC.
A região de comutação do motor BLDC é uma região transitória, que resulta da
comutação da corrente entre a transição do estado atual para o estado seguinte. Esta
região, é relativamente mais curta do que a região de condução, como é visível nas
formas de onda das tensões.
Na Figura 3.6 e na Figura 3.7 é apresentado em pormenor a transição dos estados.
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35
Capítulo 3 – Topologias e Técnicas de Comutação de Motores BLDC e Sistemas de Carregamento de Baterias
D3
D1
S1
Vdc
D5
D1
S5
S3
S1
+
-
R
L
R
L
R
L
ea
i
Vdc
D4
D6
S6
S4
Vdc
eb
D3
+
-
ec
D2
D4
S2
D6
S6
S4
a)
D1
S1
Vdc
D3
D5
S1
+
-
D6
S6
R
L
R
L
Vdc
R
L
Vdc
eb
D3
i
ec
D4
D6
S6
S4
D5
eb
ec
R
L
i
R
L
i
R
L
R
L
R
L
R
L
ea
eb
ec
D2
S2
D1
S5
D6
S6
L
ea
b)
S3
D4
R
i
D5
+
-
D2
S1 Vdc
+
-
S4
L
S5
ea
S2
D1
R
D2
D3
S3
b)
S1
L
S2
D1
S5
D4
R
a)
S3
S4
D5
S5
S3
R
L
R
L
R
L
ea
Vdc
eb
i
D3
D5
S5
S3
+
-
ec
D2
D4
S2
S4
c)
D6
S6
i
ea
eb
ec
D2
S2
c)
Figura 3.6 - Estado dos semicondutores da parte
superior durante a comutação da corrente do motor
BLDC: (a) Antes da comutação; (b) Durante a
comutação; (c) Depois da comutação da corrente.
Figura 3.7 - Estado dos semicondutores da parte
inferior durante a comutação da corrente do motor
BLDC: (a) Antes da comutação; (b) Durante a
comutação; (c) Depois da comutação da corrente.
3.2.2. Modelo Matemático do Motor BLDC
O circuito elétrico equivalente do motor BLDC utilizado na bicicleta elétrica é
constituído por três fases, sendo que cada fase é constituída por uma fonte de tensão que
representa a força contraelectromotriz trapezoidal e por uma indutância em série com
uma resistência, que representam o enrolamento do estator do motor, como mostra a
Figura 3.8.
36
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Capítulo 3 – Controlador do Motor BLDC e Carregador de Baterias
D3
D1
S1
D5
S5
S3
R
Vdc
+
-
R
Va
R
Vb
D4
S6
S4
D3
D6
Motor
L
Ia
L
Ib
L
Ic
ea
eb
ec
Vn
Vc
S2
Figura 3.8 - Circuito equivalente do motor BLDC e inversor de potência.
A análise do motor BLDC para o modo de condução é efetuada segundo as
seguintes condições:

O motor não está saturado;

Os enrolamentos do motor têm resistência, auto indutância e a indutância mutua
constante. A resistência e a indutância das três fases são idênticas;

A força contraelectromotriz é idêntica para as três fases;

Os semicondutores de potência usados no inversor são ideais;

As perdas no ferro são desprezadas.
O modelo equivalente do motor BLDC, apresentado na Figura 3.8 contém três
fases, sendo que cada uma é composta por uma resistência, uma indutância e uma fonte
de tensão que representa a força contraelectromotriz. Como o sistema é ligado em Y
(estrela sem neutro), a soma das três correntes é igual a zero [5].
i a  ib  i c  0
(3.1)
ia  ib  ic
Com base nas condições acima referidos, o modelo matemático do motor BLDC
trifásico pode ser representado pela equação (3.2) em forma de matriz:
va   Ra
v    0
 b 
vc   0
0
Rb
0
0
0 
Rc 
ia   La
i    L
 b   ab
ic   Lac
Lba
Lb
Lbc
Lca  ia  ea 
d
Lcb  ib   eb 
dt
Lc  ic  ec 
(3.2)
Assumindo que, as indutâncias de fase são independentes da posição do rotor e
que o sistema é perfeitamente equilibrado na sua construção mecânica, obtém-se:
La  Lb  Lc  L
(3.3)
Do mesmo modo,
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37
Capítulo 3 – Topologias e Técnicas de Comutação de Motores BLDC e Sistemas de Carregamento de Baterias
Lab  Lba  Lbc  Lcb  Lca  Lac  M
(3.4)
Além disso sob a condição de que as três fases são equilibradas e todas as
resistências de fase são iguais, temos:
Ra  Rb  Rc  R
(3.5)
Aplicando as equações (3.3-3.5) à equação (3.2), a matriz pode ser reduzida para:
v a   R
v    0
 b 
v c   0
0  i a   L
0   ib    M
R  ic   M
0
R
0
M
L
M
M
d
M 
dt
L 
i a  e a 
i   e 
 b  b
ic  ec 
(3.6)
Usando o conceito de (3.6), a matriz da indutância acima é simplificada e a forma
da matriz resultante é dada por:
v a   R
v    0
 b 
v c   0
0
R
0
0  i a   L  M
0   ib    0
R  i c   0

 d
 dt
L  M 
0
LM
0
0
0
i a  e a 
i   e 
 b  b
i c  ec 
(3.7)
Onde a forma de onda das forças contraelectromotrizes ea, eb e ec é trapezoidal,
sendo que pode ser representada pela série de Fourier ou pela transformada de Laplace.
Depois de obtidas as equações resultantes de um dos processos, o modelo do
motor BLDC apresentado na Figura 3.8 assemelha-se à equação (3.7).
O binário eletromagnético é expresso como:
Tm 
(e a i a  e b i b  e c i c )
(3.8)
m
onde,
ea é a força contraelectromotriz na fase A em Volts (entre a fase e o neutro),
eb é a força contraelectromotriz na fase B em Volts (entre a fase e o neutro),
ec é a força contraelectromotriz na fase C em Volts (entre a fase e o neutro),
ia é a corrente no estator na fase A em Amperes,
ib é a corrente no estator na fase B em Amperes,
ic é a corrente no estator na fase C em Amperes,
ωm é a velocidade angular mecânica em radianos/segundo;
ωr é a velocidade angular elétrica em radianos/segundo, que é dada por
r 
38
P
 m , onde P é o número de pólos.
2
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Capítulo 3 – Controlador do Motor BLDC e Carregador de Baterias
Com uma representação, no domínio de Laplace a construção de um diagrama
de blocos do motor BLDC é facilitada, uma vez que as formas de onda da força
contraelectromotriz são periódicas, podem ser modelados por uma função periódica [5].
A equação da tensão de um motor BLDC é a mesma que a do motor de corrente
contínua com escovas. Deste modo pode ser representada no domínio dos tempos,
substituindo a equação (3.7), pela equação (3.8):
v(t )  R  i a (t )  k e  m (t )  La 
di a (t )
dt
(3.9)
onde,
v(t) é a tensão entre fase e neutro expressa Volts,
ia é a corrente de armadura expressa Amperes,
La é a indutância na armadura expressa Henry,
k e m (t ) é a força contraelectromotriz entre a fase e o neutro,
k e é a constante em Volts/rad da força contraelectromotriz.
Utilizando a transformada de Laplace temos que:
I a ( s) 
V ( s)  k e  m
R  sLa
(3.10)
Isolando a corrente em ordem ao tempo, obtemos
di a (t ) v(t ) R
E (t )

 i a (t ) 
dt
La La
La
(3.11)
Onde, E (t )  k e  m é a força contraelectromotriz periódica, em função ao ângulo do
rotor.
A relação entre a potência elétrica, Pe,, e a potência mecânica, Pm, é:
Pe  E  ia  Pm  Tmm
(3.12)
O binário eletromagnético, Tm, é proporcionalmente linear à corrente de
armadura, ia
Tm  K T i a
(3.13)
onde, KT é uma constante de binário. Assim a equação 3.13 pode ser substituída na
equação 3.15:
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39
Capítulo 3 – Topologias e Técnicas de Comutação de Motores BLDC e Sistemas de Carregamento de Baterias
Tm 
E
m
ia
(3.14)
Tendo em conta as condições iniciais,
kT 
E
m

k e m
r
 ke
(3.15)
A equação do binário é:
Tm (t )  TL (t )  J
d m
 B m
dt
(3.16)
Onde, TL é o binário de carga, J é o momento de inercia e B é o coeficiente de
amortecimento.
A equação do movimento pode também ser expressa no domínio de Laplace:
m 
Tm  TL
( B  sJ )
(3.17)
do mesmo modo a equação 3.17 pode ser expressa no dominio de Laplace,
Tm 
3.3.
k T (V ( s)  k e  m )
R  sL
(3.18)
Motor Utilizado na Bicicleta Elétrica
O motor BLDC utilizado no desenvolvimento da bicicleta elétrica é apresentado
na Figura 3.9. Este motor enquadra-se no grupo de motores síncronos de ímanes
permanentes.
Figura 3.9 - Motor BLDC de 250 W da Cristalyte utilizado na bicicleta elétrica.
A disposição do motor BLDC no interior do cubo da roda traseira da bicicleta
elétrica, confere-lhe um design simples e compacto. Para determinar algumas das
características do motor BLDC utilizado na bicicleta elétrica foi necessário efetuar
algumas medições, que podem ser consultadas na Tabela 3.1. Estas características foram
40
Desenvolvimento de uma Bicicleta Elétrica
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Capítulo 3 – Controlador do Motor BLDC e Carregador de Baterias
determinadas com a ajuda da ponte RLC PM630A do fabricante Philips. A resistência
do estator foi obtida a partir da medição da resistência entre fases e dividida por dois,
uma vez que os enrolamentos do estator estão ligados em estrela. Do mesmo modo foi
determinado o valor da indutância. A frequência nominal do motor BLDC foi
determinada através do funcionamento do motor BLDC como gerador, e os pares de
pólos através da saída dos sensores de Hall.
Tabela 3.1 - Características do motor BLDC utilizado na bicicleta elétrica.
Características
Potência nominal
Ligação dos enrolamentos no estator
Tensão Nominal
Corrente Nominal
Binário Nominal
Rotação Nominal
Frequência Nominal
Número de pólos
Resistência do estator por fase
Indutância do estator por fase
Sensores de Hall
3.4.
Valor
250 W
Y
36 V
6,94 A
6,63 Nm
547,6 rpm
36,4 Hz
8
0,453 Ω
206 mH
Sim
Inversores de Potência
Os inversores também denominados por conversores CC-CA, têm como objetivo
transformar uma tensão/corrente contínua numa tensão/corrente alternada periódica,
com amplitude e frequência controlada. Mediante a grandeza física que se pretende
transformar (tensão ou corrente), o barramento de corrente contínua (CC) do inversor de
potência é composto por elementos armazenadores de tensão ou elementos
armazenadores de corrente.
Deste modo, dependendo dos elementos armazenadores de energia, os inversores
apresentam duas topologias distintas, denominadas por inversor fonte de tensão, se a
tensão de entrada for constante ou inversor fonte de corrente, se a corrente de entrada
permanecer constante.
Das duas topologias anteriormente apresentadas, apenas será analisada a topologia
inversor fonte de tensão, a qual será implementada no desenvolvimento desta
dissertação.
Desenvolvimento de uma Bicicleta Elétrica
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41
Capítulo 3 – Topologias e Técnicas de Comutação de Motores BLDC e Sistemas de Carregamento de Baterias
3.4.1. Inversor Fonte de Tensão
A topologia inversor fonte de tensão (VSI – Voltage Source Inverter), como o
próprio nome o indica, tem uma fonte de tensão no barramento CC, a qual deve garantir
uma tensão de entrada constante.
Na Figura 3.10 é apresentado o esquema elétrico do inversor fonte de tensão
trifásico desenvolvido para a bicicleta elétrica. Este inversor de baixa potência é
constituído por um elemento armazenador de tensão no barramento CC e por seis
semicondutores eletrónicos, mais especificamente MOSFETs, nomeadamente três do
tipo PMOSFETs (S1, S2 e S3) e três do tipo NMOSFETs (S4, S6 e S2), que incluem os
respetivos díodos de freewelling no seu encapsulamento (D1, D2, D3, D4, D5 e D6).
D3
D1
S1
D5
S5
S3
vab v
ca
vbc
Vdc +
-
D4
S4
D6
S6
D2
S2
Figura 3.10 - Esquema elétrico de um inversor fonte de tensão.
Dependendo da técnica de modulação usada para os inversores fonte de tensão é
necessário garantir que os semicondutores de cada braço estejam em oposição de
estado, ou seja, se o semicondutor da parte superior (S1, S2 ou S3) estiver ativo, o
semicondutor da parte inferior (S4, S6 ou S2) do mesmo braço deve estar desligado, e
vice-versa, de modo a garantir que o barramento CC não é curto-circuitado.
3.5.
Técnicas de Modulação para Inversores Fonte de Tensão
Trifásicos
As técnicas de modulação aplicadas a inversores fonte de tensão, são usadas para
modelar a tensão contínua do barramento CC numa tensão alternada periódica com
amplitude e frequência pretendida.
Desta forma, mediante a tensão alternada periódica pretendida, a modulação para
inversores fonte de tensão pode ser do tipo: onda quadrada, SPWM (Sinusoidal Pulse
Width Modulation) ou SVPWM (Space Vector Pulse Width Modulation). No entanto,
42
Desenvolvimento de uma Bicicleta Elétrica
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Capítulo 3 – Controlador do Motor BLDC e Carregador de Baterias
neste item apenas será analisada a modulação de onda quadrada, devido ao facto do
motor BLDC utilizado na bicicleta elétrica ser alimentado com tensões trapezoidais.
3.5.1. Modulação de Onda Quadrada
A modulação de onda quadrada é a técnica de modulação mais simples para
controlar um inversor fonte de tensão. Esta técnica pode ser efetuada com dois tipos de
sinais aplicados aos semicondutores, nomeadamente a modulação de onda quadrada a
180 graus e a modulação de onda quadrada a 120 graus.
Na modulação de onda quadrada a 180 graus, cada semicondutor está ativo
durante 180 graus, e em cada modo de operação são ativos três dos seis semicondutores,
existindo um total de seis modos de operação por período, sendo que, cada um tem a
duração de 60 graus.
Os sinais de comando aplicados ao inversor com modulação de onda quadrada a
180 graus podem ser vistos na Figura 3.11. Estes sinais estão desfasados de 60 graus
uns dos outros, de forma a obter à saída do inversor tensões trifásicas equilibradas.
g1
wt
0
g2
wt
0
g3
wt
0
g4
wt
0
g5
wt
0
g6
wt
0
Vab
vs
wt
0
Vbc
vs
wt
0
Vca
vs
wt
0
0º
60º 120º 180º 240º 300º 360º
Figura 3.11 - Relação entre as formas de ondas de modulação de onda quadrada a 180 graus e os sinais
de comando dos semicondutores eletrónicos.
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43
Capítulo 3 – Topologias e Técnicas de Comutação de Motores BLDC e Sistemas de Carregamento de Baterias
Na Figura 3.12 é apresentado o circuito equivalente para cada um dos seis estados
de operação do inversor com modulação de onda quadrada a 180 graus, com uma carga
puramente resistiva ligada em estrela.
+
-
c
R
a
R
b
R
a
+
-
c
Estado 1
+
-
b
R
c
R
a
R
b
R
R
+
-
R
c
R
a
R
+
-
Estado 5
Estado 4
R
b
R
c
R
Estado 3
Estado 2
R
b
+
-
a
c
R
a
R
b
R
Estado 6
Figura 3.12 - Circuito equivalente para cada um dos seis estados de operação do inversor com modulação
de onda quadrada a 180 graus.
A sequência de estados com modulação de onda quadrada a 180 graus para o
inversor fonte de tensão é apresentada na Tabela 3.1, onde os seis semicondutores do
inversor fonte de tensão são apresentados por S1, S2, S3, S4, S5 e S6, e as tensões de
saída por Va, Vb e Vc. Dependendo do estado, a tensão entre fases é alterada, bem como
a sua polarização, ou seja, em cada estado a polarização é trocada em dois dos três
enrolamentos do motor.
Tabela 3.2 - Sequência de estados para o inversor fonte de tensão com modulação de onda quadrada a 180
graus.
Estado
1
2
3
4
5
6
S1
ON
ON
ON
OFF
OFF
OFF
S2
OFF
ON
ON
ON
OFF
OFF
S3
OFF
OFF
ON
ON
ON
OFF
S4
OFF
OFF
OFF
ON
ON
ON
S5
ON
OFF
OFF
OFF
ON
ON
S6
ON
ON
OFF
OFF
OFF
ON
VA
VCC
VCC
VCC
- VCC
- VCC
- VCC
VB
-VCC
-VCC
VCC
VCC
VCC
- VCC
VC
VCC
-VCC
-VCC
-VCC
VCC
VCC
Na modulação de onda quadrada a 120 graus cada semicondutor está ativo durante
120 graus, e em cada modo de operação apenas são ativos dois dos seis semicondutores,
existindo um total de seis modos de operação por período, sendo que, cada um tem a
duração de 60 graus. Na Figura 3.13 são apresentadas as formas de onda dos sinais
aplicados ao comando dos semicondutores, bem como as tensões à saída do inversor.
44
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Capítulo 3 – Controlador do Motor BLDC e Carregador de Baterias
Na Figura 3.14 é apresentado o circuito equivalente para cada um dos seis estados
de operação do inversor com modulação de onda quadrada a 120 graus, com uma carga
puramente resistiva e ligada em estrela.
g1
wt
0
g2
wt
0
g3
wt
0
g4
wt
0
g5
wt
0
g6
wt
0
Van
vs
wt
0
Vbn
vs
wt
0
Vcn
vs
wt
0
0º
60º 120º 180º 240º 300º 360º
Figura 3.13 - Relação entre as formas de ondas da modulação de onda quadrada a 120 graus e os sinais
de comando dos semicondutores eletrónicos.
R
b
R
c
R
+
+
-
a
Estado 1
+
-
R
c
R
b
R
+
-
Estado 2
b
R
a
R
c
R
Estado 4
a
+
-
b
R
c
R
a
R
Estado 3
c
R
a
R
R
b
Estado 5
+
-
c
R
b
R
R
a
Estado 6
Figura 3.14 - Circuito equivalente para cada um dos seis estados de operação do inversor com
modulação de onda quadrada a 120 graus.
A sequência de estados com modulação de onda quadrada a 120 graus para
inversor fonte de tensão é apresentada na Tabela 3.2, onde os seis semicondutores do
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45
Capítulo 3 – Topologias e Técnicas de Comutação de Motores BLDC e Sistemas de Carregamento de Baterias
inversor fonte de tensão são apresentados por S1, S2, S3, S4, S5 e S6 e as tensões de
saída por Va, Vb e Vc.
Tabela 3.3 - Sequência de estados para o inversor fonte de tensão com modulação de onda quadrada a 120
graus.
Estado
1
2
3
4
5
6
3.6.
S1
ON
ON
OFF
OFF
OFF
OFF
S2
OFF
ON
ON
OFF
OFF
OFF
S3
OFF
OFF
ON
ON
OFF
OFF
S4
OFF
OFF
OFF
ON
ON
OFF
S5
OFF
OFF
OFF
OFF
ON
ON
S6
ON
OFF
OFF
OFF
OFF
ON
VA
VCC
VCC
0
- VCC
- VCC
0
VB
- VCC
0
VCC
VCC
0
- VCC
VC
0
- VCC
- VCC
0
VCC
VCC
Sistema de Carregamento de Baterias
Das tecnologias de baterias analisadas no capítulo 2 apenas são abordadas neste
item as topologias de carregamento para baterias de lítio.
O processo de carregamento das baterias de lítio implica que o mesmo tenha
como referência as características nominais fornecidas pelo fabricante, bem como o tipo
de tecnologia da bateria, no sentido de preservar a vida útil da bateria e reduzir
substancialmente os riscos de destruição da mesma [49].
Para que todos os parâmetros da bateria sejam respeitados durante o
carregamento, é necessário implementar carregadores específicos para cada tipo de
bateria. Estes carregadores são tipicamente conversores estáticos que controlam o fluxo
de potência sob a forma de tensão e corrente aplicada às baterias. O tipo de conversor
estático a utilizar como meio de ligação entre a rede elétrica e a bateria, depende
essencialmente do tipo da aplicação e da tensão de saída em função da tensão de
entrada. O algoritmo de controlo aplicado ao conversor estático permite que as
características da bateria sejam cumpridas, ou seja, o algoritmo de controlo é quem
controla o valor da tensão e o valor da corrente, aplicados à bateria.
3.6.1. Bateria de Lítio Polímero
A bateria é um dos elementos mais importantes na bicicleta elétrica, no sentido
em que determina diretamente o desempenho da mesma. Deste modo para o
desenvolvimento da bicicleta elétrica foi adquirida uma bateria de lítio polímero com
tensão nominal de 36 V e 10 Ah.
O lítio (Li) sendo o mais leve de todos os metais utilizados em baterias, é também
o que apresenta maior potencial eletroquímico, ou seja, as baterias de lítio contém a
maior densidade de energia por peso. A bateria de lítio polímero é uma tecnologia
46
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Capítulo 3 – Controlador do Motor BLDC e Carregador de Baterias
derivada das baterias de lítio, apresentando alta capacidade de energia, pequeno
tamanho, peso reduzido, baixa taxa de autodescarga e longos ciclos de vida, parâmetros
ideais para serem utilizadas em bicicletas elétricas. O custo das baterias de lítio
polímero é relativamente excessivo quando comparado com as baterias de chumbo, no
entanto
com
o
amadurecer
desta
tecnologia
os
custos
estão
a
diminuir
gradualmente [50][51].
O processo químico envolvido nas baterias de lítio polímero faz uso do dióxido de
lítio cobalto como elétrodo positivo e de um carbono especial altamente cristalizado no
elétrodo negativo, no entanto ambas as reações são mediadas pelo eletrólito. O eletrólito
líquido
da
bateria
de
lítio
polímero
é
composto
por
LiPF6
(Lithium
Hexafluorophosphate) e solventes orgânicos [51].
A reação química no elétrodo positivo é dada por:
LiCoO2  Li1 x CoO2  xLi  xe 
(3.19)
A reação química no elétrodo negativo é dada por:
Cn  xLi  xe   Cn Lix
(3.20)
De forma geral:
LiCoO2  Cn  Li(1 x ) CoO2  Cn Lix
(3.21)
A Figura 3.15 mostra a bateria de lítio polímero com tensão nominal de 36 V e
uma carga de 10 Ah, utilizada na bicicleta elétrica.
Figura 3.15 - Bateria de lítio polímero 36 V 10 Ah, utilizada na bicicleta elétrica.
3.6.2. Estado de Carga da Bateria
Para desenvolver um carregador de baterias de lítio polímero é fundamental ter
um conhecimento aprofundado das suas características eletrodinâmicas. Conhecer o
estado de carga de uma bateria composta por várias células a partir da tensão aplicada
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47
Capítulo 3 – Topologias e Técnicas de Comutação de Motores BLDC e Sistemas de Carregamento de Baterias
aos seus terminais e da sua corrente é possível, desde que o modelo matemático usado
para o descrever esteja correto [52].
O comportamento das baterias pode ser representado por dois modelos distintos.
O primeiro, mais extenso, é baseado em reações químicas que se produzem dentro das
baterias, denominados por modelos eletroquímicos [53]. O segundo modelo consiste em
conceber um sistema elétrico que tenha um comportamento semelhante ao de uma
bateria real, este denominado por modelo de circuito equivalente. Nesta dissertação
apenas é abordado o modelo de circuito equivalente.
Modelos de Circuitos Equivalentes para Baterias
Apesar da grande variedade de modelos de circuitos equivalentes, a maioria
utiliza um condensador para representar a capacidade de armazenamento de carga da
bateria. O modelo linear apresentado na Figura 3.16 é o modelo mais simples para
representar uma bateria, o qual é constituído por uma fonte ideal de tensão com uma
tensão de circuito aberto VOC e por uma resistência equivalente em série RS, que
representa a resistência interna da bateria.
+
RS
VOC
VBAT
-
Figura 3.16 - Modelo de circuito equivalente linear para uma bateria.
O modelo equivalente de Thevenin apresentado na Figura 3.17 consiste numa
fonte de tensão, em duas resistências e num condensador. Sendo que a fonte de tensão
VOC tem o valor da tensão de circuito aberto, a resistência RS representa a resistência
interna da bateria, o condensador CO representa a capacidade dos elétrodos das células
que compõem a bateria, e a resistência RO representa a resistência não linear entre os
elétrodos e o eletrólito [52].
CO
RS
+
RO
VBAT
VOC
Figura 3.17 - Modelo de circuito equivalente de Thevenin para uma bateria.
48
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Capítulo 3 – Controlador do Motor BLDC e Carregador de Baterias
Quantos mais elementos forem adicionados ao modelo equivalente de Thevenin
melhores são os dados obtidos para representar os fenómenos de resposta a sobrecargas
e de autodescarga que ocorrem quando as baterias estão em circuito aberto [54]. No
entanto, o modelo de circuito equivalente que irá ser utilizado para representar a bateria
da bicicleta elétrica foi proposto em [55], cujo esquema elétrico é apresentado na
Figura 3.18. Este, apresenta como principal vantagem, o facto dos parâmetros serem
grandezas elétricas, o que permite a integração com outros circuitos eletrónicos e ser
simulados em ambientes de simulação da área de Eletrónica de Potência.
RS
VSOC
RA
CCOND
+
-
VOC(VSoC)
RTS
RTL
CTS
CTL
IBAT
+
VBAT
IBAT
-
Figura 3.18 - Modelo de circuito equivalente implementado para a bateria.
O modelo de circuito equivalente implementado consiste em dois circuitos
separados, mas relacionados entre si por uma fonte de tensão controlada por tensão e
por uma fonte de corrente controlada por corrente. Um dos circuitos representa a
capacidade de armazenamento de energia da bateria e a carga armazenada durante o
carregamento ou descarregamento da bateria. O segundo descreve a resistência interna
da bateria e o comportamento transitório em diferentes cargas. A fonte de tensão
controlada por tensão representa a dependência não linear entre o SOC (State-OfCharge) e VOC. A tensão VOC é normalizada de forma a que VOC = 1 V, o que equivale a
um SOC de 100%. Dado que a tensão se normaliza a 1 V e C = Q/V, sendo C a
capacidade em Farad’s, Q a carga em Coulombs e V a tensão em volts, o valor do
condensador CCond é dado por:
Ccond  3600  Capacidade  f1 (Ciclo )  f 2 (Temperatura)
(3.22)
onde, a Capacidade é a capacidade nominal da bateria, f1 é o coeficiente de
envelhecimento e f2 o coeficiente da temperatura [55].
3.6.3. Algoritmos de Controlo
Devido à natureza das reações químicas do lítio, as baterias de lítio (Li) não
suportam sobrecargas nem sobredescargas. Deste modo se a estratégia de controlo não
for adequada o risco de estas se danificarem é elevado.
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49
Capítulo 3 – Topologias e Técnicas de Comutação de Motores BLDC e Sistemas de Carregamento de Baterias
Tipicamente, os algoritmos de controlo usados nos carregadores de baterias tem
como objetivo garantir que as características fornecidas pelo fabricante de baterias são
cumpridas na íntegra de modo a preservar a vida útil das mesmas. Entre as
características apresentadas pelos fabricantes de baterias apenas algumas são de estrema
importância para o algoritmo de controlo, nomeadamente a tensão máxima, a tensão
mínima, a corrente máxima e a temperatura máxima admissíveis pela bateria. De
salientar que o tempo associado ao carregamento das baterias é diretamente relacionado
com estas características [51]. Apesar da existência de diversos algoritmos de controlo
para as diferentes tecnologias de baterias, apenas é abordado o algoritmo de corrente
constante seguido de tensão constante, sendo que este é o mais usado para as baterias de
lítio-polímero [51].
Corrente Constante Seguido de Tensão Constante
O algoritmo de corrente constante seguido de tensão constante pode ser
subdividido em quatro modelos de controlo, de forma a garantir um carregamento em
conformidade com as especificações gerais dos fabricantes de baterias de lítio. O
primeiro modelo apresenta um algoritmo de controlo de dois estágios, onde no primeiro
estágio de carregamento é imposto à bateria uma corrente constante até que a tensão
seja aproximadamente 10% superior à tensão nominal. Num segundo estágio a bateria é
carregada com um valor de tensão constante, igual à tensão nominal, até que a corrente
diminua para um valor próximo de zero. Com este segundo estágio a bateria fica
totalmente carregada, uma vez que no primeiro estágio a bateria apenas contém 85% do
SOC [56]. Na Figura 3.19 é apresentada a evolução da tensão e da corrente ao longo do
tempo para este algoritmo de controlo.
1º Estágio
Tensão
Corrente
2º Estágio
Corrente (A)
2
40
Vn
1,5
32
1
16
0,5
8
1
2
3
4
5
6
Tensão (V)
48
2,5
7
Tempo (h)
Figura 3.19 - Evolução da tensão e da corrente ao longo do tempo para o primeiro modelo do algoritmo
de corrente constante seguido de tensão constante.
50
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Capítulo 3 – Controlador do Motor BLDC e Carregador de Baterias
O segundo modelo descreve um algoritmo de controlo cujo primeiro estágio
consiste em aplicar uma corrente constante até que a tensão seja 10% superior ao valor
nominal. O segundo estágio consiste em aplicar tensão constante 10% superior ao valor
nominal, até finalizar o carregamento, ou seja, até que a corrente diminua para um valor
próximo de zero [57]. A evolução da tensão e da corrente ao longo do tempo para o
algoritmo de corrente constante seguido de tensão constante do segundo modelo está
representada na Figura 3.20.
1º Estágio
Tensão
Corrente
2º Estágio
Corrente (A)
(1+0,1)*Vn
2
40
1,5
32
1
16
0,5
8
1
2
3
4
5
6
Tensão (V)
48
2,5
7
Tempo (h)
Figura 3.20 - Evolução da tensão e da corrente ao longo do tempo para o segundo modelo do algoritmo de
corrente constante seguido de tensão constante.
O processo de carregamento do terceiro modelo é análogo aos anteriores, no
primeiro estágio a corrente é mantida constante até a bateria atingir uma tensão 20%
superior à nominal. Seguidamente é imposta uma tensão 10% superior à tensão nominal
até que a corrente tenha um valor próximo de zero. A Figura 3.21 mostra a evolução da
tensão e da corrente ao longo do tempo para o algoritmo de carregamento do terceiro
modelo.
1º Estágio
Tensão
Corrente
2º Estágio
Corrente (A)
(1+0,1)*Vn
2
40
1,5
32
1
16
0,5
8
1
2
3
4
5
6
Tensão (V)
48
2,5
7
Tempo (h)
Figura 3.21 - Evolução da tensão e da corrente ao longo do tempo para o terceiro modelo do algoritmo de
corrente constante seguido de tensão constante.
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51
Capítulo 3 – Topologias e Técnicas de Comutação de Motores BLDC e Sistemas de Carregamento de Baterias
Por último, no quarto modelo a tensão atinge o valor de 20% superior à tensão
nominal do primeiro estágio, de seguida o algoritmo mantém a tensão constante e
aguarda que a corrente diminua cerca de 90% da corrente consumida no início do
segundo estágio. Após isso, aplica um terceiro estágio que impõe à bateria uma tensão
constante de 10% superior à tensão nominal até que a corrente diminua para um valor
muito próximo de zero. Com este algoritmo a bateria é carregada totalmente, no entanto
o risco de sobreaquecimento é maior. A evolução da tensão e da corrente ao longo do
tempo para este algoritmo de carregamento está representada na Figura 3.22.
Tensão
Corrente
2º Estágio
Corrente (A)
2,5
3º Estágio
48
(1+0,2)*Vn
(1+0,1)*Vn
2
40
1,5
32
1
16
0,5
8
1
2
3
4
5
6
Tensão (V)
1º Estágio
7
Tempo (h)
Figura 3.22 - Evolução da tensão e da corrente ao longo do tempo para o quarto modelo do algoritmo de
corrente constante seguido de tensão constante.
Após a análise do estado de carga e do processo de carregamento de cada um dos
quatro modelos do algoritmo de controlo, corrente constante seguido de tensão
constante, decidiu-se utilizar o segundo modelo para carregamento da bateria de lítio
polímero visto que é o recomendado pelo fabricante da bateria.
3.6.4. Conversores Estáticos
Durante o planeamento do desenvolvimento da bicicleta elétrica foi proposto que
o carregador de baterias deveria ser isolado. Deste modo optou-se pela utilização de um
carregador de computador portátil, que tipicamente é barato mais o conversor boost.
Dado que a tensão fornecida pelo carregador do computador portátil é de 20 V em
corrente contínua, existe a necessidade de conceber uma fonte comutada que permita
elevar esta tensão para a tensão máxima suportada pela bateria de lítio polímero
adquirida. Este estágio vai permitir a execução do algoritmo de controlo corrente
constante, seguido de tensão constante.
52
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Capítulo 3 – Controlador do Motor BLDC e Carregador de Baterias
A fonte comutada é constituída pelo circuito de potência e pelo sistema de
controlo. O circuito de potência é constituído por quatro elementos essenciais,
nomeadamente um interruptor eletrónico, um díodo, uma indutância e um condensador.
Com estes quatro elementos e com um controlo adequado, é possível controlar a tensão
de saída a partir de uma tensão de entrada não controlada. Dependendo da tensão de
saída pretendida o circuito da fonte comutada pode ser de três tipos, denominados por
buck, boost e buck-boost. Destes três tipos de fontes comutadas, apenas será analisada a
fonte comutada boost, para posteriormente ser implementada.
Fonte Comutada Boost
Para acoplar ao carregador de computador portátil foi concebida uma fonte
comutada boost para elevar a tensão na saída do carregador. Como anteriormente
mencionado a fonte comutada boost é composta por quatro elementos essenciais,
estando estes dispostos da seguinte forma (Figura 3.23).
+
L
D
VS
M
C
Carga
G
-
Figura 3.23 - Esquemático do conversor boost.
Quando o interruptor eletrónico M é ligado por um determinado tempo t1 a
indutância L fica em paralelo com a fonte de tensão da entrada VS, permitindo à
indutância armazenar energia. Se o interruptor eletrónico for desligado por um tempo t2,
a energia armazenada na indutância e a energia proveniente da fonte de entrada VS são
transferidas para a carga e para o condensador através do díodo D1. A forma de onda da
corrente na indutância em regime permanente pode ser vista na Figura 3.24.
Figura 3.24 - Forma de onda da corrente na indutância em regime permanente para um conversor boost.
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53
Capítulo 3 – Topologias e Técnicas de Comutação de Motores BLDC e Sistemas de Carregamento de Baterias
A equação da tensão na indutância no momento em que o interruptor eletrónico
está ligado é dada por:
vL  L
di
dt
(3.23)
O valor de pico a pico da corrente de ripple na indutância é expresso como:
I 
Vs
t1
L
(3.24)
A tensão de saída instantânea é dada por:
vo  Vs  L
I
t
1
 Vs (1  1 )  Vs
t2
t2
1 D
(3.25)
O condensador de saída C, mostrado na Figura 3.23, tem como objetivo, que a
tensão de saída seja praticamente contínua. Através da equação (3.25) conclui-se que
aumentando o D (duty cycle), a tensão na carga aumenta, e a tensão é mínima quando D
é igual a zero. Contudo, o conversor boost tem limitações de hardware, logo não pode
ser ligado continuadamente, tal que D seja igual a 1 [58]. Para valores de D perto da
unidade, a tensão de saída tende para valores muito elevados e instáveis para pequenas
variações de D, como mostra a Figura 3.25.
VO / VS
6
5
4
3
2
1
0
0,2 0,4 0,6 0,8 1
k
Figura 3.25 - Tensão de saída de um conversor boost em função do duty cycle (D).
Na Figura 3.26 é apresentado o circuito equivalente do conversor boost quando o
interruptor eletrónico está ligado. Deste modo, a carga é alimentada pelo condensador
de saída, enquanto é armazenada energia na indutância.
L
+
iL
iO
VS
C
Carga
-
Figura 3.26 - Circuito equivalente do conversor boost quando o interruptor eletrónico está ligado.
54
Desenvolvimento de uma Bicicleta Elétrica
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Capítulo 3 – Controlador do Motor BLDC e Carregador de Baterias
Na Figura 3.27 é apresentado o circuito equivalente do conversor boost quando o
interruptor eletrónico está desligado. Deste modo, a carga e o condensador de saída são
alimentados pela fonte de tensão da entrada (VS).
L
+
D
iS
iC
VS
iO
C
Carga
-
Figura 3.27 - Circuito equivalente do conversor boost quando o interruptor eletrónico está desligado.
A corrente na indutância para o primeiro modo é dada pela equação (3.23) e pode
ser expressa como:
i1 (t ) 
VS
t  I1
L
(3.26)
Onde, I1 é a corrente inicial para o modo 1. De modo a limitar o aumento da
corrente é necessário garantir a seguinte condição:
di1
0
dt
ou
VS  0
A corrente no modo 2 é dada por:
VS  L
di2
E
dt
(3.27)
Resolvendo a equação (3.26) em ordem à corrente, obtém-se:
i2 (t ) 
VS  E
t  I2
L
(3.28)
Onde, I2 é a corrente inicial para o modo 2. Para o sistema ser estável, a corrente
deve descer sob a condição:
di2
0
dt
ou
VS  E
Se estas condições não forem satisfeitas, a corrente na indutância irá aumentar de
tal forma que poderá degradar todo o sistema. No entanto, para se obter um sistema
controlado de transferência de energia é necessário que o valor da tensão VS seja menor
que a tensão E, ou seja 0 < VS < E [58].
Desenvolvimento de uma Bicicleta Elétrica
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55
Capítulo 3 – Topologias e Técnicas de Comutação de Motores BLDC e Sistemas de Carregamento de Baterias
3.7.
Conclusão
Neste capítulo foram descritas e analisadas as topologias e técnicas de comutação
de motores BLDC e de sistemas de carregamento de baterias. Inicialmente foi
apresentado e descrito o princípio de funcionamento do motor BLDC, e o modelo
matemático do mesmo, bem como o motor BLDC adquirido para a bicicleta elétrica.
Em seguida foi dado destaque à topologia do inversor fonte de tensão e às técnicas
de modulação aplicadas ao mesmo, para o acionamento e controlo do motor BLDC.
Posteriormente foi apresentado e descrito o sistema de carregamento de baterias,
sendo apresentado inicialmente a bateria de lítio polímero adquirida para a bicicleta
elétrica, bem como o estado de carga da bateria onde foram descritos os modelos de
circuitos equivalentes para as mesmas. Seguidamente foi descrito o algoritmo de
controlo para carregamentos de baterias, designado por corrente constante seguida de
tensão constante.
Por fim, foi descrito o conversor estático do tipo fonte comutada boost, com o
intuito de ser acoplado à saída de um carregador de baterias de um computador portátil
para elevar a tensão de saída e efetuar o algoritmo de controlo do carregamento das
baterias.
56
Desenvolvimento de uma Bicicleta Elétrica
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CAPÍTULO 4
Simulações Computacionais dos Elementos
Constituintes da Bicicleta Elétrica
4.1.
Introdução
As ferramentas de simulação de circuitos ou de sistemas elétricos desempenham
cada vez mais, um papel fundamental no desenvolvimento e análise de projetos
elétricos, permitindo assim a otimização e a análise do desempenho de circuitos ou
sistemas mesmo antes da sua implementação. A utilização deste tipo de ferramentas
proporciona ao utilizador facilidades no teste de diversos tipos de topologias e de
sistemas de controlo e segurança, hipótese de comparação e/ou discussão dos
resultados, e uma redução de custos, que é sempre um ponto crucial na criação e
desenvolvimento de projetos.
Para
o
desenvolvimento
da
bicicleta
elétrica
foi
necessário
recorrer
fundamentalmente à ferramenta de simulação PSIM, de modo a validar e otimizar os
sistemas propostos para esta dissertação. Esta ferramenta foi utilizada devido ao facto
do Grupo de Eletrónica de Potência e Energia (GEPE) da Universidade do Minho
facultar aos seus alunos licenças de utilização deste software.
O PSIM é um simulador robusto e de fácil utilização, na medida que permite o uso
de diversos blocos funcionais que modelam diversos componentes elétricos. É também
de realçar os blocos C e DLL (Dynamic Link Library), que permitem o uso da mesma
linguagem de programação dos microcontroladores e DSPs (Digital Signal Processor).
As simulações efetuadas no âmbito desta dissertação centralizam-se no sistema de
controlo do motor BLDC e no sistema de carregamento de baterias de lítio polímero.
4.2.
Sistema de Controlo do Motor BLDC
O motor BLDC utilizado no desenvolvimento da bicicleta elétrica dispõe de três
sensores de Hall. Cada sensor de Hall fornece à saída um sinal digital nível alto com a
duração de 180 graus elétricos, e um sinal digital de nível baixo com a mesma duração.
Com os três sinais provenientes dos sensores de Hall é determinada a posição
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57
Capítulo 4 – Simulações Computacionais dos Elementos Constituintes da Bicicleta Elétrica
instantânea do rotor. Com a posição instantânea do rotor obtida através dos sensores de
Hall, e com a técnica de controlo de modulação de onda quadrada a 120 graus, o
sistema de controlo determina para os seis estados de comutação os respetivos sinais de
comando dos semicondutores eletrónicos do inversor fonte de tensão, de modo a
produzir as tensões trapezoidais aplicadas ao motor BLDC.
Para controlar a velocidade da bicicleta elétrica foi implementado um sistema de
controlo de binário em série com a modulação de onda quadrada a 120 graus, de forma
a proporcionar ao utilizador uma determinada gama de velocidades, uma vez que com a
modulação de onda quadrada a 120 graus só são permitidas velocidades de
funcionamento praticamente constantes. Deste modo o controlo de velocidade é baseado
no controlo de binário, que por sua vez é dada pela variação da tensão aplicada aos
terminais do motor BLDC. O valor da tensão é controlado por PWM (Pulse Width
Modulation) aplicado aos sinais de comando dos semicondutores eletrónicos da parte
alta do inversor fonte de tensão.
Com base num controlador simples e pouco dispendioso, foram implementados
três modos de ajuda ao utilizador, os quais devem ser selecionados por ele, uma vez que
a bicicleta elétrica não pode ter acelerador devido à legislação.
Estes três modos de ajuda correspondem a três valores predefinidos de tensão:
ajuda máxima, ajuda média e ajuda mínima. Estes modos de ajuda por sua vez regulam
o valor de tensão aplicada aos terminais do motor BLDC, como acontece nos
tradicionais motores CC.
A modulação PWM apenas se aplica aos semicondutores eletrónicos da parte
superior do inversor fonte de tensão (g1, g3 e g5), como mostra a Figura 4.1, com o
intuito de reduzir as perdas de comutação, o aquecimento dos semicondutores
eletrónicos, bem como os requisitos do microcontrolador
A velocidade do motor é obtida através de um sensor de velocidade aplicado na
roda da frente da bicicleta elétrica, a qual posteriormente é comparada com o tipo de
ajuda selecionada pelo utilizador. Após a comparação o erro obtido é processado através
de um controlador PI (Proporcional-Integral).
58
Desenvolvimento de uma Bicicleta Elétrica
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Capítulo 4 – Simulações Computacionais dos Elementos Constituintes da Bicicleta Elétrica
E1 E2 E3 E4 E5 E6 E1 E2 E3 E4 E5 E6 E1
H1
H2
H3
G1
G4
G3
G6
G5
G2
Figura 4.1 - Formas de onda dos sensores de Hall (H1, H2 e H3) e dos pulsos para as gates dos
semicondutores eletrónicos (g1, g2, g3, g4, g5 e g6).
4.3.
Circuito de Potência do Controlador
O circuito de potência do controlador do motor BLDC a implementar, assenta na
topologia de inversor fonte de tensão descrita no capítulo 3. O circuito de potência do
controlador apresentado na Figura 4.2 é constituído por um inversor trifásico fonte de
tensão, sendo este constituído por seis MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field
Effect Transistors), três do tipo P na parte superior do inversor e três do tipo N na parte
inferior do inversor, e por uma fonte de tensão contínua no barramento CC, de forma a
emular a bateria utilizada na bicicleta elétrica. O circuito de potência do controlador
também é constituído por um bloco que representa o motor BLDC. Este bloco
disponível no simulador PSIM denominado por BDCM (Brushless DC Machine)
apresenta o mesmo sistema de equações que descreve o motor BLDC.
Desenvolvimento de uma Bicicleta Elétrica
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59
Capítulo 4 – Simulações Computacionais dos Elementos Constituintes da Bicicleta Elétrica
Figura 4.2 - Circuito de potência do controlador do motor BLDC implementado em PSIM.
4.4.
Controlador
O controlador do motor BLDC, assenta na modulação de onda quadrada a 120
graus, e é apresentado na Figura 4.3, sendo constituído por um bloco C com quatro
entradas e seis saídas. As entradas recebem os três sinais provenientes dos sensores de
Hall e um sinal de controlo de velocidade, enquanto nas saídas são enviados seis sinais
de comando para os semicondutores eletrónicos do inversor fonte de tensão. Com a
utilização do bloco C pretende-se que a simulação do sistema de controlo seja, tanto
quanto possível, realista quando comparada com os dispositivos propostos para a
implementação física.
Figura 4.3 - Sistema de controlo do controlador do motor BLDC implementado em PSIM.
60
Desenvolvimento de uma Bicicleta Elétrica
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Capítulo 4 – Simulações Computacionais dos Elementos Constituintes da Bicicleta Elétrica
4.5.
Resultados de Simulação do Controlador
Neste item são apresentados os resultados de simulação do controlador do motor
BLDC, para o modelo de controlo descrito no item 4.3. Os resultados de simulação
serão analisados em duas partes distintas.
Inicialmente são apresentados os resultados de simulação do controlador do motor
BLDC em vazio e em carga, com a técnica de modulação de onda quadrada a 120 graus
em função dos sensores de Hall. Com este modelo de simulação pretende-se analisar
apenas o controlo utilizado no controlador com base nos sinais provenientes dos
sensores de Hall, para posteriormente saber que semicondutores eletrónicos devem ser
ligados ou desligados no inversor fonte de tensão, de modo a produzir as tensões
trapezoidais aplicadas ao motor.
Na segunda parte serão apresentados os resultados de simulação do controlador do
motor BLDC com base no controlo de velocidade. Com este modelo pretende-se
analisar o comportamento do motor para os três modos de ajuda pré-selecionados pelo
utilizador.
4.5.1. Resultados de Simulação do Controlador com Modulação de Onda
Quadrada a 120 graus e sem Controlo de Velocidade.
Os três sinais provenientes dos sensores de Hall do motor BLDC são ligados ao
sistema de controlo para que possa ser determinada a posição instantânea do rotor.
Sabendo a posição instantânea do rotor, e com a técnica de modulação de onda
quadrada a 120 graus, o sistema de controlo do controlador determina para os seis
estados de comutação os sinais de comando dos semicondutores eletrónicos do inversor
fonte de tensão, de modo a produzir as tensões trapezoidais aplicadas ao motor BLDC.
De seguida são analisados os sinais de comando de cada semicondutor eletrónico
do inversor fonte de tensão em função dos sinais provenientes dos sensores de Hall do
motor BLDC. Na Figura 4.4 são apresentados os sinais de comando dos semicondutores
eletrónicos da parte superior do inversor fonte de tensão. A Figura 4.5 mostra os sinais
de comando dos semicondutores eletrónicos da parte de baixo do inversor fonte de
tensão. Na Figura 4.6 são apresentados os três sinais provenientes dos sensores de Hall
com comutação bipolar.
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61
Capítulo 4 – Simulações Computacionais dos Elementos Constituintes da Bicicleta Elétrica
G1
G3
G5
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
Time (s)
Tempo
(s)
Figura 4.4 - Sinais de comando dos semicondutores eletrónicos da parte superior do inversor.
G2
G4
G6
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
Time (s)
Tempo
(s)
Figura 4.5 - Sinais de comando dos semicondutores eletrónicos da parte inferior do inversor.
H1
H2
H3
1
0.5
0
-0.5
-1
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
Time (s)
Tempo
(s)
Figura 4.6 - Sinais de saída dos sensores de Hall do motor BLDC.
Na Figura 4.7 são apresentadas as formas de onda das tensões compostas em
regime permanente aplicadas ao motor em vazio. Esta simulação permite analisar as
tensões trapezoidais aplicadas aos terminais do motor BLDC que são geradas pelo
sistema de controlo com base na modulação de onda quadrada a 120 graus em função
dos sinais provenientes dos sensores de Hall.
62
Desenvolvimento de uma Bicicleta Elétrica
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Capítulo 4 – Simulações Computacionais dos Elementos Constituintes da Bicicleta Elétrica
Tempo (s)
Figura 4.7 - Tensões compostas aplicadas ao motor BLDC em vazio.
As formas de onda das correntes consumidas pelo motor em vazio são
apresentadas na Figura 4.8, onde se podem observar que as formas de onda das
correntes são praticamente quadradas. Deste modo o binário produzido pelo motor é
praticamente constante, ou seja, quando está a funcionar sem carga, o motor BLDC não
apresenta binário pulsante.
Tempo (s)
Figura 4.8 - Corrente consumida pelo motor BLDC em vazio.
Após a validação do sistema de controlo do controlador do motor BLDC em
vazio, de seguida é analisado o comportamento do mesmo em carga. Para tal foi
utilizado um bloco funcional de carga mecânica controlada externamente, que existe na
biblioteca do simulador PSIM. Esta carga mecânica quando acoplada ao veio do motor
permite simular diversos níveis de carga mecânica durante a simulação. Desta forma foi
colocada uma fonte de tensão do tipo Piecewise Linear do PSIM no sinal de controlo da
carga mecânica, de modo a produzir diferentes cargas ao longo da simulação. O valor da
carga mecânica é definido pelo valor da tensão aplicada no sinal de controlo. Este valor
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63
Capítulo 4 – Simulações Computacionais dos Elementos Constituintes da Bicicleta Elétrica
de tensão é diretamente proporcional ao valor da carga mecânica, ou seja, 1 V
corresponde a um binário de 1 Nm.
A análise do desempenho do motor BLDC em função dos diferentes valores de
carga mecânica podem ser vistas em pormenor nas três figuras seguintes. Na Figura 4.9
são apresentadas as formas de onda das três tensões compostas aplicadas pelo motor
elétrico para os diferentes valores de carga; Na Figura 4.10 são apresentadas as
correntes consumidas pelo motor elétrico para os diferentes valores de carga; Na
Figura 4.11 é apresentado a forma de onda do binário.
Tempo (s)
Figura 4.9 - Tensões compostas fornecidas ao motor BLDC para diferentes valores de carga.
Tempo (s)
Figura 4.10 - Correntes consumidas pelo motor BLDC para diferentes valores de carga.
Nos resultados desta simulação podem também ser vistos pequenos cortes entre as
tensões compostas, que representam a região de comutação descrita no item 3.2.1. Este
fenómeno é originado pelas comutações do inversor fonte de tensão entre o estado atual
e o estado seguinte, o que introduz pequenas oscilações no binário.
64
Desenvolvimento de uma Bicicleta Elétrica
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Capítulo 4 – Simulações Computacionais dos Elementos Constituintes da Bicicleta Elétrica
Tempo (s)
Figura 4.11 – Binário resistivo aplicado ao motor BLDC.
A Figura 4.12 apresenta ao pormenor a região de comutação permitindo visualizar
a comutação da corrente (Figura 4.12 (b)) e analisar a comutação das tensões compostas
durante a comutação das correntes (Figura 4.12 (a)). De salientar que a duração da
região de comutação é de apenas 50 µs, no entanto esta região é tanto maior quanto
maior for a corrente solicitada pelo motor BLDC.
Vab (V)
Vbc (V)
Vca (V)
40
20
(a)
Comutação das tensões
durante a comutação das
correntes
0
-20
-40
Ia (A)
Ib (A)
Ic (A)
15
10
5
(b)
0
Comutação das correntes
-5
-10
-15
0.08004
0.08006
0.08008
0.0801
0.08012
0.08014
Time (s)
Tempo
(s)
Figura 4.12 - Análise em pormenor da região de comutação: (a) Comutação das tensões compostas
durante a comutação das correntes; (b) Comutação das correntes.
4.5.2. Resultados de Simulação do Controlador com Modulação de Onda
Quadrada a 120 graus com Controlo de Velocidade
Neste subitem são apresentadas e analisadas as simulações de controlo com base
na técnica de modulação de onda quadrada a 120 graus em conjunto com o controlo de
binário.
O controlo de binário do controlador é baseado no controlo da tensão aplicada aos
terminais do motor BLDC. Neste sentido foi utilizada a modulação por largura de pulso,
a qual é aplicada aos sinais de comando dos semicondutores eletrónicos da parte
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65
Capítulo 4 – Simulações Computacionais dos Elementos Constituintes da Bicicleta Elétrica
superior do inversor fonte de tensão, de modo a proporcionar ao utilizador três modos
de ajuda.
Para simular o controlo de velocidade foi utilizada uma fonte de tensão com três
níveis de tensão, correspondendo cada um ao modo de ajuda selecionado pelo
utilizador. O valor da tensão é utilizado como referência da velocidade, que
posteriormente é subtraída à velocidade atual do motor, resultando daí, o erro da
velocidade. Este erro é processado por um controlador PI do qual resulta a referência do
valor de duty cycle para aplicar nos semicondutores de potência.
A Figura 4.13 mostra a modulação por largura de pulso dos sinais de comando
dos semicondutores eletrónicos da parte superior do inversor fonte de tensão em função
dos sensores de Hall, gerados pelo sistema de controlo de binário. Na Figura 4.14
podem ser vistos os sinais de comando dos semicondutores eletrónicos da parte inferior
do inversor sem modulação.
G1
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0.11028
0.11029
0.1103
Time (s)
0.11031
0.11032
Tempo (s)
Figura 4.13 - Sinais de comando dos semicondutores eletrónicos da parte superior do inversor com
controlo de velocidade.
G2
G4
G6
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
Time (s)
Tempo
(s)
Figura 4.14 - Sinais de comando dos semicondutores eletrónicos da parte inferior do inversor com
controlo de velocidade ao longo de 0,25 s.
66
Desenvolvimento de uma Bicicleta Elétrica
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Capítulo 4 – Simulações Computacionais dos Elementos Constituintes da Bicicleta Elétrica
A Figura 4.15 mostra o comportamento da velocidade atual em função da
velocidade de referência para os três modos de ajuda que podem ser selecionados pelo
utilizador, para o motor BLDC a funcionar em vazio.
Modo 3
Modo 2
Modo 1
Tempo (s)
Figura 4.15 - Velocidade de referência e velocidade atual do motor, sem carga, para os 3 modos de ajuda.
Na Figura 4.16 são apresentadas as formas de onda das tensões compostas
fornecidas ao motor BLDC para os três modos de ajuda, podendo ser visto que, as
tensões compostas fornecidas ao motor BLDC variam de amplitude em função do modo
de ajuda selecionado, através da modulação por largura de pulso.
Modo 1
Modo 2
Modo 3
Tempo (s)
Figura 4.16 - Tensões compostas fornecidas ao motor BLDC para os três modos de ajuda, sem carga.
Após a validação do sistema de controlo de binário do controlador do motor
BLDC com funcionamento em vazio, de seguida é analisado o comportamento do
mesmo em carga. Para tal foi novamente utilizado um bloco funcional de carga
mecânica controlada externamente.
O desempenho do motor BLDC com carga, para os três modos de ajuda pode ser
analisado em pormenor nas seguintes figuras. Na Figura 4.17 são apresentadas as
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67
Capítulo 4 – Simulações Computacionais dos Elementos Constituintes da Bicicleta Elétrica
formas de onda das tensões compostas fornecidas ao motor BLDC em carga, para os
três modos de ajuda.
Na Figura 4.19 são apresentadas as correntes consumidas pelo motor em carga,
para os três modos de ajuda. Na Figura 4.20 são apresentados os valores de velocidade
de referência e da velocidade do motor BLDC, para os três modos de ajuda.
Modo 1
Modo 2
Modo 3
Tempo (s)
Figura 4.17 - Tensões compostas fornecidas ao motor BLDC em carga, para os três modos de ajuda, em
carga.
(a)
(b)
(c)
Figura 4.18 – Valores RMS das tensões compostas: (a) Valores RMS das tensões
compostas para o modo 1; (b) Valores RMS das tensões compostas para o modo 2; (c)
Valores RMS das tensões compostas para o modo 3.
Modo 1
Modo 2
Modo 3
Tempo (s)
Figura 4.19 - Correntes consumidas pelo motor BLDC em carga, para os três modos de ajuda, em carga.
68
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Capítulo 4 – Simulações Computacionais dos Elementos Constituintes da Bicicleta Elétrica
Modo 1
Modo 3
Modo 2
Modo 1
Tempo (s)
Tempo (s)
Figura 4.20 - Velocidade do motor BLDC em função da velocidade de referência para os três modos de
ajuda, em carga.
4.6.
Circuito de Potência do Carregador de Baterias
Como mencionado anteriormente no subitem 3.6.4, o carregador de baterias será
implementado com base numa fonte comutada do tipo boost, ligada à saída de um
carregador de computador portátil.
Deste modo, o circuito de potência do carregador de baterias, apresentado
na Figura 4.21, é constituído por uma fonte de tensão contínua de 20 V, que representa a
saída isolada do carregador de baterias de um computador portátil. Esta fonte é ligada, à
entrada da fonte comutada boost, que é constituída por uma indutância de 220 µH, por
um interruptor eletrónico, por um díodo rápido, e por um condensador de saída de 10 µF
de polipropileno. O circuito de potência é também ele, constituído por um bloco bateria,
que representa o modelo da bateria de lítio polímero utilizada nesta dissertação.
Figura 4.21 - Circuito de potência do carregador de baterias.
4.7.
Sistema de Controlo do Carregador de Baterias
O sistema de controlo do carregador de baterias, implementado no ambiente de
simulação PSIM, foi desenvolvido num bloco C, na medida em que o código de
controlo da simulação possa ser posteriormente utilizado na implementação física do
circuito de controlo do carregador. Com este intuito, na Figura 4.22 está representado o
Desenvolvimento de uma Bicicleta Elétrica
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69
Capítulo 4 – Simulações Computacionais dos Elementos Constituintes da Bicicleta Elétrica
sistema de controlo constituído por um bloco C com cinco entradas e duas saídas. Como
entradas tem-se inicialmente: o valor da tensão de saída da fonte comutada boost, ao
qual é multiplicado um ganho de 10; o valor da corrente de saída da fonte comutada; a
tensão do estado de carga do modelo da bateria; a tensão aos terminais do modelo da
bateria; e por último o número de células da bateria. Quanto às saídas, temos em
primeiro o valor resultante do controlador PI internamente implementado no bloco C,
que depois é comparado com uma onda triangular, da comparação resulta o valor de
referência para a modulação de largura de impulso. Quanto à segunda saída,
corresponde ao valor de referência da fonte de tensão controlada do modelo da bateria.
Figura 4.22 - Circuito de controlo do carregador de baterias.
4.8.
Modelo de Baterias
O modelo de baterias proposto em [52] é apresentado na Figura 4.23, tendo sido
este, implementado no ambiente de simulação PSIM, de forma a modelar o
comportamento da bateria de lítio polímero utilizada nesta dissertação.
O modelo de baterias apresentado é constituído por dois circuitos separados, que
no entanto, estão interligados por uma fonte de tensão controlada por tensão e por uma
fonte de corrente controlada por corrente. A Figura 4.23 (a) modela a capacidade de
armazenamento de energia da bateria, bem como a carga armazenada durante o
processo de carregamento ou descarregamento da mesma. Na Figura 4.23 (b) o circuito
apresentado modela a resistência interna da bateria e o comportamento transitório para
diferentes cargas.
A fonte de tensão controlada por tensão representa a dependência não linear entre
o estado de carga (Vsoc) e o valor de tensão (Vbo). A tensão Vbo é normalizada de
forma que Vbo = 1 V, que equivale a um estado de carga de 100%.
70
Desenvolvimento de uma Bicicleta Elétrica
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Capítulo 4 – Simulações Computacionais dos Elementos Constituintes da Bicicleta Elétrica
Figura 4.23 - Circuito do modelo da bateria implementado no PSIM.
4.9.
Resultados de Simulação do Carregador de Baterias
Neste item são analisadas as simulações computacionais relativas ao carregador
de baterias, com o algoritmo de controlo de corrente constante seguida de tensão
constante aplicado ao modelo da bateria. Neste algoritmo de controlo, num primeiro
estágio, a corrente permanece constante com o valor de 3 A, enquanto a tensão aumenta
progressivamente até atingir o valor de 42 V. Posteriormente é imposta uma tensão
constante aos terminais da bateria com o valor de 42 V, até que, a corrente seja de
aproximadamente 0,1 A.
Na Figura 4.24 são apresentados os resultados de simulação, para o algoritmo de
controlo de corrente constante seguida de tensão constante aplicado ao modelo da
bateria. De salientar que, a Figura 4.24 (a) mostra a corrente fornecida à bateria, sendo
que no instante inicial, o valor da corrente é aumentado progressivamente até este
atingir o valor de referência. A Figura 4.24 (b) mostra a forma de onda da tensão,
aplicada aos terminais da bateria, note-se que, no instante inicial a tensão da bateria é de
33 V, o que corresponde ao mínimo valor de tensão recomendado para a bateria.
Ibat (A)
(a)
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
Vbat (V)
44
42
40
(b)
38
36
34
32
0.02
0.04
0.06
0.08
Time (s)
Tempo
(s)
0.1
0.12
0.14
0.16
Figura 4.24 - Resultados de simulação para o algoritmo de controlo corrente constante seguida de tensão
constante: (a) Corrente fornecida à bateria; (b) Tensão aos terminais da bateria.
Na Figura 4.25 é apresentada a evolução do estado de carga da bateria em
percentagem, com o algoritmo de controlo de corrente constante seguida de tensão
constante. Note-se que, durante o 1º estágio, o estado de carga da bateria aumenta
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71
Capítulo 4 – Simulações Computacionais dos Elementos Constituintes da Bicicleta Elétrica
progressivamente de forma linear, devido à corrente constante fornecida à bateria. No 2º
estágio, o estado de carga da bateria continua a aumentar, mas de forma mais lenta,
devido ao decréscimo da corrente.
Figura 4.25 - Evolução do estado de carga da bateria com o algoritmo corrente constante seguido de
tensão constante.
4.10. Conclusão
Neste capítulo foram apresentados os modelos de simulação dos elementos
constituintes da bicicleta elétrica desenvolvida no âmbito desta dissertação de mestrado.
Para o motor BLDC utilizado na bicicleta elétrica foram apresentados e analisados o
sistema de controlo do motor BLDC, o circuito de potência do controlador e o sistema
de controlo do controlador, bem como os resultados obtidos a partir dos mesmos.
Para a bateria de lítio polímero, utilizada no desenvolvimento da bicicleta elétrica,
foram apresentados o circuito de potência do carregador de baterias, o sistema de
controlo do carregador e o modelo da bateria, bem como os resultados obtidos a partir
dos mesmos.
Inicialmente foram determinados os sinais provenientes dos sensores de Hall com
base no modelo do motor BLDC disponível no programa PSIM. Sabendo a posição
instantânea do rotor do motor BLDC, foi simulado o sistema de controlo, de duas
formas distintas. Primeiro foi simulado o sistema de controlo com base na modulação
de onda quadrada a 120 graus, sem controlo de velocidade, e com o motor a operar em
vazio e em carga. Nestas simulações foram analisadas as correntes quase quadradas
consumidas pelo motor BLDC, as formas de onda das tensões compostas trapezoidais
aplicadas ao motor, e o desempenho do motor BLDC para diferentes valores de carga.
Posteriormente o sistema de controlo foi simulado com base na modulação de onda
quadrada a 120 graus, com controlo de velocidade e com o funcionamento do motor
72
Desenvolvimento de uma Bicicleta Elétrica
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Capítulo 4 – Simulações Computacionais dos Elementos Constituintes da Bicicleta Elétrica
BLDC em vazio e em carga. O objetivo destas simulações foi o de analisar o
desempenho do motor BLDC para os diferentes s de ajuda selecionados pelo utilizador.
Posteriormente foi simulado o controlo do carregamento de baterias, sendo
testado o algoritmo de controlo corrente constante seguido de tensão constante aplicado
ao carregador de baterias, foi também simulado o modelo da bateria, de forma a ter o
estado de carga da mesma.
Assim sendo, as simulações realizadas e apresentadas neste capítulo, foram
essenciais para validar os sistemas de controlo, quer o do motor BLDC, quer o
carregamento da bateria de lítio polímero, utilizados no desenvolvimento da bicicleta
elétrica. Permitiram também validar e ajustar os ganhos proporcionais e integrais dos
sistemas de controlo, de forma a otimizar todo o sistema desenvolvido.
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73
CAPÍTULO 5
Implementação dos Elementos Constituintes da
Bicicleta Elétrica
5.1.
Introdução
Neste capítulo é descrita a implementação dos elementos constituintes da
bicicleta elétrica. Numa primeira fase são apresentadas, a implementação do sistema de
controlo, a implementação dos sensores e a implementação das funcionalidades da
bicicleta elétrica (velocímetro, conta-quilómetros, data e hora e o modo de ajuda).
Posteriormente é apresentado o circuito de potência do controlador do motor BLDC, o
qual é composto por um conversor CC-CC, por um inversor fonte de tensão trifásico e
pelo circuito de condicionamento de sinal dos sensores de Hall. Por fim, é apresentado
o circuito de potência do carregador de baterias, o qual integra um regulador de tensão
linear, um circuito amplificador e uma fonte comutada boost.
As implementações acima referidas, foram previamente testadas em breadboard
e após serem validadas, foram reproduzidas em circuitos PCB (Printed Circuit Board).
Foi também utilizada uma ferramenta de desenho de PCBs, designadamente o PADS,
para conceber o esquemático dos circuitos implementados. O fabrico destas PCBs foi
realizado nas oficinas do Departamento de Eletrónica Industrial da Universidade do
Minho.
5.2.
Sistema de Controlo
O principal objetivo do sistema de controlo da bicicleta elétrica é garantir que as
normas aplicadas a bicicletas elétricas são respeitadas. Assim, neste item são descritos e
apresentados 4 tipos de sensores, nomeadamente os sensores de corrente, o sensor de
tensão, o sensor magnético e o sensor de posição. De seguida são apresentados os
algoritmos de controlo para a bicicleta elétrica e para o sistema de carregamento da
bateria. Posteriormente é apresentado o display LCD (Liquid Crystal Display) e os
microcontroladores utilizados na bicicleta elétrica e no sistema de carregamento de
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75
Capítulo 5 – Implementação dos Elementos Constituintes da Bicicleta Elétrica
baterias. Finalmente são descritos e apresentados as funcionalidades da bicicleta elétrica
(velocímetro, conta-quilómetros, data e hora e o modo de ajuda).
5.2.1. Sensores de Corrente
Para efetuar as medições dos valores das correntes no controlador do motor
BLDC e no carregador de baterias foram utilizados sensores de corrente de diferentes
topologias.
Desta forma, para medir o valor da corrente consumida pelo motor BLDC foi
utilizado um sensor de efeito de Hall. O sensor de corrente adotado na implementação é
o sensor de efeito de Hall ACS712-20A fabricado pela Allegro (Figura 5.1 (a)) [59].
Este sensor foi escolhido, na medida em que permite medições de correntes até 20 A, e
porque apresenta como características: a medição de corrente continua e/ou alternada, a
saída do valor da corrente medida é dada em tensão, baixo offset na saída, boa
linearidade,
grande
largura
de
banda
e
boa
imunidade
a
interferências
eletromagnéticas [59]. Na Figura 5.1 (b) é apresentado o circuito do sensor ACS71220A implementado para a medição da corrente. A saída do sensor (VIOUT) tem uma
inclinação positiva quando o sentido da corrente é conduzido dos pinos 1 e 2 para os
pinos 3 e 4, sendo que a relação da tensão em função da corrente percorrida entre os
pinos é de 100 mV/A. A condução da corrente através dos pinos anteriormente
mencionados do sensor apresenta apenas uma resistência de 1,2 mΩ, proporcionando
baixas perdas de energia. Os terminais de alimentação do sensor são eletricamente
isolados dos pinos utilizados para a medição da corrente, o que permite ao sensor
ACS712-20A ser utilizado em aplicações que requerem isolamento elétrico.
(a)
(b)
Figura 5.1 - Sensor de corrente de efeito de Hall: (a) Sensor ACS712-20A; (b) Circuito de medição [59].
Para medir o valor da corrente no carregador de baterias foi utilizada uma
resistência de potência ligada em série com a bateria (Figura 5.2). Esta resistência, com
76
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Capítulo 5 – Implementação dos Elementos Constituintes da Bicicleta Elétrica
valor nominal de 0,1 Ω e 5 W, foi escolhida para que, aos terminais desta apareça uma
tensão cuja relação seja de 100 mV/A. O valor de tensão aos terminais da resistência é
obtido apenas num dos terminais, visto que o outro terminal da resistência se encontra
ligada ao nível de tensão 0.
L
D
DC
M
Bateria
C
G
Rs
R2
Vin
R1
Vout
+
Figura 5.2 - Esquema elétrico do sensor de corrente utilizado no carregador de baterias.
A tensão aos terminais da resistência é amplificada utilizando a montagem
amplificadora não inversora com ganho de 10 (equação (5.1)), de forma a aumentar a
resolução do sinal para posteriormente ser adquirido pelo ADC (Analog Digital
Converter) do microcontrolador.
Vout  (1 
R2
) Vin
R1
(5.1)
5.2.2. Sensor de Tensão
Devido ao algoritmo de controlo do carregador de baterias foi necessário
implementar um sensor de tensão, para adquirir o valor instantâneo da tensão, nos
terminais da bateria. Os sensores de tensão isolados normalmente apresentam um custo
de aquisição relativamente elevado. Deste modo a medição da tensão é realizada
diretamente ou seja o circuito de medição da tensão não é isolado. No entanto foi
necessário implementar um divisor resistivo para proceder à aquisição do valor da
tensão, uma vez que, quer a tensão mínima quer a tensão máxima da bateria são valores
muito acima dos valores nominais adquiridos pelo ADC do microcontrolador. Deste as
resistências do divisor resistivo foram determinadas através da equação (5.2) de forma,
a que a tensão VST esteja compreendida entre 0 e 5 V quando aos terminais da bateria
estiver uma tensão entre 30 V e 45 V.
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77
Capítulo 5 – Implementação dos Elementos Constituintes da Bicicleta Elétrica
VST 
R2
Vin
R1  R2
(5.2)
Na
Figura 5.3
é apresentado o esquema elétrico para a medição da tensão aos
terminais da bateria.
L
DC
D
M
G
C
R1
VST
Bateria
R2
Figura 5.3 - Esquema elétrico do sensor de tensão utilizado no carregador de baterias.
5.2.3. Sensor Magnético
A velocidade é uma variável relevante para o sistema de controlo da bicicleta
elétrica, uma vez que a legislação portuguesa obriga a que, a alimentação do motor seja
interrompida quando a velocidade for igual ou superior a 25 km/h.
Deste modo foi utilizado um sensor magnético para efetuar a leitura da
velocidade da bicicleta elétrica. Dentre os diversos tipos de sensores magnéticos
comercialmente existentes, foi utilizado um Reed Switch, o qual apresenta um modo de
funcionamento muito semelhante a um interruptor. Este sensor, por defeito encontra-se
em circuito aberto, mas quando na presença de um elemento ferromagnético o circuito
elétrico é fechado. O funcionamento do sensor Reed Switch pode ser analisado com
mais pormenor na Figura 5.4.
Figura 5.4 - Princípio de funcionamento do sensor Reed Switch [60].
Na Figura 5.5 (a) é apresentado o esquema elétrico do circuito implementado
para obter a velocidade da bicicleta elétrica, o qual mostra o sinal medido do sensor
magnético é posteriormente adquirido pelo microcontrolador. Este sinal digital é obtido
78
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Capítulo 5 – Implementação dos Elementos Constituintes da Bicicleta Elétrica
através do elemento magnético, ou seja, quando este se encontra perto do sensor o sinal
medido é de 0 V, quando isso não acontece o sinal medido é de 5 V.
Na Figura 5.5 (b) é apresentada a imagem do sensor magnético Reed Switch
utilizado, onde à esquerda pode ser visto o componente magnético que se coloca nos
raios da roda, e à direita o sensor que é colocado na forqueta, junto à roda dianteira da
bicicleta elétrica.
5V
R1
Sinal
Elemento
magnético
Sensor
(a)
(b)
Figura 5.5 - Sensor magnético: (a) Esquema elétrico implementado; (b) Sensor magnético Reed Switch
utilizado na bicicleta elétrica.
5.2.4. Sensor de Posição
Para cumprir com as normas legislativas apresentadas no capítulo 1 foi
necessário implementar um sensor que permita adquirir a informação necessária acerca
do movimento da pedaleira, ou seja, deve indicar se o utilizador está a pedalar ou não e
em que sentido ele pedala.
Deste modo, foi necessário escolher um sensor, ou conjunto de sensores, que
possibilitasse a leitura dessa informação. Após pesquisa, foi concluído que a forma
menos dispendiosa de adquirir a informação sobre o movimento da pedaleira era utilizar
um conjunto de dois sensores óticos, de forma que, à passagem de um disco com
ranhuras pelos sensores indique o sentido de rotação da pedaleira. A utilização destes
dois sensores quando desfasados de 90 graus, permitem determinar em que sentido a
pedaleira está a rodar, pois dependendo da rotação da pedaleira, surgem diferentes
combinações de sinal, resultante da leitura dos sensores.
Entre os diversos sensores óticos comercialmente existentes pretendia-se um que
fosse fiável, barato, pequeno e que o encapsulamento seja robusto. Desta forma, a
Figura 5.6 (a) mostra o sensor ótico TCST1103 da Vishay, utilizado para adquirir a
informação da pedaleira da bicicleta elétrica [61]. Na Figura 5.6 (b) é apresentado o
esquema elétrico do circuito implementado.
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79
Capítulo 5 – Implementação dos Elementos Constituintes da Bicicleta Elétrica
(a)
1
3
2
4
(b)
Figura 5.6 - Sensor ótico: (a) Sensor ótico TCST1103 da Vishay; (b) Esquema elétrico do sensor
TCST1103 da Vishay.
A Figura 5.7 (a) mostra o esquema elétrico do circuito implementado para a
aquisição do movimento da pedaleira. Já na Figura 5.7 (b) é apresentada a placa de
circuito impresso desenhada e implementada para ser colocada na bicicleta elétrica de
forma a determinar o movimento da pedaleira.
5V
Sinal A
50 Ω
10 kΩ
Sinal B
50 Ω
10 kΩ
(a)
(b)
Figura 5.7 - Sensor de posição: (a) Esquema elétrico do sensor implementado; (b) Placa de circuito
impresso do sensor implementado.
5.2.5. Algoritmos de Controlo
Neste item são descritos os algoritmos aplicados ao controlador do motor
BLDC, bem como ao controlo do sistema de carregamento. O algoritmo de controlo
utilizado no controlador do motor é apresentado na Figura 5.8. Inicialmente são
inicializadas todas as variáveis do sistema, de seguida é realizada uma verificação do
estado dos diversos elementos constituintes da bicicleta elétrica, nomeadamente: a
informação dos três sensores de Hall, o valor da corrente atual; o modo de ajuda, e o
sensor da pedaleira. Posteriormente é verificado se os travões da bicicleta elétrica estão
acionados, e em caso positivo o algoritmo passa para a próxima instrução, senão fica no
mesmo estado. A instrução seguinte verifica se o utilizador está a pedalar, se sim volta a
verificar se o utilizador pedala para a frente, se em ambas as verificações o resultado for
não o algoritmo passa para a primeira verificação. Seguidamente o algoritmo verifica se
a bicicleta elétrica está a circular a menos de 25 km/h, se estiver, verifica qual é o modo
80
Desenvolvimento de uma Bicicleta Elétrica
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Capítulo 5 – Implementação dos Elementos Constituintes da Bicicleta Elétrica
de ajuda atual para ajustar o valor de duty-cycle em função do modo de ajuda. Caso a
bicicleta elétrica circule a 25 km/h ou mais, o algoritmo de controlo volta para a
verificação inicial.
Não
Início
O travão não
está acionado ?
Inicialização das
variáveis
Circula a menos
de 25 km/h?
Não
Sim
Sim
Verificação do estados dos
diversos elementos constituintes
da bicicleta elétrica
O utilizador está
a pedalar?
Sim
Qual o modo de
ajuda atual ?
Modo 1
Modo 3
Sim
Modo 2
Ajuste do valor
de duty-cycle
correspondente
Está a pedalar
para a frente?
Ajuste do valor
de duty-cycle
correspondente
Ajuste do valor
de duty-cycle
correspondente
Figura 5.8 - Algoritmo de controlo utilizado na bicicleta elétrica.
O algoritmo de controlo do sistema de carregamento apresentado na Figura 5.9,
serve como base para o controlo do conversor boost, de modo a que, a bateria possa ser
carregada com corrente constante, seguida de tensão constante. Para tal, o algoritmo de
controlo começa por inicializar todas as variáveis do sistema de carregamento, de
seguida verifica se a tensão aos terminais da bateria é inferior a 40 V, se sim aplica o
algoritmo de corrente constante até que a tensão aos terminais da bateria seja igual ou
superior 40 V. Caso a tensão aos terminais da bateria seja igual ou superior a 40 V, o
algoritmo verifica se a corrente é inferior a 0,2 A, se sim volta para a primeira
verificação, senão aplica o algoritmo de tensão constante até a corrente ser inferior a
0,2 A.
Início
Inicialização das
variáveis
Sim
Tensão na bateria
inferior a 40 V?
Não
Corrente
inferior a 0,2 A?
Sim
Não
Aplicação do
algoritmo de
corrente
Aplicação do
algoritmo de
tensão
Figura 5.9 - Algoritmo de controlo do sistema de carregamento da bateria utilizada na bicicleta elétrica.
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81
Capítulo 5 – Implementação dos Elementos Constituintes da Bicicleta Elétrica
5.2.6. LCD
A monitorização dos parâmetros da bicicleta elétrica é realizada com recurso a
um LCD. Este permite informar o utilizador sobre os parâmetros da bicicleta elétrica,
como por exemplo, o estado das baterias, a velocidade instantânea, distância percorrida,
avisos de erros, o modo de ajuda selecionado, hora e data. Na Figura 5.10 é apresentado
um LCD de quatro linhas com vinte caracteres cada, do fabricante DisplayTech, que foi
implementado para a bicicleta elétrica. Este LCD de 16 pinos apresenta como principais
características: comunicação paralela, rapidez de escrita (46 µs) e luz de fundo azul para
uma boa visualização da informação.
Figura 5.10 - LCD utilizado na bicicleta elétrica.
Para uma melhor visualização da informação no LCD foi implementado um
circuito com um potenciómetro para regular a intensidade da luz de fundo do LCD e
outro potenciómetro que regula a intensidade do contraste dos caracteres. Na Tabela 5.1
é apresentada a função e descrição dos pinos do LCD utilizado na bicicleta elétrica.
Tabela 5.1 - Função e descrição dos pinos do LCD utilizado na bicicleta elétrica.
Pino
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
82
Função
Descrição
Alimentação
Alimentação
VO
RS
Seleção:
R/W
Seleção:
E
Seleção:
B0
LSB (Low Significant Bits)
B1
B2
B3
B4
B5
B6
B7
MSB (Most Significant Bits)
A
K
GND
5V
Tensão para o ajuste de contraste
1- Dados, 0-Instrução
1-Leitura, 0-Escrita
1-Habilita, 0-Desabilitado
Barramento de Dados
Ânodo (LED)
Cátodo (LED)
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Capítulo 5 – Implementação dos Elementos Constituintes da Bicicleta Elétrica
5.2.7. Microcontroladores
Para o desenvolvimento dos elementos constituintes da bicicleta elétrica foi
necessário recorrer à utilização de dois microcontroladores distintos, na medida em que
um dos microcontroladores será utilizado no carregador de baterias, e o outro no
controlador do motor BLDC.
No entanto, a programação em linguagem C de ambos os microcontroladores foi
realizada com o ambiente de programação Arduino Alpha, como mostra a Figura 5.11.
Este ambiente de simulação open source, permite a criação de novos programas em
linguagem C, bem como a compilação e debug do programa desenvolvido.
Figura 5.11 - Ambiente de programação utilizado na programação dos microcontroladores.
Microcontrolador Utilizado no Carregador de Baterias
Para implementar o controlo do carregador de baterias foi utilizado um
microcontrolador ATmega328P do fabricante ATMEL. Este microcontrolador de 8-bits
apresenta como características: alto desempenho/baixo consumo; funciona com cristais
até
20 MHz;
10000
ciclos
de
escrita/apagar
da
memória
Flash;
2
contadores/temporizadores de 8-bits com prescaler separados e com modo de
comparação; 1 contador/temporizador de 16-bits com prescaler separado e com modo
de comparação e modo de captura; 6 pinos de PWM; 6 canais de ADCs de 10-bits; TWI
(Two
Wire
Interface);
comparador
analógico;
e
finalmente
um
watchdog
programável [62]. O diagrama de blocos deste microcontrolador pode ser consultado na
Figura 5.12.
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83
Capítulo 5 – Implementação dos Elementos Constituintes da Bicicleta Elétrica
Figura 5.12 - Diagrama de blocos do microcontrolador ATmega328P [62].
A placa de desenvolvimento Duemilanove do fabricante Arduino, apresentada na
Figura 5.13, foi utilizada apenas para programar o microcontrolador ATmega328P,
devido à simplicidade no que confere à programação, baixo custo e ao facto de ser open
source. As especificações e características da placa de desenvolvimento Duemilanove
podem ser consultadas na Tabela 5.2.
Tabela 5.2 - Especificações e características da placa de desenvolvimento Duemilanove [63].
Tensão de alimentação
5V
Tensão de entrada (nominais)
7 V-12 V
Tensão de entrada (máximos)
6 V-20 V
Pinos E/S digitais
14 (dos quais 6 podem ser utilizados como PWM)
Pinos analógicos de entrada
6
Corrente por pino de E/S
40 mA
Corrente no pino de 3,3 V
50 mA
Velocidade do relógio
16 MHz
84
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Capítulo 5 – Implementação dos Elementos Constituintes da Bicicleta Elétrica
Figura 5.13 - Placa de desenvolvimento Duemilanove [63].
Microcontrolador Utilizado no Controlador do Motor BLDC
O controlador do motor BLDC foi implementado no microcontrolador
ATmega2560 do fabricante ATMEL. Isto porque, a placa de desenvolvimento Arduino
Mega do fabricante Arduino, apresentada na Figura 5.14, é baseada neste
microcontrolador de elevado desempenho com um custo de aquisição reduzido. Este
microcontrolador de 8-bits de baixo consumo energético, dispõe das seguintes
características: memória flash de 256 kBytes; 10000 ciclos de escrita/apagar da
memória Flash e 100000 ciclos na EEPROM; 2 contadores/temporizadores de 8-bits
com prescaler separados e com modo de comparação; 4 contadores/temporizadores de
16-bits com prescaler separado e modo de comparação e modo de captura; 1 contador
em tempo real; 4 canais de PWM de 8-bits; 12 canais de PWM programáveis com
resolução de 2 a 16 bits; 16 canais com ADC de 10-bits; 4 canais de serial USART; TWI
(Two Wire Interface) e comparador analógico integrado [64].
Figura 5.14 - Placa de desenvolvimento Arduino Mega [65].
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85
Capítulo 5 – Implementação dos Elementos Constituintes da Bicicleta Elétrica
O diagrama de blocos do microcontrolador ATmega2560 pode ser analisado na
Figura 5.15.
Figura 5.15 - Diagrama de blocos do microcontrolador ATmega2560 [64].
As características e especificações da placa de desenvolvimento Arduino Mega podem
ser consultadas na Tabela 5.3.
Tabela 5.3 - Características e especificações da placa de desenvolvimento Arduino Mega.
Tensão de alimentação
5V
Tensão de entrada (nominais)
7 V-12 V
Tensão de entrada (máximos)
6 V-20 V
Pinos E/S digitais
54 (dos quais 15 podem ser utilizados como PWM)
Pinos analógicos de entrada
16
Corrente por pino de E/S
40 mA
Corrente no pino de 3,3 V
50 mA
Memória flash
128 kB (dos quais 4 kB utilizados como bootloader)
Velocidade do relógio
16 MHz
86
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Capítulo 5 – Implementação dos Elementos Constituintes da Bicicleta Elétrica
5.2.8. Funcionalidades da Bicicleta Elétrica
Neste item são apresentadas algumas das funcionalidades implementadas na
bicicleta elétrica. A implementação destes indicadores básicos, mostrados no LCD, tem
como objetivo essencial a apresentação de algumas informações importantes para o
utilizador, como a velocidade, o conta-quilómetros, a data e hora, e o estado de carga da
bateria. Estas funcionalidades descritas são apresentadas e analisadas de seguida, de um
modo particular e em pormenor.
Velocímetro
O velocímetro implementado na bicicleta elétrica pode ser visualizado no LCD,
e tem como objetivo informar o utilizador a que velocidade a bicicleta circula. A
implementação do velocímetro é determinada pela distância percorrida num intervalo de
tempo. Partindo deste princípio, procedeu-se à medição do raio da roda da bicicleta
(32 cm) e posteriormente ao cálculo do perímetro da roda com base no raio
(equação (5.3)).
Proda  2 Rroda
(5.3)
Proda  2 0,32  2,011m
Sabendo o perímetro e com a informação do sensor magnético Reed Switch
colocado na forqueta da bicicleta elétrica foi implementada uma interrupção externa que
é ativada quando o elemento magnético passa pelo sensor. Com a interrupção
implementada, configurou-se um timer para determinar o tempo de cada interrupção,
desta forma, obtém-se as duas variáveis para se proceder, ao cálculo da velocidade
Velocidade km / h  3,6
distância m 
tempos 
(5.4)
O valor 3,6 é utilizado para a conversão de m/s para km/h.
Conta-quilómetros
Para a implementação do conta-quilómetros recorre-se à funcionalidade do
velocímetro. Visto que, a cada volta da roda da bicicleta elétrica é ativada uma
interrupção externa, e como em cada interrupção são percorridos aproximadamente 2
metros, então é contado o número de interrupções externas e multiplicado pelo
perímetro da roda.
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87
Capítulo 5 – Implementação dos Elementos Constituintes da Bicicleta Elétrica
Por razões de processamento do microcontrolador, a resolução da variável contaquilómetros é atualizada até à décima de quilómetro, ou seja, o valor apresentado no
LCD vai sendo incrementado 0,1 km de cada vez. Desta forma, a variável que conta o
número de interrupções externas deve atingir 50 transições até ser acrescentado uma
décima de quilómetro no LCD.
Relógio de Tempo Real
Para implementar o relógio de tempo real foi utilizado o circuito integrado
DS1307 do fabricante Maxim. Este circuito integrado é um relógio de tempo real que
apresenta um calendário completo e permite a utilização de 56 bytes de memória
RAM [66]. Este relógio/calendário proporciona a informação dos segundos, minutos,
horas, dia, dia da semana, mês e ano, sendo que os meses são automaticamente
acertados quanto ao número de dias, inclusive para os anos bissextos. O DS1307
permite também a configuração da exibição da hora em formato de 24 horas ou 12 horas
com a indicação AM e PM. Na Figura 5.16 é apresentado o diagrama de blocos do
circuito integrado DS1307.
O correto funcionamento do DS1307 depende essencialmente da utilização de
uma pilha de 3 V conectada ao pino Vbat, para fazer o backup da informação, e de um
cristal com frequência igual a 32,768 kHz, conectado entre os pinos x1 e x2. Este cristal
é específico para este tipo de aplicações, na medida em que, ao ser acoplado a um
contador de 16 bits, tem-se exatamente 1 s quando o bit mais significativo troca de
estado. A transferência de dados do circuito integrado para o microcontrolador é feita
em I2C pelos pinos SCL e SDA, os quais necessitam de resistências de pull-up, visto que
a saída é em coletor aberto.
Figura 5.16 - Diagrama de blocos do circuito integrado DS1307 do fabricante Maxim [66].
88
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Capítulo 5 – Implementação dos Elementos Constituintes da Bicicleta Elétrica
Na Figura 5.17 (a) é apresentado o esquema elétrico implementado do relógio de
tempo real com base no DS1307. A Figura 5.17 (b) mostra a placa de circuito impresso
desenvolvida para fornecer a data e hora.
VCC
VCC
Cristal
R2
R1
X1
X2
SCL
R3
VCC
SQW/OUT
DS1307
SDA
VBat
GND
+
-
(a)
(b)
Figura 5.17 - Relógio de tempo real implementado: (a) Esquema elétrico; (b) Placa de circuito impresso
do relógio.
Estado de Carga
Para estimar o nível de carga da bateria foi necessário traçar a curva de descarga
da bateria de lítio polímero. Na Figura 5.18 é apresentada a curva de descarga da bateria
quando utilizada na alimentação do motor BLDC com uma carga mecânica com binário
de 7 Nm. Traçando uma reta sobre a curva de descarga é possível associar o valor atual
de tensão na bateria ao nível de carga existente.
45 V
Tensão (V)
36 V
27 V
18 V
0 min
20 min
40 min
60 min
80 min
100 min
120 min
140 min
160 min
Tempo (min)
Figura 5.18 - Curva de descarga da bateria de lítio polímero utilizada na bicicleta elétrica.
Para que a informação referente ao nível de carga da bateria seja visualizável no
LCD, foi necessário implementar um divisor resistivo para converter a tensão da bateria
numa tensão admissível pelo ADC do microcontrolador.
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89
Capítulo 5 – Implementação dos Elementos Constituintes da Bicicleta Elétrica
Assim, com base no valor da tensão da bateria e com a curva de descarga, é
estimado um valor de carga para um determinado valor de tensão.
5.3.
Circuito de Potência do Controlador do Motor BLDC
O circuito de potência do controlador apresentado na Figura 5.19, é constituído
por
um
inversor
fonte
de
tensão
trifásico,
pelo
respetivo
circuito
de
comando/isolamento, por um conversor CC-CC, e por um circuito de condicionamento
de sinal. De seguida são analisados com maior pormenor todos estes circuitos.
Figura 5.19 - Circuito de potência do controlador do motor BLDC implementado.
5.3.1. Circuito de Condicionamento de Sinal
O circuito de condicionamento de sinal presente no circuito de potência do
controlador foi implementado para obter os sinais provenientes dos sensores de Hall.
Uma vez que a sua saída é feita em coletor aberto, foi necessário colocar uma
resistência de pull-up à saída de cada sensor para obter o sinal do sensor de Hall, como
mostra a Figura 5.20.
5V
Efeito de Hall
R1
VH
Sensor de Hall
Figura 5.20 - Estágio de saída do sensor de Hall.
90
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Capítulo 5 – Implementação dos Elementos Constituintes da Bicicleta Elétrica
5.3.2. Conversor CC-CC
No desenvolvimento da bicicleta elétrica foi necessário implementar um
conversor CC-CC, de modo a converter a tensão da bateria numa tensão constante de
5 V, para a alimentação do circuito de controlo, do microcontrolador e dos sensores.
Deste modo foi utilizado o PTB78560 da marca Texas Instruments apresentado
na Figura 5.21. Este conversor buck de 30 W foi projetado para operar com uma gama
de tensão entre 18 V e 60 V na entrada, e três valores de tensão predefinidos na saída,
designadamente 3,3 V, 5 V e 12 V. Como principais características o PTB78560
apresenta proteção contra sobrecorrentes, contra subtensões e sobretensões na entrada,
bem como um isolamento elétrico até 1500 Vdc [67].
Figura 5.21 - Conversor buck PTB78560 da marca Texas Instruments [67].
Assim, com a utilização do PTB78560, é possível manter uma tensão constante
de 5 V na saída independentemente do estado de carga da bateria, bem como o
isolamento elétrico entre o controlo e o circuito potência. A Figura 5.22 mostra o
conversor buck implementado com base no PTB78560.
De salientar que, do lado da entrada do conversor o pino NEN corresponde ao
enable do conversor, o qual deve estar conectado ao terminal negativo para que o
conversor funcione, uma vez que o sinal logico é negado. É também necessário o uso de
um condensador eletrolítico de 100 µF, conectado entre os terminais de alimentação +Vi
e -Vi, para estabilizar a tensão de entrada. Quanto ao lado da saída do conversor, o pino
+Sense e o -Sense são conectados entre o terminal positivo e o terminal negativo da
saída, de modo a efetuar o controlo em malha fechada do sistema. No pino VoAdjust é
colocada uma resistência com valor de 5,7 kΩ de modo a selecionar uma tensão
constante de 5 V na saída do conversor, e finalmente, no pino VoBUS é colocado um
condensador eletrolítico de 220 µF para estabilizar a tensão de saída.
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91
Capítulo 5 – Implementação dos Elementos Constituintes da Bicicleta Elétrica
PTB78560
+Vbat
+Sense
+Vi
Vo
VoBUS
VoAdjust
C1
NEN
C2
VoCOM
-Vbat
-Vi
Rset
-Sense
Figura 5.22 - Conversor buck PTB78560 da Texas Instruments.
5.3.3. Inversor Trifásico
Nesta dissertação foi necessário implementar um inversor trifásico, uma vez que,
o motor BLDC utilizado na bicicleta elétrica é também ele trifásico. Este inversor é
composto por seis MOSFETs, sendo que três são do tipo PMOSFET na parte superior
do inversor, e três do tipo NMOSFET na parte inferior do inversor. A utilização destes
dois tipos de MOSFETs diferentes em cada um dos braços do inversor trifásico, permite
economizar até 4 fontes isoladas, das quais três seriam necessárias para ativar os 3
sinais de comando dos MOSFETs da parte superior e uma para ativar os 3 MOSFETs da
parte inferior do inversor.
Assim, como mostra a Figura 5.23, a utilização do PMOSFET na parte superior
do inversor permite que o sinal de comando tenha como referência o potencial mais alto
(VCC), e por outro lado, a utilização do NMOSFET na parte inferior do inversor permite
que o sinal de comando tenha como referência o potencial mais baixo (-VCC).
+Vcc
G1
Fase A
G4
-Vcc
Figura 5.23 - Esquema elétrico de cada um dos braços do inversor trifásico.
92
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Capítulo 5 – Implementação dos Elementos Constituintes da Bicicleta Elétrica
Deste modo, foram utilizados três PMOSFETs IRF5210 do fabricante
International Rectifier na parte superior do inversor. Estes semicondutores eletrónicos
apresentam como características: uma resistência drain source com valor de 0,06 Ω
quando em condução, uma tensão de entrada máxima de 100 V e uma corrente máxima
de 40 A [68]. Quanto aos MOSFETs da parte inferior do inversor, foram utilizados três
NMOSFETs FQP44N10 da fabricante Fairchild. Estes NMOSFETs foram selecionados
como complementares dos PMOSFETs. Estes apresentam como características: uma
resistência drain source com valor de 0,039 Ω quando em condução, uma tensão
máxima de 100 V e uma corrente máxima de 43,5 A [69].
D
G
D
G
S
S
(a)
(b)
Figura 5.24 - MOSFETS utilizados no inversor trifásico: (a) PMOSFET IRF5210 do fabricante
International Rectifier [68]; (b) NMOSFET FQP44N10 do fabricante Fairchild [69].
A implementação de circuitos de comando para a ativação dos MOSFETS é
necessária, uma vez que os sinais enviados do microcontrolador são insuficientes para a
ativação dos semicondutores eletrónicos. Assim, como mostra a Figura 5.26, para o
PMOSFET (S1, S3 ou S5) é utilizado um circuito de comando que quando recebe o sinal
do microcontrolador (g1, g3 ou g5) ativa o foto-transístor do opto-acoplador, que por sua
vez coloca o terminal de comando (G1, G3 ou G5) do PMOSFET conectado a -Vcc,
levando-o à saturação. Para o circuito de comando do NMOSFET (S2, S4 ou S6) o
princípio de funcionamento é semelhante, ao seja, quando recebe o sinal do
microcontrolador (g2, g4 ou g6) ativa o foto-transístor do opto-acoplador, que por sua
vez coloca o terminal de comando (G2 ou G4 ou G6) do PMOSFET conectado a +Vcc,
levando-o à saturação.
Em ambos os circuitos de comando, é utilizado o opto-acoplador TLP621 do
fabricante Toshiba (Figura 5.25) para isolar o circuito de controlo do circuito de
potência. O TLP621 consiste num foto-transístor acoplado oticamente a um díodo
emissor, que é ativado por uma luz infravermelha. Apresenta como características: uma
tensão máxima de coletor emissor de 55 V; uma corrente máxima de 60 mA na entrada;
e uma tensão de isolamento de 5000 V [70].
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93
Capítulo 5 – Implementação dos Elementos Constituintes da Bicicleta Elétrica
4
Figura 5.25 - Opto-acoplador TLP621 da Toshiba [70].
+Vcc
g3
g1
S1
R2
R1
g5
S3
R7
R6
G1
R11
G3
-Vcc
G5
-Vcc
-Vcc
Fase A
g4
Fase B
g6
Fase C
g2
+Vcc
+Vcc
R3
+Vcc
R8
R13
S6
S4
R4
R9
G4
R5
S5
R12
S2
R14
G6
G2
R15
R10
-Vcc
Figura 5.26 - Esquema elétrico do inversor trifásico implementado.
5.4.
Circuito de Potência do Carregador de Baterias
Na Figura 5.27 é apresentado o esquema elétrico do circuito de potência do
carregador de baterias implementado, o qual é constituído, por: um conversor boost, um
microcontrolador ATmega328P, um sensor de corrente, um sensor de tensão, um
regulador linear de tensão LM7805, e um amplificador operacional LM324. De salientar
que a tensão de entrada é dada por um carregador de baterias de um computador portátil
com o valor de 20 V.
Para controlar o sistema de carregamento foi utilizado o microcontrolador
ATmega328P, descrito no item 5.2.7, que em função dos valores fornecidos pelos
sensores de corrente e de tensão, descritos nos itens 5.2.1 e 5.2.2, varia o duty-cycle
aplicado ao semicondutor eletrónico do conversor boost, com o objetivo de fornecer à
bateria uma corrente constante seguida de tensão constante.
94
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Capítulo 5 – Implementação dos Elementos Constituintes da Bicicleta Elétrica
L
+Vin
D
+Vo
M
R3
C1
G
R1
R4
R2
-Vin
R5
-Vo
R8
LM7805
R7
C2
-
8P
C6
LM324
32
C5
R6
+
AT
me
ga
C3
C4
Figura 5.27 - Esquema elétrico do sistema de carregamento implementado.
O conversor boost é composto por um NMOSFET IRF540N do fabricante
International Rectifier (Figura 5.28), por uma indutância 220 µH, por um condensador
de polipropileno com valor de 10 µF de 100 V e por um díodo BYV26B. O
semicondutor eletrónico IRF540N apresenta como principais características uma
resistência drain source com o valor de 44 mΩ, uma tensão máxima de 100 V e uma
corrente máxima de 33 A [71].
D
G
S
Figura 5.28 - NMOSFET IRF540N do fabricante International Rectifier, utilizado no conversor
boost [71].
A alimentação do circuito de controlo foi realizada com a utilização do circuito
integrado LM7805C, de modo a converter a tensão de entrada do conversor, numa
tensão constante com o valor de 5 V. Na Figura 5.29 é apresentado o esquemático do
LM7805C do fabricante Texas Instruments. Este regulador de tensão, com três pinos,
apresenta como características uma tensão máxima de 25 V na entrada e uma corrente
de saída até 1,5 A [72]. Na implementação são colocados 2 condensadores para filtrar a
tensão de entrada e a tensão de saída.
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95
Capítulo 5 – Implementação dos Elementos Constituintes da Bicicleta Elétrica
Figura 5.29 - Esquemático do circuito integrado LM7805C do fabricante Texas Instruments [72].
O valor da resistência de potência utilizada para medir o valor da corrente é de
0,1 Ω. Deste modo, para a aquisição do valor da corrente foi necessário implementar um
circuito amplificador com ganho 10, na medida de aumentar a resolução do valor da
tensão medida aos terminais da resistência, pois, no caso de a resistência ser percorrida
por uma corrente de 1 A, o valor de tensão medido é de apenas 100 mV.
Com base nos elementos descritos anteriormente, é apresentado na Figura 5.30 o
circuito de potência do carregador de baterias implementado.
Figura 5.30 - Circuito de potência do carregador de baterias implementado.
A Figura 5.31 mostra o carregador de baterias de computador portátil utilizado
como fonte de alimentação do sistema de carregamento implementado. Este carregador
regulável com potência nominal de 120 W permite uma tensão de saída de 20 V.
96
Desenvolvimento de uma Bicicleta Elétrica
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Capítulo 5 – Implementação dos Elementos Constituintes da Bicicleta Elétrica
Figura 5.31 - Carregador de portátil utilizado como fonte de alimentação do sistema de carregamento
implementado.
5.5.
Integração dos Elementos Implementados na Bicicleta Elétrica
Neste item é apresentada a integração dos elementos implementados na bicicleta
elétrica. De salientar que, todas as integrações realizadas podem ser aplicadas a
qualquer bicicleta. Inicialmente procedeu-se à colocação do motor BLDC na roda
traseira, bem como a colocação do pinhão de velocidades.
De seguida, como mostra a Figura 5.32, procedeu-se à integração de dois
interruptores de pressão no interior das manetes dos travões para detetar quando as
mesmas são ativadas. Assim, quando pressionada uma manete do travão ou ambas, o
motor BLDC deixa de auxiliar o utilizador na tração da bicicleta elétrica.
Figura 5.32 – Integração de um interruptor de pressão no interior das manetes dos travões, para detetar
quando as mesmas são pressionadas.
Posteriormente foi integrado o sensor de posição na pedaleira da bicicleta
elétrica, de modo que o sistema de controlo possa determinar quando o utilizador está a
pedalar e em que sentido pedala. A Figura 5.33 mostra a integração do sensor de
posição, bem como do disco com ranhuras no eixo da pedaleira da bicicleta elétrica.
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97
Capítulo 5 – Implementação dos Elementos Constituintes da Bicicleta Elétrica
Figura 5.33 – Integração do sensor de posição e do disco com ranhuras no eixo da pedaleira da bicicleta
elétrica.
Seguidamente, como mostra a Figura 5.34 foi integrado um painel de
instrumentos, para que o utilizador possa ligar o sistema e selecionar o modo de ajuda
(baixo, médio ou alto) na tração da bicicleta elétrica.
Figura 5.34 – Painel de instrumentos, para ligar o sistema e selecionar o modo de ajuda (baixo, médio ou
alto) na tração da bicicleta elétrica.
Após a integração dos elementos constituintes da bicicleta elétrica foi necessário
fazer uma caixa (Figura 5.35) para colocar a bateria de lítio polímero, o circuito de
potência do controlador do motor BLDC e o circuito de controlo de uma forma simples,
robusta, prática e barata.
Figura 5.35 – Circuito de potência e circuito de controlo do motor BLDC em pormenor (à esquerda)
Circuito de potência e circuito de controlo do motor BLDC, e bateria de lítio polímero (à direita).
98
Desenvolvimento de uma Bicicleta Elétrica
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Capítulo 5 – Implementação dos Elementos Constituintes da Bicicleta Elétrica
5.6.
Conclusões
Ao longo deste capítulo foi descrita a implementação dos elementos
constituintes da bicicleta elétrica, designadamente o sistema de controlo, o circuito de
potência do controlador do motor BLDC e o circuito de potência do carregador de
baterias. Na Figura 5.36 é apresentado o aspeto final do desenvolvimento da bicicleta
elétrica, proposta nesta dissertação.
Inicialmente foram implementados os elementos constituintes do sistema de
controlo, nomeadamente os sensores de corrente, o sensor de tensão, o sensor
magnético, e o sensor de posição, bem como os algoritmos de controlo, o LCD, os
microcontroladores, e os parâmetros da bicicleta elétrica.
Para o circuito de potência do controlador do motor BLDC foram implementados,
um circuito de condicionamento de sinal, um conversor CC-CC buck e um inversor
fonte de tensão trifásico.
Para o circuito de potência do carregador de baterias foram implementados, um
conversor CC-CC boost, um regulador de tensão linear e um amplificador operacional.
Por fim foram integrados os elementos implementados na bicicleta elétrica, de um
modo simples, pratico, robusto e barato.
Com base na implementação dos circuitos desenvolvidos, foi necessária a
aprendizagem da ferramenta de desenho PADS, de forma a desenhar os esquemáticos
das PCBs, bem como a aprendizagem dos métodos de soldadura dos componentes nas
PCBs.
Figura 5.36 – Aspeto final da bicicleta elétrica, desenvolvida nesta dissertação.
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99
CAPÍTULO 6
Resultados Experimentais
6.1.
Introdução
Neste capítulo são apresentados os resultados experimentais dos diversos
sistemas desenvolvidos para a bicicleta elétrica.
Inicialmente é apresentada a bancada de ensaios utilizada para efetuar os ensaios
ao motor BLDC, de seguida são mostrados os resultados obtidos no ensaio do motor a
funcionar como gerador.
Posteriormente são apresentados os resultados experimentais do ensaio do motor
BLDC em vazio, no qual são analisadas as formas de onda das tensões compostas
aplicadas ao motor, bem como o sistema de controlo de velocidade.
Em seguida, são mostrados os resultados experimentais obtidos no ensaio do
motor BLDC com carga mecânica, de modo a determinar o desempenho do mesmo. São
também apresentados os resultados experimentais obtidos no ensaio do motor BLDC
alimentado pela bateria de lítio polímero.
Por fim são mostrados os resultados experimentais do ensaio do carregador de
baterias implementado.
6.2.
Bancada de Ensaios
Para testar o funcionamento do circuito de potência e do circuito de controlo
desenvolvidos para o motor BLDC utilizado na bicicleta elétrica, foi necessário recorrer
à utilização de uma bancada de ensaios existente no laboratório do Grupo de Eletrónica
de Potência e Energia (GEPE) da Universidade do Minho. Esta bancada de ensaios
permite aplicar e controlar a carga mecânica aplicada ao motor, fornecer a velocidade de
rotação do motor e mostrar o valor de binário aplicado ao motor.
A Figura 6.1 mostra a plataforma desenvolvida para acoplar o motor BLDC à
bancada de ensaios.
Desenvolvimento de uma Bicicleta Elétrica
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101
Capítulo 6 – Conclusão e Sugestões de Trabalhos Futuros
Figura 6.1 - Bancada de ensaios utilizada para testar o funcionamento do circuito de potência e do circuito
de controlo desenvolvidos para o motor BLDC.
6.3.
Ensaio do Motor a Operar como Gerador
Neste item são mostrados os ensaios efetuados ao motor BLDC a operar como
gerador. Para tal foi acoplado ao pinhão da roda traseira da bicicleta uma corrente
(cadeia metálica) que está interligada à pedaleira, de modo que, ao girar a pedaleira faça
girar a roda e por sua vez o motor BLDC. Assim, para obter o ensaio do motor como
gerador, foi necessário rodar a pedaleira manualmente.
Na Figura 6.2 são apresentadas as formas das tensões simples geradas pelo
motor BLDC.
Figura 6.2 - Formas de onda das tensões simples (20 V/div) geradas pelo motor BLDC.
A Figura 6.3 apresenta as formas de onda das tensões compostas, bem como os
sinais de saída dos sensores de Hall, para uma tensão eficaz de aproximadamente 37 V.
Este ensaio permite analisar a relação das tensões compostas em função dos sinais de
saída dos sensores de Hall, de forma a determinar a sequência de comutações para o
inversor fonte de tensão.
102
Desenvolvimento de uma Bicicleta Elétrica
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Capítulo 6 – Conclusões e Sugestões de Trabalhos Futuros
(a)
(b)
Figura 6.3 - Funcionamento do motor BLDC como gerador: (a) Formas de onda das tensões compostas
(20 V/div); (b) Sinais de saída dos sensores de Hall (1 V/div).
6.4.
Ensaio do Motor BLDC em Vazio
Neste item são apresentados os resultados experimentais do ensaio do motor
BLDC em vazio, tendo este como principal objetivo, verificar o funcionamento do
circuito de controlo desenvolvido. Assim, antes de ligar o motor BLDC ao inversor
fonte de tensão, foram analisados os sinais de comando gerados pelo microcontrolador
para serem aplicados aos semicondutores eletrónicos do inversor. A Figura 6.4 mostra
os sinais de comando com modulação PWM, aplicados apenas aos semicondutores
eletrónicos da parte alta do inversor fonte de tensão.
Figura 6.4 – Sinais de comando gerados pelo microcontrolador para posteriormente serem aplicados aos
semicondutores eletrónicos da parte alta do inversor fonte de tensão (2 V/div).
Após a validação dos sinais de comando gerados pelo microcontrolador,
procedeu-se à ligação do motor BLDC à saída do inversor fonte de tensão, sendo
verificadas as formas de onda aplicadas ao motor.
Desenvolvimento de uma Bicicleta Elétrica
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103
Capítulo 6 – Conclusão e Sugestões de Trabalhos Futuros
A Figura 6.5 mostra as formas de onda das 3 tensões compostas aplicadas ao
motor. Estas formas de onda são o resultado do controlo por modulação de onda
quadrada a 120 graus sem controlo de velocidade. Podem também ser vistos nesta
figura os micro-cortes nas formas de onda das tensões. Estes micro-cortes ocorrem
quando a corrente comuta de uma fase para outra [73].
Figura 6.5 - Forma de onda das 3 tensões compostas (20 V/div) aplicadas ao motor BLDC.
O controlo de binário do motor BLDC é realizado pela seleção de um dos três
modos de ajuda por parte do utilizador, no qual varia o valor da tensão aplicada aos
terminais do motor. A variação do valor da tensão aplicada aos terminais do motor é
conseguida pela modulação por largura de pulso. Assim sendo, o controlo de binário
depende do valor de duty-cycle aplicado a cada um dos semicondutores eletrónicos da
parte alta do inversor fonte de tensão.
Na Figura 6.6 são apresentadas as formas de onda das tensões compostas
aplicadas ao motor, bem como os 3 sinais de PWM gerados pelo microcontrolador, para
o funcionamento do motor BLDC no primeiro modo de ajuda. Neste modo de ajuda o
valor de tensão aplicada ao motor é de aproximadamente 20 V.
104
Desenvolvimento de uma Bicicleta Elétrica
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Capítulo 6 – Conclusões e Sugestões de Trabalhos Futuros
Figura 6.6 - Formas de onda das tensões compostas (20 V/div) e sinais de comando dos semicondutores
eletrónicos da parte alta do inversor (2 V/div) para o funcionamento do motor BLDC no primeiro modo
de ajuda.
Do mesmo modo, na Figura 6.7 são apresentadas as formas de onda das tensões
compostas aplicadas ao motor, bem como os 3 sinais de comando gerados pelo
microcontrolador, para o funcionamento do motor BLDC no segundo modo de ajuda.
Neste modo de ajuda o valor de tensão aplicada ao motor é de aproximadamente 35 V.
Figura 6.7 - Formas de onda das tensões compostas (20 V/div) e sinais de comando dos semicondutores
eletrónicos da parte alta do inversor (2 V/div) para o funcionamento do motor BLDC no segundo modo
de ajuda.
Finalmente, na Figura 6.8 são apresentadas as formas de onda das tensões
compostas aplicadas ao motor, bem como os 3 sinais de comando gerados pelo
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105
Capítulo 6 – Conclusão e Sugestões de Trabalhos Futuros
microcontrolador, para o funcionamento do motor BLDC no terceiro modo de ajuda.
Neste modo de ajuda o valor de tensão aplicada ao motor é de aproximadamente 40 V.
Figura 6.8 - Formas de onda das tensões compostas (20 V/div) e sinais de comando dos semicondutores
eletrónicos da parte alta do inversor (2 V/div), para o funcionamento do motor BLDC no terceiro modo
de ajuda.
6.5.
Ensaio do Motor BLDC em Carga
Neste item são apresentados os resultados experimentais do motor BLDC em
carga. Deste modo, foi utilizada a bancada de ensaios para variar a carga mecânica
aplicada ao motor de forma a testar o desempenho do circuito de potência do
controlador, bem como do seu sistema de controlo. Na Figura 6.9 são apresentadas as
formas de onda das tensões compostas aplicadas ao motor, bem como da corrente total
aplicada ao motor para uma carga mecânica de 1 Nm. A medição do valor total de
corrente foi obtida através de uma resistência de 0,1 Ω colocada em série com o
barramento CC, e medido o valor da tensão aos terminais da resistência.
Figura 6.9 - Formas de onda das tensões compostas (20 V/div) e da corrente total (200 mV/div), aplicadas
ao motor BLDC, com uma carga mecânica de 1 Nm.
106
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Capítulo 6 – Conclusões e Sugestões de Trabalhos Futuros
Na Figura 6.10 são apresentadas as formas de onda das tensões compostas
aplicadas ao motor, bem como da corrente para uma carga mecânica de 4 Nm. De
salientar que a escala do valor da corrente medido foi alterado de 200 mV para 500 mV.
Figura 6.10 - Formas de onda das tensões compostas (20 V/div) e da corrente total (500 mV/div),
aplicadas ao motor BLDC, com uma carga mecânica de 4 Nm.
Na Figura 6.11 são apresentadas as formas de onda das tensões compostas
aplicadas ao motor BLDC, bem como da corrente para uma carga mecânica de 7 Nm.
Figura 6.11 - Formas de onda das tensões compostas (20 V/div) e corrente total (500 mV/div), aplicadas
ao motor BLDC, com uma carga mecânica de 7 Nm.
Finalmente, na Figura 6.12 são apresentados os resultados experimentais obtidos
no ensaio do motor BLDC a funcionar em regime permanente com uma carga mecânica
de 7 Nm, e com a bateria lítio polímero como fonte de alimentação do barramento CC
do inversor fonte de tensão. Este ensaio tem como objetivo verificar o desempenho, do
controlador do motor BLDC, bem como da bateria de lítio polímero adquirida para o
desenvolvimento da bicicleta elétrica.
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107
Capítulo 6 – Conclusão e Sugestões de Trabalhos Futuros
Tensão na bateria
Corrente aplicada ao motor
50 V
5A
40 V
4A
30 V
3A
20 V
2A
10 V
1A
0V
0 min
15 min
30 min
45 min
60 min
75 min
90 min
0A
105 min 120 min 135 min 150 min
Figura 6.12 - Tensão aos terminais da bateria de lítio polímero, e corrente consumida pelo motor BLDC
com carga mecânica de 7 Nm.
No mesmo ensaio foram também registados os valores da velocidade de rotação
do motor BLDC em função da tensão aos terminais da bateria, como mostra a
Figura 6.13.
Velocidade do motor
Tensão no barramento CC
200 rpm
50 V
160 rpm
40 V
120 rpm
30 V
80 rpm
20 V
40 rpm
10 V
0 rpm
0 min
15 min
30 min
45 min
60 min
75 min
90 min
0V
105 min 120 min 135 min 150 min
Figura 6.13 - Velocidade de rotação do motor BLDC em função da tensão aos terminais da bateria de lítio
polímero, para um funcionamento do motor com carga mecânica de 7 Nm.
6.6.
Ensaio do Carregador de Baterias
Neste item são apresentados os resultados experimentais do carregador de
baterias. O algoritmo utilizado foi o de corrente constante seguido de tensão constante.
Inicialmente, neste algoritmo de carregamento é aplicada uma corrente constante com o
valor de 1,5 A, até que, a tensão aos terminais da bateria de lítio polímero atinja o valor
de 42 V. De seguida, é aplicada uma tensão constante com o valor de 42 V, e o valor da
108
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Capítulo 6 – Conclusões e Sugestões de Trabalhos Futuros
corrente de carregamento passa a ser determinada pelas características da bateria de lítio
polímero.
Na Figura 6.14 são apresentados os resultados experimentais do carregamento da
bateria de lítio polímero utilizada no desenvolvimento da bicicleta elétrica. Como se
pode verificar, num primeiro estágio, a corrente mantem-se constante com o valor de
aproximadamente 1,5 A, enquanto a tensão aos terminais da bateria aumenta
gradualmente até atingir os 42 V. Depois, num segundo estágio com a imposição de
tensão constante, a corrente deixa de ser constante e passa a ser determinada pelas
características da bateria de lítio polímero. A duração total deste carregamento é de
aproximadamente 14 horas, no entanto com 11 horas de carregamento poderia se
concluir que a bateria está praticamente carregada.
Bateria de LiPo 36 V 10 Ah
Tensão
Corrente
50 V
2,5 A
40 V
2,0 A
30 V
1,5 A
20 V
1,0 A
10 V
0,5 A
0V
0,0 A
0h
1h
2h
3h
3h
4h
5h
6h
7h
8h
8h
9h
10h 11h 12h 13h 13h 14h
Figura 6.14 - Tensão e corrente aplicada aos terminais da bateria de lítio polímero, durante o algoritmo
carregamento corrente constante com o valor de 1,5 A, seguido de tensão constante com o valor de 42 V.
6.7.
Conclusões
Numa primeira fase deste capítulo, foi apresentada a bancada de ensaios
existente no laboratório do GEPE, de forma a aplicar carga mecânica constante ao
motor BLDC. De seguida foram apresentados os resultados experimentais obtidos no
ensaio do motor como gerador, no qual foi determinada a relação das tensões compostas
em função dos sinais de saída dos sensores de Hall, de forma a determinar a sequência
de comutações para o inversor fonte de tensão.
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109
Capítulo 6 – Conclusão e Sugestões de Trabalhos Futuros
Posteriormente foi realizado o ensaio ao motor BLDC em vazio, com o intuito
de verificar o funcionamento do circuito de potência e do circuito de controlo
desenvolvidos. Numa primeira fase, foram verificados os sinais de comando gerados
pelo microcontrolador, antes de conectar o motor ao inversor. De seguida conectou-se o
motor BLDC ao inversor e foram analisadas as formas de onda das tensões compostas,
Neste item, foram ainda analisadas as formas de onda das tensões compostas aplicadas
ao motor BLDC para os 3 modos de ajuda.
Seguidamente foram realizados os ensaios ao motor BLDC e obtidos os
resultados, para 3 valores de carga mecânica diferentes, nomeadamente 1 Nm, 4 Nm e
7 Nm, e registadas as formas de onda das tensões compostas, e da corrente. Foi ainda
realizado um ensaio experimental em regime permanente ao motor BLDC, com a
bateria de lítio polímero como fonte de alimentação do barramento CC do inversor fonte
de tensão, e verificados os valores de tensão aos terminais da bateria, a corrente
fornecida ao motor, bem como a velocidade de rotação do motor em função da tensão
aos terminais da bateria de lítio polímero.
Numa segunda fase foi realizado o ensaio experimental ao circuito de potência
do carregador de baterias implementado. Neste ensaio foi utilizado o algoritmo de
controlo corrente constante seguido de tensão constante, no qual o valor da corrente
constante foi de 1,5 A e o valor da tensão constante foi de 42 V. Deste modo, o
carregamento da bateria de lítio polímero demorou cerca de 14 horas para ficar
totalmente carregada, no entanto às 11 horas de carregamento poder-se-ia concluir que a
bateria estava carregada, uma vez que a corrente consumida pela mesma, nesse
momento era inferior a 100 mA.
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CAPÍTULO 7
Conclusões e Sugestões de Trabalhos Futuros
7.1.
Conclusões
Nesta dissertação foi apresentado e descrito o desenvolvimento de uma bicicleta
elétrica. Inicialmente foi apresentada, a definição de bicicleta elétrica segundo a
legislação portuguesa, seguida de uma breve introdução sobre a história das bicicletas
elétricas, bem como sobre o mercado financeiro e o mercado comercial das bicicletas
elétricas.
No capítulo 2 foram descritos e analisados os diversos elementos constituintes de
uma bicicleta elétrica, nomeadamente os motores elétricos mais utilizados para este tipo
de aplicação, os controladores aplicados, e foram ainda descritos os sensores de posição
utilizado, para detetar o movimento da pedaleira e o sentido de rotação, por fim foram
descritas 4 topologias de baterias que apresentam melhor desempenho em bicicletas
elétricas, nomeadamente as baterias de chumbo, de lítio, níquel cadmio e níquel hidreto
metálico.
No capítulo 3 foram apresentadas as topologias e técnicas de comutação de
motores BLDC e de sistemas de carregamento de baterias. Inicialmente foi apresentado
e descrito o princípio de funcionamento e o modelo matemático do motor BLDC, bem
como o motor adquirido para o desenvolvimento da bicicleta elétrica. De seguida foram
descritas as topologias de inversores de tensão e as técnicas de modulação aplicadas ao
mesmo. Foram também apresentados e descritos o estado de carga da bateria, os
modelos de circuitos equivalentes para modelar as baterias, e o algoritmo de controlo
corrente constante seguido de tensão constante. Para finalizar este capítulo foi descrito e
apresentado o conversor estático boost.
No capítulo 4 foram apresentadas as simulações computacionais dos elementos
constituintes da bicicleta elétrica. Inicialmente com base no modelo do motor BLDC
disponível no programa PSIM, foram determinados os sinais provenientes dos sensores
de Hall. Seguidamente foi simulado o circuito de controlo com base na modulação de
onda quadrada a 120 graus sem controlo de velocidade, e com o motor a operar em
vazio e em carga. Nestas simulações foram analisadas as correntes fornecidas ao motor
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Capítulo 6 – Conclusão e Sugestões de Trabalhos Futuros
BLDC, as formas de onda das tensões compostas aplicadas ao motor, bem como o
desempenho do motor BLDC para diferentes valores de carga. Posteriormente foi
simulado o controlo de velocidade aplicado ao motor BLDC em vazio e em carga.
No capítulo 5 foi descrita a implementação dos elementos desenvolvidos para a
bicicleta elétrica, designadamente o circuito de controlo e o circuito de potência para o
motor BLDC, bem como o circuito de potência e circuito de controlo do carregador de
baterias. Numa primeira fase foram implementados os elementos desenvolvidos para o
circuito de controlo, nomeadamente os sensores de corrente, o sensor de tensão, o
sensor magnético e o sensor de posição, bem como os algoritmos de controlo, o LCD,
os microcontroladores, e os parâmetros da bicicleta elétrica. Posteriormente foram
implementados os circuitos desenvolvidos para o circuito de potência do controlador do
motor BLDC nomeadamente o circuito de condicionamento de sinal, o conversor CCCC buck e o inversor fonte de tensão trifásico. Por fim, foram ainda implementados um
conversor CC-CC boost, um regulador de tensão linear e um amplificador operacional,
que se encontram integrados no circuito de potência do carregador de baterias.
No capítulo 6, foram apresentados os resultados experimentais obtidos nos
diversos ensaios, para tal foi utilizado a bancada de ensaios existente no laboratório do
GEPE, de forma a aplicar carga mecânica constante ao motor BLDC. De seguida foram
apresentados os resultados experimentais obtidos, para o ensaio do motor como gerador,
no qual foi determinada a relação das tensões compostas em função dos sinais de saída
dos sensores de Hall, de forma a determinar a sequência de comutações para o inversor
fonte de tensão. Posteriormente foi realizado o ensaio ao motor BLDC em vazio, com o
intuito de verificar o funcionamento do circuito de controlo desenvolvido.
Seguidamente foram realizados os ensaios ao motor BLDC, para 3 valores de carga
mecânica diferentes e registadas as formas de onda das tensões compostas e da corrente.
Foi ainda realizado um ensaio experimental em regime permanente ao motor BLDC,
com a bateria de lítio polímero como fonte de alimentação do barramento CC.
Finalmente foi realizado o ensaio experimental ao circuito de potência do carregador de
baterias implementado, sendo utilizado o algoritmo de controlo corrente constante
seguido de tensão constante. No qual o valor da corrente constante foi de 1,5 A e o valor
da tensão constante foi de 42 V. Com estes valores de tensão e de corrente, o
carregamento da bateria de lítio polímero demorou cerca de 14 horas para ficar
totalmente carregada.
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Capítulo 6 – Conclusões e Sugestões de Trabalhos Futuros
7.2.
Sugestões de Trabalhos Futuros
Com os resultados obtidos nesta dissertação pode-se concluir que os elementos
desenvolvidos para a bicicleta elétrica são adequados. Todavia, é necessário efetuar
algumas alterações de forma a otimizar o desempenho da bicicleta elétrica. Assim sendo
recomenda-se os seguintes desenvolvimentos:
- Utilização de um microcontrolador específico para tratar da monitorização da
bicicleta elétrica, uma vez que, com a utilização do mesmo microcontrolador para a
monitorização e para o controlador do motor o sistema não tem tempo suficiente para
executar todas as tarefas atribuídas.
- Reduzir o tamanho das placas de circuito impresso do circuito de potência e do
circuito de controlo desenvolvidas, ou até mesmo utilizar uma só placa para ambos;
- Aquisição de células de lítio polímero separadas em vez da bateria adquirida, de
forma a otimizar o espaço e a distribuição do peso na bicicleta elétrica.
- Estudo, desenvolvimento e implementação de um sistema de travagem
regenerativa, de forma a recuperar a energia cinética da bicicleta elétrica durante as
travagens e descidas.
- Implementação de um sistema BMS (Battery Management System), para obter um
melhor rendimento no carregamento e descarregamento, bem como otimizar o número
de ciclos de vida útil das baterias.
- Desenvolvimento e implementação de um carregador de baterias de lítio polímero
isolado, sem recorrer à utilização do atual carregador de baterias de computador portátil.
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