Balanço energético e Armazenamento de Energia do Veículo ... · Veículo de Transporte Urbano MagLev-Cobra Sérgio Henrique Ferreira da Conceição ... M Massa do veículo [kg]

Balanço energético e Armazenamento de Energia do Veículo de Transporte Urbano MagLev-Cobra

Sérgio Henrique Ferreira da Conceição

Dissertação para a obtenção do Grau de Mestre em

Engenharia Eletrotécnica e Computadores

Orientador: Prof. Duarte de Mesquita e Sousa

Prof. Paulo José da Costa Branco

Júri

Presidente: Prof. Rui Manuel Gameiro de Castro

Orientador: Prof. Duarte de Mesquita e Sousa

Vogal: Prof. António Eusébio Velho Roque

Maio 2015

https://fenix.tecnico.ulisboa.pt/publico/finalDegreeWorks.do?method=viewFinalDegreeWorkProposal&finalDegreeWorkProposalOID=2396592263319&_request_checksum_=8aa7ba5c5ec6d4801b85cef4a53f439215147868

https://fenix.tecnico.ulisboa.pt/publico/finalDegreeWorks.do?method=viewFinalDegreeWorkProposal&finalDegreeWorkProposalOID=2396592263319&_request_checksum_=8aa7ba5c5ec6d4801b85cef4a53f439215147868

II

III

Agradecimentos

Aos meus pais e irmão pelo apoio incondicional que me têm dado ao longo da minha vida, aos meus

amigos, em particular os que conheci e partilhei a minha vida académica, pela entreajuda e

camaradagem, ao Prof Duarte Mesquita e Prof. Paulo Branco pela orientação e ajuda na realização

deste trabalho, ao Roberto Oliveira pela informação trocada relativo ao projecto MagLev-Cobra, ao

Projecto FST Novabase pela experiencia no mundo da engenharia.

Obrigado a todos!

IV

Resumo

O projeto do veículo de levitação Magnética Maglev-Cobra desenvolvido pelos laboratórios da

Universidade Federal do Rio de Janeiro (URFJ) tem como objetivo introduzir na cidade do Rio de

Janeiro um meio urbano alternativo ao metro ou ferrovia tradicional, mais eficaz e de menor custo.

Atualmente este projeto encontra-se na fase de finalização da construção da linha experimental de

200 metros, instalada no campus da URFJ, tendo em vista executar os primeiros testes operacionais

do veículo.

Esta dissertação surge no seguimento de trabalhos anteriores referentes à tração do veículo,

e tem como objetivo estudar o movimento e operação do veículo, visando a análise energética do

mesmo. A análise da energia consumida e regenerada pelo veículo formam a base para o estudo

comparativo entre os diferentes tipos de armazenamento de energia e a viabilidade de

implementação das diferentes soluções.

Para tal foi desenvolvido um cenário correspondente a uma hora de maior uso, na qual o

veículo terá consequentemente maior necessidade de energia. Os resultados obtidos apontam para

que 24,5% daenergia consumida pode ser regenerada. Desta forma dimensionou-se o sistema de

armazenamento capaz de autonomizar a operação do veículo, apenas sendo carregado na estação.

Das tecnologias analisadas para integrar o sistema de armazenamento, destacam-se as

baterias de lítio, supercondensadores e volantes de inércia, tendo sido esta última posta de parte pelo

seu custo e volume superiores às duas primeiras. As soluções de armazenamento estudadas

baseiam-senas baterias de lítio ferro fosfato ou soluções híbridas recorrendo a uma unidade de

baterias e outra de supercondensadores. A tipologia híbridaescolhida para realização deste trabalho

permite desacoplara unidade de supercondensadores por intermédio de um conversor bidirecional

DC/DC redutor-elevador.

Neste trabalho descrevem-se as especificações do sistema, bem como o sistema de decisão

no controlo de energia entre as duas unidades.Foi tambémrealizado uma simulação computacional

em Matlab/Simulink para demonstrar o funcionamento do sistema durante a operação do veículo.

Palavras-Chave: Sistema híbrido de armazenamento de energia; Travagem Regenerativa; Baterias

de iões lítio; Supercondensadores; Conversor bidirecional DC/DC redutor-Elevador; motor de indução

linear; Maglev-Cobra

V

Abstract

The MagLev-Cobra project aims the instruction of a cheapest and efficient alternative urban

transportation compared to the underground or even the urban railway system. The project actual

state is located on the installation of the 200 meter long experimental track, which aims to study of the

vehicle operation, in other to understand the viability of the superconducting urban vehicle.

Take into account the past works on the traction system of the vehicle, the objective of this

master thesis is studying the movement and operation of the vehicle on the experimental track, in

other to calculate the energy needed for the operation and the potential energy that be generated by

the regenerative braking system.

Therefore it was develop a scenario for a hypothetical peak utilization hour, and the results

obtained shows that the 24,5% of work needed to move the train, could be regenerated by braking.

This data was the basis for the selection of the energy storage system, proposed on this work.

For the energy storage system it was considered the tree main energy storage technology, the

battery, supercapacitor and flywheels, being the last one rejected by the higher cost, volume and

weight. The various typologies of ESS based on battery and/or supercapacitor were analyzed taking

into account the weight, cost and performance.

In this work is proposed a Hybrid semi active system of a supercapacitor separated from the

traction system and battery by a bidirectional buck-boost DC/DC converter, design to work on current

control, to avoid peak currents on the battery side, therefore to prevent safety issues and prolong life-

cycle of battery unit.

Key words: Energy Storage System; HESS; Regenerative Braking System; Bidirectional buck/boost

converter; Linear induction motor; MagLev-Cobra

VI

Nomenclatura

Lista de Variáveis

α Angulo de declive da rampa [º]

Relação de ciclo

Rendimento da bateria

Coeficiente de atrito estático

Coeficiente de atrito aerodinâmico

Passo polar [m]

Tensão exponencial [ ]

Capacidade exponencial [ ]

Valor máximo do campo B

Capacidade mínima da bateria [Ah]

Capacitância equivalente do banco de supercondensadores [F]

E Energia armazenada na bateria ou supercondensador [W]

Tensão da bateria constante [V]

Energia armazenada necessária para realizar a operação do veículo [W]

Energia consumida pelos sistemas elétricos auxiliares [W]

Resistência equivalente em série dos supercondensadores [Ω]

f(Q) Função efeito de extremidade

Força de atrito [N]

Força da gravidade

Força Normal

Frequência de comutação do conversor [Hz]

Força de tração [N]

Ripple da corrente na bobine [A]

Corrente dinâmica para baixas frequências [A]

Corrente de saída do paralelo da bateria e supercondensadores

Corrente da bateria

Corrente do banco de supercondensadores

Corrente do sistema de tração [A]

VII

Capacidade da bateria disponível [Ah]

Corrente dinâmica para baixas frequências [A]

g Aceleração gravitacional [m. ]

Factor de polarização constante

Indutância equivalente do secundário [H]

Indutânciamagnetização mutua [H]

Comprimento do primário [m]

M Massa do veículo [kg]

Potência da bateira [W]

Potência de perdas [W]

Potência mecânica [W]

Q Capacidade maxima da bateria [Ah]

Resistência equivalente do secundário [Ω]

Resistência interna da bateria

Período de comutação do conversor [s]

Tensão da bateria [V]

Sinal da portadora

Valor máximo da portadora

Tensão do supercondensador [V]

Velocidade linear do motor [ ]

Tensão de saída do paralelo da bateria e supercondensadores

Tensão do banco de supercondensadores

Velocidade síncrona [ ]

Tensão do equivalente de thevenin

Velocidade angular [ ]

W Trabalho mecânico [W]

Trabalho mecânico necessário para executar a descida [W]

Trabalho mecânico necessário para realizar a subida [W]

Trabalho mecânico necessário para travar em descida [W]

Trabalho mecânico necessário para travar em subida [W]

VIII

Impedância do equivalente de thevenin

Lista de Abreviaturas

COPPE Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-graduação e pesquisa de Engenharia

C-rate Corrente em relação à capacidade da capacidade da bateria

DOD Deep of discharge [%]

ESS Energy Storage System

URFJ Universidade Federal do Rio de Janeiro

SOC Estado de carga [%]

IX

Lista de Figuras

Figura 1.1 - Configuração da linha para levitação electrodinâmica [2] ................................................... 2

Figura 1.2 - Configuração da linha para levitação electromagnética [2] ................................................. 2

Figura 2.1 - Analogia entre o motor rotacional e linear [5] ...................................................................... 5

Figura 2.2 - Representação do motor de indução linear [3] .................................................................... 6

Figura 2.3–Primário e secundário do MIL-EALP 1000/6 [6] .................................................................... 6

Figura 2.4 - Campo magnético viajante [3] ............................................................................................. 7

Figura 2.5 - Circuito equivalente de uma fase do Motor indução linear [7] ............................................. 8

Figura 2.6 - Força de tração desenvolvida pelo motor [4] ..................................................................... 10

Figura 2.7 – Queda de corrente aquando da passagem do primário pela descontinuidade de

secundários [3] ...................................................................................................................................... 11

Figura 2.8 - Casos do secundário usado para o ensaio [3] .................................................................. 11

Figura 2.9– Força de tração desenvolvida para os diferentes casos de secundário [3] ....................... 11

Figura 2.10 - Funcionamento em modo gerador variando ponto de funcionamento do controlo escalar

V/f [3] ..................................................................................................................................................... 12

Figura 2.11 - Curva de velocidade na operação do módulo experimental [3] ...................................... 13

Figura 2.12 - Evolução da corrente e tensão à entrada do inversor nas seguintes condições: Carga -

450 kg; Declive - 10%; Aceleração e desaceleração subida 0.37 ( ) ; aceleração descida - 0,98

( ) ; desaceleração descida - 1,72 ( ) [3] ................................................................................ 13


1000 kg; Declive - 10%; Aceleração e desaceleração subida 1,22 ( ) ; aceleração descida – 2,15

( ) ; desaceleração descida – 13,64 ( ) [3] .............................................................................. 14


1000 kg; Declive - 15%; Aceleração e desaceleração subida 0,49 ( ) ; aceleração descida – 11,23

( ) ; desaceleração descida – 22,47 ( ) [3] .............................................................................. 14

Figura 2.15– Tensão DC e a corrente eficaz para condições de velocidade nominal de 15 Km/h e

tempo de desaceleração de 12 segundos [22] ..................................................................................... 15

Figura 3.1 - Local onde irá ser instalado a linha experimental .............................................................. 17

Figura 3.2 - Mockup do Modulo do veículo ........................................................................................... 18

Figura 3.3 - Perfil de velocidade num trajeto ......................................................................................... 19

Figura 3.4 - Movimento uniformemente acelerado ............................................................................... 20

Figura 3.5 - Movimento uniformemente retardado ................................................................................ 21

X

Figura 3.6 - Diagrama de forças [3] ....................................................................................................... 21

Figura 3.7 - Diagrama do algoritmo de cálculo do trabalho mecânico para operação do veículo ........ 23

Figura 3.8 - Sistemas elétricos presentes no MagLev-Cobra ............................................................... 24

Figura 3.9 - Perfil de velocidade ............................................................................................................ 26

Figura 3.10 - Potência mecânicadesenvolvida pelo comboio em subida no percurso de 51.1 segundos

............................................................................................................................................................... 27

Figura 3.11 - Potência mecânicadesenvolvida em descida .................................................................. 27

Figura 4.1 - Distribuição da densidade e volume específico de energia das diferentes tecnologias de

armazenamento [11] .............................................................................................................................. 30

Figura 4.2 - Capacidade de carga e descarga [11] ............................................................................... 31

Figura 4.3 - Representação do fluxo de carga nos casos de descarga e carga de uma bateria ......... 32

Figura 4.4 - Conexão em Série ............................................................................................................. 32

Figura 4.5 - Ligação em Paralelo .......................................................................................................... 33

XI

Lista de Tabelas

Tabela 2-I - Características do motor MIL - EALP 1000/6 [3] e [8] ......................................................... 9

Tabela 2-II -Relação entre tensão e frequência realizada nos testes com o primário estático .............. 9

Tabela 3-I – Potência e consumo dos sistemas elétricos ..................................................................... 24

Tabela 3-II – Resultados da simulação ................................................................................................. 26

Tabela 3-III – Trabalho realizado pelo MagLev-Cobra .......................................................................... 28

Tabela 4-I - Comparação entre peso dos dois tipos de arquitetura semi acoplada.............................. 56

Tabela 4-II - Preço dos dois casos para tipologia semi acoplada ......................................................... 56

Tabela 4-III - Intervalo de tensão de trabalho da unidade de bateria ................................................... 58

Tabela 4-IV -Lista de baterias LifePO4 disponíveis no mercado .......................................................... 59

Tabela 4-V -Comparação entre ESS composto por diferentes modelos de bateria ............................. 59

Tabela 4-VI – Tabela de Supercondensadores ansalisados ................................................................ 61

Tabela 4-VII – Características do conversor Redutor-Elevador ............................................................ 62

Tabela 5-I – Características dos sistemas de armazenamento considerados, sendo que constituído

pelos seguintes modelos: * - A123System 2,5 Ah ; ** - Maxwell 2000 F ; *** - A123System 4,5 Ah ; ****

- Maxwell 350 F ..................................................................................................................................... 86

Tabela 5-II - Custos entre sistema de armazenamento de energia e a electrificação da linha ............ 87

XII

Índice

1 Introdução ........................................................................................................................................ 1

Motivação e objetivos .......................................................................................................................... 1

Estado da arte dos veículos Maglev .................................................................................................... 1

Organização da dissertação ................................................................................................................ 4

2 Motor de Indução Linear e sistema de acionamento ....................................................................... 5

2.1 Tipologia e características do motor ....................................................................................... 5

2.2 MIL - EALP 1000/6 e sistema de acionamento ....................................................................... 8

2.3 Travagem regenerativa ......................................................................................................... 12

3 Balanço energético do veículo ....................................................................................................... 17

3.1 Operação do veículo ............................................................................................................. 17

3.2 Caracterização do Movimento ............................................................................................... 19

3.2.1 Linha com declive nulo ...................................................................................................... 19

3.2.2 Linha com declive .............................................................................................................. 21

3.3 Caracterização dos sistemas elétricos .................................................................................. 23

3.4 Estimativa do consumo energético........................................................................................ 25

4 Sistemas de armazenamento ........................................................................................................ 29

4.1 Evolução em aplicações para tração elétrica ........................................................................ 29

4.2 Baterias .................................................................................................................................. 31

4.2.2 Lítio Ferro Fosfato (LiFeP ) ............................................................................................ 36

4.2.3 Lítio Oxido de magnésio (Li ) ................................................................................. 37

4.2.4 Lítio titanato (Li4 O12) .................................................................................................... 39

4.3 Supercondensadores ............................................................................................................ 40

4.3.1 Modelo dos Supercondensadores ..................................................................................... 40

4.4 Tipologias Propostas ............................................................................................................. 42

4.4.1 Arquitetura Híbrida acoplada ............................................................................................. 46

4.4.2 Arquiteturas Híbridas parcialmente desacopladas ............................................................ 52

4.4.3 ArquiteturasHibridasdesacopladas .................................................................................... 56

4.4.4 Sistema Híbrido de armazenamento ................................................................................. 57

4.5 Controlo e Gestão do sistema ............................................................................................... 66

XIII

4.5.1 Controlo do conversor ....................................................................................................... 68

4.5.2 Modelação da dinâmica do conversor ............................................................................... 69

4.5.3 Controlo de Corrente ......................................................................................................... 70

4.5.4 Decisão .............................................................................................................................. 71

4.6 Monotorização e gestão da carga ......................................................................................... 73

4.7 Simulação .............................................................................................................................. 76

5 Viabilidade económica ................................................................................................................... 85

Conclusões e trabalhos futuros ............................................................................................................. 89

Conclusões ........................................................................................................................................ 89

Trabalhos futuros ............................................................................................................................... 90

Referencias Bibliográficas ..................................................................................................................... 91

Anexos ................................................................................................................................................... 95

Anexo A.............................................................................................................................................. 95

Anexo B.............................................................................................................................................. 96

Anexo C ............................................................................................................................................. 97

Anexo D ............................................................................................................................................. 98

XIV

1

1 Introdução

Motivação e objetivos

Com o aumento da população mundial e uma maior concentração da mesma em centros

urbanos, desafios como a redução e eficiência no consumo de recursos, nomeadamente a energia

elétrica, como a mobilidade e transporte de pessoas de forma eficaz, e como redução de emissões de

poluentes estão inseridos no vasto conjunto de obstáculoscom que a planificação urbana se terá de

debater nos anos vindouros.

A área dos transportes é, portanto, uma das áreas fulcrais para que os centros urbanos

consigam satisfazer as necessidades de mobilidade dos seus habitantes, garantindo-lhes assim

índices de qualidade de vida de acordo com padrões aceitáveis. Tendo em conta que cada cidade

deveria apresentar a sua oferta de transportes públicos consoante as suas necessidades, a resposta

das redes normalmente divide-se em serviços de autocarro, comboio urbano e metro, sendo que

estes meios de transporte tradicionais em cidades com grandes populações e em expansão

apresentam limitações e inconvenientes consideráveis. Tendo por base o Rio de Janeiro, cidade com

cerca de 6 milhões e 430 mil habitantes, e uma área metropolitana com cerca de 12 milhões de

habitantes, a maior parte dos serviços de transporte é garantido através de autocarros, que

contribuem ainda mais para os problemas crónicos de engarrafamento dotrânsitona cidade. Por outro

lado, as redes de metro e comboio requerem um grande investimento em infraestruturas para

satisfazerem as necessidades deste aglomerado populacional. É neste desafio para a mobilidade

urbana que a Universidade Federal do Rio de Janeiro propõe o MagLev-Cobra, como alternativa

economicamente viável aos meios de transporte tradicionais.

Esta dissertação tem como objetivo o estudo da operação do veículo na linha experimental de

200 metros instalada e apresentado em 01/10/2014 na conferência internacional MagLev’14, a fim de

estimar o consumo energético do veículo e a quantidade de energia que pode vir a ser recuperada

através de travagem regenerativa. Esta informação servirá de base para a proposta de um sistema

dearmazenamento de energia.

Estado da arte dos veículos Maglev

O conceito de transportes de levitação magnética, comumente designados de Maglev,

começou a ser proposto no início do século XX, coincidindo com o desenvolvimento dos primeiros

protótipos de motores lineares. O primeiro protótipo do veículo de levitação magnética foi

apresentado no final da década 30 pelo engenheiro alemão Herrman Kemper. Contudo, somente na

década de 80 é que o primeiro veículo comercial foi oficialmente apresentado, sendo instalado numa

linha de 600 metros no aeroporto de Birmingham (Reino Unido).

Das implementações atuais, existem dois tipos de tecnologias de levitação magnética [1]:

2

Levitação Eletrodinâmica (EDL) – A levitação é conseguida através da indução de correntes

por um campo magnético próximo a um condutor, produzindo correntes induzidas, que por

sua vez produzem um campo oposto ao campo magnético. A interação entre ambos produz

uma força oposta que sustenta o veículo.O projeto SCMaglev promovido pela companhia

central ferroviária do Japão implementa esta técnica de levitação.

Figura 1.1 - Configuração da linha para levitação electrodinâmica [2]

Levitação Electromagnética (EML) – A força de atração é conseguida através da interação

entre um eletroímane um material ferromagnético, sustentando a levitação do comboio. A fim

de alcançar a estabilidade do sistema, é necessário um controlo de malha fechada a atuar

sobre o eletroíman. O projeto Transrapid, desenvolvido pela indústria alemã e instalado

numa linha de 30 km na cidade chinesa de Xangai, usa esta técnica de levitação.

Figura 1.2 - Configuração da linha para levitação electromagnética [2]

O veículo levitante MagLev-Cobra, apresenta uma tecnologia de levitação diferente das já

existentes, descritas anteriormente. A levitação é conseguida, portanto, através do recurso à

propriedade diamagnética dos supercondutores,como a exclusão de campo magnético do interior dos

mesmos. O uso de materiais magnéticos como o NdFeB e o supercondutor com elevada temperatura

3

crítica YBCO origina uma força de levitação estável, dispensando o uso de controlo sofisticado. O uso

deste tipo de supercondutor de elevada temperatura críticapermite a obtenção da força de levitação

através do seu arrefecimento com nitrogénio líquido, com uma temperatura de ebulição de -196º C,

comparativamente com outro tipo de supercondutores que necessitam de ser arrefecidos por hélio

líquido, tendo uma temperatura de ebulição inferior de -269ºC, o que se traduz em custos

operacionais inferiores.

Esta solução, só possibilitada pelo advento deste tipo de supercondutores no final do século

XX, apenas está implementada em projetos em fase experimental, fazendo com que o veículo

MagLev-Cobra se torne o primeiro meio de transporte desta tecnologia em escala real,a nível

mundial.

A tração dos veículos de levitação magnética é conseguida fazendo uso de máquinas

elétricaslineares criadoras de uma força de tração linear, não necessitando de eixos ou rodas para

mover o veículo, como acontecenos motores rotacionais usados nos transportes ferroviários

tradicionais. Os motores lineares usados na tração são geralmente trifásicos, dividindo-se em motores

síncronos ou de indução.

Os motores síncronos só conseguem desenvolver força de tração trabalhando nas condições

síncronas. Os quatro tipos principaisde motores síncronos lineares [3] são:

Magnetos Permanentes no Indutor – Nesta configuração os magnetos permanentes

podem ser inseridos na superfície ou no interior do indutor, necessitando ambas as soluções

construtivas de um enrolamento de amortecimento, que garantirá a operação da máquina a

velocidades diferentes da velocidade síncrona. Esta solução construtiva necessita do indutor

fixo ao longo da linhaassociado aos magnetos permanentes, encarecendo a instalação do

veículo levitante comparativamente com outras tecnologias.

Magnetos Permanentes no Induzido – Os magnetos permanentes ao contrário da solução

anterior, são instalados na parte móvel do motor, resultando num menor uso de magnetos e

menor custo de implementação.

Excitação Eletromagnética – Análogo ao motor síncrono de pólos salientes tradicional,

podendo o circuito de excitação ser montado na parte móvel do motor, obtendo energia

através de um sistema de escovas.

Excitação Supercondutora – Esta solução é vulgarmente usada em aplicações de alta

potência, onde os pólos eletromagnéticos podem ser substituídos por pólos

supercondutores, obtendo-se um fluxo magnético superior à solução anterior.

4

As características do motor de indução linear, a tipologia usada na tração do veículo MagLev-

Cobra serão apresentadas no capítulo 2.

Organização da dissertação

O capítulo 2 corresponde ao resumo de trabalhos anteriores do projeto MagLev-Cobra nos

tópicos sobre o motor linear de indução usado no comboio, no seu acionamento e nos testes com

travagem regenerativa.

Apresentadas as características do sistema de tração do veículo, no capítulo 3, é focado o

estudo da operação do comboio na linha experimental de 200 metros, nomeadamente a definição e a

caracterização das diferentes fases do movimento do veículo, adefinição de um cenário

correspondente a uma hora de máxima utilização e, por fim, a estimativa do consumo do veículo

nesse cenário de operação.

No capítulo 4 são analisadas as várias opções de tecnologia para armazenamento energético,

nomeadamente baterias, supercondensadores e volante de inércia, em termos de peso, volume,

carregamento e descarga. É efetuada a escolha da bateria, selecionando-se aque melhor se adequa

à implementação do sistema de armazenamento, sendo também efetuada uma abordagem

semelhante para os supercondensadores. Após a escolha é efetuado uma revisão de vários tipos de

sistemas de armazenamento, tendo em conta soluções baseadas em baterias ou sistemas híbridos

de baterias/supercondensadores.

No capítulo 5 é efetuada a análise económica do sistema dimensionado, comparando diferentes

opções e estimando os ganhos em termos de investimento num sistema de armazenamento que

garanta a autonomia do veículo,dispensando a eletrificação da linha.

Finalmenteapresentam-se as conclusões e propostas para trabalhos futuros.

5

2 Motor de Indução Linear e sistema de acionamento

Este capítulobaseia-se no trabalho desenvolvido pelo COPPE1 [3], [4].

2.1 Tipologia e características do motor

O motor linear é constituído por um primário e por um secundário, dimensionados para criar uma

força de tração linear, pelo que é ideal para aplicações nos veículos de levitação magnética Maglev.

A terminologia usada por [3] define o primário e o secundário do motor linear de indução como:

Primário – Componente do motor que contém as bobinas.

Secundário – Parte do motor composto pelo ferro laminado e barras curto circuitadas entre

si ou pela fonte de excitação.

Figura 2.1 - Analogia entre o motor rotacional e linear [5]

Dentro das diferentes configurações, que o primário e secundário do motor (rotor e estator)

podem apresentar e alvo de análise em [3], o projeto MagLev-Cobra desenvolveu o motor MIL - EALP

1000/6, máquina de primário curto e secundário longo, representada na figura 2.2.

O primário está instalado no veículo, sendo que se desloca sobre o secundário que se

encontra instalado ao longo da linha, como representado na figura 2.3.

1 COPPE – Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação e Pesquisa de Engenharia

6

Figura 2.2 - Representação do motor de indução linear [3]

Figura 2.3–Primário e secundário do MIL-EALP 1000/6 [6]

O princípio de funcionamento do motor linear de indução é similar a um motor de indução

convencional, pelo que as correntes injetadas no primário criam um campo magnético capaz de

induzir tensão no secundário, produzindo por sua vez um campo magnético. Da interação entre estes

dois campos resulta uma força longitudinal, responsável pela tração do veículo. Devido à construção

em forma de ‘C’ do motor, este também produz uma força com a mesma direção da normal do

Secundário

Primário

Linha

eletrificada

Carril

7

veículo,contribuindo assim para a levitação do veículo.Ao contrário do motor de indução

convencional, o campo magnético varia em relação à disposição dos pólos e à frequência.

Figura 2.4 - Campo magnético viajante [3]

A equação do campo magnético viajante é dada pela equação (2.1),a partir da qual se obtém

a velocidade. Quando o campo é máximo, a sua derivada é nula pelo que a velocidade pode ser

obtida pelasequações (2.2) e (3.2).

(2.1)

(2.2)

(2.3)

O motor de indução linear não produz força de tração quando a velocidade mecânica é igual

à velocidade de sincronismo. Analogamente ao motor de indução convencional,é definido o

escorregamento.

(2.4)

A fim de representar as perdas no ferro e no cobre do primário e secundário e a energia

magnética armazenada no entreferro e os efeitos de extremidade, Duncan [7] propôs o circuito

equivalente por fase da máquina de indução linear, representado na figura 2.5.

8

Figura 2.5 - Circuito equivalente por fase do Motor indução linear [7]

O circuito equivalente para motor linear representa as indutâncias do primário e a do

secundário em relação ao primário, respetivamente, e as resistências do primário e do

secundário em relação ao primário, respetivamente, bem como a indutância de magnetização,

. Contudo,este circuito representa o efeito de extremidade, que se traduz da descontinuidade do

circuito elétrico e magnético do secundário. Este efeito é caracterizado pelas equações (2.5) e (2.6).

(2.5)

(2.6)

Do circuito equivalente é possível retirar as equações de potência eletromagnética total,

mecânica e força longitudinal desenvolvida pelo motor, representadas respetivamente pelas

equações (2.7) e (2.8).

(2.7)

(2.8)

2.2 MIL - EALP 1000/6 e sistema de acionamento

O motor de indução lineardesenvolvido pela COPPE Elétrica apresenta um primário curto com

comprimento de 1270 mm constituído por 57 bobinas com 13 espiras cada, ou 6 pólos. O secundário

9

é constituído por um núcleo laminado e chapas laterias em curto-circuito, analogamente aos motores

assíncronos em gaiola de esquilo.

Tabela 2-I - Características do motor MIL - EALP 1000/6 [3] e [8]

Características

Força Longitudinal [N] 900

Frequência [Hz] 25

Velocidade [m/s] 7,8

Comprimento Primário [m] 1,270

Comprimento Secundário [m] 1,510

Polos 6

Passo polar [m] 0,156

Eficiencia média 50 – 64 %

O acionamento do motor é feito através do inversor CFW11-88A fabricado pela empresa WEG

2 e o controlo usado é o método escalar V/f, escolhido pela sua simplicidade e desempenho durante

os testes experimentais ao motor.

Dos testes realizados ao motor, pela equipa do projecto MagLev-Cobra, foi possível

caracterizar a força de tração desenvolvida pelo motor tendo o primário estático, fazendo variar a

relação tensão/frequência, presente na tabela 2-II, para diferentes valores do entreferro.

Tabela 2-II -Relação entre tensão e frequência realizada nos testes com o primário estático

Tensão [V] Frequência [Hz] V/f

85 5 17

165 10 16,5

245 15 16,3

320 20 16

380 25 15,7

Os valores do entreferro usado no ensaio foram 08, 12, 16, 20 mm, para os quais se obteve a

evolução da força de tração, encontram-se representados na figura 2.6.

2 Grupo empresarial Brasileiro Eletromecânico.

10

Figura 2.6 - Força de tração desenvolvida pelo motor [4]

Também foi possível verificar a perda da força de tração aquando da passagem do primário

na descontinuidade do circuito elétrico e magnético do secundário, ilustrado na figura 2.7. que se

traduz numa diminuição da corrente.

Para minimizar este efeito, foi testado uma solução que consiste em ligar eletricamente os

secundários com barras de alumínio, figura 2.8. A comparação entre a força de tração desenvolvida

pelo motor com esta solução e para os casos de descontinuidade e continuidade do secundário

podem ser observadas na figura 2.9.

11

Figura 2.7 – Queda de corrente aquando da passagem do primário pela descontinuidade de secundários [3]

Figura 2.8 - Casos do secundário usado para o ensaio [3]

Figura 2.9– Força de tração desenvolvida para os diferentes casos de secundário [3]

12

Analisando os resultados é possível verificar um aumento da força desenvolvida durante a

passagem pela descontinuidade de secundários com ligação elétrica

2.3 Travagem regenerativa

No decorrer do trabalho [3] foi possível estudar o comportamento do motor durante a travagem, a

fim de analisar a viabilidade de travagem regenerativa no veículo.

O motor entra em regime gerador quando o escorregamento da máquina é negativo. Tal é

conseguido alterando o ponto de funcionamento do controlo escalar V/f.

A figura 2.10 demonstra a alteração de funcionamento motor, ponto 1, para gerador, ponto 2,

conseguida através da diminuição do valor de frequência, tal que a velocidade de sincronismo seja

inferior à velocidade da máquina.

Figura 2.10 - Funcionamento em modo gerador variando ponto de funcionamento do controlo escalar V/f [3]

Os trabalhos [3] e [4] realizaram ensaios à dinâmica da máquina, para a situação de

aceleração, velocidade cruzeiro e desaceleração, figura 2.11. Estes testes foram realizados numa

linha experimental de 6 metros de comprimento variando o declive entre 10%, 12,5% e 15%, carga,

aceleração e desaceleração, sendo que os resultados da evolução da corrente e tensão da máquina

são apresentados pelas figuras 2.12, 2.13, 2.14, respetivamente

13

Figura 2.11 - Curva de velocidade na operação do módulo experimental [3]

Figura 2.12 - Evolução da corrente e tensão à entrada do inversor nas seguintes condições: Carga - 450 kg;

Declive - 10%; Aceleração e desaceleração subida 0.37 ( ) ; aceleração descida - 0,98 ( ) ; desaceleração descida - 1,72 ( ) [3]

14


Declive - 10%; Aceleração e desaceleração subida 1,22 ( ) ; aceleração descida – 2,15 ( ) ; desaceleração descida – 13,64 ( ) [3]


Declive - 15%; Aceleração e desaceleração subida 0,49 ( ) ; aceleração descida – 11,23 ( ) ; desaceleração descida – 22,47 ( ) [3]

Os ensaios realizados demonstram a possibilidade da máquina trabalhar como gerador,

sendo assim possível implementar a travagem regenerativa no veículo.Contudo os resultados

relativos à energia regenerada mostram que a mesma é uma pequena percentagem da energia

cinética do movimento.

15

O mesmo resultado foi obtido em ensaios realizados com dois primários e velocidades

superiores, para percursos entre 15 a 50 metros [9], como é possível observar na figura 2.15. Pelo

que o processo de travagem regenerativa efetuado nestes ensaios demonstra uma eficiência

extremamente reduzida, sendo um fator importante para o estudo realizado neste trabalho.

Figura 2.15– Tensão DC e a corrente eficaz para condições de velocidade nominal de 15 Km/h e tempo de desaceleração de 12 segundos [22]

16

17

3 Balanço energético do veículo

3.1 Operação do veículo

Tendo em vista o teste operacional do veículo de levitação magnética MagLev-Cobra, a

construção da linha experimental, concluída em meados de 2014, tem um comprimento de 200

metros e liga o edifício CT1 ao CT2 do Campus do Fundão da Universidade Federal do Rio de

Janeiro (UFRJ). A localização da linha está sinalizada na figura 3.1.

Figura 3.1 - Local onde irá ser instalado a linha experimental

É esperado que a linha sirva como base de testes para a operação do veículo, introduzindo

ou modificando sistemas do veículo, como o sistema de armazenamento de energia proposto por

esta dissertação.

O veículo é constituído por 1 módulos, com capacidade máxima para 30 passageiros, sendo

que o peso máximo total (veículo e passageiros) não deverá ultrapassar os 6000 kg [1] o que o torna

num transporte relativamente leve. No veículo estão instalados dois primários do motor linear, ou

seja, terá dois motores responsáveis pelo movimento do veículo.

18

Figura 3.2 - Mockup do Modulo do veículo

Os trabalhos anteriormente realizados pela equipa da COPPE-Elétrica da UFRJ não

abordaram cenários de utilização do veículo na linha de teste, pelo que é crucial, para efeitos da

análise energética do veículo, que seja apresentado um cenário de utilização do veículo. Tomando

em contao objetivo desta análise que visa o dimensionamento de um sistema de armazenamento de

energia para reaproveitar a energia proveniente da travagem regenerativa, o cenário que faz sentido

propor coincide com uma hora de ponta, em que há maior número de trajetos efetuados com uma

carga próxima da máxima admissível.

Segundo dados3 mais recentes, a COPPE é constituída por um universo de 6300 pessoas,

entre docentes, alunos e funcionários. Considerando queestes são os potenciais utilizadores do

transporte,estimou-se que 20% desta população, cerca de 1260 pessoas, fará uso do MagLev-Cobra.

Outro aspeto deste cenário é a distribuição igual dos passageiros em viagem, estando o comboio

praticamente lotado, correspondendo assim à realização de 42 trajetos por hora.

Embora este cenário possa não corresponder à realidade de utilização, é fundamental para o

estudo do consumo energético do Maglev-Cobra, que pode ser dividido em três tipos:

Consumo dos sistemas de tração responsáveis pelo movimento do veículo;

Consumo dos sistemas elétricos auxiliares instalados no veículo;

Consumo dos sistemas de conforto para os passageiros, como iluminação, ar condicionado,

aquecimento ou controlo de humidade (estes três últimos equipamentos não estão previstos

instalação no MagLev-Cobra).

3 Retirado do site oficial COPPE http://www.coppe.ufrj.br/coppe/coppe_numeros.htm

19

3.2 Caracterização do Movimento

Definindo o perfil de utilização do veículo correspondente ao período commaior utilização,

importa caracterizar o movimento realizado pelo veículo durante um trajeto. Para tal considerou-se,

analogamente, à operação dos transportes ferroviários convencionais, três zonas de operação:

Movimento uniformemente acelerado – O veículo inicia o movimento com uma aceleração

constante até atingir a velocidade de ‘cruzeiro’ pretendida;

Movimento uniforme – Mantém a velocidade nominal até começar a desacelerar;

Movimento uniformemente retardado – Desaceleração constante até à sua paragem.

Figura 3.3 - Perfil de velocidade num trajeto

Definindo os valores de aceleração, desaceleração e velocidade nominal, importa caracterizar

a força de tração que o veículo necessita de desenvolver em cada zona de funcionamento.

Considerando que não existem rodas e que o veículo opera com velocidades reduzidas, os efeitos do

atrito aerodinâmico podem ser reduzido a uma constante semelhante ao atrito estático do veículo,

pelo que as equações da força necessárias para realizar as três componentes de operação nos casos

de linha com declive nulo, positivo ou negativo são as que se descreverão seguidamente.

3.2.1 Linha com declive nulo

A equação 3.1 que caracteriza o atrito para um veículo ferroviário normal pode ser

simplificada, resultando na equação 3.2.

(3.1)

Tempo [s]

Ve

loc

ida

de

[m

/s]

20

(3.2)

O coeficiente de atrito representa o atrito estático da máquina conjuntamente com o atrito

viscoso do veículo.

Movimento uniforme acelerado

Sendo a aceleração constante até atingir a velocidade de ‘cruzeiro’, o diagrama de forças para

esta fase de movimento é representado pela figura 3.4.

Figura 3.4 - Movimento uniformemente acelerado

De acordo com a 2ª lei de Newton, o somatório das forças de um movimento acelerado tem

que ser igual à massa do objeto vezes a sua aceleração, equação (3.3). O desenvolvimento da

equação (3.3) dá origem à expressão para a força de tração, equação (3.4).

(3.3)

(3.4)

Movimento uniforme

Corresponde à fase do movimento em que veículo mantem a velocidade cruzeiro, pelo que a

aceleração é nula, ou seja, a força de tração a ser desenvolvida tem que compensar apenas o atrito,

equação (3.5).

(3.5)

21

Movimento uniformemente retardado

Esta fase de movimento caracteriza-se por uma desaceleração constante até à paragem do

veículo. O diagrama de força para esta fase está representado na figura 3.5.

Figura 3.5 - Movimento uniformemente retardado

A força de tração para este caso é dado pela equação (3.6).

(3.6)

3.2.2 Linha com declive

Para uma linha com declive importa estudar as forças nas três fases do trajeto. Para subidas

ou descidas, as componentes que variam com o declive são representadas pelas equações (3.7) e

(3.8).

Figura 3.6 - Diagrama de forças [3]

(3.7)

(3.8)

22

No caso em que o veículo está subira rampa, as equações para as três fases de movimento

serão dadas pelas equações seguintes:

Movimento uniformemente acelerado

(3.9)

Movimento uniforme

(3.10)


(3.11)

Quando se efetua uma descida, as equações para as três fases são as seguintes:

Movimento uniformemente acelerado

(3.12)

Movimento uniforme

(3.13)


(3.14)

Com a caracterização da força de tração realizada para a situação de aceleração, a

velocidade de cruzeiro e a desaceleração, é possível calcular a potência mecânica.

(3.15)

O trabalho mecânico realizado é o integral da potência num intervalo de tempo.

(3.16)

Substituindo na equação (3.16), a potência pela equação (3.15), tendo em conta a equação

(3.17), que considera o carácter linear da velocidade, é possível obter a equação (3.20) na qual se

calcula o trabalho mecânico necessário para realizar o movimento do veículo.

23

(3.17)

(3.18)

(3.19)

(3.20)

Usando estas equações foi possível criar um algoritmo capaz de calcular a energia em forma

de trabalho mecânico do veículo, representado no diagrama da figura 3.7.

Figura 3.7 - Diagrama do algoritmo de cálculo do trabalho mecânico para operação do veículo

3.3 Caracterização dos sistemas elétricos

Com a análise ao movimento do veículo tendo em vista o cálculo do trabalho durante a sua

operação, convém também analisar os sistemas elétricos que compõem o veículo e caracterizar o

seu consumo. A informação dos sistemas elétricos constituintes foi solicitada à equipa responsável

pelo projeto MagLev-Cobra da COPPE-Elétrica, e encontra-se condensada na figura 3.8.

24

Figura 3.8 - Sistemas elétricos presentes no MagLev-Cobra

Assume-se que o fator de utilização dos sistemas durante uma hora é de 100% para a

iluminação e para os painéis de interação entre homem máquina (IHM), e que os motores das portas

e sistema hidráulico apenas são acionados quando pára numa das estações.

Tabela 3-I – Potência e consumo dos sistemas elétricos

Sistema Potência

[W]

Funcionamento durante uma

hora [%]

Energia total [Wh]

Iluminação 19,2 100 19,2

IHM 50 100 50

Motor Portas 184 3,3 6,336

Sistema Hidráulico

30 3,3 0,99

Para uma hora de utilização os sistemas terão consumido 76,53 W.

Não está previsto a introdução, por agora, de um sistema de ar condicionado. Ainda que

tendo em conta as temperaturas elevadas que se podem fazer sentir na cidade do Rio de Janeiro,

chegando a ultrapassar os 40ºC e com uma temperatura média de 24ºC 4, a introdução de um

sistema de ar condicionado conseguirá melhorar as condições de utilização para os passageiros.

Ainda assim, tal equipamento não será alvo da análise energética neste trabalho.

4 Dados recolhidos através no site Instituto Nacional de Meteorologia

http://www.inmet.gov.br/portal/index.php?r=home/page&page=rede_estacoes_auto_graf

25

3.4 Estimativa do consumo energético

Nos subcapítulos anteriores salientou-seo estudo dos fatores do consumo energético do

comboio, pelo que em conjunto com o modelo correspondente à utilização para uma hora de ponta do

transporte, é possível apresentar os valores de energia consumida e que pode ser regenerada

através da travagem.

Com base na figura 2.9, que representa a força que um motor linear pode desenvolver, e a

massa máxima admissível do veículo, o valor para aceleração foi estabelecido como:

Definiu-se também que o valor da desaceleração será o mesmo da aceleração, ou seja, os

tempos de travagem e de aceleração serão os mesmos.

Sendo o MagLev-Cobra um veículo de baixa velocidade, definiu-se como velocidade nominal:

Quanto ao perfil da linha, instalada entre os edifícios CT1 e CT2,esta apresenta o mesmo

declive em toda a sua extensão.

Sendo a massa do veículo a máxima admissível, admitiu-se o coeficiente de atrito de 0,19 em

conformidade com os ensaios realizados em [3].

Os resultados da simulação para este modelo estão apresentados na tabela 3-II.

26

Tabela 3-II – Resultados da simulação

Resultados

Tempo em aceleração e em travagem 15,1 [s]

Tempo velocidade nominal 20,8 [s]

Tempo total de um trajeto 51,1 [s]

Força tração aceleração em subida 4000 [N]

Força tração aceleração em descida 2174 [N]

Força tração velocidade nominal em subida 1795 [N]

Força de tração velocidade nominal em

descida

31 [N]

Força tração desaceleração em subida 410 [N]

Força de tração desaceleração em descida 2236 [N]

Figura 3.9 - Perfil de velocidade

27

Figura 3.10 - Potência mecânicadesenvolvida pelo comboio em subida no percurso de 51.1 segundos

Figura 3.11 - Potência mecânicadesenvolvida em descida

Dividiu-se o trabalho mecânico em três componentes, correspondentes às três fases do

movimento do veículo. Na subida a componente de consumo corresponde à aceleração e velocidade

nominal, equação (3.21), sendo que o trabalho possível de regenerar corresponde ao trabalho em

desaceleração, equação (3.22). Na descida,a componente de consumo corresponde somente à

aceleração, equação (3.23), enquanto a componente de trabalho regenerado é a soma do trabalho

em velocidade nominal e desaceleração, equação (3.24).

(3.21)

(3.22)

Po

tên

cia

[W

]

Tempo [s]

Po

tên

cia

[W

]

Tempo [s]

28

(3.23)

(3.24)

Os resultados do programa de simulação são resumidos na tabela 3-III.

Tabela 3-III – Trabalho realizado pelo MagLev-Cobra

Trabalho [Wh]

104,50

25,40

4,80

27,15

Supondo que um ciclo de funcionamento do veículo corresponde a um trajeto de ida e volta

entre duas estações, ou seja numa situação de subida e descida, o balanço energético será o

seguinte:

A relação entre o trabalho mecânico necessário para realizar o movimento e o que é

desenvolvido em situação de travagem ou mantendo a velocidade em situação de descida é

aproximadamente de 24,5 %.

De acordo com o proposto no subcapítulo 3.1, o cenário de utilização correspondente a uma

hora de maior fluxo de passageiros convenciona que o MagLev-Cobra irá realizar 42 trajetos.

Conclui-se que o trabalho total possível de regenerar, neste cenário, é superior à energia

consumida pelos circuitos elétricos auxiliares, restando ainda energia para auxiliar o movimento do

veículo. Contudo os dados experimentais relativos ao funcionam o sistema de tração apontam que

uma pequena parte da energia disponível na travagem apenas será regenerada durante a travagem.

Estes dados serão importantes para a definição do sistema de armazenamento de energia a

implementar.

29

4 Sistemas de armazenamento

4.1 Evolução em aplicações para tração elétrica

O advento dos sistemas de tração elétrica, tornou-se realidade com a eletrificação ocorrida

nos finais do século XIX, no qual surgiram as primeiras locomotivas elétricas, bem como os primeiros

carros elétricos. Estes últimos usavam sistemas de armazenamento constituído por baterias,

tecnologia introduzida em 1800 por Volta, tendo posteriormente surgido as baterias recarregáveis de

ácido-chumbo, em 1859, e níquel cadmio, em1889. Embora a sua introdução seja anterior à dos

carros a combustão e por algum tempo tenham tido preferência, a autonomia reduzida face à

alternativa a combustão e o elevado peso e volume ocupado pelas baterias, levaram que a escolha

para a tração dos veículos motorizados fosse a combustão.

Contudo o desenvolvimento e aplicação de sistemas de armazenamento para tração elétrica

não foi abandonado de todo.Tentativas de implementação de linhas ferroviárias com locomotivas

alimentadas por baterias surgiram durante o início do século XX, como por exemplo, algumas das

locomotivas usadas nos sistemas de metro de Londres,colocadas em serviço em 1909. Noutros

casos, as baterias apenas entravam em serviço aquando da falha da rede de alimentação, garantido

o movimento da locomotiva. Devido à baixadensidade de energia das baterias, o que significa peso

excessivo do sistema, e por questões económicas, esta implementação no sistema ferroviário foi

circunscritae nunca foi amplamente difundida.

Somente a partir da década de 70, devido à crise petrolífera e ao elevado consumo de

petróleo pelo sector dos transportes e à introdução de baterias de iões de lítio, apresentando uma

densidade de energia superior às outras tecnologias, resultando em maior autonomia e menor peso e

volume, deu origem a um esforço no investimento na investigação e implementação de novas

tecnologias para a tração elétrica. Atualmentedestacam-se três tipos distintos de sistemas de

armazenamento energético [10].

Baterias – A introdução das baterias baseadas no lítio possibilitou sistemas com densidade

energética acima de 200 Wh/kg, dominando os sistemas de armazenamento para veículos

elétricos, com uso também na ferrovia como sistema de backup em caso de falha da rede.

Supercondensadores – Os supercondensadores ou condensadores de dupla camada são

uma tecnologia que apresenta excelentes características de densidade de potência podendo

satisfazer quase instantaneamente correntes de carga ou descarga fazendo com que tenha

aplicações a nível da tração elétrica, nomeadamente para sistemas de travagem

regenerativa da ferrovia ou start and stop nos carros.

30

Volante de inércia – Ao contrário das tecnologias anteriores que armazenam energia

através de processos eletroquímicos, os volantes de inércia usam a energia cinética de uma

massa em rotação para armazenar ou fornecer energia elétrica. Embora não seja uma

tecnologia muito usada em sistemas tração, são conhecidas as suas aplicações no sistema

KERS5, usado nos desportos motorizados.

Figura 4.1 - Distribuição da densidade e volume específico de energia das diferentes tecnologias de armazenamento [11]

5 Kinetic Recover Energy System

31

Figura 4.2 - Capacidade de carga e descarga [11]

De acordo com as figuras 4.1 e 4.2 onde é comparado a capacidade de carga e descarga,

bem como a densidade e volume específico de energia de cada tecnologia de armazenamento,é

possível concluir que a melhor opção de armazenamento energético são as baterias, devido ao seu

maior valor de densidade e volume específico de energia relativo aos volantes de inércia e

supercondensadores.

Contudo tanto os supercondensadores com as volantes de inércia apresentam excelentes

características como sistemas capazes de receber e entregar grandes quantidades de potência,

como o representado na figura 4.2. Estas duas tecnologias anteriormente referidos, são adequadas

para situações onde ocorram picos de potência, sendo que no caso dos transportes, estes casos

ocorrem em períodos de aceleração e travagem regenerativa. Embora os volantes de inércia tenham

boas características de densidade de potência, o fato de ter uma implementação mais cara e

complexa, decorrente do sistema de controlo da velocidade do volante de inércia, aliado a um maior

volume e peso específico, torna este sistema uma possibilidade menos atrativa. Assim, serão apenas

analisadas soluções baseadas em baterias ou supercondensadores para o dimensionamento do

sistema de armazenamento de energia do MagLev-Cobra.

4.2 Baterias

As baterias são dispositivos que armazenam energia elétrica em forma de energia

eletroquímica. Cada sistema de bateria pode ser constituído por um conjunto de células ligadas em

série ou em paralelo dependendo da tensão ou capacidade pretendida pelo sistema. Cada célula é

constituída por dois elétrodos, o cátodo e ânodo, separados pelo meio envolvente, o eletrólito. A

formação de carga dos iões deve-se a reações de oxidação e redução, e embora haja várias famílias

de baterias, o funcionamento pode ser simplificado como representado pela figura 4.3.

32

Figura 4.3 - Representação do fluxo de carga nos casos de descarga e carga de uma bateria

As baterias apresentam um gama de tensão de trabalho, correspondente ao intervalo entre a

tensão máxima e mínima, variando consoante o tipo de bateria. Caso estes limites sejam

ultrapassados podem causar degradação da bateria ou mesmo danos irreparáveis. A capacidade da

bateria é dada em Ah (1 Ah = 3600 Coulombs), ou seja, se uma bateria é capaz de fornecer 1 A de

corrente a uma carga durante 1 hora, a sua capacidade corresponde a 1 Ah.

A quantidade teórica de energia armazenada na bateria é dada pela equação (4.1)

(4.1)

Como referido anteriormente os sistemas de baterias podem ser integrados por células

ligadas em paralelo ou em série consoante os valores de capacidade ou tensão pretendidos.

4.2.1.1 Ligação em Série

Esta ligação efetua-se ligando o cátodo de uma célula ao ânodo de outra, representado na

figura 4.4.

Figura 4.4 - Conexão em Série

33

Consoante o número de células ligadas em série, a tensão total do sistema corresponde ao

somatório das tensões individuais das células. Um aumento da tensão do sistema, reduz o valor da

corrente para o mesmo valor de potência, o que reduz a secção dos condutores e as perdas por

efeito de joule.

(4.2)

Quanto maior de número de células em série, maior é a probabilidade que haja uma célula

que avarie. Um curto-circuito numa célula fará com que haja uma queda de tensão no conjunto ou

uma célula em aberto fará com que haja interrupção do circuito. O elevado número de células num

sistema também pode contribuir para um desequilíbrio de tensão entre células, devendo-se sobretudo

a diferenças entre resistências internas e o SOH6 das células. Este desequilíbrio forçará as células

com menor tensão a atingirem tensão mínima mais rapidamente que as restantes, impossibilitando o

uso do sistema, sobre o risco de danificar a(s) célula(s) com a tensão mínima. Normalmente em

sistemas com tensão elevada são concebidos sistemas de gestão de carga ou tensão para evitar

desequilíbrios entre células e prolongar a vida de utilização do sistema de armazenamento. Estes

sistemas serão analisados no sub Capítulo 4.6.

4.2.1.2 Ligação em paralelo

Ao ligar células em paralelo, ou seja realizar duas conexões a duas células, uma a ambos os

cátodos e outra a ambos os ânodos, é possível aumentar a capacidade total do sistema, sem que

haja alteração da tensão.

Figura 4.5 - Ligação em Paralelo

(4.3)

6 SOH – State of health

34

Para as ligações em paralelo, caso haja uma célula que possua uma resistência interna

elevada ou que esteja em circuito aberto é menos gravoso comparando com a ligação em série, dado

que só a capacidade total do sistema diminui. Contudo um curto-circuito pode dar origem a uma falha

geral do sistema, visto que a célula em CC irá drenar corrente de todo o sistema, originando uma

auto descarga ou no pior dos casos libertação de fumo ou combustão da célula, devido ao aumento

excessivo de temperatura.

Dentro das famílias de baterias existemdois tipos principais:

Primárias – A reação química de descarga acaba por destruir um dos elétrodos, pelo que a

bateria não pode ser recarregada. Estas baterias são utilizadasna eletrónica de consumo.

Secundárias – A bateria pode ser recarregável, visto que as reações químicas que ocorrem

nos elétrodos são reversíveis, restaurando o seu estado inicial. Este tipo de baterias são as

usadas nos sistemas de armazenamento dos sistemas de tração elétrica.

4.2.1.3 Modelo da bateria

Neste trabalho, o modelo elétrico usado para representar a bateria é baseado no modelo do

simulink, onde é considerado uma força eletromotriz, sendo representa pelas equações (4.4) e (4.5),

e uma resistência interna, representando as perdas sobre efeito de joule e resistência iónica.

Descarga:

(4.4)

Carga:

(4.5)

A eficiência da bateria pode ser aproximada pela equação (4.6)

(4.6)

35

Figura 4.6 - Densidade e volume especifico de energia das bateras recarregáveis [12]

Como é possível observar na figura 4.6, as baterias de lítio e níquel hidreto são as que

apresentam atualmente melhores densidades de energia comparativamente com outras tecnologias,

podendo chegar atualmente até aos 220 Wh/kg [13]. Estacaracterística faz com que sejam a escolha

no que se refere a aplicações para tração elétrica, significando maiores quantidades de energia ou

sistema de armazenamento mais leve.

Comparando entre os dois tipos de baterias:

Custo – Atualmente as baterias de níquel têm um custo inferior, em média 500-560 dolar/kWh,

comparando com o custo de 800-1000 dolar/kWh [13] das baterias de lítio. O mesmo estudo [13]

aponta, para uma massificação no uso das baterias de lítio até 2020, que fará baixar o preço das

mesmas, tornando-as mais competitivas em relação à bateria de níquel.

Peso – Em geral as baterias de lítio são menos pesadas e de menores dimensões,

comparativamente com níquel hidreto para a mesma quantidade de energia armazenada, sendo que

as de lítio podem, atualmente, apresentar densidades entre 90 – 220 Wh/kg, e as de níquel hidreto

ficam-se entre 60 – 120 Wh/kg. [13]

Potência – Ambas as baterias apresentam capacidades de potência semelhantes, sendo que as

baterias de lítio podem ser carregadas e descarregadas mais rapidamente, para além de estarem

menos sujeitas a ‘efeitos de memória’7.

Durabilidade – Ambas as baterias têm 5-10 anos de vida útil, apresentado até 5000 ciclos de

carga/descarga. Contudo as baterias de lítio têm alguns problemas de fiabilidade em ambientes a

temperaturas extremas.

7 Efeito pelo qual a bateria vai perdendo a sua capacidade nominal ao longo dos ciclos de carga e

descarga, diminuindo assim os seus anos de vida útil

36

Para o sistema de armazenamento do MagLev-Cobra, foi escolhido o uso de baterias de iões lítio,

pelo facto apresentarem melhores densidades de energia e volume específico, em relação à bateria

de níquel.

Dentro das baterias de iões de lítio existem vários tipos,sendo que cada tipo apresenta vantagens

e desvantagens na implementação de sistemas de armazenamento para tração elétrica.

4.2.2 Lítio Ferro Fosfato (LiFeP )

Introduzidas no final da década de 90 do século passado, as baterias de lítio ferro fosfato são

das baterias de lítio, com mais aplicação nos dos sistemas de tração.Apresentam boa capacidade de

potênciae estabilidade na reação química e térmica, o que se traduz numa menor probabilidade de

ignição ou explosão nos casos em que a bateria seja posta a situações de sobre tensão, curto-circuito

ou temperaturas elevadas, tornando-as assim a melhor escolha em termos de segurança em relação

às outras opções.

Figura 4.7 - Reacção química da LiFePO4 [14]

As principais características da bateria são:

Tensão Máxima: 3,6 V

Tensão Nominal: 3,3 V

Tensão Mínima: 2,5 V

Densidade energética especifica: 110 Wh/kg

Densidade potência específica: >300 W/kg

Ciclos de carga/descarga: 10000

Temperatura de operação: -20º C até 70º C

A tensão nominal inferior relativa a outros tipos de baterias de iões lítio, como por exemplo lítio

óxido de magnésio ou cobalto, tem como consequência uma menor densidade de energia específica.

Outra característica da bateria é o seu desempenho durante a descarga com corrente constante,

apresentando um menor declive na zona linear da curva de descarga, figura 4.8, relativamente às

restantes baterias de lítio. Esta característica reflete-se numa menor variação de tensão do sistema,

durante esta zona de funcionamento, o que é benéfico para sistemas de tração.

37

Figura 4.8 - Curva de tensão na descarga para várias temperaturas ambientes [15]

4.2.3 Lítio Oxido de magnésio (Li )

Presente no mercado desde meados da década de 90, tem vindo gradualmente a ser usada

em sistemas de armazenamento para veículos elétricos, como por exemplo o Tesla Roadster ou o

Nissan Leaf.

Devido à sua baixa resistência interna consegue fornecer correntes de carga e descarga

elevadas, para além de apresentar uma densidade de energia superior ao lítio ferro fosfato,

significando menor peso no sistema de armazenamento.

Contudo na sua reação química, o facto de resultar nos seus produtos oxigénio, torna-a algo

instável, principalmente sobre efeito de curto-circuito, sobretensão ou impacto mecânico, podendo dar

origem à libertação de fumos, dilatação da célula e, no pior dos casos, à combustão ou mesmo

originando explosões.

Ânodo: (4.7)

Cátodo: (4.8)

38

Figura 4.9 - Constituição da bateria LiMnO2 [16]





Corrente descarga: até 40 C-rate8


Temperatura de operação: 0º C até 45º C

As curvas de descarga deste tipo de baterias apresentam o seguinte comportamento:

Figura 4.10 - Testes efectuados no modelo GP776285M284 da Gold Peak Industries North America [17]

Em contraste com as baterias de lítio ferro fosfato, as curvas de descarga das baterias de lítio

óxido de magnésio, apresentam uma zona linear com um declive mais acentuado e mais reduzido

com o aumento da corrente de descarga, como demonstrado pela figura 4.10. Esta característica faz

8 C-Rate corresponde ao valor de corrente de carga ou descarga, que se obtem multiplicando o valor

da capacitância, ou seja 1 C numa bateria de 10 Ah, corresponde 10 A.

39

que o ESS com este tipo de bateria, durante o seu funcionamento, tenha maiores flutuações de

tensão comparativamente com um ESS composto por baterias de lítio ferro fosfato.

4.2.4 Lítio titanato (Li4 O12)

Este tipo de baterias em vez de utilizar carbono como o material constituinte do ânodo,

substituí-o pelo composto Lítio Titanato. Sendo uma tecnologia ainda recente, não tem uma utilização

difundida nos sistemas de armazenamento de energia para aplicações de tração, devido ao seu,

ainda, elevado custo.

As baterias deste tipo têm características bastante interessantes no que toca às correntes de

descarga e principalmente decarga, conseguindo ser carregadas com correntes superiores a 6 C-rate

[18], face aos outros tipos de baterias que no máximo aguentam 2 C-Rate. Ou seja consegue-se

efetuar cargas rápidas da bateria, o que as tornam numa opção bastante interessante para travagem

regenerativa ou carregamento rápido.






Temperatura de operação: -20º C até 70º C

Figura 4.11 -Baterias LTOda Enerdel [19]

Tendo em conta os pontos de dimensionamento apresentados, reduziu-se os tipos de bateria a

considerar, às de Lítio Ferro fosfato e às de lítio titanato, por terem reações químicas estáveis,

garantindo segurança durante a sua operação, e além disso conseguem dispor de boas densidades

de potência. Contudo, sendo as baterias de lítio titanato uma tecnologia recente no mercado, o seu

40

preço ainda é elevado em comparação com LFP9, já que são oferecidas poucas opções no mercado

e os dados de utilização deste tipo de baterias em aplicações de tração elétrica ainda são pouco

fiáveis, pelo que a escolha do tipo de bateria a ser usada no sistema de armazenamento será o Lítio

ferro fosfato.

4.3 Supercondensadores

Os supercondensadores ou ultracondensadores começaram a ser desenvolvidos para

aplicações em veículos elétricos na década de 90, focando-se sobretudo nos condensadores de

dupla camada usando estruturas porosas de carbono em ambos os elétrodos, tendo o mesmo

comportamento dos condensadores normais mas com capacidade para armazenar maior quantidade

de energia.

Um dos objetivos dos investigadores e fabricantes de supercondensadores, para competirem

com as baterias, foi atingirem densidade de energia específica de 5 Wh/kg para descargas de

elevada potência e apresentar um ciclo de vida com pelo menos 500 000 descargas completas.

Atualmente as aplicações existentes no mercado apresentam densidades energéticas na ordem dos

3.5 - 6 Wh/kg, chegando a 1000000 ciclos de carga/descarga e apresentando densidades de potência

na ordem 800 – 20000 W/kg [5], e capacidadesaté 5000 F.

Sendo uma tecnologia capaz de fornecer uma grande quantidade de potência, quase

instantaneamente, tem vinda a ser implementada nos sistemas de travagem regenerativa, tanto em

veículos elétricos como na ferrovia, como é exemplo o sistema SITRAS SES desenvolvido e

comercializado pela Siemens10

.

4.3.1 Modelo dos Supercondensadores

O modelo usado de supercondensadores para simulação está representado na figura 4.12,

em que é representado por uma fonte de tensão e uma resistência interna representando as perdas

por joule. A tensão do supercondensador é dada pelos modelos de Stern [20], também sendo

considerada a corrente de auto descarga características da maior parte dos supercondensadores.

9 LFP – Lithium ferrophosphate

10 Como se poderá verificar em

http://cn.siemens.com/cms/cn/English/TS/Mobility/media/Media%20pool%20content/Documents/chosen%20brochures/Sitras%20SES_en.pdf

41

Figura 4.12 - Modelo dos supercondesadores simulink [21]

A energia e a potência dos supercondensadores é calculada através das equações (4.9) e

(4.10), respectivamente.

(4.9)

[J] (4.10)

A curva de carga e descarga típica, para corrente constante, pode ser calculada linearmente,

como representado na figura 3.14.

Figura 4.13 - Comparação entre as curvas de carga e descarga de SC e Bateria para uma corrente constante [22]

SOC

42

Como no caso das baterias, os supercondensadores podem ser ligados em série ou em

paralelo. As ligações em série, fazem aumentar a tensão total do sistema, mas alterama sua

capacidade equivalente, resistência equivalente e corrente de auto-descarga.

Série:

(4.11)

Paralelo: (4.12)

4.4 Tipologias Propostas

Analisadasas tecnologias passíveis de serem implementadas no sistema de armazenamento a

desenvolver no MaLlev-Cobra e em conjunto com os dados sobre a energia necessária para

operação do veículo e a energia que pode vir a ser regenerada através da travagem regenerativa,

cabe agora apresentar as opções quanto à arquitetura do sistema.

Para tal é necessário definir o tipo de uso que o sistema terá. Dentro das opções e analisando

a quantidade de energia passível de ser regenerada,tem-se:

Alimentação dos sistemas elétricos auxiliares – Foi comprovado que o trabalho

desenvolvido pela travagem durante uma hora de funcionamento é suficiente para

alimentar os sistemas elétricos que constituem o veículo.

Auxílio ao movimento do MagLev-Cobra – A energia regenerada na travagem pode

ser usada para auxiliar o movimento, principalmente na aceleração que corresponde à

maior exigência de potência à rede, pelo que pode servir para mitigar as quedas de

tensão e poupança energética aquando da aceleração do veículo.

Autonomia do MagLev-Cobra – Dimensionar um sistema de armazenamento capaz

de armazenar a energia necessária para o movimento do veículo, tornando-o num

meio de transporte ferroviário autónomo.

Face à inovação tecnológica que o projeto MagLev-Cobra quer introduzir nos transportes

urbanos brasileiros e juntando o fato doveículo ter um peso máximo de 6000 kg, considerado um

transporte urbano leve, operando a baixas velocidades, pelo que o atrito aerodinâmico é bastante

reduzido e o atrito estático, que nos casos dos veículos ferroviários convencionais é provocado pela

43

fricção das rodas no carril, não existe. Deste modo, a energia necessária para realizar a operação do

MagLev-Cobra em comparação com um transporte ferroviário convencional com o mesmo peso e

potência, é inferior, tornando assim o sistema de armazenamento menos pesado e dispendioso em

comparação com os transportes ferroviários convencionais, pelo que a sustentabilidade de um

sistema de armazenamento que garanta a autonomia do veículo pode justificar o seu

desenvolvimento.

Feita análise às duas tecnologias de armazenamento de energia, as baterias de lítio e os

supercondensadores, concluiu-se que as baterias são o sistema ideal para o armazenamento de

energia. Enquanto os supercondensadores, devido à sua densidade de energia extremamente baixa,

embora tenha uma densidade de potência bastante elevada, devem ser usados para situações de

pico de potência, como a aceleração ou travagem regenerativa do veículo.

A energia necessária para a operação em hora de ponta é dada pela equação (4.13), em que é

considerado que o sistema de armazenamento alimenta o sistema de tração e circuitos auxiliares,

tendo em consideração as eficiências dos diversos sistemas [8], [23].

(4.13)

Sabendo que o intervalo de tensão de entrada do inversor CFW11-88 se situa entre 530 a 610

V [24], o sistema de armazenamento tem que ser capaz de satisfazer este intervalo de tensão.

Atendendo a que a tensão nominal de uma célula de lítio ferro fosfato é de 3,2 V, podendo variar

entre 3,6 e 2,5 V, ou seja o intervalo de tensão resultante de um sistema de baterias de Lítio ferro

fosfato será superior ao intervalo de tensão de trabalho do inversor,significando que nem todo o

intervalo de carga do sistema de bateria poderá ser usado, sendo limitado pelo intervalo da tensão de

trabalho do inversor.

Analisando a figura 4.8, é possível verificar que a curva de descarga típica de Lítio ferro fosfato

apresenta uma zona linear, caracterizada por um ligeiro declive. Pelo que se pode otimizar o intervalo

de tensão do sistema de baterias para obter o maior intervalo de carga passível de ser utilizada.

Desta forma, a tensão nominal da bateria é 610 V, o que corresponde a 188 células em série.

Nestas condições a tensão máxima, em média de cada célula, é de 3,25 V, e para a situação de

tensão mínima do sistema de baterias, a tensão média de cada célula é de 2,82 V.

A capacidade nominalpor sua vez é dada por:

44

(4.14)

Este valor de capacidade nominalgarante, teoricamente, que o comboio tenha uma operação

autónoma sem necessidade de fontes de alimentação externa durante uma hora de ponta. Contundo

o seu valor não se apropria ao funcionamento principalmente na aceleração em subida, em que a

potência mecânica máxima é de 25 kW, ou seja, considerando os mesmos valores de eficiência dos

componentes usado sem (4.13) e o fator de potência do sistema de tração unitário, resulta

numacorrente máxima de 80 A, injetada no sistema de armazenamento, que equivale a 13,5 C-rate,

um valor bastante levado para uma corrente de descarga. Pela análise da curva de descarga da

figura 4.8, para valores de maior C-rate da corrente de descarga, verifica-se um aumento do declive

da zona linear, bem como uma diminuição dos valores de tensão, tendo repercussões na diminuição

no intervalo de carga passível de ser usado pelo sistema de tração.

Para mitigar este problema a solução passa pelo sobredimensionamento da capacidade da

bateria,de modo a obter um aumento do valor da corrente que a bateria pode fornecer durante uma

hora. Desta forma as correntes de carga e descarga terão um menor valor de C-rate, resultando em

menores variações de tensão devido a variações de corrente. Tendo em conta o perfil de carga

realizaram-se simulações para diferentes tipos de capacidade, para encontrar o valor de capacidade

mínima, o qual garante que a tensão não desce abaixo da tensão mínima admissível pelo sistema de

tração.

Figura 4.14 - Representação da corrente durante a operação do Maglev-Cobra

Tempo [s]

Co

rre

nte

[A

]

45

Figura 4.15 - Variação da tensão da Bateria com 6 Ah

Figura 4.16 - Variação de tensão da bateria com 35 Ah

As simulações realizadas para a descarga de dois sistemas de baterias, um com capacidade

nominal calculada em (4.14) e outro com uma capacidade sobredimensionada, para uma corrente de

descarga semelhante à de subida do veículo, representado na figura 4.14, confirma que a bateria

com capacidade de 5,94 Ah desce abaixo do intervalo da tensão de trabalho do inversor, pelo que é

necessário sobredimensionar a capacidade da bateria. A partir dos 20 Ah existe garantia qua a

tensão não baixe do limite de 530 V, contudo para evitar picos de correntes durante a aceleração a

bateria deverá ser sobredimensionada para 35 Ah

Contudo o sobredimensionamento tem como principal desvantagem o aumento de peso e

custo, visto que a capacidade de armazenamento é superior à necessária. Considerando que a

46

densidade específica de energia da bateria é de cerca 100 Wh/kg, a diferença de peso das baterias

entre um sistema com a capacidade mínima e o com capacidade sobredimensionada é a seguinte:

(4.15)

(4.16)

(4.17)

Desta forma, o peso resultante do sistema somente devido às baterias é diretamente

proporcional ao aumento dacapacidade do sistema. O mesmo se aplica ao custo do sistema.

Outra opção na mitigação de correntes excessivas na situação de travagem regenerativa e

aceleração é a implementação de um sistema híbrido composto por uma unidade de bateria e outra

de supercondensador, combinando a maior capacidade de armazenar energia das baterias com a de

disponibilizar ou absorver grandes quantidades de potência dos supercondensadores.

As tipologias híbridas de baterias e supercondensadores têm sido alvo de estudo para

aplicações de tração elétrica ou de mitigação de picos de potência para aplicações na rede elétrica,

pelo que existe experiência a nível industrial neste tipo de aplicações como indicam os sistemas de

armazenamento híbrido SITRAS HES e SEPTA, disponibilizado pela Siemens e ABB respetivamente

para sistemas de transportes ferroviários ligeiros.

Nos próximos subcapítulos serão apresentados os diferentes tipos de armazenamento híbrido,

sendo analisados a nível de custo, peso, desempenho e volume, a fim de escolher o sistema a

implementar com o melhor compromisso entre estes quatro parâmetros.

4.4.1 Arquitetura Híbrida acoplada

Dentro das várias configurações que se podem escolher para um sistema híbrido de

armazenamento a arquitetura acoplada é a mais simples deimplementar.Trata-se de ligar diretamente

em paralelo as unidades de bateria e supercondensadores, como exemplificado na figura 4.17.

47

Figura 4.17 - Arquitetura acoplada

Ao contrário das restantes tipologias, não existem elementos ativos entre os sistemas de

armazenamento, pelo que não existe possibilidade de controlar os fluxos de potência entre asduas

unidades. Para demonstrar o efeito das diferentes características das duas unidades, como por

exemplo a capacidade e resistência interna, na divisão da potência entregue à carga, procedeu-se à

seguinte análise:

Considerando o modelos simplificado das duas tecnologias representado na figura 4.18 pode-

se desenvolver uma análise com base nos parâmetros de thevenin do paralelo entre as duas

unidades, baseado na análise feita por [25].

Figura 4.18 - Circuito equivalente da ligação paralela Bateria/SC

A dinâmica da corrente no condensador é dada pela equação (3.18).

(4.18)

A dinâmica da bateria pode ser descrita fazendo uso das leis de Kirchoff no circuito

equivalente, obtendo-se:

(4.19)

48

(4.20)

(4.21)

(4.22)

(4.23)

A fim de se obter o equivalente de Thevenin do paralelo entre a bateria e o banco de

supercondensadores, representado na figura 4.19, considerou-se que o circuito não está ligado a

qualquer fonte ou carga exterior, ou seja, a corrente que percorre a bateria e o banco de

supercondensadores é a mesma, . Pelo que é possível desenvolver a

expressão da tensão e resistência equivalente de Thevenin, dada pela equação (4.28) e pela

equação (4.29).

Figura 4.19 - Esquema Thevenin da tipologia hibrida acoplada

(4.24)

(4.25)

(4.26)

(4.27)

(4.28)

A impedância de Thevenin é obtida curto circuitando a fonte de tensão do paralelo, pelo que

se obtém:

49

(4.29)

Fazendo uso da transformada inversa de Laplace obtém-se a expressão da tensão e a

impedância de Thevenin:

(4.30)

Pelo que a tensão de saída do sistema é dado pela equação (4.31), e as componentes da

corrente da bateria e dos supercondensadores são dadas pela equação (4.32) e (4.33),

respetivamente.

(4.31)

(4.32)

(4.33)

Caracterizada a relação entre a corrente e tensão das duas unidades em paralelo,simulou-se

o modelo em regime permanente para diferentes valores de resistência interna da bateria e

supercondensadores, considerando a tensão inicial de ambas unidades igual e a corrente de carga

constante, a fim se ilustrar a interação entre as duas unidades.

Os valores usados nos parâmetros para a primeira simulação estão de acordo com os valores

dimensionados, como poderá ser verificado posteriormente no subcapítulo 3.4.4.1.

Figura 4.20 - Resposta de correntes da bateria e supercondensador com 1 F de capacidade (V = 600 V,

Tempo [s]

Co

rre

nte

[A

]

50

Analisando a resposta das duas unidade a um escalão de corrente de 1 A, é possível verificar

que maior parte da corrente é disponibilizada pela bateria. Nestas condições o banco de

condensadores demonstra ter pouca utilidade.

A fim de aumentar a corrente disponibilizada pelo banco de supercondensadores pode-se

aumentar a capacidade ou diminuir a resistência interna do mesmo. A figura 4.21 ilustra o aumento

de corrente fornecida pelo banco de supercondensador, alterando o valor da capacidade do banco

para 20 F.

Figura 4.21 - Resposta de correntes da bateria e supercondensador com 20 F de capacitância (V = 600 V,

Considerando as mesmas condições usadas na simulação, representada pela figura 4.21,

alterou-se o valor da resistência interna do banco de supercondensadores para 0,9 Ω, resultando

numa diminuição da corrente disponibilizada pelo banco de SC, como se mostra na figura 4.22.

Figura 4.22 - Resposta de correntes da bateria e supercondensador com 20 F de capacitância (V = 600 V,

Tempo [s]

Tempo [s]

Co

rre

nte

[A

] C

orr

en

te [

A]

51

As simulações realizadas ao modelo demonstram a influência que as características internas

do supercondensador têm sobre a corrente de descarga da unidade de baterias e

supercondensadores.

Além do modelo teórico criado, foi também concebido um modelo com a bateria em paralelo

com o supercondensador em simulink, que pode ser consultado no anexo B, com o objetivo de

simular a dinâmica entre as duas unidades para o perfil de corrente do MagLev-Cobra em subida,

fazendo uso da figura 3.10. Os parâmetros usados para a simulação foram os calculados no

dimensionamento das duas unidades no subcapítulo 3.4.4.1.

Figura 4.24 - Evolução da corrente da unidade de bateria

Figura 4.25 - Curva de corrente da unidade de supercondensador

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50-10

0

10

20

30

40

50

60

Tempo [s]

Corr

ente

[A

]

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50-40

-30

-20

-10

0

10

20

Tempo [s]

Corr

ente

[A

]

52

Figura 4.26 - Evolução da tensão da unidade de Bateria e Supercondensador

Das simulações realizadas verificou-se a evolução da corrente e a tensão da unidade de

bateria e supercondensador, representada nas figuras 4.24, 4.25, 4.26. Analisando os resultados é de

salientar os valores da corrente de descarga da bateria, tomando valores superiores em relação à

capacidade de 20 Ah. Este esforço sobre a bateria, no que toca a correntes superiores a 2 C-rate,

tem como efeito uma queda acentuada da tensão, como verificado na figura 4.26. Este tipo de

utilização tem efeitos em relação ao processo de degradação da bateria, acelerando-o.

Para atenuar estes dois problemas, o sobredimensionamento de uma ou ambas unidades é a

solução, como o modelo teórico anteriormente desenvolvido indicou. Contudo esta solução tem

consequências no aumento do peso, volume e custo do sistema de armazenamento.

Como já foi referido, a tensão da unidade de supercondensadores é a mesma que a da

bateria e ao funcionar no intervalo de tensão de 530-610 V, significando que somente 13% da carga

armazenada poderá ser usada, tornando esta tipologia pouco eficiente no que toca à utilização no

que se refere à unidade de supercondensadores.

Conclui-se que esta tipologia, de fácil implementação, conduz a um nível de

sobredimensionamento dos seus componentes, acrescentando peso, volume e custo.

4.4.2 Arquiteturas Híbridas parcialmente desacopladas

As unidades de armazenamento estão ligadas através de um conversor DC/DC bidirecional

como demonstrado na figura 4.27.

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50570

575

580

585

590

595

600

605

610

615

Tempo [s]

Voltage [V

]

53

Figura 4.27 - Arquitetura semi-desacoplada

Para o caso 4.27 a),a bateria está ligada diretamente aos terminais do inversor enquanto os

supercondensadores estão separados pelo conversor de potência. Esta solução permite o controlo e

gestão de energia entre o banco SC e a bateria/carga, pelo que o dimensionamento do banco pode

ser feito otimizando a energia armazenada, significando, assim, menos peso e custo para este

componente.

A bateria, por outro lado, continua a estar sujeita aos picos de corrente proveniente da carga.

No entanto, comparando com a tipologia acoplada, o condensador pode ser controlado para atuar

nos casos dos picos de corrente, e assim compensar o esforço feito pela bateria, o que significa uma

melhor otimização da capacidade da bateria, garantido apenas que a tensão da bateria não diminua

para um valor inferior à tensão mínima de funcionamento do inversor.

Na solução 4.27 b), as baterias são imunes aos picos de potência, que dependendo da

estratégia de controlo, possibilita implementar um controlo em que a bateria só opera nos períodos de

velocidade nominal do veículo, sendo o supercondensador responsável pela aceleração, ou em toda

a operação do veículo a bateria apenas descarrega com uma corrente constante, sendo que toda a

energia proveniente da travagem regenerativa irá para o supercondensador. Tomando o primeiro

caso como referência, é possível notar que a bateria operando apenas na zona de velocidade

nominal irá precisar de menos energia armazenada para garantir a operação do veículo, pelo que a

capacidade mínima requerida é:

(4.34)

54

Contudo tendo em conta a corrente nominal máxima do cenário considerado, a capacidade

da bateria deverá ser pelo menos de 18 Ah.

Ou seja, tendo em conta o valor de referência da densidade de energia da bateria de lítio

ferro fosfato anteriormente usada, 100 Wh/kg, obtém-se uma redução de peso da unidade de bateria

comparando com a solução a).

(4.35)

O problema inerente à implementação desta solução está relacionado com as variações de

tensão bruscas que os supercondensadores podem produzir à entrada do inversor. Estas variações

podem baixar a eficiência do sistema de tração e mesmo atingir valores inferiores à tensão mínima de

funcionamento do inversor. Fazendo uso do cálculo do número de condensadores em série, equação

(4.11), onde é otimizada a capacidade do supercondensador em termos da energia necessária para

afetar a aceleração do comboio em subida, obtém-se a variação de tensão aos terminais do

supercondensador, das figuras 4.29 e 4.30.

Figura 4.28 - Evolução da corrente durante aceleração em subida no banco SC com 0,98 F

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 110

20

40

60

80

100

120

140

160

Tempo [s]

Corr

ente

[A

]

55

Figura 4.29 - Evolução da tensão no banco de condensadores com 0,98 F

Figura 4.30 - Evolução da tensão no banco de condensador com 8 F

Assim, no mínimo o banco de condensadores para fazer face à aceleração necessita de ser

sobredimensionado pelo menos para 8 F, o que corresponde à energia armazenada de:

(4.36)

Comparado com a capacidade do caso a), a energia armazenada é 8 vezes superior, e tendo

em conta o valor de referência de densidade energia, 5 Wh/kg, obtém-se um peso do banco de

condensadores de:

(4.37)

0 2 4 6 8 10 120

100

200

300

400

500

600

700

Tempo [s]

Tensão [V

]

0 5 10 15540

550

560

570

580

590

600

610

620

Tempo [s]

Tensão [V

]

56

(4.38)

O peso total do sistema para os dois casos de tipologia semi acoplada, encontra-se referido

na tabela 4-I.

Tabela 4-I - Comparação entre peso dos dois tipos de arquitetura semi acoplada

Bateria Supercondensador Total

Peso tipologia semi

acoplada a) [kg] 36,6 9,8 46,4

Peso tipologia semi

acoplada b) [kg] 16,7 80 96,7

De acordo com [26] o preço médio da bateria lítio ferro fosfato é de 1500 dolar/kWh, ou seja

1,5 dolar/Wh, enquanto o custo médio dos supercondensadores ainda é extremamente elevado

podendo alcançar10000 dolar/kWh, ou 10 dolar/Wh [27]. O preço médio dos dois casosé apresentado

na tabela 4-II.

Tabela 4-II - Preço dos dois casos para tipologia semi acoplada

Bateria Supercondensador Total

Preço tipologia semi

acoplada a) [dolar]

5490 490 5980

Preçp tipologia semi

acoplada b) [dolar]

2507 4000 6507

Em conclusão e fazendo a comparação entre os dois casos para o sistema de

armazenamento híbrido semi acoplado é possível afirmar que em termos de peso e custo, a tipologia

com os supercondensadores desacoplados da bateria é a melhor escolha para implementar no

sistema de armazenamento do MagLev-Cobra.

4.4.3 ArquiteturasHibridasdesacopladas

Neste tipo de arquitetura ambas as unidades estão separadas do inversor através de

conversores DC/DC bidirecionais, podendo ser divididas na arquitetura em cascata, exemplo (a) da

figura 4.31, e em paralelo, exemplo (b) figura 4.31.

57

Figura 4.31 - Arquiteturas desacopladas: a) arquitetura em cascada, b) arquitetura em paralelo

Ambas as configurações possibilitam um controlo e gestão das duas unidades, ou seja torna

possível controlar por completo a operação dos SC e baterias durante os picos de correntes, e pelo

que, a otimização do sistema a nível de energia e potência entregue à carga é muito mais eficaz que

nas configurações anteriores.

Contudo, ao incorporar dois conversores na mesma tipologia torna o controlo bastante

complexo, já que é necessário ter mais variáveis de controlo no sistema e o risco de instabilidade na

operação do sistema é maior. Outra desvantagem são as perdas na eficiência com a introdução de

dois conversores, aumentando tambémo custo.

4.4.4 Sistema Híbrido de armazenamento

Com a exposição das diferentes tipologias possíveis de serem implementadas num sistema de

armazenamento híbrido, procedeu-se à escolha de uma tipologia, tendo em vista, o seu estudo e

dimensionamento de acordo com as necessidades do MagLev-Cobra. Tendo em conta os fatores de

decisão para o dimensionamento, escolheu-se como tipologia híbrida a ser implementada no sistema

de armazenamento a unidade de supercondensador desacoplada da bateria, representada pela figura

4.27 a).

Para além do sistema de armazenamento também é instalado um conversor dc/dc isolado,

capaz de converter a tensão da bateria para 24 Vdc alimentando os sistemas elétricos instalados no

comboio, e um banco de resistências caso seja necessário, por razões de segurança, executar

travagem dissipativa, nos casos em que o estado de carga das baterias e do supercondensadores

esteja acima do valor limite estipulado.

58

Figura 4.32 - Arquitetura proposta para o Sistema de armazenamento

4.4.4.1 Unidades de armazenamento

Como calculado anteriormente, o número de células em série que constituem a bateria é de

188, pelo que a bateria tem o intervalo de tensão para o funcionamento, com os valores da tabela 4 -

III.

Tabela 4-III - Intervalo de tensão de trabalho da unidade de bateria

[V]

Tensão Máxima 610

Tensão Nominal 600

Tensão Mínima 530

Como calculado anteriormente, pela equação (4.14), a capacidade mínima da bateria é de 6

Ah, contudo devido às correntes elevadas pedidas pelo sistema de tração o sistema deverá ter pelo

menos 18 Ah. Na tabela abaixo apresentam-se algumas das células de baterias que podem ser

usadas no sistema de armazenamento do veículo MagLev-Cobra.

59

Tabela 4-IV -Lista de baterias LifePO4 disponíveis no mercado

Modelo da célula Capacidade

[Ah]

Densidade de energia

[Wh/kg]

Preço [dolar]

Peso [gr]

Corrente máxima de

descarga [A]

Resistência interna

[mΩ]

EIG Model F007 HP 7 95 - 237 140 < 3

Saft VL10Fe 10 54 - - 1000 -

Headway 38120HP 8 85,33 19,50 300 200 <5

Headway 38120L 10 106,67 19,50 300 100 <4

A123Sytems AHR32113M1Ultra-

B 4,4 85,85 10,6 205 160 -

A123 Systems ANR26650M1-B

2,5 105,26 5 76 120 <6

A123 Systems AMP20M1HD-A

20 131 34,35 496 375 -

Bestgo Power BP-HK-10F

8 125 - 225 60 -

Dos modelos analisados, destacam-se os modelos de bateria da EIG, Headway e A123

Systems, pelo que a comparação entre as quatro soluções para aplicação no sistema de

armazenamento do Maglev Cobra resultouna tabela 4-V.

Tabela 4-V -Comparação entre ESS composto por diferentes modelos de bateria

Modelo da célula Capacidade

[Ah] Peso em

Células [gr] Descarga Maxima

Energia armazenada

[Wh]

Resistência interna [mΩ]

EIG Model F007 HP 14 89112 280 8540 <282

Headway 38120HP 16 112800 400 9760 <750

Headway 38120L 20 112800 200 12200 <600

A123 Systems ANR26650M1-B

20 114304

960 12200 <564

A123 Systems AMP20M1DH-A

20 87232 374 12200 -

Os quatro modelos de bateria dispõem de potência suficiente para alimentar o veículo,

armazenando mais energia do que necessário, visto que a sua capacidade é maior que a capacidade

mínima calculada para alimentar o veículo durante uma hora de ponta. Em termos de eficiência global

do sistema a bateria EIG contendo uma resistência interna inferior, terá menos perdas por efeito de

joule que as restantes.Na subida do MagLev-Cobra durante a fase em velocidade cruzeiro, a corrente

média é correspondente a 18 A. Nestas condições calcularam-se as perdas nos sistemas de baterias.

;

(4.39)

Fazendo uso da equação (4.6) a eficiência dos diferentes sistemas de baterias será:

60

(4.40)

O modelo de bateria escolhido para integrar o sistema de acordo com a otimização do

sistema em termos de energia armazenada, parâmetro que influencia o peso, custo e volume, foi o

modelo A123System AMP20M1DH-A, o qual será constituído 188 células em série. A informação

técnica deste produto pode ser consultada no anexo C.

Figura 4.33 - A123 Systems AMP20M1DH-A

Para a escolha do tipo de supercondensador a ser usado, primeiro definiu-se a potência

máxima e a energia a armazenar.

A potência máxima ocorre quando o veículo acelera na situação de subida, sendo

aproximadamente 22,3 kW. Para a energia armazenada necessária usou-se como referência o caso

com maior necessidade energética dentro das quatro situações de aceleração e desaceleração em

subida ou descida, sendo que a aceleração em subida tem o maior custo energético com 46,73 Wh.

A tensão máxima escolhida para a unidade de supercondensadores foi 600 V, sendo a tensão

mínima 25% da tensão máxima, 150 V, significando assim que os limites do fator de ciclo para modo

redutor e elevador serão:

Modo

Redutor

(4.41)

Modo

Elevador

(4.42)

Os supercondensadores apresentam uma tensão nominal de 2,7 V,o que corresponde ao

seguinte número em série:

61

(4.43)

Ou seja, para 222 condensadores em série a capacidade equivalente da unidade de

armazenamento é dada pela equação (4.44).

(4.44)

Cada condensador deve ter uma capacidademínima de:

(4.45)

Tabela 4-VI – Tabela de Supercondensadores ansalisados

Modelo SC Capacitância

[F]

Densidade de energia

[Wh/kg]

Densidade de

Potencia [W/kg]

Peso [gr]

Corrente nominal [A]

Corrente máxima de descarga

[A]

[mΩ]

Maxwell BCAP0310

310 5,2 6600 60 31 250 2.2

Maxwell BCAP0350

350 5,9 4600 60 35 170 3.2

Maxwell BCAP0650

650 4,1 6800 160 65 680 0,8

Ioxus Multi Pin 350 5,4 10000 66 24 243 2,7

Nesscap ELDC Medium

360 5,4 4080 67 37 225 3,2

Nesscap ELDC Medium

325 5,1 7080 64 49 271 1,9

NessCap ELDC Large Cilindrical

650 3,2 7100 205 68 630 0,6

Dos modelos disponíveis no mercado analisados, destaca-se Maxwell BCAP0350 pela maior

de densidade energia e uma densidade de potência suficiente para alimentar o sistema de tração.

Estas características fazem com que este modelo seja o escolhido para integrar a unidade de

supercondensadores. A informação técnica deste modelo pode ser consultada no Anexo D.

62

Figura 4.34 – Maxwell BCAP0350

4.4.4.2 Conversor

O conversor DC/DC reversível em corrente apresentado na figura 4.35 tem as características

referidas na tabela 4-VII

Tabela 4-VII – Características do conversor Redutor-Elevador

Tensão ligação à bateria 610 – 530 [V]

Tensão ligação ao banco de supercondensadores 600 – 150 [V]

Potência nominal 25000 [W]

Frequência de comutação 20 KHz

Ripple de tensão maximo admissível na Bateria

0,05 %

Figura 4.35 - Conversor DC/DC Redutor-Elevador

63

Sendo um conversor reversível em corrente, pode carregar ou descarregar o banco de

supercondensadores, pelo que apresenta dois modos de funcionamento: Redutor e Elevador.

4.4.4.2.1 Redutor

Este modo corresponde ao carregamento do supercondensador pela corrente proveniente da

bateria ou da travagem regenerativa.

Considerando os estados dos semicondutores S1 e S2, representado na figura 4.36.

Figura 4.36 – Representação do fluxo da corrente para os dois intervalos do período de funcionamento do conversor em modo redutor

Desprezando a Resistência R e sabendo que a tensão média na bobine é nula, obtém-se a

seguinte relação entre a tensão da bateria e do banco de supercondensadores.

(4.46)

(4.47)

(4.48)

Considerando a equação diferencial que descreve o comportamento da corrente na bobine é

possível dimensionar o coeficiente de indução mínimo, através da equação (4.51).

(4.49)

64

(4.50)

(4.51)

Fazendo uso da equação (4.48):

(4.52)

Considerando que a variação máxima da corrente da bobina seja 1 A e que o valor máximo

da tensão da bateria é de 610 V e o valor de correspondente ao valor máximo de é 0,5 [28],

para uma frequência de 20 kHz:

(4.53)

4.4.4.2.2 Elevador

O modo elevador do conversor corresponde à situação em que os supercondensadores estão

a fornecer corrente à bateria ou à carga. Considerando a forma de funcionamento do sistema em

modo elevador:

No modo elevador, a relação entre a tensão da bateria e condensadores é dado pela equação

(3.56).

(4.54)

(4.55)

(4.56)

Voltando a seguir o raciocínio feito no modo redutor,o cálculodo coeficiente de indução da

bobina é:

65

(4.57)

(4.58)

Fazendo uso da equação (3.56), obtém-se:

(4.59)

(4.60)

A bobina é maximizada para o caso em que a tensão do banco de supercondensadores

corresponde a metade da tensão máxima da bateria, obtendo-se

(4.61)

(4.62)

O coeficiente mínimo de indução da bobina é o mesmo que no modo redutor.

Durante o funcionamento do conversor em modo elevador, altura em que a unidade de

condensador estará a injetar corrente para a carga/bateria, o fato de ter uma frequência de

comutação elevada, produz tremor na tensão e corrente que pode danificar a bateria, pelo que é

requerido o dimensionamento de um filtro passa baixo LC.

Sabendo que a frequência própria de um filtro LC é dada pela equação (3.63), esta tem que

ser inferior à frequência de comutação do conversor:

(4.63)

(4.64)

(4.65)

Fazendo uso da equação diferencial do condensador:

66

(4.66)

(4.67)

O cálculoda capacidade do condensadorfez-se, considerando a corrente máxima que o

sistema de tração pode requerer.Nesta situação, a resistência equivalente, , vista pelo conversor

em relação ao sistema de tração, corresponde a 1,008 Ω. Considerou-se o pior caso possível,

correspondendo à tensão mínima que o banco de supercondensadores pode alcançar, pelo que a

capacidade do condensador de filtragem é calculada pela equação (4.68).

(4.68)

Usando a equação (4.65), obtém-se o coeficiente de indução mínimo para a bobina.

(4.69)

4.5 Controlo e Gestão do sistema

A análise efetuada à operação do conversor nos modos redutor e elevador, atuando assim no

fluxo de potência entre o banco de supercondensadores e unidade bateria/tração, tornapossível a

formulação de um sistema de gestão tendo por base a operação do veículo.

Como estudado, o conversor apresenta dois modos de funcionamento:

Redutor – A corrente proveniente da travagem regenerativa ou da bateria carrega os

supercondensadores

Elevador – Aquando da aceleração os supercondensadores fornecem corrente à carga,

evitando que a bateria fique sujeita a picos de corrente

Para o dimensionamento do sistema híbrido de armazenamento de energia, para evitar os

picos de corrente provenientes da travagem e aceleração do veículo, é possível definir os valores de

corrente pelo do conversor.

Para efeitos de controlo convencionou-se o sentido da corrente, respeitando o sentido do

fluxo de energia do sistema de armazenamento, como representado na figura 4.37.

67

Figura 4.37– Sentido do fluxo de energia entre sistema de tração e o armazenamento de energia.

Nas figuras 3.10 e 3.11, ilustra-se a evolução da potência mecânica desenvolvido pelo

comboio para as situações de subida e descida da linha de 200 metros. Simplificando o raciocínio, no

cálculo da corrente média pedida pelo sistema de tração, considerou-se o fator de potência unitário,

pelo que a corrente pode ser calculada pela equação (4.70).

(4.70)

Para que a descarga da bateria tenha um comportamento constante, de acordo com a figura

3.10, definiu-se que o conversor deverá operar para correntes superiores a 40 A, para não expor a

bateria a correntes superiores ao dobro da sua capacidade. Para o limite inferior de corrente e

considerando a característica de carga das baterias de , por razões de segurança, estipulou-

se o limite de corrente de carga 1 C-rate, pelo que para uma capacidade de 20 Ah, o limite de

corrente de carga,no qual, o conversor começará a funcionar em modo redutor é 20 A.

68

Figura 4.38 - Intervalos de operação do conversor de acordo com o valor de corrente de carga

4.5.1 Controlo do conversor

A relação entre as tensões de entrada e saída do conversor é dada pelos tempos de

comutação dos semicondutores, pelo que o controlo mais comum usado neste tipo de potência é a

modelação por largura de impulso, dando origem ao fator de ciclo de comutação dos semicondutores.

A técnica de controlo aqui desenvolvida baseia-se nos trabalhos [25] e [29].

Como exemplificado na figura 4.39, o fator de ciclo é obtido através da comparação entre dois

sinais, a portadora e a modulante. A portadora neste caso é uma onda triangular com valor máximo

e com o mesmo período de comutação dos semicondutores, T.

(4.71)

A modulante pode tomar valores entre . Para o período em que a modulante

é superior à portadora, é gerado à saída do comparador um sinal com valor igual a 1. No caso em

que a modulante é inferior à portadora, o sinal gerado à saída do comparador é 0. Desta forma, o

fator de ciclo está diretamente relacionado com a relação do valor da modulante e o valor máximo da

portadora, como representado na equação (4.72).

(4.72)

69

Figura 4.39 - Exemplo de Modulação PWM

4.5.2 Modelação da dinâmica do conversor

Sendo um conversor comutado, o fator de ciclo é definido a cada período, sendo só modificado

no período seguinte. Este fato pode conduzir a um atraso que pode tomar valores entre .

Atendendo que a frequência de comutação do conversor tem associada uma constante de tempo

muito inferior aos componentes reativos dos conversores, em regime de pequenas perturbações

pode-se considerar a variável de atraso , um valor médio corresponde a metade do período de

comutação.

(4.73)

O conversor foi dimensionado para evitar que entre em regime lacunar, pelo que a sua

modulação da relação no domínio do tempo entre tensão de saída o sinal modulante é dado por:

(4.74)

70

4.5.3 Controlo de Corrente

Para dimensionar o controlo de corrente do conversor, é necessário analisar a carga à saída do

conversor, como representado na figura 4.40.

Figura 4.40 - Diagrama de controlo do conversor com uma RLE

A força eletromotriz corresponde à tensão do banco de supercondensadores, pelo que

função de transferência de Laplace da corrente de saída, é:

(4.74)

Figura 4.41 - Malha de controlo de corrente do conversor com carga RLE

O Bloco C(s) corresponde ao compensador PI que atua sobre o sistema de segunda ordem

sem pólos na origem e dois pólos reais. Utilizando estritamente ganho proporcional,o erro estático

não é anulado e para ganhos elevados há possibilidade de instabilidades no sistema, pelo que se

adiciona ganho integral calculado para garantir erro estático de posição nulo e insensível às

perturbações da tensão dos supercondensadores.

71

Um compensador PID pode ser necessário no caso de existirem pólos de alta frequência. A

função de transferência do controlador PI é dada por:

(4.75)

Sendo que a equação do sistema em malha aberta é dada por:

(4.76)

(4.77)

Fazendo uso do teorema do valor final é possível verificar que o PI não é capaz de

compensar os pólos complexos da carga, pelo que é feita a seguinte aproximação usando a

frequência natural:

(4.78)

(4.79)

Sabendo que a coeficiente de amortecimento ζ tem valor de na situação ótima, obtém-se

assim a equação para o cálculo de :

(4.80)

4.5.4 Decisão

A figura 4.42 representa o diagrama da decisão da operação do conversor.

72

Figura 4.42 - Diagrama de decisão do sistema

Quando a corrente ultrapassa o limite de corrente, representado na figura 4.42. O cálculo da

corrente de referência que irá definir a relação de comutação dos semiconductores é feito seguindo a

lógica já referida de manter a corrente da bateria constante. Para o cálculo da corrente de referência

recorre-se à equação (3.81).

(4.81)

Sendo que corresponde ao coeficiente que está diretamente correlacionado com os

limites de tensão nos casos de descarga e carga do banco de supercondensadores.

(4.82)

Além do controlo do conversor, o sistema de decisão deve considerar o estado de carga das

unidades bateria e supercondensadores para decidir se a travagem é regenerativa ou

dissipativa,usando o banco de resistências instalado no veículo. Este tipo de decisão deve garantir a

segurança do sistema, já que o carregamento dos sistemas de armazenamento com um estado de

carga elevado, pode levar à ocorrência de sobrecargasacelerando o processo de degradação do

sistema. A decisão do sistema entre travagem resistiva ou regenerativa é representada pela equação

(4.83).

(4.83)

73

4.6 Monotorização e gestão da carga

O facto de nem todas as células apresentarem as mesmas características, dá origem a

problemas de equalização do estado de carga, sendo que no caso do sistema dimensionado para o

MagLev-Cobra não é exceção.

As situações de desequilíbrio de SOC11

entre células são originadas durante a carga e

descarga, tendo como causa o envelhecimento individual de cada célula, como representado pela

figura 4.43, em operaçãocom temperaturas elevadas ou em ciclos de carga e descarga diferentes.

Figura 4.43 - Evolução do SOC nominal do modelo A123 Systems ANR26650M1-B ao longo da sua utilização [15]

A diferença entre o SOC de cada célula, num sistema de armazenamento, figura 4.43,

aumenta o esforço sujeito pela bateria com menor carga durante a operação do veículo, contribuindo

paraa aceleração do processo de envelhecimento. O desequilíbrio do estado de carga pode também

originar problemas durante o processo de carregamento da bateria, como exemplificado na figura

4.43 caso A e B, em que o sistema de armazenamento não está carregado a 100%, embora possa

haver células que já tenham atingido 100% do SOC. Pelo que, se o carregamento continuar, estas

células ficarão em sobrecarga, pondo em causa a segurança do sistema.

11

SOC refere-se a state of charge, ou seja, ao estado de carga da bateria.

74

Figura 4.44 - Diferentes exemplos demonstrado o valor aparente de SOC do conjunto de baterias face a desequilíbrios de estado de carga entre as células do conjunto

Os sistemas de armazenamento de energia constituído por baterias ou supercondensadores,

devem ter um sistema auxiliar de monotorização e gestão de estado de carga, designado na literatura

por battery management system (BMS).

Existem duas principais técnicas de balanceamento12

:

Passiva – As células com maior estado de carga em relação a um valor ponderado pelo

sistema, dissipam essa energia em resistências. Este sistema é bastante fácil de implementar

e mais barato, em comparação com balanceamento ativo, embora demore mais tempo a

balancear.

Figura 4.45 - Exemplo de balanceamento passivo [30]

12

Designação da equalização de estado de carga das células de bateria/supercondensadores

75

Ativa – Ao contrário do balanceamento passivo, a energia armazenada nas baterias com

mais carga, não é desperdiçada na dissipação resistiva, mas sim transferida para as baterias

com menos carga, a fim de equalizar a carga. Existem várias técnicas de equalização ativa

passando pelo balanceamento capacitivo, indutivo e com recurso a conversores de potência.

Este tipo de balanceamento tem como vantagens ser mais rápido que o passivo e obter uma

melhor eficiência do processo, já que se procede à transferência de energia. Contudo o nível

de complexidade aumenta com o número de células do sistema e tem custos superiores.

Figura 4.46 - Exemplo de balanceamento capacitivo e indutivo [31]

O custo característico por célula do sistema passivo é de 1 dolar, enquanto os sistemas ativos

têm o custo por célula de 10 dolar [32].

No âmbito do desenvolvimento do sistema de armazenamento de energia, propõe-se o sistema

de balanceamento representado na figura 4.47. Optou-se por uma tipologia Master-Slave13

, uma

tipologia mais flexível de implementar, descentralizada por módulos e que se adequa perfeitamente à

existência de dois sistemas de armazenamento de energia.

O Master para além de receber os dados de tensões, corrente e temperatura dos slaves para

identificar as células a serem balanceadas, tem que ser capaz de evitar situações de sobrecarga ou

diminuição da tensão abaixo do admissível pelo sistema.Assim, tem que ter a capacidade de

transmitir esses dados para o sistema de gestão de energia, já apresentados nos subcapítulos

anteriores.

13

Mater-slave designa a arquitetura do BMS por módulos. O Master refere ao módulo responsável pela computação do estado de carga total do sistema e individual de cada célula, enviado os sinais de balanceamento aos Slaves, módulos onde se efetua o balanceamento e que mede os valores de tensão, corrente e temperatura de cada célula.

76

Figura 4.47 - Esquema do BMS a ser implementado no sistema de armazenamento híbrido

4.7 Simulação

Para efeitos de simulação do sistema usou-se o modelo do sistema híbrido de

armazenamento desenvolvido em Matlab/Simulink e que pode ser consultado no Anexo A.

Tendo em conta o perfil de velocidades e potência do comboio durante a subida e descida e

considerando o fator de potência unitário, obtém-se a corrente média de carga, como poderá ser

observado pelas figuras 4.48 e 4.56.

Realizaram-se duas simulações, correspondente à subida e descida do veículo, sendo que os

resultados obtidos, em relação à corrente, tensão e potência das duas unidades, estão representados

nas figuras 4.48 a 4.55, para a subida, e nas figuras 4.56 a 4.63, para a descida, respetivamente

77

Figura 4.48 - Corrente do sistema de tração em subida

Figura 4.49 - Evolução da corrente na bateria

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50-10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Tempo [s]

Corr

ente

[A

]

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

Tempo [s]l

Corr

ente

[A

]

78

Figura 4.50 - Evolução da corrente no banco de supercondensadores

De acordo com as figuras 4.48, 4.49 e 4.50 que mostram a evolução da corrente média do

sistema de tração e das unidades de supercondensadores e baterias, o conversor atua quando a

corrente chega aos 20 A. Como é de esperar, a corrente de descarga da bateria mantem-se

constante, enquanto a corrente na unidade de supercondensadores compensa a descida de tensão

de alimentação do inversor ao longo da operação do veículo.

Figura 4.51 - Tensãoda bateria

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50-5

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Tempo [s]

Corr

ente

[A

]

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50560

570

580

590

600

610

620

630

640

Tempo [s]

Tensão [V

]

79

Figura 4.52 – Tensão [V] supercondensadores

As figuras 4.51 e 4.52 permitem verificar que neste modo de operação a evolução da tensão

da bateria encontra-se dentro do intervalo de tensão de trabalho do inversor, como pretendido.

Figura 4.53 – Potência do sistema de tração

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50480

490

500

510

520

530

540

550

560

570

580

Tempo [s]

Tensão [V

]

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5x 10

4

Tempo [s]

Potê

ncia

[W

]

80

Figura 4.54 – Potência da bateria na subida

Figura 4.55 - Potência do banco de supercondensadores na subida

As figuras 4.54 e 4.55 representam a potência entregue ao sistema de tração. A potência da

bateria mantem-se constante no valor pretendido, sendo que a unidade de supercondensadores

compensa o restante valor da potência, evitando um esforço na operação da bateria.

A simulação do sistema de armazenamento para a descida realizou-se tendo em conta a pior

situação de funcionamento, em que não existe carregamento na estação, pelo que a tensão de início

da operação das unidades correspondem à tensão dos sistemas no final da operação do veículo na

subida da linha experimental.

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3x 10

4

Tempo [s]

Potê

ncia

[W

]

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5x 10

4

Tempo [s]

Potê

ncia

[W

]

81

Figura 4.56 - Corrente do sistema de tração em descida

Figura 4.57 - Corrente da bateria durante a descida

Figura 4.58 - Corrente da unidade de supercondensadores em descida

No caso de descida, e tendo em conta as características da operação, apresentadas no

capítulo 4.2, nomeadamente na potência superior de desaceleração, é expectável que o conversor

entre em ação, ao contrário da operação em subida, tal pode ser observado nas figuras 4.57 e 4.58 a

partir dos 36 segundos, sendo que a corrente de carga da bateria não ultrapassa os 20 A como

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

Tempo [s]

Corr

ente

[A

]

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

Tempo [s]

Corr

ente

[A

]

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

Time [s]

Curr

ent [A

]

82

pretendido. No início do funcionamento em modo redutor denota-se um pico da tensão e corrente,

decorrente da instabilidade causada pela mudança brusca de corrente.

Figura 4.59 – Potência do sistema de tração em descida

Figura 4.60 - Potência da bateria em descida

Figura 4.61 - Potência da unidade de supercondensadores em descida

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5x 10

4

Tempo [s]

Potê

ncia

[W

]

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50-3

-2

-1

0

1

2

3x 10

4

Tempo [s]

Potê

ncia

[W

]

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50-1500

-1000

-500

0

500

1000

1500

2000

2500

Tempo [s]

Potê

ncia

[W

]

83

Figura 4.62 - Tensão da bateria em descida

Figura 4.63 – Tensão da unidade supercondensadores em descida

Durante a operação do veículo em descida,na situação em que o carregamento não é

efetuado, verifica-se que o sistema de armazenamento cumpre os requisitos da tensão em ambas as

unidades de armazenamento.

Após o final da descida a tensão do sistema de supercondensadores é de 480 V,

correspondendo a 78% da carga do banco de SC. De acordo com a simulação na subida, a energia

consumida é cerca de 15% da carga total do banco de SC. Concluindo-se que para estas condições,

após 4 trajeto de subida e descida, é necessário um carregamento do banco de supercondensadores,

podendo ser efetuado pela rede, quando o veículo se encontra parado na estação ou através de uma

transferência de energia entre a bateria e os supercondensadores.

Conclui-se através das simulações feitas à operação em subida e descida que o sistema de

armazenamento satisfaz os critérios de operação pré-estabelecidos. Reconhece-se que durante

mudanças bruscas de corrente, o conversor tem uma resposta lenta, originando picos de corrente e

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50530

540

550

560

570

580

590

600

610

Tempo [s]

Tensão [V

]

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50479

479.2

479.4

479.6

479.8

480

480.2

480.4

480.6

480.8

Tempo [s]

Tensão [V

]

84

tensão sobre a bateria, figuras 4.49, 4.51, 4.57 e 4.62. Esta situação pode ser resolvida com

otimização do sistema de controlo de corrente.

85

5 Viabilidade económica

Nestecapítulo será analisado a viabilidade económica da instalação do sistema de

armazenamento proposto por este trabalho, comparando com a solução de armazenamento de

baterias e comparando com o custo ponderado da instalação elétrica da linha experimental e a

extrapolação para a futura ampliação e disseminação do transporte pela cidade do Rio de Janeiro.

O custo dos principais componentes do sistema de armazenamento é apresentado na tabela 5-I.

Tendo em conta a revisão feita aos diferentes tipos de tipologia passível de ser implementada no

sistema de armazenamento do Maglev Cobra, desenvolvido no subcapítulo 4.4, considera-se que:

A123Sytems AHR32113M1Ultra-B – 10,6 dolar/célula 4,5 Ah

A123SystemsAMP20M1HD-A– 34,35 dolar/célula 20 Ah

Maxwell – 6,79 dolar/célula 350 F

Maxwell – 36 dolar/célula 2000 F

BMS – 10 dolar/célula

ESS Bateria – A capacidade mínima calculada é de 35 Ah, a qual garante a operação no

intervalo de tensão de trabalho e suporta a corrente proveniente da travagem, pelo que a

configuração da bateria com menos custo é com 2 grupos de 188 células em série em paralelo,

perfazendo 376 células de 20 Ah.

HESS Acoplado – Considerou-se que a unidade de bateria deverá ter uma capacidade de 20 Ah

e a unidade de supercondensadores deverá ter a sua capacidade sobredimensionada, para ter uma

maior capacidade de garantir a entrega de potência nas variações de corrente de carga.

HESS Semi desacoplado bateria – Neste caso a capacidade da bateria está otimizada,

enquanto os supercondensadores têm a capacidade sobredimensionada para 8 F. Correspondendo a

uma capacidade individual dos supercondensadores de 2000 F. O conversor de potência terá uma

potência nominal inferior, tendo um custo inferior, comparativamento à tipologia HESS semi

desacoplada supercondensador.

HESS Semi desacoplado Supercondensador – De acordo com estudo efetuado a esta

tipologia, a capacidade da bateria e do supercondensador corresponde à dimensionada no

subcapítulo 4.4.4.1.

86

Tabela 5-I – Características dos sistemas de armazenamento considerados, sendo que constituído pelos seguintes modelos: * - A123System 2,5 Ah ; ** - Maxwell 2000 F ; *** - A123System 4,5 Ah ; **** - Maxwell 350 F

Componentes ESS

Bateria HESS Acoplado

HESS Semi

desacoplado

Bateria

HESS Semi

desacoplado

Supercondensador

Número de condensador - 444 ** 222** 222****

Número de células de

bateria 376* 188 * 846*** 188*

Numero ciclos Bateria <1000 >1000 >2000 >1000

Numero ciclos

Supercondensador - 1 000 000 1 000 000 500 000

Preço Unidade Bateria [$] 12916 6478 6967 6478

Preço Unidade

Supercondensador [$] - 3015 7992 1507,38

Custo de conversor [$] - - 750 1500

Custo de BMS [$] 3760 6320 10680 4100

Custo total [$] 16676 15813 26419 13585

Na tabela 5-I é possível verificar que dentro das tipologias híbridas, a que apresenta menor

custo é a tipologia com o banco de supercondensadores desacoplado da bateria/sistema de tração,

que foi previamente estudada. Contudo tem um custo superior a um sistema de armazenamento só

composto por baterias, o que era expectável devido à instalação de uma unidade de

supercondensadores, associado ao aumento do custo do sistema de gestão de carga e a aquisição

de um conversor.

Contudo, segundo [33] o fato de a bateria estar menos sujeita apicos de corrente, os

condensadores funcionam como unidade fornecedora de potência, o que faz com que a vida útil das

baterias seja prolongada em comparação com o sistema de armazenamento constituído só com

baterias, ou seja, em termos de longo prazo o sistema híbrido pode apresentar um custo menor, já

que o intervalo de tempo entre substituições da bateria é superior.

O fato de se desenvolver um sistema de armazenamento no qual o veículo Maglev-Cobra se

torna um veículo autónomo, sem necessitar de fonte externa para realizar a sua operação, apenas

precisando de carregar o sistema de armazenamento quando para na estação, faz com que não seja

necessária a construção de catenárias e instalação elétrica em toda a extensão da linha.

Teoricamente o custo estimado de construção e implementação da linha do Maglev Cobra situa-se

entre 13,336 milhões de dólares por km [1] e comparando com a relação entre o custo total e o que

corresponde à eletrificação da linha apresentado em [34], cerca de 10% o que corresponde a 1,333

87

milhões dólares por km, sendo o custo da instalação do ‘carril eletrificado’ correspondente a 40%

desse valor, cerca de 533 mil dólares por km.

Fazendo uma transposição dos valores anteriores para a linha de 200 metros experimental, e

considerando que o preço de eletrificação de 100 metros de linha é de 53,3 kdolar por km, este custo

ponderado deverá ser de 106,6 kdolar.

Assim, fazendo uma análisecomparativa entre o sistema de armazenamento e a instalação do

carril eletrificado num espaço temporal de dez anos, tendo sido considerado as seguintes premissas:

taxas de manutenção do carril anuais equivalentes a 1% do investimento na sua instalação e 5%

anuais no caso do sistema de armazenamento,estimando-se que a unidade da bateria tenha que ser

trocada de três em três anos e a unidade de supercondensadores de dez em dez anos, a taxa de

atualização indexada à inflação considerou-se nula para comparação.

Tabela 5-II - Custos entre sistema de armazenamento de energia e a electrificação da linha

Ano MagLev-Cobra com ESS [dolar] MagLev-Cobra sem ESS [dolar]

0 13585 106 500

1 679 1056

2 679 1056

3 7157 1056

4 679 1056

5 679 1056

6 7157 1056

7 679 1056

8 679 1056

9 7157 1056

10 2007 1056

Total 41137 117 060

Os custos ponderados da instalação de um sistema de armazenamento capaz de tornar o

veículo autónomo consegue gerar poupanças, ao substituir a infraestrutura eletrificada para alimentar

o veículo ao longo da linha experimental.

Tendo em conta as intenções de expansão do transporte pela cidade do Rio de Janeiro,

começando com a construção da linha operacional, onde o veículo operará a velocidades mais

elevadas, requisitando mais potência em trajetos mais longos, pelo que o sistema de armazenamento

terá invariavelmente de ter uma capacidade muito superior à atual, garantindo a autonomia do

veículo.Sendo que a nível financeiro terá um custo superior. Contudo espera-se que aplicando uma

88

escala ao modelo da linha experimental, as mesmas poupanças de investimento, obtidas pela

substituição da eletrificação da linha por um sistema de armazenamento, possam ser realizadas. A

quantidade de energia necessária para armazenar pode no entanto significar um aumento do peso e

volume do sistema, o que a nível técnico possa não ser praticável, deixando-se esse estudo para

trabalho futuro.

89

Conclusões e trabalhos futuros

Conclusões

Com a realização deste trabalho foi possível desenvolver um estudo sobre a operação do

veículo MagLev-Cobra na linha experimental de 200 metros instalada no campus da universidade do

Rio de Janeiro. Este estudo baseou-se num modelo de utilização do veículo durante uma hora de

ponta. Aplicando a análise ao movimento do transporte, obteve-se o trabalho mecânico necessário a

realizar pelo veículo, durante o cenário de operação considerado. Conclui-se que a relação entre o

trabalho mecânico necessário para travar o veículo e o necessário para realizar o movimento durante

a hora de ponta, corresponde a 24,5%, sendo que o trabalho regenerado é suficiente para alimentar

os circuitos auxiliares elétricos instalados no interior do veículo

No capítulo 4, realizou-se uma comparação entre as três principais tecnologias de

armazenamento de energia usada em sistemas de tração elétrica, comparando principalmente em

termos de densidade e volume específico de energia, preço e desempenho. Sendo analisadas as

opções em termos de baterias, supercondensadores e volantes de inércia, foi posta de parte esta

última opção. Após uma revisão das características das bateiras e supercondensadores, e escolha do

tipode baterias a utilizar nesta aplicação, é feita uma revisão às diferentes tipologias de ESS,

chegando-se à conclusão que um sistema híbrido composto por uma unidade de

supercondensadores desacoplada da unidade de bateria e a carga por um conversor DC/DC redutor-

elevador bidirecional é a melhor solução em termos de peso e desempenho, possibilitando o controlo

dos picos de potência incidentes na bateria, para que esta funcione em condições de descarga e

carga constantes, fazendo uso do controlo de corrente do conversor e transferindo esses picos para o

banco de supercondensadores.

No capítulo 5 é desenvolvida a análise dos custos dos vários sistemas de armazenamento

estudados, chegando-se à conclusão queos sistemas com menos custos são o sistema composto só

por baterias e o sistema híbrido estudado no capítulo 3. Também se estimou o custo de eletrificar a

linha de 200 metros, comparando o custo de implementar o sistema de armazenamento, concluindo-

se que a implementação do ESS pode gerar poupanças, ao prescindir-se da eletrificação da linha.

90

Trabalhos futuros

Propõe-se para trabalhos futuros o desenvolvimento e aperfeiçoamento do sistema proposto,

principalmente no controlo de corrente, que neste trabalho não está totalmente otimizado. Outro

assunto que não foi alvo de detalhe foi o carregamento do sistema. Propõem-seque o carregamento

seja feito na estação, enquanto o veículo está parado, através de técnicas de carregamento rápido.

Também será interessante que se equacione a implementação de uma fonte interna de energia,como

a solar por exemplo.

A abordagem dos anteriores tópicos abrem espaço para o desenvolvimento de um protótipo

para ensaios laboratoriais, preparando assim a sua implementação no veículo.

91

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[35] S. McCluer e J.-F. Christin, “Comparing Data Center Batteries, Flywheels, and Ultracapacitors,”

Schneider Electric, 2011.

95

Anexos

Anexo A

Modelo geral do sistema hibrido semi activo

Conversor DC/DC

96

Sistema Decisão e Controlo

Anexo B

97

Anexo C

Datasheet A123System

98

Anexo D

Datasheet Maxwell BC series

99