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Energetic macroscopic representation of an hybrid energy storage system for an electrical vehicle
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Authors
Abstract(s)
A sociedade hoje em dia é maioritariamente dependente do petróleo, esta dependência é verificada sobretudo em setores industriais. Esta dependência é ainda mais acentuada na indústria automóvel, onde a maioria dos combustíveis provêm do petróleo. O fato de só alguns países possuírem reservas de petróleo faz com que se crie uma dependência destes países a esse produto. Esta dependência é prejudicial a nível económico e ambiental. A produção de CO2 e de outros gases para a atmosfera durante o processo de queima do petróleo tem causado fenómenos, como por exemplo, efeito de estufa, alterações climáticas, chuvas ácidas, buraco de ozono etc., o que tem levantado algumas preocupações em reduzir essas emissões de gases. Estas preocupações têm feito desenvolver novas tecnologias em diversos setores industriais visando sempre um desenvolvimento sustentável e processos mais eficientes.
Um dos maiores setores consumidores de petróleo é o automobilista. Por isso, nesse setor tem-se verificado uma grande mudança no tipo de veículos fabricados. O setor tem evoluído no sentido de criar uma nova geração de veículos menos poluentes. Tem-se revisto por completo o conceito automóvel. Hoje um automóvel já não é visto como sendo um veículo térmico dependente do petróleo e altamente poluente. Agora tem-se focado em veículos independentes dessa matéria-prima tornando-os menos poluentes, de forma a diminuir o impacto no planeta terra. Ao longo destes últimos anos tem-se realizado enúmeres estudos para veículos mais eficientes e menos poluentes e isso tem-se notado no mercado com o aumento de veículos híbridos e elétricos. Um veículo híbrido nesse contexto é visto como um veículo que possui mais que uma fonte de energia para alimentar o seu sistema de tração, estas fontes de energia podem ser do mesmo tipo ou diferente. Um veículo elétrico é um veículo que possui somente uma fonte de energia que neste caso será elétrica para alimentar o seu sistema de tração. Na maioria dos casos essa fonte serão baterias. Também existirão veículos híbridos elétricos, ou seja, veículos com mais que uma fonte de energia mas neste caso as duas ou mais fontes serão elétricas. Contudo o desenvolvimento deste tipo de veículo pode não ser a solução mais eficiente. Isto porque, um veículo elétrico necessita de energia elétrica para recarregar as suas fontes de energia. O problema coloca-se na forma como é obtida essa energia. Estudos indicam que é mais rentável utilizar veículos térmicos do que elétricos, dependendo do modo de produção da energia elétrica. Centrais a gás natural mas sobretudo a carvão libertam grandes quantidades de CO2 no processo de produção de energia tornando esta solução tão ou mais poluente que os veículos térmicos. A solução ideal seria a utilização de fontes renováveis tais como, eólicas, fotovoltaica, biomassa etc.. Por isso, a implementação do uso de veículos
Energetic Macroscopic Representation of an Hybrid Energy Storage System
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elétricos no nosso quotidiano tem que ser um compromisso entre diversos setores da sociedade. Um dos setores influêntes é o setor politico.Esse setor terá de porpocinonar formas e condições para a implementação deste tipo de veículos na sociedade. Outros setores serão os de marketing para realçar as vantagens de o uso desse tipo de transporte. Por fim, o ultimo setor será o setor automóvel, esse setor tem como tarefa apresentar produtos atrativos e a preços acessíveis.
Este estudo foi realizado com a colaboração do “Laboratoire d’Electrotechnique et d’Electronique de Puissance de Lille, L2EP”. Este laboratório é especializado em controlo de sistema electromecânicos como por exemplo, metros, carros elétricos, tendo também experiência em sistemas de produção de energia como sistemas eólicos e painéis fotovoltaicos.
O trabalho consiste no desenvolvimento de um sistema de armazenamento de energia híbrido elétrico para veículos elétrico e da sua estratégia de gestão de energia. Este sistema é constituído por baterias e supercondensadores. Para a representação deste sistema foi utilizado um formalismo desenvolvido pelo L2EP, “Energetic Macroscopic Representation” utilizando a ferramenta do Matlab Simulink. Este formalismo é desenvolvido pelo “Laboratoire d’Electrotechnique et d’Electronique de Puissanse de Lille, L2EP”e baseia-se no efeito de causalidade. Para definir a cadeia de controlo é necessário inverter diretamente cada um dos elementos. Com esta forma de deduzir o controlo encontramos diretamente onde serão necessários colocar controladores. Assim sendo, o controlo do sistema é conseguido de forma sistemática. De forma a distinguir cada um dos elementos, consoante as suas características, utilizam-se cincos diferentes pictogramas. Estes são:
Fontes de energia;
Elementos de acumulação;
Elementos de conversão mono físicos Elementos de conversão multi físicos;
Elementos de acoplamento;
O sistema estudado é um veículo elétrico “TAZZARI”. Este veículo pertence ao L2EP e é utilizado para desenvolver projetos académicos ou projetos de doutoramentos. O seu sistema de tração é constituído por um motor de indução trifásica, inversor, um diferencial, rodas e o seu chassis. O sistema de armazenamento de energia estudado é um híbrido elétrico constituído por baterias, supercondensadores e um conversor de eletrónica de potência.
Este tipo de veículos possui custos ainda muito elevados e autonomias relativamente baixas quando comparadas com veículos térmicos. Isto deve-se ao seu sistema de armazenamento de
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energia possuir uma densidade energética inferior à dos combustíveis utilizados nos veículos térmicos. Estas fontes de energia são tipicamente baterias devido à sua grande densidade de energia elétrica. É essa densidade energética que permite obter a sua autonomia. Em contra partida uma bateria possui baixa densidade de potência, e esta característica torna-se prejudicial quando o sistema de tração requer grandes quantidades de potência, em momentos de grandes acelerações por exemplo. Nestes momentos de alta potência as baterias poderão fornecer essa potência mas degradando o seu tempo de vida. O fato de o sistema ser constituído por baterias, trás desvantagens em relação aos seus custos. De fato este componente é dos mais caros neste tipo de veículos. Baterias têm um tempo de vida em modos de utilização aconselháveis de aproximadamente 5 anos. Como foi explicado, uma bateria não é o mais adequado para alimentar este tipo de tração. Neste momento no mercado não existe nenhuma fonte de energia que seja capaz de satisfazer plenamente o sistema em termos de potência e energia. Existe então uma necessidade de encontrar soluções para aumentar o seu tempo de vida de forma a baixar os custos associados à manutenção. Esta solução tem passado por criar sistemas de armazenamento de energia híbridos. Diversos estudos têm sido desenvolvidos sobre este tipo de sistemas. Tem-se estudado diversas topologias, existindo duas grandes categorias, passiva e ativa, sendo estas possuidoras de características distintas:
Passiva: nesta topologia as duas fontes encontram-se conectadas diretamente em paralelo;
Ativa, esta topologia possui diversas sub-topologias:
“Cascade converters”
“Paralell Multi-inputs converter”
“Multiple converters”
Supercondensadores/Baterias
Baterias/Supercondensadores
Para o controlo deste tipo de sistemas é necessário aplicar uma estratégia de gestão de energia de forma a conseguir gerir da melhor forma possível os fluxos de energia entre as duas fontes. Algumas das estratégias já estudadas são:
Filtragem
Corrente de saturação
“Switch”
Aceleração
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Neste trabalho é estudada a topologia ativa, supercondensadores/baterias. Esta topologia possui duas grandes vantagens. Possui um DC-Bus praticamente constante, dado ter a bateria a garantir o nível tensão e utilizar os supercondensadores com alto rendimento para conseguir-se aproveitar grande parte da potência armazenada. A estratégia utilizada é a estratégia de filtragem. Esta estratégia permite filtrar a potência de tração necessária em altas e baixas frequências. A potência de tração possui altas frequências, que corresponde a níveis de potência elevados e baixas frequências que corresponde a níveis de energia elevados. Como foi dito anteriormente as baterias conseguem alimentar um sistema com muita energia mas não conseguem, sem degradar o seu tempo de vida, fornecer altas potências. Com esta estratégia é possível separar isso e fazer com que as baixas frequências sejam alimentadas pelas baterias e as altas pelos supercondensadores. Contudo a estratégia é definida por um conjunto de regras definidas de forma a assegurar a segurança do utilizador e dos componentes. Nessa estratégia existe a particularidade de poder recuperar alguma da energia reenviada pelo sub sistema de tração durantes as fases de travagem. Esta característica permite-nos recarregar as baterias e os supercondensadores. Tendo isto como objetivo os supercondensadores serão dimensionados consoante a potência necessária para o sistema de tração e as baterias serão dimensionadas para a necessidade energética .
Na representação do sistema foram expostos todos os elementos constituintes do sistema. Foram considerados para cada um dos modelos os fenómenos mais relevantes para a análise final do sistema. A parte do controlo é obtida através da inversão direta de todos os elementos à exceção dos elementos de acumulação, onde essa inversão direta não é possível. Nesse elemento o controlo é feito com a ajuda de controladores do tipo IP, integral proporcional. Foi feita a escolha desses controladores para evitar “overshoots” e em certos casos para resolver problemas de “algebric loops”. De forma a simular o comportamento de um condutor, foi utilizado um “cycle drive” para veículos elétricos, “World-Wide Harmonized Light” “WLTC”. Este tipo de ciclo possui diversas classes conforme o rácio entre a massa do veículo e a potência da máquina elétrica.
Os resultados obtidos não foram integralmente os esperados. Verifica-se, em alguns momentos, que os supercondensadores não fornecem a parte de altas frequências devido a limitações impostas pela estratégia de energia.
Como trabalho futuro propõe-se desenvolver outro tipo de estratégia de forma a obter resultados mais eficientes aplicando outra tipo de fonte como auxílio às baterias.
Description
Keywords
Energetic Macroscopic Representation Sistemas de armazenamento de energia Sistemas de armazenamento híbridos de energia Veículos elétricos Gestão de energia