A travagem regenerativa é um mecanismo que serve para converter energia cinética em energia elétrica. No caso de um veículo elétrico, como uma scooter, a energia cinética é obtida através do movimento do motor durante uma desaceleração ou uma travagem. Desta forma é fácil perceber que existe uma relação entre a velocidade a que o veículo se desloca, a intensidade da travagem e a energia elétrica produzida, sendo que quanto maior for a velocidade e consequente travagem, maiores são a corrente e a energia elétrica produzidas [19].
A utilização de um mecanismo de travagem regenerativa proporciona diversas vantagens, principalmente a nível da autonomia do veículo, sendo que esta pode aumentar em cerca de 25%. Para além desta existe outra vantagem relevante, que se prende com a diminuição dos custos de manutenção do veículo, pois a utilização dos travões mecânicos é minimizada, diminuindo o desgaste deste sistema de travagem [19].
A implementação de travagem regenerativa pressupõe que a energia convertida seja armazenada nas baterias do veículo. Para que essa operação seja eficaz é necessário que as baterias permitam uma carga rápida, sendo que se essa condição não se verificar existe uma perda de eficiência do processo. Uma possibilidade para aumentar essa eficiência é recorrer a um banco de supercondensadores, pois estes têm a capacidade de carregar e descarregar rapidamente e aceitam correntes elevadas [19].
A principal desvantagem da travagem regenerativa é o facto de que o motor está sempre em funcionamento, ou como gerador de binário ou como transdutor de energia cinética para elétrica, o que pode provocar o seu sobreaquecimento. Este fenómeno é indesejável, e tem de ser controlado, pois pode levar à destruição do próprio motor, quer seja pela desmagnetização dos ímanes permanentes quer por rutura dos próprios enrolamentos do motor [19].
Quando se utiliza travagem regenerativa o motor funciona como um gerador. A corrente gerada, devido à energia cinética do motor, atravessa os enrolamentos do estator criando um binário de travagem, que é proporcional a essa corrente. A potência criada desta forma é armazenada no banco de baterias [20]. Para as baterias carregarem, necessitam que seja aplicada uma tensão superior à que apresentam aos seus terminais. No entanto, a tensão gerada, através do processo de travagem regenerativa, não cumpre esse requisito, sendo por isso necessário aumentar o seu valor. Para isso, a maioria dos veículos híbridos e elétricos, utilizam um conversor DC/AC de dois estágios [21]. Contudo, eles apresentam a desvantagem de ser necessário a inclusão de componentes adicionais ao circuito já existente para fazer a máquina funcionar como motor (ver Figura 3.1).
De forma a diminuir os custos de produção podem ser implementadas soluções baseadas em apenas um estágio DC/AC bidirecional, tirando partido do hardware já existente (ver Figura 3.2).
Tendo em vista a implementação de um conversor num produto real, onde o preço é um fator importante, é com base nos conversores de um único estágio que incidirá esta dissertação.
Figura 3.2 – Conversor bidirecional DC/AC de estágio único, e máquina BLDC [21]
Quando um motor BLDC é utilizado como um dispositivo de travagem, ele funciona como um gerador. Por outras palavras, a FCEM e a corrente de armadura estão desfasadas de 180º elétricos. A tensão induzida no motor pode ser elevada, para um nível arbitrário, recorrendo apenas aos componentes existentes no inversor trifásico, que é utilizado para colocar o motor em funcionamento, não sendo necessários componentes adicionais para esse efeito. Para que isso aconteça é necessário que os switches da ponte H sejam comutados segundo uma estratégia específica. Na prática, o que se pretende, não é mais do que criar um circuito boost para a tensão induzida no motor, recorrendo às bobinas deste, aos MOSFET’s e díodos já existentes na ponte H trifásica [21].
3.1 – Estratégias de Comutação para Efetuar Travagem Regenerativa
Existem várias estratégias de comutação dos switches da ponte H, aplicadas quando se pretende fazer travagem regenerativa, sendo que estas se diferenciam pelo número de interruptores que estão ativos em cada instante. Uma estratégia é utilizar apenas um interruptor do low side do
driver da ponte H, de cada vez, para fazer a comutação nos instantes pretendidos (ver Figura 3.3 a).
Para determinar os momentos de ativação de cada um dos switches, são utilizados os sensores de hall para saber a posição do rotor e assim saber em que instantes ativar cada um. Existe também a estratégia de ativar dois switches simultaneamente, um do high side e outro do low side da ponte H. Nesta estratégia, também os sensores de hall têm o papel de fornecer os instantes de comutação, consoante a posição do rotor (ver Figura 3.3 b). Em oposição à estratégia de utilizar apenas um interruptor, que apresenta bons resultados quando se pretende converter o máximo de energia cinética em elétrica (veículo a elevada velocidade antes da travagem), este segundo método apresenta melhores resultados para baixas velocidades [21].
Em ambas as estratégias apresentadas os instantes de comutação dependem da posição do rotor, sendo que se essa informação não for correta todo o processo fica comprometido. Porém, existe uma estratégia de comutação que se pode utilizar quando se pretende travagem regenerativa, que utiliza os três interruptores do low side da ponte H e que não depende da posição do rotor. Neste caso todos os interruptores do low side são ativados em simultâneo (ver Figura 3.3 c). Esta estratégia de travagem é semelhante à utilizada na travagem passiva, onde se utilizam resistências de potência para dissipar a energia cinética. Porém, neste caso, as resistências são substituídas por interruptores, o que
possibilita que a energia possa ser recuperada e guardada nas baterias, em vez de ser dissipada. Este método apresenta um bom comportamento quando a velocidade de travagem é elevada, à semelhança da primeira estratégia descrita [21, 22].
Sendo a eficiência da travagem a principal preocupação, é conveniente utilizar uma mistura dos métodos descritos anteriormente, para maximizar a recuperação de energia durante a travagem. Assim, quando a velocidade da travagem é elevada, é preferível utilizar-se a estratégia de interruptor único ou a de três interruptores, e quando a velocidade é relativamente baixa é preferível utilizar-se a estratégia de dois interruptores [21].
Figura 3.3 - Relação entre as fases da FCEM, da corrente de campo do motor e dos sinais de comutação. a) Comutação utilizando apenas um interruptor; b) Comutação utilizando dois interruptores; c) Comutação