Mixed-source charger-supply CMOS IC

The proposed research objective is to develop, test, and evaluate a mixer and charger-supply CMOS IC that derives and mixes energy and power from mixed sources to accurately supply a miniaturized system. Since the energy-dense source stores more energy than the power-dense source while the latter supplies more power than the former, the proposed research aims to develop an IC that automatically selects how much and from which source to draw power to maximize lifetime per unit volume. Today, the state of the art lacks the intelligence and capability to select the most appropriate source from which to extract power to supply the time-varying needs of a small system. As such, the underlying objective and benefit of this research is to reduce the size of a complete electronic system so that wireless sensors and biomedical implants, for example, as a whole, perform well, operate for extended periods, and integrate into tiny spaces.Ph.D

HIGH VOLTAGE RESONANT SELF-TRACKING CURRENT-FED CONVERTER

High voltage power supply design presents unique requirements, combining safety, controllability, high performance, and high efficiencies. A new Resonant Self-Tracking Current-Fed Converter (RST-CFC) is investigated as a proof-of-concept of a high voltage power supply particularly for an X-ray system. These systems require fast voltage rise times and low ripple to yield a clear image. The proposed converter implements high-frequency resonance among discrete components and transformer parasitics to achieve high voltage gain, and the self-tracking nature ensures operation at maximum gain while power switches achieve zero-voltage switching across the full load range. This converter exhibits an inherent indefinite short-circuit capability. Theoretical results were obtained through simulations and verified by experimental results through a complete test configuration. Converter topology viability was confirmed through hardware testing and characterization

CMOS indoor light energy harvesting system for wireless sensing applications

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Engenharia Electrotécnica e de ComputadoresThis research thesis presents a micro-power light energy harvesting system for indoor environments. Light energy is collected by amorphous silicon photovoltaic (a-Si:H PV) cells, processed by a switched-capacitor (SC) voltage doubler circuit with maximum power point tracking (MPPT), and finally stored in a large capacitor. The MPPT Fractional Open Circuit Voltage (VOC) technique is implemented by an asynchronous state machine (ASM) that creates and, dynamically, adjusts the clock frequency of the step-up SC circuit, matching the input impedance of the SC circuit to the maximum power point (MPP) condition of the PV cells. The ASM has a separate local power supply to make it robust against load variations. In order to reduce the area occupied by the SC circuit, while maintaining an acceptable efficiency value, the SC circuit uses MOSFET capacitors with a charge reusing scheme for the bottom plate parasitic capacitors. The circuit occupies an area of 0.31 mm2 in a 130 nm CMOS technology. The system was designed in order to work under realistic indoor light intensities. Experimental results show that the proposed system, using PV cells with an area of 14 cm2, is capable of starting-up from a 0 V condition, with an irradiance of only 0.32 W/m2. After starting-up, the system requires an irradiance of only 0.18 W/m2 (18 mW/cm2) to remain in operation. The ASM circuit can operate correctly using a local power supply voltage of 453 mV, dissipating only 0.085 mW. These values are, to the best of the authors’ knowledge, the lowest reported in the literature. The maximum efficiency of the SC converter is 70.3% for an input power of 48 mW, which is comparable with reported values from circuits operating at similar power levels.Portuguese Foundation for Science and Technology (FCT/MCTES), under project PEst-OE/EEI/UI0066/2011, and to the CTS multiannual funding, through the PIDDAC Program funds. I am also very grateful for the grant SFRH/PROTEC/67683/2010, financially supported by the IPL – Instituto Politécnico de Lisboa

The Development of a High-Performance Distributed Battery Management System for Large Lithium Ion Packs

A high performance battery management system (BMS) for large capacity cells was designed, built, and tested in a cycle of three revisions. The BMS was designed for use in applications where the battery pack configuration is unknown: parallel, series, or any combination. Each of the cells is equipped with its own battery management system to allow a peer-to-peer mesh network to monitor the safety of the cell. The BMS attached to each cell also is equipped with a 25A DC/DC converter to perform active balancing between cells in a string. This converter can transfer charge to (or from) a cell of higher potential and a cell of lower potential at the same time. The balancing circuit has a peak efficiency of 85.3%. The system draws only 53mA while balancing at 25A helping to increase low current performance. The system draws just under 5mA over all while active. Each BMS is equipped with one current sensor, which can measure ±800A with a second ±120A current range. Additionally, the board is equipped with coulomb counting to provide a better understanding of each cell. While this design has many great features, lack of full software support makes many of the subsystems dependent on user interaction to use. As a result, the design is not fully complete. Additionally, last minute design changes on the final revision resulted in detrimental effects to the accuracy of many of the analog circuits including the current sensing features

Simulation, Measurement, and Emulation of Photovoltaic Modules Using High Frequency and High Power Density Power Electronic Circuits

The number of solar photovoltaic (PV) installations is growing exponentially, and to improve the energy yield and the efficiency of PV systems, it is necessary to have correct methods for simulation, measurement, and emulation. PV systems can be simulated using PV models for different configurations and technologies of PV modules. Additionally, different environmental conditions of solar irradiance, temperature, and partial shading can be incorporated in the model to accurately simulate PV systems for any given condition. The electrical measurement of PV systems both prior to and after making electrical connections is important for attaining high efficiency and reliability. Measuring PV modules using a current-voltage (I-V) curve tracer allows the installer to know whether the PV modules are 100% operational. The installed modules can be properly matched to maximize performance. Once installed, the whole system needs to be characterized similarly to detect mismatches, partial shading, or installation damage before energizing the system. This will prevent any reliability issues from the onset and ensure the system efficiency will remain high. A capacitive load is implemented in making I-V curve measurements with the goal of minimizing the curve tracer volume and cost. Additionally, the increase of measurement resolution and accuracy is possible via the use of accurate voltage and current measurement methods and accurate PV models to translate the curves to standard testing conditions. A move from mechanical relays to solid-state MOSFETs improved system reliability while significantly reducing device volume and costs. Finally, emulating PV modules is necessary for testing electrical components of a PV system. PV emulation simplifies and standardizes the tests allowing for different irradiance, temperature and partial shading levels to be easily tested. Proper emulation of PV modules requires an accurate and mathematically simple PV model that incorporates all known system variables so that any PV module can be emulated as the design requires. A non-synchronous buck converter is proposed for the emulation of a single, high-power PV module using traditional silicon devices. With the proof-of-concept working and improvements in efficiency, power density and steady-state errors made, dynamic tests were performed using an inverter connected to the PV emulator. In order to improve the dynamic characteristics, a synchronous buck converter topology is proposed along with the use of advanced GaNFET devices which resulted in very high power efficiency and improved dynamic response characteristics when emulating PV modules

Dual-Input DC-to-DC Converter Topologies and Control Schemes

Dual-input DC-to-DC converters are power supplies that draw power from two sources simultaneously and deliver power to a single load, the ratio of power drawn from each source and be held constant with changes in the load. Applications for dual-input power supplies are computer systems, mobile systems using energy harvesting, and systems needing redundant power supplies. This writing covers the operation and control of dual-input DC-to-DC converters that implement a non-inverting buck-boost function and utilize only a single power path. Traditionally, a dual-input power supply is created by placing two standard power paths in parallel. This adds considerable control complexity associated with synchronizing the two converters. Four new power path topologies are presented: dual-input four-FET buck-boost, dual-input zeta, dual-input SEPIC, and alternate dual-input SEPIC. The single power path approaches require fewer components than the traditional approaches, however, the efficiency is slightly lower. These converters can be controlled using any of the standard power supply control approaches, including: voltage mode, current mode, and constant on-time. Each control method does need to be modified slightly. The biggest difference in the control of these converters is in the logic that is used to control the switches in the power path. The ratio of current drawn from each input source can be held constant and can be adjusted in an open loop fashion if some variability is allowed, otherwise a sensor and feedback control can be implemented to fix the input current or input power ratio

Modeling and analysis of geothermal organic rankine cycle turbines coupled with asynchronous generators as a primary power source in islanded microgrids

Thesis (M.S.) University of Alaska Fairbanks, 2019Local renewable resources, such as geothermal hot springs, are being explored as prime electric power and heat sources in remote permanently islanded microgrids, and in some cases these renewable resources have already been implemented. In these types of remote areas, diesel electric generation is typically the prime source of power, even in areas where alternative resources are readily available, despite the high fuel cost due to transportation. This thesis shows that geothermal hot springs, when locally available, can provide primary power for these remote microgrids with temperatures as low as 20°C below the boiling point of water. The geothermal heat can be converted to electrical energy using an organic Rankine cycle turbine in combination with a self-excited induction generator. A steady-state energy balance model has been developed using MATLAB® and Simulink® for simulating greenfield and brownfield geothermal microgrids at Pilgrim Hot Springs, Alaska and Bergstagir, Iceland, respectively, to demonstrate viability of this microgrid design. The results of the simulations have shown that modest loads can be primarily powered off of these low temperature geothermal organic Rankine cycles over long time scales. As expected, more power is available during colder months when sink temperatures are lower, thus increasing the temperature differential. More research is needed to examine system response over shorter time scale transients, which are beyond the scope of this work

A Silicon Carbide Power Management Solution for High Temperature Applications

The increasing demand for discrete power devices capable of operating in high temperature and high voltage applications has spurred on the research of semiconductor materials with the potential of breaking through the limitations of traditional silicon. Gallium nitride (GaN) and silicon carbide (SiC), both of which are wide bandgap materials, have garnered the attention of researchers and gradually gained market share. Although these wide bandgap power devices enable more ambitious commercial applications compared to their silicon-based counterparts, reaching their potential is contingent upon developing integrated circuits (ICs) capable of operating in similar environments. The foundation of any electrical system is the ability to efficiently condition and supply power. The work presented in this thesis explores integrated SiC power management solutions in the form of linear regulators and switched capacitor converters. While switched-mode converters provide high efficiency, the requirement of an inductor hinders the development of a compact, integrated solution that can endure harsh operating environments. Although the primary research motivation for wide bandgap ICs has been to provide control and protection circuitry for power devices, the circuitry designed in this work can be incorporated in stand-alone applications as well. Battery or generator powered data acquisition systems targeted towards monitoring industrial machinery is one potential usage scenario

Energetic macroscopic representation of an hybrid energy storage system for an electrical vehicle

A sociedade hoje em dia é maioritariamente dependente do petróleo, esta dependência é verificada sobretudo em setores industriais. Esta dependência é ainda mais acentuada na indústria automóvel, onde a maioria dos combustíveis provêm do petróleo. O fato de só alguns países possuírem reservas de petróleo faz com que se crie uma dependência destes países a esse produto. Esta dependência é prejudicial a nível económico e ambiental. A produção de CO2 e de outros gases para a atmosfera durante o processo de queima do petróleo tem causado fenómenos, como por exemplo, efeito de estufa, alterações climáticas, chuvas ácidas, buraco de ozono etc., o que tem levantado algumas preocupações em reduzir essas emissões de gases. Estas preocupações têm feito desenvolver novas tecnologias em diversos setores industriais visando sempre um desenvolvimento sustentável e processos mais eficientes. Um dos maiores setores consumidores de petróleo é o automobilista. Por isso, nesse setor tem-se verificado uma grande mudança no tipo de veículos fabricados. O setor tem evoluído no sentido de criar uma nova geração de veículos menos poluentes. Tem-se revisto por completo o conceito automóvel. Hoje um automóvel já não é visto como sendo um veículo térmico dependente do petróleo e altamente poluente. Agora tem-se focado em veículos independentes dessa matéria-prima tornando-os menos poluentes, de forma a diminuir o impacto no planeta terra. Ao longo destes últimos anos tem-se realizado enúmeres estudos para veículos mais eficientes e menos poluentes e isso tem-se notado no mercado com o aumento de veículos híbridos e elétricos. Um veículo híbrido nesse contexto é visto como um veículo que possui mais que uma fonte de energia para alimentar o seu sistema de tração, estas fontes de energia podem ser do mesmo tipo ou diferente. Um veículo elétrico é um veículo que possui somente uma fonte de energia que neste caso será elétrica para alimentar o seu sistema de tração. Na maioria dos casos essa fonte serão baterias. Também existirão veículos híbridos elétricos, ou seja, veículos com mais que uma fonte de energia mas neste caso as duas ou mais fontes serão elétricas. Contudo o desenvolvimento deste tipo de veículo pode não ser a solução mais eficiente. Isto porque, um veículo elétrico necessita de energia elétrica para recarregar as suas fontes de energia. O problema coloca-se na forma como é obtida essa energia. Estudos indicam que é mais rentável utilizar veículos térmicos do que elétricos, dependendo do modo de produção da energia elétrica. Centrais a gás natural mas sobretudo a carvão libertam grandes quantidades de CO2 no processo de produção de energia tornando esta solução tão ou mais poluente que os veículos térmicos. A solução ideal seria a utilização de fontes renováveis tais como, eólicas, fotovoltaica, biomassa etc.. Por isso, a implementação do uso de veículos Energetic Macroscopic Representation of an Hybrid Energy Storage System For an Electrical Vehicle Resumo elétricos no nosso quotidiano tem que ser um compromisso entre diversos setores da sociedade. Um dos setores influêntes é o setor politico.Esse setor terá de porpocinonar formas e condições para a implementação deste tipo de veículos na sociedade. Outros setores serão os de marketing para realçar as vantagens de o uso desse tipo de transporte. Por fim, o ultimo setor será o setor automóvel, esse setor tem como tarefa apresentar produtos atrativos e a preços acessíveis. Este estudo foi realizado com a colaboração do “Laboratoire d’Electrotechnique et d’Electronique de Puissance de Lille, L2EP”. Este laboratório é especializado em controlo de sistema electromecânicos como por exemplo, metros, carros elétricos, tendo também experiência em sistemas de produção de energia como sistemas eólicos e painéis fotovoltaicos. O trabalho consiste no desenvolvimento de um sistema de armazenamento de energia híbrido elétrico para veículos elétrico e da sua estratégia de gestão de energia. Este sistema é constituído por baterias e supercondensadores. Para a representação deste sistema foi utilizado um formalismo desenvolvido pelo L2EP, “Energetic Macroscopic Representation” utilizando a ferramenta do Matlab Simulink. Este formalismo é desenvolvido pelo “Laboratoire d’Electrotechnique et d’Electronique de Puissanse de Lille, L2EP”e baseia-se no efeito de causalidade. Para definir a cadeia de controlo é necessário inverter diretamente cada um dos elementos. Com esta forma de deduzir o controlo encontramos diretamente onde serão necessários colocar controladores. Assim sendo, o controlo do sistema é conseguido de forma sistemática. De forma a distinguir cada um dos elementos, consoante as suas características, utilizam-se cincos diferentes pictogramas. Estes são: Fontes de energia; Elementos de acumulação; Elementos de conversão mono físicos Elementos de conversão multi físicos; Elementos de acoplamento; O sistema estudado é um veículo elétrico “TAZZARI”. Este veículo pertence ao L2EP e é utilizado para desenvolver projetos académicos ou projetos de doutoramentos. O seu sistema de tração é constituído por um motor de indução trifásica, inversor, um diferencial, rodas e o seu chassis. O sistema de armazenamento de energia estudado é um híbrido elétrico constituído por baterias, supercondensadores e um conversor de eletrónica de potência. Este tipo de veículos possui custos ainda muito elevados e autonomias relativamente baixas quando comparadas com veículos térmicos. Isto deve-se ao seu sistema de armazenamento de Energetic Macroscopic Representation of an Hybrid Energy Storage System For an Electrical Vehicle Resumo energia possuir uma densidade energética inferior à dos combustíveis utilizados nos veículos térmicos. Estas fontes de energia são tipicamente baterias devido à sua grande densidade de energia elétrica. É essa densidade energética que permite obter a sua autonomia. Em contra partida uma bateria possui baixa densidade de potência, e esta característica torna-se prejudicial quando o sistema de tração requer grandes quantidades de potência, em momentos de grandes acelerações por exemplo. Nestes momentos de alta potência as baterias poderão fornecer essa potência mas degradando o seu tempo de vida. O fato de o sistema ser constituído por baterias, trás desvantagens em relação aos seus custos. De fato este componente é dos mais caros neste tipo de veículos. Baterias têm um tempo de vida em modos de utilização aconselháveis de aproximadamente 5 anos. Como foi explicado, uma bateria não é o mais adequado para alimentar este tipo de tração. Neste momento no mercado não existe nenhuma fonte de energia que seja capaz de satisfazer plenamente o sistema em termos de potência e energia. Existe então uma necessidade de encontrar soluções para aumentar o seu tempo de vida de forma a baixar os custos associados à manutenção. Esta solução tem passado por criar sistemas de armazenamento de energia híbridos. Diversos estudos têm sido desenvolvidos sobre este tipo de sistemas. Tem-se estudado diversas topologias, existindo duas grandes categorias, passiva e ativa, sendo estas possuidoras de características distintas: Passiva: nesta topologia as duas fontes encontram-se conectadas diretamente em paralelo; Ativa, esta topologia possui diversas sub-topologias: “Cascade converters” “Paralell Multi-inputs converter” “Multiple converters” Supercondensadores/Baterias Baterias/Supercondensadores Para o controlo deste tipo de sistemas é necessário aplicar uma estratégia de gestão de energia de forma a conseguir gerir da melhor forma possível os fluxos de energia entre as duas fontes. Algumas das estratégias já estudadas são: Filtragem Corrente de saturação “Switch” Aceleração Energetic Macroscopic Representation of an Hybrid Energy Storage System For an Electrical Vehicle Resumo Neste trabalho é estudada a topologia ativa, supercondensadores/baterias. Esta topologia possui duas grandes vantagens. Possui um DC-Bus praticamente constante, dado ter a bateria a garantir o nível tensão e utilizar os supercondensadores com alto rendimento para conseguir-se aproveitar grande parte da potência armazenada. A estratégia utilizada é a estratégia de filtragem. Esta estratégia permite filtrar a potência de tração necessária em altas e baixas frequências. A potência de tração possui altas frequências, que corresponde a níveis de potência elevados e baixas frequências que corresponde a níveis de energia elevados. Como foi dito anteriormente as baterias conseguem alimentar um sistema com muita energia mas não conseguem, sem degradar o seu tempo de vida, fornecer altas potências. Com esta estratégia é possível separar isso e fazer com que as baixas frequências sejam alimentadas pelas baterias e as altas pelos supercondensadores. Contudo a estratégia é definida por um conjunto de regras definidas de forma a assegurar a segurança do utilizador e dos componentes. Nessa estratégia existe a particularidade de poder recuperar alguma da energia reenviada pelo sub sistema de tração durantes as fases de travagem. Esta característica permite-nos recarregar as baterias e os supercondensadores. Tendo isto como objetivo os supercondensadores serão dimensionados consoante a potência necessária para o sistema de tração e as baterias serão dimensionadas para a necessidade energética . Na representação do sistema foram expostos todos os elementos constituintes do sistema. Foram considerados para cada um dos modelos os fenómenos mais relevantes para a análise final do sistema. A parte do controlo é obtida através da inversão direta de todos os elementos à exceção dos elementos de acumulação, onde essa inversão direta não é possível. Nesse elemento o controlo é feito com a ajuda de controladores do tipo IP, integral proporcional. Foi feita a escolha desses controladores para evitar “overshoots” e em certos casos para resolver problemas de “algebric loops”. De forma a simular o comportamento de um condutor, foi utilizado um “cycle drive” para veículos elétricos, “World-Wide Harmonized Light” “WLTC”. Este tipo de ciclo possui diversas classes conforme o rácio entre a massa do veículo e a potência da máquina elétrica. Os resultados obtidos não foram integralmente os esperados. Verifica-se, em alguns momentos, que os supercondensadores não fornecem a parte de altas frequências devido a limitações impostas pela estratégia de energia. Como trabalho futuro propõe-se desenvolver outro tipo de estratégia de forma a obter resultados mais eficientes aplicando outra tipo de fonte como auxílio às baterias

Energetic macroscopic representation of an hybrid energy storage system for an electrical vehicle

A sociedade hoje em dia é maioritariamente dependente do petróleo, esta dependência é verificada sobretudo em setores industriais. Esta dependência é ainda mais acentuada na indústria automóvel, onde a maioria dos combustíveis provêm do petróleo. O fato de só alguns países possuírem reservas de petróleo faz com que se crie uma dependência destes países a esse produto. Esta dependência é prejudicial a nível económico e ambiental. A produção de CO2 e de outros gases para a atmosfera durante o processo de queima do petróleo tem causado fenómenos, como por exemplo, efeito de estufa, alterações climáticas, chuvas ácidas, buraco de ozono etc., o que tem levantado algumas preocupações em reduzir essas emissões de gases. Estas preocupações têm feito desenvolver novas tecnologias em diversos setores industriais visando sempre um desenvolvimento sustentável e processos mais eficientes. Um dos maiores setores consumidores de petróleo é o automobilista. Por isso, nesse setor tem-se verificado uma grande mudança no tipo de veículos fabricados. O setor tem evoluído no sentido de criar uma nova geração de veículos menos poluentes. Tem-se revisto por completo o conceito automóvel. Hoje um automóvel já não é visto como sendo um veículo térmico dependente do petróleo e altamente poluente. Agora tem-se focado em veículos independentes dessa matéria-prima tornando-os menos poluentes, de forma a diminuir o impacto no planeta terra. Ao longo destes últimos anos tem-se realizado enúmeres estudos para veículos mais eficientes e menos poluentes e isso tem-se notado no mercado com o aumento de veículos híbridos e elétricos. Um veículo híbrido nesse contexto é visto como um veículo que possui mais que uma fonte de energia para alimentar o seu sistema de tração, estas fontes de energia podem ser do mesmo tipo ou diferente. Um veículo elétrico é um veículo que possui somente uma fonte de energia que neste caso será elétrica para alimentar o seu sistema de tração. Na maioria dos casos essa fonte serão baterias. Também existirão veículos híbridos elétricos, ou seja, veículos com mais que uma fonte de energia mas neste caso as duas ou mais fontes serão elétricas. Contudo o desenvolvimento deste tipo de veículo pode não ser a solução mais eficiente. Isto porque, um veículo elétrico necessita de energia elétrica para recarregar as suas fontes de energia. O problema coloca-se na forma como é obtida essa energia. Estudos indicam que é mais rentável utilizar veículos térmicos do que elétricos, dependendo do modo de produção da energia elétrica. Centrais a gás natural mas sobretudo a carvão libertam grandes quantidades de CO2 no processo de produção de energia tornando esta solução tão ou mais poluente que os veículos térmicos. A solução ideal seria a utilização de fontes renováveis tais como, eólicas, fotovoltaica, biomassa etc.. Por isso, a implementação do uso de veículos Energetic Macroscopic Representation of an Hybrid Energy Storage System For an Electrical Vehicle Resumo elétricos no nosso quotidiano tem que ser um compromisso entre diversos setores da sociedade. Um dos setores influêntes é o setor politico.Esse setor terá de porpocinonar formas e condições para a implementação deste tipo de veículos na sociedade. Outros setores serão os de marketing para realçar as vantagens de o uso desse tipo de transporte. Por fim, o ultimo setor será o setor automóvel, esse setor tem como tarefa apresentar produtos atrativos e a preços acessíveis. Este estudo foi realizado com a colaboração do “Laboratoire d’Electrotechnique et d’Electronique de Puissance de Lille, L2EP”. Este laboratório é especializado em controlo de sistema electromecânicos como por exemplo, metros, carros elétricos, tendo também experiência em sistemas de produção de energia como sistemas eólicos e painéis fotovoltaicos. O trabalho consiste no desenvolvimento de um sistema de armazenamento de energia híbrido elétrico para veículos elétrico e da sua estratégia de gestão de energia. Este sistema é constituído por baterias e supercondensadores. Para a representação deste sistema foi utilizado um formalismo desenvolvido pelo L2EP, “Energetic Macroscopic Representation” utilizando a ferramenta do Matlab Simulink. Este formalismo é desenvolvido pelo “Laboratoire d’Electrotechnique et d’Electronique de Puissanse de Lille, L2EP”e baseia-se no efeito de causalidade. Para definir a cadeia de controlo é necessário inverter diretamente cada um dos elementos. Com esta forma de deduzir o controlo encontramos diretamente onde serão necessários colocar controladores. Assim sendo, o controlo do sistema é conseguido de forma sistemática. De forma a distinguir cada um dos elementos, consoante as suas características, utilizam-se cincos diferentes pictogramas. Estes são: Fontes de energia; Elementos de acumulação; Elementos de conversão mono físicos Elementos de conversão multi físicos; Elementos de acoplamento; O sistema estudado é um veículo elétrico “TAZZARI”. Este veículo pertence ao L2EP e é utilizado para desenvolver projetos académicos ou projetos de doutoramentos. O seu sistema de tração é constituído por um motor de indução trifásica, inversor, um diferencial, rodas e o seu chassis. O sistema de armazenamento de energia estudado é um híbrido elétrico constituído por baterias, supercondensadores e um conversor de eletrónica de potência. Este tipo de veículos possui custos ainda muito elevados e autonomias relativamente baixas quando comparadas com veículos térmicos. Isto deve-se ao seu sistema de armazenamento de Energetic Macroscopic Representation of an Hybrid Energy Storage System For an Electrical Vehicle Resumo energia possuir uma densidade energética inferior à dos combustíveis utilizados nos veículos térmicos. Estas fontes de energia são tipicamente baterias devido à sua grande densidade de energia elétrica. É essa densidade energética que permite obter a sua autonomia. Em contra partida uma bateria possui baixa densidade de potência, e esta característica torna-se prejudicial quando o sistema de tração requer grandes quantidades de potência, em momentos de grandes acelerações por exemplo. Nestes momentos de alta potência as baterias poderão fornecer essa potência mas degradando o seu tempo de vida. O fato de o sistema ser constituído por baterias, trás desvantagens em relação aos seus custos. De fato este componente é dos mais caros neste tipo de veículos. Baterias têm um tempo de vida em modos de utilização aconselháveis de aproximadamente 5 anos. Como foi explicado, uma bateria não é o mais adequado para alimentar este tipo de tração. Neste momento no mercado não existe nenhuma fonte de energia que seja capaz de satisfazer plenamente o sistema em termos de potência e energia. Existe então uma necessidade de encontrar soluções para aumentar o seu tempo de vida de forma a baixar os custos associados à manutenção. Esta solução tem passado por criar sistemas de armazenamento de energia híbridos. Diversos estudos têm sido desenvolvidos sobre este tipo de sistemas. Tem-se estudado diversas topologias, existindo duas grandes categorias, passiva e ativa, sendo estas possuidoras de características distintas: Passiva: nesta topologia as duas fontes encontram-se conectadas diretamente em paralelo; Ativa, esta topologia possui diversas sub-topologias: “Cascade converters” “Paralell Multi-inputs converter” “Multiple converters” Supercondensadores/Baterias Baterias/Supercondensadores Para o controlo deste tipo de sistemas é necessário aplicar uma estratégia de gestão de energia de forma a conseguir gerir da melhor forma possível os fluxos de energia entre as duas fontes. Algumas das estratégias já estudadas são: Filtragem Corrente de saturação “Switch” Aceleração Energetic Macroscopic Representation of an Hybrid Energy Storage System For an Electrical Vehicle Resumo Neste trabalho é estudada a topologia ativa, supercondensadores/baterias. Esta topologia possui duas grandes vantagens. Possui um DC-Bus praticamente constante, dado ter a bateria a garantir o nível tensão e utilizar os supercondensadores com alto rendimento para conseguir-se aproveitar grande parte da potência armazenada. A estratégia utilizada é a estratégia de filtragem. Esta estratégia permite filtrar a potência de tração necessária em altas e baixas frequências. A potência de tração possui altas frequências, que corresponde a níveis de potência elevados e baixas frequências que corresponde a níveis de energia elevados. Como foi dito anteriormente as baterias conseguem alimentar um sistema com muita energia mas não conseguem, sem degradar o seu tempo de vida, fornecer altas potências. Com esta estratégia é possível separar isso e fazer com que as baixas frequências sejam alimentadas pelas baterias e as altas pelos supercondensadores. Contudo a estratégia é definida por um conjunto de regras definidas de forma a assegurar a segurança do utilizador e dos componentes. Nessa estratégia existe a particularidade de poder recuperar alguma da energia reenviada pelo sub sistema de tração durantes as fases de travagem. Esta característica permite-nos recarregar as baterias e os supercondensadores. Tendo isto como objetivo os supercondensadores serão dimensionados consoante a potência necessária para o sistema de tração e as baterias serão dimensionadas para a necessidade energética . Na representação do sistema foram expostos todos os elementos constituintes do sistema. Foram considerados para cada um dos modelos os fenómenos mais relevantes para a análise final do sistema. A parte do controlo é obtida através da inversão direta de todos os elementos à exceção dos elementos de acumulação, onde essa inversão direta não é possível. Nesse elemento o controlo é feito com a ajuda de controladores do tipo IP, integral proporcional. Foi feita a escolha desses controladores para evitar “overshoots” e em certos casos para resolver problemas de “algebric loops”. De forma a simular o comportamento de um condutor, foi utilizado um “cycle drive” para veículos elétricos, “World-Wide Harmonized Light” “WLTC”. Este tipo de ciclo possui diversas classes conforme o rácio entre a massa do veículo e a potência da máquina elétrica. Os resultados obtidos não foram integralmente os esperados. Verifica-se, em alguns momentos, que os supercondensadores não fornecem a parte de altas frequências devido a limitações impostas pela estratégia de energia. Como trabalho futuro propõe-se desenvolver outro tipo de estratégia de forma a obter resultados mais eficientes aplicando outra tipo de fonte como auxílio às baterias