Geri Dön

Design and implementation of phase-shifted full-bridge converter with a current doubler for HV to LV battery charger in electric vehicles

Elektrikli araçlarda YG bataryadan AG bataryayı şarj eden akım katlayıcılı faz kaymalı tam köprü dönüştürücünün tasarımı ve gerçeklemesi

PDF İndir

  1. Tez No: 863521
  2. Yazar: TEVHİDE DAYIOĞLU YURDAKONAR
  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: 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: 181

Özet

İçten yanmalı araçlar uzun yıllardan beri yaygın olarak kullanılmaktadır. Nüfusun artmasıyla birlikte içten yanmalı araçların kullanım oranı da artmaktadır. Bu durum sera gazı salınımlarında ve doğal olarak küresel ısınmada oldukça büyük artışlara sebep olmaktadır. Dolayısıyla artan emisyon dünya genelinde küresel ısınma sorunun büyümesine yol açmaktadır. Bu probleme çözüm üretebilmek adına ülkeler arası Paris sözleşmesi gibi birçok protokol imzalanmaktadır. Dahası çevresel farkındalığın artması ve insanların karbon ayak izinin küçülmesi için çaba gösterilmektedir. Bu kapsamda son zamanlarda elektrikli araç kullanımı oldukça yayınlaşmıştır ve daha da yaygınlaşması hedeflenmektedir. Elektrikli araçların yaygınlaşması ile birçok farklı alanda farklı ihtiyaçlar oluşmaya başlamıştır. Bu ihtiyaçların içinde en öne çıkanları batarya sistemleri, güç elektroniği çeviricileri ve çekiş sistemleri ile ilgilidir. Elektrikli araçlarda iki tip batarya mevcuttur, bunlar yüksek gerilim ve alçak gerilim bataryadır. Yüksek gerilim bataryaları anot, katot ve kimyasal içeriklerine göre sınıflandırıldığında farklı yapılarda olduğu görülebilir. Yüksek gerilimli batarya aracın çekişi için kullanılır ve güç elektroniği çeviricilerinden biri olan evirici ile elektrik motoruna güç aktarımı sağlanır. Diğer bir güç elektroniği birimi olan onboard charger ise bu yüksek gerilimli bataryanın şebekeden şarj edilmesi için gereklidir. Elektrikli araçlarda yüksek gerilim batarya paketi ile beraber alçak gerilim bataryaya da ihtiyaç duyulmaktadır. Alçak gerilim bataryası ise araç içi yüklerin beslenmesinde rol alır. Bu alçak gerilim batarya ile yüksek gerilim batarya arasında bir DC-DC çevirici vardır. DC-DC çevirici alçak gerilim bataryasının şarj edilmesini ve araç içindeki klima, farlar, ses sistemleri, aydınlatma, elektronik kontrol üniteleri, silecek, cam sistemi gibi tüm aksesuarların beslenmesini sağlar. Elektrikli araçlarda, içten yanmalı araçlardaki akümülatörün yerine bu çevirici kullanılır. Günümüzde araçlardaki elektrifikasyonun, aksesuarların ve özelliklerinin artması sebebi ile DC-DC çeviricilerden talep edilen güç miktarı da artmaktadır. Bu artışı karşılayabilmek için bu DC-DC çeviricinin oldukça yüksek akımları sağlayabiliyor olması gerekmektedir. Yüksek akım beraberinde yüksek iletim kayıplarını da getirmektedir, bu sebeple uygun topoloji seçimi ile doğru bir şekilde tasarım yapmak oldukça önemlidir. Buna ek olarak, DC-DC çeviricilerin elektrikli araçların kullanımı durumunda sürekli olarak çalışır durumda olması ve yüksek gerilimli bataryadan beslenmesi sebebiyle verimli olması önemli bir kriterdir. Bu durum DC-DC çeviricinin aracın menzilini etkilediği anlamına gelmektedir. Verimin yanı sıra araç içindeki alanının kısıtlı olması sebebiyle, çeviricinin hacimsel anlamda da araç içindeki yerleşime uygun olması gerekmektedir. Dolayısıyla DC-DC çeviricinin yüksek güç yoğunluğuna (kW/L) sahip olması beklenmektedir. Bahsedildiği gibi DC-DC çevirici, yüksek gerilimli ve alçak gerilimli batarya arasında güç dönüşümü yapması sebebiyle güvenli çalışmayı sağlamak için bu çeviricilerin izoleli olması bir diğer önemli noktadır. Bu bahsedilen özellikler elektrikli araçlar için kullanılacak olan bir DC-DC çeviriciden beklenen ve olması gerek temel özelliklerdir. Bu tezde elektrikli araçlar için yüksek güç yoğunluklu ve verimli izole bir DC-DC çeviricinin tasarımı ve gerçeklenmesi üzerine çalışılmıştır. Tez kapsamında ilk olarak, geçmişten günümüze elektrikli araçların kısa tarihçesinden bahsedilip bataryalı elektrikli araçlar, şarj edilebilir hibrit elektrikli araçlar, hibrit elektrikli araçlar ve yakıt hücreli elektrikli araçlar hakkında bilgiler verilmiştir. Sonrasında yüksek gerilim ve alçak gerilim bataryalar ele alınarak bunlar kimyasal yapılarına göre sınıflandırılarak temel özellikleri paylaşılmıştır. Günümüzdeki elektrikli araçların tipleri ve genel özelliklerinin yanı sıra elektrikli araçların geleceği hakkında da bilgiler sunulmuştur. Uygulama gereksinimleri göz önünde bulundurularak izoleli ve tek yönlü çalışan çeviricilerin güç değeri, verim, maliyet, hacim, güç yoğunluğu, giriş ve çıkış gerilimi, avantajları ve dezavantajları incelenerek karşılaştırılmıştır. Bu kapsamda birincil tarafı faz kaydırmalı tam köprü çevirici, ikincil tarafı ise akım katlayıcı doğrultucudan (PSFB-CDR) oluşan çevirici yapısı seçilmiştir. Bu seçimin ana nedenleri, PSFB-CDR, geniş bir gerilim kazanç aralığında çalışma yeteneğine, düşük çıkış akımı dalgalanmasına ve sabit anahtarlama frekansı ile ZVS yapabilme kapasitesine sahip olmasıdır. Ayrıca CDR sayesinde iyileştirilmiş iletim kaybı, daha iyi termal performans, basit transformatör yapısı ve düşük dalgalılığa sahip yük akımı elde edilmiştir. Seçilen topolojinin çalışma prensibi ve modları detaylı bir şekilde açıklanmış ve ilgili dalga şekilleri verilmiştir. Çeviriciye ait anahtarlara, transformatöre, operasyonu etkileyen kritik zamanlamalara, indüktörlere, kapasitörlere ve ZVS durumuna ait tüm analitik hesaplamalar gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, transformatörün ve indüktörlerin üretimine yönelik yapılmış tasarım hesaplamaları paylaşılmıştır. Bir diğer önemli adım ise uygun kontrol yönteminin seçilmesidir. Gerilim modu, ortalama akım modu ve tepe akım modu kontrolü (PCMC) yöntemleri kapsamlı bir şekilde açıklanıp uygun kontrol yöntemi olarak PCMC yöntemi seçilmiştir. PCMC'nin çalışma prensibi ve seçilen mikrodenetleyici ile uygulanması anlatılmıştır. PSFB-CDR'nin küçük sinyal modeli ve transfer fonksiyonu elde edilmiştir. Seçilen kontrol metoduna göre, çeviricinin transfer fonksiyonu MATLAB/Simulink yazılımı ile modellenerek kontrolcünün parametreleri belirlenip açık döngü ve kapalı döngü davranışı karşılaştırılmıştır. Çevirici bileşenlerinin netleştirilmesi amacıyla üreticilerden alınmış gerçek komponent modelleri ile birlikte PSFB-CDR LTspice programında benzetişimi gerçekleştirilmiştir. Nominal operasyon koşullarında, farklı yük akımı değerleri için elde edilmiş sonuçlar ve dalga şekilleri incelenerek paylaşılmıştır. Ayrıca kenetleme diyotlarının etkisi değerlendirilmiş ve karşılaştırılmalı sonuçlar paylaşılmıştır. Benzetişim modellerinin sonrasında PSFB-CDR çevirisi tüm ara birimleri ile tasarlanmış ve gerçeklenmiş tasarım hakkında detaylar paylaşılmıştır. Benzetişimle aynı şekilde, nominal operasyon koşullarında, farklı yük akımı değerlerinde donanımsal ve laboratuvar testleri gerçekleştirilerek tamamlanmıştır. Her bir çalışma koşulunda elde edilen sonuçlar ve dalga şekilleri detaylı bir şekilde verilip benzetişim sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Tez kapsamında yapılan çalışmaların sonuçlarına göre, 250 A yük akımı için nominal çalışma noktasındaki benzetişim sonucuna göre %96.54 verim elde edilmiştir. Aynı çalışma noktası için laboratuvar testlerinden elde edilen verim değeri ise %93.4'tür. Verimdeki bu farklılığın ana sebebi yüksek akımlarda baskı devrede baskın hale gelen iletim kayıplarının ve buna ek olarak termal etkilerin benzetişim modelinde etkisinin görülmemesidir. Laboratuvar testlerindeki sonuçlarına göre en yüksek verim yük akımı 150 A iken nominal çalışma noktasında %95.19 olarak elde edilmiştir. Yük akımı 150 A'in üzerine çıktığında iletim kayıplarının daha baskın olması nedeniyle verim düşmüştür. Yapılan analitik hesaplamalar ile benzetişim ve deneysel sonuçların birbirleri ile uyumlu olduğu görülmüştür. Tezin bir diğer çıktısı ise farklı üreticilerin tasarımlarına bakıldığında ortalama güç yoğunluğunun 1.2 kW/L iken çalışma kapsamında gerçeklenen çevirici tasarımının güç yoğunluğunun 1.87 kW/L olmasıdır. Tez kapsamında son olarak, verimi ve daha yüksek akımlarda iletim kayıplarını iyileştirmek ilerideki yapılabilecek çalışmalar olarak paylaşılmıştır. Ayrıca teknolojik gelişmelere uyum sağlamak amacıyla dönüştürücü çift yönlü olarak ve 800 V'a kadar giriş gerilimlerinde çalışabilecek şekilde revize edilebileceği yine gelecekteki çalışmalar kapsamında değerlendirilmiştir.

Özet (Çeviri)

Internal combustion vehicles have been widely used for many years. With the increase in population, the usage rate of internal combustion vehicles also increases. This situation causes significant increases in greenhouse gas emissions. Therefore, increasing emission leads to the growth of the global warming problem worldwide. Many protocols such as the Paris Agreement, have been signed between countries in order to solve this issue. Moreover, efforts are made to increase environmental awareness and reduce people's carbon footprint. Electric vehicles (EVs) have recently become widespread within this scope. It is aimed at making the use of electric vehicles more prevalent. With the extensive use of EVs, different needs have begun to emerge in many different areas. The most prominent of these needs are related to battery systems, power electronic converters, and traction systems. There are two types of batteries in electric vehicles: high-voltage and low-voltage batteries. High voltage batteries have many different types when classified according to their chemical content. The high-voltage battery is used for the traction of the vehicle, and the power is transferred to the electric motor with the inverter, which is one of the power electronic converters in EVs. Another power electronics unit, which is the onboard charger, is required to charge this high-voltage battery. Even though electric vehicles have high voltage battery, low voltage battery is still needed. The low-voltage battery plays a role in feeding the in-vehicle loads. There is another DC-DC converter between this low-voltage battery and the high-voltage battery. A DC-DC converter is a converter that charges the low-voltage battery and supplies all accessories in the EV, such as air conditioner, headlights, sound systems, lighting, electronic control units, wiper, and window system. This converter is used in electric vehicles instead of the belt-driven generator in internal combustion vehicles. Today, due to the increase in vehicle electrification, accessories, and features, the amount of power demanded from DC-DC converters is also increasing. In order to meet this increase, this DC-DC converter must be able to provide very high currents. High current also brings high transmission losses, so it is essential to design properly with appropriate topology selection. In addition, it is an important criterion that DC-DC converters must be efficient due to continuous operation when the vehicle is in use. This means that a DC-DC converter affects the range or vehicle. In addition to efficiency, the converter must also be suitable for placement in the vehicle in terms of volume, owing to the limited space in the vehicle. Therefore, the DC-DC converter is expected to have a high power density (kW/L). As mentioned, since the DC-DC converter converts power between high-voltage and low-voltage batteries, another important point is that these converters are isolated to ensure safe operation. These are the basic features expected and required from a DC-DC converter to be used for electric vehicles. This thesis studies the design and implementation of a high power density and efficient isolated DC-DC converter for electric vehicles. First of all, a short history of EVs from past to present is shared. Brief information about battery electric vehicles, plug-in hybrid electric vehicles, hybrid electric vehicles, and fuel-cell electric vehicles is given. Afterward, high-voltage and low-voltage batteries were mentioned and their properties are shared by classifying them according to their chemical construction. In addition to information about the types and general features of today's EVs, the future of electric vehicles is given. Isolated and unidirectional converters are investigated and evaluated in terms of power rating, efficiency, cost, volume, power density, input and output voltage, advantages and disadvantages. As a result, a phase-shifted full-bridge converter (PSFB) with a current doubler rectifier (CDR) is selected as a suitable converter. The main reasons for this selection are that PSFB with CDR have a wide voltage gain range operation ability, low output current ripple, and ZVS operation capability with constant switching frequency. Moreover, reduced conduction loss, better thermal performance, simpler transformer structure, and lower ripple load current can be achieved thanks to CDR. Operating principles of PSFB with CDR converter and related waveforms of each operating mode are given in detail. All analytical calculations about switches, transformer, critical timings, inductors, capacitors and ZVS condition are given. Information on selected components is shared according to calculations. Moreover, design calculations to manufacture the transformer which is a planar transformer and inductors which are output and shim inductor are given. Another important step, which is the decision on a suitable control method. Voltage mode, average current mode and peak current mode control (PCMC) methods are explained inclusively. PCMC method is selected as a suitable control method. The operating principle and implementation of the selected microcontroller of PCMC are explained. Small-signal model and transfer function of PSFB with CDR converter are obtained. Controller parameters of the PCMC method are determined with the modeled transfer function in MATLAB/Simulink. Open loop and close loop behavior are compared. Afterwards, the converter is simulated with the real model of selected components, which are provided by the manufacturer, in LTspice. All results and waveforms are obtained for the operation at nominal operating conditions with different load currents. In addition, the clamping diodes effect is evaluated and results are shared. PSFB with a CDR converter is designed and implemented. General information about the design and parts of the implemented design are shared. Laboratory tests are completed under the nominal operating conditions with different load currents as the simulation. Detailed experimental results and waveforms are shared and compared with simulation results. As a result of the studies carried out within the scope of this thesis, the efficiency is obtained according to the simulation result at the nominal operating point for 250 A load current as 96.54%. The efficiency obtained from laboratory tests for the same operating point is 93.43%. The reason for this difference in efficiency is conduction losses, which become dominant in the printed circuit board at high currents, and thermal effects, which do not affect the simulation. According to the results of laboratory tests, the highest efficiency is 95.19% at the nominal operating point when the load current is 150 A. Efficiency decreases for load currents which are higher than 150A because of the more dominant conduction losses. It can be observed that the analytical calculations, simulation, and test results are compatible with each other. Another outcome of the thesis is that the average power density of the different manufacturers' designs is 1.2 KW/L, while the power density of the realized design is 1.87 kW/L. Finally, improving efficiency and conduction losses at higher currents are shared as future work. Furthermore, in order to adapt to technological developments, the converter can be revised to operate bidirectionally and at input voltages up to 800 V.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    659686

    Kondansatör şarjı için yüksek kazançlı da-da dönüştürücü tasarımı ve uygulaması

    Design and implementation of a high gain dc-dc converter for capacitor charging

    HALİL KAVAK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiGazi Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MEHMET TİMUR AYDEMİR

  2. Tez No

    450669

    Sıfır gerilim anahtarlamalı akım katlamalı faz kaydırmalı tam köprü DA-DA dönüştürücü devresinin tasarımı ve gerçekleştirilmesi

    Design and implementation of zero voltage switching current doubler phase-shifted full bridge DC-DC converter circuit

    HÜSEYİN AKSOY

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2015

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiGazi Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MEHMET TİMUR AYDEMİR

  3. Tez No

    199214

    Analysis, design, and implementation of a 5 kW zero voltage switching phase-shifted full-bridge DC/DC converter based power supply for arc welding machines

    Ark kaynağı makinaları için 5 kW sıfır gerilimde anahtarlamalı faz-kaymalı tam-köprü DC/DC dönüştürücü tabanlı güç kaynağının analiz, tasarım ve imalatı

    MUTLU USLU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2006

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. AHMET MASUM HAVA

  4. Tez No

    421137

    Sıfır gerilimde anahtarlamalı, faz kaydırmalı rezonant PWM kontrollü, tam köprü DC-DC dönüştürücü tasarımı ve uygulanması

    Design and application of zero voltage switching, phase shifted resonant PWM controlled, full bridge DC-DC converter

    AKİF HAKKI POLAT

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2015

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ÖZGÜR ÜSTÜN

  5. Tez No

    176850

    Design, implementation, and control of a two ? stage AC/DC isolated power supply with high input power factor and high efficiency

    Yüksek verimlilikte çalışan yüksek giriş güç çarpanlı, iki katlı, izolasyonlu, AA/DA güç kaynağının tasarım denetim ve imalatı

    MEHMET CAN KAYA

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2008

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü

    YRD. DOÇ. DR. AHMET MASUM HAVA

Geri Dön