Geri Dön

Design and optimization of dual active bridge converter for Type-2 charging infrastructures using metaheuristic methods

Tı̇p-2 şarj altyapıları ı̇çı̇n çı̇ft yönlü aktı̇f köprü dönüştürücü tasarımı ve meta-sezgisel yöntemlerle optı̇mı̇zasyonu

PDF İndir

  1. Tez No: 856703
  2. Yazar: ALPER EMRE ÖZDEN
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ MEHMET ONUR GÜLBAHÇE
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  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: Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 105

Özet

Galvanik izolasyonlu iki bara arasında çift yönlü güç alışverişi için oldukça önemli topolojilerinden biri, çift yönlü aktif köprü (DAB) dönüştürücüsüdür. Çift Yönlü Aktif Köprü dönüştürücü topolojisi; elektrikli araç bataryası şarj etme ve boşaltma, rejeneratif motor sürücüleri ve yenilenebilir enerji uygulamaları gibi birçok uygulamada yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu tez çalışması, Tip-2 şarj istasyonları için ÇYAK dönüştürücünün farklı tasarım kısıtları altında bir optimizasyon çerçevesi sunmaktadır. ÇYAK devre topolojisi, basitlik, maliyet, sıfır gerilimde-sıfır akımda anahtarlama (SGA-SAA) ve galvanik izolasyon sağlaması gibi nedenlerle oldukça yaygın bir kullanıma sahiptir. Günlük hayatta sıkça karşılaşılan bu altyapılar, genellikle 7 kW kapasiteye sahiptir. Literatürde ÇYAK çeviricinin verilen bir işletme koşulunda, tasarımına ait birçok çalışma bulunmasına rağmen, çeviricinin tasarımını çok amaçlı bir optimizasyon problem olarak ele alan çalışmalar konusunda kayda değer bir boşluk bulunmaktadır. Bu çalışma, farklı anahtarlama frekanslarında devre bileşenlerinin optimum seçiminin gerçekleştirilmesi için meta-sezgisel optimizasyon yöntemlerinin kullanımını kapsamaktadır. Önerilen optimizasyon çerçevesi 100V ila 1000V gibi geniş bir çıkış gerilimi aralığında çalışacak ÇYAK dönüştürücü için en uygun devre bileşenlerinin maliyet, kayıplar ve hacim kısıtı altında oluşturulan bir veri tabanı içinden seçimini kapsamaktadır. Parçacık sürüsü optimizasyonu, doğadaki sosyal davranışlardan ilham alan ve karmaşık optimizasyon problemlerini çözmek için kullanılan bir hesaplama yöntemi olup kuş ve balık sürülerinden esinlenmiştir. Bu parçacıklar çözüm kriterleri içerisinde tanımlanan alanda en iyi çözümü ararlar ve her parçacık birbiriyle iletişim halindedir. Parçacıklar, iterasyon ilerledikçe en iyi çözümde (global optimumda) toplanmaya başlarlar. Bu optimizasyon metodu belirli bir probleme dahil olmadığından ve her farklı optimizasyon problemine uyarlanabildiğinden, bu çalışmada söz konusu metodolojiden faydalanılmıştır. Diğer yandan, bu metot yaklaşık çözümler sunar ve deterministik değildir; diğer bir deyişle rastgelelik unsurları içerir ve aynı başlangıç koşullarında dahi farklı çalıştırmalarda farklı sonuçlar üretebilir. Farklı başlangıç koşullarında ise bu farklılıklar artabilir. Dolayısıyla kesin ve net çözümden ziyade en optimum çözüme yakınsama halindedir. Bu çalışmada algoritmanın doğası gereği taşıdığı olumsuz taraflar sebebiyle her sistem optimizasyonu (ve dolaylı olarak lokal optimizasyonlar) ilgili frekans değerinde ikişer kez tekrar edilmiştir. Çıkış geriliminin söz konusu aralıkta kontrol edilmesi için öncelikle birincil tarafta bir endüktans değeri, simülasyon üzerinde deneme-yanılma yöntemi ile belirlenmiştir. Ardından bu değerde bir endüktans tasarımı gerçekleştirilmiştir. Transformatörün kaçak endüktansının yanı sıra endüktans, transformatör tasarım kriterlerini de etkileyen harici bir kaçak endüktansı olarak görev almış olup toplam sızıntı endüktansı, faz kayması aralığını ve bu suretle çıkış gerilimi kontrolünü adresleyen toplam endüktif bileşen olarak optimize edilmiştir. Daha sonra; transformatör çekirdeği seçimi, anahtarlama elemanı seçimi ve çıkış kapasitörü seçiminin optimizasyonu, farklı anahtarlama frekanslarında hem yerel hem de sistem seviyelerde gerçekleştirilmiş ve optimum anahtarlama frekansı belirlenmiştir. Yerel optimizasyon sürecinde her devre bileşeni için farklı kriterler dikkate alınmıştır. Örneğin; transformatör çekirdeği için kayıp, maliyet, hacim gibi faktörler dikkate alınarak ağırlıklandırma yapılırken; anahtarlama elemanı olarak tercih edilen MOSFET'ler için ise soğutucu yüzey alanı, kayıp, maliyet, ikincil taraftaki paralel kol sayısı ve çıkış kapasitansı gibi hususlar dikkate alınmıştır. Çıkış gerilimi geniş bir aralıkta kontrol edilmeye çalışıldığından düşük gerilim seviyelerinde MOSFET'ler üzerinden yüksek seviyede akım geçmekte, düşük akım seviyelerinde ise MOSFET'ler üzerinde yüksek seviyede gerilim oluşmakta olduğundan, ikincil tarafta MOSFET'lerin paralel bağlanma sayısı hacimsel bir olumsuzluk yaratması sebebiyle ayrıca dikkate alınmıştır. SGA kriterleri için ise MOSFET'lerin çıkış kapasitansı (Coss), ilgili eleman her kesime girdiğinde üzerinde bir miktar kapasitif enerji depolayacağından ve bu depolanan kapasitif enerjinin ilgili eleman iletimdeyken kaçak endüktansı üzerinden boşalması gerekeceğinden, bu parametre de yerel optimizasyon sürecine dahil edilmiştir. Son olarak ise dönüştürücünün çıkış kapasitörü için maliyet, kayıp, paralel kol sayısı gibi faktörler optimizasyon sürecine dahil edilmiştir. Sistem seviyesinde optimizasyonu süreci, her anahtarlama frekansı için ayrı optimizasyonlar içermekte olup nihayetinde ise optimum anahtarlama frekansı belirlenmiştir. ÇYAK topolojisinde anahtarlama frekansı dinamik bir değer olmadığından, diğer bir deyişle sabit bir anahtar frekansı ile çalışıldığından bu çalışma literatüre önemli bir boşluğu doldurmaktadır. Matematiksel optimizasyon süreci sonunda ortaya çıkan bileşenlerin toplam kayıpları, benzetim ortamında Ansys Maxwell, PSIM, Simulink gibi çeşitli yazılım araçları kullanılarak karşılaştırılmış ve doğrulanmıştır. Her devre bileşeninin farklı anahtar frekansı değerlerindeki kayıp güç miktarları ise grafikler vasıtası ile görselleştirilmiştir. Transformatör tasarımı sürecinde, kısa devre analizi ve elektrostatik analiz kullanılarak kaçak endüktans ve parazitik kapasitans değerleri belirlenmiştir. Bu değerler, daha gerçekçi bir çalışma yapılanabilmesi amacıyla tasarımın bir parçası olarak ele alınmış ve benzetim modellerine eklenmiştir. Hesaplanan değerlerin doğruluğu, birincil ve ikincil sargıların arasındaki mesafe veya çekirdekler arasındaki hava aralığı gibi değişkenlere bağlı olduğundan, bu analizlerin tasarım kriterlerine uygun nümerik kodlarla gerçekleştirilmesi, çalışmanın temel amacı açısından kritik bir öneme sahiptir. Bu şekilde, transformatör tasarımının daha güvenilir, optimize edilmiş ve gerçek çalışma koşullarına uygun olması sağlanmaktadır. Transformatör üzerindeki kaçak endüktans, özellikle bu topolojide önemli bir parametredir çünkü en uygun faz kayması miktarını ve dolayısıyla çıkış geriliminin kontrol aralığını etkileyerek kritik bir rol oynar. Transformatördeki hava aralığı miktarı, mıknatıslanma endüktansının düşmesine neden olur; bu nedenle, ÇYAK topolojisinde mıknatıslanma endüktansının kaçak endüktanstan önemli ölçüde yüksek olması gerektiğinden (en az 10 kat ve üzeri), hava aralığı, önemli bir optimizasyon parametresini oluşturur. Transformatör tasarımı sırasında, optimum birincil ve ikincil sargı sayıları, birincil ve ikincil sargıların toplam çapı ve kalınlığı, dinamik olarak değişen Steinmetz sabitleri gibi bir dizi parametre, optimizasyon sürecine dahil edilmiştir. Değişen frekanslarda nümerik olarak hesaplanan bu parametrelere bağlı olarak, bakır ve çekirdek kayıpları da dinamik olarak optimizasyon sürecine dahil edilmiştir. Ayrıca anahtarlama elemanlarını ısıl analizi için optimizasyon süreci sonucunda elde edilen soğutucu yüzey alanı ve ısıl direnç değerleri, benzetim ortamına dahil edilmiş ve düşük ile yüksek sıcaklık koşullarında kayıplardaki ilave artışlar ve azalışlar değerlendirilmiştir. Sonuç olarak, tasarım ve optimizasyon süreci, gerçekçi bir benzetim aracılığıyla doğrulanmıştır. Geniş çıkış aralığı belirlenmiş ve bu aralıkta yük modellemesi, arama çizelgesi (lookup table) kullanılarak hızlı bir şekilde gerçekleştirilmiştir. Bu yöntemle, hızlı dolum yapabilen bir batarya ihtiyacı sanal olarak modellenmiştir. Sanal batarya, PI (proportional, integral) kontrol yöntemi kullanılarak beslenmiş ve bu süreçte dinamik olarak SGA aralığı gözlemlenmiştir. Bu çalışma, gelişen mobilite ortamında çok özel ve verimli şarj altyapılarının tasarım otomasyonlarına katkı sağlamakta ve literatürde sıklıkla karşılaşılan gelişmiş kontrol sistem ve stratejilerinin entegrasyonu ile daha kusursuz bir yapının elde edilebilmesi olasılığının önünü açmaktadır.

Özet (Çeviri)

This study presents a pioneering approach in the design and optimization of Dual Active Bridge (DAB) converters for Type-2 Electric Vehicle (EV) charging infrastructure, utilizing advanced metaheuristic algorithms, specifically the Particle Swarm Optimization (PSO) method. It involves the application of PSO, a robust optimization technique inspired by social behavior patterns observed in nature, such as bird flocking or fish schooling. This method is adept at navigating complex, multi-dimensional solution spaces to identify optimal solutions that traditional methods might overlook. The focus of the study is the prevalent Type-2 charging stations, typically operating around the 7kW range. Given their widespread usage and cost-effectiveness, the research concentrates on optimizing the DAB converter for these stations. A gap in the literature regarding the dynamic analysis of component losses in DAB converters is identified and addressed through this study. The integration of PSO in this context is particularly innovative, given the unique challenges posed by Dual Active Bridge (DAB) converters. These challenges encompass the management of dynamic loads, varying power requirements, and the need to ensure efficient power transfer while maintaining system stability and reliability. The PSO algorithm tackles these challenges by simulating a group of particles (potential solutions) moving through the solution space. Each particle adjusts its trajectory based on its own experience and the collective wisdom of the swarm, effectively balancing exploration and exploitation strategies to converge on an optimal solution. In the component optimization phase, the PSO method is utilized to its full potential. This approach is pivotal for tuning components such as transformers, inductors, MOSFETs as switching elements, and capacitors. PSO's strength in efficiently exploring complex, multi-dimensional solution spaces allows for the optimal selection and configuration of these components, considering factors such as efficiency, loss, cost, and size. Contrastingly, the system optimization process diverges from the use of PSO. Instead, it employs a comprehensive frequency-sweeping methodology. This technique involves systematically varying the switching frequency of the DAB converter and evaluating the performance at each frequency. The objective is to identify the optimal switching frequency that minimizes losses and maximizes efficiency, thereby ensuring the converter's compatibility with a broad range of operational scenarios. The study also includes extensive simulation and validation work using tools like Ansys Maxwell, PSIM, and Simulink. These simulations serve to verify the theoretical models and provide practical insights into the real-world applicability of the optimized converter. Additionally, the study conducts a thorough thermal analysis of switching elements and assesses the leakage inductance of transformers, integrating all losses into the simulation environment for a realistic evaluation. In conclusion, this study significantly contributes to the field of EV charging infrastructure by presenting a combined metaheuristic and frequency-sweeping-based optimization framework for DAB converters. This approach yields a more efficient, reliable, and cost-effective solution for Type-2 EV charging stations, heralding advancements in smart charging technologies and sustainable transportation systems.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    798477

    Mayıs sineği optimizasyonu tabanlı iki yönlü çift aktif köprülüDA-DA dönüştürücünün tasarımı ve denetimi

    Design and control of bidirectional dual active bridge DC-DCconverter based on mayfly optimization

    MİRAÇ ÖZTÜRK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKaradeniz Teknik Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ HAKAN KAHVECİ

  2. Tez No

    886452

    Complaint processing system for facility management using augmented reality and building information modeling integration

    Tesis yönetimi için artırılmış gerçeklik ve yapı bilgi modellemesi entegrasyonunu kullanan şikayet işleme sistemi

    MUHAMMET DERVİŞ KOPUZ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik Üniversitesi

    Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. GÖKHAN İNCE

  3. Tez No

    674769

    Gemilerde organik rankine çevrimine dayalı atık ısı geri kazanım sistemlerinin ileri termal analizleri ve termo-ekonomik optimizasyonu

    Advanced thermal analyses and thermo-economic optimization of waste heat recovery systems based on organic rankine cycle onboard ships

    MEHMET AKMAN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Enerjiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SELMA ERGİN

  4. Tez No

    305179

    Optimization of energy harvesting wireless communication systems

    Enerji harmanlayan kablosuz haberleşme sistemlerin optimizasyonu

    HAKAN ERKAL

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2011

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü

    DOÇ. DR. ELİF UYSAL BIYIKOĞLU

  5. Tez No

    689933

    Development of antimicrobial mucoadhesive oral films containing olive leaf extract and microencapsulated thyme essential oil

    Zeytin yaprağı ekstraktı ve mikrokapsüllenmiş kekik uçucu yağı içeren antimikrobiyal mukoadezif oral filmlerin geliştirilmesi

    KÜBRA POTUK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    KimyaEge Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. OĞUZ BAYRAKTAR

Geri Dön