Sistema de controle de estação de recarga rápida e estação de recarga rápida para veículos elétricos

  • Número do pedido da patente:
  • BR 10 2014 001964 2 A2
  • Data do depósito:
  • 27/01/2014
  • Data da publicação:
  • 29/09/2015
Inventores:
  • Classificação:
  • B60R 16/02
    Circuitos el?tricos ou de fluidos ou disposi??es de elementos dos mesmos especialmente adaptadas para ve?culos e n?o incluídas em outro local; Disposi??es de elementos dos mesmos especialmente adaptadas para ve?culos e n?o incluídas em outro local; / el?trico;
    ;
    H02J 7/02
    Disposi??es de circuitos para carregar ou despolarizar baterias ou para alimentar o carregamento de baterias; / para carregar baterias usando redes principais de corrente alternada por meio de conversores;
    ;
    B60L 11/00
    Propuls?o el?trica com fonte de energia no interior do ve?culo;
    ;
    H02J 7/34
    Disposi??es de circuitos para carregar ou despolarizar baterias ou para alimentar o carregamento de baterias; / Funcionamento em paralelo, em redes usando baterias ou outras fontes de energia de corrente cont?nua, p. ex. com possibilidade de amortecimento;
    ;

SISTEMA DE CONTROLE DE ESTAÇÃO DE RECARGA RÁPIDA E ESTAÇÃO DE RECARGA RÁPIDA PARA VEÍCULOS ELÉTRICOS. A presente invenção prevê um sistema de controle da Estação de Recarga Rápida para veículos elétricos, em que a Estação de Recarga Rápida (2) compreende uma entrada de energia de uma rede de alimentação (1), conectada eletricamente a um regulador de tensão (21), um “Chopper”(22) e um banco de ultracapacitores (24), em que o sistema de controle (26) é configurado de modo a controlar a tensão do banco de ultracapacitores (24) e a potência fornecida pela rede de alimentação (1) de modo a manter uma potência aproximadamente constante na rede de alimentação (1) durante a recarga de um veículo elétrico (4) e durante a ociosidade na ausência de recarga de um veículo elétrico (4).

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Documento

SISTEMA DE CONTROLE DE ESTAÇÃO DE RECARGA RÁPIDA E ESTAÇÃO DE RECARGA RÁPIDA PARA VEÍCULOS ELÉTRICOS Campo da Invenção

[001]    A presente invenção se insere no campo de veículos elétricos, mais precisamente uma Estação de Recarga Rápida para veículos elétricos preferencialmente destinados ao transporte urbano de passageiros (ônibus, VLT ou trem).

Estado da Técnica

[002]    A tecnologia de capacitores vem evoluindo gradativamente, incluindo a recente disponibilidade de ultracapacitores, que são capacitores com alto valor de capacitância, da ordem de centenas de Farads, ao contrário dos capacitores tradicionais da ordem de micro-Farads.

[003]    Com o advento de tal tecnologia, algumas empresas visualizaram a possibilidade de projetar veículos dotados de tração puramente elétrica, especialmente veículos urbanos destinados ao transporte de massa.

[004 ] Como ' os ultracapacitores aceitam cargas e descargas muito elevadas, com uma vida útil longa (acima de 10 anos), podem ser utilizados para acumular energia elétrica em quantidade suficiente para permitir o deslocamento de um veículo pesado por distâncias limitadas (por exemplo, cerca de 1 km a 2 km).

[005] Ainda, tais ultracapacitores podem ser carregados em alguns segundos, diferentemente    das baterias

convencionais que exigem de 4 a 8 horas para recarga, tornando possível desenvolver um sistema de tração para veículos, alimentados por um banco de ultracapacitores embarcado, e não mais por baterias tracionarias ou

geradores.

[006]    Tal banco de ultracapacitores pode, durante as paradas destinadas ao embarque/desembarque de passageiros, receber cargas rápidas, na ordem de 20 a 30 segundos, sendo esta carga suficiente para que o veículo possa se deslocar até a próxima estação de passageiros, onde a carga é repetida.

[007]    Desta forma, um veículo pode ser operado durante toda a sua jornada diária, desde que as Estações de Embarque disponham de uma Estação de Recarga Rápida (ERR). Preferencialmente, tal veículo compreende uma tração puramente elétrica.

[008]    Geralmente, o componente tradicional para acúmulo de energia em veículos elétricos tem sido as baterias eletroquímicas (do tipo Pb-Acida; Ni-Cd; de íon de Lítío,

entre outros).

[009]    Embora úteis para uma grande gama de aplicações, tais baterías eletroquímicas sofrem de duas limitações principais: a) necessitam de várias horas para recarga e tem capacidade de descarga relativamente limitada; e b) aceitam um número muito limitado de ciclos de carga/descarga, após os quais perdem sua utilidade e precisam ser substituídas. Em outras palavras, a vida útil de tais baterias é relativamente curta, cerca de 2 a 3 anos.

[010]    Tipicamente, as Estações de Recarga para estes veículos elétricos compreendem pantógrafos ligados à rede elétrica. Durante a recarga dos veiculos, a potência exigida é enorme. De modo contrário, quando não há veículos a serem carregados, a Estação de Recarga fica ociosa.

[011]    Assim, estas estações são dimensionadas para a potência máxima (durante a recarga) que, em seguida, cai a zero assim que a carga dos veículos elétricos se completa.

[012]    Tal regime de operação proporciona demandas severas e indesejáveis para a rede alimentadora, pois esta deveria fornecer potência máxima por curtos períodos de tempo e potência zero em seguida.

[013]    Estas demandas são ainda maiores com a utilização de ultracapacitores, que necessitam de uma carga mais rápida que as baterias convencionais, normalmente utilizadas.

[014]    O presente desenvolvimento visa solucionar e evitar tal situação através do projeto de uma Estação de Recarga que, embora capaz de manter a capacidade de suprir altas demandas por curtos períodos, evite picos de demanda para a rede de alimentação.

[015]    Deste modo, a Estação de Recarga Rápida (ERR), objeto da presente invenção, tornou-se uma necessidade para permitir a operação de veículos de grande porte (ônibus, caminhões ou VLTs), que operem com tração inteiramente elétrica. Como previamente explanado, estes veículos só se tornaram viáveis apos a invenção, recente, deste novo componente, o ultracapacitor, que é utilizado para alimentar o sistema elétrico de tração.

[016]    Diante do acima exposto, é possível verificar algumas tentativas de solução deste problema. Por exemplo, é possível citar os documentos CN 102163860 A, EP 1228919 A2, CN 201797334 U, ÜS 8400106 B2, US 8324860 B2 e WO 2006090536 Al.

[017]    Em todos os documentos acima citados são descritas estações de recarga rápida para veículos elétricos que compreendam ultracapacitores.

[018]    Entretanto, nenhuma das tecnologias citadas tem

como objetivo básico alimentar um booster trifásíco de um veículo elétrico, que por sua vez, irá gerar uma tensão D.C. constante, apropriada para alimentar os Sistemas de Tração e os Sistemas Auxiliares do veículo,

[019]    Ainda, todos os documentos encontrados descrevem sistemas em que a potência drenada da rede não é mantida praticamente constante, ou seja, há um pico de potência quando um veículo está sendo recarregado e potência praticamente nula quando não há veículo sendo carregado.

[020]    A característica de potência constante cedida pela rede é extremamente importante para as empresas distribuidoras de energia, pois evita que sejam submetidas a picos aleatórios de potência, que podem ser considerados surtos na rede.

[021]    Deste modo, nenhuma das tecnologias encontradas como anterioridades apresenta estas duas características, que são os problemas solucionados pela presente invenção.

[022]    Na presente invenção a Estação de Recarga Rápida compreende, preferencialmente, um banco de ultracapacitores. Este banco de ultracapacitores é recarregado enquanto não há veículos conectados à Estação, e fornece energia ao veículo quando o mesmo se conecta a Estação.

[023]    Deste modo, a presente invenção soluciona os problemas do estado da técnica ao contornar uma característica indesejável, que é a variação de potência na

rede.

[024]    Ademais, o sistema foi desenvolvido de modo a alimentar um booster de potência entre os ultracapacitores e os demais sistemas elétricos do veículo, que compreendem o Sistema de Tração e os Sistemas Elétricos Auxiliares, para manter constante a voltagem no veículo e simplificar o gerenciamento de energia.

[025]    Em oposição às técnicas anteriores, a Estação de Recarga Rápida da presente invenção é continuamente alimentada por potência da rede aproximadamente constante, independentemente da existência ou não de um veículo sendo recarregado.

BREVE DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[026]    A presente invenção refere-se a um sistema de controle de Estação de Recarga Rápida para veículos elétricos, em que a Estação de Recarga Rápida compreende uma entrada de energia de uma rede de alimentação, conectada eletricamente a um regulador de tensão, um "Chopper" e um banco de ultracapacitores, em que o sistema de controle é configurado de modo a controlar a tensão do banco de ultracapacitores e a limitar a corrente proveniente da rede de alimentação de modo a limitar a variação de potência drenada da rede de alimentação durante a recarga de um veículo elétrico e durante a ociosidade na

ausência

de

recarga de

um veículo

elétrico. A variação

máxima

de

potência

na rede

de alimentação é,

preferencialmente, de 20%.

[027] A presente invenção descreve ainda uma Estação de Recarga Rápida para veículos elétricos, que compreende um banco de ultracapacitores, eletricamente conectado a uma rede de alimentação, a    Estação de Recarga Rápida compreendendo um sistema de controle que é configurado de

modo a controlar a tensão do banco de ultracapacitores e a corrente proveniente da rede de alimentação de modo a limitar a variação máxima de potência drenada da rede de alimentação durante a recarga de um veiculo elétrico e durante a ociosidade na ausência de recarga de um veículo elétrico, em que a variação máxima de potência na rede de alimentação é, preferencialmente, da ordem de 20%.

[028]    A Estação de Recarga Rápida compreende, preferencialmente, uma conexão elétrica para a recarga do veículo elétrico sendo que a conexão elétrica na Estação de Recarga é, preferencialmente, um barramento, e a conexão elétrica no veículo elétrico é, preferencialmente, um pantógrafo.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[029]    A figura 1 é um diagrama de blocos que apresenta um sistema de recarga de veículos elétricos de acordo com a configuração preferencial da presente invenção.

[030]    A figura 2 é um diagrama de blocos que apresenta um sistema de recarga de veículos elétricos detalhado de acordo com a configuração preferencial da presente invenção.

[031]    A figura 3 é um diagrama de blocos que apresenta um sistema de controle para a recarga de veículos elétricos de acordo com a configuração preferencial da presente invenção.

[032 ] A figura 4 ilustra um exemplo da variação da voltagem do conjunto de ultracapacitores e do retificador durante um ciclo de carga e descarga.

[033] A figura 5 ilustra um ■ exemplo da potência fornecida pela Estação de Recarga Rápida durante um ciclo de carga e descarga.

[034]    A figura 6 ilustra um exemplo das distorções harmônicas na rede de alimentação durante um ciclo de carga e descarga.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[035]    As figuras 1 a 7 ilustram uma Estação de Recarga

Rápida (2) para veículos elétricos (4) e um sistema de controle de potência da Estação de Recarga Rápida (2). Estações de Recarga Rápida (2), de acordo com a descrita na presente invenção, tornaram-se uma necessidade para permitir a operação de veículos elétricos (4) de grande porte (ônibus, caminhões ou VLTs), que operem com tração

(43) inteiramente elétrica e que utilizem bancos de ultracapacitores (41) para alimentar o sistema de controle

de tração (42)

e o Sistema

Elétrico

de Tração (43),

no

veículo.

[036] Como

previamente

explanado,

as Estações

de

Recarga Rápida

tradicionais

alimentam

baterias, que

se

caracterizam por apresentar capacidade de carga e descarga limitada e, deste modo, influenciam negativamente a rede de alimentação (1) durante a recarga de tais veículos elétricos (4) .

[037] Estes veiculos elétricos (4) só se tornaram viáveis apos a invenção, relativamente recente, de um novo componente, o ultracapacitor. Como o nome indica, tal componente é um capacitor que apresenta altíssimo valor de capacitância. Enquanto os capacitores tradicionais tem capacitância da ordem de micro-Farads (10-6 Farads), cada ultracapacitor possui capacitância da ordem de centenas de

Farads, ou sej a, cerca de 107 vezes superior a de capacitores tradicionais.

1038] Tais características permitem pensar em

utilizações onde podem ser usados para acumular elevados valores de energia elétrica.

[039]    Os ultracapacitores aceitam correntes de carga/descarga muito elevadas e tem sua vida útil na faixa de dez anos. Tais características são decorrentes de operarem sem reações eletroquímícas, pois a energia elétrica é acumulada em um campo elétrico interno.

[040]    Deste modo, a capacidade de ceder/receber potência elétrica (por unidade de peso) em muito excede a capacidade das baterías comuns, além de possibilitar uma recarga em segundos, e nâo em horas, como as baterias normalmente utilizadas.

[041]    Para que sistemas que descrevem veículos que

utilizam trações puramente elétricas sejam funcionais (como, por exemplo, o documento Brasileiro BR 10 2013 022275    5) os ultracapacitores do veículo necessitam ser

rapidamente recarregados durante os curtos intervalos de tempo do embarque/desembarque de passageiros.

[042]    Para isto, torna-se imprescindível o desenvolvimento de uma Estação de Recarga Rápida que não penalize a rede de distribuição, quer gerando altos índices de harmônicas ou submetendo-a a surtos repentinos e periódicos de alta demanda de potência.

[043]    A solução para tal problema pode ser vista na figura 1, que apresenta uma configuração preferencial da presente invenção. A Estação de Recarga Rápida (2) , de acordo com a figura em análise, compreende um sistema contínuo de acúmulo de energia durante seu tempo de ociosidade (ausência de veículos elétricos (4)), e é alimentada por uma rede de alimentação (1), e conectada aos veículos elétricos por meio de uma conexão elétrica (3).

[044]    A figura 2 ilustra um sistema de recarga de veículos elétricos (4) de forma mais detalhada. Como pode ser visto na figura, a energia acumulada no período de ociosidade será rapidamente transferida para o veículo elétrico (4) que vier a se conectar a mesma por meio de uma conexão elétrica (3), e será controlada por um sistema de controle (26) específico.

[045]    Em uma configuração preferencial da presente invenção, esta conexão elétrica (3) é, preferencialmente, um pantógrafo, que pode ser parte integrante do veículo elétrico ou somente um elemento adicional a ele conectado.

[046]    Deste modo, o veículo elétrico (4) pode dispor de um pantógrafo que pode ser montado no teto do mesmo ou sob o piso, por exemplo. Por sua vez, a Estação de Recarga Rápida (2) pode compreender barramentos paralelos, que podem ser montados em uma altura superior a do teto do veículo elétrico (4) na Estação de Recarga Rápida (2) , ou no solo, sobre isoladores apropriados.

[047]    No primeiro caso, ao parar embaixo da Estação de Recarga Rápida (2) , o pantógrafo do veículo elétrico (4) é levantado, (por um pequeno motor elétrico ou pneumático, ou manualmente) até que faça contato com os barramentos da Estação de Recarga Rápida (2) . A partir deste- instante, a Estação de Recarga Rápida (2) passará a recarregar o banco de ultracapacitores (41) do veículo elétrico (4).

[048]    No segundo caso, ao parar em cima da Estação de

Recarga Rápida (2), o pantógrafo do veiculo elétrico (4), que é montado sob o seu piso, é baixado até estabelecer contato com os barramentos da Estação de Recarga Rápida (2). Neste caso, assim que o veículo elétrico (4) deixar a Estação de Recarga Rápida (2), os barramentos sobre o solo devem ser automaticamente desligados, por segurança, voltando a ser energizados somente quando um novo veículo elétrico (4) estiver sobre eles.

[049]

Em uma Estação de

Recarga

Rápida

(2)

bem

projetada,

a demanda

feita à

rede de

alimentação

(D

permanece

praticamente

constante

, em todas as

fases,

ou

seja, há um limite máximo de variação da potência drenada da rede de alimentação (1) de cerca de 20%.

[050]    Para que isto aconteça, a Estação de Recarga Rápida (2) compreende um conjunto de ultracapacitores (24). Enquanto não houver um veiculo elétrico (4) sendo recarregado, a Estação de Recarga Rápida acumula energia neste conjunto de ultracapacitores (24) .

[051]    Assim que um veículo elétrico (4) se conectar, a Estação de Recarga Rápida (2) rapidamente transfere ao veículo elétrico (4) a energia previamente acumulada no conjunto de ultracapacitores (24), acrescida de uma parcela drenada diretamente da rede de alimentação (1).

[052]    Deste modo, o banco de ultracapacitores (41) do veículo elétrico (4) é recarregado ao drenar a potência proveniente da rede primária de alimentação, acrescida da potência previamente acumulada nos ultracapacitores (24) da Estação de Recarga Rápida (2).

[053]    Desta forma, é possível uniformizar ao longo do tempo a demanda feita a rede de alimentação (1), minimizando os transitórios e a distorção harmônica a que a rede de alimentação (1) é submetida.

[054]    Resta claro que, para que o sistema da Estação de Recarga Rápida (2) seja eficiente, é necessário um sistema de controle (26) razoavelmente sofisticado, que controle tanto a carga como a descarga dos ultracapacitores da Estação de Recarga Rápida (2).

[055] Tal sistema de controle mede    a demanda instantânea de potência que deve ser suprida ao banco de ultracapacitores (41) do veículo elétrico (4), a capacidade de descarga do conjunto de ultracapacitores (24) da Estação de Recarga Rápida (2) e, em seguida calcula a potência instantânea que deve provir diretamente da rede de alimentação (1) (e que jamais deve ultrapassar o valor máximo para a qual foi projetada).

[056]    Desta forma, o tempo necessário para a carga do

banco de ultracapacitores (41) do veículo elétrico (4) é mantido em um mínimo pré-calculado. Preferencialmente, este valor é pré-calculado utilizando o tempo para a recarga dependente do intervalo de tempo entre dois veículos sucessivos. Evidentemente, este tempo deverá ser inferior ao intervalo de tempo entre dois veículos sucessivos. Deste modo, o valor deste tempo é pré-definido para satisfazer a necessidade de transporte de passageiros do corredor, por exemplo, veículos capazes de transportar 100 passageiros passando a cada minuto pela Estação de Recarga Rápida utilizariam uma fórmula de:    capacidade de transporte do

corredor = 100 pass/rrdn = 6000 pass/hora.

[057 ] Simultaneamente, o uso de conjuntos de ultracapacitores (24) com um sistema de controle (26) permite projetar Estações de Recarga Rápida (2) com potência muito inferior ao valor que seria necessário caso fosse dimensionada para assumir 100% da carga exigida pelo banco de ultracapacitores (41) do veículo elétrico (4).

[058]    Esta estratégia de controle é explicitada no diagrama de blocos mostrado na figura 3, e possibilita uma clara melhoria em relação às Estações de Recarga Rápida (2) atuais.

[059]    Como pode ser visto nas figuras 1 a 3, o fluxo de energia desde a rede de alimentação (1) até o conjunto de ultracapacitores (24) da Estação de Recarga Rápida (2) compreende uma alta tensão trifásica da rede de alimentação (1), que é inicialmente reduzida para cerca de 700 V-CA. Em seguida, a tensão é retificada por um retificador (21).

[060]    Obviamente, outros elementos podem ser utilizados na Estação de Recarga Rápida (2), para medição ou controle, como, por exemplo, um medidor (51) e um transformador (52).

[061]    A tensão retificada é, então, controlada por um "Chopper" (22), preferencialmente à IGBT, que irá controlar tanto a corrente de carga como a descarga do conjunto de ultracapacitores (24) da Estação de Recarga Rápida (2).

[062]    Para o controle do "Chopper" (22) , também podem

ser utilizados sensores (53,    56) , um banco de capacitores

adicional (54), medidores (55) , diodos (60), voltímetros (62), controladores (57) e reatores (58) para acoplamento da conexão elétrica (3).

[063]    O "chopper" (22) é, preferencialmente, controlado por um regulador (25) especial que tem a tripla função de

a)    controlar a carga do conjunto de ultracapacitores (24) ;

b)    controlar a máxima tensão de carga do conjunto de ultracapacitores (24); e c) controlar a descarga do conjunto de ultracapacitores (24), dividindo a corrente que é fornecida ao veículo elétrico (4), entre o conjunto de ultracapacitores (24) e a rede de alimentação (1).

[064]    É previsto também que o sistema compreenda um filtro de harmônicas (23), para acoplar os sistemas e limitar a distorção harmônica introduzida pelo conjunto de ultracapacitores (24) na rede de alimentação (1),

[065]    Os resultados apresentados nas figuras 5, 6 e 7 são resultados obtidos em simulações computacionais e protótipos não divulgados. A figura 4 ilustra a evolução da voltagem nos conjuntos de ultracapacitores (24) da Estação de recarga e do Veículo, bem como a tensão do retificador (22), enquanto a figura 5 ilustra a potência fornecida pela Estação de Recarga Rápida (2) e a figura 6 ilustra a distorção harmônica total que afeta a rede de alimentação