O sector dos transportes é responsável por uma parte significativa do total das emissões de gases com efeito de estufa da União Europeia, destacando-se como uma das principais causas da poluição atmosférica, principalmente quando analisado numa perspetiva de áreas urbanas. Com o objetivo de contribuir, da forma mais célere possível, para mitigar esta tendência, é pertinente acelerar a transição para um tráfego rodoviário com emissões zero. Nesse sentido, e a título exemplificativo, a União Europeia tem como meta que a partir do ano de 2035, apenas os automóveis 100% isentos de emissões possam ser vendidos. Esta visão para a descarbonização da mobilidade automóvel é bastante ambiciosa e crucial quando se visa um futuro energético sustentável no setor dos transportes, contudo, vem acompanhada de um conjunto significativo de desafios.
Para a adoção massiva da mobilidade elétrica destacam-se como entraves: a ansiedade de carregamento, que é referente ao receio de não se encontrar instalações de carregamento disponíveis, estrategicamente localizadas, e em tempo oportuno; o tempo necessário para se efetuar o carregamento, seja para uma carga completa ou parcial. Estes dois tópicos são relativos aos sistemas de carregamento e, do ponto de vista tecnológico, os desafios que os mesmos trazem recaem nos sistemas de eletrónica de potência.
No que concerne ao tempo de carregamento, mesmo considerando os postos de carregamento rápido de última geração comercialmente disponíveis, efetuar o carregamento completo da bateria de um veículo elétrico demora mais tempo do que abastecer um veículo com motor de combustão interna. Assim, para colmatar esta situação, é importante o desenvolvimento de soluções inovadoras de sistemas de eletrónica de potência para os carregadores de veículos elétricos, focando no desenvolvimento tecnológico de sistemas de carregamento com triplo objetivo de aumentar a potência nominal, a eficiência energética e a densidade de potência.
Neste contexto, o projeto E2GO (Researching New Cost-Effective Solutions for Battery Buffered Fast-Charging Station), financiado pela União Europeia, e integrado na Rede Europeia de Doutoramentos Marie Sklodowska-Curie, foi criado para apoiar a implementação de uma infraestrutura de carregamento rápido para veículos elétricos, estabelecendo uma comunidade de investigação internacional e oferecendo formação e desenvolvimento dedicado a educar a próxima geração de candidatos a doutoramento sobre este tema. As atividades a implementar visam desenvolver novas soluções para estações de carregamento rápido, no que concerne a soluções inovadores de sistemas de eletrónica de potência, quer a nível da empregabilidade de novos semicondutores de potência e materiais, quer a nível de novas abordagens integradoras de tecnologias e com múltiplas funções de operação.
Ao longo do projeto E2GO, que envolve a formação de nove alunos de doutoramento, cuidadosamente selecionados pelos parceiros do projeto, pretende-se identificar as atuais lacunas de conhecimento dentro dos grupos de investigação académicos e dos parceiros industriais, assim como abordá-las numa perspetiva de desenvolvimento inovador em estreita cooperação internacional. Uma das principais características génese do projeto é relativa à obrigatoriedade de desenvolver os trabalhos de doutoramento em ambiente misto, idealmente 50% do tempo em universidade e 50% em empresa, sendo que, quando não seja possível cumprir este rácio (e.g., devido a atrasos na seriação de candidatos, na obtenção da documentação necessária à contratação, ou nas deslocações), cada aluno de doutoramento deverá passar mais tempo na empresa do que na universidade. Como objetivo final comum a todos os parceiros, as tecnologias desenvolvidas serão transferidas para aplicações comerciais através de beneficiários e dos parceiros da indústria, e os resultados científicos obtidos serão amplamente disponibilizados para que outras organizações de investigação e indústrias possam beneficiar dos mesmos.
O projeto E2GO tem como base a colaboração interdisciplinar, intersectorial e internacional, combinando as valências de grupos académicos e de parceiros industriais, e tem como principal objetivo a redução de custos da infraestrutura de carregamento rápido de veículos elétricos para permitir a implantação em massa da eletrificação da mobilidade em larga escala. No que respeita à distribuição geográfica, o projeto E2GO conta com parceiros dos Países-Baixos, da Polónia, de Portugal, da Dinamarca e da Áustria. O consórcio é composto por universidades e empresas, nomeadamente: Eindhoven University of Technology (TU/e, Países-Baixos), Delta (Polónia), Heliox (Países-Baixos), University of Minho (UMinho, Portugal), Efacec Electric Mobility (Portugal), Aalborg University (AAU, Dinamarca), Silicon Austria Labs (Austria), Infineon Technologies (Austria), Shell (Países-Baixos), KEMA Labs (Países-Baixos), Innsbruck Power Electronics Lab (Austria). Os nove alunos de doutoramento, provenientes de diversos países, são: Reyyan Ahmad Khan, Sergio Fernandez Rojas, Yi Hao, Sadik Cinik, Indrashis Haldar, Asim Ibrahim, Saghir Amin, Muhammad Awais, Di Wu.
A relação entre os alunos de doutoramento, universidades e empresas, está alinhada da seguinte forma:
1. Parceiros: TU/e, Delta, Shell
Tema: Hardware design and optimization of RDC in battery buffered fast-charging stations.
Aluno de Doutoramento: Di Wu
2. Parceiros: TU/e, Delta
Tema: Control and protection methodologies of RDC in battery buffered fast-charging stations.
Aluno de Doutoramento: Sergio Fernandez Rojas
3. Parceiros: TU/e, Delta
Tema: Medium voltage solid-state transformer for direct MV grid connection of fast-charging stations.
Aluno de Doutoramento: Yi Hao
4. Parceiros: TU/e, Heliox, Kema Labs
Tema: Multi-port fast-charging stations with cost-effective galvanic isolations
Aluno de Doutoramento: Indrashis Haldar
5. Parceiros: UMinho, Efacec
Tema: Optimal design of innovative cooling systems for the EV charging infrastructure.
Aluno de Doutoramento: Saghir Amin
6. Parceiros: UMinho, Efacec
Tema: Advanced power electronics technologies for high-current power conversion.
Aluno de Doutoramento: Muhammad Awais
7. Parceiros: AAU, Infineon
Tema: Universal fast charger with wide output voltage range.
Aluno de Doutoramento: Sadik Cinik
8. Parceiros: AAU, Infineon
Tema: Development of grid support functionalities for fast charging stations with local buffering batteries.
Aluno de Doutoramento: Asim Ibrahim
9. Parceiros: UIBK, SAL, Infineon
Tema: Multi-charging mode DC-DC converter for maximizing EV battery lifetime in fast charging.
Aluno de Doutoramento: Reyyan Ahmad Khan
Em específico, a Universidade do Minho e a Efacec atuam como parceiros no projeto (únicos parceiros de Portugal), assegurando a orientação conjunta de dois alunos de doutoramento, Saghir Amin e Muhammad Awais. No que concerne a trabalhos laboratoriais, destaca-se o desenvolvimento de tecnologias de sistemas de carregamento de veículos elétricos, que assentam numa abordagem com múltiplos estágios de conversão, nomeadamente: (i) estágio para interface com a rede elétrica recorrendo a um conversor CA-CC trifásico; (ii) estágio para garantir o isolamento galvânico entre a rede elétrica e as baterias do veículo elétrico, recorrendo a um conversor CC-CC isolado em alta frequência; (iii) estágio adicional não isolado de conversor CC-CC para interface com as baterias do veículo elétrico (dependente da aplicação, no que diz respeito principalmente ao níveis de tensão e corrente elétrica). Em todas estas soluções estão contempladas tecnologias de conversores de eletrónica de potência, algoritmos de controlo digital, componentes eletrónicos, assim como sistemas de transferência de calor.
Uma das soluções propostas pela Universidade do Minho consiste na utilização de um conversor CC-CC do tipo buck interleaved-based com isolamento em alta frequência e com soft-switch, que consiste numa técnica que permite reduzir as perdas por comutação dos semicondutores de potência [1]. Mais em detalhe, o foco passa também pelo projeto e desenvolvimento de um conversor CC-CC com topologia LLC ressonante, cujo principal desafio assenta na implementação laboratorial de um transformador de alta-frequência [2]. Ainda no âmbito do conversor CC-CC com topologia LLC ressonante, considerando as especificidades de topologias que podem ser implementadas e a complexidade do projeto do conversor, foi efetuado um estudo detalhado sobre o projeto step-by-step de um conversor LLC ressoante [3].
Com o objetivo de aumentar a potência de operação e de desenvolver uma arquitetura de sistema de carregamento de baterias de veículo elétrico mais versátil, além do estudo e implementação do conversor CC-CC LLC ressonante [4], foi proposto um conversor CC-CC com topologia LLC ressonante com dual resonant tank e com ampla gama de funcionamento no que concerne à tensão de entrada do conversor e à tensão de saída do conversor (i.e., onde é efetuada a ligação das baterias do veículo elétrico) [5]. De facto, o estudo do comportamento do conversor quando opera com uma ampla gama de tensões é bastante importante, pois impacta na máxima eficiência energética que se consegue atingir [6], [7].
Tendo em consideração que um dos requisitos do projeto é o aumento da eficiência energética, um dos desafios tecnológicos passa, também, pelos sistemas de transferência de calor, sendo que os estudos efetuados focaram no melhoramento das estratégias de gestão térmica [8], assim como na comparação entre tecnologias tradicionais baseadas em air-cooled heatsink e novas tecnologias aplicadas aos sistemas de eletrónica de potência, tais como as fundamentadas em vapor chamber [9].
Website do projeto E2GO: https://www.e2go-project.eu
[1] Saghir Amin, João Rocha, Vítor Monteiro, Nuno Costa, “Three-Level Zero-Voltage Transition Interleaved Buck Converter with DC Transformer-based Isolation for EV Fast Charging Stations”, DoCEIS 2024 – Technological Innovation for Human-Centric Systems, Costa da Caparica, Portugal, 3-5 July 2024, pp.244-253.
[2] Joao Rocha, Saghir Amin, Sergio Coelho, Gonçalo Rego, Joao L. Afonso, Vítor Monteiro, “Design and Implementation of a DC–DC Resonant LLC Converter for Electric Vehicle Fast Chargers”, MDPI Energies, vol.18, no.5, pp.1-26, Fev. 2025.
[3] João Rocha, Saghir Amin, Gonçalo Rego, Vítor Monteiro, “Step-by-Step Design of a LLC Resonant Converter for EV Fast Charging Applications”, YEF-ECE International Young Engineers Forum, Costa da Caparica, Portugal, 5 July 2024, pp.45-50.
[4] Joao Rocha, Saghir Amin, Sergio Coelho, Gonçalo Rego, Joao L. Afonso, Vítor Monteiro, “Design and Implementation of a DC–DC Resonant LLC Converter for Electric Vehicle Fast Chargers”, IEEE CPE-Powereng, 2025.
[5] Saghir, Awais, Vitor Monteiro, “Dual Resonant Tank Single-Stage LLC Converter with Variable DCLinkVoltage and Wide-Output Voltage Range for EV Fast Charging Stations”, IEEE CPEPowereng, Turkey, May 2025.
[6] Saghir, Awais, Vitor Monteiro, “Impact of Fixed vs Variable DC-Link Voltages on Maximizing Efficiency of EVs Fast-Charging Stations”, IEEE ICDCM, Estonia, 4-6 June, 2025.
[7] Joao Rocha, Saghir, Awais, Vitor Monteiro, “Study of a Variable DC-Link Voltage for an LLC Converter for Wide Output Voltage Range”, IEEE ICDCM, Estonia, 4-6 June, 2025.
[8] Awais, Saghir, Vitor Monteiro, “Enhanced Thermal Management Strategies for SiC MOSFETs in EV Fast Charging Systems Using Cold Plate and Copper Inlay Solution”, IEEE ICDCM, Estonia, 4-6 June, 2025.
[9] Awais, Saghir, Vitor Monteiro, “Enhanced and Uniform Thermal Management System Based on an Integrated Vapor Chamber and Air-Cooled Heatsink for High-Power EV Chargers” IEEE CPEPowereng, Turkey, May 2025.
