Conversor CC-CC Boost 3SSC-A aplicado na recarga de baterias veiculares

Abstract

Este trabalho propõe a aplicação de um conversor CC-CC Boost incorporando a Célula de Comutação de Três Estados tipo A (3SSC-A), para a recarga rápida de uma bateria de íons de lítio de veículos elétricos. A topologia Boost 3SSC-A possui vantagens inerentes à 3SSC, como melhor rendimento e menor ripple de corrente em relação à topologia clássica. O conversor Boost 3SSC-A mostra-se adequado para o processamento das altas correntes necessárias para o carregamento rápido das baterias, devido à divisão dos esforços de corrente nos semicondutores. Utilizou-se a técnica de recarga constant current/constant voltage (CC/CV), que realiza a recarga em corrente constante até que a tensão nos terminais da bateria atinja um valor predefinido e então o controlador mantém a tensão constante enquanto a corrente decai gradualmente. Implementaram-se os controles em modo cascata e em modo chaveado. A modelagem matemática do comportamento dinâmico do conversor foi feita a partir da aproximação a pequenos sinais. Através de simulações, validou-se o projeto do conversor, obtendo-se as principais formas de onda dos componentes, aplicando-se testes de variação de carga e emulando o carregamento de um modelo de bateria. O resultados obtidos demonstram que o conversor realiza a recarga completa do modelo de bateria de íons de lítio implementado, validando também as técnicas de controle aplicadas.

This work proposes the application of a DC-DC Boost converter incorporating the Three-State Switching Cell type A (3SSC-A), for fast charging of a lithium-ion battery for electric vehicles. The 3SSC-A Boost topology has advantages inherent to the 3SSC, such as better efficiency and lower current ripple compared to the classic topology. The Boost 3SSC-A converter is suitable for processing the high currents required for fast charging of batteries, due to the division of current stress in the semiconductors. The constant current/constant voltage (CC/CV) recharge technique was used, which performs the recharge at constant current until the voltage at the battery terminals reaches a predefined value and then the controller maintains the voltage constant while the current gradually decays. The controls were implemented in cascade mode and in switched mode. The mathematical modeling of the dynamic behavior of the converter was made from the small signal analysis. Through simulations, the converter design was validated, obtaining the main waveforms of the components, applying load variation tests and emulating the charging of a battery model. The results obtained demonstrate that the converter performs the complete recharge of the implemented lithium-ion battery model, also validating the applied control techniques.