Βελτιωμένος σχεδιασμός και έλεγχος μετατροπέων συντονισμού για φόρτιση συσσωρευτών
Authors: Μίρτσεβ Άλεξ 
Published: September 2023

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.