Desenvolvimento e caracterização de sistema de conexão e controle de carregamento sustentável de baterias de veículo elétrico

Abstract

Resumo: A demanda de energia e o estudo de impacto ambiental do consumo de combustíveis fósseis têm tomado notoriedade mundial e são temas de permanente discussão entre pesquisadores e políticos. Propor uma fonte de energia alternativa e ambientalmente correta tem, portanto, extrema relevância no sentido de promover a mobilidade sustentável. Este presente trabalho tem como objetivo o desenvolvimento e caracterização de uma solução de sistema de conexão e controle de carregamento dinâmico para soluções de autonomia estendida de veículos elétricos a partir da geração de hidrogênio sustentável e utilização de pilha de combustível. O sistema construído para o estudo compreende um veículo de passageiros 100% elétrico e uma solução de autonomia estendida inovadora. O veículo elétrico utilizado é um Renault Zoe que possui uma bateria de tração com capacidade de 52 kWh e autonomia de 357,8 km (ciclo urbano UDDS 398,4 km e ciclo rodovia HFEDS 318,1 km). A solução de autonomia estendida dispõe de uma pilha de combustível Horizon do tipo PEM (Proton Exchange Membrane), de 5 kW de potência de saída, alimentada com hidrogênio gerado através de um reator que utiliza reação de alumínio sustentável e solução aquosa de hidróxido de sódio. Para que seja possível a transferência de energia elétrica gerada pela pilha de combustível para o veículo elétrico foi desenvolvido um sistema de conexão que promove aumento de tensão de saída da pilha de 72 V para 400 V, compatível com o barramento de alta tensão do veículo elétrico. O aumento de tensão é realizado por um módulo conversor DCDC YSTECH modelo DCH6KW-200-3 de 6 kW que controla também a potência de transferência de energia através da limitação de corrente. O gerenciamento do sistema é realizado por uma ECU externa Vector VN8911 capaz de coletar informações do conversor DCDC e do veículo elétrico, assim como pilotar o conversor DCDC para liberação de carga. Testes estáticos de carregamento bem como um ciclo dinâmico US Combined (utilizado para homologação de autonomia de veículos elétricos no Brasil) foram realizados para medição de parâmetros experimentais: tensão de saída da pilha de combustível, tensão e temperatura da bateria de tração do veículo elétrico, corrente elétrica, SOC da bateria e consumo de hidrogênio. A partir dos valores obtidos foi possível caracterizar o sistema determinando o aumento de autonomia proporcionado pelo sistema proposto, a eficiência global bem como dos subsistemas isoladamente, potência de recarga e quantidade total de energia transferida. Foi atingido o propósito principal da capacidade de transferência de carga da pilha de combustível para o veículo elétrico, de 8,1620 kWh, proporcionando um aumento de autonomia de 36,7 km (ciclo combinado) nos testes realizados e uma eficiência global de 89,62%

Abstract: The global demand for energy and the environmental impact study of fossil fuel consumption have gained worldwide prominence and are subjects of ongoing discussion among researchers and policymakers. Proposing an alternative and environmentally friendly energy source is, therefore, of utmost importance in promoting sustainable mobility. The objective of this work is the development and characterization of a dynamic charging connection and control system for range extender solutions for electric vehicles, using sustainable hydrogen generation and fuel cell technology. The system developed for the study includes a fully electric passenger vehicle and an innovative range extender solution. The electric vehicle used is a Renault Zoe, equipped with a 52 kWh traction battery and a range of 357.8 km (398.4 km in the UDDS urban cycle and 318.1 km in the HFEDS highway cycle). The range extender solution features a Horizon PEM (Proton Exchange Membrane) fuel cell with a 5 kW output power, fueled by hydrogen generated through a reactor that uses sustainable aluminum and an aqueous sodium hydroxide solution. To enable the transfer of the electrical energy generated by the fuel cell to the electric vehicle, a connection system was developed to boost the fuel cell's output voltage from 72 V to 400 V, compatible with the electric vehicle's high-voltage bus. The voltage increase is achieved using a 6 kW DCDC converter module, YSTECH model DCH6KW-200-3, which also controls the power transfer through current limitation. The system is managed by an external ECU, Vector VN8911, capable of collecting information from the DCDC converter and the electric vehicle, as well as piloting the DCDC converter to release the charge. Static charging tests, as well as a dynamic US Combined cycle (used for range certification of electric vehicles in Brazil), were conducted to measure experimental parameters: fuel cell output voltage, traction battery voltage and temperature of the electric vehicle, electric current, battery SOC, and hydrogen consumption. The values obtained allowed the system to be characterized, determining the range increase provided by the proposed system, the overall efficiency as well as the efficiency of the subsystems individually, the recharge power, and the total amount of energy transferred. The main objective of transferring the fuel cell's charge to the electric vehicle, achieving 8.1620 kWh, was met, providing a range increase of 36.7 km (combined) in the tests performed, with an overall efficiency of 89.62%