A holistic design optimization method for LLC converters in light electric vehicle chargers
Hafif elektrikli araç şarj cihazlarındaki LLC dönüştürücüler için bütünsel bir tasarım optimizasyon yöntemi
- Tez No: 887718
- Danışmanlar: DOÇ. DR. DERYA AHMET KOCABAŞ, DOÇ. DR. MEHMET ONUR GÜLBAHÇE
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 168
Özet
1990'ların başından bu yana benzin fiyatı sürekli olarak artmaktadır. Bu artış geleneksel ulaşımı daha pahalı hale getirmektedir. Bu arada, malzeme bilimi ve batarya üretim teknolojisi ilerledikçe, batarya maliyetleri yavaş yavaş düşmekte ve enerji depolama kapasiteleri her yıl artmaktadır. Bu değişiklikler, geleneksel benzinli motorlardan modern elektrikli sürüş sistemlerine geçişi teşvik etmektedir. Bu nedenle Elektrikli Araç (EV) teknolojilerinin geliştirilmesine giderek daha fazla odaklanılmaktadır. EV'ler enerji tasarrufu, düşük karbon emisyonu ve uzun vadede uygun maliyet avantajları nedeniyle giderek daha fazla dikkat çekmektedir. EV'lerin güç kaynağı, harici bir elektrik kaynağına takılarak tam şarj edilebilen yüksek gerilimli DC şarj edilebilir bir bataryadır. EV'ler, aracın bataryasını şarj etmek üzere şebekeden gelen alternatşf akımı (AA) doğru akıma (DA) dönüştürmek için yerleşik bir şarj sistemine ihtiyaç duyar. Bu şarj sistemi bir ev prizine veya bir hızlı şarj istasyonuna bağlanabilir. Bu nedenle, yüksek verimli ve küçük hacimli bir batarya şarj sistemi, EV'lerin elektrik sisteminde çok önemli bir rol oynamaktadır. Bu doktora tezi, hafif elektrikli araç (LEV) şarj sistemlerindeki uygulamalara odaklanarak, LLC dönüştürücülerinin tasarım en iyileştirmesi üzerine çok sayıda araştırma çalışmalarını tutarlı bir anlatı halinde birleştirmektedir. Tez, manyetik bileşen tasarımı, sistem en iyileştirmesi ve parazitik unsurların yüksek doğruluklu benzetim modellerine dahil edilmesine yönelik kapsamlı bir yaklaşımla sonuçlanan her bir çalışmanın bulgularını sırayla inşa edecek şekilde yapılandırılmıştır. İlk çalışma, transformatör ve indüktör bileşenlerinin iyileştirmesine vurgu yaparak LLC rezonans dönüştürücülerinin manyetik tasarımına yeni bir yaklaşım getirmektedir. Bu yaklaşım, batarya şarj cihazları ve hafif elektrikli araç şarj sistemleri gibi çeşitli uygulamalar için uygun bir çözüm sunar. Geliştirilen en iyileştirme tekniği, manyetik akı yoğunluğunun belirli aralıklarda değiştirilmesi esasına dayanır. En iyi manyetik akı yoğunluğunun seçilmesiyle güç kaybını, maliyeti ve hacmi en aza indirgeyerek, geleneksel tasarım algoritmalarına kıyasla önemli bir iyileşme sağlar. Isıl ve manyetik sınırlamalar altında bakır ve çekirdek kayıplarını maliyet, hacim ve güç verimliliği kısıtlamalarına karşı sistematik olarak dengeler. Algoritmanın etkinliği, LEV'ler için 3700W 48V LLC şarj sisteminin tasarımıyla gösterilmiş ve geleneksel tek çekirdekli tasarımlara kıyasla dağıtılmış çekirdek yapılarının ve değişen sargı türlerinin faydaları vurgulanmıştır. Bu optimize edilmiş yaklaşım sadece kayıpları azaltmakla kalmaz, aynı zamanda ısıl yönetim zorluklarını da ele alır, böylece genel verimliliği ve performansı artırır. Manyetik en iyi duruma getirmeyi genişleten sonraki çalışma, LLC dönüştürücüler için sistem düzeyinde tasarım hususlarını içerecek şekilde kapsamı genişletmektedir. Rezonans frekansı belirleme, anahtarlama frekansı limitleri ve kalite faktörü kriterlerini tasarım sürecine dahil eden bu araştırma, kapsamlı bir uygunluk fonksiyonuna dayalı olarak tüm dönüştürücüyü iyileştirmektedir. Sonuç, yalnızca LEV şarj cihazlarının yüksek verimlilik ve küçük boyut gereksinimlerini karşılamakla kalmayan, aynı zamanda deneysel ve benzetim sonuçları aracılığıyla önerilen tasarım çerçevesini doğrulayan 3700W / 48V LLC prototipidir. Bu tez, batarya şarj sistemlerinin doğrusal olmayan yük profillerini ve çok çekirdekli konfigürasyonları kullanarak trafonun boyutunun küçültülmesini sistematik olarak dikkate alır. Uygulamada, bu yaklaşım bir hafif elektrikli araç şarj cihazında test edilmiş ve %98,2 gibi etkileyici bir zirve verimliliğe ulaşmıştır. Doğru modellemenin öneminin farkında olarak, tezin bir başka yönü de parazitik unsurları LLC dönüştürücü benzetimlerine dahil etme zorluğunu ele almaktadır. Bu araştırma, parazitik bileşenlerin gerçek dünyadaki etkilerini hesaba katarak dönüştürücü performansının tahmin doğruluğunu artırmakta ve böylece yüksek verimli, yüksek güç yoğunluklu dönüştürücülerin daha güvenilir tasarımını ve en iyi duruma getirilmesini sağlamaktadır. Tez, alternatif sargı bağlantılarına sahip (üçgen-üçgen, yıldız-yıldız, zigzag-zigzag vs. ) üç fazlı bir LLC dönüştürücünün tasarımına ve optimizasyonuna odaklanır. Bu çalışma, rezonans frekansını optimize ederek güç kaybını, hacmi ve maliyeti en aza indirgemeyi amaçlayan sistematik bir tasarım çerçevesi önerir. Bu tez kapsamında batarya şarj uygulamaları için tasarlanmış, çıkış akımı ve çıkış geriliminin her ikisinin de dikkate alındığı bir LLC rezonans dönüştürücü için bir kapalı döngü kontrolü önermektedir. LLC rezonans dönüştürücü için bir sabit akım (CC) ve sabit gerilim (CV) kontrol sistemi batarya şarj uygulamaları için ayrıntılı olarak sunulmuştur. LLC dönüştürücünün küçük sinyal modeli, daha doğru dinamik model elde etmek için hem rezonans üstü hem de rezonans altı koşullar için türetilmiştir. LLC rezonans dönüştürücünün basit bir üçüncü dereceden eşdeğer devre modeli türetilmiş ve dönüştürücünün darbe frekansı dinamikleri ve küçük sinyal davranışı bu devre modeli ile çok iyi bir şekilde tahmin edilmiştir. Her bir transfer fonksiyonuna oransal-integral kontrol uygulanmıştır. Sırasıyla 48V ve 54V çıkış geriliminde CC ve CV işlemleri için tasarlanan kompansatörler farklı çalışma noktalarında simüle edilmiştir. Çıkış akım ve gerilim referanslarının tüm yük profilleri için başarılı bir şekilde takip edildiği gösterilmiştir. Yüksek anahtarlama hızı, bir anahtarlama döngüsü sırasında depolanacak daha az enerji anlamına gelir. Sonuç olarak, manyetik bileşenin boyutu büyük ölçüde azaltılabilir. Buna ek olarak, azaltılmış sarım sayısı, baskı devre kartını sargı olarak kullanma fırsatı sağlar. Geleneksel litz-tel tabanlı manyetiklerle karşılaştırıldığında, düzlemsel manyetik bileşenler dönüştürücü boyutunu etkili bir şekilde azaltır. Sonuç olarak, bu tez LEV şarjı ve ötesi için LLC dönüştürücü teknolojisinin anlaşılmasını ve uygulanmasını bütüncül olarak geliştiren bir dizi birbirine bağlı çalışma sunmaktadır. Her bir araştırma bileşeni kendi başına değerli olmakla birlikte, güç elektroniği tasarımında daha geniş bir yenilik ve optimizasyon anlatısına katkıda bulunmaktadır. Bulgular sadece mevcut tasarım zorluklarına pratik çözümler sunmakla kalmamakta, aynı zamanda bu alanda gelecekteki ilerlemelerin de önünü açmaktadır. Bu çalışma kısmen Avrupa Birliği Horizon 2020 Araştırma ve Yenilik Programı Marie Sklodowska-Curie Hibe Programı tarafından 101031029 numaralı proje üzerinden, kısmen TÜBİTAK 2232 Uluslararası Üstün Başarılı Araştırmacılar Burs Programı tarafından 118C374 numaralı proje üzerinden ve kısmen de İstanbul Teknik Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Birimi tarafından MDK-2022-43680 numaralı proje üzerinden desteklenmiştir.
Özet (Çeviri)
Since the early 1990s, gasoline prices have been steadily increasing, making traditional transportation more expensive. Meanwhile, advancements in material science and battery manufacturing technology have led to gradually decreasing battery costs and increasing energy storage capacities each year. These changes are encouraging the shift from traditional gasoline engines to modern electric drive systems, leading to a growing focus on developing Electric Vehicle (EV) technologies. EVs are gaining attention due to their energy-saving capabilities, low carbon emissions, and long-term cost-effectiveness. The power source for EVs is a high-voltage DC rechargeable battery that can be fully charged by connecting to an external electrical source. EVs require an onboard charging system that converts alternating current (AC) from the grid to direct current (DC) to charge the vehicle's battery. This charging system can be connected to a household outlet or a fast-charging station. Therefore, a highly efficient and compact battery charging system plays a crucial role in the electrical system of EVs. A novel optimization method for the design of gapped and distributed core magnetics in LLC converters, suitable for applications ranging from battery chargers to light electric vehicle charging systems, is presented in this thesis. Through a sequence of integrated studies, a comprehensive framework for the design and optimization that addresses the challenges posed by varying loads and operational conditions is developed. Initially, an innovative optimization technique utilizing by sweeping the magnetic flux density is introduced. This technique enables the optimal magnetic flux density to be selected, minimizing the power loss, cost, and volume of magnetic components. Unlike traditional design algorithms that focus on singular core configurations, this method considers multiple distributed cores. The validity of this approach is demonstrated through co-simulation and experimental results on a high-power prototype, offering a significant advancement over conventional design methodologies. Further, the exploration extends to a holistic design optimization method. This method systematically considers the non-linear load profiles characteristic of battery charging applications and incorporates a multi-core configuration for transformer size reduction. The effectiveness of this approach is evidenced by the implementation in a light electric vehicle charger, achieving a peak efficiency of 98.2%. Additionally, a high-precision simulation model incorporating parasitic elements is developed to accurately represent LLC resonant converters. This model enhances the understanding of system behaviors under various operational conditions, highlighting the importance of considering transient phenomena. An extended describing function model is also examined, facilitating the control of LLC converters with variable switching frequencies. This model aids in the compensator design for constant-current and constant-voltage operations, ensuring stable performance across diverse load conditions. A specific focus is placed on the design and optimization of a three-phase LLC converter with a Δ−Δ winding configuration. This study proposes a systematic design framework that optimizes the resonant frequency to minimize power loss, volume, and cost, showcasing a substantial improvement in magnetic losses compared to traditional configurations. In this thesis, these contributions offer a significant advancement in the field of LLC converter optimization, presenting a robust foundation for future research and development in power conversion systems. In conclusion, this thesis presents a series of interconnected studies that collectively enhance the understanding and implementation of LLC converter technology for LEV charging and beyond. While each research component is valuable on its own, together they contribute to a broader narrative of innovation and optimization in power electronics design. The findings not only offer practical solutions to current design challenges but also pave the way for future advancements in this field. This study is supported in part by European Union's Horizon 2020 Research and Innovation Programme under the Marie Sklodowska-Curie under Grant 101031029, in part by the 2232 International Fellowship for Outstanding Researchers Program of TUBITAK under Grant 118C374 and in part by the Scientific Research Projects Unit of Istanbul Technical University under Grant MDK-2022-43680.
Benzer Tezler
- Building performance optimization through design decision process with a holistic approach
Bütünsel bir yaklaşımla tasarım süreci boyunca bina performans optimizasyonu
DUYGU UTKUCU
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiEnerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HATİCE SÖZER
- Automated hybrid-electric propulsion architecturemodeling for conceptual aircraft design: A novel approachto integrating system architecting in MDO
Kavramsal uçak tasarımı için otomatik hibrit-elektrikli itki mimarisi modellemesi: Sistem mimarisini MDO'ya entegre etmek için yeni bir yaklaşım
MAHMOUD ESSAM ABDELMONEAM FOUDA
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Havacılık ve Uzay MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiHavacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. DİLEK FUNDA KURTULUŞ
DR. LUCA BOGGERO
- An approach for simulation-based multi-objective optimization of dynamic shading devices
Dinamik gölgeleme elemanlarının simülasyon tabanlı çok amaçlı optimizasyonuna yönelik bir yaklaşım
AYÇA KIRIMTAT
Doktora
İngilizce
2024
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. GÜLTEN MANİOĞLU
- İki boyutlu sesüstü bir hava alığının görev zarfına uygun şekilde genetik algoritma yöntemi ile eniyilenmesi
2 dimensional supersonic inlet optimization respect to mission profile with genetic algorithm method
COŞKU ÇATORİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ONUR TUNÇER