Desenvolvimento dos conversores de eletrónica de potência para a interface com a rede elétrica de um sistema de transferência de energia sem fios para mobilidade elétrica

Abstract

A aposta nos veículos elétricos (VEs) tem vindo a aumentar e, como tal, surgem novos desafios a nível da integração da mobilidade elétrica e das redes elétricas. Do ponto de vista da mobilidade elétrica, o tempo de carregamento de um VE e a autonomia continuam a ser os principais inconvenientes associados a estes veículos. Para mitigar estes problemas têm surgido vários sistemas inovadores, nomeadamente: sistemas de carregamento cada vez mais potentes que permitem diminuir o tempo de carregamento; novas tecnologias de sistemas de armazenamento de energia (maioritariamente baterias); e sistemas de gestão das baterias mais avançados e eficientes. Do ponto de vista da rede elétrica, a integração do VE apresenta também um conjunto significativo de vantagens, especialmente, quando os mesmos empregam sistemas de carregamento bidirecionais. Assim, além do modo de operação grid-to-vehicle (G2V), os sistemas bidirecionais permitem também outros modos de operação como o vehicle-to-grid (V2G) e o vehicle-for-grid (V4G). Com o objetivo de simplificar a interface entre o VE e o utilizador, assim como acompanhar as tendências do mercado, surge a necessidade de sistemas de carregamento sem fios. Atualmente, existem diversos sistemas de carregamento sem fios a operar de forma unidirecional com resultados que superaram as expectativas, tanto a nível da potência de carregamento, como de eficiência. Nesta dissertação foi implementado em ambiente de simulação o sistema completo para um carregamento por WPT para mobilidade elétrica. Onde foi validada as topologias dos conversores e os algoritmos de controlo dos mesmo, mais especificamente a interface com a rede elétrica, a transferência de energia bidirecional e o carregamento e descarregamento das baterias. O protótipo desenvolvido na presente dissertação foi dimensionado para uma potência de carregamento de 3,6 kW e realiza a interface entre a rede elétrica e o primário do sistema WPT. O protótipo é composto por uma única Placa de Circuito Impresso (PCB) onde se encontra o conversor CA-CC, o conversor CC-CA de alta frequência, o condicionamento de sinal e o microcontrolador. O sistema desenvolvido permite operar em três modos: G2V, V2G e V4G. Por fim, foram obtidos os resultados experimentais do protótipo que validam os três modos de operação.

The focus on electric vehicles (EVs) has been increasing, and new challenges arise regarding the integration of electric mobility and electric networks. According to electric mobility, an EV and autonomy charging time continues to be the main drawbacks associated with these vehicles. Several innovative systems have emerged to mitigate these problems: increasingly powerful charging systems that reduce charging times; new technologies for energy storage systems (mainly batteries); and more advanced and efficient battery management systems. According to the electricity grid, EV integration also presents a significant set of advantages, especially when using bidirectional charging systems. Thus, in addition to the grid to a vehicle (G2V) operating mode, bidirectional systems also allow for other operating modes such as vehicle to grid (V2G) and vehicle for-grid (V4G). To simplify the interface between the EV and the user and follow market trends, the need for wireless charging systems arises. Currently, wireless charging systems operate unidirectionally with results that surpass expectations, both in charging power and efficiency. In this dissertation, the complete system for a WPT charge for electric mobility was implemented in a simulation environment. Furthermore, the topologies of the converters and their control algorithms were validated, specifically the interface with the electrical network, the bidirectional energy transfer, and the charging and discharging of batteries. The prototype developed was dimensioned for a charging power of 3.6 kW and performed the interface between the electrical network and the primary of the WPT system. The prototype consists of a single Printed Circuit Board (PCB) where the AC-DC converter, the high-frequency DC-AC converter, the signal conditioning, and the microcontroller are located. The developed system allows operating in three modes: G2V, V2G, and V4G. Finally, the experimental results of the prototype that validate the three modes of operation were obtained.