O Cego de Jericó “Quando se aproximavam de Jericó, estava um

O Cego de Jericó
“Quando se aproximavam de Jericó, estava um cego sentado, a esmolar, à beira da
estrada. Ouvindo a multidão que passava, perguntou o que era aquilo. Disseram-lhe que
era Jesus de Nazaré que ia a passar. Então bradou: «Jesus, Filho de David, tem
misericórdia de mim!» Os que iam à frente repreendiam-no, para que se calasse. Mas
ele gritava cada vez mais: «Filho de David tem misericórdia de mim!» Jesus parou e
mandou que lho trouxessem. Quando o cego se aproximou, perguntou-lhe: «Que queres
que te faça?» Respondeu: «Senhor, que eu veja!» Jesus disse-lhe: «Vê. Salvou-te a tua
fé». Naquele mesmo instante, recobrou a vista, e pôs-se a segui-Lo, glorificando a Deus.
E todo o povo, ao ver isto, deu louvores a Deus.”
Lc 18, 35-43
Agradecimentos
Desejo agradecer ao meu orientador João Luiz Afonso pela disponibilidade,
compreensão, cooperação, incentivo, e por ter permitido que usufruísse de um espaço
no laboratório de Electrónica de Potência, possibilitando a execução prática deste
trabalho.
A todos os meus colegas de laboratório, em especial aos investigadores Domingos
Gonçalves, Gabriel Pinto, Pedro Neves e Renato Alves pela amizade, pelas óptimas
sugestões e pelo excelente ambiente proporcionado.
A todos os técnicos do Departamento de Electrónica Industrial pela sua simpatia e
disponibilidade.
Aos meus pais João e Anabela pelo esforço e apoio dado ao longo de todo o meu
percurso académico. Agradeço-lhes também pelo amor que me deram e por permitirem
que eu lutasse por este sonho.
À minha noiva Carla agradeço-lhe pela paciência, pela confiança e por me dedicar
todo o tempo da sua vida.
A todas as pessoas não mencionadas.
A Deus por tudo.
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
iii
Resumo
A crescente aposta em veículos híbridos e eléctricos recorrendo a baterias, como
fonte primária ou secundária de energia, representa uma mais-valia para a
independência dos custos do petróleo e contribui para a redução da emissão de gases
com efeito de estufa, como o CO2. Todavia, com esta aposta pretende-se que o método
de carregamento das baterias seja benéfico, não só para prolongar ao máximo a vida útil
das baterias, mas também para o Sistema Eléctrico Nacional, de modo a preservar a
Qualidade da Energia Eléctrica.
Assim, esta Dissertação descreve a implementação de um Sistema Inteligente de
Carregamento de Baterias que visa carregar as baterias dos veículos híbridos e eléctricos
com o melhor algoritmo, de acordo com as informações do fabricante, e ao mesmo
tempo consumir corrente sinusoidal e em fase com a tensão. Para além do
carregamento, o Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias permite descarregar
as baterias directamente para uma carga, ou então, devolver a energia armazenada nas
mesmas para o Sistema Eléctrico Nacional, ou seja, o Sistema Inteligente de
Carregamento de Baterias apresentado funciona de forma bidireccional.
Ao longo desta Dissertação, numa fase inicial é apresentado o estado da arte sobre
tecnologias de baterias e sobre carregadores de baterias. Depois são descritos os
algoritmos utilizados no sistema de controlo, são apresentados os resultados de
simulação e os resultados experimentais obtidos, com os quais se pretende validar os
algoritmos de controlo proposto nesta Dissertação. Tais algoritmos permitem que o
Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias possa aplicar diferentes estágios de
carregamento às baterias e ao mesmo tempo manter sinusoidal a corrente no lado CA e
unitário o factor de potência.
Palavras-Chave: Carregamento Controlado de Baterias, Conversor Bidireccional,
Consumo Sinusoidal e Factor de Potência Unitário.
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
v
Abstract
The recent increase in hybrid and electric vehicles using batteries, as primary or
secondary source of energy, represent a gain for independence of the cost of the oil and
contributes to reducing the emission of greenhouse gases like CO2. However, with this
purpose it is also intended that the methods for charging batteries are beneficial, not
only to the lifespan of the batteries, but also to preserve the Power Quality of the
Electrical System.
In order to that, this dissertation describes the implementation of an intelligent
battery charging equipment designed to charge the batteries of hybrids and electrical
vehicles with the best algorithm according to information of the manufacturer, while
consuming a current waveform in phase with the voltage. In addition, the developed
equipment allows to discharge the batteries directly to a load, or to return the energy
stored in batteries to the Electric System, i.e., the Intelligent System for Charging
Batteries works in bidirectional mode.
First, this Dissertation describes the stat-of-art about batteries technologies and
their charging systems. Then, the algorithm used in the control system is described and
presented the simulations results and the experimental results, obtained to validate the
developed control algorithm, which determines the reference current and regulates the
voltage in the DC capacitor or the current in the AC inductance, of the Intelligent
Batteries Charging System developed in this Dissertation work.
Keywords: Control Charging Batteries, Bidirectional Converter, Sinusoidal
Current and Unity Power Factor.
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
vii
Índice
Resumo ........................................................................................................................................................ v
Abstract .....................................................................................................................................................vii
Lista de Figuras .......................................................................................................................................xiii
Lista de Tabelas ....................................................................................................................................... xxi
Lista de Abreviaturas ............................................................................................................................xxiii
CAPÍTULO 1
Introdução .................................................................................................................... 1
1.1. O Problema Energético nos Transportes ........................................................................................ 1
1.2. Enquadramento ............................................................................................................................... 2
1.3. Motivações ..................................................................................................................................... 2
1.4. Objectivos....................................................................................................................................... 2
1.5. Organização da Dissertação ........................................................................................................... 3
CAPÍTULO 2
Baterias Eléctricas ....................................................................................................... 5
2.1. Introdução....................................................................................................................................... 5
2.2. Baterias ........................................................................................................................................... 5
2.2.1.
Baterias vs. Células de Combustível ................................................................................... 6
2.2.2.
Baterias vs. Flywheel’s ........................................................................................................ 8
2.3. Cronologia das baterias ................................................................................................................ 10
2.4. “Efeito Memória” das Baterias ..................................................................................................... 10
2.5. Tecnologia das Baterias................................................................................................................ 11
2.5.1.
Baterias de Chumbo .......................................................................................................... 12
2.5.2.
Baterias de Lítio ................................................................................................................ 16
2.5.3.
Baterias de Níquel-Cádmio ............................................................................................... 19
2.5.4.
Baterias de Níquel-Hidreto-Metálico ................................................................................ 22
2.6. Baterias Inovadoras ...................................................................................................................... 24
2.6.1.
C.S.I.R.O. – UltraBateria ................................................................................................. 24
2.6.2.
Bateria NanoSafe............................................................................................................... 24
2.6.3.
Toshiba – S.C.i.B. ............................................................................................................. 25
2.6.4.
UltraCondensador ............................................................................................................. 26
2.7. Sistemas de Gestão das Baterias ................................................................................................... 29
2.7.1.
BMS para baterias TS-LFP90AHA da Thundersky ........................................................... 30
2.7.2.
Lithium Balance BMS 23 Cell ........................................................................................... 30
2.7.3.
Victron Energy .................................................................................................................. 31
2.7.4.
PCM para Baterias de Lítio ............................................................................................... 32
2.7.5.
Exemplo de Banco de Baterias com BMS para veículo Eléctrico ..................................... 33
2.8. Veículos Híbridos e Eléctricos ..................................................................................................... 34
2.9. Mobilidade dos Veículos Híbridos e Eléctricos ........................................................................... 40
2.10. Módulos de Baterias para Veículos Híbridos e Eléctricos ........................................................... 41
2.10.1. Saft Batteries ..................................................................................................................... 41
2.10.2. Valence ............................................................................................................................. 43
2.10.3. EnerDel ............................................................................................................................. 46
2.10.4. Thunder Sky ...................................................................................................................... 49
2.11. Características de Diferentes Tecnologias de Células de Baterias ............................................... 51
2.12. Características de Diferentes Tecnologias de Baterias ................................................................. 52
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
ix
Índice
2.13. Exemplos de Preços de Baterias ................................................................................................... 53
2.14. Conclusão ..................................................................................................................................... 54
CAPÍTULO 3
Carregadores de Baterias .......................................................................................... 55
3.1. Introdução..................................................................................................................................... 55
3.2. Processo de Carregamento de Baterias ......................................................................................... 56
3.3. Algoritmos de Carregamento de Baterias ..................................................................................... 56
3.3.1.
Corrente Constante ............................................................................................................ 56
3.3.2.
Tensão Constante .............................................................................................................. 57
3.3.3.
Potência Constante ............................................................................................................ 57
3.3.4.
Temperatura Máxima e Constante .................................................................................... 58
3.3.5.
Corrente Constante Seguida de Tensão Constante (I) ....................................................... 58
3.3.6.
Corrente Constante Seguida de Tensão Constante (II)...................................................... 59
3.3.7.
Corrente Constante Seguida de Tensão Constante (III) .................................................... 59
3.3.8.
Corrente Constante Seguida de Tensão Constante (IV) .................................................... 60
3.3.9.
“Negative Delta V” – Variação da Negativa da Tensão.................................................... 60
3.3.10. Corrente Constante e Pulsada ............................................................................................ 61
3.3.11. Variação da Tensão ........................................................................................................... 61
3.4. Conversores Electrónicos para Carregadores de Baterias ............................................................ 62
3.5. Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias ........................................................................ 68
3.5.1.
Conversor Bidireccional como Conversor CA-CC ........................................................... 69
3.5.2.
Conversor Bidireccional como Conversor CC-CA ........................................................... 72
3.6. Exemplos de Carregadores de Baterias ........................................................................................ 74
3.6.1.
Werkraft WK-AFN9 ........................................................................................................... 74
3.6.2.
Excel CF............................................................................................................................ 74
3.6.3.
Smart Charger Li-Ion Battery Pack .................................................................................. 75
3.6.4.
Smart Charger LiFePO Battery Pack ............................................................................... 76
3.6.5.
Smart Charger NiCd / NiMH Battery Pack....................................................................... 77
3.6.6.
Smart Fast Charger Lead Acid Battery ............................................................................. 77
3.7. Conclusão ..................................................................................................................................... 78
CAPÍTULO 4
Simulações do Sistema de Carregamento de Baterias ............................................ 81
4.1. Introdução..................................................................................................................................... 81
4.2. Circuito de Potência ..................................................................................................................... 82
4.3. Circuito de Comando.................................................................................................................... 82
4.4. Modelo de Bateria ........................................................................................................................ 84
4.5. Resultados das Simulações ........................................................................................................... 86
4.5.1.
Simulação de Carregamento com Algoritmo de Tensão Constante de um Banco de
Baterias de Chumbo-Ácido de 48 V e 44 Ah .................................................................................... 87
4.5.2.
Simulação de Carregamento com Algoritmo de Corrente Constante de um Banco de
Baterias de Chumbo-Ácido de 48 V e 44 Ah .................................................................................... 92
4.5.3.
Simulação de Carregamento com Algoritmo de Corrente Constante Seguido de
Tensão Constante de um Banco de Baterias de Chumbo-Ácido de 48 V e 44 Ah ............................ 98
4.5.4.
Simulação de Descarregamento para a Rede Eléctrica com Algoritmo de Corrente
Sinusoidal no lado CA de um Banco de Baterias de Chumbo-Ácido de 48 V e 44 Ah .................. 104
4.6. Conclusão ................................................................................................................................... 106
CAPÍTULO 5
Implementação do Sistema de Carregamento de Baterias ................................... 109
5.1. Introdução................................................................................................................................... 109
5.2. Circuito de Potência ................................................................................................................... 109
5.2.1.
Conversor Bidireccional.................................................................................................. 110
5.2.2.
Indutância do Lado CA ................................................................................................... 111
x
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
Índice
5.2.3.
Condensador do Lado CC ............................................................................................... 111
5.2.4.
Circuito de Pré-Carga do Condensador do Lado CC ...................................................... 112
5.2.5.
Banco de Baterias............................................................................................................ 112
5.3. Circuito de Comando.................................................................................................................. 113
5.3.1.
Sensores de Tensão de Efeito Hall .................................................................................. 113
5.3.2.
Sensores de Corrente de Efeito de Hall........................................................................... 115
5.3.3.
Condicionamento de Sinais ............................................................................................. 117
5.3.4.
Microcontrolador PIC ..................................................................................................... 118
5.3.5.
Circuito de Comando dos Sinais para os IGBT's ............................................................ 121
5.3.6.
Circuito de Drivers.......................................................................................................... 122
5.3.7.
Circuito de Detecção de Erros......................................................................................... 123
5.3.8.
Circuito do Conversor Digital Analógico ....................................................................... 124
5.3.9.
LCD ................................................................................................................................ 124
5.4. Conclusão ................................................................................................................................... 125
CAPÍTULO 6
Resultados Experimentais do Sistema de Carregamento de Baterias ................. 127
6.1. Introdução................................................................................................................................... 127
6.2. Princípio de Funcionamento e Validação do Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias 127
6.3. Carregamento de um Banco de Baterias de Chumbo-Ácido com 48 V e 44 Ah ........................ 131
6.3.1.
Carregamento do Banco de Baterias com Algoritmo de Tensão Constante .................... 131
6.3.2.
Carregamento do Banco de Baterias com Algoritmo de Corrente Constante ................. 133
6.3.3.
Carregamento do Banco de Baterias com Algoritmo de Corrente Constante Seguido
de Tensão Constante ....................................................................................................................... 135
6.4. Descarregamento de um Banco de Baterias de Chumbo-Ácido com 48 V e 44 Ah ................... 138
6.4.1.
Descarregamento do Banco de Baterias Directamente para uma Carga CC com
Algoritmo de Controlo da Tensão das Baterias .............................................................................. 138
6.4.2.
Descarregamento do Banco de Baterias com Algoritmo de Corrente Sinusoidal no
Lado CA 138
6.5. Conclusão ................................................................................................................................... 140
CAPÍTULO 7
Conclusões e Sugestões de Trabalho Futuro ......................................................... 143
7.1. Conclusões ................................................................................................................................. 143
7.2. Trabalho Futuro .......................................................................................................................... 144
Referências .............................................................................................................................................. 147
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
xi
Lista de Figuras
Figura 2.1 – Célula de combustível ElectraGen [3]. .................................................................................... 8
Figura 2.2 – Aspecto externo do flywheel e sua constituição interna [7]...................................................... 9
Figura 2.3 – Portátil Macintosh Portable equipado com baterias de chumbo [12]. ................................... 13
Figura 2.4 – Bateria de Deep Cycle YellowTop da Optima [13]. ................................................................ 13
Figura 2.5 – Exemplo de baterias Trojan Deep-Cycle [16]. ....................................................................... 15
Figura 2.6 – Curvas de carregamento das baterias Torjan Deep-Cycle [16]. ............................................. 15
Figura 2.7 – Principal risco associado às baterias de lítio: explosões [18]. ................................................ 17
Figura 2.8 – Exemplo de célula de bateria A123Systems [19]. ................................................................... 18
Figura 2.9 – Curvas de descarregamento que relacionam a tensão com a capacidade de carga
absoluta, a diferentes taxas de descarregamento, com temperatura de 25 ºC, das células
ANR26650m1 da A123Systems [19]. .......................................................................................................... 18
Figura 2.10 – Curvas de descarregamento que relacionam a tensão com a capacidade de carga
percentual a diferentes taxas de descarregamento e temperatura, das células ANR26650m1 da
A123Systems [19]. ...................................................................................................................................... 19
Figura 2.11 – Evolução do estado da capacidade de carga percentual ao longo do número de ciclos a
diferentes temperaturas e taxas de carregamento e descarregamento das células ANR26650m1 da
A123Systems [19]. ...................................................................................................................................... 19
Figura 2.12 – Célula de bateria de NiCd Cadnica da Sanyo [21]. .............................................................. 21
Figura 2.13 – Curvas de descarregamento que relacionam a tensão com o tempo total de
descarregamento para duas taxas de descarregamento distintas da célula de bateria de NiCd Cadnica
da Sanyo [21]. ............................................................................................................................................. 21
Figura 2.14 – Curvas de carregamento que relacionam a tensão com tempo total de carregamento
para diferentes temperaturas com uma corrente de carregamento de 0,7 A, da célula de NiCd
Cadnica da Sanyo [21]. .............................................................................................................................. 21
Figura 2.15 – Células de baterias de NiMH eneloop da Sanyo [22]. .......................................................... 23
Figura 2.16 – Curvas de carregamento que relacionam a tensão e o tempo total de carregamento, a
diferentes temperaturas, para uma corrente de carregamento de 2 A das células eneloop da Sanyo
[22]. ............................................................................................................................................................ 23
Figura 2.17 – Curvas de descarregamento que relacionam a tensão com a DOD a diferentes taxas de
descarregamento das células eneloop da Sanyo [22]. ................................................................................. 23
Figura 2.18 – UltraBateria da C.S.I.R.O. [23]. .......................................................................................... 24
Figura 2.19 – Bateria NanoSafe da Altairnano [24]. .................................................................................. 25
Figura 2.20 – Célula e módulo S.C.i.B. [26]. ............................................................................................. 26
Figura 2.21 – Constituição interna de um UltraCondensador [27]. ............................................................ 27
Figura 2.22 – UltraCondensador da NESSCAP UltraCapacitors de 5000 F e 2,7 V [28]. ......................... 27
Figura 2.23 – UltraCondensador da Batscap de 2600 F e de 2,7 V [29]. ................................................... 28
Figura 2.24 – Módulo de UltraCondensadores BMOD Power [30]. .......................................................... 28
Figura 2.25 – BMS para baterias TS-LFP90AHA da Thundersky [31]. ...................................................... 30
Figura 2.26 – Lithium Balance BMS 23 Cell [32]. ..................................................................................... 30
Figura 2.27 – Esquema de ligações do Lithium Balance BMS 23 Cell [32]. .............................................. 31
Figura 2.28 – Aspecto externo do Victron Energy [34]. ............................................................................. 31
Figura 2.29 – Gráfico obtido com o Victron Energy, modelo BMV 602 e o software VEBat software,
durante o carregamento de uma bateria [33]. ............................................................................................. 32
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
xiii
Lista de Figuras
Figura 2.30 – PCM para baterias de lítio [35]. ........................................................................................... 32
Figura 2.31 – Diagrama de blocos de um banco de baterias com BMS para veículo eléctrico [36]. ......... 33
Figura 2.32 – BMS’s e módulo de bateria do banco de baterias de veículo eléctrico [36]. ........................ 33
Figura 2.33 – Banco de baterias do Tesla Roadster [41]. ........................................................................... 37
Figura 2.34 – Relação entre a aceleração e a eficiência energética para diferentes veículos visando
enaltecer o Tesla Roadster [42]. ................................................................................................................. 38
Figura 2.35 – Módulo de baterias NHE Module da Saft [56]. .................................................................... 41
Figura 2.36 – Curvas de descarregamento que relacionam a tensão com a DOD percentual, para
diferentes correntes de descarregamento, nos módulos NHE 10-100 Module da Saft [56]. ....................... 42
Figura 2.37 – Evolução do estado da carga percentual ao longo dos dias, às temperaturas de +23ºC e
+40ºC, nos módulos NHE 10-100 Module da Saft [56]. ............................................................................. 43
Figura 2.38 – Evolução do estado da capacidade de carga percentual ao longo do número de ciclos
de carregamento e descarregamento nos módulos NHE 10-100 Module da Saft [56]. ............................... 43
Figura 2.39. – Relação entre os picos de potência e a DOD percentual nos módulos NHE 10-100
Module da Saft [56]. ................................................................................................................................... 43
Figura 2.40 – Baterias XP Battery Module da Valence [57]. ...................................................................... 44
Figura 2.41 – Curvas de descarregamento que relacionam a tensão da bateria com a DOD percentual,
para diferentes taxas de descarregamento à temperatura de funcionamento de +23 ºC [57]. ..................... 45
Figura 2.42 – Evolução do estado da capacidade de carga percentual ao longo do número de ciclos
de carregamento e descarregamento à taxa de C / 2 e à temperatura de +23 ºC [57]. ................................ 45
Figura 2.43 – Curvas de carregamento que relacionam a capacidade de carga percentual com a
tensão da bateria e com o tempo total de carregamento [57]. ..................................................................... 46
Figura 2.44 – Células de bateria da EnerDel [59]. ..................................................................................... 46
Figura 2.45 – Bateria da EnerDel [59]. ...................................................................................................... 46
Figura 2.46 – Curva de descarregamento que relaciona a tensão da célula com capacidade de carga
absoluta nas células LiTiO [59]. ................................................................................................................. 47
Figura 2.47 – Curva de descarregamento que relaciona a tensão da célula com a DOD percentual
para uma taxa de descarregamento de 1 C à temperatura de 30 ºC [59]. .................................................... 48
Figura 2.48 – Comparação de baterias da EnerDel com as tradicionais de NiMH [58]. ............................ 48
Figura 2.49 – Evolução da capacidade de carga absoluta da bateria ao longo do número de ciclos
para as condições de carregamento e descarregamento especificadas [59]. ............................................... 48
Figura 2.50 – Bateria TS-LPF90AHA da Thunder Sky [60]........................................................................ 49
Figura 2.51 – Curvas de carregamento que relacionam a tensão da célula com a corrente e com a
capacidade de carga percentual ao longo do tempo [60]. ........................................................................... 50
Figura 2.52 – Curvas de descarregamento que relacionam a tensão da célula com a DOD percentual
para diferentes taxas de descarregamento [60]. .......................................................................................... 50
Figura 2.53 – Curvas de descarregamento que relacionam a tensão da célula com a DOD percentual
para diferentes temperaturas a uma taxa de descarregamento de 0,5 C [60]. ............................................. 50
Figura 3.1 – Evolução da tensão e da corrente ao longo do tempo, com o algoritmo: corrente
constante. .................................................................................................................................................... 57
Figura 3.2 – Evolução da tensão e da corrente ao longo do tempo, com o algoritmo: tensão constante. ... 57
Figura 3.3 – Evolução da tensão e da corrente ao longo do tempo, com o algoritmo: potência
constante. .................................................................................................................................................... 58
Figura 3.4 – Evolução da tensão e da corrente ao longo do tempo, com o algoritmo: temperatura
máxima e constante. ................................................................................................................................... 58
Figura 3.5 – Evolução da tensão e da corrente ao longo do tempo, com o algoritmo: corrente
constante seguida de tensão constante (I). .................................................................................................. 59
Figura 3.6 – Evolução da tensão e da corrente ao longo do tempo, com o algoritmo: corrente
xiv
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
Lista de Figuras
constante seguida de tensão constante (II).................................................................................................. 59
Figura 3.7 – Evolução da tensão e da corrente ao longo do tempo, com o algoritmo: corrente
constante seguida de tensão constante (III). ............................................................................................... 60
Figura 3.8 – Evolução da tensão e da corrente ao longo do tempo, com o algoritmo: corrente
constante seguida de tensão constante (IV). ............................................................................................... 60
Figura 3.9 – Evolução da tensão e da corrente ao longo do tempo, com o algoritmo: “Negative Delta
V”. .............................................................................................................................................................. 61
Figura 3.10 – Evolução da tensão e da corrente ao longo do tempo, com o algoritmo: corrente
constante e pulsada. .................................................................................................................................... 61
Figura 3.11 – Evolução da tensão e da corrente ao longo do tempo, com o algoritmo: variação da
tensão. ......................................................................................................................................................... 62
Figura 3.12 – Conversor CA-CC com diodos e filtro capacitivo na saída. ................................................. 62
Figura 3.13 – Tensões e correntes no lado CA (ve, ie) e no lado CC (vs, is), do conversor CA-CC
com diodos e filtro capacitivo no lado CC. ................................................................................................ 63
Figura 3.14 – Utilização de um filtro indutivo série antes do conversor CA-CC com diodos e filtro
capacitivo no lado CC. ............................................................................................................................... 64
Figura 3.15 – Tensões e correntes no lado CA (ve, ie) e no lado CC (vs, is) do conversor CA-CC com
diodos e filtro capacitivo no lado CC, e com filtro indutivo série no lado CA. .......................................... 65
Figura 3.16 – Filtro LC antes do conversor CA-CC a diodos. ................................................................... 65
Figura 3.17 – Tensões e correntes à entrada (ve, ie) e à saída (vs, is) do conversor CA-CC com
diodos e filtro capacitivo no lado CC e filtro indutivo série e capacitivo paralelo no lado CA. ................. 66
Figura 3.18 – Conversor CA-CC a diodos seguido do conversor CC-CC Step-Up. ................................... 66
Figura 3.19 – Tensões e correntes no lado CA (ve, ie) e no lado CC (vs, is) do conversor CA-CC com
diodos seguido do conversor CC-CC Step-Up. .......................................................................................... 67
Figura 3.20 – Algoritmo de controlo do PWM a aplicar ao conversor CC-CC Step-Up. ........................... 67
Figura 3.21 – Conversor bidireccional CC-CC Step-Up e Step-Down. ...................................................... 68
Figura 3.22 – Conversor bidireccional, com consumo sinusoidal de corrente e factor de potência
unitário. ...................................................................................................................................................... 69
Figura 3.23 – Circuito completo do conversor bidireccional. .................................................................... 69
Figura 3.24 – Diagrama de blocos de controlo dos IGBT's do Sistema Inteligente de Carregamento
de Baterias. ................................................................................................................................................. 70
Figura 3.25 – Algoritmo de controlo de carregamento das baterias com tensão constante, com
corrente constante ou com corrente constante seguida de tensão constante. .............................................. 71
Figura 3.26 – Diagrama de blocos de controlo dos IGBT's do Sistema Inteligente de Carregamento
de Baterias. ................................................................................................................................................. 72
Figura 3.27 – Algoritmo de controlo do descarregamento das baterias como conversor CC-CA ou
directamente sobre uma carga. ................................................................................................................... 73
Figura 3.28 – Carregador de baterias Werkraft WK-AFN9 [69]. ................................................................ 74
Figura 3.29 – Carregador Excel CF [70]. ................................................................................................... 75
Figura 3.30 – Carregador Smart Charger Li-Ion Battery Pack [71]........................................................... 75
Figura 3.31 – Smart Charger LiFePO Battery Pack [72]........................................................................... 76
Figura 3.32 – Smart Charger NiCd / NiMH Battery Pack [73]. ................................................................. 77
Figura 3.33 – Smart Fast Charger Lead Acid Battery [74]. ....................................................................... 78
Figura 4.1 – Ambiente de trabalho do software PSCAD. ........................................................................... 81
Figura 4.2 – Circuito de potência implementado no PSCAD para simular o funcionamento do
Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias. ..................................................................................... 82
Figura 4.3 – Simulação dos sensores de tensão e de corrente e respectivo condicionamento de sinais. .... 83
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
xv
Lista de Figuras
Figura 4.4 – Simulação do circuito de ADC's. ........................................................................................... 83
Figura 4.5 – Modelo do microcontrolador desenvolvido e circuito de enable. .......................................... 84
Figura 4.6 – Definição, através do modelo do microcontrolador, do valor da tensão e da corrente, dos
ganhos e dos tempos de integração do controlador PI e dos tempos associados ao controlo do
Sistema de Carregamento. .......................................................................................................................... 84
Figura 4.7 – Modelo de bateria desenvolvido. ........................................................................................... 85
Figura 4.8 – Circuito interno do modelo de bateria, que permite o carregamento com tensão ou
corrente constante. ...................................................................................................................................... 85
Figura 4.9 – Circuitos de controlo do modelo de bateria para os casos em que é carregada com tensão
ou corrente constante. ................................................................................................................................. 86
Figura 4.10 – Tensão (ve) e corrente (ie) no lado CA, e corrente de referência (iref) para o lado CA,
em regime permanente. .............................................................................................................................. 87
Figura 4.11 – Tensão (vs) e corrente (is) no lado CC em regime permanente. ........................................... 88
Figura 4.12 – Parâmetros do modelo do banco de baterias para o carregamento com o algoritmo de
tensão constante. ......................................................................................................................................... 88
Figura 4.13 – Parâmetros correspondentes ao microprocessador para o algoritmo de carregamento
com tensão constante. ................................................................................................................................. 89
Figura 4.14 – Tensão (ve) e corrente (ie) no lado CA, tensão (vs) e corrente (is) no lado CC, e
corrente de referência (iref) para o lado CA, no transitório de ligação do Siema de Carregamento. ......... 89
Figura 4.15 – Potências no lado CA (p_rede) e no lado CC (p_carga), em regime permanente. .............. 90
Figura 4.16 – Valores RMS para o lado CA, da tensão (Ve_RMS), da corrente (Ie_RMS) e da
corrente de referência (Iref_RMS). ............................................................................................................. 90
Figura 4.17 – Gráficos dos harmónicos da tensão (ve) e da corrente (ie) no lado CA quando o
Sistema de Carregamento não está a funcionar (dois gráficos da esquerda) e quando está a funcionar
(dois gráficos da direita) ............................................................................................................................. 91
Figura 4.18 – Tensão (vs) e corrente (is) no lado CC no transitório de ligação do Sistema de
Carregamento. ............................................................................................................................................ 91
Figura 4.19 – Tensão (ve) e corrente (ie) no lado CA, e tensão (vs) e corrente (is) no lado CC, no
transitório de ligação do Sistema de Carregamento.................................................................................... 92
Figura 4.20 – Tensão (ve) e a corrente (ie) no lado CA e a corrente de referência para o lado CA
(iref) em regime permanente. ..................................................................................................................... 93
Figura 4.21 – Tensão (vs) e corrente (is) no lado CC em regime permanente. ........................................... 93
Figura 4.22 – Parâmetros do modelo do banco de baterias para o carregamento com o algoritmo de
corrente constante. ...................................................................................................................................... 94
Figura 4.23 – Parâmetros correspondentes ao microprocessador para o método de carregamento com
corrente constante. ...................................................................................................................................... 94
Figura 4.24 – Tensão (ve) e corrente (ie) no lado CA, e tensão (vs) e corrente (is) no lado CC, assim
como corrente de referência (iref) para o lado CA. .................................................................................... 95
Figura 4.25 – Potências no lado CA (p_rede) e no lado CC (p_carga) em regime permanente. ............... 95
Figura 4.26 – Valores de RMS, para o lado CA, da tensão (Ve_RMS), da corrente (Ie_RMS) e da
corrente de referência (Iref_RMS). ............................................................................................................. 96
Figura 4.27 – Gráficos dos harmónicos da tensão e da corrente no lado CA com o Sistema de
Carregamento sem comutar (dois gráficos da esquerda) e a comutar (dois gráficos da direita). ................ 96
Figura 4.28 – Tensão (vs) e corrente (is) no lado CC no transitório de ligação do Sistema de
Carregamento. ............................................................................................................................................ 97
Figura 4.29 – Tensão (ve) e corrente (ie) no lado CA, e tensão (vs) e corrente (is) no lado CC, no
transitório de ligação do Sistema de Carregamento.................................................................................... 97
Figura 4.30 – Tensão (ve) e a corrente (ie) no lado CA e a corrente de referência para o lado CA
(iref) em regime permanente com corrente constante no banco de baterias. .............................................. 98
Figura 4.31 – Tensão (ve) e a corrente (ie) no lado CA e a corrente de referência (iref) para o lado
xvi
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
Lista de Figuras
CA em regime permanente com tensão constante no banco de baterias. ................................................... 98
Figura 4.32 – Tensão (vs) e corrente (is) no lado CC no transitório entre estágios de carregamento. ........ 99
Figura 4.33 – Parâmetros do modelo do banco de baterias para o carregamento com o algoritmo de
corrente constante seguido de tensão constante. ......................................................................................... 99
Figura 4.34 – Tensão (ve) e corrente (ie) no lado CA, e tensão (vs) e corrente (is) no lado CC, no
transitório entre estágios de carregamento. .............................................................................................. 100
Figura 4.35 – Parâmetros correspondentes ao microprocessador para este algoritmo de carregamento. . 100
Figura 4.36 – Tensão (ve) e corrente (ie) no lado CA, e tensão (vs) e corrente (is) no lado CC, assim
como corrente de referência (iref) para o lado CA, no estágio de corrente constante. ............................. 101
Figura 4.37 – Tensão (ve) e corrente (ie) no lado CA, e tensão (vs) e corrente (is) no lado CC, assim
como corrente de referência (iref) para o lado CA, no estágio de corrente constante. ............................. 101
Figura 4.38 – Potências no lado CA (p_rede) e no lado CC (p_carga), em regime permanente. ............ 102
Figura 4.39 – Valores RMS para o lado CA, da tensão (Ve_RMS), da corrente (Ie_RMS) e da
corrente de referência (Iref_RMS), com o Sistema de Carregamento a funcionar, no estágio de
corrente constante e no estágio de tensão constante, respectivamente. .................................................... 102
Figura 4.40 – Gráficos dos harmónicos da tensão e da corrente no lado CA quando o Sistema de
Carregamento não está a funcionar (dois gráficos da esquerda) e quando está a funcionar (dois
gráficos da direita), durante o estágio de corrente constante. ................................................................... 103
Figura 4.41 – Tensão (vs) e corrente (is) no lado CC no transitório de ligação do Sistema de
Carregamento. .......................................................................................................................................... 103
Figura 4.42 – Tensão (ve) e corrente (ie) no lado CA, e tensão (vs) e corrente (is) no lado CC, no
transitório de ligação do Sistema de Carregamento, e antes do estágio de corrente constante. ................ 104
Figura 4.43 – Tensão (ve) e a corrente (ie) no lado CA, e a corrente de referência (iref) para o lado
CA, em regime permanente. ..................................................................................................................... 105
Figura 4.44 – Tensão (vs) e corrente (is) no lado CC em regime permanente. ......................................... 105
Figura 4.45 – Potências no lado CA (p_rede) e no lado CC (p_carga), em regime permanente. ............ 105
Figura 4.46 – Valores RMS para o lado CA, da tensão (Ve_RMS), da corrente (Ie_RMS) e da
corrente de referência (Iref_RMS). ........................................................................................................... 106
Figura 4.47 – Gráficos dos harmónicos da tensão (ve) e da corrente (ie) no lado CA.............................. 106
Figura 5.1 – Circuito de potência com todos os seus elementos. ............................................................. 109
Figura 5.2 – Conversor bidireccional. ...................................................................................................... 110
Figura 5.3 – IGBT FGA25N120ANTD da Fairchild Semiconductor [75]. ............................................... 110
Figura 5.4 – Indutância utilizada no lado CA. .......................................................................................... 111
Figura 5.5 – Condensador utilizado no lado CC. ...................................................................................... 111
Figura 5.6 – Circuito de pré-carga do condensador do lado CC. .............................................................. 112
Figura 5.7 – Banco de baterias de chumbo-ácido com tensão nominal 48 V e capacidade nominal de
armazenamento 44 Ah. ............................................................................................................................. 112
Figura 5.8 – Circuito de comando potência com todos os seus elementos. .............................................. 113
Figura 5.9 – Sensor de tensão de efeito Hall LV 25-P da LEM [76]. ....................................................... 114
Figura 5.10 – Esquemático de ligações do sensor LV 25-P da LEM [77]................................................. 114
Figura 5.11 – Sensor de corrente LA 55-P da LEM [78]. ......................................................................... 116
Figura 5.12 – Esquemático de ligações do sensor LA 55-P da LEM [79]................................................. 116
Figura 5.13 – Esquemático do circuito que permite adicionar valor médio e ajustar o ganho aos sinais
com valor médio nulo. .............................................................................................................................. 117
Figura 5.14 – Esquemático do circuito de protecção e filtro RC. ............................................................. 118
Figura 5.15 – Placa de condicionamento de sinais desenvolvida. ............................................................ 118
Figura 5.16 – Constituição interna do microcontrolador PIC32MX360F512L [80]. ................................ 119
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
xvii
Lista de Figuras
Figura 5.17 – Placa de desenvolvimento para o microcontrolador PIC32MX360F512L inserido no
PIC32MX Starter Kit. ............................................................................................................................... 120
Figura 5.18 – Ambiente de trabalho do MPLAB. ..................................................................................... 120
Figura 5.19 – Esquemático do circuito de comando dos sinais para os IGBT's. ...................................... 121
Figura 5.20 – Placa de circuito de comando dos sinais para os IGBT's desenvolvida. ............................ 121
Figura 5.21 – Esquemático do circuito de drivers para um IGBT. ........................................................... 122
Figura 5.22 – Placa de circuito de drivers desenvolvida. ......................................................................... 122
Figura 5.23 – Esquemático do circuito de detecção de excessos de corrente. .......................................... 123
Figura 5.24 – Esquemático do circuito de detecção de excessos de tensão no lado CC e detecção de
falha de dead-time. ................................................................................................................................... 123
Figura 5.25 – Placa de circuito de detecção de erros desenvolvida. ......................................................... 124
Figura 5.26 – Circuito externo do DAC712P. .......................................................................................... 124
Figura 5.27 – LCD utilizado para visualizar o estado de carregamento das baterias. .............................. 125
Figura 5.28 – Versão final do Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias desenvolvido. ............. 125
Figura 6.1 – Variac utilizado nos testes do Sistema de Carregamento. .................................................... 127
Figura 6.2 – Tensão (ve) e corrente (ie) no lado CA quando os IGBT’s do Sistema de Carregamento
não estão a comutar. ................................................................................................................................. 128
Figura 6.3 – Tensão (ve) e corrente (ie) no lado CA quando os IGBT’s do Sistema de Carregamento
estão a comutar. ........................................................................................................................................ 128
Figura 6.4 – Gráfico com os principais harmónicos da corrente no lado CA e o valor da THD total
dessa corrente, quando o Sistema de Carregamento não está a funcionar. ............................................... 129
Figura 6.5 – Gráfico com os principais harmónicos da corrente no lado CA e o valor da THD total
dessa corrente, quando os IGBT’s do Sistema de Carregamento estão a comutar. .................................. 129
Figura 6.6 – Tensão (ve) e corrente (ie) no lado CA, e tensão (vs) no lado CC, no transitório em que
os IGBT’s do Sistema de Carregamento começam a comutar. ................................................................ 130
Figura 6.7 – Tensão e corrente no lado CA, e tensão no lado CC, no mesmo transitório, numa escala
de tempo maior. ........................................................................................................................................ 130
Figura 6.8 – Tensão e corrente no lado CA, tensão no lado CC e corrente de referência (iref) para o
lado CA, no mesmo transitório. ................................................................................................................ 131
Figura 6.9 – Tensão no banco de baterias, ao longo de todo o tempo de carregamento, com tensão
constante de valor 55 V. ........................................................................................................................... 132
Figura 6.10 – Corrente de carregamento do banco de baterias, ao longo de todo o tempo de
carregamento, com tensão constante de valor 55 V.................................................................................. 132
Figura 6.11 – Sinais da tensão (ve) e da corrente (ie) do lado CA, corrente de referência (iref) para o
lado CA e tensão do lado CC (vs) na fase inicial do carregamento. ......................................................... 133
Figura 6.12 – Sinais da tensão (ve) e da corrente (ie) do lado CA, corrente de referência (iref) para o
lado CA e tensão do lado CC (vs) na fase final do carregamento. ............................................................ 133
Figura 6.13 – Tensão no banco de baterias, ao longo de todo o tempo de carregamento, com corrente
constante de valor 1,2 A. .......................................................................................................................... 134
Figura 6.14 – Corrente de carregamento do banco de baterias, ao longo de todo o tempo de
carregamento, com corrente constante de valor 1,2 A. ............................................................................. 134
Figura 6.15 – Sinais da tensão (ve) e da corrente (ie) do lado CA, corrente de referência (iref) para o
lado CA e tensão (vs) do lado CC na fase inicial do carregamento. ......................................................... 135
Figura 6.16 – Sinais da tensão (ve) e da corrente (ie) do lado CA, corrente de referência (iref) para o
lado CA e tensão do lado CC (vs) na fase final do carregamento. ............................................................ 135
Figura 6.17 – Tensão no banco de baterias ao longo de todo o tempo de carregamento, com um
primeiro estágio de corrente constante de valor 1,2 A, seguido de um estágio de tensão constante de
valor 55 V. ................................................................................................................................................ 136
xviii
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
Lista de Figuras
Figura 6.18 – Corrente de carregamento do banco de baterias ao longo de todo o tempo de
carregamento, com um primeiro estágio de corrente constante de valor 1,2 A, seguido de um estágio
de tensão constante de valor 55 V. ........................................................................................................... 136
Figura 6.19 – Sinais da tensão (ve) e da corrente (ie) do lado CA, corrente de referência (iref) para o
lado CA e tensão (vs) do lado CC na fase inicial do carregamento, ou seja, no estágio de corrente
constante. .................................................................................................................................................. 137
Figura 6.20 – Sinais da tensão (ve) e da corrente (ie) do lado CA, corrente de referência (iref) para o
lado CA e tensão (vs) do lado CC na fase final do carregamento, ou seja, no estágio de tensão
constante. .................................................................................................................................................. 137
Figura 6.21 – Resistência de potência utilizada para o descarregamento do banco de baterias. .............. 138
Figura 6.22 – Corrente do lado CA quando o banco de baterias está a devolver a energia armazenada
à rede eléctrica. ......................................................................................................................................... 139
Figura 6.23 – Sinais da tensão (ve) e da corrente (ie) do lado CA, corrente de referência (iref) para o
lado CA e tensão (vs) do lado CC, quando o banco de baterias está a devolver a energia armazenada
à rede eléctrica. ......................................................................................................................................... 139
Figura 6.24 – Sinais da tensão (ve) e da corrente (ie) do lado CA, e tensão (vs) do lado CC, quando o
banco de baterias está a devolver a energia armazenada à rede eléctrica. ................................................ 140
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
xix
Lista de Tabelas
Tabela 2.1 – Principais características nominais da célula de combustível ElectraGen [3]. ........................ 8
Tabela 2.2 – Principais características nominais do flywheel VDC-XE [7]. ................................................. 9
Tabela 2.3 – Estado percentual das baterias Torjan Deep-Cycle de 6 V e 12 V em função da tensão
em circuito aberto [16]. .............................................................................................................................. 16
Tabela 2.4 – Valores nominais da célula e do módulo S.C.i.B. [26]. ......................................................... 25
Tabela 2.5 – Características do UltraCondensador da Batscap [29]........................................................... 28
Tabela 2.6 – Valores nominais do módulo de Ultracondensadores BMOD Power [30]. ........................... 29
Tabela 2.7 – Características relevantes do PCM para baterias de lítio [35]. .............................................. 33
Tabela 2.8 – Comparação entre o Tesla Roadster e veículos não eléctricos [42]. ...................................... 37
Tabela 2.9 – Características nominais do NHE 10-100 Module da Saft [56]. ............................................ 42
Tabela 2.10 – Valores nominais da bateria U24-12XP da Valance [57]. ................................................... 44
Tabela 2.11 – Valores nominais da célula LiTiO da EnerDel [58][59]. ..................................................... 47
Tabela 2.12 – Valores nominais da bateria TS-LPF90AHA da Thunder Sky [60]. ..................................... 49
Tabela 2.13 – Características das diferentes tecnologias de células de baterias. ........................................ 51
Tabela 2.14 – Características das diferentes tecnologias de baterias. ......................................................... 52
Tabela 2.15 – Exemplos de fornecedores de baterias de diferentes tecnologias e valores nominais. ......... 53
Tabela 3.1 – Principais características do carregador Werkraft WK-AFN9 [69]. ....................................... 74
Tabela 3.2 – Principais características de um carregador Excel CF trifásico de 6600 W [70]. .................. 75
Tabela 3.3 – Principais características do carregador Smart Charger Li-Ion Battery Pack [71]. ............... 76
Tabela 3.4 – Principais características do carregador Smart Charger LiFePO Battery Pack [72]. ............ 76
Tabela 3.5 – Principais características do carregador Smart Charger NiCd / NiMH Battery Pack [73]. ... 77
Tabela 3.6 – Principais características do carregador Smart Fast Charger Lead Acid Battery [74]. ......... 78
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
xxi
Lista de Abreviaturas
ADC
Analog to Digital Converter
AGM
Absorption Glass Mat
BMS
Battery Management System
CA
Corrente Alternada
CC
Corrente Contínua
DAC
Digital to Analog Converter
DOD
Depth of Discharge
IGBT
Insulated Gate Bipolar Transistor
LCD
Liquid Crystal Display
LiFeMgPO
Lithium Iron Magnesium Phosphate
LiFePO
Lithium Iron Phosphate
LiMnO
Lithium Manganese Oxygen
LiPol
Lithium Polymer
LiTi
Lithium Titanium
NiCd
Nickel Cadmium
NiMH
Nickel Metal Hydride
PCM
Protection Circuit Module
PI
Proporcional Integral
PIC
Programmable Interface Controller
PSCAD
Power System Computer Assisted Design
PWM
Pulse Width Modulation
QEE
Qualidade da Energia Eléctrica
RMS
Root Mean Square
SLA
Sealed Lead Acid
THD
Total Harmonic Distortion
UPS
Uninterruptible Power Supply
VRLA
Valve Regulated Lead Acid
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
xxiii
CAPÍTULO 1
Introdução
1.1. O Problema Energético nos Transportes
Ao longo das últimas décadas, a energia eléctrica tem-se revelado uma tal
utilidade que, actualmente, muito dificilmente alguém passaria sem ela, principalmente
para usufruir dos bens essenciais, tais como electrodomésticos e luz eléctrica. Esta
relação de dependência é cada vez maior, uma vez que os avanços tecnológicos são
constantes, no entanto, as soluções actuais para a produção da energia eléctrica
necessária, nem sempre são as mais benéficas, do ponto de vista ambiental, para o
planeta em que vivemos.
A nível mundial, o actual consumo energético, principalmente no sector dos
transportes, é bastante elevado e, infelizmente, grande parte dessa energia é proveniente
de fontes de energia não renováveis, como o petróleo ou o gás natural. Nas próximas
décadas, com a escassez destes bens para satisfazer as necessidades do consumo, é
necessário dirigir esforços para outras fontes de energia, que permitam colmatar esta
escassez. Assim, neste sector, a escolha óbvia para mitigar este problema, assenta na
aposta nos veículos híbridos e eléctricos, sendo que o desenvolvimento tecnológico
deste tipo de veículos tem sido alvo de forte aposta nos últimos anos, existindo já vários
modelos comercialmente disponíveis.
É no contexto dos veículos híbridos e eléctricos que surge o Sistema Inteligente
de Carregamento de Baterias, visando atender às necessidades de carregamento das
mesmas, respeitando as suas características construtivas e intrínsecas, assim como os
algoritmos de optimização do carregamento de modo a permitir prolongar a vida útil das
mesmas. Tais algoritmos consistem no fornecimento de energia eléctrica respeitando os
diferentes estágios de carregamento, quer a nível de tensão quer a nível de corrente.
Com a promissora mudança no paradigma dos transportes, o uso dos veículos
híbridos e eléctricos representa uma alternativa vantajosa do ponto de vista ambiental,
principalmente, porque reduz às emissões de gases com efeito de estufa. No entanto,
também é necessário garantir que a energia eléctrica fornecida às baterias não seja
produzida a partir de fontes de energia não renováveis. Outro aspecto de grande
importância prende-se com o facto do Sistema Eléctrico Nacional poder ser afectado do
ponto de vista da Qualidade da Energia Eléctrica (QEE) se o sistema de carregamento
das baterias não consumir corrente sinusoidal e não apresentar factor de potência
unitário. Por esta razão, o colmatar dos factores enunciados são as mais-valias do
Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias proposto nesta Dissertação.
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
1
Capítulo 1 – Introdução
1.2. Enquadramento
Fruto dos acordos políticos do governo português, na próxima década, Portugal
estará no caminho dos veículos híbridos e eléctricos como principal alternativa aos
veículos que utilizam combustíveis fósseis, sendo por isso de extrema importância dotar
o país de uma rede de carregamento das baterias destes veículos. Com esta aposta,
reduzem-se os problemas ambientais originários dos actuais veículos e a dependência
externa de combustíveis fosseis, que devido à crescente procura, apresentam reservas
que tendem a esgotar nas próximas décadas. Por esta razão, os construtores de veículos
estão convencidos do sucesso dos veículos híbridos e eléctricos e da rentabilidade que
os mesmos podem representar, sendo que actualmente, a aposta nestes veículos tem sido
elevada. Um destes exemplos provém da cooperação Renault-Nissan que prevê, para
curto prazo, o lançamento a nível mundial de modelos de veículos eléctricos.
Neste cenário, empresas de sectores como o tecnológico e o energético terão um
papel importante na colaboração com os fabricantes dos veículos, nomeadamente, para
dotar Portugal de infra-estruturas que permitam a circulação destes veículos sem
inconvenientes, principalmente, na criação de uma rede de carregamento das baterias.
Implicitamente, essas empresas também contribuirão para a expansão da inovação
tecnológica em Portugal, colocando-nos, a nível mundial, na vanguarda desta
tecnologia.
1.3. Motivações
A motivação primordial para o desenvolvimento do Sistema Inteligente de
Carregamento de Baterias é a crescente aposta em veículos híbridos e eléctricos por
parte dos grandes construtores de veículos, e não menos importante, os problemas
ambientais actuais e a escassez de alguns dos recursos utilizados na produção de energia
eléctrica. Com o desenvolvimento dos veículos híbridos e eléctricos, surge então a
necessidade de recorrer à electrónica de potência para satisfazer as suas principais
necessidades. Dentro da electrónica de potência a principal motivação foi a construção
de um conversor bidireccional. Relativamente ao software, a principal motivação foi a
elaboração de um sistema de controlo capaz de manter tensão ou corrente constante no
lado CC, conforme o algoritmo de carregamento das baterias, que ao mesmo tempo
consome corrente sinusoidal e mantém unitário o factor de potência.
1.4. Objectivos
Tendo em conta as necessidades dos veículos híbridos e eléctricos e do Sistema
Eléctrico Nacional, com o Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias proposto,
pretende-se carregar as diferentes tecnologias de baterias recorrendo a diferentes
algoritmos de carregamento, visando principalmente, prolongar a vida útil das mesmas e
preservar a QEE. Para este pressuposto, pretende-se que o Sistema de Carregamento se
possa adaptar a baterias com diferentes características nominais e a todas as suas
2
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
Capítulo 1 – Introdução
tecnologias. Com o Sistema de Carregamento apresentado pretende-se carregar as
baterias dos veículos híbridos e eléctricos através de um método de carregamento lento,
indicado para quando os veículos estiverem ligados à rede eléctrica por longos períodos
de tempo, como parques de estacionamento ou residências. Por outro lado, como
Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias pode funcionar de forma bidireccional
é possível que a energia armazenada nas baterias seja devolvida ao Sistema Eléctrico
Nacional, ajudando assim as centrais hidroeléctricas reversíveis a colmatar a crescente
aposta na energia eólica e solar, uma vez que a energia produzida a partir dos ventos e
radiação solar directa revela-se inconstante. Deste modo, o sistema apresentado nesta
dissertação poderá vir a ser, num futuro próximo, uma excelente solução para o
problema de carregamento de um elevado número de veículos híbridos e eléctricos
através do Sistema Eléctrico Nacional, sem que para o efeito prejudiquem a QEE.
Para a construção do Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias foi
imprescindível a pesquisa sobre os sistemas de carregamento de baterias existentes e
suas tecnologias, e com base nesta, é proposto a construção de um conversor
bidireccional que permite consumo sinusoidal de corrente e factor de potência unitário,
e ao mesmo tempo, mantém constante a tensão ou a corrente no lado CC.
Por fim, os objectivos a alcançar para que o Sistema Inteligente de Carregamento
de Baterias possa funcionar correctamente, resumem-se a:
• Permitir manter constante a tensão ou a corrente do lado CC, conforme o algoritmo de
carregamento das baterias.
• Em qualquer método de carregamento das baterias, o consumo de corrente por parte
do conversor CA-CC, deve ser sinusoidal e com factor de potência unitário.
• Permitir que o sistema possa ser bidireccional, ou seja, possa funcionar com conversor
CA-CC ou como conversor CC-CA.
1.5. Organização da Dissertação
De acordo com os objectivos anteriormente mencionados, esta Dissertação está
organizada em vários capítulos, descritos e enumerados de seguida.
No Capítulo 1, denominado Introdução, está descrito O Problema Energético nos
Transportes, o Enquadramento, as Motivações, os Objectivos e a Organização da
Dissertação.
No Capítulo 2, referente às Baterias Eléctricas, estão abordadas as principais
tecnologias de baterias de uso comum, e também baterias específicas para veículos
híbridos e eléctricos, assim como os respectivos algoritmos de carregamento.
No Capítulo 3, denominado Carregadores de Baterias, são abordados diferentes
algoritmos de carregamento das mesmas que podem ser implementados para as
diferentes tecnologias destas. Ainda neste capítulo são apresentados diferentes
carregadores de baterias comercialmente disponíveis, com indicação das suas
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
3
Capítulo 1 – Introdução
características, e em comparação com o carregador proposto no âmbito desta
Dissertação, referindo os seus algoritmos de controlo.
No Capítulo 4, denominado Simulações do Sistema de Carregamento, estão
apresentados e comentados os resultados computacionais obtidos no software PSCAD
relativos ao Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias proposto. Estes resultados
adquiridos para diferentes algoritmos de carregamento e descarregamento, ou seja, com
o conversor a funcionar de forma bidireccional.
No Capítulo 5, referente à Implementação do Sistema Inteligente de
Carregamento de Baterias, estão expostas todas as partes constituintes que conduziram à
sua implementação, nomeadamente, o circuito de potência e o circuito de comando.
No Capítulo 6, relativo aos Resultados Experimentais do Sistema Inteligente de
Carregamento de Baterias, estão apresentados os resultados obtidos aquando do
carregamento de um banco de baterias específico com diferentes algoritmos. Neste
capítulo são também apresentados os resultados obtidos quando a energia armazenada
nas baterias está a ser devolvida ao Sistema Eléctrico Nacional, isto é, quando o
conversor está a funcionar no modo CC-CA.
No Capítulo 7, por ser o último, refere-se às Conclusões e Sugestões de Trabalho
Futuro que se podem reter após a análise do funcionamento do Sistema de
Carregamento. Também estão apresentadas as sugestões de trabalho futuro, que visam
optimizar todo o Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias.
4
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
CAPÍTULO 2
Baterias Eléctricas
2.1. Introdução
O armazenamento de energia é uma necessidade intrínseca ao ser humano, sendo
que, o facto de ter que se alimentar constantemente para realizar as tarefas básicas
inerentes à sua sobrevivência é a primordial. Todavia, quando se faz referência ao
armazenamento de energia, associam-se várias formas desta, como por exemplo:
Energia Electroquímica: que consiste no armazenamento através de baterias eléctricas.
Energia Eléctrica: através de bobinas supercondutoras ou supercondensadores.
Energia Potencial: através da água contida nas albufeiras das barragens
hidroeléctricas.
Energia Mecânica: através de volantes de inércia (flywheel's), sistemas de ar
comprimido ou molas.
Apesar destes diferentes métodos de armazenamento de energia serem todos
relevantes, somente o armazenamento de energia através de baterias é abordado nesta
Dissertação.
2.2. Baterias
As baterias são dispositivos que armazenam a energia eléctrica que lhes é
fornecida através das reacções electroquímicas que se processam no seu interior. De
forma simplista, as baterias podem ser vistas como dispositivos que armazenam energia
por tempo teoricamente ilimitado e que fornecem essa mesma energia quando
necessário. Deste ponto de vista, considera-se que as baterias apenas trocam energia
entre sistemas, ou seja, recebem energia eléctrica, armazenam-na de forma química e
posteriormente devolvem essa mesma energia como energia eléctrica. No entanto, neste
processo de transformação de formas de energia existem sempre perdas inerentes,
principalmente de energia térmica [1].
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 eléctrica 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 secundárias são preferíveis às primárias,
porque podem ser reutilizadas, todavia, nos respectivos fins de vida, ambas podem ser
recicladas em locais próprios, evitando assim a poluição do meio ambiente, através dos
elementos químicos destas, como o cádmio, chumbo ou mercúrio. Deste modo, a
recolha e posterior reciclagem das baterias é de extrema importância em qualquer
circunstância e ainda mais com a previsível expansão, para as próximas décadas, dos
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
5
Capítulo 2 – Baterias Eléctricas
veículos híbridos e eléctricos.
Como referido anteriormente, a vida útil das baterias é finita, mas não depende
apenas do processo de construção, porque um dos pressupostos mais importante para a
longa durabilidade das baterias é o respeito pelos correctos procedimentos de
carregamento e descarregamento, sendo que cada tipo de bateria tem as suas próprias
especificações. Respeitando estes processos, consegue-se atingir a imprescindível
fiabilidade que se deseja obter com as baterias.
No que concerne à distinção entre baterias, basicamente, estas são distinguíveis
pelos elementos químicos que as constituem e pelo objectivo final a que se propõem.
Um exemplo típico, que evidencia a diferença de aplicabilidade, mas com a mesma
tecnologia, é o das baterias de chumbo utilizadas para o arranque de automóveis, que
fornecem corrente elevada por um período de tempo curto, ao passo que outras baterias,
também de chumbo, podem ser utilizadas para alimentar UPS's, de forma a fornecer
corrente constante durante um período de tempo relativamente longo.
Relativamente às características eléctricas das baterias, a capacidade de corrente
eléctrica que a mesma pode fornecer durante um período de tempo, expressa em Ah, e a
tensão que a mesma dispensa aos seus terminais, medida em V, são as mais relevantes.
No entanto, a par destas, a temperatura a que a bateria está sujeita durante o
carregamento, durante o descarregamento, e quando estão sem uso, também são
características muito relevantes, visto influenciar bastante o rendimento e a vida útil das
mesmas, sendo por isso difícil fazer estimativas exactas quanto ao rendimento das
baterias. Por exemplo, teoricamente, uma bateria de 12 V e 7 Ah é capaz de alimentar
um sistema com 12 V e fornecer uma corrente de 7 A durante uma hora, ou uma
corrente de 3,5 A durante duas horas, no entanto, o rendimento para ambas as situações
não é igual, nem é de 100 %, já que vão existir as perdas mencionadas anteriormente. A
lei de Peukert expressa a capacidade de carga de uma bateria de chumbo-ácido em
relação à taxa de descarregamento, permitindo efectuar estimativas da capacidade de
carga que a bateria possui quando descarregada com uma determinada corrente durante
um intervalo de tempo. Normalmente, a escolha das baterias baseia-se nas
características apresentadas, mas existem outros factores de relevada importância que
devem ser considerados, tal como a relação de energia por unidade de volume, a relação
de energia por unidade de kg, os custos de aquisição e o impacto ambiental.
2.2.1.
Baterias vs. Células de Combustível
Analisando o que se obtém destes dois sistemas, as baterias e as células de
combustível são idênticas, pois em ambas, o resultado final dos processos químicos é a
energia eléctrica. Contudo, abordando estes processos mais pormenorizadamente,
facilmente se conclui que existem diferenças tecnológicas e físicas que limitam o uso
das células de combustível a casos específicos, como os veículos eléctricos. Por um
lado, as baterias estão limitadas à capacidade nominal, à relação de energia por unidade
6
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
Capítulo 2 – Baterias Eléctricas
de volume, à relação de energia por unidade de kg, e ao facto do processo de
carregamento ser moroso. Por outro lado, as células de combustível, enquanto tiverem
combustível para consumir estão sempre em funcionamento, dependendo apenas da
capacidade do reservatório de combustível, que em última instância, até pode ser um
gasoduto de hidrogénio. Todavia, se a questão for abordada em relação a sistemas
portáteis, existem questões pertinentes que favorecem as baterias, apesar de alguns
cépticos destas usarem como argumento o facto das células de combustível apenas
necessitarem de ser abastecidas, ou seja, o reservatório pode ser reposto com rapidez e
em qualquer lugar que tenha essas condições, assim como um veículo tradicional pode
ser abastecido do mesmo modo. Este factor parece revelar-se uma vantagem das células
de combustível em relação às baterias, mas apesar de as baterias requererem
carregamentos que podem ser longos, estas podem ser substituídas por outras que
estejam previamente carregadas. Por exemplo, nos veículos eléctricos, durante uma
viagem em que se pretende apenas paragens curtas, quando as baterias estiverem parcial
ou quase totalmente descarregadas, podem facilmente ser substituídas por outras num
local específico, tal como o carregamento do reservatório das células de combustível.
Quanto às células de combustível, além do hidrogénio, até ao momento mais
nenhum elemento químico, como o monóxido de carbono, butano, propano ou metano,
consegue obter resultados satisfatórios para as células de combustível, e mesmo que os
resultados na produção de energia eléctrica fossem mais aceitáveis, existem problemas
relacionados com a segurança de transporte, os níveis de toxidade, a facilidade de
combustão e o facto de alguns destes elementos químicos serem incolores e inodoros, o
que deve ser tomado em conta, caso contrário, pode-se estar perante uma situação
iminente de perigo por intoxicação sem que se dê pela existência de substâncias tóxicas.
Ainda assim, recentemente foram obtidos desenvolvimentos promissores com o
metanol, no entanto, para além de ser um gás que se pretende reduzir às emissões,
conforme disposto no Protocolo de Quioto, é também um gás inodoro e incolor, e que
quando misturado com o ar transforma-se numa mistura de alto teor explosivo. A par
destes inconvenientes, o metanol pode penetrar no corpo humano através da pele ou das
vias respiratórias, podendo provocar lesões irreversíveis como a cegueira ou, em caso
extremo, a morte. Por esta razão, o seu uso requer cuidados muito específicos, sendo
inclusive proibido o seu transporte em aviões [1].
Desta forma, o hidrogénio é o elemento químico que melhores resultados
apresenta para as células de combustível, no entanto, com inconvenientes
inquestionáveis, tais como custos, problemas com temperaturas inferiores a 0ºC e
dificuldade na sua produção, transporte e armazenamento. Relativamente ao peso,
devido às altas temperaturas de funcionamento das células de combustível a hidrogénio,
é necessário o uso de volumosos sistemas de isolamento térmico, contrariamente às
baterias. Apesar destas considerações, dependendo do sistema em causa, as baterias e as
células de combustível podem cooperar, seja como uma solução híbrida, ou com as
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
7
Capítulo 2 – Baterias Eléctricas
células de combustível a fornecerem energia eléctrica para o carregamento das baterias.
Comercialmente, várias empresas japonesas, como a NEC e a Toshiba, já
apresentaram os seus protótipos de utilização de células de combustível, no entanto,
todos eles são modelos externos que se conectam aos equipamentos, nomeadamente
computadores portáteis, através de cabos de alimentação ou conexões, inviabilizando
assim a substituição das baterias. Com a evolução tecnológica, estes sistemas podem
reduzir de tamanho a ponto de serem embutidos em equipamentos portáteis, porém,
fruto também da evolução tecnológica, as baterias poderão da mesma forma ter
características bastante superiores às actuais, limitando assim o uso das células de
combustível [2].
Um exemplo de célula de combustível disponível comercialmente é a ElectraGen
da empresa Chloride, apresentada na Figura 2.1. Na Tabela 2.1 estão apresentadas as
principais características nominais desta célula de combustível.
Figura 2.1 – Célula de combustível ElectraGen [3].
Tabela 2.1 – Principais características nominais da célula de combustível ElectraGen [3].
Potência Máxima (kW)
3
Tensão Nominal Saída (V)
48 e 24
Consumo H2 (standard liters per minute 1– slpm / kWh)
15
Temperatura de Funcionamento (ºC)
-40 a +50
Dimensões (mm)
648 x 997 x 1345
Peso (kg)
220
2.2.2.
Baterias vs. Flywheel’s
Os flywheel's são sistemas cuja funcionalidade consiste em conservar energia
cinética por intermédio de um rotor que gira no vácuo. Para tal, normalmente, é
induzida velocidade ao rotor através de um motor e posteriormente com um gerador
converte-se a energia armazenada neste sistema em energia eléctrica. Estes sistemas
1
slmp – Standard litres per minute significa, neste caso, o número de litros por minuto standard de
consumo de hidrogénio.
8
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
Capítulo 2 – Baterias Eléctricas
estão a progredir no mundo das tecnologias, devido às vantagens que apresentam,
nomeadamente, baixa manutenção, longa vida útil e não utilização de elementos
químicos susceptíveis de poluírem a Natureza [4].
Apesar de parecerem simples e vantajosos para determinados sistemas, os
flywheel's apresentam desvantagens que os tornam menos competitivos que as baterias
quando aplicados a veículos híbridos e eléctricos. Por exemplo, mecanicamente os
flywheel's devem ser concebidos para resistir a uma possível desintegração do rotor, não
devem possuir problemas de atrito, o efeito giroscópio não deve interferir com o
movimento do veículo e devem ser resistentes a choques mecânicos [5][6].
Um exemplo de flywheel disponível comercialmente é o VDC-XE da empresa
Chloride. Na Figura 2.2 está apresentado o aspecto externo desse flywheel e a sua
constituição interna. Na Tabela 2.2 estão apresentadas as principais características
nominais deste flywheel.
Figura 2.2 – Aspecto externo do flywheel e sua constituição interna [7].
Tabela 2.2 – Principais características nominais do flywheel VDC-XE [7].
Potência Máxima (kW) em 5,4 s
300
Rotações (krpm)
18,5 a 36
Tensão Nominal Entrada (V)
400 a 600
Eficiência (%)
99,4
Tensão Nominal Saída (V)
400 a 520
Temperatura de Funcionamento (ºC)
-20 a +40
Dimensões (mm)
762 x 762 x 1,872
Peso (kg)
826
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
9
Capítulo 2 – Baterias Eléctricas
2.3. Cronologia das baterias
O inicio do armazenamento de energia, através do método electroquímico,
remonta aos finais do século XVIII. Durante as décadas seguintes e em especial na
segunda metade do século XX, os cientistas desta área, têm-se redobrado em esforços
para desenvolver modelos de baterias o mais eficiente possível. É neste pressuposto que
hoje em dia, num mercado cada vez mais necessitado de baterias eficientes, qualquer
avanço, por mais pequeno que seja, é digno de especial destaque. De seguida apresentase uma pequena cronologia respeitante à evolução da tecnologia de baterias [8].
1789 – Galvani deduziu que metais produziam electricidade apenas em contacto com
tecido animal, nomeadamente músculos e células nervosas.
1800 – Alessandro Volta construiu a primeira pilha não recarregável, sem recorrer às
deduções de Galvani.
1854 – Sinstede utiliza pela primeira vez placas de chumbo mergulhadas em ácido
sulfúrico para armazenar electricidade.
1859 – Planté melhora a capacidade das baterias ácidas com uma técnica ainda
actualmente utilizada.
1881 – Faure faz avanços em termos de capacidade, usando pela primeira vez uma liga
de chumbo-antimónio.
1882 – Gladstone e Tribe desenvolvem as operações básicas das baterias ácidas. Tudor
abre no Luxemburgo uma fábrica de baterias ácidas.
1904 – Neste ano é utilizada madeira de cedro nos separadores das baterias.
1907 – É patenteada a liga de chumbo-cálcio.
1910 – O ferro folheado é introduzido na construção das baterias.
1915 – Willard introduz os separadores de borracha nas baterias.
1951 – Ligas de chumbo-cálcio são utilizadas nas baterias dos telefones por troca com
as baterias estacionárias de chumbo-ácido.
1958 – Jache descreve as baterias de gel VRLA (Valve Regulated Lead Acid).
1965 – Baterias de polipropileno SLI (Starting Lighting Ignition) começam a ser
utilizadas.
1968 – Bateria de SLI sem manutenção é desenvolvida.
1980 – Baterias VRLA estacionárias baseadas na tecnologia AGM (Absorption Glass
Mat) começam a ser desenvolvidas.
2.4. “Efeito Memória” das Baterias
O termo “efeito memória”, originário das baterias à base de níquel-cádmio,
significa que estas se podem “lembrar” da quantidade de energia descarregada
anteriormente, sendo por isso recomendável efectuar descarregamentos completos para
este tipo de baterias. Por esta razão, ainda hoje, o termo “efeito memória” é utilizado
para indicar a perda de capacidade nas baterias à base de níquel, porém, com as
melhorias tecnológicas este efeito tende a ser reduzido. Por exemplo, testes realizados
10
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
Capítulo 2 – Baterias Eléctricas
em laboratórios da Black&Decker, mostraram que o “efeito memória” na moderna
bateria de níquel-cádmio eram tão pequenos, que só podiam ser detectados com
equipamentos sensíveis [9].
Quimicamente, o “efeito memória” consiste na formação cristalina que ocorre
quando a bateria não é totalmente descarregada. Quando as baterias de níquel-cádmio
estão em perfeito estado, o material activo de cádmio está presente em cristais
finamente divididos, mas quando o volume destes cristais aumenta, devido a utilização
incorrecta, ocorre o “efeito memória”. Quando este efeito está em fase avançada, os
cantos afiados dos cristais podem crescer através do separador, dando origem a elevado
auto-descarregamento ou até curto-circuito da bateria, tendo como resultado a perda da
capacidade de armazenamento da energia. Outro processo que ocorre, e que também é
denominado “efeito memória”, é a formação de um composto inter-metálico de níquel e
cádmio, criando resistência interna extra na bateria [9].
Opostamente, as baterias à base de chumbo, ou as que são constituídas à base de
lítio, não são afectadas por este efeito, mas podem sofrer de corrosão (nas baterias à
base de chumbo) e de oxidação da placa (nas baterias à base de lítio). O “efeito
memória” nas baterias à base de níquel é irreversível, assim como a oxidação da placa
nas baterias à base de lítio, no entanto, os efeitos nas baterias de chumbo podem ser
parcialmente reversíveis [9].
2.5. Tecnologia das Baterias
Dependendo das características e da aplicação a que se destinam, existem
diferentes tecnologias de baterias [10][11]. Neste contexto, a seguir serão abordadas
algumas características das principais tecnologias de baterias utilizadas em veículos
híbridos e eléctricos, no entanto, não será feita uma descrição exaustiva dos detalhes de
construção, nem das fórmulas químicas envolvidas em cada tecnologia.
Independentemente da aplicação, todas as baterias apresentam vantagens e
desvantagens, todavia, todas visam obter a maior densidade energética possível, o maior
número de carregamentos e descarregamentos, baixo custo e o menor peso e volume
possíveis. Assim, as principais características das baterias são:
Tensão - Expressa em V indica qual a tensão nominal que a mesma disponibiliza aos
seus terminais.
Capacidade - Expressa em Ah determina a capacidade que a mesma tem em fornecer
corrente eléctrica durante um intervalo de tempo. Por exemplo, uma bateria de 10 Ah
pode fornecer uma corrente de 10 A durante uma hora. Neste caso concreto, se o
carregamento ou descarregamento for efectuado com uma corrente de 10 A, a bateria
apenas recebe ou fornece essa corrente durante uma hora, significando que esse
carregamento ou descarregamento foi efectuado a uma taxa de 1 C.
Densidade de energia - Expressa em Wh / l estabelece a relação entre a energia
nominal e o volume em litros.
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
11
Capítulo 2 – Baterias Eléctricas
Densidade de potência - Expressa em W / l estabelece a relação entre a potência
nominal e o volume em litros.
Energia específica - Expressa em Wh / kg indica a energia nominal da bateria por kg.
Potência específica - Expressa em W / kg indica a potência da bateria por kg.
Resistência interna - Expressa em mΩ determina a resistência interna da bateria
devido às características das células e/ou devido aos circuitos de protecção internos.
Ciclos - Expressos em unidades (por exemplo 1000 ciclos) informa o número de
ciclos de carregamentos e descarregamentos que podem ser efectuados sem
deterioração significativa das características nominais. O número de ciclos é
estabelecido para condições de carregamento e descarregamento nominais, caso
contrário, este número é seriamente afectado.
Estas características, intrínsecas a cada tecnologia de bateria, têm sido alvo de
constantes desenvolvimentos tecnológicos, porque cada vez mais, os equipamentos
requerem mais recursos energéticos por longos períodos de tempo e longa durabilidade.
Além destas, existem outras características também relevantes, como o preço, as
dimensões, taxas de carregamento e descarregamento, garantia de segurança, e a
operação em diferentes níveis de temperatura, quer durante o funcionamento quer
durante o armazenamento.
Actualmente, os elementos químicos primordiais para a constituição das baterias
são o chumbo, o níquel e o lítio, sendo que com estes elementos se podem desenvolver
outras tecnologias. Por exemplo, assente na tecnologia do lítio é possível construir,
entre outras, baterias de lítio-polímero (LiPol) ou de lítio-fosfato-ferro (LiFePO). Com
base nestes três elementos químicos de seguida são apresentados alguns exemplos de
baterias e/ou de células de baterias.
2.5.1.
Baterias de Chumbo
Aplicação
Normalmente, as baterias de chumbo (Pb) são a principal opção para aplicações
de grande potência onde são primordiais o custo e a robustez, e em segundo plano o
peso. Entre outras aplicações, estas baterias são utilizadas no arranque dos veículos
tradicionais, em aplicações pouco exigentes em termos de eficiência, em UPS's, em
pequenos veículos eléctricos ou em sistemas de iluminação de emergência. No que
concerne aos veículos eléctricos estas foram as primeiras a ser utilizadas, e
possivelmente, com o avanço tecnológico podem representar uma óptima alternativa
para novos veículos híbridos e eléctricos. Noutra vertente é de referir que as baterias de
chumbo também já equiparam o portátil Macintosh Portable, lançado no ano de 1989 e
apresentado na Figura 2.3.
12
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
Capítulo 2 – Baterias Eléctricas
Figura 2.3 – Portátil Macintosh Portable equipado com baterias de chumbo [12].
Tecnologia de Construção
As baterias de chumbo são projectadas para poderem ter taxas de descarregamento
relativamente altas, mas com a limitação destas afectarem a vida útil das mesmas. Por
exemplo, as baterias de arranque dos veículos 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 projectadas para fornecer pouca corrente
durante longos períodos de tempo e, tipicamente, permitirem descarregamentos mais
profundos. Apesar das baterias de chumbo comuns serem limitadas quanto à
profundidade da descarregamento, existem as denominadas Deep-Cycle, que permitem
descarregamentos mais profundos que as tradicionais. Entre outros, os fabricantes
destas baterias são a Trojan, Optima, Exide Technologies, Varta, VHB e DMS
Technologies. Os processos químicos utilizados nestas baterias são os mesmos que os
utilizados nas baterias de chumbo comuns, diferindo apenas na optimização da
utilização, ou seja, as baterias de Deep-Cycle são projectadas para fornecer uma
quantidade constante de corrente por um longo período de tempo, podendo ter ciclos de
descarregamento profundos sem o risco de ficarem danificadas.
Um exemplo de bateria de Deep-Cycle é a YellowTop da Optima, que está
apresentada na Figura 2.4. Esta bateria possui grande reserva de energia, estando
especialmente vocacionada para aplicações onde é necessário o fornecimento de
corrente eléctrica constante. Esta bateria incorpora a tecnologia Spiralcell e possuiu a
particularidade do ácido estar impregnado na fibra de vidro, que enrolada à volta de
finas placas de chumbo, formando um elemento em forma de espiral, comparável a um
rolo de papel com muitas camadas [14].
Figura 2.4 – Bateria de Deep Cycle YellowTop da Optima [13].
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
13
Capítulo 2 – Baterias Eléctricas
A bateria Yellow Top YT S 2,7 tem tensão nominal 12 V, capacidade nominal
38 Ah, e permite ser carregada de forma rápida, com tensão constante de 15,6 V sem
limite de corrente (desde que a temperatura da bateria permaneça abaixo dos 51,7 ºC),
até que esta seja inferior a 1 A, e permite um carregamento flutuante com tensão entre
13,2 V e 13,8 V e corrente de 1 A durante tempo indefinido. Esta bateria tem dimensões
de 237 mm x 129 mm x 227 mm e peso de 11,6 kg. As baterias da série Yellow Top
permitem 3500 ciclos para descarregamentos de 30 %, 700 ciclos para
descarregamentos de 60 %, e 350 ciclos para descarregamentos de 100 %, dispondo de
tensão constante e estável ao longo de todo o processo de descarregamento [13][14].
Relativamente à tecnologia de construção das baterias de chumbo, no que
concerne aos elementos químicos utilizados, principalmente o chumbo é de custos
relativamente baixos, permitindo a fácil comercialização. Neste tipo de baterias existem
três tipos de tecnologias distintas: as líquidas, as de AGM e as de gel. Nas primeiras, o
electrólito move-se livremente nos compartimentos das células, permitindo o acesso
para medições e adição de água destilada. Também existem baterias com electrólito
líquido construídas para baixa manutenção, não permitindo aceder ao electrólito, sendo
chamadas baterias SLA (Sealed Lead Acid). As baterias de AGM, baseiam-se na
tecnologia VRLA (Valve Regulated Lead Acid), que são as mais recentes no que
concerne a baterias de chumbo e utilizam fibra de vidro a envolver o electrólito,
contribuindo assim para uma melhor resistência a impactos. Por último, as baterias de
gel, em que o electrólito é envolvido pelo gel, também se baseiam na tecnologia VRLA,
e como são seladas, possuem um mecanismo de válvula para o escape dos gases. Nestas
baterias, que contêm um aditivo de sílica para envolver o electrólito, formam-se micro
fendas no gel para permitir as reacções e recombinações entre a placa positiva e a placa
negativa. Tipicamente, este tipo de baterias são mais pequenas que outros tipos de
baterias ventiladas e requerem menos manutenção [15].
Vida Útil
Relativamente à vida útil, as baterias de chumbo são influenciadas pela
temperatura de funcionamento, pela profundidade de descarregamento (Depth of
Discharge - DOD) e pelo número de ciclos de carregamento e descarregamento. Para
preservar ao máximo as características destas baterias o controlo dos processos de
carregamento e descarregamento é muito importante.
Carregamento
Dependendo das características das baterias à base de chumbo, existem diversos
métodos de carregamento das mesmas, sendo inclusive, 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, no entanto os limites da bateria
têm que ser respeitados. Todavia, existem métodos de carregamento bastante populares
que permitem carregar de forma eficaz estas baterias. Um destes exemplos, consiste em
14
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
Capítulo 2 – Baterias Eléctricas
fornecer, num primeiro estágio corrente constante, e num segundo estágio aplicar tensão
constante. Depois destes estágios, ainda pode ser aplicado um terceiro, denominado de
carga flutuante, que consiste em aplicar um nível de tensão constante na bateria por
tempo indeterminado. O elevado tempo de carregamento destas baterias, pode
representar uma desvantagem para as mesmas.
Exemplo
Na Figura 2.5 está apresentada a bateria de gel 31-Gel 12V Deep-Cycle Gel
Battery do fabricante Trojan. Esta bateria tem tensão nominal de 12 V, capacidade
nominal de 102 Ah e pode ser associada em série ou paralelo. As dimensões desta
bateria são 329 mm x 171 mm x 245 mm e o peso de 31 kg. Através das curvas da
Figura 2.6, fornecida pelo fabricante, pode-se confirmar o método de carregamento mais
eficaz para esta bateria, que consiste em dois estágios de carregamento distintos, sendo
que inicialmente é fornecida corrente constante à bateria e a tensão aumenta até perfazer
80 % do carregamento de carga total, depois é aplicada tensão constante até que a
corrente decaia até próximo de zero. Na Tabela 2.3 está ilustrado o estado percentual da
capacidade de carga destas baterias em função da tensão em circuito aberto. Nesta
tabela também estão apresentados os valores para modelos de 6 V destas baterias.
Figura 2.5 – Exemplo de baterias Trojan Deep-Cycle [16].
Figura 2.6 – Curvas de carregamento das baterias Torjan Deep-Cycle [16].
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
15
Capítulo 2 – Baterias Eléctricas
Tabela 2.3 – Estado percentual das baterias Torjan Deep-Cycle de 6 V e 12 V em função da tensão
em circuito aberto [16].
2.5.2.
Baterias de Lítio
Aplicação
As baterias de lítio são sem dúvida as mais utilizadas em equipamentos portáteis,
tais como computadores e telemóveis, pois apresentam maior densidade de energia, são
mais leves e possibilitam longas horas de uso quando correctamente utilizadas.
Contrariamente às baterias à base de níquel, estas baterias não necessitam de serem
descarregadas totalmente antes de voltarem a ser carregadas, isto é, não sofrem do
“efeito memória”. Tipicamente, o processo de descarregamento destas baterias não deve
ser excessivamente rápido para não provocar sobreaquecimentos indevidos, rupturas e,
em último caso, explosões, no entanto, algumas baterias comerciais, já têm incorporadas
protecções contra estes efeitos. Quando armazenadas devem estar parcialmente
carregadas, sendo que, tipicamente, os fabricantes recomendam guardar a bateria com
40 % da capacidade de armazenamento total.
Tecnologia de Construção
Este tipo de baterias é o mais recente, sendo bastante diferente das outras
tecnologias. O lítio é o mais leve de todos os elementos químicos usados em baterias,
tem o maior potencial electroquímico e apresenta a melhor relação energia / peso.
Basicamente, o processo químico intrínseco a estas baterias consiste na passagem de
iões de lítio de um eléctrodo para o outro através de um electrólito. Esta tecnologia tem
sido alvo de grande investigação tecnológica com o intuito de aumentar a sua
capacidade e rapidez de carregamento, visando especialmente os veículos híbridos e
eléctricos. Neste sentido, investigadores do MIT (Massachusetts Institute of
Technology) construíram um protótipo que pode ser carregado entre 10 a 20 segundos
em vez de vários minutos [17]. Assente na tecnologia de lítio e procurando obter o
melhor desempenho, têm surgido novas tecnologias tais como:
16
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
Capítulo 2 – Baterias Eléctricas
Lítio-polímero (LiPol).
Lítio-fosfato-ferro (LiFePO).
Lítio-ferro-magnésio-fosfato (LiFeMgPO).
Lítio-manganésio-oxigénio (LiMnO).
Lítio-titânio (LiTi).
Dependendo da aplicação, um inconveniente destas baterias é o alto custo de
aquisição, sendo por isso mais utilizadas quando o custo é secundário. Na Figura 2.7
está apresentado o principal risco associado às baterias de lítio, que está na possibilidade
de ocorrência de explosões.
Figura 2.7 – Principal risco associado às baterias de lítio: explosões [18].
Vida Útil
Relativamente à vida útil, as baterias de lítio são bastante influenciadas pelos
processos de carregamento e descarregamento, devendo ser inteiramente respeitadas as
características especificadas pelos fabricantes, principalmente níveis de tensão, de
corrente e de temperatura.
Carregamento
O processo de carregamento das baterias de lítio consiste, tipicamente, 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 qual com valores nominais específicos, que caso não sejam inteiramente
respeitados, a bateria pode ficar instável e ocorrerem danos irreversíveis. Os principais
valores nominais a ter em conta aquando do carregamento destas baterias são a tensão, a
corrente e a temperatura.
Quando estas baterias estão associadas em série e/ou paralelo, o carregamento
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
17
Capítulo 2 – Baterias Eléctricas
destas deve ser acompanhado por um circuito externo que permita níveis de tensão e
corrente semelhantes em todas as baterias, caso contrário, pode ocorrer que algumas
ainda estejam a receber carregamento e outras já estejam plenamente carregadas e em
sobrecarga. A corrente de carregamento destas baterias, normalmente, cifra-se entre 1 C
e 2 C.
Exemplo
A célula de bateria ANR26650m1 da A123Systems, apresentada na Figura 2.8, é
um exemplo recente de célula de lítio. De acordo com o fabricante, esta célula pode
fornecer altas correntes de descarregamento e permite excelente tolerância a abusos de
utilização. A tensão nominal é de 3,3 V e a capacidade é de 2,3 Ah. O descarregamento
pode atingir 120 A durante 10 segundos, e no máximo pode ser descarregada
continuamente com uma corrente de 70 A. O peso desta célula é de 0,07 kg, a
resistência interna é de 10 mΩ e as dimensões são 65,15 mm x 26,62 mm [19].
As curvas que relacionam a tensão da célula e a capacidade de carga, para
diferentes taxas de descarregamento, à temperatura de 25 ºC, estão apresentadas na
Figura 2.9. Na Figura 2.10, está ilustrada a relação entre a tensão da célula e a
capacidade de carga percentual, para diferentes taxas de descarregamento a baixa
temperatura. Por fim, na Figura 2.11, está apresentada a relação entre o
descarregamento percentual e o número de ciclos para diferentes temperaturas e taxas
de carregamento e descarregamento.
Figura 2.8 – Exemplo de célula de bateria A123Systems [19].
Figura 2.9 – Curvas de descarregamento que relacionam a tensão com a capacidade de carga absoluta, a
diferentes taxas de descarregamento, com temperatura de 25 ºC, das células ANR26650m1 da
A123Systems [19].
18
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
Capítulo 2 – Baterias Eléctricas
Figura 2.10 – Curvas de descarregamento que relacionam a tensão com a capacidade de carga percentual
a diferentes taxas de descarregamento e temperatura, das células ANR26650m1 da A123Systems [19].
Figura 2.11 – Evolução do estado da capacidade de carga percentual ao longo do número de ciclos a
diferentes temperaturas e taxas de carregamento e descarregamento das células ANR26650m1 da
A123Systems [19].
2.5.3.
Baterias de Níquel-Cádmio
Aplicação
As baterias de níquel-cádmio (NiCd), a par das baterias de lítio, também são
bastante utilizadas em equipamentos portáteis, no entanto, cada vez com menos
popularidade devido à grande expansão que as baterias de lítio apresentam. Nestas
baterias, o descarregamento completo é importante, porque quando omitido, causa o
“efeito memória”, passando a bateria a perder gradualmente a capacidade de reter
energia [9].
Tecnologia de construção
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 reacções
químicas que ocorrem na bateria. É por esta razão que este tipo de baterias pode atingir
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
19
Capítulo 2 – Baterias Eléctricas
um elevado número de anos de uso mantendo as mesmas características físicas. Nestas
baterias, o pólo positivo e o pólo negativo encontram-se no mesmo compartimento, com
o pólo positivo coberto de hidróxido de níquel, e o pólo negativo coberto de material
sensível ao cádmio. Os pólos estão imersos numa substância electrolítica (geralmente
uma solução de hidróxido de potássio), que permite a condução dos iões [20].
Vida útil
As baterias de níquel têm longa vida útil em aplicações estacionárias2 e,
normalmente, são bastante resistentes a carregamentos e descarregamentos rápidos,
desde que os métodos correctos sejam aplicados. Devido ao “efeito memória” os
processos de carregamento e descarregamento devem ser inteiramente cumpridos de
modo a preservar ao máximo a vida útil destas baterias.
Carregamento
Relativamente ao método de carregamento, estas baterias permitem correntes de
carregamento mais elevadas que as restantes tecnologias de baterias mencionadas
anteriormente. Tipicamente, quando a taxa de carregamento 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 da maior eficiência do carregamento, o tempo do mesmo também é mais
reduzido.
Durante o processo de carregamento, nos primeiros 70 % do carregamento, a
eficiência é perto de 100 %, ou seja, quase toda a energia é absorvida e a bateria
permanece fria. Nos restantes 30 % a bateria gradualmente perde a capacidade de
aceitar o carregamento, diminuindo ainda mais quando a bateria alcança os 80 a 90 %
[9].
Normalmente, e ao contrário das restantes tecnologias, estas 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 V”, traduz-se no método de detecção de fim de carregamento destas baterias. Por
exemplo, se a uma bateria com carregamento completo lhe for imposto novo
carregamento, o efeito “Negative Delta V” 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 detectar [9].
Exemplo
Na Figura 2.12 está apresentada a célula de bateria de NiCd Cadnica, da Sanyo. A
tensão nominal desta célula é de 1,2 V e a capacidade nominal de carga é de 7 Ah. As
2
As aplicações estacionárias referem-se a sistemas de baixa manutenção.
20
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
Capítulo 2 – Baterias Eléctricas
dimensões desta célula são 32,3 mm x 90 mm e o peso de 0,224 kg. As curvas que
relacionam a tensão da célula em função do tempo, para duas taxas de descarregamento
distintas, estão representadas na Figura 2.13. Na Figura 2.14 está apresentada a
evolução da tensão da célula ao longo do tempo para diferentes temperaturas, com uma
corrente de carregamento de 0,7 A [21].
Figura 2.12 – Célula de bateria de NiCd Cadnica da Sanyo [21].
Figura 2.13 – Curvas de descarregamento que relacionam a tensão com o tempo total de descarregamento
para duas taxas de descarregamento distintas da célula de bateria de NiCd Cadnica da Sanyo [21].
Figura 2.14 – Curvas de carregamento que relacionam a tensão com tempo total de carregamento para
diferentes temperaturas com uma corrente de carregamento de 0,7 A, da célula de NiCd Cadnica da
Sanyo [21].
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
21
Capítulo 2 – Baterias Eléctricas
2.5.4.
Baterias de Níquel-Hidreto-Metálico
Aplicação
As baterias de níquel-hidreto-metálico (NiMH) 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 de NiCd e fazer
concorrência às baterias de lítio, sendo que neste sentido, grandes investimentos têm
sido feitos para apoiar a expansão desta tecnologia a veículos híbridos e eléctricos.
Como estas baterias assentam na tecnologia de níquel, também são afectadas pelo
“efeito memória”, no entanto, o efeito nestas não é tão pronunciado, ou seja, quando
correctamente manuseadas esse efeito pode ser imperceptível. Existem fabricantes
destas baterias que garantem que o “efeito memória” não existe mesmas.
Tecnologia de construção
Do ponto de vista químico e eléctrico as características desta tecnologia são muito
semelhantes às baterias de NiCd, sendo que a principal diferença consiste no uso de
hidreto-metálico, como material activo no eletrodo negativo ao invés do cádmio,
utilizado nas baterias de NiCd. O eletrodo de hidreto-metálico apresenta maior
densidade de energia que o eletrodo de cádmio. Normalmente, as baterias de NiMH
possuem maior capacidade de armazenamento que as de NiCd.
Vida útil
Este tipo de baterias tem um ciclo de vida ainda menor que as baterias de NiCd,
mas em contrapartida, normalmente, permitem descarregamentos mais profundos. Tal
como as baterias de NiCd, as de NiMH também são bastante resistentes a elevadas taxas
de carregamento e descarregamento, desde que os métodos correctos sejam aplicados.
Carregamento
O processo de carregamento destas baterias é semelhante às de NiCd, podendo em
muitos casos partilharem o mesmo carregador. Contudo, o método “Negative Delta V”
para detectar o fim do carregamento tem que ser mais preciso porque a queda de tensão
produzida nestas baterias é mais pequena. Tal como as baterias de NiCd, estas também
devem ser carregadas de modo rápido, ao invés de lento. Uma corrente de carregamento
mais elevada permite melhor detecção de fim de carregamento [9].
Exemplo
Na Figura 2.15 está apresenta a célula de bateria NiMH eneloop da Sanyo. Esta
célula tem tensão nominal 1,2 V e capacidade de carga 2 Ah. As dimensões desta célula
são 14,35 mm x 50,4 mm e o peso é de 0,027 kg. Na Figura 2.16 está representada a
relação entre a tensão da célula e o tempo de carregamento, a diferentes temperaturas,
para uma corrente de carregamento de 2 A. A relação entre a tensão da célula e a
capacidade de armazenamento para diferentes taxas de descarregamento está
representada na Figura 2.17 [22].
22
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
Capítulo 2 – Baterias Eléctricas
Figura 2.15 – Células de baterias de NiMH eneloop da Sanyo [22].
Figura 2.16 – Curvas de carregamento que relacionam a tensão e o tempo total de carregamento, a
diferentes temperaturas, para uma corrente de carregamento de 2 A das células eneloop da Sanyo [22].
Figura 2.17 – Curvas de descarregamento que relacionam a tensão com a DOD a diferentes taxas de
descarregamento das células eneloop da Sanyo [22].
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
23
Capítulo 2 – Baterias Eléctricas
2.6. Baterias Inovadoras
As baterias inovadoras que têm sido desenvolvidas apontam para carregamentos
extremamente rápidos e elevados números de ciclos sem perda significativa das
características nominais. Neste contexto, de seguida são apresentados alguns destes
exemplos.
2.6.1.
C.S.I.R.O. – UltraBateria
Com a tecnologia em constante evolução para permitir obter os melhores
resultados possíveis, o instituto australiano C.S.I.R.O. desenvolveu e construiu a
denominada, por eles, UltraBateria. Basicamente, esta UltraBateria consiste na
combinação de um UltraCondensador com uma bateria de chumbo comum, e de acordo
com David Lamb, da C.S.I.R.O.: “Os testes mostraram que a UltraBateria tem um ciclo
de vida que é pelo menos quatro vezes superior e produz 50% mais potência do que os
sistemas de baterias convencionais. Esta bateria é também 70% mais barata do que as
baterias actualmente utilizadas nos automóveis híbridos eléctricos”. O baixo custo das
mesmas, permite que possam ser usadas para outros fins, como o armazenamento de
energia eléctrica proveniente de parques solares ou eólicos. Na Figura 2.18, está
representado o protótipo da UltraBateria [23].
Figura 2.18 – UltraBateria da C.S.I.R.O. [23].
2.6.2.
Bateria NanoSafe
No que concerne a baterias de lítio, a recente investigação da empresa Altairnano
resultou nas baterias NanoSafe de lítio-titânio, como a ilustrada na Figura 2.19. Estas
baterias podem ser carregadas em poucos minutos, sendo que para carregar até 80% é
necessário apenas cerca de um minuto. A vida útil é de mais de 20 anos, permitem mais
de 15 mil ciclos, e podem funcionar a temperaturas que variam entre -60 ºC e 75 ºC. Em
situações críticas estas baterias não explodem e podem funcionar em ambientes hostis.
A bateria apresentada na Figura 2.19 tem tensão nominal de 13,8 V, capacidade de
carga nominal de 88 Ah e é composta por 48 células individuais (8 em paralelo e 6 em
série) de lítio. As dimensões desta bateria são 382 mm x 159 mm x 233 mm e o peso é
de 17 kg [24].
24
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
Capítulo 2 – Baterias Eléctricas
Figura 2.19 – Bateria NanoSafe da Altairnano [24].
2.6.3.
Toshiba – S.C.i.B.
A Toshiba, com o intuito de dotar as baterias de maior capacidade e maior rapidez
de carregamento, desenvolveu a Super Charge ion Battery (S.C.i.B.), que chega a
carregar 90% da capacidade de armazenamento total em apenas 5 minutos [25][26].
Esta bateria foi desenvolvida com base na tecnologia de lítio.
Apesar da rapidez dos carregamentos, esta tecnologia garante a inviolabilidade
das características da bateria, num número de ciclos de carregamento que chega aos 3
mil, evitando assim substituições indesejadas. A perda da capacidade de armazenamento
depois de 3 mil ciclos é inferior a 10%, podendo-se prolongar além de 6 mil ciclos. Esta
bateria, por funcionar com maior estabilidade térmica, é mais segura, podendo resistir a
curto-circuitos internos e a possibilidade de ruptura ou de combustão é muito baixa. As
óptimas características de segurança da S.C.i.B. possibilitam o carregamento com uma
corrente de 50 A, permitindo efectuar carregamentos extremamente rápidos. Esta bateria
é adequada para aplicações de alta potência e opera bem sob temperaturas extremas,
com descarregamentos com temperaturas até -30 ºC, podendo ter ampla aplicação em
climas frios [25][26].
Recentemente, esta bateria foi escolhida pela Cannondale Sports Group, empresa
líder global em bicicletas, para fornecer o módulo de energia da nova bicicleta eléctrica
Tailwind. Segundo Shoshi Kawatsu, gerente da Transmission Distribution & Industrial
Systems Company: “A S.C.i.B. é uma inovação importante. É segura, tem alta potência
e recarregamento excepcionalmente rápido. Em termos de impacto ambiental, oferece
longa vida, o que ajuda a reduzir o desperdício”. Na Tabela 2.8 estão apresentadas as
principais características nominais das células individuais e do módulo S.C.i.B. [26].
Tabela 2.4 – Valores nominais da célula e do módulo S.C.i.B. [26].
Célula
Módulo
Tensão Nominal (V)
2,4
24
Capacidade nominal (Ah)
4,2
4,2
Dimensões (mm)
62 x 95 x 13
100 x 300 x 45
Peso (kg)
0,150
2
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
25
Capítulo 2 – Baterias Eléctricas
Para além das bicicletas eléctricas, estes módulos podem ser aplicados em
motocicletas, Automatic Guided vehicle (AGV’s - Veículos Guiados Automaticamente),
e empilhadores eléctricos. Entre outras aplicações, a S.C.i.B. também pode ser utilizada
em sistemas de estabilização da energia eléctrica, em fontes de energia eléctrica de
emergência e em parques de energia solar e eólica. De futuro, quando se obtiverem
resultados satisfatórios, no desenvolvimento de uma célula S.C.i.B. de alto desempenho,
também está prometida, por parte da Toshiba, a sua aplicação em veículos híbridos e
eléctricos. Na Figura 2.20 está representada uma célula e um módulo S.C.i.B. [26].
Figura 2.20 – Célula e módulo S.C.i.B. [26].
2.6.4.
UltraCondensador
Os UltraCondensadores, ou SuperCondensadores, teoricamente são baterias, pois
tal como as baterias electroquímicas tradicionais, têm a função de armazenar energia
com o intuito de a fornecer a um sistema assim que seja necessário. Apesar de a
essência ser a mesma, os processos envolventes são bastante diferentes. Contrariamente
às baterias, em que existem transformações electroquímicas, nos UltraCondensadores o
carregamento e o descarregamento são dependentes do campo eléctrico entre as
armaduras do condensador. Pelo facto do carregamento destes, basicamente depender da
capacidade3 dos mesmo e da resistência do circuito de carregamento, estes podem ser
carregados e descarregados em muito pouco tempo. Na Figura 2.21 está representada a
constituição interna de um UltraCondensador [27].
As principais vantagens dos UltraCondensadores em relação às baterias, são o
facto destes terem um número de ciclos de carregamento e descarregamento
teoricamente infinito e as perdas serem mais reduzidas. Actualmente, com
UltraCondensadores é possível obter capacidades de milhares de Farad em volumes
extremamente reduzidos, perdas praticamente nulas, e elevadas densidades de energia.
Quanto à aplicabilidade, os UltraCondensadores visam praticamente as mesmas
aplicações das baterias tradicionais, que podem ser os veículos híbridos e eléctricos,
especialmente úteis na travagem regenerativa, e combinação com fontes de energia
renovável.
3
A capacidade do condensador corresponde à quantidade de carga eléctrica armazenada para uma dada
diferença de potencial entre os terminais do condensador. A unidade de medida da capacidade é o Farad.
26
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
Capítulo 2 – Baterias Eléctricas
Figura 2.21 – Constituição interna de um UltraCondensador [27].
Na Figura 2.22 está representado um exemplo de um UltraCondensador, do
fabricante NESSCAP UltraCapacitors, de 5000 F e 2,7 V [28]. Outro exemplo de
UltraCondensador está apresentado na Figura 2.23. As características deste
UltraCondensador da Batscap estão apresentadas na Tabela 2.5 [29].
Figura 2.22 – UltraCondensador da NESSCAP UltraCapacitors de 5000 F e 2,7 V [28].
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
27
Capítulo 2 – Baterias Eléctricas
Figura 2.23 – UltraCondensador da Batscap de 2600 F e de 2,7 V [29].
Tabela 2.5 – Características do UltraCondensador da Batscap [29].
Tensão (V)
2,7
Capacidade a 100 A, 25 ºC (F)
2600
Energia Específica a 2,7 V, 25 ºC (Wh / kg)
5,3
Potência Específica a 2,7 V, 25 ºC (kW / kg)
18
Temperatura de Funcionamento (ºC)
-30 a 60
Temperatura de Armazenamento (ºC)
-30 a 70
Resistência Série CC (mΩ)
0,35
Resistência Série CA (mΩ)
0,2
Corrente Máxima Pico (A)
600
Peso (kg)
0,500
Para além dos UltraCondensadores individuais, existem módulos compactos
constituídos por UltraCondensadores individuais. Um exemplo destes módulos é o
BMOD Power, da Maxwel Techonologies, representado na Figura 2.24. Estes módulos
podem ser utilizados para os mesmos fins que os UltraCondensadores individuais.
Figura 2.24 – Módulo de UltraCondensadores BMOD Power [30].
28
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
Capítulo 2 – Baterias Eléctricas
Tabela 2.6 – Valores nominais do módulo de Ultracondensadores BMOD Power [30].
Tensão (V)
15
Capacidade (F)
52
Temperatura de Funcionamento (ºC)
-40 a 70
Tolerância da Capacidade (%)
± 20
ESR4 (mΩ)
14,5
ERS, a 1 MHz (mΩ)
8
Máximo de Associações em Série
3
Dimensões (mm)
44 x 218 x 85
Peso (kg)
0,680
2.7. Sistemas de Gestão das Baterias
Estes sistemas dividem-se em dois tipos, os que permitem obter informações
relativas ao estado das baterias, nomeadamente, tensão, capacidade de carga e
temperatura, e os que permitem estabelecer padrões de segurança durante o
carregamento e o descarregamento, nomeadamente, protecções contra excessos de
correntes, tensões e temperaturas, e ao mesmo tempo igualar o estado de carregamento
de cada célula individual da bateria. Apesar de diferentes, ambos os sistemas são
importantes porque, por um lado, permitem acompanhar o estado de carregamento e
descarregamento das baterias e por outro, com a associação das células individuais em
série e/ou paralelo, evitam que umas carreguem ou descarreguem mais rápido que
outras. Apesar de equipamentos distintos, estes podem estar combinados num único
sistema capaz de gerir todas as funcionalidades.
O princípio básico de funcionamento destes equipamentos no processo de
carregamento consiste em abrir o circuito que alimenta a bateria quando esta atingir o
limite máximo de tensão e/ou corrente. Por outro lado, durante o processo de
descarregamento, quando a tensão atingir o limite mínimo aceitável o circuito fica
aberto. Em ambos os processos, estes equipamentos podem medir a tensão de cada
bateria e a corrente eléctrica de carregamento ou descarregamento ao longo do tempo e
a partir dessas informações determinar a capacidade restante da bateria em cada
instante.
Muitos módulos de baterias, principalmente os destinados aos veículos híbridos e
eléctricos, já possuem sistemas de gestão incorporados, no entanto, no mercado existem
muitos destes equipamentos de acordo com as características de cada bateria e/ou
célula, como por exemplo: o modelo BMS Battery Monitor System- CXC Smart
Periphera da Argus, o modelo Thunder Power RC 210V Lithium Battery Balancer da
4
Equivalent Series Resistance (ESR – Resistência Equivalente Série) é um parâmetro importante nos
condensadores pois representa a resistência resultante da combinação das conexões internas do
condensador.
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
29
Capítulo 2 – Baterias Eléctricas
Thunder Power, o modelo PakTrakr - Intelligent Battery Monitoring Systems da
PakTrakr, o modelo Precision Battery Monitoring da Victron Energy, o modelo GAIA
Advanced Lithium Battery Systems da GAIA ou o modelo Battery Equalizer da
PowerCheq.
2.7.1.
BMS para baterias TS-LFP90AHA da Thundersky
Na Figura 2.25, está apresentado, numa bateria Thundersky, um Sistema de
Gestão das Baterias (Battery Management System – BMS), especialmente concebido
para as baterias TS-LFP90AHA da Thundersky. Este equipamento tem como finalidade
permitir o equilíbrio, em termos de tensão, em todas as células que compõem a bateria.
Figura 2.25 – BMS para baterias TS-LFP90AHA da Thundersky [31].
2.7.2.
Lithium Balance BMS 23 Cell
Um exemplo de BMS para baterias de lítio está ilustrado na Figura 2.26. Este
Lithium Balance BMS 23 Cell permite controlar o carregamento e descarregamento de
23 células de lítio com tensão variável de 2,6 V a 4,2 V. A corrente máxima de
carregamento e descarregamento é de 30 A e 250 A, respectivamente. A corrente
máxima de bypass é de 1 A, a detecção de tensão mínima demora menos de um segundo
e a temperatura de funcionamento varia entre -20º C e +70º C. Este BMS também
permite estimar a capacidade de carga restante da bateria através do cálculo do integral
da corrente ao longo do tempo e posterior informação através de saída analógica. O
valor máximo desta saída é 10 VDC a que corresponde 100% da capacidade de carga e
0 VDC para 0%, com variação linear. Na Figura 2.27 está ilustrado o esquema de
ligações deste BMS [32].
Figura 2.26 – Lithium Balance BMS 23 Cell [32].
30
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
Capítulo 2 – Baterias Eléctricas
Figura 2.27 – Esquema de ligações do Lithium Balance BMS 23 Cell [32].
2.7.3.
Victron Energy
Essencialmente, o Victron Energy tem como função monitorizar o estado da
capacidade de carga da bateria, sendo que para esse efeito calcula o integral da corrente
de descarregamento ao longo do tempo. No caso de uma corrente constante, a
integração consiste simplesmente na multiplicação dessa corrente pelo tempo. A
monitorização é feita recorrendo a microprocessadores programados com os algoritmos
necessários para a melhor precisão. Na Figura 2.28 está representado o aspecto externo
do Victron Energy [33].
Figura 2.28 – Aspecto externo do Victron Energy [34].
Dependendo do modelo, o Victron Energy pode estar equipado com comunicação
RS232, podendo, através de software apropriado, apresentar todas as informações sobre
o carregamento e descarregamento em ficheiro. Na Figura 2.29 está representado um
exemplo de informação obtida com o Victron Energy, modelo BMV 602 e o software
VEBat software, durante o carregamento de uma bateria [33].
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
31
Capítulo 2 – Baterias Eléctricas
Figura 2.29 – Gráfico obtido com o Victron Energy, modelo BMV 602 e o software VEBat software,
durante o carregamento de uma bateria [33].
2.7.4.
PCM para Baterias de Lítio
O Protection Circuit Module (PCM – Circuito de Protecção de Módulos)
apresentado na Figura 2.30 funciona com módulos de baterias de 24 células de lítio.
Este circuito de protecção é especialmente concebido para células de lítio com tensão
nominal 3,7 V, ou seja, para módulos com tensão nominal de 3,7 x 24 = 88,8 V, e
corrente eléctrica de descarregamento de 60 A.
Figura 2.30 – PCM para baterias de lítio [35].
Para além das características normais para protecção, este PCM também
estabelece o equilíbrio entre células depois de o módulo ter sido carregado, para tal, o
PCM faz a leitura da tensão de cada célula e distribui das maiores tensões para as
menores, até que fiquem todas em equilíbrio. Em termos de protecções previne excessos
de carregamento, estabelece o equilíbrio entre células com um máximo de 4,325 V por
célula, protege o módulo contra excessos de descarregamento com limite de 2,5 V por
célula e limita o descarregamento a correntes inferiores a 60 A contínuos. Na Tabela 2.7
estão apresentadas outras características relevantes deste PCM [35].
32
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
Capítulo 2 – Baterias Eléctricas
Tabela 2.7 – Características relevantes do PCM para baterias de lítio [35].
Tensão de Máxima (V)
100,8
Tensão Balanceamento por Célula (V)
4,2±0,03%
Corrente Balanceamento por Célula (A)
0,170±0,01%
Máxima Corrente de Descarregamento (A)
60
Tempo Máximo de Detecção de Excesso de Carregamento (s)
0,5 a 1,5
Tempo Máximo de Detecção de Excesso de Descarregamento (s)
0,5 a 1,5
Temperatura de Funcionamento (ºC)
-40 a 85
Temperatura de Armazenamento (ºC)
-40 a 125
Peso (kg)
1,315
Dimensões (mm)
265 x 142 x 51
Preço (€)
148,48
2.7.5.
Exemplo de Banco de Baterias com BMS para veículo Eléctrico
Na Figura 2.31 está apresentado um diagrama de blocos que permite construir um
banco de baterias de LiPol com 144 V e 200 Ah para ser aplicado num veículo eléctrico.
O conjunto é composto por um BMS “Master Module”, 2 x 20 BMS “Slave Module”,
40 módulos de baterias de LiPol com 3,7 V e 210 Ah com PCM, e 2 fontes de
alimentação de 84 V cada uma. Na Figura 2.32 estão representados, respectivamente, os
BMS’s e o módulo de bateria [36].
Figura 2.31 – Diagrama de blocos de um banco de baterias com BMS para veículo eléctrico [36].
Figura 2.32 – BMS’s e módulo de bateria do banco de baterias de veículo eléctrico [36].
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
33
Capítulo 2 – Baterias Eléctricas
2.8. Veículos Híbridos e Eléctricos
Com o uso massivo dos veículos movidos a combustíveis fósseis a qualidade de
vida nas grandes cidades, fruto dos elevados níveis de poluição, tende a diminuir. Para
além da referida poluição, as reservas destes combustíveis tendem a esgotar-se nas
próximas décadas, pelo menos o suficiente para não satisfazer as necessidades actuais,
principalmente para os veículos. Não menos importante, é a opinião pública que
incentiva a alternativas aos actuais veículos, sobretudo com a escalada dos preços dos
combustíveis predominante nos últimos tempos. Neste contexto, os veículos híbridos e
eléctricos representam uma mais-valia para colmatar estes factores, pois contribuem
para uma política sustentável de transportes “limpos”, eficientes e com menores custos
por deslocação. A par destes factores, valorizam-se os recursos energéticos “limpos”, e
a consequente redução de poluição, contribuindo, globalmente, para uma melhor
qualidade de vida.
Assim sendo, na conjuntura actual, a aposta passa pelos veículos híbridos e
eléctricos tendo como fonte, primária ou secundária de energia as baterias
electroquímicas, que podem ser carregadas directamente a partir da rede eléctrica e/ou
através de fontes de energia renováveis. Aquando da circulação dos veículos eléctricos a
emissão de gases poluentes é nula, no entanto, globalmente todo o processo depende do
modo como a energia eléctrica necessária ao carregamento das baterias é obtida, ou
seja, não é vantajoso que a energia necessária para carregar as baterias seja proveniente
de fontes de energia não renováveis. Por isso, prevê-se que com o avanço tecnológico
inerente às energias renováveis, surja uma óptima solução para fornecer a energia
eléctrica necessária ao carregamento de um elevado número de veículos híbridos e
eléctricos. Com a aposta em energias renováveis, a rede eléctrica fica dotada de maior
capacidade de resposta para fornecer essa energia ao banco de baterias dos veículos,
mas apresenta como desvantagem o facto de essa produção não ser constante, sendo
necessário recorrer a outras soluções que ajudem a colmatar este problema.
É no contexto do carregamento das baterias de um elevado número de veículos
através da rede eléctrica que surge o Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias.
Com o sistema proposto, além do carregamento das baterias com diferentes estágios de
carga, com consumo sinusoidal de corrente e factor de potência unitário, é possível
descarregar as baterias de forma controlada para a rede eléctrica, com corrente
sinusoidal e em oposição de fase com a tensão. Este conceito bidireccional de fluxo de
energia eléctrica entre o banco de baterias dos veículos e a rede eléctrica, é denominado
“Vehicle to Grid” [37]. Com este paradigma pretende-se que o banco de baterias dos
veículos híbridos e eléctricos funcionem como uma fonte de energia eléctrica, não só
para a locomoção dos veículos, que é a principal função dos mesmos, mas também para
a rede eléctrica. Actualmente, com a produção inconstante de energia eléctrica por parte
dos parques eólicos e solares, são as barragens que mantêm o equilíbrio entre a
produção e o consumo de energia eléctrica, por isso, com o conceito dos veículos
34
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
Capítulo 2 – Baterias Eléctricas
ligados à rede eléctrica por longos períodos de tempo, será possível que os mesmos
ajudem as barragens a manter esse equilíbrio, uma vez que os veículos possuem essa
capacidade de devolução de energia, e podendo-se efectuar essa transferência de forma
rápida. Este conceito faz ainda mais sentido tendo em conta que os veículos híbridos e
eléctricos estarão parados a maior parte das horas do dia, e se durante esses períodos de
paragem os veículos estiverem ligados à rede eléctrica, é possível que a energia eléctrica
armazenada no banco de baterias seja devolvida à rede eléctrica sempre que se
justifique, e noutros instantes dessa paragem, o banco de baterias esteja a ser carregado
sem prejudicar a vida útil das baterias, nem a qualidade da energia eléctrica, tal como é
proposto, nesta dissertação, com o Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias.
Neste sentido, para que este modelo de gestão de energia eléctrica funcione em
pleno é necessária uma empresa de gestão que permita o controlo bidireccional do fluxo
de energia eléctrica entre os veículos e a rede eléctrica, de modo a que não aconteçam
situações em que estejam muitos veículos a carregar e a rede eléctrica com pouca
capacidade de fornecer energia eléctrica a esses veículos. É por esta razão que é tão
importante que os veículos estejam ligados à rede eléctrica, mesmo que estejam
parados, como acontece na maioria das horas do dia. Neste contexto, podem-se
estabelecer distintos padrões de conexão entre os veículos e a rede eléctrica, sendo que
para este propósito já foram realizados alguns estudos, que visam analisar o impacto do
consumo e fornecimento de energia eléctrica por parte dos veículos eléctricos, ou seja, o
impacto energético do carregamento e descarregamento na rede eléctrica [38][39].
Com o Sistema de Carregamento apresentado é possível carregar as baterias com
diferentes algoritmos, com consumo sinusoidal de corrente e factor de potência unitário,
de forma a perseverar ao máximo a qualidade da energia eléctrica. Deste modo, com o
devido controlo, é possível carregar total ou parcialmente as baterias a qualquer hora do
dia, no entanto, enquadrando este Sistema de Carregamento numa “Vehicle to Grid” é
possível controlar automaticamente o carregamento com o intuito de estabilizar a rede
eléctrica. Com o sistema proposto, também é possível que as baterias devolvam,
controladamente, energia à rede eléctrica, com corrente sinusoidal e em oposição de
fase com a tensão, preservando também a qualidade da energia eléctrica. Deste modo, as
baterias podem deixar de ser carregadas continuamente, porque, mediante as
necessidades da rede eléctrica e de acordo com a gestão do controlo, as baterias podem
começar a actuar como uma fonte de energia para a rede eléctrica, passando o sistema
proposto a funcionar como conversor CC-CA com controlo da energia fornecida à rede
eléctrica. Com os veículos híbridos e eléctricos ligados à rede eléctrica também se
podem estabelecer soluções para possíveis falhas de energia, ou seja, o banco de
baterias dos veículos podem funcionar como “back-up” de energia, funcionando em
conjunto com a rede eléctrica. Este tipo de configuração é especialmente útil para redes
eléctricas isoladas, como por exemplo ilhas [40].
Para que este modelo de interface entre a rede eléctrica e os veículos híbridos e
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
35
Capítulo 2 – Baterias Eléctricas
eléctricos funcione em pleno é necessário que a vida útil do banco de baterias não seja
descurada, por isso é necessário respeitar os processos de carregamento e
descarregamento, como faz o Sistema de Carregamento proposto, e também o número
de ciclos que o banco de baterias permite efectuar, caso contrário, com ciclos de
carregamento e descarregamento muito elevados ao longo do dia, corre-se o risco de se
atingir em curto prazo o número de ciclos nominais do banco de baterias.
Assim, através desta interface entre a rede eléctrica e os veículos híbridos e
eléctricos, o preço de aquisição destes veículos, ou do banco de baterias, pode ser
atenuado devido ao fornecimento de energia à rede eléctrica, tal como acontece,
actualmente, com as energias renováveis.
Apesar da aposta nos veículos híbridos e eléctricos parecer recente, já existem
bastantes modelos de veículos eléctricos em comercialização ou em vias de
comercialização, como por exemplo: Chevrolet Volt, Fiat Palio Eléctrico, Nissan
LEAF, Citroen AX Electrique, Citroen SAXO, Citroen Berlingo, Subaru R1e, Eliica,
Tesla Whitestar, Tesla Roadster, Honda Civic IMA, GM EV1, Toyota Prius 1.5 VVT-i e
REVAi. Destes exemplos, destaca-se o Tesla Roadster cuja produção começou em
Março de 2008 e é um dos veículos da sua categoria mais satisfatório. Em termos de
características, este veículo acelera de 0 a 100 km/h em menos de 4 segundos e chega à
velocidade máxima de 200 km/h, constituindo assim um avanço tecnológico de
referência no que concerne aos veículos eléctricos. De acordo com o sistema proposto
pela Tesla, denominado “AC Propulsion Reductive Charging” é possível que as
baterias sejam completamente carregadas em apenas 3 horas e 30 minutos. O banco de
baterias utilizado é de lítio e quando está completamente carregado a autonomia destes
veículos é de 350 km, o que também constitui um grande avanço tecnológico, dado que,
tipicamente, os veículos eléctricos têm autonomia que varia entre 150 e 200 km [49].
Este banco de baterias é leve, reciclável e não é afectado pelo “efeito memória”, logo,
não é necessário efectuar um descarregamento completo, antes de voltar a carregar. De
acordo com a Tesla, este banco de baterias, só perde a sua qualidade máxima após
160000 km, no entanto, não tem que ser logo trocado. Este banco de baterias,
representado na Figura 2.33, é composto por 6831 células individuais de lítio,
associadas em série e paralelo, de forma a obter tensão nominal de 375 V e capacidade
nominal de 141,3 Ah, com um peso de 450 kg. O consumo energético deste veículo
cifra-se nos 0,11 kWh/km. A travagem regenerativa também é utilizada como forma de
recuperar alguma energia utilizada durante a travagem [41]. Na Tabela 2.8, está
apresentada uma comparação entre o Tesla Roadster e veículos que utilizam como
combustíveis: gasolina, diesel, gás natural, gás natural/eléctrico (híbrido) e hidrogénio.
36
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
Capítulo 2 – Baterias Eléctricas
Figura 2.33 – Banco de baterias do Tesla Roadster [41].
Tabela 2.8 – Comparação entre o Tesla Roadster e veículos não eléctricos [42].
Tecnologia
Eléctrico
Exemplo
Consumo de
Combustível
Eficiência
Emissões CO2
(well-towheel5)
(well-towheel)
[km / MJ]
[g / km]
Tempo para
Aceleração
0 – 60 mph
(0 – 96,6 km/h)
[s]
Tesla Roadster
110 Wh/km
1,15
46,1
3,9
Porche Turbo
0,107 l/km
0,22
328,2
4,2
Ferrari 550
Maranello
0,201 l/km
0,12
617,1
4,7
Chevrolet
Corvette
0,094 l/km
0,25
288,8
4,8
Honda Civic
VX
0,046 l/km
0,52
141,6
9,4
VW Jetta
Diesel
0,043 l/km
0,48
152,1
11
Gás Natural
Honda CNG
0,067 l/km
0,32
165
12
Híbrido (3
cilindros
Gás/Eléctrico)
Toyota Prius
0,043 l/km
0,56
131,3
10,3
Hidrogénio
Honda FCX
0,0097 kg/km
0,35
151,7
15,8
Gasolina
(Turbo 6
cilindros)
Gasolina
(V12)
Gasolina (V8)
Gasolina
(VTEC 4
cilindros)
Gasóleo (4
cilindros)
Na Figura 2.34, está apresentada a relação entre a aceleração e a eficiência
energética para diferentes veículos que utilizam combustíveis fósseis como
combustível, visando mostrar as vantagens dos veículos eléctricos, em especial o Tesla
Roadster [42].
5
“well-to-wheel” é processo que vai desde a produção dos combustíveis na sua matéria-prima até ao seu consumo
para fazer girara as rodas do veículo.
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
37
Capítulo 2 – Baterias Eléctricas
Figura 2.34 – Relação entre a aceleração e a eficiência energética para diferentes veículos visando
enaltecer o Tesla Roadster [42].
Como já referido anteriormente, para além da Tesla, outros grandes fabricantes já
construíram os seus modelos de veículos eléctricos. Assim, como exemplo, de seguida
são evidenciadas as principais características do Honda Civic IMA (Segunda Geração),
Toyota Prius 1.5 VVT-i, GM EV1 (1999) e REVAi. Posteriormente, são apresentadas as
principais características dos veículos eléctricos de média ou elevada performance e
desportivos [49].
Honda Civic IMA (Segunda Geração) [43]
Banco de baterias do tipo NiMH.
Tensão nominal de 158 V.
Capacidade de 5,5 Ah.
Velocidade máxima de 185 Km/h.
Toyota Prius 1.5 VVT-i [44]
Banco de baterias do tipo NiMH.
Número de módulos de baterias 28.
Tensão nominal de 201,6 V.
Capacidade de 19,5 Ah.
Peso das baterias 39Kg.
Velocidade máxima de 170 km/h.
38
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
Capítulo 2 – Baterias Eléctricas
GM EV1 (1999) [45]
Banco de baterias do tipo NiMH.
Número de módulos de baterias 26.
Tensão nominal de 343 V.
Capacidade de 77 Ah.
Peso das baterias 39 kg.
Velocidade máxima de 129 km/h.
Consumo de 0,164 kWh/km.
REVAi [46][47]
Banco de baterias do tipo Pb-A.
Número de módulos de baterias 8.
Tensão nominal de 48 V.
Capacidade de 200 Ah.
Peso das baterias 280 kg.
Velocidade máxima de 80 km/h.
Consumo médio de 0,12 kWh/km.
Veículos Eléctricos de Média Performance [49]
Carroçaria de um citadino tradicional, como por exemplo, Renault Clio ou Opel
Corsa.
Sistema propulsor de 15 kW a 25 kW.
Autonomia na ordem dos 100 km.
Velocidade de ponta 80 km/h.
Recarregável em qualquer tomada de 230 V.
Veículos Eléctricos de Elevada Performance [49]
Carroçaria de um veículo tradicional, como por exemplo, Honda Civic, Volvo 440 ou
Lancia Delta.
Sistema propulsor de 40 kW a 60 kW.
Autonomia na ordem dos 140 km.
Velocidade de ponta 120 km/h.
Recarregável em qualquer tomada de 230 V.
Com possibilidade de integrar um Sistema de Extensão de Autonomia com motor de
combustão interna acoplado a um gerador.
Veículos Eléctricos Desportivos [49]
Carroçaria de um veículo do tipo Jeep Grand Cherokee, Pick-up isuzu D-Max ou
Lancia Kappa.
Sistema propulsor de 100 kW.
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
39
Capítulo 2 – Baterias Eléctricas
Autonomia na ordem dos 200 km.
Velocidade de ponta 180 km/h.
Recarregável em qualquer tomada de 230 V.
Com possibilidade de integrar um Sistema de Extensão de Autonomia com motor de
combustão interna acoplado a um gerador.
2.9. Mobilidade dos Veículos Híbridos e Eléctricos
Com a necessidade de energia eléctrica para alimentar sistemas portáteis [48], a
tecnologia inerente às baterias desenvolveu-se até ao ponto desses avanços já serem
incorporados na produção de baterias para veículos híbridos e eléctricos, sendo que
estas baterias são recarregáveis e quando associadas em série e/ou paralelo podem
confiadamente fornecer energia eléctrica para a mobilidade de um veículo. As baterias
específicas para veículos híbridos e eléctricos estão a ser produzidas a nível mundial por
diversas empresas de forma a satisfazer crescente procura, com custos cada vez mais
reduzidos e com melhorias técnicas significativas.
Deste modo, com a crescente aposta nos veículos híbridos e eléctricos é necessária
a criação de infra-estruturas capazes de responder de forma eficaz ao carregamento de
um elevado número de veículos através do Sistema Eléctrico Nacional. Neste contexto,
nasceu a empresa BetterPlace, sediada em Palo Alto – Califórnia, que visa reduzir a
dependência mundial do petróleo através da criação de infra-estruturas de suporte a
veículos eléctricos oferecendo uma alternativa barata, limpa e sustentável. Esta rede de
suporte aos veículos eléctricos tem como finalidade permitir que as baterias destes
veículos possam ser trocadas ao invés de carregadas, possibilitando percorrer longas
distâncias sem perda de tempo para carregar as baterias. Esta solução, denominada
Battery Exchange Stations permite a troca das baterias sem demasiada perda de tempo,
sendo ainda mais eficientes e convenientes do que postos de combustíveis
convencionais [50][51].
Apesar da troca das baterias representar uma solução, as baterias também devem
poder ser carregadas em locais estratégicos, como residências particulares, estradas
nacionais, auto-estradas e parques de estacionamento. Para este efeito, as baterias
podem ser carregadas através do Sistema Eléctrico Nacional e/ou recorrendo a fontes de
energia renováveis. Se este processo for efectuado em residências particulares
recorrendo a fontes de energia renováveis, a produção e o consumo pode ser
independente de empresas concessionárias de energia eléctrica, porém, o processo de
carregamento das baterias tem que ter em conta a capacidade do carregador em fornecer
energia eléctrica e o tempo de carregamento. Por exemplo, assumindo um sistema de
baterias recarregáveis com capacidade nominal de 20 kWh e um sistema eficiente de
carregamento, para que se possa efectuar um carregamento de apenas 50 % da
capacidade nominal das baterias em uma 1 hora, com tensão de 230 V, é necessário
fornecer uma corrente de 43,478 A. Se o carregador permitir fornecer elevadas
40
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
Capítulo 2 – Baterias Eléctricas
correntes, o tempo de carregamento pode ser reduzido, por outro lado, se o carregador
não permitir fornecer correntes elevadas é necessário aumentar ao tempo de
carregamento, no entanto, em ambos os casos, é preciso que o carregador não descure a
vida útil das baterias.
Em Portugal, foi criada a entidade Mobi.E, que assenta em vários pontos de
carregamento das baterias dos veículos eléctricos e que estarão distribuídos pelo
território nacional. O processo de carregamento das baterias consistirá em dois métodos
distintos, um rápido entre vinte e trinta minutos e um lento entre seis e oito horas. O
método de pagamento da energia consumida e da taxa de serviço será realizado através
do cartão pré-pago CHARG.E da rede Mobi.E [52]. Com esta aposta, cria-se um grande
desafio para Universidades, Centros de Investigação e Empresas que visam o
desenvolvimento de soluções tecnológicas relacionadas com os veículos eléctricos e
com as energias renováveis.
No contexto dos veículos eléctricos, Portugal receberá veículos eléctricos da
Nissan, com possibilidade de alugar as baterias para reduzir o preço inicial do veículo
[53]. Este veículo terá autonomia de 160 quilómetros e baterias de lítio [54]. Portugal
vai receber uma fábrica de produção de baterias de lítio específicas para equipar
veículos eléctricos [55].
2.10.Módulos de Baterias para Veículos Híbridos e Eléctricos
Tanto os veículos híbridos como os eléctricos utilizam baterias para fornecer
energia aos motores eléctricos, todavia os veículos eléctricos requerem mais energia
armazenada nas baterias que os veículos híbridos. Estas baterias podem ser associadas
em série e/ou paralelo de forma a se adaptarem às necessidades especificas de cada
veículo. Como estes veículos requerem baterias com características específicas, de
seguida são apresentados alguns exemplos de baterias destinadas a veículos híbridos e
eléctricos.
2.10.1. Saft Batteries
A empresa Saft desenvolveu vários módulos de baterias específicos para veículos
híbridos e eléctricos assente na tecnologia NiMH. Um exemplo concreto para veículos
eléctricos é o módulo NHE 10-100 Module apresentado na Figura 2.35. De referir que a
Saft também disponibiliza módulos com tecnologias diferentes de NiMH.
Figura 2.35 – Módulo de baterias NHE Module da Saft [56].
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
41
Capítulo 2 – Baterias Eléctricas
Estes módulos têm como vantagens o facto de serem livres de manutenção,
possuírem excelente segurança, excelente resistência a abusos, serem totalmente
recicláveis, serem totalmente selados e possuírem um sistema de refrigeração líquido
disponível dependendo da aplicação. Na Tabela 2.9 estão apresentadas as características
nominais destes módulos.
Tabela 2.9 – Características nominais do NHE 10-100 Module da Saft [56].
Tensão Nominal (V)
12
Capacidade de Carga Nominal (Ah)
100
Energia Especifica (Wh / kg)
66
Densidade Energética (Wh / l)
137
Potência Especifica (W / kg)
150
Densidade de Potência (W / l)
310
Dimensões (mm)
195 x 390 x 120
Peso (kg)
18,6
Temperatura de Funcionamento (ºC)
-20 a +40
Temperatura de Armazenamento (ºC)
0 a +30
Na Figura 2.36, está apresentado o gráfico que relaciona a tensão do módulo com
a profundidade de descarregamento percentual, à temperatura de 23 ºC, quando a taxa
de descarregamento é 1/3 C, 1,5 C e 1 C. Na Figura 2.37, está representado o gráfico
que relaciona a retenção do carregamento percentual ao longo dos dias, às temperaturas
de +23 ºC e +40 ºC. Na Figura 2.38, está representado o gráfico que relaciona a
capacidade de retenção do módulo com o número de ciclos (ciclos com uma
profundidade de descarregamento de 80%), a uma taxa de descarregamento de 1/3 C.
Por último, na Figura 2.39, está representado o gráfico que relaciona o pico de potência
típico com a profundidade de descarregamento às taxas de 500 A/10 s e 300 A/30 s à
temperatura de 23 ºC [56].
Figura 2.36 – Curvas de descarregamento que relacionam a tensão com a DOD percentual, para diferentes
correntes de descarregamento, nos módulos NHE 10-100 Module da Saft [56].
42
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
Capítulo 2 – Baterias Eléctricas
Figura 2.37 – Evolução do estado da carga percentual ao longo dos dias, às temperaturas de +23ºC e
+40ºC, nos módulos NHE 10-100 Module da Saft [56].
Figura 2.38 – Evolução do estado da capacidade de carga percentual ao longo do número de ciclos de
carregamento e descarregamento nos módulos NHE 10-100 Module da Saft [56].
Figura 2.39. – Relação entre os picos de potência e a DOD percentual nos módulos NHE 10-100 Module
da Saft [56].
2.10.2. Valence
Na Figura 2.40 estão ilustradas as baterias XP Battery Module da Valence. Estes
módulos foram desenvolvidos com a tecnologia de lítio, mais concretamente com
LiFeMgPO, proporcionam algumas mais-valias em relação às tradicionais baterias de
lítio, podendo ser utilizadas em diversas aplicações, sendo que também estão no
caminho dos veículos eléctricos [57].
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
43
Capítulo 2 – Baterias Eléctricas
Figura 2.40 – Baterias XP Battery Module da Valence [57].
As principais mais-valias destas baterias são o facto de terem incorporado
internamente um sistema de BMS, possuírem sistema interno de balanceamento das
células da bateria e serem livres de manutenção. Apesar de o datasheet não especificar o
número de ciclos de carregamento e descarregamento, prometem milhares de ciclos,
com uma profundidade de descarregamento de 100% sob condições normais de
funcionamento. Não menos importante para algumas aplicações é o facto de terem
dimensões semelhantes às tradicionais baterias de chumbo. Um caso específico destas
baterias é a U24-12XP, cujos valores nominais estão apresentados na Tabela 2.10 [57].
Tabela 2.10 – Valores nominais da bateria U24-12XP da Valance [57].
44
Tensão Nominal (V)
12,8
Capacidade de Carga Nominal (Ah)
110
Energia Especifica (Wh / kg)
89
Densidade Energética (Wh / l)
139
Resistência Interna (mΩ)
6
Tensão Máxima de Carregamento (V)
14,6
Corrente Nominal de Carregamento (A)
55
Tempo de Carregamento (h)
2,5
Corrente Nominal de Descarregamento (A)
150
Corrente Nominal de Descarregamento, em 30s (A)
300
Tensão Mínima de Descarregamento (V)
10
Dimensões (mm)
225 x 260 x 172
Peso (kg)
15,8
Temperatura de Funcionamento (ºC)
-10 a +50
Temperatura de Armazenamento (ºC)
-40 a +50
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
Capítulo 2 – Baterias Eléctricas
Na Figura 2.41, está apresentada a relação da tensão da bateria com a capacidade
de carga percentual para diferentes taxas de descarregamento quando a temperatura de
funcionamento é de +23 ºC. A Figura 2.42 apresenta a relação da capacidade de carga
da bateria com o número de ciclos de carregamento e descarregamento à taxa de C / 2 e
à temperatura de +23 ºC. Por fim, na Figura 2.43 a relação entre a capacidade de carga
percentual, a tensão de carregamento e o tempo de carregamento.
Figura 2.41 – Curvas de descarregamento que relacionam a tensão da bateria com a DOD percentual, para
diferentes taxas de descarregamento à temperatura de funcionamento de +23 ºC [57].
Figura 2.42 – Evolução do estado da capacidade de carga percentual ao longo do número de ciclos de
carregamento e descarregamento à taxa de C / 2 e à temperatura de +23 ºC [57].
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
45
Capítulo 2 – Baterias Eléctricas
Figura 2.43 – Curvas de carregamento que relacionam a capacidade de carga percentual com a tensão da
bateria e com o tempo total de carregamento [57].
2.10.3. EnerDel
A célula de bateria da EnerDel [58], apresentada na Figura 2.44, foi
especificamente concebida para veículos híbridos e eléctricos, como por exemplo, do
fabricante Th!nk Global. Esta célula individual, assentes na tecnologia de lítio, mais
concretamente em LiTiO podem ser associadas em série e/ou paralelo para formar
baterias, como a apresentada na Figura 2.45, permitindo uma melhor integração nos
veículos híbridos e eléctricos [58][59].
Figura 2.44 – Células de bateria da EnerDel [59].
Figura 2.45 – Bateria da EnerDel [59].
46
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
Capítulo 2 – Baterias Eléctricas
Apesar de estas baterias serem especificas para veículos híbridos e eléctricos, a
EnerDel também tem baterias para necessidades específicas, como por exemplo,
aplicações industriais (12 Volt Battery Pack), UPS’s ou telecomunicações (24 Volt
Battery Pack), e para as mais diversas aplicações (80 Volt Battery Pack). A bateria
apresentada na Figura 2.45 é composta por células LiTiO cujos valores nominais estão
apresentados na Tabela 2.11. Na Figura 2.46, está representada a relação entre a tensão
e a capacidade de carga destas células.
Na Figura 2.47, está representada a relação entre a tensão e a capacidade de carga
percentual, para uma taxa de descarregamento de 1 C a uma temperatura de 30 ºC. De
acordo com a EnerDel, com estas baterias, específicas para os veículos híbridos e
eléctricos é possível reduzir ao volume e ao peso em relação às tradicionais baterias de
NiMH, conforme ilustrado na Figura 2.48 [58][59].
Relativamente ao número de ciclos, na Figura 2.49 está representada a sua relação
com a capacidade de carga da célula, para as condições especificadas na mesma figura
[58][59].
Tabela 2.11 – Valores nominais da célula LiTiO da EnerDel [58][59].
LiTiO Type Cell
Tensão Nominal (V)
2,5
Capacidade de Carga Nominal (Ah)
1,8
Dimensões (mm)
145 x 130 x 5
Figura 2.46 – Curva de descarregamento que relaciona a tensão da célula com capacidade de carga
absoluta nas células LiTiO [59].
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
47
Capítulo 2 – Baterias Eléctricas
Figura 2.47 – Curva de descarregamento que relaciona a tensão da célula com a DOD percentual para
uma taxa de descarregamento de 1 C à temperatura de 30 ºC [59].
Figura 2.48 – Comparação de baterias da EnerDel com as tradicionais de NiMH [58].
Figura 2.49 – Evolução da capacidade de carga absoluta da bateria ao longo do número de ciclos para as
condições de carregamento e descarregamento especificadas [59].
48
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
Capítulo 2 – Baterias Eléctricas
2.10.4. Thunder Sky
A bateria TS-LPF90AHA da Thunder Sky representada na Figura 2.50 assenta na
tecnologia de lítio, mais concretamente em LiFePo, e foi especialmente concebida para
veículos eléctricos. De referir que a Thunder Sky também disponibiliza baterias com
características diferentes destas, tanto no que concerne às características nominais como
à aplicabilidade. Na Tabela 2.12 estão apresentados os valores nominais desta bateria.
Na Figura 2.51 está representada a relação entre a tensão, a corrente, a capacidade de
carga percentual e o tempo, durante o processo de carregamento. A relação entre a
tensão e a capacidade de carga percentual da bateria para diferentes taxas de
descarregamento está representada na Figura 2.52. A relação entre a tensão e a
capacidade de carga percentual da bateria para diferentes temperaturas a uma taxa de
descarregamento de 0,5 C está apresentada na Figura 2.53 [60].
Figura 2.50 – Bateria TS-LPF90AHA da Thunder Sky [60].
Tabela 2.12 – Valores nominais da bateria TS-LPF90AHA da Thunder Sky [60].
Tensão Nominal (V)
3,2
Capacidade de Carga Nominal (Ah)
90
Tensão Máxima de Carregamento (V)
4,25
Máxima Corrente de Descarregamento (A)
3
Máxima Corrente de Carregamento (A)
< 270
Máxima Corrente de Descarregamento (A)
< 270
Corrente de Carregamento e Descarregamento Standard (A)
30
Ciclos (80 % DOD)
> 2000
Ciclos (70 % DOD)
> 3000
Auto Descarregamento (mês)
< 3%
Dimensões (mm)
220 x 145 x 68
Peso (kg)
3,2
Temperatura de Funcionamento Carregamento (ºC)
-25 a +75
Temperatura de Funcionamento Descarregamento (ºC)
-25 a +75
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
49
Capítulo 2 – Baterias Eléctricas
Figura 2.51 – Curvas de carregamento que relacionam a tensão da célula com a corrente e com a
capacidade de carga percentual ao longo do tempo [60].
Figura 2.52 – Curvas de descarregamento que relacionam a tensão da célula com a DOD percentual para
diferentes taxas de descarregamento [60].
Figura 2.53 – Curvas de descarregamento que relacionam a tensão da célula com a DOD percentual para
diferentes temperaturas a uma taxa de descarregamento de 0,5 C [60].
50
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
Capítulo 2 – Baterias Eléctricas
2.11.Características de Diferentes Tecnologias de Células de Baterias
Na Tabela 2.13 estão apresentadas as principais tecnologias de células de baterias,
com um exemplo de fabricante e as características mais relevantes, no entanto, não
estão todas apresentadas devido à escassez de informação dos datasheet’s.
Tabela 2.13 – Características das diferentes tecnologias de células de baterias.
Pb
NiCd
NiMH
LiFePO
LiPO
LiPol
LiFeMg
LiMnO2
Exemplo
Cyclon
Sanyo
Varta
Gaia
A123
AAPPC6
Valence
Saft
V
2
1,2
1,2
3,2
3,3
3,7
3,2
3
Ah
25
0,7
4,5
18
2,3
10,1
1,4
12
W / kg
-
-
-
2120
-
-
-
-
W/l
-
-
-
5380
-
-
-
-
Wh / kg
-
-
87
62
-
-
-
-
Wh / l
-
-
315
157
-
-
-
-
mΩ
1,5
3,4
20
1
10
< 15
-
-
Kg
1,67
0,23
0,062
0,930
0,07
0,210
0,04
0,120
BMS
Não
Não
Não
Não
Não
Não
Não
Não
Ciclos
> 300
-
-
> 1000
> 1000
-
> 2000
-
Dimensões
Altura (mm)
158,8
91
67,5
159
65,15
157
65
61,4
Largura (mm)
-
-
-
-
-
59,5
-
-
-
-
-
-
-
9,8
-
-
65,3
3,2
18
60
25,85
-
18,2
34,2
Comprimento
(mm)
Diametro
(mm)
Carregamento
Vmáx (V)
2,5
-
-
3,8
3,8
4,2
3,65
-
Imax (A)
-
-
2,25
18
3
10,1
-
-
tmáx (ºC)
80
45
45
40
-
45
45
70
tmin (ºC)
-40
0
0
0
-
0
0
-40
Descarregamento
6
Vmax (V)
1,67
-
-
2,1
1,6
2,75
2,5
-
Imax (A)
-
-
-
396
70
101
2,7
4
tmax (ºC)
80
60
50
-
60
60
-
70
tmin (ºC)
-65
-20
0
-
-30
0
-
-40
AAPPC - AA Portable Power Corp
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
51
Capítulo 2 – Baterias Eléctricas
2.12.Características de Diferentes Tecnologias de Baterias
Na Tabela 2.14 estão apresentadas as principais tecnologias de baterias, com um
exemplo de fabricante e as características mais relevantes, no entanto, não estão todas
apresentadas devido à escassez de informação dos datasheet’s.
Tabela 2.14 – Características das diferentes tecnologias de baterias.
Pb
NiCd
NiMH
LiPol
LiFePO
LiTi
LiFeMg
Exemplo
Optima
Saft
Saft
GBP
Battery
Thunder
Sky
NanoSafe
Valence
V
12
12
12
48
3,2
13,8
12,8
Ah
38
97
100
45
90
88
110
W / kg
-
150
-
-
-
-
W/l
-
310
-
-
-
-
Wh / kg
-
66
-
-
74
89
Wh / l
-
>95
137
-
-
5000
139
mΩ
-
-
-
<90
-
-
6
kg
11,6
57,4
18,6
26
3,2
17
15,8
BMS
Não
-
Não
Sim
Não
-
Sim
Ciclos
3500
-
> 2000
500
> 2000
15000
> 1000
Dimensões
Altura (mm)
237
494
195
155
220
382
260
Largura (mm)
129
105
390
285
145
159
172
Comprimento
(mm)
227
254
120
480
68
233
225
Carregamento
Vmáx (V)
15,6
-
-
55,25
4,25
-
14,6
Imax (A)
-
-
-
20
270
50 C
55
tmáx (ºC)
51,7
-
-
45
75
75
50
tmin (ºC)
-
-
-
0
-25
-50
-10
Descarregamento
52
Vmax (V)
-
-
-
39
2,5
-
10
Imax (A)
-
-
-
50
270
100 C
150
tmax (ºC)
-
-
-
55
75
75
-
tmin (ºC)
-
-
-
-20
-25
-60
-
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
Capítulo 2 – Baterias Eléctricas
2.13.Exemplos de Preços de Baterias
Para facilitar o enquadramento das tecnologias de baterias apresentadas, com os
preços praticados, com as características nominais e com um exemplo de possível
fornecedor, na Tabela 2.15 estão expostos alguns exemplos.
Tabela 2.15 – Exemplos de fornecedores de baterias de diferentes tecnologias e valores nominais.
Fornecedor
Alfa Elektor
Alfa Elektor
Leiritrónica
Leiritrónica
Leiritrónica
R.S.
R.S.
R.S.
Farnnel
Farnnel
Farnnel
OnlyBatteries
OnlyBatteries
OnlyBatteries
OnlyBatteries
BatterySpace
BatterySpace
BatterySpace
BatterySpace
BatterySpace
BatterySpace
AutomatedMedia
DiyTrade
EV Power
EV Power
EverSpring
ElectricMotorSport
FlightPower
ElitPowerSolutions
Sismelv
EV Power
BlackSheep
BlackSheep
Tecnologia
Gel
Gel
Gel
Li
PbA
Li
Li
LiPol
Li
Li
PbA
Li
PbA
NiMH
NiMH
NiMH
NiMH
Li
Li
NiCd
LiPol
Li
LiFePO
LiFePO
LiFePO
LiFePO
LiFePO
LiPol
LiFePO
LiFePO
LiPol
LiFePO
LiFePO
V
12
12
6
3,7
12
14,4
15
3,7
3,7
15
12
3,7
7,2
24
36
48
24
37
37
14,4
37
7,5
24
12
36
3,2
3,2
11,1
12,8
3,2
3,2
3,6
3,2
Ah
26
7
3,2
0,72
65
6
6,6
2,5
1,1
2,2
30
6,6
0,7
13
10
10
13
10
21
4
10
8
20
12
15
90
90
64
20
12
12
10
90
Preço (€)
71,88
20,34
10,02
18,80
190,72
438,48
220,89
44,58
27,27
69,26
148,94
30,00
11,00
279,00
294,00
352,00
260,11
306,87
584,55
44,65
294,51
50,00
252,15
206,08
39,66
139,97
139,97
81,78
124,42
199,810
41,2111
20,99
26,44
Nota
17
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
28
2
39
3
3
3
3
3
3
3
3
7
Preços na internet, nos sites dos fornecedores ou dos fabricantes, entre os dias 14 e 17 de Outubro de
2008.
8
Preços na internet, nos sites dos fornecedores ou dos fabricantes, no dia 17 de Fevereiro de 2009.
9
Preços na internet, nos sites dos fornecedores ou dos fabricantes, no dia 11 de Março de 2009.
10
Preço para mais de 50 unidades.
11
Preço para mais de 16 unidades.
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
53
Capítulo 2 – Baterias Eléctricas
2.14.Conclusão
Actualmente, apesar de as baterias ainda apresentarem inconvenientes, como a
energia por unidade de volume, a energia por unidade de peso, o número de ciclos ou a
vida útil, a Humanidade está cada vez mais depende das baterias, tanto para pequenos
como para grandes equipamentos, com especial destaque para a crescente aposta nos
veículos híbridos e eléctricos.
Durante bastantes décadas, as tecnologias associadas às baterias evoluíram
lentamente, contudo, nas mais recentes, essa evolução tem aumentado de forma a
satisfazer as novas necessidades do mercado, prevendo-se que a tecnologia inerente às
baterias atinja o auge nas próximas décadas. Actualmente, existe uma grande variedade
de tecnologias de baterias, quer à base de chumbo, de níquel ou de lítio. Estas baterias
diferem entre si pelos valores nominais que apresentam, pelas aplicações a que se
destinam, pela tecnologia de construção, pela vida útil que apresentam e pelos
algoritmos de carregamento e descarregamento. Deste modo, quando se pretende obter
uma bateria para uma determinada aplicação, é necessário conhecer todos os parâmetros
envolvidos nessa aplicação, porque só assim se consegue escolher uma bateria que
corresponda ao esperado. Se a escolha não for a adequada podem acontecer situações
desagradáveis, como por exemplo, muito tempo de carregamento da bateria, pouca vida
útil, funcionamento numa gama limitada de temperaturas e diminutas taxas de
descarregamento. Associados às tecnologias de baterias também estão os sistemas de
gestão das mesmas, tanto para os processos de carregamento como de descarregamento,
assim como os circuitos de protecção externos.
Relativamente à mobilidade dos veículos híbridos e eléctricos já existe uma
grande variedade de baterias que permite colmatar as necessidades actuais destes
veículos. No entanto, com o previsível aumento destes para as próximas décadas, é de
esperar que as tecnologias de baterias também progridam de forma a responder com
eficácia a esse desafio. Neste sentido, requer-se que as diferentes tecnologias de baterias
apresentem melhores valores de densidade de energia, densidade de potência, energia
específica, potência específica, resistência interna, peso e número de ciclos.
54
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
CAPÍTULO 3
Carregadores de Baterias
3.1. Introdução
O processo eficaz do carregamento das baterias, implica que o mesmo seja
realizado respeitando as suas características nominais e a sua tecnologia. Tendo este
pressuposto como base, determinar qual o melhor algoritmo de carregamento a utilizar é
sem dúvida, o factor primordial para que vida útil das baterias seja cumprida na íntegra.
Desta forma, tradicionalmente, os carregadores de baterias são implementados
com conversores estáticos de electrónica de potência, de modo a fornecer energia
eléctrica, sob a forma de tensão e corrente contínua às baterias. Para este efeito, várias
topologias de carregadores podem ser utilizadas, sendo que a mais clássica é utilizar um
conversor CA-CC com diodos e um filtro capacitivo no lado CC. Apesar de simples,
esta solução apresenta várias desvantagens, em que a mais inconveniente é a elevada
Distorção Harmónica Total (Total Harmonic Distortion - THD) da corrente no lado CA.
Além desta desvantagem, este conversor não permite o controlo eficaz do carregamento,
visando preservar a vida útil das baterias. Com base neste conversor muitos outros
podem ser implementados, porém, nenhum é completo, pois o objectivo é que o
carregador permita carregar as baterias com diferentes algoritmos de controlo e de
acordo com a tecnologia das mesmas, sendo que ao mesmo tempo, a corrente no lado
CA deve ser sinusoidal e o factor de potência unitário. Neste contexto, o Sistema
Inteligente de Carregamento de Baterias proposto nesta Dissertação, permite que sejam
implementados vários algoritmos de carregamento, quer a nível de tensão ou de corrente
no lado CC, e ao mesmo tempo, permitir que a corrente no lado CA seja sinusoidal e o
factor de potência unitário.
Independentemente do método de carregamento das baterias, a energia eléctrica
necessária a esse carregamento, pode ser fornecida através do método plug-in1, ou
então, através dos denominados carregadores indutivos, que permitem a transferência de
energia eléctrica do carregador paras as baterias sem contacto entre as partes, ou seja, o
carregamento é efectuado através da criação de um campo magnético. O veículo
eléctrico GM EV1 foi um dos primeiros a utilizar o método de carregamento indutivo,
mas actualmente, existem mais veículos a utilizar este método de carregamento, como o
Nissan Hypermini EV e o Toyota RAV4 [61]. O Sistema Inteligente de Carregamento de
Baterias proposto nesta Dissertação visa o carregamento através do método plug-in.
1
Plug-In significa que existe uma conexão física, através de encaixe, entre o sistema de carregamento e o
sistema a carregar.
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
55
Capítulo 3 – Carregadores de Baterias
3.2. Processo de Carregamento de Baterias
Respeitante ao processo de carregamento das baterias, este pode ser realizado de
diversas formas, e pode depender do sistema onde as mesmas estão inseridas. Se as
baterias forem de uma UPS's, de automóveis tradicionais ou de sistemas de energias
renováveis, o carregamento destas baterias é automático, necessitando apenas de
manutenção. Por outro lado, as baterias de uso comum, como de brinquedos ou de
máquinas eléctricas, precisam de ser carregadas pelo utilizador com recurso a um
carregador próprio para o efeito e às tomadas tradicionais, sendo que a disponibilidade
para o efeito é bastante abrangente.
Actualmente, existem carregadores específicos para cada tecnologia de bateria, e
carregadores universais que alegam puder carregar todas as tecnologias de baterias. Se
estes carregadores forem capazes de aplicar diferentes algoritmos de carregamento, de
acordo com a tecnologia e valores nominais das baterias, considera-se que o carregador
é inteligente, e que de facto, permite carregar as diferentes tecnologias de baterias, pois
consegue identificar a tecnologia da bateria em questão e, de forma automática, define
qual o melhor algoritmo de carregamento a aplicar.
O Sistema de Carregamento apresentado nesta Dissertação permite carregar
baterias de diferentes tecnologias, sendo por isso vocacionado para carregar baterias de
diferentes aplicações, entre as quais as dos diversos veículos híbridos e eléctricos. No
entanto, actualmente, ainda não permite identificar as diferentes tecnologias de baterias
e aplicar o melhor algoritmo de carregamento. Para que tal possa ser implementado, é
necessário que os veículos e/ou o banco de baterias estejam equipados com sistemas de
identificação da tecnologia e do estado da carga actual.
3.3. Algoritmos de Carregamento de Baterias
Os algoritmos de carregamento das baterias consistem nos diferentes estágios que
podem ser impostos a nível de tensão ou de corrente, visando o tempo de carregamento,
a tecnologia das baterias e a vida útil das mesmas [62]. Antes de aplicar qualquer
algoritmo de carregamento às baterias, é necessário consultar o datasheet das mesmas
para analisar se existem exigências, por parte do fabricante, que sejam mais vantajosas
para garantir a maior durabilidade destas. Apesar de existirem bastantes algoritmos de
carregamento das diferentes tecnologias de baterias, seguidamente são apresentados os
mais relevantes [62].
3.3.1.
Corrente Constante
Este algoritmo, com um único estágio de carregamento, consiste em fornecer
corrente constante à bateria até que esta atinja a tensão nominal. O tempo de
carregamento da bateria depende do valor da corrente aplicada, e esta corrente,
normalmente, está relacionada com a capacidade de carga da bateria. No entanto, uma
regra comum consiste em aplicar uma corrente não superior a 1 C. Este algoritmo pode
56
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
Capítulo 3 – Carregadores de Baterias
ser aplicado a baterias à base de chumbo, mas é mais comum ao carregamento de
baterias de NiCd e de NiMH. Na Figura 3.1, está ilustrada a evolução da tensão e da
corrente durante o processo de carregamento da bateria.
Figura 3.1 – Evolução da tensão e da corrente ao longo do tempo, com o algoritmo: corrente constante.
3.3.2.
Tensão Constante
Este algoritmo, com um único estágio de carregamento, consiste em aplicar tensão
constante à bateria, de valor igual à nominal, ou 20 % superior, e deixar que a corrente
de carregamento seja determinada pelas características electroquímicas da bateria. O
inconveniente deste algoritmo é o elevado tempo de carregamento da bateria, uma vez
que, quanto maior a energia armazenada, menor é a corrente de carregamento. Com este
algoritmo, o fim do carregamento acontece quando a corrente é próxima de zero, no
entanto, existem muitos carregadores que terminam o carregamento quando a corrente é
inferior a 1 A, correndo-se o risco da bateria ainda não estar totalmente carregada. Este
algoritmo de carregamento só é aplicado a baterias à base de chumbo. Na Figura 3.2
está representada a evolução da tensão e da corrente ao longo do tempo com este
algoritmo de carregamento.
Figura 3.2 – Evolução da tensão e da corrente ao longo do tempo, com o algoritmo: tensão constante.
3.3.3.
Potência Constante
Este algoritmo, também com um único estágio de carregamento, consiste em
manter constante a potência de carregamento da bateria. Inicialmente, a corrente é
elevada e a tensão reduzida, e ao longo do tempo, a tensão aumenta e a corrente
diminui, mantendo sempre a potência constante. Tal como no algoritmo anterior, o fim
do carregamento acontece quando a corrente é próxima de zero ou inferior a 1 A. O
grande inconveniente deste algoritmo é o excessivo aquecimento que pode ocorrer, em
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
57
Capítulo 3 – Carregadores de Baterias
especial na fase inicial, quando a tensão é reduzida e a corrente é elevada. Tal como o
algoritmo anterior, este também é mais indicado para baterias à base de chumbo. A
evolução da tensão e da corrente com este algoritmo está representada na Figura 3.3.
Figura 3.3 – Evolução da tensão e da corrente ao longo do tempo, com o algoritmo: potência constante.
3.3.4.
Temperatura Máxima e Constante
Com este algoritmo, mais um vez de um único estágio de carregamento, o tempo
de carregamento da bateria é bastante reduzido, pois consiste em aplicar um elevado
valor de corrente constante, apenas limitado pela temperatura da bateria. Com este
algoritmo, o fim do carregamento acontece quando a tensão atinge o seu valor nominal
ou 20 % superior a esse valor. No primeiro caso, corre-se o risco da bateria não ficar
totalmente carregada, e no segundo caso, a bateria é carregada na totalidade. Apesar de
ser um algoritmo de carregamento muito rápido é pouco eficaz quanto à vida útil da
bateria, porque pode estar a ser carregada com corrente excessiva. O inconveniente
deste algoritmo é o facto de ter que se manter constante e no seu limite máximo a
temperatura, sendo necessário conhecer a temperatura máxima admissível da bateria e
usar um bom sistema de controlo de temperatura. Este algoritmo é pouco eficaz, mas
pode ser aplicado a baterias à base de chumbo ou à base de níquel. A evolução da tensão
e da corrente ao longo do tempo, com este algoritmo de carregamento, está representada
na Figura 3.4.
Figura 3.4 – Evolução da tensão e da corrente ao longo do tempo, com o algoritmo: temperatura máxima
e constante.
3.3.5.
Corrente Constante Seguida de Tensão Constante (I)
Com este algoritmo de carregamento, no primeiro estágio é imposta corrente
constante à bateria até que a tensão seja aproximadamente 10 % superior à tensão
58
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
Capítulo 3 – Carregadores de Baterias
nominal. No segundo estágio, é imposta tensão nominal constante até que a corrente
diminua até próximo de zero ou que seja inferior a 1 A. Este algoritmo é indicado para
baterias à base de chumbo ou de lítio. A evolução da tensão e da corrente ao longo do
tempo, com este algoritmo de carregamento, está representada na Figura 3.5.
Figura 3.5 – Evolução da tensão e da corrente ao longo do tempo, com o algoritmo: corrente constante
seguida de tensão constante (I).
3.3.6.
Corrente Constante Seguida de Tensão Constante (II)
Este algoritmo de carregamento, no primeiro estágio, consiste em aplicar corrente
constante até que a tensão seja 10 % superior ao valor nominal. No segundo estágio,
consiste em aplicar tensão constante 10 % superior ao valor nominal, até finalizar o
carregamento, ou seja, até a corrente ser próxima de zero ou inferior a 1 A. Este
algoritmo de carregamento, cuja evolução da tensão e da corrente ao longo do tempo
está representada na Figura 3.6, é mais eficaz que o precedente, e pode ser aplicado a
baterias à base de chumbo ou de lítio.
Figura 3.6 – Evolução da tensão e da corrente ao longo do tempo, com o algoritmo: corrente constante
seguida de tensão constante (II).
3.3.7.
Corrente Constante Seguida de Tensão Constante (III)
Este algoritmo de carregamento é semelhante aos anteriores, com a diferença, que
no primeiro estágio a corrente é mantida constante até a bateria atingir uma tensão 20 %
superior à nominal. Posteriormente, no segundo estágio, é imposta uma tensão 10 %
superior à nominal até à finalização do carregamento, ou seja, até que a corrente seja
próxima de zero ou inferior a 1 A. Este algoritmo é indicado para carregar baterias à
base de chumbo ou de lítio. Na Figura 3.7.está representada a evolução da tensão e da
corrente ao longo do tempo, com este algoritmo de carregamento.
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
59
Capítulo 3 – Carregadores de Baterias
Figura 3.7 – Evolução da tensão e da corrente ao longo do tempo, com o algoritmo: corrente constante
seguida de tensão constante (III).
3.3.8.
Corrente Constante Seguida de Tensão Constante (IV)
Este algoritmo de carregamento é muito semelhante ao anterior, uma vez que
quando a tensão atinge o valor de 20 % superior à nominal no primeiro estágio, o
carregador mantém constante essa tensão e aguarda que a corrente diminua cerca de
90 % da corrente consumida inicialmente, para então impor uma tensão constante 10 %
superior à tensão nominal e espera que a corrente diminua até aproximadamente zero ou
que seja inferior a 1 A. Com este algoritmo a bateria pode ser carregada até 100 %, o
carregamento é mais eficiente e não há risco de sobreaquecimento. Este método é mais
indicado para baterias de à base de chumbo ou lítio. A evolução da tensão e da corrente
ao longo do tempo, com este algoritmo de carregamento está representada na Figura 3.8.
Figura 3.8 – Evolução da tensão e da corrente ao longo do tempo, com o algoritmo: corrente constante
seguida de tensão constante (IV).
3.3.9.
“Negative Delta V” – Variação da Negativa da Tensão
Este algoritmo de carregamento consiste em aplicar corrente constante à bateria e
analisar a evolução da tensão, de modo a detectar uma variação negativa da mesma. Nas
baterias à base de níquel, durante o processo de carregamento, existe um momento em
que a tensão começa a estabilizar e, posteriormente, decai um pouco. Nesta altura, como
o carregador está a analisar a evolução da tensão, detecta uma variação negativa da
mesma e termina o carregamento da bateria. Quando a corrente de carregamento é
suficientemente elevada, o carregamento torna-se mais eficiente. Este método é mais
eficaz em baterias de NiCd, mas também pode ser aplicado em baterias de NiMH. A
evolução da tensão e da corrente ao longo do tempo, com este algoritmo de
carregamento está representada na Figura 3.9.
60
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
Capítulo 3 – Carregadores de Baterias
Figura 3.9 – Evolução da tensão e da corrente ao longo do tempo, com o algoritmo: “Negative Delta V”.
3.3.10. Corrente Constante e Pulsada
Neste algoritmo, o carregamento da bateria é controlado através da tensão aos
terminais da mesma, recorrendo a um controlador do tipo on-off2, sendo inicialmente
imposta corrente constante até que a tensão seja 20 % superior à nominal. Quando tal
acontece, o fornecimento de corrente é interrompido e a tensão decai até cerca de 10 %
da tensão nominal, onde é aplicada novamente corrente constante até que a tensão seja
outra vez 20 % superior à nominal. O fim do carregamento acontece quando a tensão
demora muito tempo a decair, no entanto, pode ser ajustado com o controlador on-off.
Este algoritmo de carregamento depende, unicamente, da tensão final da bateria. Desta
forma, pode acontecer que a bateria ainda não tenha alcançado o carregamento
completo e já esteja a ser danificada por excesso de carregamento. No entanto, o
controlador on-off pode ser temporizado com razão cíclica fixa, evitando assim a
dependência do valor final da tensão. Este algoritmo é indicado para baterias à base de
chumbo. A evolução da tensão e da corrente ao longo do tempo, com este algoritmo de
carregamento está representada na Figura 3.10.
Figura 3.10 – Evolução da tensão e da corrente ao longo do tempo, com o algoritmo: corrente constante e
pulsada.
3.3.11. Variação da Tensão
Neste algoritmo de carregamento, inicialmente, aplica-se tensão constante igual ao
seu valor inicial, e aguarda-se que a corrente diminua até próximo de zero ou que seja
inferior a 1 A. Quando tal acontece, aumenta-se a tensão para um nível superior, e
espera-se que a corrente diminua outra vez para os níveis referidos. Este processo
2
Um controlador do tipo on-off abre ou fecha um determinado ponto do sistema onde está a actuar, de
acordo com o variação da variável a controlar.
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
61
Capítulo 3 – Carregadores de Baterias
repete-se até que a tensão seja 20 % superior à tensão nominal. Este algoritmo é
bastante lento e quando a tensão atinge o valor de 20 % superior à nominal, a bateria
pode estar com temperaturas elevadas, mas ainda não estar totalmente carregada. Os
níveis de tensão constante a aplicar podem ser ajustados através do software do sistema
de carregamento. Este algoritmo é aplicado a baterias à base de chumbo. A evolução da
tensão e da corrente ao longo do tempo, com este algoritmo de carregamento, está
representada na Figura 3.11.
Figura 3.11 – Evolução da tensão e da corrente ao longo do tempo, com o algoritmo: variação da tensão.
3.4. Conversores Electrónicos para Carregadores de Baterias
A função primordial dos conversores electrónicos é adequar os níveis de tensão e
de corrente, disponíveis num determinado ponto de um sistema, para outros níveis de
tensão e de corrente, para outro ponto do sistema. No caso concreto dos carregadores de
baterias, com alimentação da rede eléctrica, é necessário o uso de um conversor CA-CC,
que transforme a tensão e a corrente da rede eléctrica, em tensão e corrente adequadas
para serem fornecidas às baterias.
C
Baterias
Para este pressuposto, o conversor mais simples que se pode desenvolver está
apresentado na Figura 3.12. Este conversor utiliza quatro diodos e um filtro capacitivo
no lado CC, é simples de construir e pode fornecer a tensão e a corrente necessárias ao
carregamento das baterias. No entanto, apresenta como inconveniente, a corrente não
sinusoidal no lado CA, e o facto de não poder ajustar a tensão no lado CC,
independentemente da tensão no lado CA.
Figura 3.12 – Conversor CA-CC com diodos e filtro capacitivo na saída.
62
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
Capítulo 3 – Carregadores de Baterias
Os sinais da tensão e da corrente no lado CA (ve, ie) e no lado CC (vs, is) que este
conversor apresenta, estão representados na Figura 3.13. Estes resultados foram obtidos
através de um programa de simulação (ver Capítulo 4), e servem somente para mostrar
as formas de onda típicas deste tipo de conversor. Obviamente, as amplitudes dos sinais
são dependentes dos valores dos componentes utilizados, e da alimentação do
conversor.
(ve)
(ie)
(vs)
(is)
Figura 3.13 – Tensões e correntes no lado CA (ve, ie) e no lado CC (vs, is), do conversor CA-CC com
diodos e filtro capacitivo no lado CC.
Existem muitas outras metodologias para obter CC a partir de CA, no entanto,
basicamente, todas elas assentam no princípio básico do conversor CA-CC a diodos
com filtro capacitivo no lado CC. Esta metodologia tornou-se tão popular, que quase
todos os equipamentos, que funcionam com CC a utilizam, tal como televisões, vídeos,
DVD's, rádios ou computadores. Apesar de bastante utilizados, estes conversores, são
prejudiciais para a rede eléctrica, porque, como referido, não consomem corrente
sinusoidal, o que provoca elevada THD dessa corrente. Estas cargas, que consomem
corrente com THD, são chamadas cargas não lineares3.
No que diz respeito à rede eléctrica, com o consumo de corrente com elevada
THD, por parte das cargas não lineares, a forma de onda da tensão passa também a ser
3
Cargas não lineares consomem corrente eléctrica, cuja forma de onda, é diferente da tensão que lhes é
aplicada, ou seja, se uma carga está sujeita a tensão sinusoidal e consome corrente não sinusoidal diz-se
que é uma carga não linear. Por outro lado, se uma carga está sujeita a tensão sinusoidal e consome
corrente sinusoidal diz-se que é uma carga linear.
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
63
Capítulo 3 – Carregadores de Baterias
afectada. Neste contexto, para limitar a deterioração da tensão eléctrica, existe um
enquadramento legal, através das normas: CÉNÉLEC NE/EN 50160 (1994), CEI/IEC
61000 (1990/94/98), e ANSI/IEEE 519-1992 (1992), que limitam os níveis de THD da
tensão, não só dos consumidores de energia eléctrica, mas também da empresa de
distribuição da mesma.
Relativamente às cargas não lineares, que utilizam o conversor CA-CC com
diodos e filtro capacitivo no lado CC, para diminuir a THD da corrente de entrada,
podem-se utilizar filtros passivos em série (filtros indutivos), filtros passivos em
paralelo (filtros capacitivos), filtros passivos em série/paralelo (filtros indutivos e
capacitivos), filtros activos em paralelo (compensação dinâmica da THD da corrente
através da produção de correntes de compensação), filtros activos em série
(compensação dinâmica da THD da tensão através da produção de tensões de
compensação), filtros activos em série/paralelo (compensação dinâmica da THD da
tensão e da corrente através da produção de tensões e correntes de compensação),
circuitos electrónicos auxiliares (conversores CC-CC logo após o conversor CA-CC),
ou então topologias de conversores CA-CC recorrendo a semicondutores de potência
totalmente controlados [63].
Neste contexto, para limitar a THD da corrente no lado CA do conversor de CACC a diodos com filtro capacitivo no lado CC, de seguida são apresentados alguns dos
exemplos mencionados anteriormente.
Por ser simples, um método bastante utilizado, para reduzir a THD da corrente no
lado CA, consiste em utilizar um filtro passivo série (filtro indutivo), antes do conversor
CA-CC, tal como representado na Figura 3.14. As formas de onda típicas da tensão e da
corrente no lado CA (ve, ie) e no lado CC (vs, is) para este tipo de configuração estão
representadas na Figura 3.15. Apesar de simples, e de melhorar a forma de onda da
corrente consumida, o factor de potência não é unitário, ou seja, com esta topologia
existe consumo de potência reactiva. Os resultados obtidos servem somente para
mostrar as formas de onda típicas deste tipo de conversor.
C
Baterias
L
Figura 3.14 – Utilização de um filtro indutivo série antes do conversor CA-CC com diodos e filtro
capacitivo no lado CC.
64
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
Capítulo 3 – Carregadores de Baterias
(ve)
(ie)
(vs)
(is)
Figura 3.15 – Tensões e correntes no lado CA (ve, ie) e no lado CC (vs, is) do conversor CA-CC com
diodos e filtro capacitivo no lado CC, e com filtro indutivo série no lado CA.
Dependendo do valor do filtro indutivo série, este tipo de conversor ainda
apresenta desvantagens na THD da corrente, no factor de potência que não é unitário, e
no peso e volume do filtro. Neste seguimento, outra solução bastante popular, consiste
em utilizar a seguir ao filtro indutivo série um filtro capacitivo paralelo, tal como
representado na Figura 3.16. Na Figura 3.17 estão representados os sinais da tensão e da
corrente no lado CA (ve, ie) e no lado CC (vs, is) deste conversor.
C
C
Baterias
L
Figura 3.16 – Filtro LC antes do conversor CA-CC a diodos.
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
65
Capítulo 3 – Carregadores de Baterias
(ve)
(ve)
(vs)
(is)
Figura 3.17 – Tensões e correntes à entrada (ve, ie) e à saída (vs, is) do conversor CA-CC com diodos e
filtro capacitivo no lado CC e filtro indutivo série e capacitivo paralelo no lado CA.
Outra solução, muitas vezes adoptada, e que permite obter resultados muito mais
satisfatórios, consiste em utilizar um conversor CC-CC à saída do conversor CA-CC
com diodos e sem filtro capacitivo no lado CC. De todas as configurações de
conversores CC-CC existentes, o conversor Step-Up, representado na Figura 3.18, é o
mais largamente aplicado e que permite obter os melhores resultados [64][65]. Na
Figura 3.19 estão representados os sinais da tensão e da corrente no lado CA (ve, ie) e
no lado CC (vs, is) deste conversor.
C
Baterias
L
Figura 3.18 – Conversor CA-CC a diodos seguido do conversor CC-CC Step-Up.
66
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
Capítulo 3 – Carregadores de Baterias
(ve)
(ie)
(vs)
(is)
Figura 3.19 – Tensões e correntes no lado CA (ve, ie) e no lado CC (vs, is) do conversor CA-CC com
diodos seguido do conversor CC-CC Step-Up.
Com esta configuração de conversor, através do PWM (Pulse Width Modulation)
aplicado ao semicondutor de potência, neste caso IGTB (Insulated Gate Bipolar
Transistor), é possível controlar a tensão e a corrente no lado CC do conversor CC-CC
e a corrente na indutância, e por conseguinte, a corrente na entrada do conversor CA-CC
a diodos. O controlo do PWM pode ser efectuado de diversas formas, sendo que
actualmente, existem diversos circuitos integrados específicos para efectuar este
controlo, como é o caso do UC3854 (Unitrode), FAN7527B (Fairchild), LM6561 (ST),
LM6563 (ST), L4981A (ST), TDA4863-2 (Infineon), e IR1150 (International Rectifier).
Noutra perspectiva, o controlo do PWM também pode ser efectuado, através de um
microcontrolador, recorrendo a algoritmos de controlo específicos [66][67], como o
apresentado na Figura 3.20.
Figura 3.20 – Algoritmo de controlo do PWM a aplicar ao conversor CC-CC Step-Up.
Este tipo de configuração permite ajustar a tensão ou a corrente no lado CC do
conversor CC-CC, manter sinusoidal a corrente no lado CA e o factor de potência
unitário [68]. Todavia, este tipo de conversor não é bidireccional, isto é, não permite
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
67
Capítulo 3 – Carregadores de Baterias
que a energia armazenada nas baterias seja devolvida a uma carga, ou à rede eléctrica,
através do conversor. No entanto, existem topologias de conversores CC-CC que são
bidireccionais e ajustam valores de CC em ambos os lados, como é o caso dos
conversores Forward, Flyback, Push-Pull, Full-Bridge, Ćuk e SEPIC, porém, caso
fossem aplicados seguidamente ao conversor CA-CC a diodos, não conseguiam manter
sinusoidal a corrente no lado CA. Uma das formas de se obter um conversor CC-CC
bidireccional é juntar os conversores Step-Up e Step-Down num único, como
apresentado na Figura 3.21. Com esta topologia, durante o processo de carregamento
das baterias, a corrente flui do barramento CC para o banco de baterias, isto é, o
conversor actua como Step-Down, e quando é necessário retirar a energia das baterias
para o barramento CC, o conversor passa a actuar como Step-Up.
Com esta solução, seguidamente ao conversor a diodos, é possível carregar as
baterias com tensão ou corrente constante, manter sinusoidal a corrente no lado CA e o
factor de potência unitário. No entanto, como visto anteriormente, esta não é a melhor
solução porque, durante o carregamento das baterias, o conversor que está em
L
C
C
Baterias
Barramento CC
funcionamento é o CC-CC Step-Down. A grande desvantagem desta configuração, com
os três conversores, reside no facto de não ser possível descarregar as baterias através
do conversor CA-CC a diodos, uma vez que este não é bidireccional. Esta configuração
pode ser útil se o pretendido for descarregar as baterias, somente através do conversor
CC-CC Step-Up, ou seja, descarregar as baterias para uma carga com controlo da tensão
e da corrente.
Figura 3.21 – Conversor bidireccional CC-CC Step-Up e Step-Down.
3.5. Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
A topologia de conversor bidireccional proposta nesta Dissertação está
apresentada na Figura 3.22. Conforme representado na figura, este conversor é
composto por um indutância no lado CA, quatro IGBT's e um condensador no lado CC.
A representação das baterias na figura corresponde à associação de várias baterias, da
mesma tecnologia e valores nominais iguais, de modo a formar um banco de baterias.
68
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
Capítulo 3 – Carregadores de Baterias
G1 T
G2 T
C
G1 B
Baterias
L
G2 B
Figura 3.22 – Conversor bidireccional, com consumo sinusoidal de corrente e factor de potência unitário.
Esta topologia é a base do conversor bidireccional proposto nesta Dissertação, no
entanto, devido a problemas de carregamento do condensador do lado CC, foi inserida
uma resistência em série com o conversor no lado CA. A resistência têm ligado aos seus
terminais um contactor que permite que possa ficar em curto-circuito sempre que
desejado. A par da resistência, foram inseridos dois novos condensadores aos terminais
de cada braço do conversor. Na Figura 3.23 esta apresentada esta nova configuração,
onde estão destacados os IGBT's, os condensadores e a resistência de pré-carga.
G1 T
G2 T
R
C
G1 B
C
C
Baterias
L
G2 B
Figura 3.23 – Circuito completo do conversor bidireccional.
3.5.1.
Conversor Bidireccional como Conversor CA-CC
Quando o conversor bidireccional funciona como conversor CA-CC, é possível
manter constante a tensão ou a corrente no lado CC, e ao mesmo tempo manter
sinusoidal a corrente no lado CA e o factor de potência unitário. Para tal, é necessário
seguir o processo de controlo dos IGBT's apresentado no diagrama de blocos da Figura
3.24.
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
69
Capítulo 3 – Carregadores de Baterias
Figura 3.24 – Diagrama de blocos de controlo dos IGBT's do Sistema Inteligente de Carregamento de
Baterias.
Conforme representado na Figura 3.24, o primeiro passo consiste em calcular a
diferença entre a referência pretendida e o valor real medido, ou seja, o erro. Para o caso
concreto do Sistema de Carregamento, a referência pretendida é a tensão ou a corrente
no lado CC. Depois de calculado o erro, é-lhe imposto um limite superior e um limite
inferior para evitar variações bruscas. Posteriormente, o erro passa por um controlador
proporcional integral (PI), e é multiplicado por uma referência sinusoidal, denominada
seno fictício. Este seno fictício está em fase com a tensão do lado CA, devido ao
controlo de software implementado, que consiste em efectuar uma média deslizante da
tensão do lado CA, e sincronizar o seno fictício com essa tensão. Até este ponto, o sinal
obtido é sinusoidal com a frequência do seno fictício, e a amplitude é dependente do
erro e dos ganhos do controlador PI. Este sinal, que é a corrente de referência para o
lado CA, é comparado com a corrente real do lado CA, e são obtidos os sinais de
disparo dos IGBT's. Como se pode verificar na Figura 3.24, se a referência for superior
à corrente do lado CA, actua-se somente na gate do IGBT inferior esquerdo
(gate 1 bottom - G1 B) e na gate do IGBT superior direito (gate 2 top - G2 T). Quando a
corrente de referência é inferior à corrente do lado CA, actua-se somente na gate do
IGBT superior esquerdo (gate 1 top - G1 T) e na gate do IGBT inferior direito
(gate 2 top - G2 B).
Com o processo de controlo descrito e de acordo com a referência do lado CC
pretendida, consegue-se obter tensão ou corrente constante no lado CC, e ao mesmo
tempo manter sinusoidal a corrente no lado CA e com factor de potência unitário.
Assim, é possível carregar as baterias com tensão constante, com corrente constante ou
com corrente constante seguida de tensão constante. Para esse propósito, é necessário
seguir o algoritmo de controlo do Sistema de Carregamento apresentado na Figura 3.25.
70
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
Capítulo 3 – Carregadores de Baterias
Início
Definição de
Variáveis
Tipo de
Carregamento?
Tensão Constante
Corrente
Constante
Referência Vcc
Referência Icc
Erro = Referência
Vcc - Vcc
Erro = Referência
Icc - Icc
Corrente
Constante /
Tensão Constante
Vcc < Vcc
Máximo
Não
Sim
Referência Icc
Referência Vcc
Erro = Referência
Icc - Icc
Erro = Referência
Vcc - Vcc
Limitar o Erro
Ajustar Ganhos do
Controlador
Proporcional
Integral
Gerar Corrente de
Referência
Comparar
Corrente de
Referência com
Corrente de
Entrada
Gerar Sinais de
Disparo dos
IGBT’s
Não
Carregamento
Completo?
Sim
Fim
Figura 3.25 – Algoritmo de controlo de carregamento das baterias com tensão constante, com corrente
constante ou com corrente constante seguida de tensão constante.
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
71
Capítulo 3 – Carregadores de Baterias
3.5.2.
Conversor Bidireccional como Conversor CC-CA
Com a mesma topologia de conversor bidireccional apresentada, e com o devido
controlo dos IGBT's, é possível que este também funcione como conversor CC-CA.
Deste modo, podem-se definir várias formas de descarregamento das baterias, ou seja,
através devido controlo dos IGBT's, a energia armazenada nas baterias pode ser
devolvida à rede eléctrica ou a uma carga CA, ou então, ser aplicada directamente sobre
uma carga CC. Para ambas as situações, a corrente de descarregamento pode ser fixa ou
variável, tendo em contas as baterias e o sistema de controlo.
Com o processo de controlo dos IGBT's apresentado no diagrama de blocos da
Figura 3.26, que é semelhante ao da Figura 3.24, é possível que o conversor funcione
como conversor CC-CA a descarregar as baterias directamente para a rede eléctrica,
desde que o seno fictício esteja em oposição de fase em relação à tensão do lado CA.
Deste modo, a referência para a corrente do lado CA passa também a estar em oposição
de fase em relação à tensão do lado CA, conseguindo-se que a corrente no lado CA
fique também em oposição de fase com a tensão do lado CA. Com o conversor a
funcionar no modo CC-CA também se podem descarregar as baterias para uma carga
CA independentemente da rede eléctrica. Quando o conversor está a funcionar neste
modo, podem-se estabelecer diferentes critérios, quer para a tensão, quer para a
corrente. A tensão nas baterias deve ser monitorizada para detectar o fim do
descarregamento e a corrente de descarregamento deve ser constante e controlada no
lado CA ou no lado CC.
Figura 3.26 – Diagrama de blocos de controlo dos IGBT's do Sistema Inteligente de Carregamento de
Baterias.
O descarregamento das baterias também pode ser efectuado directamente para
uma carga CC, ou então, no caso de um veículo híbrido ou eléctrico, pode ser efectuado
para um motor, directamente ou através de outro conversor CC-CC ou CC-CA.
O algoritmo de controlo do descarregamento, tanto para o conversor CC-CA
como directamente sobre uma carga CC, está apresentado na Figura 3.27.
72
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
Capítulo 3 – Carregadores de Baterias
Início
Definição de
Variáveis
Carga CC
Tipo de
Descarregamento?
CC – CA
Tipo de Controlo
Corrente
Constante no lado
CC
Corrente
Constante no lado
CA
Referência Icc
Referência
Sinusoidal
Erro = Referência
Icc - Icc
Gerar Corrente de
Referência
Limitar o Erro
Comparar
Corrente de
Referência com
Corrente de
Entrada
Ajustar Ganhos do
Controlador
Proporcional
Integral
Gerar Sinais de
Disparo dos
IGBT’s
Gerar Corrente de
Referência
Comparar
Corrente de
Referência com
Corrente de
Entrada
Gerar Sinais de
Disparo dos
IGBT’s
Descarregamento
Completo?
Não
Não
Sim
Fim
Figura 3.27 – Algoritmo de controlo do descarregamento das baterias como conversor CC-CA ou
directamente sobre uma carga.
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
73
Capítulo 3 – Carregadores de Baterias
3.6. Exemplos de Carregadores de Baterias
Actualmente, existem diversos carregadores que diferem, somente quanto às
características nominais, e quanto à tecnologia de bateria a carregar, uma vez que, cada
tecnologia de bateria tem o seu algoritmo de carregamento específico.
Entre os carregadores de baterias que existem actualmente no mercado, alguns
apenas carregam as baterias sem nenhum tipo de controlo, e outros, são carregadores
específicos para determinadas baterias, pois visam perseverar ao máximo as
características das baterias. Assim, de seguida, estão apresentados alguns exemplos de
carregadores de baterias para as diversas tecnologias de baterias.
3.6.1.
Werkraft WK-AFN9
O carregador de baterias Werkraft WK-AFN9 apresentado na Figura 3.28 é
adequado para carregar baterias de chumbo com corrente máxima de 30 A. As
principais características deste carregador estão apresentadas na Tabela 3.1.
Figura 3.28 – Carregador de baterias Werkraft WK-AFN9 [69].
Tabela 3.1 – Principais características do carregador Werkraft WK-AFN9 [69].
3.6.2.
Tensão de Entrada (V)
230
Tensão de Carregamento (V)
12 ou 24
Corrente de Carregamento (A)
30
Peso (kg)
15
Excel CF
O Excel CF é um conversor CA-CC que permite carregar baterias à base de
chumbo ou de níquel. Este carregador tem versões monofásicas de 1200 W a 3000 W, e
trifásicas de 1200 W a 6600 W. Na Figura 3.29 está representado um exemplo destes
carregadores, e na Tabela 3.2 estão apresentadas as principais características de um
carregador Excel CF trifásico de 6600 W.
74
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
Capítulo 3 – Carregadores de Baterias
Figura 3.29 – Carregador Excel CF [70].
Tabela 3.2 – Principais características de um carregador Excel CF trifásico de 6600 W [70].
3.6.3.
Tensão de Entrada (V)
400
Tensão DC (V)
110
Corrente (A)
40, 60
Eficiência Conversão (%)
> 92
Temperatura de Funcionamento (ºC)
0 a 40
Temperatura de Armazenamento (ºC)
-20 a 70
Dimensões (mm)
890 x 530 x 390
Smart Charger Li-Ion Battery Pack
O carregador de baterias de lítio Smart Charger Li-Ion Battery Pack apresentado
na Figura 3.30, permite carregar 14 células de lítio, ou seja, permite carregar módulos
de 51,8 V (3,7 Vx14), com capacidade de carga variável de 6 Ah a 40 Ah. Com este
carregador, é possível carregar as baterias com tensão constante, corrente constante ou
através de carregamento pulsado. Na Tabela 3.3 estão apresentadas as principais
características deste carregador.
Figura 3.30 – Carregador Smart Charger Li-Ion Battery Pack [71].
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
75
Capítulo 3 – Carregadores de Baterias
Tabela 3.3 – Principais características do carregador Smart Charger Li-Ion Battery Pack [71].
Tensão de Entrada (V)
90 a 130
Tensão CC (V)
58,2
Corrente CC (A)
6
Eficiência Conversão (%) (com 115 V CA, 60 Hz)
72
Temperatura de Funcionamento (ºC)
-10 a 50
Temperatura de Armazenamento (ºC)
-10 a 60
Peso (kg)
2,222
Dimensões (mm)
210 x 174 x 76
Preço (€)
65,01
3.6.4.
Smart Charger LiFePO Battery Pack
Na Figura 3.31 está apresentado o carregador de baterias Smart Charger LiFePO
Battery Pack. Este carregador permite carregar 24 células de LiFePO, ou seja, permite
carregar módulos de 76,8 V (3,2 Vx24), com capacidade de carga superior a 20 Ah.
Com este carregador é possível carregar as baterias com tensão constante, corrente
constante ou com carregamento pulsado. Na Tabela 3.4 estão apresentadas as principais
características deste carregador.
Figura 3.31 – Smart Charger LiFePO Battery Pack [72].
Tabela 3.4 – Principais características do carregador Smart Charger LiFePO Battery Pack [72].
76
Tensão de Entrada (V)
99 a 121
Tensão CC (V)
87
Corrente CC (A)
20
Baterias Recomendadas
24 x 60 Ah
Temperatura de Funcionamento (ºC)
-10 a 50
Temperatura de Armazenamento (ºC)
-10 a 60
Peso (kg)
7,077
Dimensões (mm)
320 x 215 x 160
Preço (€)
404,23
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
Capítulo 3 – Carregadores de Baterias
3.6.5.
Smart Charger NiCd / NiMH Battery Pack
O carregador de baterias à base de níquel, Smart Charger NiCd / NiMH Battery
Pack, apresentado na Figura 3.32 permite carregar de 16 a 22 células de níquel, ou seja,
permite carregar módulos de 19,2 V a 26,4 V (1,2 Vx16 ou 1,2 Vx22), com capacidade
de carga superior a 4 Ah. Este carregador permite carregar com corrente constante de
valor igual a 4 A. Na Tabela 3.5 estão apresentadas as principais características deste
carregador.
Figura 3.32 – Smart Charger NiCd / NiMH Battery Pack [73].
Tabela 3.5 – Principais características do
carregador Smart Charger NiCd / NiMH Battery Pack [73].
3.6.6.
Tensão de Entrada (V)
100 a 240
Tensão CC (V)
19,2 a 26,4
Corrente CC (A)
4
Eficiência (%) (com 115 V CA)
75
Temperatura de Funcionamento (ºC)
0 a 40
Temperatura de Armazenamento (ºC)
-40 a 70
Peso (kg)
0,48
Dimensões (mm)
154,5 x 85,2 x 50,3
Preço (€)
54,24
Smart Fast Charger Lead Acid Battery
Na Figura 3.33 está apresentado o carregador de baterias à base de chumbo Smart
Fast Charger Lead Acid Battery. Este carregador permite carregar 4 baterias de chumbo
de 12 V (12 Vx4), com capacidade de carga variável de 6 Ah a 60 Ah. O método de
carregamento consiste em dois estágios: um de corrente constante seguido de um de
tensão constante. Na Tabela 3.4 estão apresentadas as principais características deste
carregador.
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
77
Capítulo 3 – Carregadores de Baterias
Figura 3.33 – Smart Fast Charger Lead Acid Battery [74].
Tabela 3.6 – Principais características do carregador Smart Fast Charger Lead Acid Battery [74].
Tensão de Entrada (V)
90 a 130
Tensão CC (V)
58.2
Corrente CC (A)
6
Eficiência (%) (com 115 V CA)
72
Temperatura de Funcionamento (ºC)
-10 a 50
Temperatura de Armazenamento (ºC)
-10 a 60
Peso (kg)
2,222
Dimensões (mm)
210 x 174 x 76
Preço (€)
64,41
3.7. Conclusão
Neste capítulo foi apresentado um estudo sobre os diferentes algoritmos de
carregamento que podem ser aplicados às diversas tecnologias de baterias,
nomeadamente no que concerne aos diferentes estágios de carregamento. Devido às
diferentes tecnologias de baterias, existem no mercado carregadores específicos para
cada uma, que carregam as baterias com algoritmos próprios, de modo a preservar as
características das mesmas. Neste contexto, com o Sistema Inteligente de Carregamento
de Baterias proposto nesta Dissertação, pretende-se que seja possível carregar as
diferentes tecnologias de baterias, aplicando os algoritmos para tal necessários.
Assim, para o funcionamento do Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
como conversor CA-CC, foram apresentados os algoritmos que permitem processar os
sinais de comando necessários às comutações dos IGBT's, de modo a que seja possível
aplicar tensão ou corrente constante às baterias, e ao mesmo tempo manter sinusoidal a
corrente no lado CA e o factor de potência unitário. Por outro lado, também foram
78
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
Capítulo 3 – Carregadores de Baterias
apresentados os algoritmos necessários ao descarregamento controlado das baterias,
quer seja directamente sobre uma carga CC, ou com o Sistema Inteligente de
Carregamento de Baterias a funcionar como conversor CC-CA, devolvendo a energia
armazenada nas baterias à rede eléctrica ou então alimentando um carga CA.
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
79
CAPÍTULO 4
Simulações do Sistema de Carregamento de Baterias
4.1. Introdução
O uso de ferramentas de simulação constitui uma mais-valia no estudo de sistemas
eléctricos, uma vez que permite aprofundar ao máximo a realidade destes,
principalmente, no que concerne ao seu comportamento. Deste modo, com o uso de um
bom modelo de simulação é possível contornar erros que possam invalidar a teoria do
sistema eléctrico em questão. Também relevante, é o facto de permitir evitar riscos para
os seres humanos e/ou para os equipamentos envolvidos. Desta forma, é possível
reduzir o tempo de projecto dos sistemas eléctricos e muito possivelmente os custos
inerentes ao processo de desenvolvimento.
A escolha da ferramenta de simulação foi o software PSCAD (Power System
Computer Assisted Design), devido ao ambiente gráfico amigável, à vasta livraria de
componentes e ao facto de permitir interface com linguagem de programação C,
podendo-se implementar algoritmos de controlo muito similares aos utilizados no
microcontrolador do Sistema de Carregamento.
Ao longo deste capítulo é apresentado e descrito o modelo do circuito de potência
e o modelo do circuito de comando. Com a elaboração destes circuitos foi possível obter
um modelo de simulação para o Sistema de Carregamento muito próximo da realidade,
visto todos eles visarem qualquer tipo de pormenor. O ambiente de trabalho do PSCAD
está representado na Figura 4.1.
Figura 4.1 – Ambiente de trabalho do software PSCAD.
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
81
Capítulo 4 – Simulações do Sistema de Carregamento de Baterias
4.2. Circuito de Potência
Na Figura 4.2 está apresentado o circuito de potência implementado no PSCAD
para simular o funcionamento do Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias,
tanto para o funcionamento como conversor CA-CC como conversor CC-CA. Este
circuito é composto pela fonte de tensão de entrada, pela resistência de pré-carga do
condensador do lado CC, pela indutância no lado CA de valor 5 mH, pelo conversor
com quatro IGBT's, pelo condensador do lado CC de valor 4,7 mF e pelo modelo de
bateria implementado.
Neste circuito são utilizados três interruptores denominados C1, C2 e C3, que
correspondem, respectivamente, à ligação de todo o circuito, ao curto-circuito da
resistência de pré-carga e à ligação do modelo de bateria ao conversor. No bloco da
Figura 4.2 que contém os quatro IGBT's pode-se constatar que a cada braço do
conversor está associado um condensador de 1 µF. No lado CA e no lado CC está
presente um sensor de tensão e um de corrente, para permitir efectuar as medições da
respectiva tensão e corrente. As labels G1T, G1B, G2T e G2B são as entradas das gates
dos IGBT's do braço 1 (top e bottom) e do braço 2 (top e bottom), respectivamente.
Figura 4.2 – Circuito de potência implementado no PSCAD para simular o funcionamento do Sistema
Inteligente de Carregamento de Baterias.
4.3. Circuito de Comando
O circuito de comando implementado no PSCAD foi construído visando
aproximar ao máximo a simulação da realidade. Com este intuito, na Figura 4.3 está
representado o circuito constituído pelos sensores1 e pelo respectivo condicionamento
de sinais, e na Figura 4.4 está representado o circuito dos ADC's (Analog to Digital
Converters). Na Figura 4.5 está representado o modelo do microcontrolador
desenvolvido e o circuito de enable que permite controlar as comutações dos IGBT's.
Ao modelo do microcontrolador está associado o ficheiro PIC32.c que contém o
programa escrito em linguagem de programação C para permitir o controlo de todo o
1
Quando se faz referência aos sensores, tanto de tensão como de corrente, significa que no PSCAD estão
simuladas as suas características nominais, assim como as respectivas resistências de medida, de modo a
que a simulação seja o mais próximo possível da realidade.
82
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
Capítulo 4 – Simulações do Sistema de Carregamento de Baterias
Sistema de Carregamento. Este modelo é constituído por quatro entradas, duas de
tensão e duas de corrente, quatro saídas para as comutações dos IGBT's, três saídas para
actuar nos interruptores (C1, C2 e C3), duas saídas DAC (Digital to Analog Converter),
uma saída para a corrente de referência do lado CA, uma entrada de selecção para
escolha manual de tensão ou corrente constante no lado CC e uma entrada com a
frequência de comutação.
Figura 4.3 – Simulação dos sensores de tensão e de corrente e respectivo condicionamento de sinais.
Figura 4.4 – Simulação do circuito de ADC's.
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
83
Capítulo 4 – Simulações do Sistema de Carregamento de Baterias
Figura 4.5 – Modelo do microcontrolador desenvolvido e circuito de enable.
O programa, escrito em linguagem de programação C, implementado no modelo
de simulação foi desenvolvido tendo em conta os algoritmos de carregamento e
descarregamento apresentados no Capítulo 3. Conforme apresentado na Figura 4.6, com
este modelo de simulação é possível definir o valor da tensão e da corrente para a
referência no lado CC, os ganhos e tempos de integração do controlador PI e também os
tempos de arranque do programa, de pré-carga do condensador do lado CC, de
comutação dos IGBT's, de ligação das baterias ao Sistema de Carregamento e o tempo
de espera para a comutação do estágio de corrente constante para o estágio de tensão
constante no lado CC, ou vice-versa.
Figura 4.6 – Definição, através do modelo do microcontrolador, do valor da tensão e da corrente, dos
ganhos e dos tempos de integração do controlador PI e dos tempos associados ao controlo do Sistema de
Carregamento.
4.4. Modelo de Bateria
O modelo de bateria desenvolvido no PSCAD permite simular, de forma geral, o
comportamento de uma bateria, ou de um banco de baterias, de diferentes tecnologias.
Através deste modelo, é possível definir os valores de tensão ou corrente de
84
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
Capítulo 4 – Simulações do Sistema de Carregamento de Baterias
carregamento, assim como os respectivos tempos. Para o estágio de tensão constante é
possível definir a corrente inicial e final da bateria, e para o estágio de corrente
constante é possível definir a tensão inicial e final da bateria. Na Figura 4.7 está
apresentado o modelo de bateria desenvolvido. Tendo em conta a sua constituição
interna, este modelo de bateria é composto por um circuito, representado na Figura 4.8,
que o carregamento com tensão ou corrente constante. Na Figura 4.9 estão
representados os circuitos de controlo do circuito da Figura 4.8.
Figura 4.7 – Modelo de bateria desenvolvido.
Figura 4.8 – Circuito interno do modelo de bateria, que permite o carregamento com tensão ou corrente
constante.
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
85
Capítulo 4 – Simulações do Sistema de Carregamento de Baterias
Figura 4.9 – Circuitos de controlo do modelo de bateria para os casos em que é carregada com tensão ou
corrente constante.
4.5. Resultados das Simulações
Depois de apresentados todos os circuitos de simulação que constituem o Sistema
Inteligente de Carregamento de Baterias, implementados no PSCAD, neste item é
analisado o comportamento de todo o sistema recorrendo aos algoritmos de
carregamento e descarregamento de baterias apresentados no Capítulo 3. As simulações
foram realizadas recorrendo a esses algoritmos de controlo e tendo como carga um
banco de baterias de chumbo-ácido com tensão nominal 48 V, correspondente a 4
baterias de 12 V, e capacidade de carga nominal 44 Ah. Na escolha deste, foi tido em
conta o facto de ser um caso concreto, passível de ser implementado, uma vez que as
baterias necessárias já existiam no Laboratório de Electrónica de Potência da
Universidade do Minho.
Para o carregamento deste banco de baterias foram efectuadas três simulações
com três algoritmos de carregamento distintos. A primeira simulação foi efectuada com
o algoritmo de carregamento de tensão constante, a segunda com o algoritmo de
carregamento de corrente constante e a terceira simulação com o algoritmo de
carregamento de corrente constante seguida de tensão constante. Para o
descarregamento do banco de baterias foi utilizado um algoritmo de controlo que
permite transferir a energia armazenada nas mesmas directamente para a rede eléctrica,
86
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
Capítulo 4 – Simulações do Sistema de Carregamento de Baterias
mediante condições específicas, nomeadamente corrente de descarregamento máxima.
Assim, de seguida são apresentados e comentados os resultados obtidos para estas
simulações.
4.5.1.
Simulação de Carregamento com Algoritmo de Tensão Constante de
um Banco de Baterias de Chumbo-Ácido de 48 V e 44 Ah
Nesta primeira simulação o algoritmo de carregamento imposto foi o de tensão
constante com valor igual a 56 V. Como explicado no Capítulo 3, neste algoritmo de
carregamento a tensão permanece constante enquanto a corrente decai progressivamente
até o término do carregamento. Obviamente, o término do carregamento não é igual
para todas as baterias, e neste caso concreto, como na simulação está a ser utilizado um
modelo de banco de baterias, o término do carregamento foi definido ocorrer quando a
corrente no banco de baterias atingir 0,5 A.
Na Figura 4.10 está apresentada, em regime permanente, a tensão (ve) e a corrente
(ie) no lado CA e a corrente de referência para o lado CA (iref). Como se pode constatar
a corrente no lado CA é sinusoidal e em fase com a tensão do lado CA. Como
pretendido a corrente (ie) segue a corrente de referência (iref).
(ve)
(ie)
(iref)
Figura 4.10 – Tensão (ve) e corrente (ie) no lado CA, e corrente de referência (iref) para o lado CA, em
regime permanente.
A tensão e a corrente no banco de baterias ao longo de toda a simulação, em
regime permanente, estão representadas na Figura 4.11. O tempo total da simulação
corresponde ao tempo total de carregamento do banco de baterias. De acordo com a
Figura 4.11 pode-se confirmar que a tensão no banco de baterias (vs) permanece
constante de valor 56 V ao longo de toda a simulação e a corrente (is) de carregamento
diminui de 1,2 A para 0,5 A, dando por terminado o carregamento do banco de baterias,
conforme pretendido.
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
87
Capítulo 4 – Simulações do Sistema de Carregamento de Baterias
(vs)
(is)
Figura 4.11 – Tensão (vs) e corrente (is) no lado CC em regime permanente.
Os resultados obtidos para este algoritmo de carregamento comprovam a escolha
dos parâmetros inseridos no modelo do banco de baterias e que estão apresentados na
Figura 4.12. A escolha dos parâmetros para o algoritmo de corrente constante não é
relevante porque, neste caso específico, o banco de baterias só é carregado com tensão
constante. A escolha para o tempo de decaimento da corrente é de 10 s, correspondente
ao tempo total da simulação. O valor da tensão constante é de 56 V, a corrente inicial de
carregamento tem valor de 1,2 A e a corrente final de carregamento tem valor de 0,5 A.
Figura 4.12 – Parâmetros do modelo do banco de baterias para o carregamento com o algoritmo de tensão
constante.
Na Figura 4.13 estão apresentados os parâmetros correspondentes ao
microprocessador para este algoritmo de carregamento. Como se pode verificar é
especificado o valor da tensão de referência para o lado CC, o ganho proporcional e o
tempo de integração para o controlador PI.
88
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
Capítulo 4 – Simulações do Sistema de Carregamento de Baterias
Figura 4.13 – Parâmetros correspondentes ao microprocessador para o algoritmo de carregamento com
tensão constante.
Na Figura 4.14 está apresentada, em regime permanente, a tensão (ve) e a corrente
(ie) no lado CA, a tensão (vs) e a corrente (is) no lado CC, e corrente de referência (iref)
para o lado CA. Na Figura 4.15 estão apresentadas, em regime permanente, as potências
no lado CA (p_rede) e no lado CC (p_carga).
(ve)
(iref)
(ie)
(vs)
(is)
Figura 4.14 – Tensão (ve) e corrente (ie) no lado CA, tensão (vs) e corrente (is) no lado CC, e corrente de
referência (iref) para o lado CA, no transitório de ligação do Siema de Carregamento.
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
89
Capítulo 4 – Simulações do Sistema de Carregamento de Baterias
p_rede
p_carga
Figura 4.15 – Potências no lado CA (p_rede) e no lado CC (p_carga), em regime permanente.
Na Figura 4.16 estão apresentados os valores RMS (Root Mean Square) para o
lado CA, da tensão (Ve_RMS), da corrente (Ie_RMS) e da corrente de referência
(Iref_RMS), com o Sistema de Carregamento em regime permanente.
Figura 4.16 – Valores RMS para o lado CA, da tensão (Ve_RMS), da corrente (Ie_RMS) e da corrente de
referência (Iref_RMS).
Na Figura 4.17 estão apresentados os gráficos dos harmónicos da tensão (ve) e da
corrente (ie) no lado CA, quando o Sistema de Carregamento não está a funcionar (dois
gráficos da esquerda) e quando está a funcionar (dois gráficos da direita). Como se pode
verificar, quando o Sistema de Carregamento não está a funcionar existem harmónicos
de terceira, quinta e sétima ordem na corrente (ie). Quando o Sistema de Carregamento
entra em funcionamento a corrente (ie) passa a ter apenas um harmónico de terceira
ordem, mas de valor reduzido muito mais reduzido.
90
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
Capítulo 4 – Simulações do Sistema de Carregamento de Baterias
(ve)
(ve)
(ie)
(ie)
Harmónico
Figura 4.17 – Gráficos dos harmónicos da tensão (ve) e da corrente (ie) no lado CA quando o Sistema de
Carregamento não está a funcionar (dois gráficos da esquerda) e quando está a funcionar (dois gráficos da
direita)
Na Figura 4.18 está apresentada a tensão (vs) e a corrente (is) no lado CC antes e
depois do Sistema de Carregamento entrar em funcionamento, ou seja, em regime
transitório. Como se pode verificar, quando o Sistema de Carregamento entra em
funcionamento a tensão aumenta até ao valor de referência e a corrente de carregamento
é determinada pelas características do banco de baterias. Na Figura 4.19 está
apresentada a tensão (ve) e a corrente (ie) no lado CA, e a tensão (vs) e a corrente (is) no
lado CC, antes e depois do Sistema de Carregamento entrar em funcionamento.
Transitório de ligação do
Sistema de Carregamento
(vs)
(is)
Figura 4.18 – Tensão (vs) e corrente (is) no lado CC no transitório de ligação do Sistema de
Carregamento.
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
91
Capítulo 4 – Simulações do Sistema de Carregamento de Baterias
Transitório de ligação do
Sistema de Carregamento
(ve)
(ie)
(vs)
(is)
Figura 4.19 – Tensão (ve) e corrente (ie) no lado CA, e tensão (vs) e corrente (is) no lado CC, no
transitório de ligação do Sistema de Carregamento.
4.5.2.
Simulação de Carregamento com Algoritmo de Corrente Constante
de um Banco de Baterias de Chumbo-Ácido de 48 V e 44 Ah
Este algoritmo de carregamento consiste em manter constante a corrente,
enquanto a tensão aumenta progressivamente até o término do carregamento.
Obviamente, o término do carregamento não é igual para todas as baterias, e neste caso
concreto, como na simulação está a ser utilizado um modelo de banco de baterias, o
término do carregamento foi definido ocorrer quando a tensão do banco de baterias
atingir 60 V. Para esta simulação supõem-se que o banco de baterias tem uma tensão
inicial de 50 V.
Na Figura 4.20 está apresentada, em regime permanente, a tensão (ve) e a corrente
(ie) no lado CA e a corrente de referência para o lado CA (iref). Como se pode constatar
a corrente no lado CA é sinusoidal e em fase com a tensão do lado CA. Como
pretendido a corrente (ie) segue a corrente de referência (iref).
92
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
Capítulo 4 – Simulações do Sistema de Carregamento de Baterias
(ve)
(ie)
(iref)
Figura 4.20 – Tensão (ve) e a corrente (ie) no lado CA e a corrente de referência para o lado CA (iref) em
regime permanente.
A tensão e a corrente no banco de baterias ao longo de toda a simulação, em
regime permanente, estão representadas na Figura 4.21. A corrente no banco de baterias
(is) permanece constante de valor 2 A ao longo de toda a simulação e a tensão (vs)
aumenta de 50 V para 60 V, dando por terminado o carregamento do banco de baterias.
(vs)
(is)
Figura 4.21 – Tensão (vs) e corrente (is) no lado CC em regime permanente.
Os resultados obtidos para este algoritmo de carregamento comprovam a escolha
dos parâmetros inseridos no modelo do banco de baterias e que estão apresentados na
Figura 4.22. A escolha dos parâmetros para o algoritmo de tensão constante não é
relevante porque, neste caso específico, o banco de baterias só é carregado com corrente
constante. A escolha para o tempo de decaimento da corrente é de 10 s correspondente
ao tempo total da simulação. O valor da corrente de carregamento é de 2 A, a tensão
inicial do banco de baterias é de 50 V e a tensão final de carregamento tem valor de
60 V. A escolha destes valores não foi baseada num banco de baterias de chumbo-ácido
específico, mas sim num banco de baterias genérico, isto é, que permita que a tensão
durante o carregamento atinja 60 V. Com este algoritmo de carregamento, a evolução da
tensão ao longo do tempo é determinada pelas características do banco de baterias, e no
caso desta simulação foi determinado que a tensão atinja a tensão final de carregamento
em 10 s.
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
93
Capítulo 4 – Simulações do Sistema de Carregamento de Baterias
Figura 4.22 – Parâmetros do modelo do banco de baterias para o carregamento com o algoritmo de
corrente constante.
Na Figura 4.23 estão representados os parâmetros correspondentes ao
microprocessador para este algoritmo de carregamento. Como se pode verificar é
especificado o valor da corrente de referência para o lado CC, o ganho proporcional e o
tempo de integração para o controlador PI.
Figura 4.23 – Parâmetros correspondentes ao microprocessador para o método de carregamento com
corrente constante.
Na Figura 4.24 está apresentada, em regime permanente, a tensão (ve) e a corrente
(ie) no lado CA, a tensão (vs) e a corrente (is) no lado CC, e a corrente de referência
(iref) para o lado CA. Na Figura 4.25 estão representadas, em regime permanente, as
potências no lado CA (p_rede) e no lado CC (p_carga).
94
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
Capítulo 4 – Simulações do Sistema de Carregamento de Baterias
(ve)
(iref)
(ie)
(vs)
(is)
Figura 4.24 – Tensão (ve) e corrente (ie) no lado CA, e tensão (vs) e corrente (is) no lado CC, assim como
corrente de referência (iref) para o lado CA.
p_rede
p_carga
Figura 4.25 – Potências no lado CA (p_rede) e no lado CC (p_carga) em regime permanente.
Na Figura 4.26 estão apresentados os valores RMS, para o lado CA, da tensão
(Ve_RMS), da corrente (Ie_RMS) e da corrente de referência (Iref_RMS), com o Sistema
de Carregamento em funcionamento.
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
95
Capítulo 4 – Simulações do Sistema de Carregamento de Baterias
Figura 4.26 – Valores de RMS, para o lado CA, da tensão (Ve_RMS), da corrente (Ie_RMS) e da corrente
de referência (Iref_RMS).
Na Figura 4.27 estão apresentados os gráficos dos harmónicos da tensão (ve) e da
corrente (ie) no lado CA, quando o Sistema de Carregamento não está a funcionar (dois
gráficos da esquerda) e quando está a funcionar (dois gráficos da direita). Como se pode
verificar, quando o Sistema de Carregamento não está a funcionar existem harmónicos
de terceira, quinta e sétima ordem na corrente (ie). Quando o Sistema de Carregamento
entra em funcionamento a corrente (ie) passa a ter apenas um harmónico de terceira
ordem, mas de valor reduzido muito mais reduzido.
(ve)
(ie)
(ve)
(ie)
Figura 4.27 – Gráficos dos harmónicos da tensão e da corrente no lado CA com o Sistema de
Carregamento sem comutar (dois gráficos da esquerda) e a comutar (dois gráficos da direita).
Na Figura 4.28 está apresentada a tensão (vs) e a corrente (is) no lado CC antes e
depois do Sistema de Carregamento entrar em funcionamento, ou seja, em regime
transitório. Como se pode verificar, quando o Sistema de Carregamento entra em
funcionamento, a corrente aumenta até ao valor de referência e a tensão, que era
determinada pela tensão no lado CC só com o conversor a diodos com o filtro
capacitivo, passa a ser a tensão inicial no banco de baterias, ou seja, 50 V. Na Figura
4.29 está apresentada a tensão (ve) e a corrente (ie) no lado CA, e a tensão (vs) e a
corrente (is) no lado CC, antes e depois do Sistema de Carregamento entrar em
funcionamento.
96
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
Capítulo 4 – Simulações do Sistema de Carregamento de Baterias
Transitório de ligação do
Sistema de Carregamento
(vs)
(is)
Figura 4.28 – Tensão (vs) e corrente (is) no lado CC no transitório de ligação do Sistema de
Carregamento.
Transitório de ligação do
Sistema de Carregamento
(ve)
(ie)
(vs)
(is)
Figura 4.29 – Tensão (ve) e corrente (ie) no lado CA, e tensão (vs) e corrente (is) no lado CC, no
transitório de ligação do Sistema de Carregamento.
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
97
Capítulo 4 – Simulações do Sistema de Carregamento de Baterias
4.5.3.
Simulação de Carregamento com Algoritmo de Corrente Constante
Seguido de Tensão Constante de um Banco de Baterias de ChumboÁcido de 48 V e 44 Ah
Neste item são analisadas as simulações computacionais relativas ao Sistema de
Carregamento com o algoritmo de carregamento de corrente constante com valor igual a
2 A, seguido de tensão constante com valor igual a 57 V. Neste algoritmo de
carregamento, no primeiro estágio a corrente permanece constante enquanto a tensão
aumenta progressivamente até atingir, neste caso especifico, 57 V. Posteriormente, é
imposta tensão constante de valor igual a 57 V até a corrente decair até 0,7 A. Mais uma
vez, como na simulação está a ser utilizado um modelo de banco de baterias, o término
do carregamento foi definido ocorrer no segundo estágio e quando a corrente do banco
de baterias atingir 0,7 A. Para esta simulação supõem-se que o banco de baterias
apresenta uma tensão inicial de 50 V.
Na Figura 4.30 e na Figura 4.31 está apresentada, em regime permanente, a tensão
(ve) e a corrente (ie) no lado CA, e a corrente de referência (iref) para o lado CA,
quando é imposta, respectivamente, corrente constante seguida de tensão constante.
Como se pode constatar, para ambos os estágios, a corrente no lado CA é sinusoidal e
em fase com a tensão do lado CA. Como pretendido a corrente (ie) segue a corrente de
referência (iref).
(ve)
(ie)
(iref)
Figura 4.30 – Tensão (ve) e a corrente (ie) no lado CA e a corrente de referência para o lado CA (iref) em
regime permanente com corrente constante no banco de baterias.
(ve)
(ie)
(iref)
Figura 4.31 – Tensão (ve) e a corrente (ie) no lado CA e a corrente de referência (iref) para o lado CA em
regime permanente com tensão constante no banco de baterias.
98
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
Capítulo 4 – Simulações do Sistema de Carregamento de Baterias
A tensão e a corrente no banco de baterias ao longo de toda a simulação, em
regime permanente, estão representadas na Figura 4.32. No primeiro estágio, a corrente
no banco de baterias (is) permanece constante de valor 2 A até que a tensão do banco de
baterias (vs) atinja 57 V. Posteriormente, no segundo estágio, a tensão permanece
constante de valor igual a 57 V e a corrente decai até 0,7 A, dando por terminado o
carregamento do banco de baterias.
Transitório entre estágios de
carregamento
(vs)
(is)
Figura 4.32 – Tensão (vs) e corrente (is) no lado CC no transitório entre estágios de carregamento.
Os resultados obtidos para este algoritmo de carregamento comprovam a escolha
dos parâmetros inserido no modelo do banco de baterias e que estão apresentados na
Figura 4.33. Neste caso específico, o tempo de simulação é de 20 s, e no modelo de
bateria definiu-se que cada estágio de carregamento demoraria 10 s.
Figura 4.33 – Parâmetros do modelo do banco de baterias para o carregamento com o algoritmo de
corrente constante seguido de tensão constante.
Na Figura 4.34 está apresentada a tensão (ve) e a corrente (ie) no lado CA, e a
tensão (vs) e a corrente (is) no lado CC, no transitório de comutação entre estágios.
Como se pode verificar, no momento de transição, a tensão do lado CC (vs) decai um
pouco, recuperando de seguida o valor de referência que é de 57 V. A partir da
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
99
Capítulo 4 – Simulações do Sistema de Carregamento de Baterias
transição, como é o estágio de tensão constante que está em funcionamento, a corrente
(is) no lado CC começa a decair. Relativamente ao lado CA, a tensão (ve) não sofre
alterações, no entanto, a corrente (ie) sofre uma ligeira distorção relativa à troca de
referência, porém, como é de esperar, rapidamente recupera e mantém-se sinusoidal e
em fase com a tensão do lado CA.
(ve)
Transitório de ligação do
Sistema de Carregamento
(ie)
(vs)
(is)
Figura 4.34 – Tensão (ve) e corrente (ie) no lado CA, e tensão (vs) e corrente (is) no lado CC, no
transitório entre estágios de carregamento.
Na Figura 4.35 estão representados os parâmetros correspondentes ao
microprocessador para este algoritmo de carregamento. Como se pode verificar, é
especificado o valor da tensão e da corrente de referência para o lado CC, o ganho
proporcional e o tempo de integração para o controlador PI, tanto para o estágio de
corrente constante como para o estágio de tensão constante.
Figura 4.35 – Parâmetros correspondentes ao microprocessador para este algoritmo de carregamento.
100
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
Capítulo 4 – Simulações do Sistema de Carregamento de Baterias
Na Figura 4.36 e na Figura 4.37 está apresentada, em regime permanente, a tensão
(ve) e a corrente (ie) no lado CA, a tensão (vs) e a corrente (is) no lado CC, e a corrente
de referência (iref) para o lado CA, para o estágio de corrente constante e para o estágio
de tensão constante, respectivamente.
(ve)
(ie)
(iref)
(vs)
(is)
Figura 4.36 – Tensão (ve) e corrente (ie) no lado CA, e tensão (vs) e corrente (is) no lado CC, assim como
corrente de referência (iref) para o lado CA, no estágio de corrente constante.
(ve)
(ie)
(iref)
(vs)
(is)
Figura 4.37 – Tensão (ve) e corrente (ie) no lado CA, e tensão (vs) e corrente (is) no lado CC, assim como
corrente de referência (iref) para o lado CA, no estágio de corrente constante.
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
101
Capítulo 4 – Simulações do Sistema de Carregamento de Baterias
Na Figura 4.38 estão representadas, respectivamente, as potências no lado CA
(p_rede) e no lado CC (p_carga), em regime permanente, para o estágio de corrente
constante e para o estágio de tensão constante.
p_rede
p_carga
p_rede
p_carga
Figura 4.38 – Potências no lado CA (p_rede) e no lado CC (p_carga), em regime permanente.
Na Figura 4.39 estão apresentados os valores RMS para o lado CA, da tensão
(Ve_RMS), da corrente (Ie_RMS) e da corrente de referência (Iref_RMS), com o Sistema
de Carregamento a funcionar no estágio de corrente constante e no estágio de tensão
constante, respectivamente.
Figura 4.39 – Valores RMS para o lado CA, da tensão (Ve_RMS), da corrente (Ie_RMS) e da corrente de
referência (Iref_RMS), com o Sistema de Carregamento a funcionar, no estágio de corrente constante e no
estágio de tensão constante, respectivamente.
Na Figura 4.40 estão apresentados os gráficos dos harmónicos da tensão (ve) e da
corrente (ie) no lado CA, quando o Sistema de Carregamento não está a funcionar (dois
gráficos da esquerda) e quando está a funcionar (dois gráficos da direita), durante o
estágio de corrente constante. Como se pode verificar, quando o Sistema de
Carregamento não está a funcionar existem harmónicos de terceira, quinta e sétima
ordem na corrente (ie). Quando o Sistema de Carregamento entra em funcionamento a
corrente (ie) passa a ter apenas um harmónico de terceira ordem, mas de valor reduzido
muito mais reduzido.
102
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
Capítulo 4 – Simulações do Sistema de Carregamento de Baterias
(ve)
(ie)
(ve)
(ie)
Figura 4.40 – Gráficos dos harmónicos da tensão e da corrente no lado CA quando o Sistema de
Carregamento não está a funcionar (dois gráficos da esquerda) e quando está a funcionar (dois gráficos da
direita), durante o estágio de corrente constante.
Na Figura 4.41 está apresentada a tensão (vs) e a corrente (is) no lado CC antes e
depois do Sistema de Carregamento entrar em funcionamento, ou seja, em regime
transitório. Como se pode verificar, quando o Sistema de Carregamento entra em
funcionamento, a corrente aumenta até ao valor de referência e a tensão passa a ser a
tensão inicial do banco de baterias.
(vs)
Transitório de ligação do
Sistema de Carregamento
(is)
Figura 4.41 – Tensão (vs) e corrente (is) no lado CC no transitório de ligação do Sistema de
Carregamento.
Na Figura 4.42 está representada a tensão (ve) e a corrente (ie) no lado CA, e a
tensão (vs) e a corrente (is) no lado CC, no transitório de ligação do Sistema de
Carregamento. Como se pode verificar, depois do transitório, é imposto o estágio de
corrente constante, em que a corrente (is) no lado CC aumenta até ao valor de referência
e a corrente (ie) no lado CA passa a ser sinusoidal e o factor de potência unitário. Na
simulação, quando o Sistema de Carregamento entra em funcionamento, a corrente no
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
103
Capítulo 4 – Simulações do Sistema de Carregamento de Baterias
lado CA (ie) sofre uma variação brusca devido ao carregamento parcial do condensador
do lado CC. Nesse transitório, a tensão no condensador passa de 35 V para 50 V. Na
realidade este caso pode não acontecer se o condensador for previamente carregado pelo
banco de baterias.
(ve)
Transitório de ligação do
Sistema de Carregamento
(ie)
(vs)
(is)
Figura 4.42 – Tensão (ve) e corrente (ie) no lado CA, e tensão (vs) e corrente (is) no lado CC, no
transitório de ligação do Sistema de Carregamento, e antes do estágio de corrente constante.
4.5.4.
Simulação de Descarregamento para a Rede Eléctrica com
Algoritmo de Corrente Sinusoidal no lado CA de um Banco de
Baterias de Chumbo-Ácido de 48 V e 44 Ah
Com esta simulação pretende-se efectuar o descarregamento do banco de baterias
directamente para a rede eléctrica através do algoritmo de corrente sinusoidal no lado
CA. A corrente de descarregamento é imposta pelo algoritmo, e neste caso concreto,
tem valor 8 A. O término do descarregamento pode acontecer devido às baterias estarem
descarregadas ou por não ser necessário devolver mais energia à rede eléctrica. Para esta
simulação a tensão do banco de baterias foi sempre de 52 V e o descarregamento foi
efectuado ao longo de todo o tempo da simulação.
Na Figura 4.43 está apresentada a tensão (ve) e a corrente (ie) no lado CA e a
corrente de referência para o lado CA (iref), em regime permanente. Como se pode
constatar a corrente no lado CA é sinusoidal e em oposição de fase com a tensão do lado
CA, ou seja, as baterias estão a devolver a energia armazenada à rede eléctrica.
104
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
Capítulo 4 – Simulações do Sistema de Carregamento de Baterias
(ve)
(ie)
(iref)
Figura 4.43 – Tensão (ve) e a corrente (ie) no lado CA, e a corrente de referência (iref) para o lado CA,
em regime permanente.
A tensão (vs) e a corrente (is) no banco de baterias, em regime permanente, estão
apresentadas na Figura 4.44. A tensão no banco de baterias permanece constante de
valor 52 V e a corrente apresenta uma forma de onda semelhante ao módulo de um sinal
sinusoidal. Na Figura 4.45 estão representadas, respectivamente, as potências no lado
CA (p_rede) e no lado CC (p_carga) em regime permanente.
(vs)
(is)
Figura 4.44 – Tensão (vs) e corrente (is) no lado CC em regime permanente.
p_rede
p_carga
Figura 4.45 – Potências no lado CA (p_rede) e no lado CC (p_carga), em regime permanente.
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
105
Capítulo 4 – Simulações do Sistema de Carregamento de Baterias
Na Figura 4.46 estão apresentados os valores RMS para o lado CA, da tensão
(Ve_RMS), da corrente (Ie_RMS) e da corrente de referência (Iref_RMS), com o Sistema
de Carregamento a funcionar. Na Figura 4.47 estão apresentados os gráficos dos
harmónicos da tensão (ve) e da corrente (ie), no lado CA.
Figura 4.46 – Valores RMS para o lado CA, da tensão (Ve_RMS), da corrente (Ie_RMS) e da corrente de
referência (Iref_RMS).
(ve)
(ie)
Figura 4.47 – Gráficos dos harmónicos da tensão (ve) e da corrente (ie) no lado CA.
4.6. Conclusão
Na parte inicial deste capítulo foi apresentado todo o modelo de simulação do
Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias implementado no PSCAD. Este
modelo foi utilizado para determinar, através de simulações, os parâmetros envolvidos
na implementação do equipamento desenvolvido.
No que concerne às simulações, foram expostos e descritos os resultados das
simulações referentes a três algoritmos de carregamento, e tendo em conta um caso
concreto de um banco de baterias de chumbo-ácido de 48 V e 44 Ah. Com estes
algoritmos de carregamento, que consistem em diferentes estágios de tensão ou corrente
constante ao longo do carregamento, pretendeu-se analisar a evolução das variáveis
envolvidas, nomeadamente tensões e correntes no lado CA e no lado CC. Deste modo,
106
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
Capítulo 4 – Simulações do Sistema de Carregamento de Baterias
foi possível prever o comportamento real do Sistema Inteligente de Carregamento de
Baterias. Por outro lado, também foi analisado o comportamento do mesmo
equipamento quando está a funcionar como conversor CC-CA, isto é, quando a energia
armazenada nas baterias é devolvida à rede eléctrica.
Tanto para o carregamento como para o descarregamento do banco de baterias, o
modelo de simulação foi elaborado de forma a corresponder à realidade do Sistema
Inteligente de Carregamento de Baterias. Neste sentido, foram desenvolvidos modelos
de todos os circuitos, inclusive do microcontrolador programado em linguagem C, com
o intuito de poder actuar nas variáveis de controlo no modelo de simulação, e estas
corresponderem às variáveis reais do Sistema de Carregamento, podendo, deste modo,
prever o comportamento deste.
Com os resultados das simulações obtidos, comprova-se que é possível aplicar
tensão ou corrente constante ao banco de baterias, de valor igual à referência desejada, e
ao mesmo tempo manter a corrente no lado CA sinusoidal e o factor de potência
unitário. Também se pôde comprovar que através de um algoritmo de controlo de
descarregamento do banco de baterias é possível transferir a energia armazenada neste
para rede eléctrica.
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
107
CAPÍTULO 5
Implementação do Sistema de Carregamento de Baterias
5.1. Introdução
Neste capítulo estão descritos os passos que conduziram à implementação do
Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias, nomeadamente, o circuito de potência
e o circuito de comando. Basicamente, o circuito de potência consiste no conversor com
quatro IGBT's, no condensador no lado CC e na indutância no lado CA. Por outro lado,
o circuito de comando consiste, basicamente nos sensores de tensão e de corrente de
efeito Hall1, no condicionamento de sinal, nos drivers dos IGBT's, no microcontrolador
e nas protecções. Tanto para o circuito de potência como para o circuito de comando,
todos os circuitos que os compõem foram previamente montados e testados em
breadboard com o Sistema de Carregamento em funcionamento. Posteriormente, foram
projectados os esquemáticos de todos os circuitos que conduziram ao desenvolvimento
das placas de circuito impresso. A placa do circuito de comando dos sinais para os
IGBT's já estava construída, mas sem componentes soldados, tendo sido desenvolvido o
esquemático e soldados os componentes necessários, de acordo com o esquemático
elaborado.
5.2. Circuito de Potência
Neste item é apresentado e descrito o circuito de potência, nomeadamente, o
conversor com quatro IGBT's, o condensador e a indutância. Na Figura 5.1 está
apresentado o circuito de potência com todos os elementos que o constituem.
Circuito de pré-carga do
condensador do lado CC
Conversor Bidireccional
Condensador do lado CC
Indutância do lado CA
Figura 5.1 – Circuito de potência com todos os seus elementos.
1
O efeito Hall, descoberto no século XIX, baseia-se no princípio de interacção entre campos magnéticos
e eléctricos. Basicamente, caracteriza-se pelo aparecimento de uma tensão num condutor submetido a um
campo magnético perpendicular à direcção da corrente que nele flui.
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
109
Capítulo 5 – Implementação do Sistema de Carregamento de Baterias
5.2.1.
Conversor Bidireccional
Na Figura 5.2 está apresentado o conversor bidireccional desenvolvido e que é
composto por quatro IGBT's FGA25N120ANTD, da Fairchild Semiconductor,
associados com dois condensadores de snubber2 de 1 µF, 400 V cada um. Os IGBT's
estão montados num dissipador e presos por duas barras metálicas de modo a obter uma
melhor dissipação térmica. Na Figura 5.2 podem-se visualizar os terminais de entrada e
de saída do conversor, e as fichas de entrada dos sinais para os IGBT's.
Fichas de Entrada
Terminais de
Entrada
Condensador
de snubber
IGBT's
Condensador
de snubber
Terminais de
Saída
Figura 5.2 – Conversor bidireccional.
Estes IGBT's têm valores nominais de corrente e de tensão 25 A e 1200 V,
respectivamente [75]. Conforme ilustrado na Figura 5.3 cada IGBT tem associado
internamente um diodo entre o terminal colector e o emissor. Para o funcionamento do
conversor, tanto no modo CA-CC como no CC-CA, é necessário fornecer sinais de
comando aos IGBT's de modo a que estes possam funcionar como interruptores
controlados. Para tal, é necessário recorrer a um circuito de driver para efectuar a
interface entre o microcontrolador e os IGBT's. Os sinais gerados pelo microcontrolador
passam pelo circuito de driver e posteriormente actuam nas gates dos IGBT's.
Figura 5.3 – IGBT FGA25N120ANTD da Fairchild Semiconductor [75].
2
Os snubber’s são circuitos auxiliares de comutação que têm como finalidade proteger os
semicondutores, neste caso IGBT's, de elevadas taxas de variação da tensão (dv/dt) e da corrente (di/dt)
durante as suas comutações. Normalmente, são constituídos por um diodo rápido, um condensador e uma
resistência.
110
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
Capítulo 5 – Implementação do Sistema de Carregamento de Baterias
5.2.2.
Indutância do Lado CA
Para que o conversor possa funcionar de forma bidireccional, e conforme
pretendido, é necessário utilizar uma indutância no lado CA. Esta indutância, aquando
do funcionamento do conversor como CA-CC, permite filtrar as componentes de alta
frequência existentes na corrente de entrada, de modo a que essa corrente seja o mais
sinusoidal possível. Quando o conversor está a funcionar como CC-CA, esta indutância
tem a função de fazer o acoplamento entre o conversor e a carga do lado CA, ou seja,
filtrar as componentes de alta frequência existentes na corrente.
A indutância utilizada é de núcleo de ferro, e tem valores nominais 10 A e 5 mH,
a 50 Hz. Na Figura 5.4 está apresentada a indutância utilizada.
Figura 5.4 – Indutância utilizada no lado CA.
5.2.3.
Condensador do Lado CC
No lado CC do conversor é utilizado um condensador electrolítico, de modo a
suportar a tensão de referência requerida para carregar as baterias, e a manter baixo o
ripple da tensão do lado CC. O condensador utilizado é do fabricante Aerovox e tem
tensão nominal 450 V CC e capacidade nominal 4700 μF ± 20 %. Na Figura 5.5 está
apresentado o condensador utilizado.
Figura 5.5 – Condensador utilizado no lado CC.
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
111
Capítulo 5 – Implementação do Sistema de Carregamento de Baterias
5.2.4.
Circuito de Pré-Carga do Condensador do Lado CC
Na Figura 5.6 está apresentado o circuito de pré-carga do condensador do lado
CC. Este circuito é composto por duas resistências de 100 Ω, 50 W ligadas em paralelo,
pelo contactor e pelo seu circuito de comando3. As resistências estão protegidas por uma
caixa de alumínio.
Contactor
Circuito de comando
do contactor
Resistências de pré-carga protegidas por
caixa de alumínio
Figura 5.6 – Circuito de pré-carga do condensador do lado CC.
5.2.5.
Banco de Baterias
O banco de baterias, apresentado na Figura 5.7, é composto por quatro baterias de
chumbo-ácido de 12 V e 44 Ah cada uma. As baterias estão associadas em série para
que o banco de baterias tenha uma tensão nominal de 48 V e capacidade nominal de
armazenamento 44 Ah. Foram utilizadas estas baterias porque já existiam no
Laboratório de Electrónica de Potência da Universidade do Minho.
Figura 5.7 – Banco de baterias de chumbo-ácido com tensão nominal 48 V e capacidade nominal de
armazenamento 44 Ah.
3
O sinal de comando, proveniente do microcontrolador, actua num transístor e este num relé, que por sua
vez actua no contactor.
112
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
Capítulo 5 – Implementação do Sistema de Carregamento de Baterias
5.3. Circuito de Comando
O circuito de comando, composto por diferentes circuitos individuais, é o
responsável pela aquisição das tensões e correntes, e pelo controlo dos IGBT's, de modo
a que o Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias funcione como pretendido.
Assim, o circuito de comando é composto pelos sensores de tensão e de corrente com o
respectivo condicionamento de sinal, pelo microcontrolador, pelo circuito de drivers
dos IGBT's, pelo circuito de comando dos sinais para os IGBT's, pelo circuito de
detecção de erros, pelo circuito de DAC e pelo LCD. Na Figura 5.8 está apresentado o
circuito de comando com todas as placas de circuito impresso correspondentes aos
circuitos enunciados.
Sensores de tensão
e condicionamento
de sinais
Microcontrolador
DAC
Circuito de
Drivers
Circuito de
detecção de erros
Circuito de comando
para os IGBT's
Figura 5.8 – Circuito de comando potência com todos os seus elementos.
5.3.1.
Sensores de Tensão de Efeito Hall
Para o correcto funcionamento do sistema de controlo é necessário saber os
valores instantâneos das tensões de entrada e de saída do conversor, porque, com base
nestas e outras informações, é que o algoritmo de controlo é constantemente actualizado
de forma a processar os sinais de comando para os IGBT's. A medição destas tensões é
feita recorrendo a sensores de efeito Hall. Uma das mais-valias destes sensores é o facto
de permitirem medir sinais CA e CC.
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
113
Capítulo 5 – Implementação do Sistema de Carregamento de Baterias
O sensor de tensão de efeito Hall utilizado foi o LV 25-P da LEM, cuja
representação está na Figura 5.9. Na Figura 5.10. está representado o esquemático das
ligações externas deste sensor. A tensão e a corrente nominais são, respectivamente,
500 V e 10 mA. A alimentação pode ser: -15 V, GND e +15 V ou -12 V, GND e +12 V.
A resistência R1 tem que ser dimensionada de modo a que a corrente que nela flui não
exceda o valor nominal dessa corrente, que é 10 mA. A resistência RM deve ser
calculada de modo a que a tensão nessa resistência esteja dentro dos valores
especificados no datasheet [76].
Figura 5.9 – Sensor de tensão de efeito Hall LV 25-P da LEM [76].
Figura 5.10 – Esquemático de ligações do sensor LV 25-P da LEM [77].
Para o sensor de tensão do lado CA, as resistências R1 e RM são calculadas
através das equações fornecidas pelo fabricante no datasheet. De seguida são
apresentadas essas equações, com os respectivos valores obtidos, e que foram utilizados
na implementação do circuito de condicionamento deste sinal. Os cálculos foram
efectuados de modo a que o sensor possa efectuar medições de tensão até 250 V.
I RMS entrada
I RMS saída
Vmedida
I RMS entrada
I RMS saída
114
VRMS entrada
(5.1)
Rentrada
2,5 . I RMS entrada
(5.2)
I RMS saída . Rmedida
(5.3)
VRMS entrada
Rentrada
2,5 . I RMS entrada
250
25 k
10 mA
2,5 .10 m 25 mA
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
Capítulo 5 – Implementação do Sistema de Carregamento de Baterias
VRMS medida
I RMS saída . Rmedida
VRMS R
43
. 2, 625 1,1 V
43 62
Vpico
43
25 . (43 62)
2, 6 V
2 . 2 .1,075 3,0 V
pico R 43
Do mesmo modo, para o sensor de tensão do lado CC, as resistências R1 e RM são
calculadas através das equações fornecidas pelo fabricante no datasheet. De seguida são
apresentadas essas equações, com os respectivos valores obtidos, e que foram utilizados
na implementação do circuito de condicionamento deste sinal. Os cálculos foram
efectuados de modo a que o sensor possa efectuar medições de tensão até 400 V.
I entrada
I saída
Vmedida
Ventrada
Rentrada
(5.4)
2,5 . Ientrada
(5.5)
I saída . Rmedida
I entrada
Ventrada
Rentrada
I saída
2,5 . I entrada
Vmedida
400
50 k
I saída . Rmedida
5.3.2.
(5.6)
8 mA
2,5 . 8 m 20 mA
20m .150 3 V
Sensores de Corrente de Efeito de Hall
Para o correcto funcionamento do sistema de controlo, também é necessário saber
os valores instantâneos das correntes de entrada e de saída do conversor, porque, com
base nestas e outras informações, é que o algoritmo de controlo é constantemente
actualizado de forma a processar os sinais de comando para os IGBT's. Tal como para a
medição das tensões, os sensores utilizados foram de efeito Hall, e tal como esses,
também permitem efectuar medições CA e CC.
O sensor de corrente de efeito Hall utilizado foi o LA 55-P da LEM, cuja
representação está na Figura 5.11. Na Figura 5.12 está representado o esquemático das
ligações externas deste sensor. A corrente nominal é 50 A e a alimentação, tal como
para os sensores de tensão, pode ser: -15 V, GND e +15 V ou -12 V, GND e +12 V. A
resistência RM deve ser calculada de modo a que a tensão nessa resistência esteja dentro
dos valores especificados no datasheet. Contrariamente aos sensores de tensão, neste
sensor não existe resistência R1, porque o condutor, no qual se pretende efectuar a
medição da corrente, está envolvido pelo sensor [78].
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
115
Capítulo 5 – Implementação do Sistema de Carregamento de Baterias
Figura 5.11 – Sensor de corrente LA 55-P da LEM [78].
Figura 5.12 – Esquemático de ligações do sensor LA 55-P da LEM [79].
Para o sensor de corrente do lado CA, a resistência RM é calculada através das
equações fornecidas pelo fabricante no datasheet. De seguida são apresentadas essas
equações, com os respectivos valores obtidos, e que foram utilizados na implementação
do circuito de condicionamento deste sinal. Os cálculos foram efectuados de modo a
que o sensor possa fazer medições de corrente até 50 A.
I RMS entrada
I RMS saída
VRMS medida
I RMS saída
I RMS saída . Rmedida
50
1000
I RMS medida . Rmedida
VRMS R
6, 2 .
24
pico R 24
(5.8)
50 mA
VRMS medida
Vpico
(5.7)
1000
50m . (24 100) 6, 2 V
24
1, 2 V
100 24
2 . 2 .1, 2 3, 4 V
Do mesmo modo, para o sensor de corrente do lado CC, a resistência RM é
calculada através das equações fornecidas pelo fabricante no datasheet. De seguida são
apresentadas essas equações, com os respectivos valores obtidos, e que foram utilizados
na implementação do circuito de condicionamento deste sinal. Os cálculos foram
efectuados de modo a que o sensor possa fazer medições de corrente até 50 A.
I saída
116
I entrada
1000
(5.9)
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
Capítulo 5 – Implementação do Sistema de Carregamento de Baterias
Vmedida
I saída * Rmedida
50
1000
I saída
Vmedida
50 mA
I medida * Rmedida
5.3.3.
(5.10)
50m *62 3,1V
Condicionamento de Sinais
O circuito de condicionamento de sinais é o responsável por ajustar os valores
instantâneos das tensões e das correntes medidas, de modo a que possam ser adquiridos
pelos ADC's do microcontrolador. É neste circuito que estão inseridas as resistências
associadas aos sensores calculadas anteriormente. No caso de sinais sinusoidais com
valor médio nulo, é necessário adicionar um valor médio igual a metade do limite
máximo de tensão das entradas dos ADC's do microcontrolador. Como os limites de
tensão das entradas dos ADC's são 0 V e 3,3 V, o valor médio a adicionar tem que ser
de 1,65 V. O esquemático do circuito que permite adicionar este valor médio, e que
também permite ajustar o ganho do sinal obtido, está representado na Figura 5.13. Este
esquemático diz respeito apenas ao circuito de condicionamento de um sinal e não ao
esquemático do circuito completo.
Figura 5.13 – Esquemático do circuito que permite adicionar valor médio e ajustar o ganho aos sinais com
valor médio nulo.
Como a alimentação dos sensores pode ser -15 V, GND e +15 V ou -12 V, GND e
+12 V, a placa de circuito impresso desenvolvida permite optar pelo tipo de alimentação
desejada, bastando efectuar a selecção através dos pinos existentes na placa deste
circuito. A placa desenvolvida permite fazer o condicionamento de sinal, de uma tensão
e uma corrente CA, e de uma tensão e uma corrente CC. À saída do condicionamento,
existe para cada sinal, um circuito de protecção composto por uma resistência
(R = 120 Ω) e um diodo zenner (V = 3,3 V), e um filtro passa-baixo RC (R = 750 Ω,
C = 4,7 nF). O esquemático deste circuito, para o caso específico da corrente no lado
CC, está apresentado na Figura 5.14. A placa desenvolvida está apresentada na Figura
5.15.
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
117
Capítulo 5 – Implementação do Sistema de Carregamento de Baterias
Figura 5.14 – Esquemático do circuito de protecção e filtro RC.
Circuito
somador de
offset e de
ganho
Sensores de tensão
Resistências dos
sensores de tensão
Entradas
dos
sensores
de
tensão
Saídas
com
circuito de
protecção
e filtro RC
Entradas dos
sensores de
corrente
Entradas de alimentação
Figura 5.15 – Placa de condicionamento de sinais desenvolvida.
5.3.4.
Microcontrolador PIC
Para a implementação do sistema de controlo foi utilizado o microcontrolador PIC
PIC32MX360F512L de 32 bits da Microchip, inserido no PIC32MX Starter Kit. Este
microcontrolador permite funcionar com frequência máxima de 80 MHz, possui 16
entradas de ADC de 10 bits de 500 ksps, possui 5 timers de 16 bits (podem-se associar
os timers 2 e 3 e/ou os timers 4 e 5 para formar timers de 32 bits) [80].
A arquitectura interna deste microcontrolador, mais concretamente os módulos
individuais e os barramentos de ligação, está apresentada na Figura 5.16. Para aceder
aos diversos pinos do microcontrolador PIC foi construída a placa de circuito impresso
representada na Figura 5.17. Com esta placa é possível aceder a 122 pinos, distribuídos
por postas de I/O, entradas ADC, saídas PWM e alimentação
118
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
Capítulo 5 – Implementação do Sistema de Carregamento de Baterias
Figura 5.16 – Constituição interna do microcontrolador PIC32MX360F512L [80].
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
119
Capítulo 5 – Implementação do Sistema de Carregamento de Baterias
PIC32MX360F512L
PIC32MX Starter Kit
Figura 5.17 – Placa de desenvolvimento para o microcontrolador PIC32MX360F512L inserido no
PIC32MX Starter Kit.
O programa de controlo inserido no microcontrolador foi construído utilizando o
programa MPLAB da Microchip. Este programa, específico para programar
microcontroladores PIC, permite criar novos projectos, escrever programas em
linguagem de programação C, compilar o programa e em seguida executá-lo, sendo
possível observar a evolução de variáveis através de janelas próprias. Na Figura 5.18
está representado o ambiente de trabalho do MPLAB.
Figura 5.18 – Ambiente de trabalho do MPLAB.
120
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
Capítulo 5 – Implementação do Sistema de Carregamento de Baterias
5.3.5.
Circuito de Comando dos Sinais para os IGBT's
O circuito de comando tem como função permitir que os sinais de comando
gerados pelo microcontrolador PIC possam ser aplicados aos IGBT's. Para tal, esses
sinais com níveis de tensão de 0 V e +3,3 V entram neste circuito e são adaptados aos
níveis de tensão de 0 V e +15 V. Este circuito também tem como função receber quatro
sinais de erro, provenientes do circuito de detecção de erros, e parar as comutações dos
IGBT's caso se justifique. Este circuito tem um botão de pressão que permite fazer reset
aos erros e um interruptor de posição que permite efectuar o enable das comutações. Na
Figura 5.19 está apresentado o esquemático deste circuito, e na Figura 5.20 está
representada a placa de circuito impresso desenvolvida.
Figura 5.19 – Esquemático do circuito de comando dos sinais para os IGBT's.
Saídas
para os
IGBT's
Entradas
Entradas
de erros
Entradas de enable e
de reset
Figura 5.20 – Placa de circuito de comando dos sinais para os IGBT's desenvolvida.
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
121
Capítulo 5 – Implementação do Sistema de Carregamento de Baterias
5.3.6.
Circuito de Drivers
O objectivo primordial do circuito de drivers é permitir fazer a interface entre o
circuito de comando e o circuito de potência, sendo para esse efeito, composto por
quatro optoacopladores HCPL-3120 da Agilent Technologies e por quatro fontes de
alimentação CC-CC NME1215S da International Power Sources, podendo-se também
adaptar a fontes CC-CC NMV1212SA da Technologies. Este circuito recebe os sinais de
comando para os IGBT's, provenientes da placa de comando, e adapta esses sinais de
modo a puderem ser aplicados nas gates dos IGBT's. Na Figura 5.21 está apresentado o
esquemático do circuito de drivers para o comando de um IGBT, e na Figura 5.22 está
apresentada a placa de circuito impresso desenvolvida.
Figura 5.21 – Esquemático do circuito de drivers para um IGBT.
Alimentação
Entrada de sinais
Fontes CC-CC
Saídas para os
IGBT's
Optoacopladores
Figura 5.22 – Placa de circuito de drivers desenvolvida.
122
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
Capítulo 5 – Implementação do Sistema de Carregamento de Baterias
5.3.7.
Circuito de Detecção de Erros
O circuito de detecção de erros permite detectar erros que ocorram devido a
excessos de correntes no lado CA, excessos de tensão no lado CC e erros de disparo nos
IGBT's, ou seja, caso não se verifique o dead-time4 nos braços do conversor. Os erros
são detectados por comparação com uma referência específica para cada caso. Os
esquemáticos individuais destes circuitos de detecção de erros, estão apresentados,
respectivamente, na Figura 5.23 e na Figura 5.24. A placa de circuito impresso
desenvolvida está representada na Figura 5.25.
Figura 5.23 – Esquemático do circuito de detecção de excessos de corrente.
Figura 5.24 – Esquemático do circuito de detecção de excessos de tensão no lado CC e detecção de falha
de dead-time.
4
O dead-time corresponde ao tempo de espera para que se possa enviar o sinal de fecho a um IGBT de
um braço, após o outro IGBT do mesmo braço ter recebido o sinal de abertura. Este tempo de espera, em
que ambos os IGBT's do mesmo braço estão abertos, é necessário respeitar, porque o fecho e a abertura
dos IGBT's não é instantânea. Caso contrário não se respeite este tempo, pode acontecer de estarem os
dois IGBT's fechados ao mesmo tempo.
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
123
Capítulo 5 – Implementação do Sistema de Carregamento de Baterias
Entradas
Enable
Saídas
Reset
Figura 5.25 – Placa de circuito de detecção de erros desenvolvida.
5.3.8.
Circuito do Conversor Digital Analógico
Como o microcontrolador PIC escolhido não possui nenhum DAC, foi construído
um circuito externo com um DAC712P, que possui uma saída analógica com limites de
-10 V e +10 V, e uma entrada digital de 16 bits, para permitir visualizar o
comportamento das variáveis internas do microcontrolador PIC. A esta placa também
foi adicionado um botão de pressão para a inicialização do Sistema de Carregamento e
led's para indicar o estado do mesmo. Na Figura 5.26 está representada a placa de
circuito impresso desenvolvida para este circuito.
Saída e alimentação
Led's e botão
DAC712P
Entradas
Figura 5.26 – Circuito externo do DAC712P.
5.3.9.
LCD
Para permitir visualizar as principais variáveis associadas ao Sistema de
Carregamento foi associado, externamente ao microcontrolador, um LCD. Assim,
através do software específico para controlar o LCD é possível acompanhar o estado do
Sistema de Carregamento, nomeadamente, valores de tensão e de corrente à entrada do
conversor, e no banco de baterias. O LCD utilizado está apresentado na Figura 5.27.
124
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
Capítulo 5 – Implementação do Sistema de Carregamento de Baterias
Figura 5.27 – LCD utilizado para visualizar o estado de carregamento das baterias.
5.4. Conclusão
Ao longo deste capítulo foi descrita a implementação do Sistema Inteligente de
Carregamento de Baterias, nomeadamente, o circuito de potência e o circuito de
comando. Para ambos, foram apresentados e descritos todos os circuitos a eles
associados. Na Figura 5.28 é apresentada uma fotografia com a versão final do Sistema
Inteligente de Carregamento de Baterias desenvolvido. Como se pode verificar é
constituído por dois andares, correspondentes ao circuito de potência e ao circuito de
comando.
Circuito de comando
Circuito de potência
Figura 5.28 – Versão final do Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias desenvolvido.
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
125
Capítulo 5 – Implementação do Sistema de Carregamento de Baterias
Após o término da descrição da implementação do Sistema Inteligente de
Carregamento de Baterias, pode-se concluir, que para a execução deste é necessário ter
conhecimento em várias áreas da electrónica como por exemplo, Electrónica de
Potência, desenvolvimento de placas de circuito impresso, Instrumentação e
Programação de Microcontroladores, de modo a que se possa desenvolver com sucesso
um Sistema de Carregamento com as características do apresentado.
126
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
CAPÍTULO 6
Resultados Experimentais do Sistema de Carregamento de
Baterias
6.1. Introdução
Neste capítulo são apresentados os resultados experimentais obtidos durante o
funcionamento do Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias implementado no
âmbito desta Dissertação. Numa primeira fase são apresentados os resultados obtidos
com o Sistema de Carregamento a fornecer energia para uma resistência de potência,
com um único estágio de tensão constante. Com este teste pretendeu-se provar que o
Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias funciona como previsto, e ao mesmo
tempo, poder verificar as suas vantagens. Numa segunda fase, procedeu-se à
implementação prática das simulações efectuadas no Capítulo 4 com o hardware
descrito no Capítulo 5. Estes testes foram efectuados com um banco de baterias de
chumbo-ácido com 48 V e 44 A. Para todas as implementações, a alimentação do
Sistema de Carregamento foi feita com 30 V, recorrendo ao Variac apresentado na
Figura 6.1.
Figura 6.1 – Variac utilizado nos testes do Sistema de Carregamento.
6.2. Princípio de Funcionamento e Validação do Sistema Inteligente
de Carregamento de Baterias
Com este teste, levado a cabo numa primeira fase do desenvolvimento do Sistema
Inteligente de Carregamento de Baterias, pretendeu-se comprovar a sua funcionalidade,
e ao mesmo tempo, poder analisar as vantagens que se obtêm com a teoria de controlo
proposta no Capítulo 3. Assim, através do Variac foi imposto no lado CA uma tensão de
30 V, e para o lado CC foi imposta uma referência de tensão de 50 V. Em vez do banco
de baterias foi utilizada uma resistência de potência de 50 Ω. Os sinais apresentados
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
127
Capítulo 6 – Resultados Experimentais do Sistema de Carregamento de Baterias
foram obtidos utilizando os equipamentos Fluke 124 Industrial Scoopmeter e Yokogawa
DL 708E.
Na Figura 6.2 está representada a tensão (ve) e a corrente (ie) no lado CA quando
os IGBT’s do Sistema de Carregamento não estão a comutar, ou seja, são os sinais
típicos de um conversor CA-CC a diodos com filtro capacitivo no lado CC, e como se
pode verificar a tensão é sinusoidal, mas a corrente não. Por outro lado, na Figura 6.3
está representada a tensão (ve) e a corrente (ie) no lado CA quando os IGBT’s do
Sistema de Carregamento estão a comutar. Devido ao algoritmo de controlo, a corrente
passa a ser sinusoidal e em fase com a tensão. Estes sinais foram obtidos através da
placa de condicionamento de sinais e por isso estão afectados da amplitude.
(ve)
(ie)
Figura 6.2 – Tensão (ve) e corrente (ie) no lado CA quando os IGBT’s do Sistema de Carregamento não
estão a comutar.
(ve)
(ie)
Figura 6.3 – Tensão (ve) e corrente (ie) no lado CA quando os IGBT’s do Sistema de Carregamento estão
a comutar.
128
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
Capítulo 6 – Resultados Experimentais do Sistema de Carregamento de Baterias
Na Figura 6.4 está apresentado o gráfico com a representação dos principais
harmónicos da corrente no lado CA e o valor da THD total dessa corrente (65,4 %)
quando o Sistema de Carregamento não está a funcionar, ou seja, referente à corrente
representada na Figura 6.2. Por outro lado, no gráfico da Figura 6.5 estão apresentados
os principais harmónicos da corrente no lado CA e o valor da THD total (6.9 %),
quando o Sistema de Carregamento está a funcionar, ou seja, referente à corrente
representada na Figura 6.3. Através da análise da THD da corrente no lado CA, para
ambas as situações, verifica-se que existe uma melhoria quase 60 %, contribuindo assim
para a Qualidade da Energia Eléctrica de forma bem significativa.
Figura 6.4 – Gráfico com os principais harmónicos da corrente no lado CA e o valor da THD total dessa
corrente, quando o Sistema de Carregamento não está a funcionar.
Figura 6.5 – Gráfico com os principais harmónicos da corrente no lado CA e o valor da THD total dessa
corrente, quando os IGBT’s do Sistema de Carregamento estão a comutar.
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
129
Capítulo 6 – Resultados Experimentais do Sistema de Carregamento de Baterias
Na Figura 6.6 está apresentado o instante em que o Sistema de Carregamento
entra em funcionamento. Como se pode verificar, assim que ocorre a transição, a
corrente (ie) no lado CA fica logo sinusoidal e em fase com a tensão (ve) do lado CA.
Após o transitório, a corrente (ie) eleva-se um pouco de modo a poder carregar o
condensador do lado CC com o valor da tensão de referência. Quando essa tensão (vs)
fica estabilizada, a corrente no lado CA também fica estabilizada. Na Figura 6.7 estão
apresentados os mesmos sinais, mas numa escala de tempo maior, e na Figura 6.8 estão
representados estes sinais, mas com a corrente de referência para o lado CA (iref)
também apresentada.
Tensão vs antes
das comutações
Tensão ve
Corrente ie antes das comutações
Transitório de ligação do
Sistema de Carregamento
Tensão vs depois
das comutações
Corrente ie depois das comutações
Figura 6.6 – Tensão (ve) e corrente (ie) no lado CA, e tensão (vs) no lado CC, no transitório em que os
IGBT’s do Sistema de Carregamento começam a comutar.
Figura 6.7 – Tensão e corrente no lado CA, e tensão no lado CC, no mesmo transitório, numa escala de
tempo maior.
130
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
Capítulo 6 – Resultados Experimentais do Sistema de Carregamento de Baterias
(iref)
Figura 6.8 – Tensão e corrente no lado CA, tensão no lado CC e corrente de referência (iref) para o lado
CA, no mesmo transitório.
6.3. Carregamento de um Banco de Baterias de Chumbo-Ácido com
48 V e 44 Ah
Para o carregamento do banco de baterias apresentado no Capítulo 5, foram
implementados os algoritmos de carregamento com tensão constante, carregamento com
corrente constante e carregamento com corrente constante seguida de tensão constante.
De seguida, para cada algoritmo de carregamento são apresentados e comentados os
resultados obtidos. Os sinais apresentados foram obtidos utilizando o osciloscópio
Yokogawa DL 708E.
6.3.1.
Carregamento do Banco de Baterias com Algoritmo de Tensão
Constante
Este algoritmo de carregamento consiste em aplicar ao banco de baterias tensão
constante de valor igual a 55 V e deixar que a corrente de carregamento seja imposta
pelas características das baterias. Os 55 V correspondem a uma tensão de 13,75 V em
cada bateria, que diz respeito a uma tensão de cerca de 15 % superior à tensão nominal
de cada bateria.
Na Figura 6.9 está representado o gráfico com a evolução da tensão do banco de
baterias ao longo do tempo. Como se pode verificar a tensão não atinge de imediato os
55 V, porém, com o passar do tempo essa referência é atingida. O gráfico com a
evolução da corrente de carregamento ao longo do tempo está apresentado na Figura
6.10. A corrente inicial de carregamento é de 1,6 A e na parte final do carregamento é
de cerca de 0,6 A. O tempo total de carregamento das baterias foi de nove horas. Estes
gráficos foram obtidos, registando a cada 5 minutos, os valores da tensão e da corrente
no software Excel.
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
131
Capítulo 6 – Resultados Experimentais do Sistema de Carregamento de Baterias
Figura 6.9 – Tensão no banco de baterias, ao longo de todo o tempo de carregamento, com tensão
constante de valor 55 V.
Figura 6.10 – Corrente de carregamento do banco de baterias, ao longo de todo o tempo de carregamento,
com tensão constante de valor 55 V.
Na Figura 6.11 estão apresentados os sinais da tensão (ve) e da corrente (ie) no
lado CA, a corrente de referência (iref) para o lado CA e a tensão (vs) do lado CC. Os
sinais foram obtidos através da placa de condicionamento de sinais e por isso estão
afectados da amplitude. Os sinais apresentados na Figura 6.11 foram obtidos na fase
inicial do carregamento e os sinais apresentados na Figura 6.12 foram obtidos na fase
final do carregamento.
132
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
Capítulo 6 – Resultados Experimentais do Sistema de Carregamento de Baterias
(vs)
(ie)
(ve)
(iref)
Figura 6.11 – Sinais da tensão (ve) e da corrente (ie) do lado CA, corrente de referência (iref) para o lado
CA e tensão do lado CC (vs) na fase inicial do carregamento.
(vs)
(ie)
(ve)
(iref)
Figura 6.12 – Sinais da tensão (ve) e da corrente (ie) do lado CA, corrente de referência (iref) para o lado
CA e tensão do lado CC (vs) na fase final do carregamento.
6.3.2.
Carregamento do Banco de Baterias com Algoritmo de Corrente
Constante
Este algoritmo de carregamento consiste em aplicar ao banco de baterias corrente
constante e deixar que a tensão no banco de baterias aumente até ao limite imposto por
software. A corrente de carregamento foi de 1,2 A e a tensão inicial do banco de
baterias era de 47 V.
Na Figura 6.13 está representado o gráfico com a evolução da tensão do banco de
baterias ao longo do tempo. Como se pode verificar a tensão aumenta sempre ao longo
de todo o processo de carregamento, conforme pretendido. O gráfico com a evolução da
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
133
Capítulo 6 – Resultados Experimentais do Sistema de Carregamento de Baterias
corrente de carregamento ao longo do tempo está apresentado na Figura 6.14. A
corrente de carregamento é de 1,2 A e permanece praticamente constante ao longo de
todo o processo de carregamento. O tempo total de carregamento das baterias foi de dez
horas. Estes gráficos foram obtidos, registando a cada 5 minutos, os valores da tensão e
da corrente no software Excel.
Figura 6.13 – Tensão no banco de baterias, ao longo de todo o tempo de carregamento, com corrente
constante de valor 1,2 A.
Figura 6.14 – Corrente de carregamento do banco de baterias, ao longo de todo o tempo de carregamento,
com corrente constante de valor 1,2 A.
Na Figura 6.15 estão apresentados os sinais da tensão (ve) e da corrente (ie) do
lado CA, a corrente de referência (iref) para o lado CA e a tensão (vs) do lado CC. Os
sinais foram obtidos através da placa de condicionamento de sinais e por isso estão
afectados da amplitude. Os sinais apresentados na Figura 6.15 foram obtidos na fase
inicial do carregamento e os sinais apresentados na Figura 6.16 foram obtidos na fase
final do carregamento.
134
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
Capítulo 6 – Resultados Experimentais do Sistema de Carregamento de Baterias
(vs)
(ie)
(ve)
(iref)
Figura 6.15 – Sinais da tensão (ve) e da corrente (ie) do lado CA, corrente de referência (iref) para o lado
CA e tensão (vs) do lado CC na fase inicial do carregamento.
(vs)
(ve)
(ie)
(iref)
Figura 6.16 – Sinais da tensão (ve) e da corrente (ie) do lado CA, corrente de referência (iref) para o lado
CA e tensão do lado CC (vs) na fase final do carregamento.
6.3.3.
Carregamento do Banco de Baterias com Algoritmo de Corrente
Constante Seguido de Tensão Constante
Este algoritmo de carregamento consiste em aplicar ao banco de baterias, um
primeiro estágio de corrente constante, de valor igual a 1,2 A, e deixar que a tensão
aumente até ao limite imposto por software, que neste caso específico é de 55 V.
Quando este limite de tensão é detectado pelo algoritmo de controlo, o primeiro estágio
é cancelado e passa a ser imposto o segundo estágio. Neste segundo estágio é mantida
tensão constante, de valor igual a 55 V, e a corrente de carregamento passa a ser
determinada pelas características do banco de baterias. Neste estágio, a corrente decai
progressivamente até atingir o fim do carregamento. Com este algoritmo de
carregamento pretende-se carregar as baterias de forma mais eficiente.
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
135
Capítulo 6 – Resultados Experimentais do Sistema de Carregamento de Baterias
Na Figura 6.17 está representado o gráfico com a evolução da tensão do banco de
baterias ao longo de todo o tempo de carregamento. Como se pode verificar, no
primeiro estágio a tensão aumenta até atingir os 55 V, e depois, com a imposição do
segundo estágio, essa tensão permanece constante até ao final do carregamento. O
gráfico com a evolução da corrente de carregamento, ao longo de todo o tempo de
carregamento, está apresentado na Figura 6.18. Como se pode analisar neste gráfico, a
corrente de carregamento no primeiro estágio é de 1,2 A, e no segundo estágio, fruto da
imposição do estágio de tensão constante, decai de 1,2 A para cerca de 0,6 A. O tempo
total de carregamento das baterias foi de dez horas. Estes gráficos foram obtidos,
registando a cada 5 minutos, os valores da tensão e da corrente no software Excel.
Figura 6.17 – Tensão no banco de baterias ao longo de todo o tempo de carregamento, com um primeiro
estágio de corrente constante de valor 1,2 A, seguido de um estágio de tensão constante de valor 55 V.
Figura 6.18 – Corrente de carregamento do banco de baterias ao longo de todo o tempo de carregamento,
com um primeiro estágio de corrente constante de valor 1,2 A, seguido de um estágio de tensão constante
de valor 55 V.
136
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
Capítulo 6 – Resultados Experimentais do Sistema de Carregamento de Baterias
Na Figura 6.19 estão apresentados os sinais da tensão (ve) e da corrente (ie) do
lado CA, a corrente de referência (iref) para o lado CA e a tensão (vs) do lado CC. Os
sinais foram obtidos através da placa de condicionamento de sinais e por isso estão
afectados da amplitude. A tensão no lado CC e a corrente de referência para o lado CA
correspondem aos valores reais. Os sinais apresentados na Figura 6.19 foram obtidos na
fase inicial do carregamento e os sinais apresentados na Figura 6.20 foram obtidos na
fase final do carregamento. O processo de transição entre estágios não foi possível
detectar através do osciloscópio, sendo apenas perceptível nos valores de tensão e de
corrente medidos e na indicação através um diodo LED.
(vs)
(ie)
(ve)
(iref)
Figura 6.19 – Sinais da tensão (ve) e da corrente (ie) do lado CA, corrente de referência (iref) para o lado
CA e tensão (vs) do lado CC na fase inicial do carregamento, ou seja, no estágio de corrente constante.
(vs)
(ie)
(ve)
(iref)
Figura 6.20 – Sinais da tensão (ve) e da corrente (ie) do lado CA, corrente de referência (iref) para o lado
CA e tensão (vs) do lado CC na fase final do carregamento, ou seja, no estágio de tensão constante.
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
137
Capítulo 6 – Resultados Experimentais do Sistema de Carregamento de Baterias
6.4. Descarregamento de um Banco de Baterias de Chumbo-Ácido
com 48 V e 44 Ah
Para o descarregamento do banco de baterias apresentado no Capítulo 5 foi
utilizado o algoritmo que controla o descarregamento directamente para uma carga CC
através da tensão do banco de baterias e o algoritmo de corrente sinusoidal no lado CA.
De seguida, para cada algoritmo de carregamento são apresentados e comentados os
resultados obtidos. Os sinais apresentados foram obtidos utilizando o osciloscópio
Yokogawa DL 708E.
6.4.1.
Descarregamento do Banco de Baterias Directamente para uma
Carga CC com Algoritmo de Controlo da Tensão das Baterias
Para descarregar este banco de baterias directamente para uma carga CC foi
utilizada a resistência de potência apresentada na Figura 6.21. O descarregamento do
banco de baterias foi efectuado através do algoritmo de controlo da tensão no mesmo,
sendo que o limite mínimo de tensão foi 44 V, correspondente a cerca de 11 V em cada
bateria.
Figura 6.21 – Resistência de potência utilizada para o descarregamento do banco de baterias.
6.4.2.
Descarregamento do Banco de Baterias com Algoritmo de Corrente
Sinusoidal no Lado CA
O descarregamento do banco de baterias através deste algoritmo consiste em
devolver a energia armazenada nas baterias para a rede eléctrica. Neste sentido é
necessário que a corrente no lado CA seja sinusoidal e em oposição com a tensão do
lado CA. Para este caso específico, a corrente no lado CA foi de 2 A. Também neste
algoritmo a tensão no banco de baterias é controlada, de modo a que não seja inferior a
44 V, correspondente a cerca de 11 V em cada bateria.
Na Figura 6.22 está apresentada a corrente (ie) do lado CA. Como se pode
verificar esta corrente é sinusoidal, comprovando que o conversor funciona bem como
CC-CA. Na Figura 6.23 estão apresentados os sinais da tensão (ve) e da corrente (ie) do
lado CA, a corrente de referência (iref) para o lado CA e a tensão (vs) do lado CC. Os
mesmos sinais estão apresentados na Figura 6.24, no entanto, neste caso, sem a corrente
de referência para o lado CA. Os sinais da tensão e da corrente no lado CA foram
obtidos através da placa de condicionamento de sinais, por isso estão afectados da
138
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
Capítulo 6 – Resultados Experimentais do Sistema de Carregamento de Baterias
amplitude. A tensão no lado CC e a corrente de referência para o lado CA correspondem
aos valores reais.
Com se pode constatar pela Figura 6.23 e pela Figura 6.24 a corrente e a tensão no
lado CA estão em oposição de fase, significando que a energia armazenada no banco de
baterias está a ser devolvida à rede eléctrica.
Corrente (ie) no lado CA
Figura 6.22 – Corrente do lado CA quando o banco de baterias está a devolver a energia armazenada à
rede eléctrica.
(ve)
(vs)
(ie)
(iref)
Figura 6.23 – Sinais da tensão (ve) e da corrente (ie) do lado CA, corrente de referência (iref) para o lado
CA e tensão (vs) do lado CC, quando o banco de baterias está a devolver a energia armazenada à rede
eléctrica.
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
139
Capítulo 6 – Resultados Experimentais do Sistema de Carregamento de Baterias
Figura 6.24 – Sinais da tensão (ve) e da corrente (ie) do lado CA, e tensão (vs) do lado CC, quando o
banco de baterias está a devolver a energia armazenada à rede eléctrica.
6.5. Conclusão
Numa primeira fase deste capítulo, foram apresentados os resultados
experimentais obtidos para o Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
desenvolvido no âmbito desta Dissertação, durante o carregamento de um banco de
baterias de chumbo-ácido com 48 V e 44 Ah, com três algoritmos de carregamento
distintos, nomeadamente, algoritmo de tensão constante, algoritmo de corrente
constante e algoritmo de corrente constante seguida de tensão constante. Estes
algoritmos permitem estágios de tensão ou corrente constante, e também mantêm a
corrente no lado CA sinusoidal e com factor de potência unitário. Assim consegue-se
obter a imprescindível preservação da vida útil das baterias. De acordo com os
resultados obtidos, pode-se concluir que o Sistema de Carregamento consegue impor os
diferentes estágios necessários ao carregamento do banco de baterias, quer seja de
tensão ou de corrente constante. Conforme previsto, os resultados práticos obtidos estão
em concordância com os resultados das simulações computacionais apresentadas no
Capítulo 4. Com estes algoritmos de carregamento ficou provado que se conseguem
obter melhorias, bastante significativas quanto ao método correcto do carregamento do
banco de baterias, e quanto à da Qualidade da Energia Eléctrica, devido ao consumo de
corrente sinusoidal e em fase com a tensão do lado CA.
Numa segunda fase foram apresentados os resultados experimentais obtidos
durante o descarregamento do mesmo banco de baterias com dois algoritmos de
descarregamento distintos, nomeadamente, algoritmo de controlo da tensão do banco de
baterias e algoritmo de corrente sinusoidal no lado CA. O primeiro algoritmo consistiu
em descarregar o banco de baterias directamente para uma resistência de potência
140
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
Capítulo 6 – Resultados Experimentais do Sistema de Carregamento de Baterias
controlando a tensão do banco de baterias até que o mesmo ficasse totalmente
descarregado. Com o segundo algoritmo ficou provado que é possível devolver a
energia armazenada no banco de baterias à rede eléctrica mediante condições
específicas. Para este algoritmo é necessário que o conversor actue como CC-CA e que
a corrente de descarregamento seja controlada, assim como a tensão no banco de
baterias, de forma a determinar o término do descarregamento. O fim deste também
pode ser determinado pelo tempo de utilização, ou seja, o banco de baterias pode ser
descarregado somente por um período de tempo, mas sempre controlando a tensão no
mesmo.
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
141
CAPÍTULO 7
Conclusões e Sugestões de Trabalho Futuro
7.1. Conclusões
Nesta Dissertação foi apresentado e descrito um Sistema Inteligente de
Carregamento de Baterias que visa atender às necessidades actuais e futuras dos
veículos híbridos e eléctricos, sem descurar o Sistema Eléctrico Nacional,
principalmente no que diz respeito à Qualidade da Energia Eléctrica. Com o Sistema de
Carregamento proposto, provou-se, através de resultados experimentais, que o mesmo
consegue impor diferentes algoritmos de carregamento, visando principalmente,
prolongar ao máximo a vida útil das baterias.
Assim, para a elaboração do Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias foi
imprescindível a pesquisa sobre as diferentes tecnologias de baterias. Após esta
pesquisa, apresentada no Capítulo 2, conclui-se que apesar dos inconvenientes que as
baterias ainda apresentam, como a energia por unidade de volume, a energia por
unidade de peso, o número de ciclos ou a vida útil, a Humanidade está cada vez mais
depende destas, tanto para pequenos como para grandes equipamentos, com especial
destaque para a crescente aposta nos veículos híbridos e eléctricos. Nesta vertente,
actualmente, já existem bastantes modelos de baterias específicas para veículos híbridos
e eléctricos.
Inerente à pesquisa das diferentes tecnologias de baterias, no Capitulo 3 foi
realizado um estudo sobre os diferentes algoritmos de carregamento que podem ser
implementados de acordo com as diferentes tecnologias de baterias. Deste estudo
conclui-se que existem tecnologias de baterias que necessitam de algoritmos de
carregamento específicos, como por exemplo baterias à base de lítio, e tecnologias que
permitem uma larga variedade de algoritmos de carregamento, como por exemplo,
baterias à base de chumbo. Também neste capítulo foi efectuado um estudo sobre
diferentes conversores electrónicos capazes de efectuar o carregamento de baterias, no
entanto, nem todos são vantajosos para as baterias e para a Qualidade da Energia
Eléctrica, ou porque não permitem o controlo da tensão e da corrente de carregamento,
ou porque a corrente no lado CA não é sinusoidal ou o factor de potência não é unitário.
Assim, foi apresentado o Sistema de Carregamento Inteligente de Baterias que através
de algoritmos específicos, permite o carregamento das baterias com diferentes estágios
de tensão ou corrente constante, e ao mesmo tempo, possibilita que a corrente no lado
CA seja sinusoidal e o factor de potência unitário. Por outro lado, mediante os
algoritmos de descarregamento apresentados, o mesmo Sistema permite o
funcionamento no modo CC-CA, ou seja, que a energia armazenada nas baterias possa
ser devolvida à rede eléctrica.
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
143
Capítulo 7 – Conclusões e Sugestões de Trabalho Futuro
Após a apresentação do Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias, no
Capítulo 4 foi ilustrado o princípio de funcionamento do mesmo no programa de
simulações PSCAD. Com este modelo de simulação, que visou todos os pormenores
inerentes ao Sistema de Carregamento, ficou comprovado, através dos resultados
obtidos, que o funcionamento deste correspondia ao esperado e proposto no Capítulo 3.
Deste modo, observou-se que o Sistema de Carregamento pode fornecer tensão ou
corrente constante às baterias, manter sinusoidal a corrente no lado CA e manter
unitário o factor de potência. Também neste modelo de simulação comprovou-se o
funcionamento do conversor no modo CC-CA, ou seja, quando a energia armazenada
nas baterias é devolvida à rede eléctrica.
No Capítulo 5 foi feita a descrição da implementação de todo o do Sistema
Inteligente de Carregamento de Baterias, em que foram abordadas as características e
funções de todo o circuito de potência, assim como de todo o circuito de comando.
Por fim, após o estudo recorrendo ao modelo de simulação apresentado no
Capítulo 4 e à implementação do Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
descrita no Capítulo 5, no Capítulo 6 foram efectuados diferentes testes com um banco
de baterias de chumbo-ácido com 48 V e 44 Ah. Estes testes consistiram em
implementar três algoritmos de carregamento distintos, nomeadamente, carregamento
com algoritmo de tensão constante, carregamento com algoritmo de corrente constante e
carregamento com algoritmo de corrente constante seguida de tensão constante.
Também neste capítulo foram efectuados dois testes de descarregamento das baterias,
que consistiram em descarregar directamente para uma resistência de potência e
devolvendo a energia armazenada nas baterias à rede eléctrica, comprovando assim, que
o Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias pode funcionar de forma
bidireccional. Com os resultados experimentais obtidos durante o funcionamento do
Sistema de Carregamento comprovou-se que o mesmo funciona de forma eficaz e
eficiente, permitindo carregar as baterias com tensão ou corrente constante, e manter
sinusoidal a corrente no lado CA e o factor de potência unitário. Para o modo de CCCA, o Sistema desenvolvido permite devolver à rede eléctrica a energia armazenada nas
baterias, isto é, a corrente no lado CA está em oposição de fase com a tensão do mesmo
lado.
7.2. Trabalho Futuro
Com os resultados obtidos nesta Dissertação, pode-se concluir que o Sistema
Inteligente de Carregamento de Baterias funciona de forma adequada. Todavia, com
este mesmo equipamento, de futuro, outros testes devem ser levados a cabo, como por
exemplo, analisar o comportamento deste a carregar um banco de baterias de um
veículo híbrido ou eléctrico, ou a carregar um banco de baterias de outra tecnologia, tal
como de lítio, uma vez que o mesmo só foi testado a carregar um banco de baterias de
chumbo-ácido com 48 V e 44 Ah. Deste modo, poder-se-á analisar de forma mais
144
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
Capítulo 7 – Conclusões e Sugestões de Trabalho Futuro
pormenorizada as características do Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias e
provavelmente fazer ajustes e melhoramentos.
No que concerne ao Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias visando
uma solução industrial de futuro, será importante reduzir ao volume total deste
equipamento, e para tal, o circuito de comando poderá ser implementado numa única
placa de circuito impresso, e caso se justifique, o microcontrolador PIC poderá ser
substituído por um DSP. O circuito de pré-carga do condensador do lado CC pode ser
eliminado se o condensador passar a ser carregado através das baterias, ou então, o
circuito de pré-carga pode ser substituído por outro com dimensões mais reduzidas.
Dependendo dos valores de temperatura obtidos aquando dos testes a implementar,
poderá ser necessário substituir o dissipador actual por outro com maior capacidade.
Neste sentido, será útil fazer um estudo para a redução dos custos inerentes ao Sistema
de Carregamento desenvolvido.
Noutra perspectiva, seria interessante implementar um sistema de detecção do tipo
de baterias através de algum meio de comunicação, como por exemplo bluetooth, que
permitisse a análise das mesmas, quer da tecnologia, quer dos níveis de tensão e de
capacidade de armazenamento, e tendo em conta o tempo total ou parcial de
carregamento disponível pelo utilizador, procederia da forma mais adequada, impondo o
melhor algoritmo de carregamento, visando preservar a vida útil das baterias.
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
145
Referências
[1]
R. J. Parise, “Quick charge battery with internal thermal management”, 35th
Intersociety Energy Conversion Engineering Conference and Exhibit, 2000. Vol.
1, pp. 120-127, 2000.
[2]
Mário Magno “Encha o tanque do seu PC", disponível online, no dia 30 de
Setembro de 2008, em <http://infobase.2it.com.br/?sec_cod=3&news_cod=26>.
[3]
Chloride, “ElectraGen”, disponível online, no dia 03 de Setembro de 2009, em
<http://www.chloridepower.com/upload/UK%20doc%20library/Fuel_Cells_Inter
national.pdf>.
[4]
A. M. S. Carvalho, B. F. Marques, P. F. C. Apura, “Flywheel – A Bateria
Electromecânica”, Escola Superior de Tecnologia de Viseu.
[5]
C. E. E. E. T. A. – Centro de Estudos em Economia da Energia dos Transportes e
do Ambiente, “Tecnologias de Micro-Geração e Sistemas Periféricos”, Parte III,
Tecnologias de Armazenamento de Energia.
[6]
R. Silva, “Flywheel – Armazenador de Energia”, Universidade do Minho –
Guimarães, Setembro de 2005.
[7]
Chloride, “Flywheel System VDC-XE”, disponível online, no dia 03-09-2009, em
<http://www.chloridepower.com/upload/UK%20doc%20library/MKA4L0UKVD
CXE.PDF>.
[8]
Oerlikon Batteries, “Battery History”, disponível online, no dia 31 de Outubro de
2009, em <http://www.accuoerlikon.com/lead-acid.htm#>.
[9]
1001Pilhas, “Manual das Baterias Recarregáveis, Pilhas e Carregadores”,
disponível online, no dia 13-10-2008, em <www.1001pilhas.com.br/>.
[10] J. McDowall, “Conventional Battery Technologies - Present and Future”, IEEE
Power Engineering Society Summer Meeting, 2000. Vol. 3, pp. 1538-1540, Julho
de 2000.
[11] Y. Toyoguchi, Y Moriwaki, Tadashi Sotomura, K. Adachi, “Progress in
Materials Applications for New-generation Secondary Batteries”, IEEE
Transactions on Electrical Insulation. Vol. 26, pp. 1044-1063, Outubro de 1991.
[12] “Macintosh Portable”, disponível online no dia 09 de Setembro de 2009, em
<http://en.wikipedia.org/wiki/Macintosh_Portable>.
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
147
Referências
[13] Optima, “Yellow Top S2,7 & R 2,7”, datasheet, Junho de 2005. Disponível online
no
dia
31
de
Outubro
de
2009,
em
<http://www.optima-
batterien.eu/uploads/media/OPTIMA_YellowTop_S_27_R_27_en_02.pdf>.
[14] Paulo Silva e Optima, “Destaque II: Optima Yellow Top”, Auto Aftermarket News,
disponível
online,
no
dia
18
de
Dezembro
de
2008,
em
<http://www.autoaftermarketnews.com/produtos.php?cat=4&marca=90>.
[15] C. Sousa, J. Murta, “Baterias”, Instituto Superior Politécnico de Viseu - ESTV,
disponível
online,
no
dia
31
de
Outubro
de
2009,
em
<http://www.estv.ipv.pt/PaginasPessoais/paulomoises/Controlo_carga/baterias.pdf>.
[16] Trojan Battery Company, “Trojan Battery User’s Guide”, datasheet, 2007/2008.
Disponível
online,
no
dia
27
de
Outubro
de
2009,
em
<http://www.trojanbattery.com/Products/31-Gel12V.aspx>.
[17] E. Thomson, “Re-engineered Battery Material Could Lead to Rapid Re-Charging
of Many Devices”, 11-03-2009. Disponível online no dia 18 de Agosto de 2009,
em <http://web.mit.edu/newsoffice/2009/battery-material-0311.html>.
[18] Carlos E. Morimoto, “Baterias”, disponível online no dia 09 de Setembro de 2009,
em <http://www.guiadohardware.net/tutoriais/baterias/>.
[19] A123Systems, “High Power Lithium Ion ANR26650m1”, datasheet, 2008.
[20] “Bateria de níquel cádmio”, disponível online no dia 18 de Agosto de 2009, em
<http://pt.wikipedia.org/wiki/Bateria_de_n%C3%ADquel_c%C3%A1dmio>.
[21] Sanyo, “Sanyo Cadnica – Cell Type KR-7000F”, datasheet.
[22] Sanyo, “Eneloop – Cell Type HR-3UTG”, datasheet, 2007/2008.
[23] “UltraBattery sets new standard for HEvs”, 17 de Janeiro de 2007. Disponível
online,
no
dia
30
de
Setembro
de
2008,
em
<http://www.csiro.au/news/UltraBattery.html>.
[24] Altairnano, “NanoSafe Battery”, datasheet.
[25] Toshiba, “Toshiba to Launch Innovative Rechargeable Battery Business”,
disponível
online,
no
dia
17
de
Agosto
de
2009,
em
<http://www.toshiba.co.jp/about/press/2007_12/pr1101.htm>.
[26] Business Wire, “Toshiba fornece a SCiBTM, uma bateria segura, de longa vida e
carregamento rápida, para o Cannondale Sports Group”, 24 de Setembro de 2008,
disponível
148
online,
no
dia
16
de
Outubro
de
2008,
em
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
Referências
<http://www.businesswire.com/portal/site/home/permalink/?ndmViewId=news_vi
ew&newsId=20080924006346&newsLang=pt>.
[27] “Technology”, disponível online no dia 08 de Setembro de 2009, em
<http://www.batscap.com/en/supercapacitor/technologie.php>.
[28] NESSCAP UltraCapacitors, “NESSCAP, UltraCapacitor Products”, datasheet,
2008.
[29] “Supercapacitors Batscap”, disponível online no dia 08 de Setembro de 2009, em
<http://www.batscap.com/en/supercapacitor/conception.php>.
[30] Maxwell
Techonolies,
“BC
BMOD
Power
Series
15V”,
BOOSTCAP
UltraCapacitors, datasheet.
[31] Black-Sheep, “BMS Thunder Sky”, disponível online, no dia 18 de Agosto de
2009,
em
<http://www.black-
sheep.us/product_info.php?cPath=80_103&products_id=136>.
[32] Lithium Balance, “Lithium Balance BMS - User´s manual”.
[33] Victron Energy Blue Power, “Precision Battery Monitoring”, datasheet.
[34] Imagem
disponível
online,
no
dia
06
de
Outubro
de
2009,
em
<http://www.victronenergy.com.br/upload/documents/BMV600_3D_300dpi.jpg>.
[35] AA Portable Power, “PCM with Equilibrium function for 24 cells (88.8V) Li-Ion
Battery Pack at 60A limit”, disponível online, no dia 13 de Outubro de 2009, em
<http://www.batteryspace.com/pcmwithequilibriumfunctionfor24cells888vliionbatterypackat60alimit.aspx>.
[36] Informações e imagens disponíveis online, no dia 18 de Outubro de 2009 em
<www.batteryspace.com/prod-specs/4803_2.doc> e também no dia 18 de Outubro
de 2009 em <www.batteryspace.com>.
[37] B. Kramer, S. Chakreborty, B. Kroposki, “A review of plug-in vehicles and
vehicle-to-grid capability”, 34th Annual Conference of IEEE Industrial
Electronics, 2008. Pp. 2278-2283, 10-13 de Novembro de 2008.
[38] W. Kempton, V. Udo, K. Huber, K. Komara, S. Letendre, S. Baker, D. Brunner,
N. Pearre, “A test of vehicle-to-grid (V2G) for energy storage and frequency
regulation in the PJM system”, Results from an Industry – University Research
Partnership, Universidade de Delaware, Novembro de 2008.
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
149
Referências
[39] A. N. Brooks, “Vehicle-to-grid demonstration project: grid regulation ancillary
service with a battery electric battery”, Final Report, 10 de Dezembro de 2002.
[40] P. Kadurek, C. Ioakimidis, P. Ferrão, “Electric vehicles and their impact to the
electric grid in isolated systems”, International Conference on Power Engineering,
Energy and Electrical Drives, 2009. Pp. 49-54, 18-20 de Março de 2009.
[41] G. Berdichevsky, K. Kelty, J. B. Straubel, E. Toomre, “The Tesla Roadster
Battery System”, Tesla Motors, 19 de Dezembro de 2007.
[42] M. Eberhard, M. Tarpenning, “The 21st Century Electric Car”, Tesla Motors Inc.,
06-10-2006.
[43] Honda, “Civic Hybrid”, disponível online, no dia 14 de Outubro de 2008, em
<http://www.autosuecoautomoveis.pt/fotos/auto_novos_categorias/hybrid08_120
2988431.pdf>.
[44] “Prius - Uma ideia que não pode esperar”, disponível online, no dia 14 de
Outubro de 2008, em <http://www.toyota.pt/cars/new_cars/prius/fullspecs.aspx>.
[45] Wikipedia, “General Motors EV1”, disponível online, no dia 19 de Outubro de
2008, em <http://en.wikipedia.org/wiki/General_Motors_EV1>.
[46] Wikipedia, “REVA”, disponível online, no dia 10 de Novembro de 2008, em
<http://en.wikipedia.org/wiki/REVA>.
[47] Reva India, “REVAi – Experience More”, REVAi brochure, disponível online, no
dia 10 de Novembro de 2008, em < http://www.revaindia.com/ebrochures.htm>.
[48] I. Buchmann, “Understanding Your Batteries in a Portable World - Article on
Battery Choice and How to Maximize service Life”, The Fourteenth Annual
Battery Conference on Applications and Advances, 1999. Pp. 369-373, 12-15
Janeiro de 1999.
[49] Sistema de Mobilidade de veículos eléctrcios, “Topologias”, disponível online, no
dia 10 de Novembro de 2008, em <http://www.sismelv.com/produtos.html>.
[50] Better Place, “Battery Exchange Stations”, disponível online, no dia 07 de
Outubro de 2008, em < http://www.betterplace.com/our-bold-plan/how-itworks/battery-exchange-stations>.
[51] Filipe Ramos, “Estações para Carregar as Baterias”, Mundo Automóvel, Quintafeira, 10 de Abril de 2008, disponível online, no dia 09 de Outubro de 2008, em
150
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
Referências
<http://mundoautomovelantena1.blogspot.com/2008/04/estaes-para-carregarbaterias.html>.
[52] “Mobi.E – Mobilidade Eléctrica”, disponível online, no dia 17 de Agosto de 2009,
em <http://www.mobi-e.pt>.
[53] “Primeiros veículos eléctricos da Nissan chegam a Portugal na Primavera de
2011”,
disponível
online,
no
dia
29
de
Junho
de
2009,
em
<http://jn.sapo.pt/PaginaInicial/Economia/Interior.aspx?content_id=1281299>.
[54] “Nissan apresentou carro eléctrico que pode levar baterias feitas em Portugal”,
disponível
online,
no
dia
17
de
Agosto
de
2009,
em
<http://jn.sapo.pt/PaginaInicial/Economia/Interior.aspx?content_id=1323959>.
[55] “Nissan investe 250 milhões”, Cristina Craveiro, notícia de 21 de Julho de 2009
do Jornal de Notícias, disponível online, no dia 21 de Julho de 2009, em
<http://jn.sapo.pt/PaginaInicial/Economia/Interior.aspx?content_id=1313041>.
[56] Saft, “NHE Module, High Energy, Nickel-Metal Hydride Module”, Julho de 2005,
disponível
online,
no
dia
19
de
Outubro
de
2008,
em
<http://www.saftbatteries.com/Produit_NHE_329_24/Default.aspx#DL2>.
[57] “Lithium Phosphate Battery Modules”, Valence, disponível online, no dia 19 de
Dezembro de 2008, em <http://www.valence.com/products/battery_modules>.
[58] EnerDel – Lithium Power Systems, “EnerDel Technical Presentation”, 2005.
[59] EnerDel,
disponível
online,
no
dia
19
Dezembro
de
2008,
em
<http://enerdel.com/>
[60] “Lithium Battery TS-LFP90AHA”, Thunder Sky, datasheet, disponível online, no
dia 19 Dezembro de 2008 e no dia 03 de Novembro de 2009, em
<http://www.thunder-sky.com/>.
[61] Pasadena Water and Power “Inductive Charging”, Electric vehicle Charging
Information, disponível online, no dia 03 de Fevereiro de 2009, em <
http://cityofpasadena.net/waterandpower/program_ev_evcharging_info.asp#EV%
20Charging%20Levels>.
[62] H. A. Kiehne, “Battery Technology Handbook”, Second Edition.
[63] J. C. Salmon, “Circuit topologies for pwm boost rectifiers operated from 1-phase
and 3-phase ac supplies and using either single or split dc rail voltage outputs”,
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
151
Referências
IEEE Transactions on Industrial Electronics. Vol. 52, pp. 471-481, 18, Issue 2,
Abril de 2005.
[64] Y. Xi-jun, W. Han, Y. Xing-hua, L. Huai-gang, G. Hongfei, “Theoretic analysis
and experimental study of a novel bridgeless partial active PFC”, International
Conference on Electrical Machines and Systems, 2008. Pp. 1179-1184, 17-20 de
Outubro de 2008.
[65] Y. Chen, D. He, R. M. Nelms, “Control of a Single-Phase PFC Preregultaor
using an 8-bit Microcontroller”, Twenty Second Annual IEEE Applied Power
Electronics Conference, 2007. Pp. 1454-1460, 25 de Fevereiro de 2007 a 1 de
Março de 2007.
[66] C. K. Tse, “Circuit theory of power factor correction in switching converters”,
International journal of circuit theory and applications 2003.
[67] D. Lamar, A. Fernandez, M. Arias, M. Rodriguez, J. Sebastian, M. M. Hernando,
“A Unity Power Factor Correction Preregulator With Fast Dynamic Response
Based on a Low-Cost Microcontroller”, IEEE Transactions on Power Electronics.
Vol. 23, pp. 635-642, Issue 2, Março de 2008.
[68] A. Nabae, H. Nakano, S. Arai, “Novel Sinusoidal Converters With High Power
Factor”, Conference Record of the 1994 IEEE Industry Applications Society
Annual Meeting, 1994. Vol. 2, pp. 775-780, 2-6 de Outubro de 1994.
[69] “Catalogo Produtos Werkraft”, disponível online, no dia 02 de Setembro de 2009,
em < http://www.logismarket.pt/ip/intertools-carregador-de-bateria-30a-catalogoprodutos-werkraft-455871.pdf>.
[70] Chloride Industrial Systems, “Excel CF – DC UPS from 1200 W to 6.6 kW”,
disponível
online,
no
dia
03
de
Setembro
de
2009,
em
<
http://www.chloridepower.com/upload/UK%20doc%20library/EXCEL%20CF%2
0new.pdf>.
[71] “Smart Charger LiIon Battery Pack”, informação do carregador de baterias,
disponível
online
no
dia
07
de
Outubro
de
2009,
em
<http://www.batteryspace.com/smartcharger6afor518v14cellsliionbatterypack110vstandardfemaletamiyaplug.aspx>.
[72] “Smart Charger LiFePO Battery Pack”, informação do carregador de baterias,
disponível online no dia 07 de Outubro de 2009, em
152
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
Referências
<http://www.batteryspace.com/smartcharger20afor768v24cellslifepo4batterypack
110vonly19x15x06standardandersonplug.aspx>.
[73] “Smart Charger NiMH / NiCd Battery Pack”, informação do carregador de
baterias,
disponível
online
no
dia
07
de
Outubro
de
2009,
em
<http://www.batteryspace.com/smartcharger4ampfor192264vnimhnicdbatterypack-superfastcharger.aspx>.
[74] “Smart Fast Charger Lead Acid Battery”, informação do carregador de baterias,
disponível online no dia 07 de Outubro de 2009, em
<http://www.batteryspace.com/leadacidsmartfastcharger6afor48vleadacidbattery6
ah-60ah110vonlystandardfemaletamiyaplug.aspx>.
[75] “FGA25N120ANTD”, datasheet.
[76] “Voltage Transducer LV 20-P”, datasheet.
[77] Imagem
disponível
online
no
dia
02
de
Novembro
de
2009,
em
2009,
em
<http://media.digikey.com/photos/LEM%20Photos/LV%2025-P.jpg>.
[78] “Current Transducer LA 55-P”, datasheet.
[79] Imagem
disponível
online
no
dia
02
de
Novembro
de
<http://media.digikey.com/photos/LEM%20Photos/LA%2055-P.jpg>.
[80] “Microchip PIC32MX3XX/4XX Family Data Sheet”, preliminary, 2008,
disponível
online
no
dia
02
de
Novembro
de
2009,
em
<http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/61143E.pdf>.
Desenvolvimento de um Sistema Inteligente de Carregamento de Baterias
153