Orientador: Carlos Alberto Canesin / Resumo: Uma das principais dificuldades para a adoção dos veículos elétricos (VE) é o tempo de abastecimento (carregamento elétrico), considerado elevado quando comparado com o tempo requerido para abastecer um veículo com motor a combustão interna. O carregamento do VE típico de passageiros é geralmente realizado na residência do proprietário, ligando o carregador interno do VE em uma tomada convencional monofásica. Este método de carregamento é conhecido como de Corrente Alternada (CA), requer, tipicamente pelo menos 7 horas para fornecer uma carga completa. Por outro lado, o método de carregamento por Corrente Continua (CC) oferece tempos de carregamento entre 10 e 80 minutos. Contudo, para obter este nível de desempenho, são empregados carregadores externos de alta potência ligados de forma direta ao banco de baterias do VE. Devido ao custo e aos requerimentos de alimentação, estes carregadores rápidos são usados principalmente em aplicações públicas e comerciais. As pesquisas pelas melhores topologias a serem empregadas nos carregadores rápidos ainda são, neste ano de 2017 objeto de estudos em escala mundial. Neste contexto, este trabalho descreve a análise e implementação de um protótipo de carregador externo rápido para VE, o qual é composto por um retificador híbrido trifásico com correção ativa do fator de potência (Etapa CA-CC), seguido de um conversor tipo Buck entrelaçado (Etapa CC-CC). Na etapa CA-CC são impostas correntes de entrada senoidais, obtendo desta forma uma r... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Mestre

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O carregamento do VE típico de passageiros é geralmente realizado na residência do proprietário, ligando o carregador interno do VE em uma tomada convencional monofásica. Este método de carregamento é conhecido como de Corrente Alternada (CA), requer, tipicamente pelo menos 7 horas para fornecer uma carga completa. Por outro lado, o método de carregamento por Corrente Continua (CC) oferece tempos de carregamento entre 10 e 80 minutos. Contudo, para obter este nível de desempenho, são empregados carregadores externos de alta potência ligados de forma direta ao banco de baterias do VE. Devido ao custo e aos requerimentos de alimentação, estes carregadores rápidos são usados principalmente em aplicações públicas e comerciais. As pesquisas pelas melhores topologias a serem empregadas nos carregadores rápidos ainda são, neste ano de 2017 objeto de estudos em escala mundial. Neste contexto, este trabalho descreve a análise e implementação de um protótipo de carregador externo rápido para VE, o qual é composto por um retificador híbrido trifásico com correção ativa do fator de potência (Etapa CA-CC), seguido de um conversor tipo Buck entrelaçado (Etapa CC-CC). Na etapa CA-CC são impostas correntes de entrada senoidais, obtendo desta forma uma reduzida distorção harmônica total (DHT). Nesta etapa são empregados retificadores SEPIC comutados sob corrente nula (Zero Current Switching, ZCS) controlados por uma simples modulação por histerese, em paralelo com um retificador trifásico a diodos de seis pulsos. O estágio SEPIC processa apenas uma fração da potência total entregue pelo retificador híbrido, reduzindo deste modo os esforços de corrente dos semicondutores empregados, permitindo o uso desta topologia em elevados níveis de potência. Na etapa CC-CC o conversor Buck entrelaçado é controlado por modulação de largura de pulso (Pulse-Width Modulation, PWM), permitindo assim a implantação da técnica de carregamento por corrente constante e tensão constante (Constant Current-Constant Voltage, CC-CV), comumente empregada em baterias de íons de lítio e supercapacitores (SC). Como principal resultado foi obtido o carregamento de um banco de supercapacitores de 2,54 F, com corrente constante de 20 A, variando sua tensão de 180 V a 270 V com uma duração de 40 s, obtendo uma distorção harmônica total de 3,52% na corrente de entrada, ajustando-se ao padrão IEEE 2030.1.1-2015. / One of the main barriers against electric vehicle (EV) adoption is related to the battery recharging time, which is relatively high when compared to the time required to fill up a gasoline/diesel internal combustion engine vehicle. EV charging generally is done at home, using the on-board EV charger tied to conventional single phase power inlet, this charging method is known as Alternating Current (AC) and takes at least 7 hours to provide a full charge. On the other hand, the Direct Current (DC) method offers charging times from 1.2 hours to 10 minutes. However, to reach this performance, high power off-board chargers also known as fast-chargers (FC), directly charge the EV battery bank. Due to its cost and power supply requirements FC are used only in public or commercial applications. The researches for the best FC topologies are an active area of studies over the world. This work describes the analysis and implementation of an off-board electric vehicle (EV) Fast Charger prototype. It is composed by a three-phase hybrid rectifier with power factor correction (AC/DC stage), followed by an interleaved buck converter (DC/DC stage). At AC/DC stage, sinusoidal input phase currents are imposed, and consequently low Total Harmonic Distortion (THD) is obtained by the use of Zero Current Switching (ZCS) SEPIC rectifiers, applying a simple hysteresis control technique, in parallel with a conventional three-phase six pulses diode rectifier. The SEPIC converters manage only a fraction of the total power delivered by the hybrid rectifier, reducing the semiconductors current stresses, and allowing the use of this topology for high power levels. At DC/DC stage, the interleaved buck converter is controlled by Pulse Width Modulation (PWM), allowing Constant Current–Constant Voltage (CC-CV) charging technique, typically used for Lithium-ion (Li) batteries and Supercapacitors (SC). As main result of this implementation was obtained a charging process using constant a constant current of 20A over a supercapacitor bank of 2,54 F, raising its voltage from 180V to 270V in less than 40s, having a input phase current THD of 3,52%, fulfilling the requirements of IEEE 2030.1.1-2015 standard.

Face aux enjeux énergétiques d’aujourd’hui et de demain, le développement des énergies renouvelables semble inéluctable. Cependant, la production électrique de sources renouvelables prometteuses comme le photovoltaïque ou l’éolien est intermittente et difficilement prévisible du fait de la dépendance de ces sources aux conditions météorologiques. Afin de s’affranchir du caractère discontinu de la production d’électricité et de l’inadéquation de la production avec la consommation, un moyen de stockage de l’énergie électrique est nécessaire. Dans ce contexte, la batterie hydrogène est une des solutions envisagées. Lors de périodes de surproduction d’énergie renouvelable, un électrolyseur produit de l’hydrogène par électrolyse de l’eau. Lorsque cela est nécessaire, une pile à combustible fournit de l’électricité à partir du gaz stocké. Couplé avec des sources d’énergie renouvelable, la batterie hydrogène produit de l’énergie électrique non carbonée, c’est-à-dire non émettrice de gaz à effet de serre. L’intérêt majeur de cette technologie est le découplage entre l’énergie et la puissance du système. Tant que la pile à combustible est alimentée en gaz, elle fournit de l’électricité, l’énergie dépend des réservoirs de gaz. La puissance, quant à elle, dépend des caractéristiques des composants électrochimiques et du dimensionnement des chaînes de conversions de puissance. Les chaînes de conversion de puissance relient les composants électrochimiques au réseau électrique. Dans le cas de la chaîne de conversion sans transformateur qui est ici envisagée, la présence d’un convertisseur DC-DC à haut rendement à fort ratio de conversion est rendue nécessaire de par la caractéristique basse tension fort courant des composants électrochimiques. Avec pour but principal l’optimisation du rendement, deux axes de recherche sont développés. Le premier axe développe un convertisseur multicellulaire innovant à haut rendement à fort ratio de conversion. Les résultats expérimentaux du convertisseur appelé « miroir » obtenus dans deux expérimentations ont démontré la supériorité de cette topologie en terme d’efficacité énergétique par rapport aux convertisseurs conventionnels. Le deuxième axe porte sur de nouveaux composants de puissance en nitrure de gallium (GaN) annoncés comme une rupture technologique. Un convertisseur buck multi-phases illustre les défis technologiques et scientifiques de cette technologie et montre le fort potentiel de ces composants. / Development of renewable energy seems inevitable to face the energy challenge of today and tomorrow. However, the power generation of promising renewable sources such as solar or wind power is intermittent and unpredictable due to the dependence of the these sources to the weather. In order to overcome the discontinuous nature of the electricity production and the mismatch between production and consumption, electrical energy storage is needed. In this context, hydrogen battery is one of the solutions. During periods of overproduction of renewable energy, an electrolyzer produces hydrogen gas by the electrolysis of water. When necessary, a fuel cell provides electricity from the stored gas. Coupled with renewable energy sources, the hydrogen battery produces carbon-free electricity, i.e. without any greenhouse gas emission. The major advantage of this technology is the decoupling between energy and power system. As long as the fuel cell is supplied with gas, it supplies electricity. Like so, the energy depends on the gas tanks and the system power depends on the characteristics of electrochemical components and the design of the power conversion chain. Power converters connect electrochemical components to the grid. In the case of the transformerless conversion system introduce here, a high efficiency high voltage gain DC-DC converter is required given the high-current low-voltage characteristic of electrochemical components. Since the main goal is to optimize the efficiency, two research approaches are developed. The first develops an innovating multicell converter with high efficiency at high voltage conversion ratio. The experimental results of the “mirror” converter obtained in two experiments have demonstrated the superiority of this topology in terms of energy efficiency compared to conventional converters. The second line of research focuses on new gallium nitride (GaN) transistors heralded as a disruptive technology. A multiphase buck converter illustrates the technological and scientific challenges of this technology and shows the potential of these transistors.