Elektrikli araçlar için ZVS LLC dönüştürücü ile batarya şarj sistemi tasarımı

Abstract

Fosil yakıtların çevre kirliliğine sebep olması ve limitli kaynaklara sahip olması birçok sektörü elektrik enerjisi kullanımına itmiştir. Günümüzde kara taşıtlarından deniz taşıtlarına kadar birçok araç enerji kaynağı olarak elektrik enerjisini kullanmaya başlamıştır. Bu araçların her biri farklı güç değerlerine sahip batarya şarj sistemlerine ihtiyaç duymaktadır. Bu ihtiyacı karşılamak için izoleli DA-DA rezonans dönüştürücüleri sıklıkla tercih edilmektedir. Bu dönüştürücülerin en önemli özelliklerinden biri şebeke ile batarya sistemi arasında galvanik izolasyon sağlamalarıdır. Böylece daha güvenli çalışma koşulları elde edilmektedir. Ayrıca rezonans dönüştürücü devreleri yumuşak anahtarlama teknikleri sayesinde anahtarlama elemanları üzerindeki kayıpları, akım ve gerilim stresini azaltarak devrenin verimini arttırmaktadır. Bununla birlikte anahtarlama elemanlarının kullanım ömrünü de uzatmaktadır. Bu yöntemler güç yoğunluğunun arttırılmasını ve Elektromanyetik Girişim (Electromagnetic Interference, EMI)'in azalmasını sağlamaktadır. Rezonans dönüştürücülerinin bu gibi özellikleri yüksek frekanslı uygulamalarda maliyet ve boyut gibi konularda avantaj sağlamaktadır. Bu çalışmada izoleli rezonans dönüştürücülerinden biri olan LLC rezonans dönüştürücü; güç yoğunluğu, yüksek frekans çalışma performansı ve maliyet gibi avantajları sebebi ile batarya şarj devresi tasarımı için kullanılmıştır. Elektrikli araçlarda kullanılan lityum tabanlı piller için tasarlanan sistem 55 V/50A maksimum çıkış gerilim ve akım değerine sahiptir. Devrenin farklı frekans değerlerindeki çalışma performansının incelenebilmesi ve rezonans tank elemanlarının hesaplanabilmesi için temel harmonik yaklaşımı yöntemi (First Harmonic Approach, FHA) kullanılarak sisteme ilişkin AA eşdeğer devresi elde edilmiştir. Eşdeğer devre ile frekans – kazanç grafiği türetilmiştir. Bataryanın sabit akım – sabit gerilim (CC-CV) yöntemi ile şarj edilebilmesi için oransal-integral (Proportional-Integral, PI) kontrolcü kullanılmıştır. Tasarlanan devre MATLAB/Simulink ortamında oluşturulmuş ve simüle edilmiştir. Ayrıca 500W (55V/10A) çıkış gücüne sahip prototipi üretilmiştir.The fact that fossil fuels cause environmental pollution and have limited resources has led many sectors to use electrical energy. Today, many vehicles, from land vehicles to marine vehicles, have started to use electrical energy as an energy source. Each of these vehicles requires battery charging systems with different power values. To meet this need, isolated DC-DC resonant converters are often preferred. One of the most important features of these converters is that they provide galvanic isolation between the mains and the battery system. In this way, charging is carried out under safer conditions. In addition, resonant converter circuits increase the efficiency of the circuit by reducing switching losses and current and voltage stress on the switching elements, thanks to soft switching techniques. In addition, these methods contribute to increasing power density and reducing Electromagnetic Interference (EMI). Such features of resonant transducers provide advantages in high-frequency applications in terms of cost and the area occupied by the system. In this study, LLC resonant converter, one of the isolated resonant converters, was used for lithium-based batteries used in electric vehicles due to its advantages such as power density, high frequency usability and cost. The designed system has an output voltage and current value of 54.6 V/50A. In order to examine the operating performance of the circuit at different frequency values and to calculate the resonance tank elements, the AC equivalent circuit for the system was obtained by using the fundamental harmonic approach method (FHA). The frequency – gain graph was derived with the equivalent circuit. A proportional-integral (PI) controller was used to charge the battery using the constant current – constant voltage (CC-CV) method The designed circuit was created and simulated in MATLAB/Simulink environment. In addition, a prototype with an output power of 500W (55V/10A) has been produced.