Desenvolvimento de carregador embarcado para veículos elétricos baseado em conversor estático com isolação capacitiva

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2025
Autor(a) principal: Toebe, Ademir
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Federal de Santa Maria
Brasil
UFSM
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
Centro de Tecnologia
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Link de acesso: http://repositorio.ufsm.br/handle/1/36724
Resumo: This Thesis presents academic and technological contributions achieved in the field of power electronics. The work addresses capacitive isolation as a means of energy transfer while simultaneously acting to limit touch current, thereby enhancing safety in applications such as vehicle chargers. Initially, relevant standards that establish safety criteria and practices are analyzed, aiming to develop a proposal aligned with practical applicability. Subsequently, the literature review identified various solutions and applications of capacitive isolation, including in non-conductive energy transfer systems for electric vehicle charging. Several topologies employing capacitive isolation were studied, evaluating their advantages and disadvantages. This led to the formulation of a topology compatible with the buck converter, but offering a higher degree of safety. Theoretical analyses and simulations demonstrated the feasibility of the proposed approach, and a pilot prototype was built and assessed in terms of energy processing and touch current limitation. Comparative evaluations with the LLC converter topology highlighted advantages of the proposed solution regarding volume, number of semiconductor devices, and efficiency. Next, a detailed analysis was conducted on the impact of rectifiers on touch current, demonstrating the benefits of using symmetric DC bus rectifiers, which, combined with the proposed topology, further enhance system safety. Finally, an on-board charger (OBC) for electric vehicles was designed and implemented. This OBC comprises two Vienna rectifiers connected in parallel and interleaved at the input, along with two modules employing the ISOS (Input Series, Output Series) topology used to control battery charging. Experimental results confirmed the effectiveness of the solution, achieving a global peak efficiency of 95%. Additionally, leakage currents through the protective earth conductor, originating from Y-capacitors connected to the battery, were evaluated. Finally, touch current tests performed with a residual current device (RCD) in the circuit demonstrated that the current is reduced to safe levels before the device actuates.
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Subsequently, the literature review identified various solutions and applications of capacitive isolation, including in non-conductive energy transfer systems for electric vehicle charging. Several topologies employing capacitive isolation were studied, evaluating their advantages and disadvantages. This led to the formulation of a topology compatible with the buck converter, but offering a higher degree of safety. Theoretical analyses and simulations demonstrated the feasibility of the proposed approach, and a pilot prototype was built and assessed in terms of energy processing and touch current limitation. Comparative evaluations with the LLC converter topology highlighted advantages of the proposed solution regarding volume, number of semiconductor devices, and efficiency. Next, a detailed analysis was conducted on the impact of rectifiers on touch current, demonstrating the benefits of using symmetric DC bus rectifiers, which, combined with the proposed topology, further enhance system safety. Finally, an on-board charger (OBC) for electric vehicles was designed and implemented. This OBC comprises two Vienna rectifiers connected in parallel and interleaved at the input, along with two modules employing the ISOS (Input Series, Output Series) topology used to control battery charging. Experimental results confirmed the effectiveness of the solution, achieving a global peak efficiency of 95%. Additionally, leakage currents through the protective earth conductor, originating from Y-capacitors connected to the battery, were evaluated. Finally, touch current tests performed with a residual current device (RCD) in the circuit demonstrated that the current is reduced to safe levels before the device actuates.Esta Tese aborda a isolação capacitiva como meio de transferência de energia, ao mesmo tempo em que atua na limitação da corrente de toque, aumentando a segurança em aplicações como carregadores veiculares. Inicialmente, são analisadas algumas normas que estabelecem critérios e práticas de segurança, com o propósito de desenvolver uma proposta alinhada à aplicabilidade prática. Na sequência, a revisão bibliográfica permitiu identificar diversas soluções e aplicações do conceito de isolação capacitiva, inclusive em sistemas de transferência de energia não condutiva para recarga de veículos elétricos. Diversas topologias com isolação capacitiva foram estudadas, avaliando-se suas vantagens e desvantagens. Dessa forma, foi formulada uma topologia compatível com o conversor buck, mas com um grau de segurança superior. As análises teóricas e as simulações demonstraram a viabilidade da proposta, e um protótipo piloto de 3 kW foi construído e avaliado quanto ao processamento de energia e à limitação da corrente de toque. Comparações com a topologia do conversor LLC evidenciaram vantagens da solução proposta em termos de volume, número de semicondutores e eficiência. Em seguida, foi realizada uma análise detalhada do impacto dos retificadores sobre a corrente de toque, demonstrando as vantagens do uso de retificadores com barramento simétrico, que, em conjunto com a topologia proposta, aumentam a segurança do sistema. Por fim, foi projetado e implementado um carregador embarcado (OBC, do inglês On-Board Charger) para veículos elétricos de 7 kW, composto por dois retificadores Vienna em paralelo e intercalados na entrada, além de dois módulos com a topologia proposta em conexão série na entrada e saída (ISOS, do inglês Input Series, Output Series), utilizados para controlar a carga da bateria. Os resultados experimentais permitiram avaliar a efetividade da solução, com rendimento global de pico atingindo 95%. Adicionalmente, foram analisadas as correntes de fuga pelo condutor de aterramento, oriundas dos capacitores Y conectados à bateria. Por fim, ensaios de corrente de toque realizados com um interruptor diferencial residual (IDR) no circuito demonstraram que a corrente é reduzida a níveis seguros antes da atuação do dispositivo.Universidade Federal de Santa MariaBrasilUFSMPrograma de Pós-Graduação em Engenharia ElétricaCentro de TecnologiaRech, Cassianohttp://lattes.cnpq.br/9375639768929991Oliveira Júnior, Demercil de SouzaMezaroba, MarcelloBellinaso, Lucas VizzotoBeltrame, Rafael ConcattoToebe, Ademir2025-10-24T16:31:26Z2025-10-24T16:31:26Z2025-07-25info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfhttp://repositorio.ufsm.br/handle/1/36724porAttribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Internationalinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Manancial - Repositório Digital da UFSMinstname:Universidade Federal de Santa Maria (UFSM)instacron:UFSM2025-10-24T16:31:26Zoai:repositorio.ufsm.br:1/36724Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttps://repositorio.ufsm.br/PUBhttps://repositorio.ufsm.br/oai/requestatendimento.sib@ufsm.br||tedebc@gmail.com||manancial@ufsm.bropendoar:2025-10-24T16:31:26Manancial - Repositório Digital da UFSM - Universidade Federal de Santa Maria (UFSM)false
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