Sistema de armazenamento de energia híbrida e estratégia de controle para um ônibus elétrico urbano

Orientador: Marcelo Gradella Villalva Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação Resumo: Esta tese de mestrado descreve o uso de um sistema híbrido de energia (HESS), composto de um banco de baterias e de capacitores eletroquímico (EC) como principais fontes de energia e um conversor DC-DC bidirecional entrelaçado de múltiplas entradas para fornecer energia a um ônibus elétrico urbano. Com uma estratégia de controle que divide em frequências de corte diferentes, quando cada fonte de energia irá atuar de acordo com a demanda da carga do motor, é possível utilizar o EC para rápidas variações na demanda da carga, enquanto a bateria é usada como uma fonte de potência média. Foi utilizado um ciclo de perfil de velocidade padrão da norma SAE J2711, o ciclo Manhattan, que foi utilizado para definir o perfil de carga a ser utilizado para a simulação do HESS. Com o perfil de carga, foi possível determinar a corrente de carga. Na simulação, foi definido utilizar como carga uma fonte de corrente, ao invés de um motor elétrico e seu inversor, porque o objetivo é o estudo do conversor DC-DC. Após a definição da corrente da carga, determinou-se o consumo de potência e o dimensionamento da bateria e do EC foi realizado. Então a frequência de chaveamento foi determinada e o cálculo térmico dos transistores foi feito para assegurar sua possibilidade de aplicação. A frequência de chaveamento definida foi de 20kHz e com isso foi possível de se definir a quantidade de transistores necessária para se trabalhar adequadamente. A análise FFT da potência de consumo foi realizada e a frequência de corte abaixo da qual a bateria deveria atuar como praticamente uma fonte de potência constante foi determinada. O conversor DC-DC bidirecional elevador de tensão foi modelado, as equações de estado foram determinadas, os gráficos de Bode analisados e os controladores para o conversor foram definidos. O circuito foi implementado no software de simulação PSIM. Em um primeiro momento foi simulado o conversor DC-DC bidirecional com o sistema simples de dois transistores e foi observado que a corrente era muito alta. Então sistemas entrelaçados de três fases foram implementados para a bateria e para o EC, reduzindo o esforço de corrente para cada transistor. Foi possível observar a função da estratégia de entrelaçamento para reduzir a flutuação de corrente e o HESS foi capaz de gerenciar quando cada fonte atuar, de modo a deixar o EC reagir rapidamente às variações de demanda e a bateria a trabalhar como a fonte principal de energia, mas rodando com baixa variação, assegurando o melhor compromisso em vida útil e autonomia veicular Abstract: This master thesis describes the use of a hybrid energy storage system (HESS) composed of battery and an electrochemical capacitor (EC) as energy sources and a multi-input bi-directional interleaved DC-DC converter to provide energy to an electric urban bus. Using a control strategy with different cutoff frequencies, when each power source is going to provide the energy required by the engine, it is possible to use the EC for rapid changes on the load demands, while the battery is used as a constant source. The Manhattan cycle from SAE J2711 was used as a standard cycle in order to define a speed profile, which was used to create an engine load profile that was used to simulate the HESS. From this load profile it was possible to determine the current load. In the simulation a current source is used as load, instead of an electric engine and its inverter, because the target was to study the DC-DC converter. After defining the current load, the power consumption was determined and the battery and EC dimensioning was determined. It was then defined the switching frequency and a thermal analysis was calculated in order to evaluate the transistor application. The defined switching frequency was 20kHz and it was possible to determine the amount of transistors required to support the load demand working accordingly. The FFT analysis of the power consumption was done and the cutoff frequency of the range where the battery should work as almost a constant energy source was determined. A bi-directional Boost DC-DC converter was modelled with state space equations. The converter controllers were designed from the Bode plots obtained from the state space equations. A switched simulation model of the converter and controllers was implemented with the PSIM software. In a first moment, a simple two transistor bi-directional boost DC-DC converter was simulated, which allowed to observe that the amount of current drawn in one single transistor was too high. Then a three-phase interleaved DC-DC converter was applied for the battery and for the EC, reducing the current demand for each transistor. It was possible to observe the function of the interleaved strategy to reduce current ripple and the HESS was able to manage the best of each power source, allowing the EC to quickly react to load variations and the battery would work as a main energy source, but running with low variation, assuring the best compromise for lifetime and driving range Mestrado Energia Elétrica Mestre em Engenharia Elétrica