Desenvolvimento de um conversor CC-CC bidirecional interleaved para testes de baterias de lítio ferro fosfato (LiFePO4)

Abstract

A presença da tecnologia através de dispositivos móveis na vida quotidiana dos cidadãos é, cada vez mais, imprescindível, apresentando notórias vantagens. Contudo, a evolução tecnológica dos dispositivos torna-os fortemente dependentes de fontes de energia. Consequentemente, torna-se imprescindível que, do ponto de vista tecnológico, estes sejam energeticamente eficientes, contribuindo também para maximizar a sua autonomia. Neste contexto, é de primordial importância o estudo e a caracterização de sistemas de alimentação baseados em baterias, nomeadamente, no que concerne aos processos de carga e descarga. No contexto desta dissertação são consideradas, em particular, as baterias do tipo Lítio Ferro Fosfato (LiFePO4). As baterias do tipo LiFePO4 apresentam-se como uma das tecnologias de armazenamento de energia elétrica mais evoluídas no que diz respeito às baterias secundárias, principalmente, devido às suas variadas vantagens em comparação com outras tecnologias existentes. Posto isto, destacam-se aspetos como a durabilidade, reduzida taxa de autodescarga, não possuem efeito memória e não contêm materiais poluentes. Além disso, estão presentes em diversas áreas, como por exemplo, mobilidade elétrica, sistemas de armazenamento de energia e interface com dispositivos/sistemas de energias renováveis. Assim, a finalidade desta dissertação consiste no desenvolvimento de um conversor bidirecional para testes de baterias de LiFePO4 e, posteriormente, efetuar vários testes com o intuito de obter as curvas caraterísticas de carga/descarga da mesma. Com o objetivo de efetuar vários ensaios à bateria de LiFePO4, foi desenvolvido um equipamento de eletrónica de potência que permite carregar e descarregar a bateria em estudo, com diferentes níveis de tensão e de corrente. Para visualizar a evolução das principais variáveis em análise, foi também desenvolvida uma aplicação gráfica que permite, em tempo real, efetuar a interface com o utilizador. O equipamento desenvolvido é composto por um conversor de eletrónica de potência do tipo CC-CC buck-boost, com topologia interleaved, sendo este controlado por um sistema baseado no Digital Signal Processor TMS320F28027FPTT da Texas Instruments.

The technologies’ presence in citizens’ everyday life, mainly in mobile form, is indubitably essential, presenting itself with numerous advantages. On the other hand, it comes with a large dependency, power sources. Therefore, to reduce these very same energy dependencies, it is imperative, from a technology point of view, that these devices become more energy efficient, maximizing the autonomy. With this taken in account it is extremely important to study and review the battery-based systems, mainly the processes of charging and discharging. On this dissertation’s context is considered LiFePO4 batteries, since they are one of the most promisor kind of batteries available in the market. LiFePO4 batteries are one of the most evolved ways of electric energy storing in secondary batteries, this being backed up by the numerous advantages in comparison to the other existent technologies. From which are highlighted the durability, the reduced self-discharging rate and the lack of memory effect as well as the nonexistence of polluting materials. Apart from that they are present in several areas such as smart grids, electric mobility and interface with renewable energy devices/systems. The main focus of this dissertation is to implement a bidirectional charging and discharging system made for LiFePO4 batteries, later performing a series of test to obtain charging and discharging characteristic curves. With the intuit of performing several tests to the LiFePO4 battery, the development of a power electronics equipment based on a bidirectional CC-CC convertor was required, to allow charging and discharging the battery with different levels of current and voltage. To visualize the evolution of the main variables, a graphic application was developed allowing real time interface with the user. The developed equipment consists on a CC-CC buck-boost with interleaved topology power electronics converter, controlled by a DSP based system, Texas Instruments TMS320F28027FPTT.