Geri Dön

Design and analysis of topologies and control algorithms used in ev fast charging systems

Elektrikli araç hızlı şarj sistemlerinde kullanılan topolojiler ve kontrol algoritmalırının analizi ve tasarımı

PDF İndir

  1. Tez No: 798407
  2. Yazar: ÖZGÜR CAN MİLLETSEVER
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. MURAT YILMAZ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 176

Özet

Artan karbon emisyonu nedeniyle, ulaşım araçlarında benzin ve mazot yerine alternatif yakıtlara yönelim artmıştır. Ana güç kaynağı bataryalar olan tam elektrikli araçlar, hidrojen yakıtlı araçlar ve hem içten yanmalı motora hem de elektrik motoruna sahip hibrid araçlar gibi farklı çalışmalar yapılmıştır. Hibrid araçlar, konvansiyonel araçlar gibi içten yanmalı motora sahip fakat bunun yanında bir de elektrik motoru bulunduran yapılardır. Bu içten yanmalı motor araç hareketine katkı sağlayabileceği gibi, sadece elektrik üretilmesinde de rol oynayabilir. Bunun dışında hidrojen yakıtlı araçlar da bazı çalışmalarda denenmiştir. Fakat bunlar arasındaki en popüler olanı, üzerine en çok çalışma yapılanı ve ticari olarak en tercih edileni tam elektrikli araçlar olmuştur. Günümüzde Renault, Volkswagen, Citroen ve Porsche gibi birçok otomotiv üreticisi bazı modellerinin elektrikli varyasyonlarını çıkarırken, bazı üreticiler ise yeni model adıyla elektrikli araçlar üretmiştir. Volkswagen Golf modelinin bir varyantı olarak e-Golf`ü tasarlarken, Renault ise Zoe modelini sadece elektrikli olarak tasarlamıştır. Ayrıca Tesla gibi sadece elektrikli araç üretimi için kurulmuş şirketler de vardır. Her bir üretici, kendi modellerinde farklı tipte elektrik motorunu ve batarya paketlerini tasarlamıştır. Renault Zoe klasik uyarma sargılı klasik senkron motora sahipken, Tesla markası genellikle araçlarında asenkron motor ve mıknatıslı motorları tercih etmektedir. Fakat genel eğilim sürekli mıknatıslı senkron motor kullanımına yöneliktir. Her araç içinde bulunan batarya paketlerinin şarjı için her bir araç kendi içinde araç üstü şarj sistemini bulundurur. Fakat araç içindeki yer kısıt ve maliyetinden dolayı bu şarj sistemi genellikle düşük güçlüdür ve düşük şarj durumundaki batarya paketlerini şarj etmeleri çok uzun sürer. Gün içi kullanımlar için, akşamdan sabaha kadar geçen süredeki şarj yeterli olabilirken uzun yol durumları veya yolcu ve yük taşımacılığı durumları için bu kadar uzun süreler problem yaratabilmektedir. Bu amaçla akaryakıt istasyonlarına benzetebileceğimiz ve bataryayı hızlı bir şekilde şarj edebilme yeteneğine sahip hızlı şarj istasyonları ortaya çıkmıştır. Araç üstü şarj sistemleri, şebekeden alternatif gerilim ile beslenir ve kendi içinde doğrultucu ve DC/DC çevirici bulundururlar. Bu doğrultucu ve DC/DC çevirici yardımıyla enerjiyi istenen gerilim ve güçte batarya paketine ulaştırırlar. Fakat hızlı şarj istasyonları, kendi içinde doğrultucu ve DC/DC çevirici içerdikleri için, araca ve bataryaya doğrudan doğru gerilim ile enerjiyi aktarırlar. Araç üstü şarj sistemleri, boyut kısıtı gibi sebeplerden genellikle 20 kW altında güce sahiptirler. Fakat hızlı şarj istasyonunda kullanılabilecek boyut daha büyük olduğu için 300 kW üzeri güce sahip şarj istasyonları bulunmaktadır. Tritium markasının PK350 modeli 350 kW çıkış gücüne sahiptir. Günümüzde bu değerler 900 kW değerlerine (GB/T, ChaoJi) ulaşmış durumdadır. Tek bir yüksek güçlü sistem ile yapıyı tasarlamaktansa birçok üretici, modüler bir yapı tercih etmektedir. Bir diğer konu ise hızlı şarj istasyonunun çıkış gerilim aralığıdır. Farklı araç modelleri, farklı batarya paketi gerilimlerine sahip oldukları için şarj istasyonunun geniş bir çıkış gerilim aralığına sahip olması önemlidir. Zamanla elektrikli araçlar ve şarj istasyonları üzerine yapılan çalışmaların artmasıyla, farklı standartlar ortaya çıkmıştır. CHAdeMO, CCS, GB/T gibi farklı standartlar farklı bölgelerde ortaya çıkmıştır. Her bir standart belli konularda birbirinden ayrılsa bile bazı standartlar küresel çapta geçerlidir. IEEE 519 standardı, şebekeye bağlı güç elektroniği cihazları için genel bir standarttır ve şebekeden çekilen akımın harmonik sınırlarını ve cihazın, bağlantı noktasında yarattığı gerilim harmoniği sınırlarını belirlemektedir. IEC 61851 standardı ise iletim yoluyla yapılan şarj işlemleri için genel standarttır. Bu standardın alt başlıklarında DC şarj istasyonları, izolasyon tipleri ve haberleşme protokolleri gibi farklı konular için de kurallar belirlenmiştir. Bu tez kapsamında, öncelikle farklı DC hızlı şarj sistemlerinin yapıları ve kullanılan konfigürasyonlar incelenmiştir. Daha sonra her bir alt sistem için kullanılabilecek topoloji ve yapılar karşılaştırılmış ve seçilen yapıda bulunan topolojilerdeki DC hızlı şarj sistemi tasarlanmıştır. Tasarım kriterleri olarak IEEE 519 standartlarına uyumluluğa ve birçok araç modelinin batarya paketini şarj edilebilecek bir konfigürasyon seçilmiştir. Yapılan tasarım, modüler yapıdaki bir şarj istasyonunda bulunacak bir modülün tasarımıdır. Doğrultucu olarak üç seviyeli olan nötr noktası kenetlemeli doğrultucu topolojisi seçilmiştir. Bunun nedeni, bu topolojinin üç seviyeli olması nedeniyle dengeli ve diğer topolojilere kıyasla daha yüksek bir DC bara gerilimi elde edilebilmesidir. Ayrıca IEEE 519 standartlarına uyumluluk için akım harmoniğinin düşük olması gereklidir ve üç seviyeli topolojiler, iki seviyeli topolojilere kıyasla bu konuda daha başarılıdır. Şebeke bağlantı filtresinde ise sönümleme direncine ve anahtarlama frekansına akort edilmiş yakalayan filtreye sahip bir LCL filtre tasarımı yapılmıştır. Diğer filtre topolojileri ile yapılan kıyaslama sonucu boyut avantajı, tasarım kolaylığı ve performans açısından öne çıkmaktadır. Şebeke ve araç batarya paketi arasındaki izolasyon, DC/DC çeviricide bulunan yüksek frekans transformatörü yardımıyla sağlanmıştır. Bu kısımda faz kaydırmalı tam köprü DC/DC çevirici yapısı kullanılmıştır. Fakat anahtarlama kayıplarını azaltmak, sistem performansını iyileştirmek ve verimi yükseltmek için sıfır gerilim geçişinde anahtarlamaya yönelik topoloji üzerinde tasarım değişiklikleri yapılmıştır. Ayrıca SiC yarıiletken kullanımı ile anahtarlama ve iletim kayıpları azaltılmıştır. Si yarıiletkenlere göre daha yüksek frekanslarda çalışabilen SiC yarıiletken ile anahtarlama frekansı da arttırılmıştır. Artan anahtarlama frekansı ile kullanılacak yüksek frekans transformatörünün boyutu küçültülmüştür. Transformatör boyutunu en iyileştirebilmek ve yarıiletken boyutlandırmasında daha esnek olmak için DC/DC çevirici kısmında iki adet paralel çalışan faz kaydırmalı tam köprü DC/DC çevirici kullanılmıştır. Bu iki devre aynı DC baradan paralel olarak beslenmekte ve çıkışları tekrar paralel olarak bağlanarak batarya paketine gerekli enerjiyi aktarmaktadır. Tasarım aşamasında seçilen topolojilerin öncelikle matematiksel modelleri çıkarılmış ve ideal elemanlar ile modellemeleri yapılmıştır. Yapılan bütün modelleme ve simülasyonlarda güç elektroniği için özelleşmiş olan PLECS paket programı kullanılmıştır. Bu paket program, manyetik ve termal modellemeye de izin verdiği için sistem modeli, tasarım aşamalarına paralel olarak adım adım idealden gerçek fiziksel sisteme yaklaştırılmıştır. İlk başta hazırlanan ideal model koşturulduktan sonra, elde edilen simülasyon sonuçlarına göre devre elemanlarının seçimi ve boyutlandırılması yapılmıştır. Eleman seçimi ve tasarım sonuçlarına göre hazırlanan ideal model, manyetik ve termal karakteristiklerin de eklenmesi ile tam fiziksel modele dönüştürülmüştür. Tasarım sonucunda bir adet 16 kHz anahtarlama frekansına, 22 kW güce sahip üç fazlı nötr noktası kenetlemeli doğrultucu; bu doğrultucunun şebeke bağlantısını sağlayacak üç fazlı, sönümleme direncine ve anahtarlama frekansına akort edilmiş yakalayan filtreye sahip bir LCL filtre ve 40 kHz anahtarlama frekansına, 11 kW güce sahip sıfır gerilim geçişinde anahtarlamalı faz kaydırmalı tam köprü DC/DC çevirici elde edilmiştir. Tasarımı yapılan sıfır gerilim geçişinde anahtarlamalı faz kaydırmalı tam köprü DC/DC çeviricilerden iki tanesinin giriş ve çıkış kısımları paralel bağlanarak 22 kW güce sahip bir modül elde edilmiştir. Tasarım aşamasında doğrultucunun kayıplarının düşük olması nedeniyle Si IGBT kullanılmış ve anahtarlama kaybı bu sayede düşük tutulabilmiştir. Fakat DC/DC çeviricinin anahtarlama frekansının düşük seçilmesi, transformatör boyutunu arttıracağı için 40 kHz anahtarlama frekansı bu devre için seçilmiştir. Bu durumdaki anahtarlama ve iletim kayıplarının yüksek olduğunun görülmesi nedeniyle, SiC MOSFET kullanımı ile anahtarlama ve iletim kayıplarının azaltılması için çalışılmış ve sıfır gerilimde anahtarlama için topoloji üzerinde gerekli değişiklikler yapılmıştır. Faz kaydırmalı tam köprü DC/DC çeviricinin çıkışında bulunan doğrultucu kademesinde, gücün yüksek olması nedeniyle tam dalga köprü diyot yapısı kullanılmıştır. Si diyotların ters toparlanma enerjileri ve süreleri yüksek olduğu için SiC diyot kullanımı ile verimi arttırmaya yönelik çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Yapılan modelleme ve koşturulan simülasyonlar sonucunda, yapılan değişiklikler ile kayıpların azaldığı görülmüştür. DC/DC çeviricide bulunan diyotların, anahtarlama kayıpları ihmal edilebilecek kadar küçük seviyelerdedir. Ayrıca tam köprü yapısının iletim kayıpları, SiC MOSFET kullanımı ile azaltılabilmiştir. Sabit 80oC soğutucu sıcaklığında, en yüksek jonksiyon sıcaklığının 112oC ve verimin %95 üzerinde olduğu görülmüştür. Şebekeden çekilen akım dalga formu incelendiğinde ise, IEEE 519 standartlarına uyumlu olduğu sonucuna varılmıştır. Bu kriterler ışığında, tasarlanan sistemin tasarım parametreleri ile uyumlu olduğu görülmüştür. Tasarlanan sistemin deneysel sonuçları, simülasyon sonuçları ile karşılaştırılmış ve tutarlı olduğu görülmüştür. Sistemin deneysel verimi %97,52 olarak ölçülmüştür. Deneysel çalışmalar sonucu elde edilen ölçüm sonuçları ve dalga şekilleri simülasyon sonuçlarına benzerdir. Arada oluşan verim farkının en büyük nedeni, sistemin çalışırken sabit 80oC soğutucu sıcaklığında olmayışıdır. SiC MOSFET kullanımı ile DC/DC çevirici kayıpları %76,24 oranında azaltılabilmiş ve sistemin toplam güç yoğunluğu 0,82 kW/L seviyesine çıkarılabilmiştir. DC/DC çeviricide SiC MOSFET yerine Si IGBT kullanmak, anahtarlama frekansının daha düşük seçilebilecek olmasından dolayı transformatör boyutunda yaklaşık iki katı bir büyüklük getirecektir. Ayrıca gerekli yarı iletkenleri soğutmak için gerekli soğutucu boyutu da kayıplar nedeniyle yaklaşık iki kat artacağından, güç yoğunluğu yaklaşık olarak iki katına çıkarılabilmiştir.

Özet (Çeviri)

Because of rising carbon emissions, there is a growing trend toward alternative fuels for vehicles instead of gasoline and diesel fuel. Different studies have been conducted, such as on full electric vehicles with batteries as the main powertrain, hydrogen-fueled vehicles, and hybrid vehicles with both an internal combustion engine and an electric motor. Today, many automotive manufacturers such as Renault, Volkswagen, Citroen and Porsche have released electric variants of some of their models, while some manufacturers have produced electric vehicles with new model names. There are also companies, such as Tesla, that were established just for the production of electric vehicles. Each vehicle has its own on-board charging system for charging the battery packs in each vehicle. However, due to limited space inside the vehicle, this charging system is typically low-powered, and charging the battery packs in a low state of charge takes a very long time. Fast charging stations, which we can think of as fuel stations for charging in a short time, have been developed. On-board charging systems usually have power below 20 kW due to size constraints. However, because the size of the fast-charging station is larger, there are charging stations with power greater than 300 kW. Rather than designing the structure with a single high-power system, many manufacturers prefer a modular structure. The charging station's wide output voltage range is also one of the criteria considered in its design. Over time, with the increase in studies on electric vehicles and charging stations, different standards, such as CHAdeMO and CCS, have emerged in different regions. Even if each standard differs from the other in certain aspects, some standards are globally applicable. The IEEE 519 standard is a general standard for grid-connected power electronic devices, while the IEC 61851 standard is the general standard for conduction charging. In the sub-sections of this standard, rules are also set for different issues such as DC charging stations, insulation types, and communication protocols. First, the structures of various DC fast charging systems and the configurations used are examined in this thesis. The topologies and structures that can be used for each subsystem are then compared, and the DC fast charging system is designed in the topologies of the chosen structure. The design is for the one module that will be located in a modular charging station. A three-level neutral point clamped rectifier topology is chosen as the rectifier. In the grid-connection filter, an LCL filter with a damping resistor and a trap filter tuned to the switching frequency is designed. Isolation between the grid and the vehicle battery pack is provided by a high frequency transformer in the DC/DC converter. A phase-shifted full bridge DC/DC converter is used in this part. However, in order to reduce the switching losses, improve system performance, and increase efficiency, design modifications have been made to the topology for switching at zero voltage transition. In addition, switching and conduction losses are reduced by using SiC semiconductors. By using SiC semiconductor, the switching frequency is increased and the size of the high frequency transformer is reduced. In order to optimize the transformer size and be more flexible in semiconductor sizing, two parallel phase-shifted full bridge DC/DC converters are used in the DC/DC converter section. These two circuits are linked in parallel by the same DC link, and their outputs are also linked in parallel to transfer energy to the battery pack. In the design phase, mathematical models of the selected topologies were first derived and modeled with ideal elements. The PLECS package program, which is specialized for power electronics, was used in all modeling and simulations. With the ideal model, the elements were selected according to the simulation results, and the ideal model prepared according to the design was modified into a full physical model with the addition of magnetic and thermal characteristics. The switching frequency of the DC/DC converter was chosen to be 40 kHz since a low switching frequency would increase the transformer size. SiC MOSFETs are used to reduce switching and conduction losses, and the topology is modified for zero voltage switching. In the rectifier stage at the output of the phase-shifted full-bridge DC/DC converter, a full-wave bridge diode structure is used due to the high power. Since Si diodes have high reverse recovery energy and time, SiC diodes are used to increase the efficiency. At the rectifier, 16 kHz of switching frequency is selected. The reason of that is the losses of the rectifier is less than the DC/DC converter. Si IGBTs are used for the neutral point clamped rectifier. A 3-level topology is selected for the increasing the DC-link voltage. With a higher DC-link voltage it is possible to reaching higher DC output voltage. Also, 3-level rectifier has a less amount of total harmonic distortion of current when operating. As a result of the modeling and simulations, it is seen that the losses are reduced with the changes made. At a constant 80oC heatsink temperature, the highest junction temperature is 112oC and the efficiency is above 95%. When the current waveform drawn from the grid is analyzed, it is seen that it complies with IEEE 519 standards. The experimental results of the designed system are consistent with the simulation results. The experimental peak efficiency of the system was measured at 97.52%. The measurement results and waveforms obtained from the experimental studies are similar to the simulation results. The whole system power density is equal to 0.82 kW/L. Using SiC MOSFETs and SiC diodes is the most affective reason of high amount of power density. With the increasement of the switching frequency of DC/DC converter, it is possible to use a smaller transformer. SiC MOSFET usage decreased the losses by 76.41%.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    283145

    Farklı hızlı toplayıcı mimarilerinin FPGA kullanarak gerçeklenmesi

    Implementation of different fast adder architectures using FPGAs

    PATRİSA TAMBURİ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2010

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Üniversitesi

    Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AHMET SERTBAŞ

  2. Tez No

    458861

    Mıknatıslı anahtarlamalı relüktans makinesinin kontrolü ve performans analizi

    Control and performance analysis of permanent magnet switched reluctance machine

    FARUK DURAK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. FUAT KÜÇÜK

  3. Tez No

    783819

    Güneş enerjili uçaklarda farklı uçuş durumları için elektrik sisteminin performans analizi

    Performance analysis of electrical system for different flight situations in solar aircraft

    ÜMİT AK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ÖMER USTA

  4. Tez No

    898484

    PSO kontrollü dört fazlı ınterleaved arttıran dönüştürücü tasarımı ve analizi

    Design and analysis of a PSO controlled four-phase interleaved boost converter

    FURKAN DURSUN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiNevşehir Hacı Bektaş Veli Üniversitesi

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ALTAN GENCER

  5. Tez No

    75538

    Yeni bir hata değişik delta ağ maddeli arttırılmış delta ağı (ADA)

    Başlık çevirisi yok

    M.EBRU KOLUSAYIN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1998

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kontrol ve Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MEHMET BÜLENT ÖRENCİK

Geri Dön