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Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto



Estudo e desenvolvimento de um sistema de alimentação para um veículo com PEMFC

Filipe José Peixinho Rebelo da Silva

Relatório de projecto realizado no âmbito da disciplina de Electrónica Automóvel do Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores, Major Automação

29 de Setembro de 2009

© Filipe José Peixinho Rebelo da Silva, 2009

Resumo

As fuel cells constituem, actualmente, uma área de grande interesse para a electrónica industrial e para o núcleo industrial com conhecimento nesta área. Este tipo de dispositivo apresenta-se como uma tecnologia capaz de competir com a energia específica e a densidade de potência dos combustíveis fósseis utilizados hoje em dia.

É neste documento utilizado o modelo de Proton Exchange Membrane Fuel Cell defendido por J. C. Amphlett et al. , sendo este modelo implementado no simulador de electrónica de potência PSIM ®. O bloco construído é facilmente parametrizado, podendo, caso seja necessário, reformulá-lo para integração de novas funções. Com este módulo foi simulado o comportamento da Ballard Nexa™ 1200.

Foi ainda realizada a discussão para a escolha de uma topologia de conversor buck-boost para ligação desta fuel cell a um barramento automóvel de 42V. O conversor simulado é a composição de uma cascata de um conversor buck e um boost. Foram incluídos parâmetros para as não idealidades do conversor. O conversor ideal encontra-se acompanhado das fórmulas que o modelizam em espaço de estados e a sua função de transferência no domínio das frequências.
Palavras-chave: Electrónica de potência, PEMFC, buck-boost, Nexa™.

Abstract



Fuel cells are currently a technology of great interest for the industrial electronics main players with knowledge in this area. This type of device is presented today as a technology capable to compete with the specific energy and the power density of fossil fuels.

In this project, the Proton Exchange Membrane Fuel Cell model defended for J.C. Amphlett al. is implemented in the power electronics simulator PSIM ®. The constructed block is easily parameterized, and it is possible no reconfigure it. The behaviour of the Ballard Nexa™ 1200 was simulated with this model.

In this document are proposed several buck-boost known topologies to build a power electronics converter for the studied fuel cell and a automotive busbar of 42 V. The chosen converter, a cascade buck and boost topology is simulated with enclosed parameters for non-idealities of the converter. The formulas that modelize the converter in state-space and its transfer function in the Laplace domain are presented in this document..
Keywords: Power electronics PEMFC, buck-boost, Nexa™.

Índice



Resumo iv

Abstract vi

Índice viii

Lista de figuras ix

Lista de tabelas xi

Abreviaturas e Símbolos xii

Introdução 1

1.1 - Enquadramento do trabalho 1

1.2 - Motivação 1

1.3 - Objectivos 2

1.4 - Estrutura do documento 2

Pilhas de combustível 3

2.1 - Introdução e resenha histórica 3

2.2 - Modelo electroquímico das pilhas de combustível 6

2.3 - Parametrização da Ballard Nexa 11

2.4 - Crítica ao modelo e dificuldades encontradas na sua parametrização 12

2.5 - Resultados de simulação da Ballard Nexa 14

Conversor electrónico de potência 17

3.1 - Topologias analisadas 17

3.2 - Justificação e estudo da topologia 23

3.3 - Simulação do conversor 25

3.4 - Simulação da Nexa™ acoplada ao conversor 30

Conclusões e trabalho futuro 32

4.1 - Conclusões 32

4.2 - Trabalho futuro 32



Referências 34

Apêndices 37


Lista de figuras

Figura 2.1 – Imagem de uma das três células de combustível usadas na nave Apollo.[8] 4

Figura 2.2 – O primeiro veículo do mundo movido a fuel cells, o tractor da Allis-Chalmers. [3] 5

Figura 2.3 – Fuel cell a metanol da Sony [9] 6

Figura 2.4 – Curva de polarização (Vfc-Ifc) de uma célula de combustível.[14] 7

Figura 2.5 – Modelo eléctrico de uma célula de combustível. [14] 7

Figura 2.6 – Listagem de parâmetros e símbolo do módulo de fuel cell. 10

Figura 2.7 – Representação gráfica das duas parametrizações possíveis para a equação da tensão de concentração em função da corrente. 12

Figura 2.8 – Representação gráfica da equação da tensão de concentração em função da corrente, obtida no PSIM 13

Figura 2.9 – Pormenor da representação gráfica da equação da tensão de concentração em função da corrente, obtida num simulador Java™ 13

Figura 2.10 – Característica tensão-corrente obtida. A vermelho, a tensão de saída da fuel cell, a azul a corrente da saída da mesma. O eixo dos xx é IFC/100. 15

Figura 2.11 – Característica tensão-corrente da Nexa™ segundo [14] 15

Figura 2.12 – Tensões de activação, ohmica de concentração, em função da corrente. O eixo dos xx é IFC/100. 16

Figura 3.13 – Representação esquemática de um sistema eléctrico automóvel segundo as especificações SAE. [19]. 18

Figura 3.14 – Esquema da topologia Buck-Boost. 19

Figura 3.15 – Esquema da topologia Ćuk. 19

Figura 3.16 – Esquema da topologia SEPIC. 20

Figura 3.17 – Esquema da topologia Buck em cascata com Boost. 20

Figura 3.18 – Esquema da topologia Split-Pi. [24]. 21

Figura 3.19 – Esquema da topologia Flyback. 21

Figura 3.20 – Esquema da topologia Forward. 21

Figura 3.21 – Esquema da topologia Push-pull. [25] 22

Figura 3.22 – Esquema da topologia Full-bridge. [25] 22

Figura 3.23 – Esquema da topologia Half-bridge. [25] 23

Figura 3.24 – Oscilograma da simulação com componentes ideais. Em cima, tensão de saída (a verde) e tensão de referência(a vermelho). No meio, corrente na bobina (a verde) e corrente de saída (a azul). Em baixo, corrente do condensador de saída (a vermelho). 27

Figura 3.25 – Detalhe do oscilograma da simulação com componentes ideais. Em cima, tensão de saída (a verde) e tensão de referência(a vermelho). No meio, corrente na bobina. Em baixo, corrente do condensador de saída (a vermelho). 28

Figura 3.26 – Circuito de simulação com não-idealidades 29

Figura 3.27 – Detalhe do oscilograma da simulação com componentes não ideais. Em cima, tensão de saída (a vermelho) e tensão de referência(a azul). Em baixo, corrente de ripple da bobina. 30

Figura 3.28 – Oscilograma da simulação com componentes não ideias e fuel cell. Em cima, tensão de saída (a vermelho) e tensão de entrada do conversor (a azul). No meio, corrente de saída a vermelho e corrente de entrada do conversor a azul. Em baixo, cálculo instantâneo do rendimento do conversor. 31

Figura 3.29 – Detalhe de oscilograma da simulação com componentes não ideias e fuel cell. Em cima, tensão de saída. No meio, corrente na bobina. Em baixo, a azul, ripple de corrente do condensador de saída, e a vermelho o ripple de ccorrente do condensador de entrada. 31



Lista de tabelas

Tabela 2.1 — Valores normalizados de tensão segundo a EN 50163. 11

Tabela 2.2 — Valores de grandezas de entrada 11

Tabela 2.3 — Valores de pressão, temperatura e concentração da PEMFC. [17] 14

Tabela 3.4 — Especificações do conversor electrónico de potência 26

Tabela 3.5 — Parâmetros do conversor electrónico de potência 26

Tabela 3.6 — Resultados do cálculo do conversor electrónico de potência 26

Tabela 3.7 — Resultados do cálculo do conversor electrónico de potência 28

Tabela 3.8 — Valores dos parâmetros dos componentes e componente escolhido 29



Abreviaturas e Símbolos

Lista de abreviaturas


AC Alternating Current

DC Direct Current

ESR Equivalent Series Resistor

FC Fuel Cell

FEUP Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

FT Função de Transferência

ISA Integrated starter/alternator

MIEEC Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor

PEMFC Proton Exchange Membrane Fuel Cell

PSIM Power Simulator Software

SAE Society of Automotive Engineers

SEPIC Single Ended Primary Inductor Converter
Lista de símbolos

V Volt


A Ampère

W Watt




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