Analysis of nickel-copper metallic foam supercapacitor for electric vehicles with hybrid battery-supercapacitor energy storage system

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Malburg, Leonardo Corrêa
Data de Publicação: 2020
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10400.21/12347
Resumo: Trabalho final de mestrado para obtenção do grau de mestre em Engenharia Eletrotécnica - Ramo de Energia
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spelling Analysis of nickel-copper metallic foam supercapacitor for electric vehicles with hybrid battery-supercapacitor energy storage systemElectric vehicleVeículos elétricosEnergy storage systemsSistemas de armazenamento de energiasSupercapacitorSupercapacitoresBatteryBateriasHybridHíbridoTrabalho final de mestrado para obtenção do grau de mestre em Engenharia Eletrotécnica - Ramo de EnergiaFor centuries, the indicators of CO2 had never been so higher than past half century indicators, accounting for an increase rate of 1,5 ppm/year. This is the direct reflect of global warming, a problem that has motivated researchers on developing adequate alternatives for a variety of human needs, which is the case of transitioning from fossil fuels to renewable electrical powering sources, such as Electric Vehicles trending. This dissertation concerns one of the most delicate aspect about electric vehicles (EVs) design, the Energy Storage System, which regarding autonomy, is the key to overcome the current transportation electric energy sources limitations. Among the numerous known devices, Batteries and Supercapacitors are the main technologies in which electric vehicles energy storage relies on. However, batteries because of their chemical nature can be environmentally harmful when considering disposal aspects, concern which has motivated the energetic development and improvement of greener technologies, such as supercapacitos. This dissertation presents a proposition for the development procedure of a positive electrode nickel-copper hybrid supercapacitor theoretical cell, which was simulated, and the resulting data analyzed and discussed. Therefore, the hybridization of both technologies was subjected to computational simulations in order to test the hypothesis that a direct parallel connection between both technologies could interact collaborating to extend battery’s lifespan, hence, reducing its environmental impact. The simulations have shown that such interaction results in reduced current demand, causing the state of charge wave period to increase, thus, extending the lifespan of batteries.Durante séculos, os indicadores de CO2 nunca estiveram tão elevado quanto no último meio século, o que representa uma aumento de 1,5 ppm/ano. Este dado é reflexo direto dos efeitos do aquecimento global, problema o qual tem motivado pesquisadores no intuito de desenvolver novas e mais adequadas alternativas para nossas mais diversas necessidades, à exemplo disto a transição do consumo de combustíveis fósseis para fontes renováveis de energia elétrica, impactando diretamente nos veículos elétricos. Este trabalho refere-se à um dos aspectos maior peso no projeto de veículos elétricos (VEs), o Sistema de Armazenamento de Energia, o qual em termos de autonomia é crucial para superar as atuais limitações das fontes de energia elétrica para apicações móveis. Entre os inúmeros dispositivos conhecidos, baterias e supercapacitores são as principais tecnologias nas quais o armazenamento de energia de veículos elétricos é hoje dependente, sendo implementado por diversos fabricantes em uma grande variedade de categorias veículares. Entretanto, devido à composição das baterias eletroquímicas, estes dispositivos acabam por se tornarem ambientalmente prejudiciais consoante ao processo de descarte e reciclagem de seus componentes uma vez que compostos químicos possuem processos normalizados e controlados para o descarte. Sendo assim, esta dentre outras questões tem motivado pesquisadores a desenvolverem novos materiais com uma viés ecologicamnte correta assim como o esforço no desenvolvimento de outras tecnologias de armazenamento de enrgias, atuais ou novas, com base nos mesmos princípios já citados. Dentre as tecnologias pesquisadas encontram-se os supercondensadores, os quais devido à diferenciação para com as baterias consoante à tecnologia de armazenamento, não deixam resíduos químicos como consequência de seu descarte, sendo assim considerados dispositivos ecologicamente corretos. Com o intuito de paralelamente estudar e desenvolver um procedimento para a modelização de células de supercapacitores a partir de materiais ensaiados laboratorialmentes com o intuito da utilização como eletrodos de tais dispositivos, as espumas metálicas de níquel-cobre [Eugénio13] foram escolhidas para tal processo, as quais apresentam elevada área de superfície específica para as reações eletroquímicas ocorrerem, fator o qual é conhecidamente motivo de influência nos valores de capacitância obtidos. Devido a proposta original do material estudado ser relacionada ao uso como eletrodo positivo, o processo desenvolvido deu origem a um supercondensador do tipo híbrido, o qual contou com um eletrodo negativo de carbono ativado complementar ao de níquel-cobre. Tal dispositivo mostrou-se capaz de apresentar capacitâncias superiores (454F) quando comparados ao dispositivo base de projeto, Maxwell 2.3V 300F. Entretanto, devido ao potencial eletroquímico inferior do Ni-Cu, o dispositivo híbrido apresentou uma tensão nominal reduzida de 2V quando em comparação ao dispositivo base. Para a implementação dos dados gerados em um bloco padrão do software Matlab Simulink, foi seguido o procedimento descrito por [Zubieta00] sendo que devido a falta de informações, complementarmente foi desenvolvido um procedimento de otimização não linear através do software Microsoft Excel via plugin Solver para a obtanção de tais dados. Esta etapa mostrou-se efetiva uma vez que os dados resultantes mostraram-se correspondentes ao esperado com base em [Zubieta00]. A partir disso, o perfil de corrente imposto ao sistema, conforme apresentado em [Omar09], foi validado através de uma segunda simulação computacional, também via Matlab Simulink, na qual a mesma configuração de elementos de armazenamento de energia, baterias e supercapacitores, foi implementada e submetidos ao perfil de carga mencionado. Esta simulação resultou em dados os quais validaram o apresentado em [Omar09] através da comparação dos perfis de correntes resultantes do banco de baterias e módulo de supercondensadores. Como a vida útil das baterias é determinada pelo consumo de cíclos face ao número máximo determinado em ficha técnica, os quais são computados pelo conjunto dos eventos de carga de descarga (ciclo) do dispositivo, uma terceira simulação foi desenvolvida, esta com o intuito de controlar a imposição de corrente e geração de ciclos completos e uniformes. Tal simulação demonstrou uma redução no na corrente demandada e número de ciclos completados pela bateria em módulo híbrido quando comparada ao mesmo procedimento em modo solo, sendo que esta redução é caracterizada por períodos mais longos entre picos, sendo assim uma extensão teórica da vida útil do dispositivo de aproximadamente 36 minutos (2%). Com o intuito de utilizar a empilhadeira elétrica Carer R45NCF [Omar09] um modelo tridimensional foi desenvolvido através do software AutoCAD 2014 com o intuito de identificar dois parâmeteros necessários, área frontal do veículo e localização do centro de gravidade. A partir dos dados obtidos uma simulação do veículo elétrico (empilhadeira) foi desenvolvida, apresentando como sistema de armazenamento de energia as mesmas configurações já citadas. Nesta simulação o perfil de carga foi convertido de corrente para velocidade angular através das equações das dinamicas de movimento para veículos. Para além disso, neste modelo foram aplicados ambos os supercapacitores, Maxwell 2.3V 300F e supercapacitor híbrido de Ni-Cu/AC. Os resultados obtidos para o dispositivo da Maxwell foram concordantes aos obtidos nas simulações anteriores, sendo que também foi observada a redução nas correntes de descarga das baterias submetidas aos sistemas solo e híbrido. Já para o supercondensador híbrido de Ni-Cu/AC, notou-se um lijeiro aumento na contribuição fornecida para com a bateria, resultado esperado face a diferença de capacitância, consequentemente também de carga, quando comparado ao supercapacitor Maxwell 2.3V 300F. O dispositivo contribuiu para a redução da demanda do sistema para com a bateria fornecendo maior corrente nos momentos de picos de descargas quando comparado ao dispositivo base.Instituto Superior de Engenharia de LisboaPereira, Rita Marcos Fontes MurtaSilva, Maria Teresa Oliveira de Moura eRCIPLMalburg, Leonardo Corrêa2020-11-05T17:45:46Z2020-02-072020-02-07T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10400.21/12347TID:202534855engMALBURG, Leonardo Corrêa - Analysis of nickel-copper metallic foam supercapacitor for electric vehicles with hybrid battery-supercapacitor energy storage system. Lisboa: Instituto Superior de Engenharia de Lisboa, 2020. 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