Projeto de um conversor CC-CC com tanque ressonante LLC para carregador de baterias de veículos elétricos

Abstract

No cenário atual dos veículos elétricos, a autonomia se destaca como um dos parâmetros vitais de projeto. Isso impulsiona a produção de baterias com capacidades cada vez maiores, o que, por sua vez, demanda que os carregadores operem em elevadas potências para garantir um carregamento rápido. Essa exigência cria desafios consideráveis para os projetos dos carregadores, os quais devem manter critérios de funcionamento, eficiência e segurança, ao mesmo tempo em que cumprem requisitos de tamanho e peso. Nesse contexto, o presente trabalho apresenta o estudo e desenvolvimento de um conversor CC-CC de 6,6 kW destinado aos carregadores de baterias de lítio embarcados em veículos elétricos. Aspectos gerais do sistema de carregamento de veículos elétricos são apresentados e a arquitetura de um carregador embarcado unidirecional de duplo estágio é analisada. Com foco no conversor CC-CC, diferentes topologias são avaliadas e discutidas. O conversor CC-CC com tanque ressonante LLC é escolhido, suas partes constituintes são estudadas e projetadas. Além disso, são realizadas simulações para verificar o funcionamento do conversor em todas as etapas de operação. Os resultados obtidos demonstram a obtenção de uma comutação suave em toda a faixa de operação, alcançando uma eficiência média de 97,3% no conversor projetado.

In the current scenario of electric vehicles, autonomy stands out as one of the vital design parameters. This drives the production of batteries with increasingly larger capacities, demanding that chargers operate at higher powers to ensure fast charging. This requirement creates considerable challenges for charger designs, where they must maintain operational, efficiency, and safety criteria while meeting size and weight requirements. In this context, the present work presents the study and development of a 6.6 kW CC-CC converter aimed at on-board lithium battery chargers in electric vehicles. General aspects of the electric vehicle charging system are introduced, and the architecture of a unidirectional two-stage on-board charger is analyzed. Focusing on the CC-CC converter, different topologies are evaluated and discussed. The CC-CC converter with LLC resonant tank is selected, its constituent parts are studied, and their design is detailed. Additionally, simulations are conducted to verify the operation of the converter across all stages. The results obtained demonstrate soft switching throughout the operational range, achieving an average efficiency of 97.3% in the designed converter.