Sistema de carregamento rápido de veículo elétrico puro

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Data

2017-03-13

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Universidade Estadual Paulista (Unesp)

Resumo

Uma das principais dificuldades para a adoção dos veículos elétricos (VE) é o tempo de abastecimento (carregamento elétrico), considerado elevado quando comparado com o tempo requerido para abastecer um veículo com motor a combustão interna. O carregamento do VE típico de passageiros é geralmente realizado na residência do proprietário, ligando o carregador interno do VE em uma tomada convencional monofásica. Este método de carregamento é conhecido como de Corrente Alternada (CA), requer, tipicamente pelo menos 7 horas para fornecer uma carga completa. Por outro lado, o método de carregamento por Corrente Continua (CC) oferece tempos de carregamento entre 10 e 80 minutos. Contudo, para obter este nível de desempenho, são empregados carregadores externos de alta potência ligados de forma direta ao banco de baterias do VE. Devido ao custo e aos requerimentos de alimentação, estes carregadores rápidos são usados principalmente em aplicações públicas e comerciais. As pesquisas pelas melhores topologias a serem empregadas nos carregadores rápidos ainda são, neste ano de 2017 objeto de estudos em escala mundial. Neste contexto, este trabalho descreve a análise e implementação de um protótipo de carregador externo rápido para VE, o qual é composto por um retificador híbrido trifásico com correção ativa do fator de potência (Etapa CA-CC), seguido de um conversor tipo Buck entrelaçado (Etapa CC-CC). Na etapa CA-CC são impostas correntes de entrada senoidais, obtendo desta forma uma reduzida distorção harmônica total (DHT). Nesta etapa são empregados retificadores SEPIC comutados sob corrente nula (Zero Current Switching, ZCS) controlados por uma simples modulação por histerese, em paralelo com um retificador trifásico a diodos de seis pulsos. O estágio SEPIC processa apenas uma fração da potência total entregue pelo retificador híbrido, reduzindo deste modo os esforços de corrente dos semicondutores empregados, permitindo o uso desta topologia em elevados níveis de potência. Na etapa CC-CC o conversor Buck entrelaçado é controlado por modulação de largura de pulso (Pulse-Width Modulation, PWM), permitindo assim a implantação da técnica de carregamento por corrente constante e tensão constante (Constant Current-Constant Voltage, CC-CV), comumente empregada em baterias de íons de lítio e supercapacitores (SC). Como principal resultado foi obtido o carregamento de um banco de supercapacitores de 2,54 F, com corrente constante de 20 A, variando sua tensão de 180 V a 270 V com uma duração de 40 s, obtendo uma distorção harmônica total de 3,52% na corrente de entrada, ajustando-se ao padrão IEEE 2030.1.1-2015.
One of the main barriers against electric vehicle (EV) adoption is related to the battery recharging time, which is relatively high when compared to the time required to fill up a gasoline/diesel internal combustion engine vehicle. EV charging generally is done at home, using the on-board EV charger tied to conventional single phase power inlet, this charging method is known as Alternating Current (AC) and takes at least 7 hours to provide a full charge. On the other hand, the Direct Current (DC) method offers charging times from 1.2 hours to 10 minutes. However, to reach this performance, high power off-board chargers also known as fast-chargers (FC), directly charge the EV battery bank. Due to its cost and power supply requirements FC are used only in public or commercial applications. The researches for the best FC topologies are an active area of studies over the world. This work describes the analysis and implementation of an off-board electric vehicle (EV) Fast Charger prototype. It is composed by a three-phase hybrid rectifier with power factor correction (AC/DC stage), followed by an interleaved buck converter (DC/DC stage). At AC/DC stage, sinusoidal input phase currents are imposed, and consequently low Total Harmonic Distortion (THD) is obtained by the use of Zero Current Switching (ZCS) SEPIC rectifiers, applying a simple hysteresis control technique, in parallel with a conventional three-phase six pulses diode rectifier. The SEPIC converters manage only a fraction of the total power delivered by the hybrid rectifier, reducing the semiconductors current stresses, and allowing the use of this topology for high power levels. At DC/DC stage, the interleaved buck converter is controlled by Pulse Width Modulation (PWM), allowing Constant Current–Constant Voltage (CC-CV) charging technique, typically used for Lithium-ion (Li) batteries and Supercapacitors (SC). As main result of this implementation was obtained a charging process using constant a constant current of 20A over a supercapacitor bank of 2,54 F, raising its voltage from 180V to 270V in less than 40s, having a input phase current THD of 3,52%, fulfilling the requirements of IEEE 2030.1.1-2015 standard.

Descrição

Palavras-chave

Carregador rápido para veículo elétrico, Retificador híbrido SEPIC ZCS, Conversor buck entrelaçado, Carregamento de supercapacitores, CFP, Fast three-phase EV charger, Hybrid rectifier, ZCS SEPIC rectifier, Interleaved buck converter, Supercapacitor charging, PFC

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