Conversores Bidirecionais Integrados CA/CC e CC/CC para VEs Plug-in

A tarefa de um conversor de energia é processar e controlar o fluxo de energia elétrica através do fornecimento de tensões e correntes em uma forma que é perfeitamente adaptado para as cargas de utilizador. A energia era convertida, a princípio, em conversores eletromecânicos (principalmente máquinas rotativas).

Hoje em dia, com o desenvolvimento e produção em massa de semicondutores de potência, conversores estáticos de potência encontraram aplicações em numerosos domínios, desde Aceleradores de Partículas, até os Veículos Elétricos. Eles vão se tornado sempre menores e mais leves e as suas performances estáticas e dinâmicas sempre sendo melhoradas.

Um conversor estático é uma rede de malha de componentes elétricos que atua como um estágio intermediário que faz uma adaptação ou uma transformação entre duas fontes, geralmente entre um gerador e uma carga.

Um conversor estático ideal estático controla o fluxo de energia entre duas fontes com 100% de eficiência (perda zero), por isso, o projeto de um conversor de energia visa sempre melhorar a eficiência. Mas, em uma primeira abordagem e para definir topologias básicas, é interessante a assumir que nenhuma perda ocorre no processo de conversor de um conversor de energia (situação ideal). Com esta hipótese, os elementos básicos são de dois tipos:

Elementos não-lineares, chaves, principalmente eletrônicas: semicondutores operados em modo de comutação;

Elementos lineares reativos: condensadores, baterias, indutâncias e indutâncias mútuas ou transformadores. Estes componentes reativos são utilizados para armazenamento de energia intermédia, mas também para a filtragem de tensão e corrente. Eles representam, geralmente, uma parte importante do tamanho, peso e custo do equipamento.

Independente de qual seja o método utilizado para carregamento de energia elétrica para a bateria de um EV, seja pela conexão de um cabo ao conector SAE-J1772, ou ainda pela conexão de um cabo ao conector JARI CC CHAdeMO, em ambos os casos envolverá, sempre, a conexão do mesmo até alimentadores da rede elétrica CA e o inevitável emprego de Conversores Estáticos no processo, seja para retificar a CA, convertendo-a em CC, ou seja para elevar ou abaixar o valor da CC (conversores CC-CC).

A diferença entre os conexões mencionadas, é que o carregamento por meio do conector SAE-J1772 foi concebido, originalmente, para ser algo bastante simples, não contendo em si, ou seja, na própria estação de carregamento, nenhum tipo de conversor estático, mas sim, utilizando os conversores embarcados do próprio veículo, tanto conversores CA-CC, quanto conversores CC-CC.

A aparência externa do carregador embarcado do Nissan Leaf é mostrado na figura ao lado. O projeto do carregador embarcado tem como premissa a refrigeração a água. Nele, a corrente alternada (CA 100-240V) fornecida pela fonte de energia comercial é convertida em corrente contínua (CC 260-410V) e, assim, a bateria de íons de lítio é carregada. A potência de saída é de 3,3kW (como já foi dito, a Nissan está providenciando um upgrade para 6,6 kW para novos modelos, que não poderá, com facilidade, ser instalado nos modelos anteriores) e a eficiência de carregamento é de aproximadamente 90%.

O Nissan LEAF 2013 com um novo carregador embarcado, mais potente, de 6,6 kW, irá reduzir pela metade o tempo que leva para carregar a partir de uma estação de carregamento J1772 nível 2 de 240V.

Quando técnicos da Nissan anunciaram que a montadora japonesa estaria dobrando a potência do carregador embarcado por volta de março de 2011, orgulhosamente se proclamou que o sistema atualizado do carregador do Nissan LEAF também estaria disponível como uma atualização para os atuais modelos 2011/12.

Agora, um crescente corpo de evidências sugere que qualquer pessoa que queira atualizar o unidade de carregamento do seu LEAF de 3,3 kW para 6,6 kW, poderá estar em dificuldades pois, diferentes de atualizações de software, upgrades de hardware geralmente são bem mais complexos.

Trocar o carregador de 3,3 kW para 6,6 kW não é a mesma coisa que carregar uma ferramenta de diagnóstico e reprogramação do computadores de bordo do veículo, em vez disso, a atualização do carregador é um processo moroso que envolve várias horas de trabalho no carro, além de envolver o alto custo das peças.

Como consequência, a menos que haja algo errado com o hardware original, proceder uma atualização é algo altamente improvável e envolverá um custo relativamente elevado. Mesmo que a Nissan oferecesse a atualização, não poderia ser barato pois, trocando-se o retificador original para um outro com a potência dobrada, sob o mesmo regime de tensão, a corrente será dobrada e, com isso, tudo o que se refere a fiação de energia (que é a parte mais cara da fiação) terá que ser, necessariamente, trocada, bem como, ainda, o controlador de bateria e o conversor CC/CC.

Quando a Nissan iniciar produção do LEAF modelo 2013, o carregador embarcado não será a única coisa que terá que ser atualizada, a partir das especificações dos modelos 2011/12. O LEAF 2013 terá, na verdade, várias outras pequenas mudanças e, por isso, nem os técnicos da Nissan acreditam que a oferta do serviço de upgrade por parte da empresa aconteça.

Portanto, não se trata de apenas trocar o conversor CA/CC (o retificador), que além de mais potente, passará a ser bidirecional, ou seja, o LEAF poderá passar a ser usado como fonte de C.A. para alimentar uma localidade isolada da rede CA, ou ser comandado remotamente, por comunicação de dados via uma “rede elétrica inteligente” e “revender” a sua energia armazenada durante a madrugada, de volta para a concessionária, em momentos de picos de consumo de energia.

Essencialmente, embora o carregador esteja localizado em uma corcova em forma de fácil acesso por trás do assento traseiro, a remoção e substituição com uma unidade de alta potência é uma empresa grande, semelhante a que envolve a substituição do motor completo em um carro a gasolina, portanto, os proprietários dos LEAF existentes estão presos a um carregador de 3,3 kW, que veio originalmente com o carro, ou precisarão bancar a cara operação de upgrade (vários milhares de dólares) em serviços paralelos.

Informações, tais como a condição de carregamento da bateria de íons de lítio, um sinal de status de carregamento rápido, e instruções da VCM (Vehicle Control Module) é recebido através da comunicação da rede CAN, de modo que o carregamento pela saída e controle é implementado de acordo com as informações recebidas.

Devido as necessidades do fluxo de energia, seja entre a máquina elétrica (motor) e a bateria, ou ainda entre a bateria e a rede CA, convém que todos os conversores empregados sejam do tipo bidirecional. Os Conversores Integrado Bidirecional CA/CC e CC/CC devem satisfaz os requisitos funcionais para aplicações dos PHEVs ou do EVs:

A tomada de energia CA da rede para carga de bateria;
A alimentação, via conversão BOOST CC/CC a partir da bateria para o sistema elétrico de tração do motor, e;
A regeneração, via conversão BUCK CC/CC a partir do sistema elétrico da máquina para a bateria.

Os Conversores Integrado Bidirecional também abordam algumas questões relacionadas com a eletrônica de potência, tais como:

Redução do número de indutores;
Redução do número de sensores de corrente;
Tolerância a falhas de corrente através das chaves semicondutoras de potência;
Tolerância à recuperação reversa atual de interruptores e diodos, e;
A mais larga gama de tensões de bateria aplicáveis.

Mesmo um conversor CA-CC monofásico embarcado precisa, também, ser bidirecional, caso se deseje desfrutar da possibilidade de extrair a energia acumulada na bateria do EV e aproveitá-la para algum abastecimento emergencial da rede CA.

Devido a sua capacidade para inverter a direção do fluxo de corrente e, assim, da potência, os conversores CC-CC bidirecionais vêm se tornando cada vez mais utilizados para promover a transferência de energia entre duas fontes de energia de CC em qualquer direção.

O conversor CC-CC bidirecional, juntamente com o armazenamento de energia têm se tornado uma opção promissora para muitos sistemas de conversão energia, inclusive os EVs, reduzindo o custo, melhorando a eficiência e o desempenho do sistema.

No que diz respeito à estrutura do núcleo de um Conversor Integrado Bidirecional CC-CC, a estrutura BUCK-BOOST não-inversora é empregada, que proporciona as três formas de operação BUCK (baixamento), BOOST (elevação), e BUCK-BOOST combinado. No entanto a operação BUCK-BOOST combinada, em particular, precisa ser eliminada devido às suas perdas de comutação.

Os outros dois modos de operações (o de elevação, boost, e o de abaixamento, buck) são, então, os casos usados para os Conversores CC/CC Integrados, em geral com capacidade para operar em modo Bidirecional, contidos tanto nos VEs a bateria como nos VEs híbridos.

Um conversor CC/CC irá transferir energia da sua entrada para a sua saída, menos uma pequena quantidade que é a perda inerente ao processo de conversão.

Portanto, um conversor CC/CC boost aumenta a tensão da sua entrada para a sua saída em X vezes, mas, em contrapartida, fornece uma corrente de saída X também vezes só que menor do que a corrente que flui pra a sua entrada.

Já, um conversor buck atuará ao contrario disso: ele reduz a tensão da entrada para a saída, mas pode permitir mais corrente de saída do que a corrente de entrada consumida.

Se sua entrada do conversor CC boost, por exemplo, for de 12V e no máximo 5A, você terá uma entrada máxima de 12 x 5 = 60W. Se, ainda por exemplo, você tiver um dispositivo conversor com cerca de 95% de eficiência, então você terá uma saída máxima de cerca de 57W (neste caso, 3 W se perdeu e se tornou em calor nos componentes do próprio dispositivo conversor). Portanto, se, digamos a capacidade de elevação de tensão do seu conversor boost for de 10X, então na sua saída você na saída de 10 x 12V = 120V, contudo, você sói poderá ter uma corrente de saída 10X menor, ou seja, uma corrente de no máximo 0,5A.

A perda de energia em um transistor (IGBT) é muito alto quando se atravessa uma região ativa duas vezes durante o período de comutação. Portanto, um pouco de energia eléctrica está prevista para ser perdido em forma de calor nos componentes dos circuitos conversores durante o processo de carregamento da bateria.

Os Conversores Bidirecionais são capazes de promover o fluxo de energia elétrica para ambos os sentidos, sendo assim, eles não tem terminas que sejam específicos para funcionar apenas como entrada ou apenas como saída, mas dependendo das circunstâncias da operação, eles devem poder trocar de função entre entrada e saída pois, numa aceleração do veículo, a energia precisa fluir da bateria para a máquina elétrica, ao passo que numa redução de velocidade, a energia fluirá da máquina elétrica para a bateria.

Em qualquer caso, o conjunto de baterias de alta energia deve ser capaz de armazenar energia elétrica suficiente não só a partir da rede CA externa, mas também a partir da CA que é produzida pela máquina elétrica pela ação da frenagem regenerativa, e deve ser capaz de fornecer a energia elétrica armazenada para o sistema elétrico de tração do motor.

A alta tensão do barramento CC também serve como o barramento principal de alimentação que fornece potência à carga principal, que é tipicamente um motor de acionamento do inversor para aplicações em veículos. O bidirecional conversor CC-CC é colocado entre as fontes de baixa tensão e de alta tensão para permitir a transferência de energia.

Cada bloco extra inserido num processo de conversão de energia elétrica causará uma perda a mais de uma pequena parcela da energia que ele recebe em suas entrada, com relação àquela que ele consegue entregar em sua saída, por isso, os projetos bem elaborados, tendem a manter a quantidade dos circuitos conversores reduzidos a um mínimo necessário, a fim de prover o máximo rendimento possível nos processos de conversão.

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