Βελτιωμένος σχεδιασμός και έλεγχος μετατροπέων συντονισμού για φόρτιση συσσωρευτών

Abstract

Battery charging is inextricably linked to the development of applications that require electrical energy storage. Especially, in the field of electromobility there are various charging methods, depending on the requirements that are needed to be served. For example, there are off-board chargers for fast-charging but with limited access due to the required infrastructure for this type of charging stations. There are also on-board chargers that allow charging through a conventional supply from the grid but have lower specifications, and finally there are wireless chargers which offer unique advantages but have greater complexity and limitations. In this doctoral thesis, the research is focused on the last two types of chargers, and more specifically on the DC-DC conversion stage which is responsible for charging the batteries according to the appropriate charging profile. The electronic power converters that are being studied, consist of two full-bridges with a resonant circuit in between, and they offer the possibility of significantly reducing the switching losses. However, due to the strong dependence of the electrical parameters of the converter on the changing load at the output and the operating frequency, the design and the control of the circuit are challenging factors. Thus, in this work, a design methodology for the resonant tank parameters is proposed, in order to reduce the stress on the components without oversizing them and to ensure at the same time the efficient operation of the converter throughout the whole charging range. As for the control method, it is implemented using two control variables, the frequency and the phase-shift of the pulses of the inverting bridge. As a result, either the current or the output voltage is regulated, depending on the operating state of the charger, and at the same time the zero-voltage switching (ZVS) at the turn-off of the semiconductors of the inverter is ensured. The rectifying bridge is driven synchronously to reduce the conduction losses, while its switching losses are zero due to the soft-commutation of the current in each leg of the bridge. The effect of the angle at which ZVS is achieved, which is defined by the zero-crossings of voltage and the current at the inverter output, is further investigated. More specifically, through theoretical and experimental results it is concluded that the value of this angle has impact on the form and the RMS value of the currents in the resonant tank, therefore the stress on the circuit components is also affected. Thus, there is a specific value of the angle at which the efficiency of the converter is maximized and it is different depending on the charging state. Based on this, a simple control algorithm is proposed according to which the value for the optimal operation is automatically detected, and it is also adaptable to converters with different design characteristics. In addition, an alternative winding method of the power transformer is proposed to widen the design range and therefore to be able to achieve the desired magnetizing inductance and stray inductance, thus avoiding the use of additional inductors in the resonant tank. Next, follows the study of the wireless charger based on the inductive power transfer, by adopting the simple series-series compensation circuit. The working principle of the circuit is the same as that of the conventional charger, with the main difference that the transformer is replaced by coupled inductors. Therefore, since the converter must be redundant and perform efficiently even to changes of the resonant tank elements, a design methodology is proposed to ensure the operation of the converter in a wide range of the coupling coefficient and for the whole load spectrum, while limiting the stress on the circuit components. In addition, the same control algorithm is applied to find the operating point with the maximum efficiency at any operating state. As a result, the wireless charger has the ability to operate efficiently under different conditions of vertical distance and misalignment between the transmitter and receiver coils. The theoretical analysis, the design and the control methods that are presented in this doctoral thesis are confirmed through simulations and later with the implementation of laboratory prototypes to verify the results.

Η φόρτιση των συσσωρευτών είναι άρρηκτα συνδεδεμένη με την ανάπτυξη εφαρμογών στις οποίες απαιτείται αποθήκευση της ηλεκτρικές ενέργειας. Ειδικότερα, στον τομέα της ηλεκτροκίνησης υπάρχουν διαφορετικές μέθοδοι φόρτισης, ανάλογα με τις απαιτήσεις που θα πρέπει να εξυπηρετηθούν. Για παράδειγμα, υπάρχουν φορτιστές εκτός οχήματος για ταχεία φόρτιση, αλλά με περιορισμένη πρόσβαση λόγω των απαιτούμενων υποδομών για τέτοιου είδους σταθμούς φόρτισης. Υπάρχουν, επίσης, οι φορτιστές εντός οχήματος με τους οποίους η φόρτιση μπορεί να γίνει μέσω της συμβατικής παροχής του δικτύου, αλλά έχουν μικρότερες προδιαγραφές ώστε να μην επιβαρύνεται το όχημα, και τέλος υπάρχουν οι ασύρματοι φορτιστές οι οποίοι προσφέρουν μοναδικά πλεονεκτήματα αλλά έχουν μεγαλύτερη πολυπλοκότητα και περιορισμούς. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή, η έρευνα επικεντρώνεται στις τελευταίες δύο κατηγορίες φορτιστών και συγκεκριμένα στο τμήμα του συστήματος που αφορά τη μετατροπή της συνεχούς τάσης σε συνεχή, και στο οποίο γίνεται ο έλεγχος για την κατάλληλη φόρτιση των συσσωρευτών. Ειδικότερα, μελετώνται οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος που αποτελούνται από δύο πλήρεις γέφυρες με κύκλωμα συντονισμού ενδιάμεσα, καθώς προσφέρουν τη δυνατότητα σημαντικής μείωσης των διακοπτικών απωλειών. Λόγω, ωστόσο, της μεγάλης εξάρτησης των ηλεκτρικών μεγεθών του μετατροπέα από το μεταβαλλόμενο φορτίο στην έξοδο και τη συχνότητα λειτουργίας, αυξάνεται η δυσκολία σχεδιασμού και ελέγχου του κυκλώματος. Έτσι, στα πλαίσια της παρούσας εργασίας προτείνεται μια μεθοδολογία σχεδιασμού του κυκλώματος συντονισμού, ώστε να επιτυγχάνεται η ελάχιστη δυνατή καταπόνηση των στοιχείων χωρίς να γίνεται υπερδιαστασιολόγησή τους και να εξασφαλίζεται ταυτόχρονα η αποδοτική λειτουργία του μετατροπέα σε όλο το φάσμα φόρτισης των συσσωρευτών. Όσον αφορά τον έλεγχο του μετατροπέα, υλοποιείται με τη χρήση δύο μεταβλητών ελέγχου, της συχνότητας και της διαφοράς φάσης των παλμών της γέφυρας του αντιστροφέα. Με αυτόν τον τρόπο ρυθμίζεται είτε το ρεύμα είτε η τάση εξόδου, ανάλογα με την κατάσταση λειτουργίας του φορτιστή, και ταυτόχρονα εξασφαλίζεται η έναυση των ημιαγωγικών στοιχείων της γέφυρας του αντιστροφέα υπό μηδενική τάση (zero-voltage switching – ZVS). Η ανορθωτική γέφυρα οδηγείται σύγχρονα για μείωση των απωλειών αγωγής, ενώ οι διακοπτικές απώλειες σε αυτήν είναι μηδενικές λόγω της ομαλής μετάβασης του ρεύματος μεταξύ των ημιαγωγικών στοιχείων του ίδιου κλάδου. Έπειτα, γίνεται περαιτέρω διερεύνηση της επίδρασης που έχει η γωνία υπό την οποία επιτυγχάνεται ZVS, η οποία ορίζεται από τους μηδενισμούς της τάσης και του ρεύματος στην έξοδο του αντιστροφέα. Πιο συγκεκριμένα, μέσα από θεωρητικά και πειραματικά αποτελέσματα φαίνεται πως η τιμή αυτής της γωνίας επηρεάζει τη μορφή και την ενεργό τιμή των ρευμάτων στο κύκλωμα συντονισμού, επομένως έχει επίδραση και στην καταπόνηση των στοιχείων του κυκλώματος. Έτσι, λοιπόν, υπάρχει συγκεκριμένη τιμή της γωνίας γιατί την οποία η απόδοση του μετατροπέα μεγιστοποιείται και μάλιστα είναι διαφορετική ανάλογα με την κατάσταση της φόρτισης. Βάσει αυτού, προτείνεται ένας αλγόριθμος ελέγχου με τον οποίο η εύρεση της τιμής για τη βέλτιστη λειτουργία γίνεται αυτόματα και ο οποίος μπορεί και προσαρμόζεται σε μετατροπείς με διαφορετικά σχεδιαστικά χαρακτηριστικά. Επιπλέον, προτείνεται μια εναλλακτική μέθοδος περιέλιξης του μετασχηματιστή ισχύος, ούτως ώστε να διευρυνθεί το εύρος σχεδιασμού για την επίτευξη της επιθυμητής επαγωγής μαγνήτισης και επαγωγής σκέδασης, αποφεύγοντας με αυτόν τον τρόπο τη χρήση επιπλέον πηνίων. Στη συνέχεια, ακολουθεί η μελέτη του ασύρματου φορτιστή που βασίζεται στην επαγωγική μεταφορά ενέργειας και τη χρήση του απλού κυκλώματος αντιστάθμισης σειράς-σειράς. Η αρχή λειτουργίας του κυκλώματος είναι ίδια με αυτήν του ενσύρματου φορτιστή, με τη βασική διαφορά ότι ο μετασχηματιστής αντικαθίσταται από συζευγμένα πηνία με μεταβλητή σύζευξη. Επομένως, δεδομένου ότι ο μετατροπέας θα πρέπει να ανταποκρίνεται επαρκώς στις μεταβολές των παραμέτρων του κυκλώματος συντονισμού, προτείνεται μια μεθοδολογία σχεδιασμού για την εξασφάλιση της λειτουργίας του μετατροπέα σε ένα ευρύ φάσμα του συντελεστή σύζευξης και για όλο το εύρος φόρτισης, περιορίζοντας ταυτόχρονα την καταπόνηση των στοιχείων του, με στόχο την αποδοτική λειτουργία του κυκλώματος. Επιπλέον, εφαρμόζεται ο ίδιος αλγόριθμος ελέγχου για την εύρεση του σημείου λειτουργίας με τη μέγιστη απόδοση. Έτσι, ο ασύρματος φορτιστής έχει τη δυνατότητα να λειτουργεί αποδοτικά υπό διαφορετικές συνθήκες της κάθετης απόστασης και της ευθυγράμμισης μεταξύ του πομπού και του δέκτη.Η θεωρητική ανάλυση, οι διαδικασίες σχεδιασμού και η μέθοδος ελέγχου που παρουσιάζονται στην παρούσα διδακτορική διατριβή, επιβεβαιώνονται μέσω προσομοιώσεων και μετέπειτα με την υλοποίηση εργαστηριακών πρωτοτύπων για επαλήθευση των αποτελεσμάτων.