SISTEMA DE CONVERSÃO E GERENCIAMENTO DE
ENERGIA PARA UM VEÍCULO ELÉTRICO HÍBRIDO
Arlindo Ricarte Primo Júnior1, Andrés Ortiz Salazar2, Francisco de Assis de Oliveira Fontes3
Universidade Federal de Rio Grande do Norte, 1,2
Departamento de Engenharia Elétrica
Campus Universitário – Lagoa Nova
59.000-000 – Natal - RN
[email protected] 1, [email protected] 2
Universidade Federal de Rio Grande do Norte,3
Departamento de Engenharia Mecânica
Campus Universitário – Lagoa Nova
59.000-000 – Natal - RN
[email protected]
Resumo. O presente trabalho é o inicio de um projeto de construção de um carro elétrico híbrido
que será utilizado como modulo educativo tanto para alunos de Engenharia Mecânica como de
Engenharia Elétrica. Esta primeira etapa trata um de sistema de gerenciamento de energia, no
qual são utilizadas duas fontes de energia em cascata: um grupo gerador a gás natural e um
banco de baterias. O objetivo do gerenciador é controlar a parcela de energia fornecida pôr cada
fonte, mantendo-se os níveis de tensão especificados, e obter um elevado fator de potência na saída
do grupo gerador. Como aplicação imediata desse sistema encontra-se os veículos elétricos
híbridos, nos quais são utilizadas fontes de energia distintas. Essa associação tem como meta a
obtenção de um veículo com características menos poluentes com relação aos veículos
convencionais, e com uma melhor autonomia com relação aos veículos convencionais. As fontes
utilizadas a princípio serão um grupo gerador a gás natural/gasolina e um banco de baterias tendo
como aplicação imediata o Sistema de Propulsão de um Veículo Elétrico Híbrido com
Configuração Série. Através de um conversor CUK é controlado o ponto de operação do grupo
gerador, e desta forma a energia por este fornecida. O banco de baterias contribui com a diferença
de energia imposta pelas solicitações de carga. Em uma Segunda etapa de conversão o nível de
tensão do paralelismo entre o banco de baterias e a saída do conversor “cúk” é elevado através de
um outro conversor tipo “boost” com isolação galvânica e alimenta um motor, composto por um
inversor de freqüência acoplado a um motor de indução, o qual, na aplicação em particular é
responsável pela tração do veículo.
Palavras-chave: Veículo Híbrido, Gerenciador de Energia, Controle de Fator de Potência.
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1.
INTRODUÇÃO
A busca de novas tecnologias energéticas tem atraído cada vez mais o interesse de pesquisadores de todo o
mundo. Dentre tantos trabalhos voltados para essa área, incluem-se as pesquisas direcionadas para a busca de
alternativas energéticas e formas de utilização mais econômicas com menores impactos ambientais. Os veículos
elétricos se apresentam como uma alternativa que vem a contribuir intensamente na minimização de problemas
principalmente no que se refere a emissões nocivas e ruído audível, os quais geram maior impacto nos grandes centros
urbanos.
Dentre os obstáculos a serem superados pôr essa proposta tecnológica, destaca-se as capacidades de
armazenamento de energia a bordo desses veículos, onde os meios atualmente disponíveis como baterias e células de
combustível (fuel cell) enfrentam ainda limitações no que se refere às capacidades de densidade de energia e de
potência, tornando elevados os custos associados a confecção de um veículo elétrico com índices de performance
compatíveis com os veículos convencionais.
Como alternativa intermediária desse processo de evolução tecnológica surge o veículo elétrico híbrido, no
qual busca-se agregar as boas características dos veículos convencionais com as boas características dos veículos
elétricos. Várias são essas topologias, onde a baixa autonomia que é uma característica indesejada do veículo elétrico é
melhorada através da utilização de um motor convencional a combustão dimensionado para suprir um percentual da
carga em regime, o que contribui para a utilização de um banco de baterias menor comparando aos veículos elétricos
puros, para obtenção dos mesmos índices de performance.
O trabalho aqui proposto, constitui a construção de um protótipo de um veículo elétrico híbrido de pequena
capacidade, o qual servirá como módulo didático para pesquisas de vários segmentos da Engenharia como a Engenharia
Elétrica, Engenharia Mecânica, a Engenharia Química e a Engenharia de Computação. A nossa contribuição inicial
dentro deste projeto consiste na confecção de um sistema de gerenciamento de energia, o qual terá como objetivos de
controle a obtenção de um elevado fator de fator de potência e controle da demanda na saída do gerador, e com estágio
final fornecendo uma tensão CC regulada na entrada de um motor, constituído pôr um inversor trifásico acoplado a um
motor de indução, o qual é responsável pela tração do veículo.
2.
Veículo Elétrico Híbrido – Configuração Proposta
O veículo elétrico híbrido surge como uma alternativa de transição entre os veículos elétricos convencionais e
o veículo elétrico puro, possibilitando uma maior economia de combustível com redução nas emissões nocivas
comparados aos veículos convencionais.
Um motor a combustão é utilizado operando juntamente com um sistema elétrico, resultando em um veículo
com uma melhor autonomia, e possibilitando a utilização de um banco de baterias menor que o solicitado pelos veículos
elétricos puros. São classificados como veículos híbridos com configuração série ou com configuração paralelo [8]. A
configuração paralela utiliza dois sistemas de tração, ambos podendo entregar potência diretamente à tração do veículo
(Figura. 1). Os dois sistemas podem operar independentemente ou de forma simultânea quando da ocorrência de uma
maior solicitação de potência. Uma sub-categoria da topologia paralela denominada na literatura internacional como
split hybrid (híbrido dividido) se apresenta com cada sistema de acionamento tracionando um par de rodas, conforme
mostra a Figura. 2. O sistema paralelo apresenta um sistema mecânico mais complexo sendo maiores as exigência
também no sistema de controle.
Figura 1. Híbrido paralelo
Figura 2. Híbrido paralelo split
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Figura 3. Híbrido série
Na configuração série, a qual será adotada em nosso trabalho, o projeto mecânico é mais simples, o que
acarreta uma manutenção mais fácil e simples, favorecendo também a confecção do sistema de controle. Um grupo
gerador é conduzido a bordo do veículo o qual fornece tanto energia para as solicitações diretas de carga como para
recarga do banco de baterias. A Figura 3. mostra a configuração do sistema série.
A nossa proposta para o gerenciamento do fluxo de energia do sistema consiste em controlar a energia
fornecida pelo grupo gerador para que o mesmo trabalhe em um ponto ótimo, preestabelecido, visando uma maior
economia de combustível com menores emissões. Essa possibilidade de fixação do ponto de operação do grupo gerador,
constitui uma grande vantagem dessa topologia, uma vez que o rendimento dos motores a combustão é largamente
afetado pelo seu ponto de operação, como ocorre com os veículos convencionais.
O grupo gerador é dimensionado para suprir uma percentagem da energia ao sistema quando em regime, sendo
os acréscimos de potência solicitada pela tração do veículo, principalmente nos transientes como aceleração e aumentos
de carga, suprida pelo banco de baterias, conduzindo dessa forma a utilização de um menor grupo gerador. Quando as
solicitações de carga forem menores que a energia fornecida pelo gerador este poderá fornecer energia para o
recarregamento das baterias, embora o carregamento das baterias se dê de forma efetiva off-board, já que a absorção de
carga pôr estas se processa de forma lenta, o que constitui outro obstáculo para o veículo elétrico.
A regeneração de potência durante frenagens e rampas de descida constitui uma fonte de economia desses
veículos constituindo um ponto a ser explorado em trabalhos posteriores.
2.1.
Sistema de Gerenciamento de Energia
O sistema de propulsão é composto por um grupo gerador utilizando gás natural, o qual será interligado a um
grupo de baterias através de um conversor ac-dc com controle de fator de potência e este conjunto em paralelo será
interligado a um motor drive, através de outro conversor dc-dc. O motor drive é constituído por um bloco compacto
composto por um motor de indução trifásico e um inversor de frequência. A Figura 4 mostra o diagrama de blocos do
sistema de gerenciamento de energia proposto.
Figura 4. Sistema de Gerenciamento de Energia
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2.2.
Baterias
Embora os avanços nas tecnologias de novas baterias estejam apresentando relevantes progressos, atualmente
os seus custos as tornam inviáveis para uma comercialização de forma a tornar os veículos elétricos competitivos no
mercado, com os veículos convencionais. Pesquisas recentes apontam para a boa performance das baterias Ni-MH e Liion , com obtenção de melhorias em suas capacidades de reserva e de potência juntamente com reduções em seus pesos
e volumes [5].Os altos custos dessas tecnologias, como já comentado, ainda é o principal entrave na propagação das
mesmas.
As baterias chumbo ácido se apresentam com uma tecnologia já bastante explorada e vem sofrendo constantes
avanços. Constitui ainda a tecnologia mais acessível, com facilidades em sua manufatura e reciclagem, apresentando
uma relativa capacidade de potência.
Como desvantagens das baterias chumbo ácido podem ser citadas a escassez do chumbo como matéria prima,
a sua vulnerabilidade quanto a danificação devido a sulfuração e descargas profundas, além da baixa energia específica.
Os requerimentos exigidos para as baterias dependem das suas aplicações. Para o Veículo elétrico puro são necessárias
baterias com altas densidades de energia e potência e com altos ciclos de carga e descarga uma vez que são submetidas
a descargas mais profundas. Para os veículos elétricos híbridos as exigências são menores uma vez que são necessários
menores densidades de energia e as baterias são submetidas a descargas menos profundas. Inicialmente será utilizado
um banco de baterias com 8 unidades de 12V e capacidade 65 Ah, dispostas em série de forma a se obter uma tensão de
96 V.
2.3.
Motores
Diferentes tipos de motores elétricos podem ser utilizados nesta aplicação: motores DC, motores de indução,
motores de relutância, motores síncronos.
Os motores de indução tem conquistado um espaço cada vez maior em diversas aplicações, apresentando
características bastante vantajosas como boa performance, robustês , além dos baixos custos associados à sua
manufatura. A evolução dos dispositivos semicondutores e da eletro-eletrônica como um todo têm permitido a aplicação
de técnicas de controle com ótimos resultados de performance.
Apesar de requerer um sistema de acionamento e controle mais sofisticados, o que normalmente acarreta uma
elevação no custo total motor / acionamento e controle, a aplicação do motor de indução tem se tornado cada vez mais
competitiva. Além das vantagens do motor de indução já citadas, pode-se citar também a disponibilidade para uso em
maiores rotações que o motor CC, uma vez que o motor CC têm sua faixa de operação com maiores limitações devido a
necessidade de uso de comutador .
Um bloco compacto, constituído por um motor de indução trifásico de quatro pólos, com 5 HP de potência,
juntamente com um inversor de frequência será utilizado no projeto em questão. Uma característica muito importante
desse bloco, a qual contribuiu para a sua escolha foi justamente a sua estrutura compacta, o que conduz para uma menor
ocupação de espaço físico. O custo do equipamento e a sua adequação ao projeto, bem como a sua disponibilidade no
mercado nacional também foram consideradas. O bloco citado denominado motor-drive é de fabricação WEG.
O controle do acionamento não será objeto de estudo nesse trabalho, sendo utilizado durante a etapa de testes,
um controle do tipo V / f, já disponível no motor-drive. Com este tipo de controle é obtida uma relação
aproximadamente linear entre velocidade e frequência, para uma operação até os níveis nominais de carga .
Em trabalhos posteriores serão exploradas outras técnicas de acionamento como o controle vetorial, a qual melhora a
resposta do sistema.
2.4.
Grupo Gerador
Um grupo gerador constituído por um motor a combustão o qual movimenta um gerador síncrono, fornecendo
em sua saída uma tensão de 220 Vac, com potência de 3HP, será aplicado neste trabalho. O grupo gerador utilizará
como combustível gás natural com possibilidade de reversão para gasolina, dimensionado para suportar 80% da carga
do veículos em regime permanente e em percursos de carga leve. A operação do grupo gerador se dará em um ponto
fixo otimizado, de forma a se obter um melhor rendimento e minimizar a emissões. Como já comentado esta
possibilidade constitui uma de vantagens do veículo elétrico híbrido com relação aos veículos convencionais, uma vez
que o rendimento dos motores a combustão é fortemente influenciado pelo seu ponto de operação.
O uso do gás natural têm como objetivos tanto a redução das emissões de gases quanto a economia do ponto de
vista do seu custo no mercado, o qual é inferior ao custo da gasolina. Além disso, o gás natural é um produto explorado
e em comercialização em várias capitais do país.
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2.5.
Estrutura Física do Veículo
Será utilizada uma estrutura de um mini baja desenvolvido por equipes de pesquisa do departamento de Eng.
Mecânica desta instituição, a qual possui uma larga experiência no desenvolvimento dessa tecnologia. Essa estrutura
apresenta características que possibilitam a sua adaptação para um protótipo inicial, e uma vez que já se encontra
disponível em nossa instituição, se torna bastante viável o seu uso principalmente diante das nossas limitações de
recursos econômicos. A Figura 5 mostra a estrutura do mini-baja que será utilizado neste trabalho.
Figura 5. Veículo a ser utilizado: Mini baja
Diante das limitações econômicas que envolvem os projetos dentro das universidades, a montagem deste
protótipo inicial possibilitará o levantamento de maiores recursos junto a empresas associadas aos equipamentos
envolvidos, uma vez que teremos de posse resultados que servirão como cartões de visita na busca desses recursos.
3.
CONVERSOR I – CHOPPER TIPO CÚK COM ISOLAÇÃO
Este conversor é responsável pela etapa de tratamento de energia entre o gerador e o banco de baterias. Nesta
etapa uma tensão vs = 220 vac fornecida a partir de um grupo gerador, é retificada alimentando um chopper tipo cúk, o
qual fornece uma saída de 96 vdc ao nível compatível com o banco de baterias.
A escolha deste conversor para o atual projeto se deve principalmente às características de entrada e saída de
corrente não pulsada, obtidas devido aos indutores na entrada e saída do mesmo, possibilitando um melhor
recarregamento das baterias, contribuindo para um maior tempo de vida das mesmas, com relação a utilização de
corrente pulsadas.
3.1
Controle do conversor I - Controle por referência não-linear ( non-linear carrier control)
O objetivo do sistema de controle é a regulação da tensão de saída, como também a obtenção de um elevado
fator de potência.
A técnica de controle denominada "Controle por referência não linear" ( non-linear carier control - NLC ),
tem sido proposta para aplicação com vários tipos de conversores como boost, buck-boost, flyback, sepic e cúk
[2][3][7]. A implementação dessa técnica é bastante simples e com a vantagem de utilizar apenas as medições da
corrente na chave principal e da tensão de saída.
O diagrama básico de controle juntamente com o circuito do conversor é mostrado na Figura .6.
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Figura 6. Conversor Cúk – Diagrama básico de contrle
A operação do circuito se dá a uma frequência constante com a chave Q1 é posta em condução no inicio de
cada ciclo e a sua corrente is(t) é integrada, gerando um sinal vq(t) o qual é comparado a uma tensão de controle vc(t)
obtida a partir das relações entre as variáveis do conversor de forma estabelecer o ciclo de trabalho d que satisfaça as
condições para obtenção de uma resistência emulada, vista pela entrada do conversor. Quando os sinais vq(t) e vc(t) se
igualam a chave Q1 é bloqueada.
Os sinais vq(t) e vc(t) são expressos por:
T
R s
v q (t ) = s ò i s (t ) dt
Ts 0
(1)
Vm
M (d )
( 2)
v c (t ) =
Onde:
M (d ) =
d
1− d
(3)
O parâmetro Rs refere-se a resistência de medição e Ts é o inverso da frequência de chaveamento do circuito. A
tensão Vm, é obtida a partir do erro da realimentação da tensão de saída, com a utilização de um compensador
convencional, promovendo dessa forma a regulação da tensão de saída.
Devido aparecimento do ciclo de trabalho d no denominador da expressão de vc(t), é necessário o
estabelecimento de um valor mínimo para este, de forma a evitar problemas de convergência quando d tende a zero.
Com isso a faixa de trabalho fica determinada por:
Dmin. Ts < t < Ts
Onde, Dmin é limite inferior para o ciclo de trabalho. Assim o sinal de controle assume a forma:
ì Vm
ï M (D )
min
ï
vc (t ) = í
ï Vm
ï
î M (d )
para
para
ü
0 < t < Dmin .Ts ï
ï
ý
ï
Dmin .Ts < t < Ts ï
þ
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( 4)
4.
CONVERSOR II – CHOPPER TIPO BOOST EM PONTE
Devido a alta diferença dos níveis de tensão entre o banco de baterias e o inversor trifásico, 96/400 V, o uso de
um transformador elevador se faz necessário, promovendo também uma isolação galvânica do circuito e possibilitando
um melhor fator de utilização das chaves semicondutoras. O circuito para o conversor boost é mostrado na Figura 8.
4.1 – Controle do Conversor II
Nesta etapa a ação de controle será apenas de regular a tensão de saída do conversor o qual alimenta o motor
drive responsável pela tração do veículo.
Para as exigências de projeto a função de transferência do conversor apresenta pólos complexos conjugados o
que fase juntamente com o fato do sistema ser de fase não mínima apressa o atraso de fase. Com isso optou-se pôr um
compensador PI, o qual garante um erro de regime nulo, embora a resposta do conversor se torne lenta devida a estreita
banda passante do sistema em malha fechada. O diagrama básico de controle é mostrado na Figura 8.
Figura 7. Conversor Boost
5.
SUPERVISIONAMENTO DO SISTEMA
O sistema será supervisionado e controlado através de um microcontrolador Motorola M68HC16, a partir do
qual os diversos parâmetros do sistema como: níveis de tensão dos conversores, do banco de baterias, nível ou pressão
do combustível, velocidade e temperatura serão monitorados e/ou controlados
6.
RESULTADOS
Os resultados a serem apresentados foram obtidos a partir de simulações utilizando-se o Pspice.
Na Figura 8 pode-se observar a ação do controlador de fator de potência sobre o conversor Cúk o qual faz com
que a corrente de entrada iL siga a forma de onda da tensão de entrada retificada vs. Também é mostrada a tensão sobre
o capacitor de saída do conversor Vco.
Na Figura 9 são mostradas a tensão no banco de baterias Vbat, a tensão de saída do Cúk Vco e as respectivas
corrente Ibat e Ico.
Na Figura 10 são mostradas a tensão de saída do conversor boost a qual é entregue na entrada do motor drive, e a
corrente de saída do conversor boost para carga nominal em regime Ibo .
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Figura 8 Tensão e corrente retificada do Grupo Gerador
Figura 9. Tensão de saída regulada do conversor Cuk
Figura 10. Tensão de saída do conversor boost
7.
CONCLUSÃO
O trabalho que hora nos propomos a realizar vem a abrir mais um longo caminho a ser percorrido por grupos
de pesquisa dessa instituição.
Dentro de nossas possibilidades econômicas e almejando iniciar um processo que já se desencadeia mundo
afora, essa proposta de trabalho traz em sua essência a comprovação de que o esforço conjunto e a interação de equipes
de pesquisa de áreas diferentes, porém afins, torna possível a realização de trabalhos bem mais significativos, onde além
do conhecimento adquirido são abertas novas perspectivas para temas de trabalhos futuros em ambas as áreas
envolvidas neste processo, e quem sabe outras áreas como por exemplo a Eng. Química.
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A evolução tecnológica nos tempos atuais busca novos rumos, onde a convivência harmoniosa com a natureza
se faz de suprema importância. Dentro dessa ótica nosso objetivo é que através desse esforço conjunto, venhamos a
partilhar da experiência adquirida ao longo dos trabalhos a qual somada a tantas outras, contribua da melhor forma
possível para a realização de novas pesquisas, dentro e fora dessa instituição, uma vez que ter-se-á de posse um
protótipo inicial.
8.
REFERÊNCIAS
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[3] F. Alonge, F. M. Raimondii, P. Scalia. G. Tortorici and A. Urso.Closed-Loop PSPICEtm Simulation of a Unity
Power Factor Off-Line Switcher with Non Linear Carrier Control, 8th European Conferenc on Power Electronics
Conference, CD Rom, 1999.
[4] F. Profumo, A. Tenconi, G. Brusaglino, V. Ravello. Electric and Hybrid Vehicles Tcnology: Ideas for Short and
Long term diffusion in Europe. pp. 1953-1966 Vol.4 - IPEC-Tokyo.2000.
[5] K. Kanari. Recent advances in batttry tecnology for EV and HEV. pp. 1967-1972 Vol.4 IPEC-Tokyo. 2000.
[6] M. Arita, S. Kitada. Overview of recent development of Evs and HEVs in Japan. pp. 1960-1966 Vol.4, IPECTokyo. 2000.
[7] N. Jayaram and D. Maksimovic. Power Correctors Based on coupled- Inductor Sepic and Cúk Converters with
Nonlinear-Carrier Control. pp. 486-474, Vol.4 IEEE APEC, 1998.
[8] R. Q. Riley. Alternative Cars in the 21st Century: a new Personal Transportation Paradigm. Society of
Automotive engineers, Inc. 1994.
[9] R. W. Ericson. Fundamentals of Power Eletronics.Chaman&Hall. 1997.
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