Sistema de carregamento de baterias sem contacto controlado através uma bobina variável

Abstract

O carregamento de baterias é um conceito que faz parte do dia-a-dia de qualquer pessoa nos tempos que correm. Atualmente, é impensável para a grande maioria das pessoas, viver sem dispositivos que requerem energia elétrica armazenada, tal como o telemóvel ou o computador portátil. Mas não é só nestes dispositivos eletrónicos que o armazenamento de energia elétrica é importante. No sector dos transportes, os Veículos Elétricos (VE) são cada vez mais uma realidade. No entanto, enfrentam o problema do armazenamento de energia elétrica, que os impede de fazerem viagens de longa distância sem fazer paragens de longa duração, ao contrário de um veículo de combustão. O carregamento de baterias sem fio poderá ajudar a quebrar algumas barreiras, uma vez que o veículo não precisa da intervenção humana para carregar. Um autocarro citadino, por exemplo, quando faz paragens para troca de passageiros, pode aproveitar para carregar baterias de forma autónoma. Esta tecnologia, que permite a transferência de energia sem contacto, é denominada de transferência de energia por indução (IPT) e permite a troca de energia através de núcleos de ar com grandes distâncias. No entanto, para que tenham um bom funcionamento, é necessário um controlo rigoroso, de modo a obter bons rendimentos, preservar os materiais envolvidos no processo de carregamento e garantir a segurança das pessoas. Esta dissertação tem como objetivo avaliar o comportamento de uma bobina variável num sistema IPT, para o controlo da corrente de carga e compensação de eventuais desalinhamentos prejudiciais ao processo de carregamento do veículo. Inicialmente, é apresentada uma introdução teórica sobre sistemas IPT e o funcionamento de conversores ressonantes, já que estes conseguem aumentar o rendimento deste tipo de sistemas. Ainda na introdução, é descrito o funcionamento de indutâncias variáveis de modo a implementar uma bobina variável. De seguida, com o objetivo de validar os princípios estudados, recorre-se a uma simulação computacional, variando a bobina em três níveis de indutância diferentes, de modo a analisar o comportamento do sistema e os respetivos resultados, nomeadamente a corrente de carga na bateria. Por fim, o sistema é implementado em laboratório de modo a validar os resultados da simulação computacional para os três níveis de indutância. Adicionalmente, ainda em laboratório, são realizados ensaios para avaliar o desempenho da bobina na compensação de eventuais desalinhamentos. Após a análise dos diversos resultados, tanto computacionais, como práticos, conclui-se que o controlo através da bobina variável permite variar os níveis de corrente de carga, e aumentar o rendimento do sistema na ocorrência de desalinhamentos.

Battery charging is a common concept in everyday life of most people. Currently, it is unthinkable for the majority of people to live without devices requiring stored energy, such as, phones or laptops. The importance of electrical energy storage is wider than those electronic devices. In the transport sector, the Electric Vehicles are increasingly becoming a reality. However, they face the problem of electricity storage, which prevents them from making longdistance travel without long stops, unlike a combustion vehicle. Wireless battery charging can help overcoming some drawbacks, since the vehicle does not need any human intervention to charge. A city bus, for example, when stopping to exchange passengers can take advantages of the independent charging. The technology that allows contactless energy transfer, is called inductive power transfer and allows the exchange of energy through air gaps. Nevertheless, a close monitoring of those systems is essential to obtain good yields, preserve the materials involved in the loading process and ensure the safety of people. This work aims to evaluate the behavior of a variable inductor in an IPT system to control the charging current and compensate for any misalignment harmful to the vehicle charging process. Initially, it is presented a theoretical introduction to IPT systems and resonant converters, due to its role in increasing the efficiency of such systems. The introduction also includes a description of the operation of variable inductances in order to implement a variable inductor. Then, it is described the computational simulation, using three different inductance values in order to analyze the behavior of the system, focusing in the load current of the battery. Finally, the system implemented in the laboratory is explained aiming to validate the computational results for the three inductance levels. Additionally, using the same system, it is analyzed the performance of the inductor in compensation for any misalignment, by testing three different misalignments. After analyzing the results both, computational and practical, it can be concluded that the variable inductor is able to control the system through the variation of the load current and increases the system performance in case of misalignment.