Desenvolvimento de um sistema de interface para baterias de uma bicicleta elétrica

Rodrigo Manuel de Castro Pereira Desenvolvimento de um Sistema de Interface para Baterias de uma Bicicleta Elétrica Outubro de 2022 Rodrigo Manuel de Castro Pereira Desenvolvimento de um Sistema de Interface para Baterias de uma Bicicleta Elétrica Dissertação Submetida na Universidade do Minho para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Eletrónica Industrial e de Computadores Trabalho realizado sob orientação de Professor Doutor Vítor Duarte Fernandes Monteiro Professor Doutor João Luiz Afonso Outubro de 2022 DIREITOS DE AUTOR E CONDIÇÕES DE UTILIZAÇÃO DO TRABALHO POR TERCEIROS Este é um trabalho académico que pode ser utilizado por terceiros desde que respeitadas as regras e boas práticas internacionalmente aceites, no que concerne aos direitos de autor e direitos conexos. Assim, o presente trabalho pode ser utilizado nos termos previstos na licença abaixo indicada. Caso o utilizador necessite de permissão para poder fazer um uso do trabalho em condições não previstas no licenciamento indicado, deverá contactar o autor, através do RepositóriUM da Universidade do Minho. Licença concedida aos utilizadores deste trabalho Atribuição-NãoComercial-SemDerivações CC BY-NC-ND https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ Aos meus pais e irmão. Desenvolvimento de um Sistema de Interface para Baterias de uma Bicicleta Elétrica Rodrigo Manuel de Castro Pereira – Universidade do Minho v A conclusão desta Dissertação de Mestrado não teria sido possível sem o apoio incondicional de um certo número de pessoas, às quais expresso os meus mais sinceros agradecimentos. Primeiramente, quero agradecer à minha família, principalmente aos meus pais, por me darem a oportunidade de frequentar este curso, por me apoiarem durante todo o meu percurso académico e por sempre confiarem em mim. Desejo também agradecer ao meu irmão por estar sempre ao meu lado durante todos estes anos. Gostaria também de agradecer aos meus orientadores, Doutor João Luiz Afonso e Doutor Vítor Duarte Fernandes Monteiro, por toda a disponibilidade e apoio prestados ao longo do desenvolvimento deste trabalho, assim como por todas as palavras de motivação que certamente fizeram a diferença em alguns momentos de dificuldade. Aos meus amigos e colegas de trabalho que também se encontravam no laboratório do GEPE, por toda a ajuda prestada e pelos bons momentos que de certeza serão recordados para a posteridade. Um agradecimento especial aos meus amigos Nuno Rodrigues e Carlos Martins por se mostrarem sempre disponíveis e chegarem a interromper o seu próprio trabalho para me ajudar. Aos alunos de doutoramento e investigadores do GEPE, Luís Barros, José Cunha e Sérgio Coelho pelo apoio, pelos conselhos e por todas as críticas construtivas demonstradas. Ao meu círculo de amigos Do curso, Jorge Pinto, Carlos Ribeiro, João Borlido, José Gomes, Cátia Carneiro, Paulo Pereira, Diogo Cerqueira, Dinis Fernandes, Rui Lima, Inês Pires, Gabriela Viana, Eduardo Fernandes, Simão Leite, Daniel Cunha, Beatriz Machado e João Faria, por estarem comigo desde o início e nunca me abandonarem. Muito obrigado por todo o apoio e por todos os momentos passados ao longo destes cinco anos. Por último, quero agradecer ao meu amigo José Faria pela amizade e pelos momentos passados e ao meu amigo João Martins por acreditar em mim e por estar sempre lá. Desenvolvimento de um Sistema de Interface para Baterias de uma Bicicleta Elétrica Rodrigo Manuel de Castro Pereira – Universidade do Minho vi DECLARAÇÃO DE INTEGRIDADE Declaro ter atuado com integridade na elaboração do presente trabalho académico e confirmo que não recorri à prática de plágio nem a qualquer forma de utilização indevida ou falsificação de informações ou resultados em nenhuma das etapas conducente à sua elaboração. Mais declaro que conheço e que respeitei o Código de Conduta Ética da Universidade do Minho. Desenvolvimento de um Sistema de Interface para Baterias de uma Bicicleta Elétrica Rodrigo Manuel de Castro Pereira – Universidade do Minho vii A poluição atmosférica provocada pelos veículos com motores de combustão interna contínua a ser um dos grandes problemas da esfera global. Os veículos elétricos são considerados uma das principais soluções no que toca à redução da emissão de gases com efeito estufa no setor dos transportes, no entanto, estes ainda apresentam algumas desvantagens que impedem a sua adoção numa escala global, como o seu elevado custo de aquisição, baixa autonomia, elevado tempo de carga e insuficientes postos de carregamento. Nos últimos tempos as bicicletas elétricas têm ganho bastante popularidade a nível global. Estas possuem diversos benefícios como o seu tamanho compacto, baixo custo de aquisição, baixo custo de manutenção e versatilidade. Como estas permitem um uso mais eficiente do espaço podem ajudar na diminuição dos congestionamentos do trânsito e, dependendo do país em questão, não é necessária uma licença para a sua condução. Adicionalmente, as bicicletas elétricas são uma mais-valia no que toca à saúde do utilizador, pois ao pedalar estão a promover o exercício cardiovascular e a desgastar calorias. O auxílio proveniente do motor elétrico pode ainda ajudar o utilizador a percorrer maiores distâncias e em terrenos com maiores inclinações. Nesta dissertação está apresentado o desenvolvimento e implementação de um sistema de carregamento de baterias de uma bicicleta elétrica a partir da rede elétrica e que, devido ao formato compacto, permite que todo o sistema seja de fácil transporte. Ao longo da presente dissertação, é efetuada uma pesquisa sobre a importância das bicicletas elétricas globalmente, a sua história, o mercado em que estão inseridas e os diversos componentes que as constituem. Também é realizada uma análise bibliográfica aos conversores CA-CC e conversores CC-CC utilizados em sistemas de carregamento de baterias de bicicletas elétricas e efetuadas simulações computacionais de modo a validar as topologias escolhidas. Por fim, de modo a validar o funcionamento do sistema proposto, são apresentados os resultados experimentais obtidos durante a realização dos ensaios práticos. Palavras-Chave: Mobilidade Elétrica, Bicicleta Elétrica, Conversores CA-CC, Conversores CC-CC, Sistemas de Carregamento de Baterias. Desenvolvimento de um Sistema de Interface para Baterias de uma Bicicleta Elétrica Rodrigo Manuel de Castro Pereira – Universidade do Minho viii Air pollution caused by vehicles with internal combustion engines continues to be a major problem in the global sphere. Electric vehicles are considered one of the main solutions when it comes to reducing greenhouse gas emissions in the transport sector, however, these still have some disadvantages that prevent their adoption on a global scale, such as their high acquisition cost, low autonomy, high charging time and insufficient charging stations. In recent times electric bicycles have gained substantial global popularity. They have several benefits such as their compact size, low acquisition cost, low maintenance cost, and versatility. Since they allow for a more efficient use of space, they can help ease traffic congestions and, depending on the country in question, they do not require a license to ride. Electric bicycles are very beneficial when it comes to the user's health, they promote cardiovascular exercise and help burn some extra calories. The aid provided by the electric motor can also help the user to cover longer distances and travel through steeper terrains. This dissertation will present the development and implementation of a battery interface system for an electric bicycle that allows charging the batteries of an electric bicycle and has a compact format, so that the whole system is easy to transport. Throughout this dissertation, a research is carried out on the importance of electric bicycles globally, their history, the market in which they are inserted and the various components that constitute them. A literature review of the AC-DC converters and DC-DC converters used in electric bicycle battery charging systems is also carried out, and computer simulations are performed in order to validate the chosen topologies. Finally, in order to validate the operation of the proposed system, the experimental results obtained during the practical tests are presented. Keywords: Electric Mobility, Electric Bicycle, AC-DC Converters, DC-DC Converters, Battery Charging Systems. Desenvolvimento de um Sistema de Interface para Baterias de uma Bicicleta Elétrica Rodrigo Manuel de Castro Pereira – Universidade do Minho ix ÍNDICE Agradecimentos .................................................................................................................................................................. v Resumo ............................................................................................................................................................................. vii Abstract ............................................................................................................................................................................ viii Lista de Figuras ..................................................................................................................................................................xi Lista de Tabelas ............................................................................................................................................................... xiv Acrónimos e Siglas ............................................................................................................................................................ xv Capítulo 1 Introdução ............................................................................................................................................ 1 A Importância das Bicicletas Elétricas ................................................................................................................ 1 História da Bicicleta Elétrica ............................................................................................................................... 2 O Mercado das Bicicletas Elétricas ..................................................................................................................... 4 Motivações ........................................................................................................................................................ 6 Objetivos ........................................................................................................................................................... 6 Organização e Estrutura da Dissertação ............................................................................................................. 7 Capítulo 2 Elementos Constituintes da Bicicleta Elétrica ......................................................................................... 9 Introdução ......................................................................................................................................................... 9 Tecnologias de Baterias ..................................................................................................................................... 9 2.2.1 Tipos de Baterias .................................................................................................................................. 9 2.2.2 Modelo Elétrico de uma Bateria ........................................................................................................... 12 2.2.3 Métodos de Carregamento de Baterias ................................................................................................ 13 Carregadores de Baterias para Bicicletas Elétrica ............................................................................................. 15 Motores Elétricos ............................................................................................................................................. 16 2.4.1 Motor de Corrente Continua (CC) ........................................................................................................ 16 2.4.2 Motor Brushless Direct Current (BLDC) ............................................................................................... 17 2.4.3 Posicionamento do Motor .................................................................................................................... 17 Tipos de Sensores da Pedaleira ........................................................................................................................ 19 2.5.1 Sensor de Cadência ............................................................................................................................ 19 2.5.2 Sensor de Binário................................................................................................................................ 20 Controladores para Bicicletas Elétricas ............................................................................................................. 21 Conclusão ....................................................................................................................................................... 21 Capítulo 3 Sistemas de Carregamento de Baterias para Bicicletas Elétricas .......................................................... 23 Introdução ....................................................................................................................................................... 23 Conversores de Eletrónica de Potência CA-CC .................................................................................................. 23 Conversores de potência CC-CC ....................................................................................................................... 25 3.3.1 Conversor CC-CC Unidirecional Não Isolado Buck ................................................................................ 25 3.3.2 Conversor CC-CC Unidirecional Não Isolado Boost ............................................................................... 27 3.3.3 Conversor CC-CC Unidirecional Isolado Flyback ................................................................................... 28 3.3.4 Conversor CC-CC Unidirecional Isolado Forward .................................................................................. 29 Desenvolvimento de um Sistema de Interface para Baterias de uma Bicicleta Elétrica Rodrigo Manuel de Castro Pereira – Universidade do Minho 1 A Importância das Bicicletas Elétricas As emissões de gases de escape provenientes dos veículos com motor de combustão interna são parte da razão pela qual o planeta enfrenta problemas relacionados com poluição atmosférica [1]. Por esta razão a União Europeia planeia acelerar o processo de troca de veículos a combustão por veículos elétricos, sendo uma das propostas efetuadas por estes a proibição de venda de novos carros a combustão (a gasóleo e gasolina) a partir de 2035 [2]. Dentre os veículos elétricos, as bicicletas elétricas têm recebido muita atenção a nível mundial devido aos seus benefícios. Estas permitem um uso mais eficiente de espaço devido ao seu tamanho compacto, ajudam na diminuição dos congestionamentos do trânsito e podem atravessar diversos tipos de terrenos, o que as torna mais flexíveis em relação a outros veículos elétricos. As bicicletas elétricas também contam com um custo de compra inferior em relação aos outros veículos elétricos, assim como um baixo custo de manutenção, e dependendo do país em questão não precisam de pagar seguro, impostos de circulação ou de licença para a sua condução [1]. Além disso, as bicicletas elétricas são consideradas um meio de transporte saudável pois promovem o exercício físico [1]. Mesmo com a assistência fornecida pelo motor elétrico que auxilia o utilizador na sua viagem, não é necessário que o utilizador realize tanto esforço em terrenos acidentados ou em colinas, pois continuam a ter de pedalar, o que resulta no desgaste de calorias e também num ótimo exercício cardiovascular que pode ajudar a trabalhar os músculos e a aumentar a resistência do utilizador. O ciclismo pode também ajudar na saúde mental do utilizador pois permite a este exercitar no exterior e até mesmo perto da natureza, o ar puro e a mudança de cenário ajudam a melhorar o humor, reduzir o stresse e até aumentar a produtividade [3]. Capítulo 1 - Introdução Desenvolvimento de um Sistema de Interface para Baterias de uma Bicicleta Elétrica Rodrigo Manuel de Castro Pereira – Universidade do Minho 2 História da Bicicleta Elétrica Segundo as patentes disponíveis, as primeiras versões da bicicleta elétrica apareceram nos Estados Unidos da América no final do século XIX. Em 1895, Ogden Bolton Jr., patenteou a invenção de uma bicicleta elétrica com um motor de corrente contínua (CC) de seis pólos acoplado na roda traseira. Os enrolamentos do motor eram bobinedos especificamente para que este pudesse operar a baixas tensões com elevadas correntes e o controlo de velocidade do mesmo era alcançado através da variação de um reóstato localizado no guiador da bicicleta [4]. Figura 1.1 – Primeira bicicleta elétrica, patenteada por Ogden Bolton Jr. em 1895 [4]. Em 1897, Hosea W. Libbey , inventou uma bicicleta elétrica que dispunha de dois motores elétricos acoplados ao eixo da pedaleira. Os motores eram conectados à roda traseira da bicicleta elétrica através de uma corrente e de uma roda dentada em ambos os lados da bicicleta. Esta configuração permitia ao utilizador utilizar apenas um dos motores em terrenos planos e ambos em terrenos com maior inclinação, permitindo assim uma maior facilidade no que toca à propulsão da bicicleta elétrica nestas condições, contribuindo então com maior tração para a roda traseira [5]. Figura 1.2 - Bicicleta elétrica desenvolvida por Hosea W. Libbey em 1897 [5]. Em 1898, Gordon John Scott , inventou uma bicicleta elétrica que utilizava um dínamo em vez de uma bateria. Nesta o utilizador através do movimento de rotação dos pedais, conectados ao dínamo através Capítulo 1 - Introdução Desenvolvimento de um Sistema de Interface para Baterias de uma Bicicleta Elétrica Rodrigo Manuel de Castro Pereira – Universidade do Minho 3 de um sistema de polia e correia, conseguia gerar energia elétrica, de modo a alimentar o motor que proporcionava tração à roda traseira. O conceito seria que o utilizador poderia pedalar a uma velocidade constante em qualquer terreno, sendo que o motor trataria da variação de velocidade da bicicleta consoante a dificuldade e inclinação do terreno, dispensando assim o uso de sistemas de engrenagens mais complexos [6]. Figura 1.3 - Bicicleta elétrica desenvolvida por Gordon John Scott em 1898 [6]. Em 1899, John Schnepf , inventou um dispositivo cabaz de adaptar qualquer bicicleta ordinária numa bicicleta elétrica. Este dispositivo consistia num motor elétrico montado no quadro da bicicleta, conectado a uma polia com ranhuras que se encontrava posicionada no cimo da roda traseira, em contacto com a mesma. Esta polia friccionava a roda traseira de maneira a esta obter tração. Este sistema poderia ser utilizado com, ou sem a utilização conjunta dos pedais e permitia o carregamento da bateria em descidas com o motor a funcionar como gerador [7]. Figura 1.4 - Bicicleta elétrica desenvolvida por John Schnepf em 1899 [7]. As bicicletas elétricas continuaram a ser desenvolvidas durante o século XX, no entanto foi a partir da década de 90 do mesmo que se observaram os desenvolvimentos mais significativos. Foi também durante este período que as bicicletas elétricas começaram a ser comercializadas ao público, sendo a bicicleta PAS (Power Assist System) da marca japonesa Yamaha a primeira do mundo a ser Capítulo 1 - Introdução Desenvolvimento de um Sistema de Interface para Baterias de uma Bicicleta Elétrica Rodrigo Manuel de Castro Pereira – Universidade do Minho 4 comercializada em 1993. Esta pesava 31 kg e possuía um motor CC de escovas com uma potência de 235 W, assim como uma autonomia de 20 km [8]. Figura 1.5 - Bicicleta Elétrica PAS (Power Assist System) da marca japonesa Yamaha [8] . Outras inovações substanciais para a evolução da bicicleta elétrica nesta época foram os sensores de binário, que permitiam um controlo mais preciso da energia fornecida ao motor aumentando a eficiência, e os sistemas de redução mecânica de engrenagens acoplados ao motor elétrico, que permitiam um aumento do binário oferecido na propulsão da bicicleta elétrica sem o aumento adicional de corrente, aumentando a vida útil da bateria. A investigação e desenvolvimento da bicicleta elétrica contínua até aos dias de hoje com muitas outras inovações. Atualmente, em Portugal, segundo o Decreto-Lei n.º 102-B/2020, as bicicletas elétricas são consideradas velocípedes equipados com um motor auxiliar. Estas podem contar com uma potência máxima contínua de 1,0 kW, cuja alimentação é reduzida progressivamente com o aumento da velocidade e interrompida ao atingir a velocidade de 25 km/h, ou se o utilizador deixar de pedalar. No caso do desrespeito destas características técnicas o utilizador pode sofrer uma coima de 60 a 300 euros e o veículo será apreendido de imediato [9]. O Mercado das Bicicletas Elétricas A pandemia imposta pelo vírus do Covid-19 impulsionou um grande aumento no ciclismo, levando à rutura de estoque de bicicletas em muitas das lojas na Europa durante os primeiros meses de isolamento. Espera-se que na Europa sejam vendidas mais 10 milhões de bicicletas por ano em 2030, um aumento de 47% em relação ao ano de 2019. No total, os 30 milhões de vendas de bicicletas por ano serão mais do dobro que os carros de passageiros registados por ano na União Europeia na atualidade. Nas bicicletas Capítulo 1 - Introdução Desenvolvimento de um Sistema de Interface para Baterias de uma Bicicleta Elétrica Rodrigo Manuel de Castro Pereira – Universidade do Minho 5 elétricas espera-se um crescimento dos 3,7 milhões de bicicletas vendidas no ano de 2019 para 17 milhões no ano de 2030 [10]. Figura 1.6 - Projeção de vendas de bicicletas na Europa até ao ano de 2030 [10]. Nos Estados Unidos da América o número de bicicletas elétricas vendidas no ano de 2020 rondava as 500 mil. Em comparação, o número de carros elétricos vendidos no mesmo período rondava os 230 mil. Mundialmente é expectado que o número de vendas de bicicletas elétricas entre 2020 e 2023 seja de 130 milhões e, de momento, tudo aparenta para que o veículo elétrico mais vendido no mundo seja a bicicleta elétrica [11]. Portugal é o maior produtor de bicicletas na Europa, contando com quase um quarto da cota do mercado, sendo que a vertente elétrica das mesmas representa 40% da produção. Em 2020 voltou a bater o recorde de exportações, cerca de 424 milhões de euros, um acréscimo de 5% em comparação com 2019 [12][13]. Uma das principais produtoras de bicicletas elétricas portuguesa é a BEEQ, esta é uma marca da RTE, uma das principais fabricantes de bicicletas na Europa, com sede em Vila Nova de Gaia. Atualmente a BEEQ dispões de 5 modelos de bicicletas elétricas, um deles denominado de C800 Trekking, e vencedor do prémio Melhor Veículo LEV ( Light Electric Vehicle ) 2020 nos Global Mobi Awards Prio [14]. A C800 Trekking possui um quadro em alumínio com tubos hidroformados para maior robustez e integração completa da bateria e do motor. Esta também conta com um motor elétrico BROSE DRIVE S com 250 W de potência e 90 Nm de binário, assim como, uma bateria de 504 Wh de capacidade e uma tensão de 36 V. Tem 4 modos de assistência, uma autonomia entre os 40 km a 100 km e pode ser adquirida pelo preço de 2299 euros [14]. Capítulo 1 - Introdução Desenvolvimento de um Sistema de Interface para Baterias de uma Bicicleta Elétrica Rodrigo Manuel de Castro Pereira – Universidade do Minho 6 Figura 1.7 - Bicicleta elétrica C800 Trekking da marca BEEQ [14]. Motivações Em consequência aos problemas energéticos e ambientais enfrentados na atualidade, os veículos elétricos são cada vez uma opção mais popular, a aposta na mobilidade elétrica é um fator chave no que toca à sustentabilidade ambiental uma vez que esta permite a utilização de energias renováveis em substituição dos combustíveis fósseis e contribui para a redução da emissão de gases poluentes. Dentro dos veículos elétricos, as bicicletas elétricas são a melhor solução no que toca às deslocações de curta distância em meios urbanos. Nos dias de hoje o mercado das bicicletas elétricas conta com um elevado crescimento, pois estas oferecem várias vantagens ao seu utilizador face a outros meios de transporte como baixo custo de aquisição, utilização e manutenção, assim como o benefício da atividade física proporcionada. Para além disto, as bicicletas elétricas também contribuem para o descongestionamento do tráfego devido ao seu tamanho reduzido, e para uma melhor organização dos meios urbanos sendo que um lugar de estacionamento normal de um automóvel pode acomodar até dez bicicletas elétricas. Objetivos O principal objetivo desta dissertação é o desenvolvimento de um protótipo de um carregador unidirecional capaz de realizar o carregamento de uma bateria de iões de lítio presente numa bicicleta elétrica, de forma segura e eficiente. Este também deve possuir um tamanho compacto para que possa ser facilmente transportado. Para tal, o desenvolvimento desta dissertação passa pela concretização dos seguintes objetivos: • Pesquisa e estudo do estado da arte dos diferentes sistemas de carregamento de baterias para bicicletas elétricas; Capítulo 1 - Introdução Desenvolvimento de um Sistema de Interface para Baterias de uma Bicicleta Elétrica Rodrigo Manuel de Castro Pereira – Universidade do Minho 7 • Pesquisa dos conversores de eletrónica de potência e algoritmos de controlo utilizados no carregamento de baterias de iões de lítio; • Estudo, através de simulações computacionais, utilizando a ferramenta de simulação PSIM, de estratégias de controlo e topologias aplicáveis ao sistema a implementar; • Estudo do controlador a utilizar para controlo de todos os parâmetros necessários, de forma a garantir o correto funcionamento do sistema; • Projeto, dimensionamento e implementação da Printed Circuit Board (PCB) com a integração dos sistemas de controlo e de potência num formato compacto; • Realização de ensaios ao carregador de baterias em laboratório, de modo a comprovar os objetivos propostos. Organização e Estrutura da Dissertação Nesta dissertação é descrito o desenvolvimento de um sistema de carregamento unidirecional de uma bateria de iões de lítio para uma bicicleta elétrica. Desta forma, o presente documento encontra-se estruturado em sete capítulos distintos. No Capítulo 1, são enumerados os vários fatores pelos quais a bicicleta elétrica representa um elementochave para o futuro do transporte pessoal de curtas e médias distâncias, também é apresentada uma breve história sobre a bicicleta elétrica, assim como, uma descrição da corrente legislação portuguesa e a atualidade do mercado para as mesmas. No Capítulo 2, são apresentados e analisados alguns dos elementos constituintes de uma bicicleta elétrica, tais como, as baterias, os carregadores, os motores, os sensores e os controladores. Também será apresentado o modelo elétrico da bateria que será utilizado nas simulações computacionais a realizar e os processos de carga e descarga das baterias presentes nas bicicletas elétricas. No Capítulo 3, são apresentados os conversores de eletrónica de potência mais utilizados no carregamento de baterias de iões de lítio. Tento em consideração o tema escolhido, apenas serão abordadas as topologias indicadas para as potências por norma encontradas neste tipo de sistemas de carregamento de baterias para bicicletas elétricas. No Capítulo 4, são expostas as simulações computacionais do sistema proposto, realizadas na plataforma PSIM. Os resultados obtidos nestas simulações são essenciais no estudo e planificação do conversor de eletrónica de potência e pretendem ser o mais próximo possível das condições reais. Capítulo 1 - Introdução Desenvolvimento de um Sistema de Interface para Baterias de uma Bicicleta Elétrica Rodrigo Manuel de Castro Pereira – Universidade do Minho 8 No Capítulo 5, é exposta toda a implementação do sistema desenvolvido de forma detalhada, justificando todas as escolhas dos componentes escolhidos e os pormenores relevantes à conceção da PCB desenvolvida. No Capítulo 6, são apresentados e discutidos os resultados experimentais, obtidos sobre diferentes condições de operação, de maneira a comprovar o funcionamento do sistema. No Capítulo 7, são apresentadas as conclusões de todo o trabalho realizado ao longo da dissertação. Com base nestas, são também referidos quais os principais aspetos que poderão vir a ser melhorados num trabalho futuro. Desenvolvimento de um Sistema de Interface para Baterias de uma Bicicleta Elétrica Rodrigo Manuel de Castro Pereira – Universidade do Minho 9 Introdução Neste capítulo serão abordados alguns aspetos de elevada relevância para a compreensão e realização deste projeto, incidindo este numa análise aos sistemas de armazenamento de energia utilizados em bicicletas elétricas e noutros dos principais elementos constituintes das mesmas. Inicialmente serão apresentados os principais tipos de baterias recarregáveis utilizadas nas bicicletas elétricas, assim como o modelo elétrico da bateria que será utilizado nas simulações computacionais a realizar, e os processos de carga e descarga das baterias. De seguida será efetuada uma breve explicação sobre o funcionamento dos motores elétricos utilizados nas bicicletas elétricas, assim como o seu posicionamento na bicicleta. Serão ainda apresentados os tipos de sensores de pedaleira mais utilizados e, por último será realizada uma breve explicação sobre a função de um controlador para bicicletas elétricas. Tecnologias de Baterias Dentro dos sistemas de armazenamento de energia existentes são os eletroquímicos, mais propriamente as baterias, os utilizados em bicicletas elétricas. As baterias são dispositivos capazes de armazenar energia elétrica através de reações eletroquímicas que ocorrem no seu interior. As baterias podem ser subdivididas em duas categorias, as primárias que apenas fornecem energia elétrica uma vez após a sua produção, não podendo ser recarregadas, e as secundárias que podem ser recarregadas um número finito de vezes, sendo por isso muito mais vantajosas em termos ambientais. 2.2.1 Tipos de Baterias As baterias são uma parte indispensável das bicicletas elétricas, visto que são estas que armazenam a energia elétrica necessária para a alimentação do motor elétrico, fornecendo assim a assistência necessária ao utilizador. Os tipos de baterias mais utilizados nas bicicletas elétricas são: chumbo-ácido (PbA); níquel-cádmio (NiCd); níquel-hidreto-metálico (NiMH); iões de lítio (Li-ion); e iões de lítio polímero (Li-Pol). Capítulo 2 - Sistemas de Armazenamento de Energia e Outros Elementos Constituintes da Bicicleta Elétrica Desenvolvimento de um Sistema de Interface para Baterias de uma Bicicleta Elétrica Rodrigo Manuel de Castro Pereira – Universidade do Minho 10 2.2.1.1 Bateria de Ácido-Chumbo (PbA) A bateria de chumbo-ácido foi inventada em 1859 pelo físico francês Gaston Planté e foi o primeiro tipo de bateria recarregável a ser desenvolvida. Estas têm como vantagens o seu baixo custo, facilidade de reciclar, robustez e capacidade de fornecer elevadas correntes de pico, no entanto possuem baixa densidade energética, elevado tempo de carregamento e ciclos de vida útil limitados alinhados à redução de vida útil quando são realizados descarregamentos totais repetidamente. Apesar das suas desvantagens estas são utilizadas nos mais diversos tipos de aplicações, tais como sistemas de armazenamento de energia off-grid , UPS ( uninterruptible power supplies ), scooters elétricas, cadeiras de rodas elétricas, carros de golf, submarinos e nos automóveis a combustão convencionais para o acionamento do motor de arranque que necessita de ser providenciado com uma elevada corrente [15]. Existem dois principais tipos de baterias de chumbo-ácido, as FLA ( flooded lead acid ) e as SLA ( sealed lead acid ). As baterias FLA são o tipo de baterias de chumbo-ácido mais comuns, nestas o elemento eletrolítico é composto por uma solução aquosa e de ácido sulfúrico, fazendo com que algumas das mesmas necessitem de manutenção periódica através da adição de água e com que a sua montagem tenha de ser efetuada corretamente de modo a evitar derrames. As baterias SLA, também conhecidas por VRLA ( valve regulated lead acid ) podem ser divididas em dois tipos as AGM ( absorbed glass mat ) e as de Gel. Ao contrário das baterias FLA estas quase não necessitam de manutenção e possuem outras vantagens tais como uma menor resistência interna [16]. 2.2.1.2 Bateria de Níquel-Cádmio (NiCd) A bateria de níquel-cádmio foi inventada em 1899 pelo sueco Waldemar Jungner, numa altura em que o único competidor direto a esta era a bateria de chumbo-ácido. Esta é composta por diversos metais como Níquel, Cádmio, Ferro e Potássio e tem uma diversa gama de tamanhos e capacidades. Comparativamente a outros tipos de baterias as de níquel-cádmio oferecem um bom ciclo de vida e performance a baixas temperaturas, assim como uma boa capacidade e elevadas taxas de descarga. No entanto, estas baterias são mais caras que as de chumbo-ácido e têm elevadas taxas de auto descarga [17]. Estas baterias foram em tempos utilizadas em diversos dispositivos eletrónicos portáteis, mas a capacidade superior das baterias de níquel-hidreto metálico e o seu preço inferior acabou por as substituir. Além disso, o impacto ambiental da eliminação das mesmas também levou à sua redução de utilização. Hoje me dia, estas só podem ser adquiridas para certos tipos de equipamentos, como por exemplo, dispositivos médicos [17]. Capítulo 2 - Sistemas de Armazenamento de Energia e Outros Elementos Constituintes da Bicicleta Elétrica Desenvolvimento de um Sistema de Interface para Baterias de uma Bicicleta Elétrica Rodrigo Manuel de Castro Pereira – Universidade do Minho 17 2.4.2 Motor Brushless Direct Current (BLDC) O motor brushless direct current (BLDC), é um motor que não utiliza escovas. Nestes, o rotor é um íman permanente e as bobines encontram-se fixas no estator. Como as bobines não estão em rotação, não existe a necessidade de um motor deste tipo ter escovas ou um comutador. O movimento de rotação é realizado pelo íman permanente. A rotação é alcançada ao alterar a direção dos campos magnéticos gerados pelas bobines estacionárias que se encontram em torno do íman permanente. Para controlar a sua rotação, é necessário ajustar-se a magnitude e a direção da corrente nas bobines [28][29]. Uma das grandes vantagens do motor BLDC é a sua eficiência, pois estes motores podem ser controlados para operarem continuamente com binário máximo. Para um motor CC fornecer o mesmo binário que um motor BLDC equivalente, este precisaria de ímanes maiores. Essa é a razão pela qual os motores BLDC conseguem fornecer uma potência considerável com um tamanho reduzido [28][29]. Como os motores BLDC podem ser controlados através de mecanismos de feedback, estes podem fornecer com precisão o binário e a rotação necessários. Esta precisão no controlo dos mesmos, ajuda a reduzir o consumo de energia. Os motores BLDC também podem oferecer uma alta durabilidade e baixo ruído devido à inexistência de escovas [28][29]. Tabela 2.1 – Comparação entre o motor CC com escovas e o motor BLDC (baseado em [29]). Características Motor CC com Escovas Motor BLDC Vida útil Curta (devido à presença de escovas) Longa Velocidade/Binário Média (o atrito das escovas em altas velocidades prejudica o binário) Alta Eficiência Média (devido à queda de tensão nas escovas) Alta Ruído elétrico Ruidoso (devido à geração de um arco elétrico nas escovas) Silencioso Custo Baixo Médio (devido à existência de ímanes permanentes dispendiosos) 2.4.3 Posicionamento do Motor As bicicletas elétricas da atualidade possuem diferentes tipos de posicionamento do motor. Sendo os mais utilizados o sistema Mid-Drive Motor e o sistema Hub-Drive Motor [30]. Capítulo 2 - Sistemas de Armazenamento de Energia e Outros Elementos Constituintes da Bicicleta Elétrica Desenvolvimento de um Sistema de Interface para Baterias de uma Bicicleta Elétrica Rodrigo Manuel de Castro Pereira – Universidade do Minho 18 No sistema Mid-Drive Motor , o motor encontra-se no centro do quadro da bicicleta entre os pedais e utiliza um sistema de engrenagens que funciona em conjunto com as engrenagens da bicicleta. Este sistema assegura uma maior eficiência e faz com que seja mais fácil pedalar em subidas e em trajetos montanhosos. O seu posicionamento baixo e centrado, garante um bom centro de gravidade, ajudando a estabilidade da bicicleta. No entanto, devido à sua complexidade, pode requerer de mais manutenção que um sistema Hub-Drive Motor e também é mais ruidoso e volumoso [31]. Figura 2.7 – Posicionamento do sistema Mid-Drive Motor. No sistema Hub-Drive Motor , o motor é posicionado no cubo de uma das rodas da bicicleta, sendo o mais fácil colocar o motor no cubo da roda dianteira, fazendo com que a bicicleta tenha tração em ambas as rodas, o que pode ajudar em certos terrenos. No entanto, o peso do motor no cubo da roda dianteira pode ser demasiado, fazendo com que a mesma perca a tração em terrenos inclinados e em condições húmidas. Posicionar o motor no cubo da roda traseira oferece mais equilíbrio e uma sensação mais natural de utilização. O sistema Hub-Drive Motor necessita de menos manutenção que o sistema MidDrive Motor , pois este não adiciona nenhum stress extra à correia de transmissão da bicicleta pois não está conectado ao sistema de pedais. A maioria dos sistemas Hub-Drive Motor têm uma redução fixa, sendo menos eficientes em colinas ingremes que os sistemas Mid-Drive Motor [31]. Figura 2.8 - Posicionamento do sistema Hub-Drive Motor: (a) Roda dianteira; (b) Roda traseira. (a) (b) Capítulo 2 - Sistemas de Armazenamento de Energia e Outros Elementos Constituintes da Bicicleta Elétrica Desenvolvimento de um Sistema de Interface para Baterias de uma Bicicleta Elétrica Rodrigo Manuel de Castro Pereira – Universidade do Minho 19 Outro exemplo de posicionamento do motor menos utilizado é o sistema Friction-Drive Motor . Neste o motor é instalado perto de uma das rodas da bicicleta, e uma pequena roda acoplada ao seu eixo faz contacto com o pneu, friccionando-o e auxiliando o movimento de rotação da roda. Este tipo de sistema é o mais fácil de se instalar de modo a converter uma bicicleta convencional numa bicicleta elétrica, mas, no entanto, possuí várias desvantagens, como o desgaste adicional dos pneus e a falta de eficiência [30]. Figura 2.9 – Posicionamento do sistema Friction-Drive Motor. Tipos de Sensores da Pedaleira As bicicletas elétricas necessitam de sensores para determinar a potência necessária a ser fornecida pelo motor, de modo a assistir o utilizador. Existem dois principais tipos de sensores para desempenhar esta função, sensores de cadência e sensores de binário [32]. 2.5.1 Sensor de Cadência O sensor de cadência é dos mais utilizados nas bicicletas elétricas, este utiliza os dados da pedaleira para determinar quando o utilizador está a pedalar e o quão rápido os pedais se estão a mexer. Estes sensores são baratos, fáceis de instalar e de substituir, fazendo com que as bicicletas elétricas equipadas com os mesmos sejam menos dispendiosas. Numa bicicleta elétrica com um sensor de cadência, o motor fornece a potência dependendo da velocidade dos pedais e do modo de assistência escolhido. O problema com os sensores de cadência nesta aplicação, é que proporcionam uma assistência pouco precisa e por vezes desnecessária [32]. Capítulo 2 - Sistemas de Armazenamento de Energia e Outros Elementos Constituintes da Bicicleta Elétrica Desenvolvimento de um Sistema de Interface para Baterias de uma Bicicleta Elétrica Rodrigo Manuel de Castro Pereira – Universidade do Minho 20 Figura 2.10 – Sensor de cadência da marca Aventon [33]. 2.5.2 Sensor de Binário O sensor de binário, por outro lado, mede o binário aplicado pelo utilizador durante a rotação da pedaleira. Este tipo de sensores consegue ser um melhor indicador de esforço do utilizador, sendo assim possível variar a resposta de assistência do motor de forma mais dinâmica. Por exemplo, em situações de maior inclinação, o utilizador não tem a necessidade de alterar o modo de assistência para incrementar a potência fornecida pelo motor pois, o sensor de binário consegue medir o aumento da força exercida pelo utilizador na pedaleira. Este tipo de resposta intuitiva cria uma sensação muito mais natural de utilização e possibilita a extensão da vida útil da bateria devido à sua superior eficiência comparativamente a sensores de cadência [32]. Figura 2.11 – Sensor de binário utilizado na bicicleta elétrica Riverside 500E, fabricada pela Decathlon [34] . Capítulo 2 - Sistemas de Armazenamento de Energia e Outros Elementos Constituintes da Bicicleta Elétrica Desenvolvimento de um Sistema de Interface para Baterias de uma Bicicleta Elétrica Rodrigo Manuel de Castro Pereira – Universidade do Minho 21 Controladores para Bicicletas Elétricas Os controladores para bicicletas elétricas são a peça fundamental que controla o funcionamento do motor em função dos parâmetros obtidos. Estes parâmetros dependem da topologia da bicicleta elétrica, qual o tipo de motor, o sensor de pedaleira escolhido, entre outros variando o nível de complexidade requerida pelo controlador. O controlador também é responsável por garantir que os parâmetros legais são cumpridos, tais como o limite de velocidade máxima e que o auxílio proveniente do motor só atua quando o utilizar se encontra a pedalar. Este tipo de dispositivo também pode oferecer opções de proteção contra subtensões, sobretensões, sobre temperaturas, sobre correntes, entre outras. Na Figura 2.12 é possível observar um controlador de velocidade para bicicletas elétricas equipadas com motores BLDC, da marca TopBikeKit. Este controlador é compatível com motores BLDC com uma potência nominal de até 250 W, deve ser alimentado com uma tensão de 36 V e possuí proteção contra subtensões, caso a tensão de alimentação seja inferior a 30 V. Para além disso, este controlador tem uma corrente contínua de saída de 7 A e consegue suportar até 15 A de correntes de pico. Relativamente ao controlo, este controlador faz uso de um sensor de cadência na pedaleira e permite escolher entre quatro modos de assistência. Figura 2.12 – Controlador de velocidade para bicicletas elétricas equipadas com motores BLDC, da marca TopBikeKit. Conclusão No decorrer deste capítulo foram estudados e abordados diversos assuntos relacionados com sistemas de armazenamento de energia e componentes constituintes das bicicletas elétricas. Primeiramente, foram abordadas as diferentes topologias de baterias elétricas e os métodos de carregamento mais Capítulo 2 - Sistemas de Armazenamento de Energia e Outros Elementos Constituintes da Bicicleta Elétrica Desenvolvimento de um Sistema de Interface para Baterias de uma Bicicleta Elétrica Rodrigo Manuel de Castro Pereira – Universidade do Minho 22 utilizados, sendo escolhido o carregamento por corrente constante seguida de tensão constante para utilização nas seguintes simulações computacionais. Foram também analisadas as características dos carregadores de baterias de bicicletas elétricas disponíveis no mercado atualmente. De seguida foram abordados os diferentes tipos de motores elétricos utilizados nas bicicletas elétricas, sendo realizado um comparativo sobre as vantagens e desvantagens de cada um. Foram também estudados os diferentes posicionamentos que os motores elétricos podem ocupar numa bicicleta elétrica e qual a diferença em termos de comportamento que seria possível experienciar. Por fim, foram analisados os diferentes tipos de sensores da pedaleira utilizados: o sensor de cadência e o sensor binário. Foi também realizada uma pequena exposição ao funcionamento dos controladores para bicicletas elétricas e o seu papel no esquema geral de operação de uma bicicleta elétrica. Desenvolvimento de um Sistema de Interface para Baterias de uma Bicicleta Elétrica Rodrigo Manuel de Castro Pereira – Universidade do Minho 23 Introdução No decorrer deste capítulo serão apresentadas as topologias de conversores de potência mais utilizadas no carregamento das baterias de bicicletas elétricas. Primeiramente serão abordados os conversores de potência CA-CC e de seguida os conversores de potência CC-CC, ambos necessários no desenvolvimento da topologia completa de carregamento. Após a análise das características de todos os conversores abordados neste capítulo, será efetuada a escolha das topologias a implementar na realização da presente dissertação de mestrado. No final deste capítulo, serão também analisados os circuitos snubber que têm como objetivo a redução do stresse elétrico presente nos terminais dos semicondutores durante as comutações, sendo estes frequentemente adicionados aos conversores de potência presentes no mercado. Conversores de Eletrónica de Potência CA-CC Os conversores de potência CA-CC, também denominados de retificadores, são dispositivos eletrónicos capazes de converter corrente alternada em corrente contínua. Este tipo de conversores é extremamente popular devido ao facto de diversos dispositivos eletrónicos que operam com corrente contínua utilizarem a rede elétrica como principal fonte de alimentação. Conforme a aplicação, estes conversores de potência podem ser monofásicos ou trifásicos, para além disso consoante o nível de complexidade do sistema, estes conversores podem ainda ser classificados como controlados ou não controlados. Os conversores de potência não controlados caracterizam-se pelo facto de utilizarem díodos para as comutações. O retificador monofásico de meia onda e o retificador monofásico de onda completa são dois exemplos de conversores de potência CA-CC monofásicos não controlados. A diferença entre os dois é que o retificador monofásico de onda completa possibilita a conversão de ambos os semiciclos do sinal Capítulo 3– Sistemas de Carregamento de Baterias para Bicicletas Elétricas Desenvolvimento de um Sistema de Interface para Baterias de uma Bicicleta Elétrica Rodrigo Manuel de Castro Pereira – Universidade do Minho 24 sinusoidal de entrada, enquanto o retificador monofásico de meia onda apenas possibilita a conversão de um dos semiciclos [35]. Figura 3.1 - Retificador monofásico de meia onda não controlado. O retificador monofásico de onda completa é constituído por quatro díodos de potência, sendo que durante o semiciclo positivo os díodos 𝐷1 e 𝐷4 conduzem enquanto os díodos 𝐷2 e 𝐷3 se encontram inversamente polarizados. No semiciclo negativo o inverso acontece, ficando os díodos 𝐷2 e 𝐷3 a conduzir enquanto os díodos 𝐷1 e 𝐷4 se encontram inversamente polarizados. Neste conversor é normalmente utilizado um filtro capacitivo na sua saída de modo a estabilizar a tensão de saída (𝑉𝐶𝐶), no entanto como este se trata de um conversor não controlado, não é possível controlar o valor específico dessa tensão (𝑉𝐶𝐶), sendo esse valor definido pelo valor máximo da tensão de pico do sinal sinusoidal de entrada [35]. Figura 3.2 - Retificador monofásico de onda completa não controlado. Os conversores controlados podem considerar-se semi-controlados se utilizarem tirístores convencionais, que apenas permitem controlar o momento inicial de condução, desligando se a partir do momento em que a corrente passa a ser nula, ou então totalmente controlados, fazendo uso de semicondutores comutáveis, estes permitem o controlo do momento de entrada e de saída de condução. Os conversores totalmente controlados são maioritariamente utilizados em aplicações trifásicas que envolvam grandes Capítulo 3– Sistemas de Carregamento de Baterias para Bicicletas Elétricas Desenvolvimento de um Sistema de Interface para Baterias de uma Bicicleta Elétrica Rodrigo Manuel de Castro Pereira – Universidade do Minho 25 potências, enquanto os conversores não controlados são principalmente utilizados em aplicações monofásicas de baixa potência, como por exemplo no carregamento de dispositivos móveis devido à sua simplicidade e custo reduzido [35]. Conversores de potência CC-CC Os conversores de potência CC-CC são utilizados para regular a tensão de alimentação de cargas, quando esta não se encontra dentro dos valores pretendidos. Assim sendo, estes conversores são capazes de converter uma tensão ou corrente contínua com uma certa amplitude, noutra tensão ou corrente contínua com uma amplitude diferente. A tensão de saída pode ser, superior, inferior ou igual à tensão de entrada, dependendo da topologia do conversor escolhido, sendo o objetivo manter um valor de tensão de saída constante independentemente das variações que possam existir na entrada do mesmo. Estes conversores podem ser classificados como isolados ou não isolados, dependendo da existência ou não de um isolamento galvânico, proporcionado por um transformador de alta-frequência. Os conversores não isolados são normalmente utilizados nas aplicações de baixa potência, em topologias como buck , boost e buck-boost . Enquanto, os conversores isolados são por norma utilizados em aplicações de maior potência por questões de segurança, no entanto existem topologias como flyback e forward que possuem isolamento, mas que por norma são utilizadas em aplicações de menor potência. De seguida, serão apresentadas as topologias de conversores de potência CC-CC mais adequadas para a realização deste projeto de dissertação. 3.3.1 Conversor CC-CC Unidirecional Não Isolado Buck O conversor de potência CC-CC unidirecional não isolado buck (abaixador) é um conversor que permite obter uma tensão de saída (𝑉𝑜) inferior à tensão de entrada (𝑉𝑖). Estes conversores são por norma encontrados nas motherboards dos dispositivos móveis como computadores e smartphones, mas também em carregadores de baterias e carregadores solares. Na Figura 3.3 é possível observar o esquema elétrico deste conversor, o mesmo é constituído por um condensador de desacoplamento, 𝐶1, um semicondutor de potência totalmente controlado, 𝑆1, um díodo, 𝐷1, uma bobine, 𝐿1, um segundo condensador na saída, 𝐶2, e uma carga, R. Capítulo 3– Sistemas de Carregamento de Baterias para Bicicletas Elétricas Desenvolvimento de um Sistema de Interface para Baterias de uma Bicicleta Elétrica Rodrigo Manuel de Castro Pereira – Universidade do Minho 26 Figura 3.3 - Conversor de potência CC-CC unidirecional não isolado buck . Relativamente ao seu funcionamento, quando o semicondutor 𝑆1 se encontra em condução, a corrente de entrada fluí através da bobine 𝐿1, do condensador 𝐶2 e da carga 𝑅 presente na saída do conversor 𝑉𝑜, alcançando desta forma um aumento da energia armazenada pela bobine 𝐿1 e por consequência um aumento linear da corrente de entrada 𝑉𝑖. Figura 3.4 – Operação do conversor de potência CC-CC unidirecional não isolado buck (on state). Quando o semicondutor 𝑆1 se encontra em aberto a carga 𝑅 presente à saída do conversor 𝑉𝑜 é agora alimentada pela energia proveniente da bobine 𝐿1 e do condensador 𝐶2, armazenada no estado anterior, resultando numa redução linear da corrente, isto é possível devido ao díodo 𝐷1 de freewhelling que fica diretamente polarizado providenciando um caminho à corrente [36][37]. Figura 3.5 - Operação do conversor de potência CC-CC unidirecional não isolado buck (off state). Desenvolvimento de um Sistema de Interface para Baterias de uma Bicicleta Elétrica Rodrigo Manuel de Castro Pereira – Universidade do Minho 33 Introdução Após a escolha dos conversores mais apropriados para a implementação de um sistema de carregamento de baterias para bicicletas elétricas, torna-se necessário, previamente ao desenvolvimento do protótipo físico, recorrer a simulações computacionais de modo a auferir o correto funcionamento do sistema. As ferramentas de simulação computacional são fulcrais para o desenvolvimento e análise de sistemas de eletrónica de potência e de sistemas eletrónicos no geral. Estas permitem validar e otimizar o funcionamento teórico do sistema, sem a necessidade de adquirir hardware adicional, poupando dinheiro, e ainda possibilitam a execução dos testes de forma segura, sem a possibilidade de se danificar o hardware ou as pessoas envolvidas, tendo em conta a perigosidade que pode estar presente nos sistemas de eletrónica de potência. A ferramenta de simulação computacional escolhida foi o software PSIM, da empresa Powersim . Esta ferramenta é vocacionada para a área de eletrónica de potência e permite a simulação do circuito de potência, assim como a simulação do circuito de controlo, através de uma série de componentes que possibilitam a realização de um controlo analógico, mas também de blocos programáveis, que permitem a utilização de algoritmos em linguagem C, semelhantes aos utilizados nos microcontroladores. Neste capítulo será apresentado o modelo de simulação realizado para o sistema pretendido, sendo este constituído pelo retificador monofásico de onda completa não controlado, para a conversão CA-CC, e pelo conversor CC-CC unidirecional isolado flyback . Serão igualmente apresentados, o modelo da bateria e os resultados de maior relevância das simulações efetuadas, com a finalidade de avaliar o desempenho da topologia de carregamento adotada. Capítulo 4– Simulações Computacionais do Sistema de Carregamento Proposto Desenvolvimento de um Sistema de Interface para Baterias de uma Bicicleta Elétrica Rodrigo Manuel de Castro Pereira – Universidade do Minho 34 Modelo da Bateria De modo a realizar as simulações necessárias para a realização desta dissertação tomou-se a escolha de recorrer ao modelo de bateria de primeira ordem, também conhecido como modelo de Thévenin referido anteriormente na secção 2.2.2, devido ao facto de a versão utilizada da ferramenta PSIM não possuir na sua biblioteca modelos de baterias. Este modelo permite a simulação do processo de carga de uma bateria com recurso a relativamente poucos componentes, na Figura 4.1 é possível observar o seu esquema elétrico, utilizado nas simulações realizadas no âmbito desta dissertação. Figura 4.1 – Modelo elétrico de primeira ordem de uma bateria no ambiente de simulação PSIM. Neste modelo a resistência 𝑅𝑆 representa a resistência interna da bateria, a fonte de tenção contínua ideal 𝑉𝑜𝑐 representa a tensão de circuito aberto e o circuito 𝑅𝐶 paralelo permite simular o comportamento dinâmico da bateria. Na Tabela 4.1 é possível encontrar os valores escolhidos para os componentes presentes no modelo acima, baseados nas características da bateria de iões de lítio que se pretende carregar, à exceção do valor do compensador de carga (𝐶), onde foi escolhido um valor pequeno para que o tempo de simulação pudesse ser reduzido. Tabela 4.1 – Valores escolhidos para os componentes do modelo da bateria a simular. Resistência interna (𝑅𝑆) 125 mΩ Fonte de Tensão Contínua Ideal (𝑉𝑜𝑐) 33 V Condensador de carga (𝐶) 0.02 F Resistência de auto-descarga (𝑅𝑝) 1 MΩ Capítulo 4– Simulações Computacionais do Sistema de Carregamento Proposto Desenvolvimento de um Sistema de Interface para Baterias de uma Bicicleta Elétrica Rodrigo Manuel de Castro Pereira – Universidade do Minho 35 Modelo de Simulação Nas Figura 4.2 e Figura 4.3 abaixo é possível observar o modelo de simulação desenvolvido na ferramenta de simulação PSIM. O mesmo encontra se dividido em duas partes, sendo que a primeira, exposta na Figura 4.2, representa o andar de potência do sistema de carregamento proposto, constituído por um retificador monofásico de onda completa não controlado e por um conversor CC-CC unidirecional isolado flyback , conectados através de um barramento CC. Também é possível se visualizar os sensores de tensão e corrente, posicionados de maneira a permitir a leitura dos parâmetros necessários, de modo a garantir um correto funcionamento do sistema. Figura 4.2 – Andar de potência do sistema de carregamento proposto em ambiente de simulação PSIM. A segunda parte do modelo de simulação, exibida na Figura 4.3, representa o circuito de controlo do sistema de carregamento proposto. Este permite implementar todo o controlo necessário para assegurar o bom funcionamento do sistema, assim como visualizar todas as variáveis necessárias. No lado esquerdo, é possível observar o bloco de processamento designado por C-Block, este permite a implementação de algoritmos de controlo em linguagem C, possibilitando a migração dos mesmos para outros softwares que também utilizem a mesma linguagem. Os seus inputs provenientes dos sensores de tensão e corrente são obtidos com uma determinada frequência de amostragem, definida pelo ZeroOrder Hold (ZOH), e após o processamento dos dados pelos algoritmos de controlo implementados, as variáveis de controlo ou leitura geradas podem ser encontradas nos seus outputs . A meio da figura em questão pode ser encontrado o circuito analógico responsável por gerar o sinal Pulse Width Modulation (PWM) necessário para o controlo dos semicondutores, este é composto por um amplificador operacional comparador, cujas entradas consistem de um sinal de controlo, proveniente do Capítulo 4– Simulações Computacionais do Sistema de Carregamento Proposto Desenvolvimento de um Sistema de Interface para Baterias de uma Bicicleta Elétrica Rodrigo Manuel de Castro Pereira – Universidade do Minho 36 bloco computacional C-Block , e de uma onda triangular, que define a frequência de comutação do sistema. À saída do comparador é se obtido o sinal PWM pretendido. No lado direito encontram-se expostas as labels das variáveis escolhidas para leitura, importantes no sentido de verificar o correto funcionamento do sistema. Através destas torna-se possível observar todos os valores de tensão e corrente, assim como os valores lógicos de controlo, durante todo o período de simulação, facilitando os ajustes no dimensionamento de componentes e no controlo do sistema. Figura 4.3 – Circuito de controlo do sistema de carregamento proposto em ambiente de simulação PSIM. Simulação do Sistema de Carregamento Na Figura 4.4 é possível observar o modelo de simulação do retificador monofásico de onda completa não controlado implementado na ferramenta de simulação PSIM. Este encontra-se conectado à rede de distribuição de energia elétrica monofásica com uma tensão de 230 V a uma frequência de 50 Hz. O retificador é constituído por quatro díodos e um filtro LC passa-baixo, composto por uma bobine de acoplamento à rede de 1 mH e por um condensador de 0.068 µF, dimensionado através das equações (4.1) e (4.2). Para além destes componentes também se encontra presente no retificador o condensador (𝐶2) referente ao barramento CC, responsável por estabilizar a tensão de saída. 𝜔𝑜= 2𝜋 𝑓 𝑐𝑜𝑚𝑢𝑡𝑎çã𝑜 10 4.2 (4.1) 𝜔𝑜= 1 ξ𝐿𝐶 (4.2) Capítulo 4– Simulações Computacionais do Sistema de Carregamento Proposto Desenvolvimento de um Sistema de Interface para Baterias de uma Bicicleta Elétrica Rodrigo Manuel de Castro Pereira – Universidade do Minho 37 Figura 4.4 – Modelo de simulação do retificador monofásico de onda completa não controlado. Relativamente aos resultados de simulação, na Figura 4.5 apresentam-se as formas de onda da tensão da rede elétrica e corrente de entrada no retificador durante a fase de carregamento da bateria por corrente constante. Através da ferramenta de visualização de gráficos Simview do PSIM, pode-se comprovar que o fator de potência entre a tensão da rede elétrica e a corrente de entrada do retificador é de apenas 0,44. O valor eficaz da corrente de entrada do retificador durante esta fase do carregamento é de 0,85 A. Figura 4.5 – Formas de onda da tensão da rede elétrica e corrente de entrada no retificador durante a fase de carregamento da bateria. Na Figura 4.6 é apresentada a forma de onda da tensão presente no barramento CC durante a fase de carregamento da bateria por corrente constante. O valor do condensador (𝐶2) utilizado é de 120 µF. O Capítulo 4– Simulações Computacionais do Sistema de Carregamento Proposto Desenvolvimento de um Sistema de Interface para Baterias de uma Bicicleta Elétrica Rodrigo Manuel de Castro Pereira – Universidade do Minho 38 valor de tensão do barramento CC é iniciado a 325 V, e como se pode comprovar, o mesmo mantêm-se estável com um ripple de 20 V pico-a-pico. Figura 4.6 – Forma de onda da tensão presente no barramento CC durante a fase de carregamento da bateria. O modelo de simulação, implementado na ferramenta de simulação PSIM, do conversor CC-CC unidirecional isolado flyback pode ser encontrado na Figura 4.7. Este é constituído por um transformador de alta frequência flyback , um díodo (𝐷5), um condensador (𝐶3), por um MOSFET e o seu respetivo díodo em antiparalelo. Também se encontra presente na figura o condensador (𝐶2) referente ao barramento CC. Figura 4.7 – Modelo de simulação do conversor CC-CC unidirecional isolado flyback . De modo que os resultados das simulações realizadas se aproximassem o mais possível da realidade, foram utilizados os parâmetros reais do transformador de alta frequência flyback , que será posteriormente utilizado nesta dissertação na fase de implementação do sistema de carregamento. Na Capítulo 4– Simulações Computacionais do Sistema de Carregamento Proposto Desenvolvimento de um Sistema de Interface para Baterias de uma Bicicleta Elétrica Rodrigo Manuel de Castro Pereira – Universidade do Minho 39 Figura 4.8 é possível observar o modelo de simulação do transformador de alta frequência flyback na ferramenta de simulação PSIM e os parâmetros utilizados para o mesmo. Figura 4.8 – Modelo de simulação do transformador de alta frequência flyback . Relativamente ao sistema de controlo desenvolvido, a maior parte foi implementada de forma digital, recorrendo à utilização do C-Block . No entanto, devido ao facto da ferramenta de simulação PSIM não conseguir gerar um sinal de PWM digital, foi utilizado um pequeno circuito analógico, com a finalidade de produzir o sinal de PWM necessário para o controlo do MOSFET presente no circuito de potência. O circuito em questão encontra-se presente na Figura 4.3, assim como o bloco computacional C-Block, onde foram implementados algoritmos de controlo proporcional-integral (PI) em linguagem C. O C-Block possuí como inputs as variáveis ( V_Battery ) e ( i_Battery ), que providenciam respetivamente os valores da tensão aos terminais da bateria e da corrente de carregamento da mesma. Estes valores são obtidos através das leituras dos sensores de tensão e corrente integrados no circuito de simulação. Através do bloco ZOH é possível definir a frequência de amostragem para a leitura destas variáveis, que neste caso tomou o valor de 60 kHz. Em relação aos outputs, para o sistema em questão o C-Block possui uma variável de saída ( Control ), gerado através das técnicas de controlo implementadas. Capítulo 4– Simulações Computacionais do Sistema de Carregamento Proposto Desenvolvimento de um Sistema de Interface para Baterias de uma Bicicleta Elétrica Rodrigo Manuel de Castro Pereira – Universidade do Minho 40 Figura 4.9 – Formas de onda do sinal de controlo proveniente do C-Block e da onda triangular necessária na modulação do PWM. Na Figura 4.9 é possível visualizar a forma de onda do sinal de controlo ( Control ) proveniente do C-Block , assim como uma onda triangular com uma frequência de 200 kHz e uma amplitude de 100 V. Estes dois sinais são conectados à entrada de um comparador de sinais, produzindo à sua saída o sinal de PWM, presente na Figura 4.10, que será aplicado à gate do MOSFET presente no circuito de potência através da flag S1. Figura 4.10 – Forma de onda do sinal PWM aplicado à gate do MOSFET. Tal como referido anteriormente nesta dissertação, o método escolhido para o carregamento da bateria trata-se do carregamento por corrente constante seguida de tensão constante. Assim sendo, o circuito de controlo irá limitar o valor escolhido para a corrente, mantendo a constante, e após esta fase do carregamento será fornecida uma tensão constante aos terminais da bateria até ao fim do processo completo do carregamento. De acordo com os parâmetros fornecidos pelo fabricante para a bateria a utilizar na fase de implementação foi escolhido o valor máximo de corrente de 2 A e o valor de referência de tensão de 42 V. Capítulo 4– Simulações Computacionais do Sistema de Carregamento Proposto Desenvolvimento de um Sistema de Interface para Baterias de uma Bicicleta Elétrica Rodrigo Manuel de Castro Pereira – Universidade do Minho 41 Na Figura 4.11 é possível se observar as formas de onda da tensão (linha azul) e da corrente (linha verde) na bateria durante o processo de carregamento. Pode-se comprovar que no instante t=0,0875 s, o valor de tensão aos terminais da bateria iguala o valor de tensão de referência e é se iniciada a etapa de carregamento por tensão constante. Figura 4.11 – Formas de onda da tensão e da corrente na bateria durante o processo de carregamento. Observando em mais detalhe as formas de onda da tensão e da corrente na bateria durante o processo de carregamento, é se possível verificar que o valor médio da corrente se encontra nos 2 A (Figura 4.12 (a)) e que a tensão converge em direção ao valor de referência definido anteriormente (Figura 4.12 (b)). Figura 4.12 – Formas de onda da tensão e da corrente na bateria durante o processo de carregamento em detalhe: (a) Corrente na bateria; (b) Tensão aos terminais da bateria. Na Figura 4.13 são apresentadas as formas de onda da tensão no transformador de alta frequência flyback durante um pequeno instante do processo de carregamento da bateria. Como se é possível (a) (b) Capítulo 4– Simulações Computacionais do Sistema de Carregamento Proposto Desenvolvimento de um Sistema de Interface para Baterias de uma Bicicleta Elétrica Rodrigo Manuel de Castro Pereira – Universidade do Minho 42 observar o conversor está a operar com a topologia flyback , resultando na transferência de energia do primário do transformador para o secundário do mesmo a cada ciclo de comutação do MOSFET. Também é evidente a redução no valor da amplitude da tensão no secundário do transformador, em comparação com o valor da amplitude da tensão no primário do mesmo, devido à razão de transformação deste. Figura 4.13 – Formas de onda da tensão no transformador de alta frequência flyback . Por fim, na Figura 4.14, são apresentadas as formas de onda da corrente no transformador de alta frequência flyback . É possível novamente se comprovar que esta se trata de uma topologia flyback devido ao método de transferência de energia e pode-se ainda comprovar que o valor de pico da corrente no secundário do transformador é claramente maior de que o valor de pico da corrente no primário. Figura 4.14 - Formas de onda da corrente no transformador de alta frequência flyback . Capítulo 5 - Implementação e Desenvolvimento do Sistema de Carregamento Proposto Desenvolvimento de um Sistema de Interface para Baterias de uma Bicicleta Elétrica Rodrigo Manuel de Castro Pereira – Universidade do Minho 49 Na Figura 5.6, é apresentado o circuito a implementar para a escolha da frequência de operação pretendida. A resistência 𝑅𝑅𝑇 determina a corrente de carga do condensador 𝐶𝐶𝑇 e o sinal produzido por estes define a frequência do oscilador interno. De forma a garantir o correto funcionamento do circuito deverá ser utilizada uma resistência 𝑅𝑅𝑇 maior ou igual a 5 kΩ e um condensador 𝐶𝐶𝑇 com valor igual ou superior a 1 nF. Segundo a equação (5.2) foram escolhidos os valores de 5.1 kΩ para a resistência 𝑅𝑅𝑇 e 1 nF para o condensador 𝐶𝐶𝑇, alcançado assim a frequência máxima do oscilador dentro dos valores recomendados pelo fabricante, de 337 kHz. Como a frequência do sinal de PWM que comanda a gate do MOSFET é metade da frequência do oscilador interno do controlador, o sinal de PWM vai poder contar com uma frequência de 168 kHz. 𝑓𝑜𝑠𝑐=(1.72 𝑅𝑅𝑇 𝐶𝐶𝑇) (5.2) 5.2.4 Controlo da Corrente Sabendo que o método de carregamento escolhido para o sistema de carregamento a ser desenvolvido nesta dissertação é o método de carregamento por corrente constante seguida de tensão constante, torna-se necessário conseguir controlar o valor da corrente presente no circuito durante toda a sua operação. Para tal o controlador UC3845 possuí o pino ISENSE (3) que se encontra ligado à entrada não inversora do comparador PWM que se encontra dentro do controlador. Este comparador PWM tem a função de comparar o sinal ISENSE com um sinal proporcional ao sinal proveniente do amplificador de erro da tensão de saída do sistema. Esta comparação irá resultar numa compensação do sinal de PWM de saída para a gate do MOSFET. A resistência 𝑅𝐶𝑆 é a responsável por permitir a leitura da corrente de pico ao pino ISENSE (3), sendo esta corrente convertida para um valor de tensão de modo a permitir a sua comparação dentro do controlador. 𝐼𝑆𝐸𝑁𝑆𝐸=(1 𝑉 𝑅𝐶𝑆) (5.3) A resistência 𝑅𝐶𝑆𝐹 e o condensador 𝐶𝐶𝑆𝐹 formam um filtro RC, necessário para suprimir os transientes provocados pela recuperação inversa do díodo do lado secundário do conversor e as impedâncias parasitas do circuito. O circuito para leitura da corrente pode ser encontrado na Figura 5.7. Como a corrente pretendida à saída do conversor e a corrente de pico no primário do transformador podem tomar valores diferentes consoante as características do transformador de alta frequência que se esteja a Capítulo 5 - Implementação e Desenvolvimento do Sistema de Carregamento Proposto Desenvolvimento de um Sistema de Interface para Baterias de uma Bicicleta Elétrica Rodrigo Manuel de Castro Pereira – Universidade do Minho 50 utilizar, será utilizado o valor de corrente de pico obtido por simulação na ferramenta de simulação PSIM, no cálculo da resistência 𝑅𝐶𝑆. Assim sendo, o valor escolhido para a resistência 𝑅𝐶𝑆 será de 0.5 Ω, segundo a equação (5.3). Para o filtro RC foram escolhidos os valores de 1 kΩ para a resistência 𝑅𝐶𝑆𝐹 e 470 pF para o condensador 𝐶𝐶𝑆𝐹. Figura 5.7 – Circuito de leitura da corrente. 5.2.5 Controlo da Tensão De modo a manter um controlo de tensão constante à saída do sistema é utilizado um divisor resistivo juntamente com o regulador de tensão ajustável TL431. Este regulador atua como um díodo de zener regulável sendo possível escolher a tensão de condução inversa do mesmo através do divisor resistivo formado pelas resistências 𝑅𝐷𝐼𝑉1 e 𝑅𝐷𝐼𝑉2. O valor destas resistências é calculado de forma a se obter o valor de tensão de saída do sistema pretendido. Figura 5.8 – Circuito de controlo de tensão do sistema. Capítulo 5 - Implementação e Desenvolvimento do Sistema de Carregamento Proposto Desenvolvimento de um Sistema de Interface para Baterias de uma Bicicleta Elétrica Rodrigo Manuel de Castro Pereira – Universidade do Minho 51 De modo a manter o isolamento providenciado pelo transformador de alta frequência flyback torna-se necessária a utilização de um optocoupler para que o sinal de controlo seja corretamente transmitido ao controlador UC3845 que se encontra no lado primário do sistema. O circuito responsável por esta função encontra-se apresentado na Figura 5.8. Relativamente ao método de controlo de tensão do controlador UC3845 neste modo, o sinal de controlo proveniente do optocoupler deverá ser conectado ao pino COMP (1) do controlador enquanto o pino VFB (2) deve ser ligado ao ground do sistema, o circuito lógico que desempenha as funções de controlo da tensão e corrente dentro do controlador UC3845 pode ser encontrado na Figura 5.9. A resistência 𝑅𝑂𝑃𝑇𝑂 necessária na limitação da corrente que atravessa o díodo emissor de luz (LED) do optocoupler irá tomar o valor de 1 kΩ, segundo a equação (5.4). 𝑅𝑂𝑃𝑇𝑂 =𝑉𝑂𝑈𝑇 −1.35 0.035 (5.4) As resistências 𝑅𝐷𝐼𝑉1 e 𝑅𝐷𝐼𝑉2 irão tomar o valor de 47 kΩ e 3.6 kΩ respetivamente, segundo a equação (5.5). 2.5 = 𝑉𝑂𝑈𝑇 𝑅𝐷𝐼𝑉2 (𝑅𝐷𝐼𝑉1+ 𝑅𝐷𝐼𝑉2) (5.5) Infelizmente o valor de tensão de saída máximo do sistema de carregamento realizado nesta dissertação não poderá contar com o valor proposto de 42 V, devido às limitações internas do regulador TL431, tornando assim o valor máximo de tensão de saída do sistema o de 36 V. Para que fosse possível ajustar a tensão de saída para 42 V, teria de ser implementado na PCB um circuito auxiliar para o regulador TL431, que na altura do seu desenvolvimento era um facto desconhecido. Figura 5.9 – Esquema lógico do sistema de controlo de tensão e corrente do controlador. Capítulo 5 - Implementação e Desenvolvimento do Sistema de Carregamento Proposto Desenvolvimento de um Sistema de Interface para Baterias de uma Bicicleta Elétrica Rodrigo Manuel de Castro Pereira – Universidade do Minho 52 Andar de Potência O andar de potência pode ser dividido em duas partes principais, sendo estas o retificador monofásico de onda completa não controlado e o conversor CC-CC unidirecional isolado flyback . Para com um destes será necessário proceder ao dimensionamento dos seus componentes de forma a garantir o correto funcionamento de todo o sistema, de forma a atingir os objetivos propostos para a realização desta dissertação. Também serão apresentadas as especificações de operação do sistema e estipulados os limites mínimos e máximos de tensão e corrente em diversos pontos do circuito. Na Figura 5.10, pode ser encontrado um diagrama de blocos simplificado do circuito de potência em questão. Figura 5.10 - Diagrama de blocos simplificado do circuito de potência do sistema de carregamento. 5.3.1 Retificador Monofásico de Onda Completa Não Controlado Na Figura 5.11, encontra-se delineada a parte do protótipo final referente ao retificador monofásico de onda completa não controlado. Figura 5.11 - Retificador monofásico de onda completa não controlado no protótipo final. O primeiro componente presente à entrada deste sistema trata-se de uma ficha fêmea AC de 2 pinos, capaz de suportar a potência pretendida, na Figura 5.12 é possível se observar uma melhor perspetiva da mesma. De seguida, o próximo componente presente neste circuito trata-se de um fusível para Capítulo 5 - Implementação e Desenvolvimento do Sistema de Carregamento Proposto Desenvolvimento de um Sistema de Interface para Baterias de uma Bicicleta Elétrica Rodrigo Manuel de Castro Pereira – Universidade do Minho 53 corrente alternada de 250 V com limite de corrente de 4 A, sendo esta a primeira barreira de proteção do circuito. Figura 5.12 –Ficha fêmea AC de 2 pinos presente no protótipo final. Relativamente à retificação, foram utilizados díodos 1N4007 , estes podem operar com uma tensão eficaz máxima (𝑉𝑅𝑀𝑆) de 700 V e uma tensão inversa de pico máxima (𝑉𝑅𝑅𝑀) de 1000 V. A queda de tensão em cada díodo, 𝑉𝐹, é de 1.1 V e a corrente máxima 𝐼𝐹(𝐴𝑉) suportada por estes é de 1 A contínuo. No entanto, para o caso de corrente alternada, os díodos podem suportar correntes de até 30 A, caso a duração de cada pico seja igual ou inferior a 8.3 ms, o que torna possível a sua utilização neste sistema [42]. O componente final desta parte do circuito é o condensador eletrolítico, relativo ao barramento CC do sistema, este conta com uma capacidade nominal de 100 µF e suporta valores tensão de até os 400 V. 5.3.2 Conversor CC-CC Unidirecional Isolado Flyback Na Figura 5.13, encontra-se delineada a parte do protótipo final referente ao conversor CC-CC unidirecional isolado flyback . Capítulo 5 - Implementação e Desenvolvimento do Sistema de Carregamento Proposto Desenvolvimento de um Sistema de Interface para Baterias de uma Bicicleta Elétrica Rodrigo Manuel de Castro Pereira – Universidade do Minho 54 Figura 5.13 - Conversor CC-CC unidirecional isolado flyback no protótipo final. O primeiro componente do circuito de potência deste conversor é o MOSFET com a referência IPP50R190CE, da marca Infineon, apresentado na Figura 5.14. Este MOSFET foi selecionado por possuir todas as características necessárias para este projeto e se encontrar presente no laboratório do GEPE. Segundo o seu datasheet este possuí um tempo de comutação inferior a 80 ns, uma tensão drain-source máxima de 500 V (𝑉𝐷𝑆) e uma corrente drain-source máxima de 24.8 A (𝐼𝐷𝑆) [43]. O encapsulamento escolhido foi o TO 220, sendo este o mais pequeno disponível, contribuindo para a implementação de um sistema compacto, como é o objetivo, e permite uma dissipação de potência de 152 W à temperatura de 25 °C. Em relação ao valor da resistência de condução, 𝑅𝐷𝑆, este é de somente 170 mΩ e por essa mesma razão é expectável que as perdas também sejam de baixo valor. Figura 5.14 – MOSFET da marca Infineon , modelo IPP50R190CE . O transformador de alta frequência flyback utilizado é proveniente de um carregador de computadores portáteis que se encontrava danificado e que foi reaproveitado para este projeto. Por esse motivo não existe muita informação referente ao transformador em questão, apresentado na , apenas que foi retirado de um carregador para computadores portáteis da marca McQuo e que este carregador operava com uma potência de aproximadamente 90 W. Capítulo 5 - Implementação e Desenvolvimento do Sistema de Carregamento Proposto Desenvolvimento de um Sistema de Interface para Baterias de uma Bicicleta Elétrica Rodrigo Manuel de Castro Pereira – Universidade do Minho 55 Figura 5.15 - Transformador de alta frequência flyback utilizado. Após alguns testes foi possível determinar que este transformador de alta frequência flyback possui um enrolamento primário e um enrolamento secundário, que apresentam ponto médio. Para além disso ainda apresenta um enrolamento auxiliar no lado primário, que é utilizado para a alimentação do circuito de controlo do sistema. A relação de transformação entre o primário e secundário do transformador é de 4 para 1. De modo a se conhecer as outras características do transformador foi utilizada uma ponte RLC onde foram realizadas medições em vazio e em curto-circuito. Este procedimento foi realizado para as frequências de 50 kHz, 100 kHz e 200 kHz, e permite determinar a impedância de dispersão e resistência dos enrolamentos primário e secundário do transformador, apresentadas na Tabela 5.2. Tabela 5.2 – Características do transformador de alta frequência flyback utilizado. Características Valor (a 50 kHz) Valor (a 100 kHz) Valor (a 200 kHz) Resistência elétrica do enrolamento primário (𝑅𝑙𝑝) 827.2 mΩ 1.6 Ω 2.9 Ω Resistência elétrica do enrolamento secundário (𝑅𝑙𝑠) 74.9 mΩ 120 mΩ 201.2 mΩ Indutância de dispersão do enrolamento primário (𝐿𝑙𝑝) 5.4 µH 5.2 µH 4.5 µH Indutância de dispersão do enrolamento secundário (𝐿𝑙𝑠) 300.9 nH 271.9 nH 259.4 nH Indutância de magnetização (𝐿𝑚) 281.7 µH 280.4 µH 280.1 µH Na saída do transformador de alta frequência flyback é necessário se empregar um díodo de comutação rápida de modo a retificar novamente a tensão proveniente deste. Para tal foi escolhido o díodo schottky de potência com a referência DSS16-01A da marca IXYS, por possuir as características necessárias para Capítulo 5 - Implementação e Desenvolvimento do Sistema de Carregamento Proposto Desenvolvimento de um Sistema de Interface para Baterias de uma Bicicleta Elétrica Rodrigo Manuel de Castro Pereira – Universidade do Minho 56 utilização neste sistema e se encontrar disponível no laboratório do GEPE. Este apresenta uma tensão inversa de pico máxima (𝑉𝑅𝑅𝑀) de 100 V, uma queda de tensão (𝑉𝐹) de 0.64 V e suporta uma corrente máxima 𝐼𝐹(𝐴𝑉) de 16 A contínuos [44]. Em relação aos condensadores no lado secundário do conversor foram utilizados dois condensadores eletrolíticos em paralelo, cada um com uma capacidade de 330 µF, totalizando uma capacidade de 660 µF, estes suportam valores de tensão de até 63 V e podem ser observados na Figura 5.16. Para além destes, também foi utilizado um condensador cerâmico de 100 nF em formato SMD, para a filtragem do ripple de alta frequência com melhor performance. Figura 5.16 – Lado secundário do conversor CC-CC unidirecional isolado flyback . Para que fosse possível determinar de forma simples quando o sistema se encontra em funcionamento foi implemento à saída do mesmo um simples circuito luminoso, constituído pela resistência 𝑅𝐿𝐸𝐷, com o valor de 1.6 kΩ, e por um LED de cor verde. O circuito em questão encontra-se apresentado na Figura 5.17. Figura 5.17 – Circuito LED para indicação do funcionamento do sistema. Capítulo 5 - Implementação e Desenvolvimento do Sistema de Carregamento Proposto Desenvolvimento de um Sistema de Interface para Baterias de uma Bicicleta Elétrica Rodrigo Manuel de Castro Pereira – Universidade do Minho 57 Na Figura 5.18 (a) é apresentada a vista exterior da caixa que abriga o protótipo final enquanto este se encontra desligado. Em contraste na Figura 5.18 (b) é apresentada a mesma vista, mas enquanto o sistema se encontra em funcionamento, e por isso pode ser evidenciada a luz verde proveniente do circuito LED implementado, pois a caixa utilizada dispõe de uma provisão que permite a passagem de luz do mesmo. Figura 5.18 – Vista exterior da caixa que abriga o protótipo final enquanto: (a) Este se encontra desligado; (b) Este se encontra em funcionamento. De modo a garantir a integridade do MOSFET e promover a durabilidade do sistema foram alocadas provisões para a integração de circuitos snubber na PCB desenvolvida. No lado primário do conversor CC-CC unidirecional isolado flyback encontram-se dísponiveis provisões para a implementação de um snubber RCD, assim como um snubber TVS. Enquanto que no lado secundário se encontra dísponivel a provisão para a implementação de um snubber RC em paralelo com o díodo de comutação rápida. Na Figura 5.19 é possível observar um esquemático do circuito em questão. (a) (b) Capítulo 5 - Implementação e Desenvolvimento do Sistema de Carregamento Proposto Desenvolvimento de um Sistema de Interface para Baterias de uma Bicicleta Elétrica Rodrigo Manuel de Castro Pereira – Universidade do Minho 58 Figura 5.19 – Esquemático de todos os circuitos snubber para os quais provisões foram alocadas na PCB desenvolvida. Apesar de todas estas provisões alocadas na PCB desenvolvida, por uma questão do tempo disponível, apenas foi implementado no protótipo final o snubber TVS. Este snubber é constituído por uma resistência (𝑅𝑇𝑉𝑆) de 100 Ω, um díodo retificador (𝐷𝑇𝑉𝑆𝑆), com a referência 1N4007 , e um díodo TVS (𝐷𝑇𝑉𝑆), apresentado na Figura 5.20. Este díodo TVS tem a referência A5KP400A-G e é fabricado pela marca Comchip Technology. A característica chave deste díodo é a sua tensão inversa de pico máximo de funcionamento (𝑉𝑅𝑊𝑀) de 400 V e a sua capacidade de suprimir picos de tensão até uma potência de 5000 W [45]. Figura 5.20 – Díodo TVS com a referência A5KP400A-G , da marca Comchip Technology . De forma a dissipar o calor proveniente do MOSFET e do díodo de comutação rápida utilizados, devido as perdas por efeito de Joule, foram utilizadas chapas de alumínio perfuradas e cortadas à medida para que a sua dimensão não fosse uma razão impeditiva de as mesmas puderem ser acomodadas dentro da caixa do protótipo final do sistema. Estes dissipadores foram aparafusados aos semicondutores em questão, utilizando uma mica entre os mesmos de forma a garantir o isolamento. Caso não fossem utilizados dissipadores, o sistema poderia sofrer sobreaquecimentos, colocando em risco a sua integridade e comprometendo o seu funcionamento. Capítulo 6 - Resultados Práticos Desenvolvimento de um Sistema de Interface para Baterias de uma Bicicleta Elétrica Rodrigo Manuel de Castro Pereira – Universidade do Minho 65 Resultados Experimentais do Conversor CC-CC Unidirecional Isolado Flyback Validado o correto funcionamento do retificador monofásico de onda completa não controlado, é então altura de prosseguir para os testes ao próximo estágio de conversão, o conversor CC-CC unidirecional isolado flyback . De novo é necessário garantir que o circuito é testado de forma independente, para tal a alimentação do mesmo será realizada por uma fonte de tensão ajustável a partir do barramento CC. Na realização destes ensaios o circuito de alimentação do controlador UC3845 contínua sem estar implementado na PCB, ou seja, a sua alimentação é também efetuada através de uma fonte de tensão ajustável. Na Figura 6.3 é apresentada a forma de onda do sinal PWM aplicado ao MOSFET. A tensão de alimentação do controlador UC3845 é de aproximadamente 23 V, sendo esse o valor de tensão máxima do sinal PWM. Como a entrada do conversor não está a ser alimentada, o sinal de PWM apresentado encontra-se com o seu duty-cycle máximo. A frequência de comutação do sistema é de 136 kHz, conforme o sinal de PWM apresentado. Esta frequência de sinal PWM é inferior à originalmente calculada de 168 kHz. Esta discrepância pode ser devida aos valores de tolerâncias dos componentes escolhidos. Figura 6.3 – Forma de onda do sinal PWM aplicado ao MOSFET com duty-cycle máximo (CH1: 10V/div). Relativamente à Figura 6.4, nesta pode ser observada a forma de onda do sinal PWM aplicado ao MOSFET, assim como os valores da tensão de entrada e de saída do conversor. Ao analisar estes valores de tensão podemos confirmar que a tensão de saída tem um valor de 35.6 V e que este valor é muito próximo do valor de tensão de referência estipulado de 36 V. O valor de tensão de entrada no conversor é de 31.6 V, proveniente de uma fonte de tensão ajustável, e também é possível observar a modulação do sinal PWM de forma a controlar o valor de tensão de saída. De salientar que este ensaio foi realizado Capítulo 6 - Resultados Práticos Desenvolvimento de um Sistema de Interface para Baterias de uma Bicicleta Elétrica Rodrigo Manuel de Castro Pereira – Universidade do Minho 66 sem qualquer carga à saída do conversor e daí a tensão de saída conseguir ter um valor superior ao de tensão de entrada. Figura 6.4 - Forma de onda do sinal PWM aplicado ao MOSFET (CH1: 10V/div), tensão de entrada do conversor (CH2: 10V/div) e tensão de saída do conversor (CH3: 20V/div). Após a análise dos resultados experimentais obtidos é possível afirmar que o conversor CC-CC unidirecional isolado flyback se encontra a operar conforme o expectável, sendo possível obter um valor de tensão de saída de aproximadamente 36 V. Resultados Experimentais do Sistema de Carregamento Completo Depois de apurar que ambos o retificador monofásico de onda completa não controlado e o conversor CC-CC unidirecional isolado flyback se encontram a funcionar consoante o esperado quando testados individualmente e sem carga serão agora realizados os ensaios ao sistema de carregamento completo. Para tal, numa primeira instância foi implementado na PCB o circuito de alimentação do controlador UC3845 . Com a implementação deste circuito já não se torna necessária a utilização de uma fonte de tensão externa para a alimentação do controlador, sendo agora todo o sistema alimentado através do variac . Na Figura 6.5 é apresentada a forma de onda da tensão de entrada do regulador BA7820 , que regula a tensão de alimentação do controlador UC3845 a 20 V, assim como a forma de onda da tensão de saída do sistema durante o arranque do mesmo. Como é possível observar, durante o arranque do sistema a tensão na entrada do regulador aumenta ligeiramente devido à resistência 𝑅𝑆𝑇𝐴𝑅𝑇 e ao condensador 𝐶𝑉𝐶𝐶 apresentados anteriormente nesta Dissertação de Mestrado. Quando a tensão à entrada do regulador atinge os 8.4 V o controlador UC3845 inicia a sua operação e o sistema de Capítulo 6 - Resultados Práticos Desenvolvimento de um Sistema de Interface para Baterias de uma Bicicleta Elétrica Rodrigo Manuel de Castro Pereira – Universidade do Minho 67 carregamento começa a funcionar, sendo nesse instante possível observar o aumento da tensão de saída do sistema de 0 V para 36 V. Figura 6.5 – Forma de onda da tensão de entrada do regulador de tensão BA7820 (CH1: 20V/div) e forma de onda da tensão de saída do sistema (CH2: 20V/div) durante o arranque do sistema. Uma vez implementado o circuito de alimentação do controlador procedeu-se então à realização dos ensaios ao sistema de carregamento completo. Inicialmente estes foram realizados sem nenhum tipo de carga à saída do sistema. Na Figura 6.6 (a) podem ser encontradas as formas de onda da tensão de saída do variac e da corrente de entrada no sistema. De realçar que os valores de corrente apresentados equivalem a cinquenta vezes o valor real, pelo facto de os mesmos terem sido obtidos através de uma pinça amperimétrica com uma escala inadequada para os valores de corrente de pequenas dimensões encontrados à entrada do sistema, tendo por isso sido utilizada uma bobine de fio com cinquenta voltas para multiplicar a leitura do valor real. Na Figura 6.6 (b) é novamente apresentada a forma de onda da tensão de saída do variac, assim como a tensão no barramento CC e a tensão de saída do sistema. Todos os valores apresentados neste ensaio prático vão de encontro com o esperado, demostrando o correto funcionamento do sistema quando este se encontra a operar sem carga. Capítulo 6 - Resultados Práticos Desenvolvimento de um Sistema de Interface para Baterias de uma Bicicleta Elétrica Rodrigo Manuel de Castro Pereira – Universidade do Minho 68 Figura 6.6 - Operação do sistema de carregamento completo sem carga: (a) Tensão de saída do variac (CH1: 100V/div) e corrente de entrada (CH1: 5A/div); (b) Tensão de saída do variac (CH1: 200V/div), tensão no barramento CC (CH2: 50V/div) e tensão de saída do sistema (CH3: 20V/div). A Figura 6.7 (a) e a Figura 6.7 (b), apresentam as mesmas formas de onda que as da Figura 6.6 (a) e Figura 6.6 (b) apresentadas anteriormente, mas agora operando com uma carga resistiva de 72 Ω à saída do sistema. Como é possível observar a corrente de entrada do sistema aumentou substancialmente, de um valor de 0.424 A pico-a-pico, quando se encontrava sem carga, para um valor de 1.056 A pico-a-pico e a corrente eficaz passou de 4 mA para 161 mA. Figura 6.7 - Operação do sistema de carregamento completo com uma carga resistiva de 72 Ω: (a) Tensão de saída do variac (CH1: 100V/div) e corrente de entrada (CH1: 5A/div); (b) Tensão de saída do variac (CH1: 500V/div), tensão de saída do sistema (CH3: 20V/div) e corrente de saída do sistema (CH4: 2A/div). Relativamente à corrente de saída do sistema, esta possuí o valor de aproximadamente 500 mA, que é o valor esperado tendo em conta que o valor de tensão de saída é de aproximadamente 36 V e a carga utilizada é de 72 Ω. (a) (b) (a) (b) Capítulo 6 - Resultados Práticos Desenvolvimento de um Sistema de Interface para Baterias de uma Bicicleta Elétrica Rodrigo Manuel de Castro Pereira – Universidade do Minho 69 O ensaio anterior foi repetido, mas sofrendo a alteração do valor de carga resistiva à saída do sistema, tomando agora este o valor de 36 Ω. Na Figura 6.8 encontra-se apresentada a forma de onda da tensão de saída do variac, assim como a tensão e corrente de saída do sistema. A tensão de saída mantém se contante com um valor de aproximadamente 36 V e a corrente também com um valor 1 A, que vai de acordo com o valor da carga resistiva utilizada. Figura 6.8 - Tensão de saída do variac (CH1: 500V/div), tensão de saída do sistema (CH3: 20V/div) e corrente de saída do sistema (CH4: 2A/div), durante a operação do sistema de carregamento completo com uma carga resistiva de 36 Ω. Observando a Figura 6.9, é possível verificar que a tensão se mantém constante à medida que a carga resistiva é incrementada de 72 Ω para 36 Ω, e que a corrente assume o valor esperado de 500 mA no inico do ensaio, subindo até 1 A no final do mesmo, comprovando por este meio o correto funcionamento do sistema de feedback da tensão de saída. Este ensaio foi realizado com o auxílio de um reóstato onde foram delineadas as posições referentes aos valores das resistências pretendidas e depois ajustado manualmente durante o período de ensaio. Os picos presentes na forma da corrente presente na Figura 6.9 apenas se tratam de ruído provocado pela baixa escala utilizada na sua medição. Capítulo 6 - Resultados Práticos Desenvolvimento de um Sistema de Interface para Baterias de uma Bicicleta Elétrica Rodrigo Manuel de Castro Pereira – Universidade do Minho 70 Figura 6.9 - Tensão (CH1: 20V/div) e corrente de saída (CH4: 5A/div) do sistema durante a alteração da carga resistiva de 72 Ω para 36 Ω. Novamente, foi efetuado o mesmo ensaio alterando a carga resistiva, desta vez para o valor de 18 Ω. Seria esperado novamente um valor de tensão constante à saída do sistema de 36 V e uma corrente de 2 A, de forma a corresponder à carga resistiva. No entanto, como é possível observar na Figura 6.10 (a), onde a tensão eficaz de entrada do sistema é de 220 V, e na Figura 6.10 (b) onde a tensão eficaz de entrada do sistema é de 118 V, os valores da tensão e corrente de saída não correspondem aos valores previstos. O problema para que tal aconteça reside certamente no circuito de controlo e mais propriamente no circuito responsável pela limitação da corrente, sendo que este se baseia na leitura da corrente de pico que se encontra presente na resistência 𝑅𝐶𝑆 no lado primário do conversor CC-CC unidirecional isolado flyback , a cada ciclo de comutação. Infelizmente, devido à falta de tempo para a realização de mais testes e pelo facto de a PCB não possuir as devidas provisões para ser possível realizar a medição da corrente no primário e secundário do transformador, a razão do problema não pode ser definida com certeza e por sua vez solucionada. Capítulo 6 - Resultados Práticos Desenvolvimento de um Sistema de Interface para Baterias de uma Bicicleta Elétrica Rodrigo Manuel de Castro Pereira – Universidade do Minho 71 Figura 6.10 - Tensão de saída do variac (CH1: 200V/div), tensão de saída do sistema (CH3: 20V/div) e corrente de saída do sistema (CH4: 2A/div) durante a operação do sistema de carregamento completo com uma carga resistiva de 18 Ω: (a) Com uma tensão eficaz de saída do variac de 220 V; (b) Com uma tensão eficaz de saída do variac de 118 V. Na Figura 6.11 podem ser encontradas as formas de onda das tensões no primário e secundário do transformador de alta frequência flyback enquanto o sistema opera com uma tensão de entrada eficaz de 90 V e uma carga resistiva de 72 Ω. Como pode ser comprovado pelo valor mínimo registado da tensão no primário, o snubber TVS implementado está a funcionar como expectável, limitando os picos de tensão provocados pela dissipação da energia armazenada na indutância de dispersão do transformador de alta frequência flyback ao valor de 400 V, protegendo desta forma a integridade do MOSFET e promovendo a durabilidade e fiabilidade de todo o sistema. Figura 6.11 – Tensão no primário (CH1: 100V/div) e secundário (CH2: 20V/div) do transformador de alta frequência flyback durante a operação com uma tensão de entrada eficaz de 90 V e uma carga resistiva de 72 Ω. (a) (b) Capítulo 6 - Resultados Práticos Desenvolvimento de um Sistema de Interface para Baterias de uma Bicicleta Elétrica Rodrigo Manuel de Castro Pereira – Universidade do Minho 72 Conclusão Neste capítulo foram apresentados os resultados experimentais obtidos através dos testes realizados ao sistema desenvolvido no âmbito da presente dissertação de mestrado. O sistema trata-se de um carregador de baterias para uma bicicleta elétrica e é constituído por dois estágios de conversão, sendo o primeiro um retificador monofásico de onda completa não controlado e o segundo um conversor CCCC unidirecional isolado flyback . De modo a efetuar os ensaios necessários e assegurar o correto funcionamento de cada um dos estágios de conversão, este foram primeiro testados individualmente. Após estes ensaios individuas, procedeu-se aos testes práticos do sistema de carregamento completo. Estes testes foram realizados de forma gradual, utilizando um variac de forma a regular a tensão de entrada do sistema e alterando os valores de carga resistiva à saída do mesmo, variando assim a potência do sistema. Concluídos os testes ao sistema, foi possível determinar que os resultados vão de encontro ao esperado, sendo possível manter uma tensão constante à saída do sistema para diferentes cargas e que o circuito snubber implementado se encontra a operar como expectável evitando a degradação do MOSFET presente no sistema. No entanto, não foi possível realizar nenhum teste para a potência máxima do sistema, nem nenhum teste a demonstrar um controlo de corrente constante, isto porque existe um problema com o circuito de controlo que não permite atingir os valores de potência de saída esperados para cargas mais elevadas. Devido a uma questão de tempo não foi possível chegar ao centro do problema. Desenvolvimento de um Sistema de Interface para Baterias de uma Bicicleta Elétrica Rodrigo Manuel de Castro Pereira – Universidade do Minho 73 Conclusões Na presente Dissertação de Mestrado foi desenvolvido e apresentado um protótipo para um sistema de interface para baterias de uma bicicleta elétrica. Este trata-se de um sistema unificado que permite efetuar o carregamento de baterias enquanto assume um formato compacto e de fácil transporte. No seguimento desta secção serão apresentadas as conclusões retiradas ao longo do desenvolvimento do sistema proposto. Assim sendo, no Capítulo 1 desta Dissertação de Mestrado foi realizada uma pequena introdução sobre a importância das bicicletas elétricas no espetro da atualidade mundial. De seguida foi apresentada a história da bicicleta elétrica, desde os seus primórdios no final do século XIX, até aos dias de hoje, enumerando as inovações mais relevantes ao longo dos anos. Por último foi analisado o mercado das bicicletas elétricas, onde foi possível determinar que o mesmo se encontra com um elevado crescimento e que Portugal é o maior produtor de bicicletas na Europa, sendo que aproximadamente 40 % destas são da vertente elétrica. No Capítulo 2, foram descritos os vários elementos que constituem uma bicicleta elétrica. Inicialmente foi realizada uma apresentação sobre a atual tecnologia de baterias, sendo enumerados e descritos os diversos tipos de baterias de acumuladores, assim como os seus métodos de carregamento mais comuns e carregadores presentes no mercado. De seguida foram apresentados os motores elétricos mais utilizados nas bicicletas elétricas e efetuada uma comparação entre as características de ambos. Posteriormente foram abordadas as diferentes posições que os motores elétricos podem ocupar numa bicicleta elétrica, assim como os diferentes sensores de pedaleira que podem ser utilizados para controlo da assistência fornecida ao utilizador. Por último foi descrita a função de um controlador para bicicletas elétricas e quais a funcionalidades que os controladores disponíveis no mercado podem oferecer. No decorrer do Capítulo 3, foi realizada uma análise bibliográfica aos conversores utilizados em sistemas de carregamento de baterias para bicicletas elétricas. Assim sendo, numa primeira fase foram Capítulo 7 - Conclusão Desenvolvimento de um Sistema de Interface para Baterias de uma Bicicleta Elétrica Rodrigo Manuel de Castro Pereira – Universidade do Minho 74 apresentados e analisados os conversores de potência CA-CC, responsáveis pela retificação da corrente alternada proveniente da rede elétrica. Posteriormente foi realizada a descrição e análise dos conversores de potência CC-CC, capazes de regular a tensão de alimentação da bateria para os níveis pretendidos. Na última secção deste capítulo são abordados os circuitos snubber e as suas funções. Por fim são apresentadas quais as topologias que vão compor o sistema de carregamento, sendo estas o retificador monofásico de onda completa não controlado em junção com o conversor CC-CC unidirecional isolado flyback. No Capítulo 4, foram realizadas as simulações computacionais, para que seja possível validar o correto funcionamento das topologias de carregamento escolhidas. O ambiente de simulação computacional escolhido para tal foi a ferramenta PSIM. Primeiramente foi apresentado o modelo de simulação, estando este dividido entre a parte do andar de potência e a parte do circuito de controlo. Para além deste, também foi apresentado o modelo da bateria que foi utilizado para a simulação do respetivo processo de carga. De seguida foram mostrados os resultados de simulação do carregamento da bateria, adquiridos em concordância com os valores nominais de operação. Com base nos resultados obtidos, foi validado o funcionamento das topologias escolhidas para o sistema de carregamento da bateria. Após a validação do sistema a implementar através das simulações computacionais efetuadas, no decorrer do Capítulo 5 foi descrita a implementação do sistema proposto na PCB desenvolvida, sendo nesta integrada tanto o sistema de controlo como o andar de potência. Relativamente ao sistema de controlo, neste foi descrito o controlador utilizado UC3845 , assim como todos os circuitos auxiliares que o mesmo necessita para a sua alimentação e configuração, tratando-se este de um controlador analógico. No que diz respeito ao andar de potência foram descritos os componentes utilizados em ambos o retificador monofásico de onda completa não controlado e o conversor CC-CC unidirecional isolado flyback, que se encontram alocados na mesma PCB. No fim, é demonstrado o aspeto final do protótipo desenvolvido, sendo que este se encontra acomodado dentro de uma caixa específica para o efeito e que permite a visualização da luz emitida pelo LED quando o sistema se encontra em funcionamento. O protótipo final assume um tamanho reduzido, tal como era o objetivo, para que este possa ser facilmente transportado. No Capítulo 6, foram apresentados e analisados os resultados experimentais obtidos através dos ensaios práticos realizados. Primeiramente foi verificado o correto funcionamento do retificador monofásico de onda completa não controlado, sendo utilizado um variac de modo a possibilitar o ajuste da tensão de entrada. De seguida, procedeu-se à verificação do correto funcionamento do conversor CC-CC