Dual Active Bridge DC/DC-Wandler mit variabler Schaltfrequenz für Anwendungen mit weitem Spannungsbereich
Creators: name: Wattenberg, Martin
Publisher: name: TU Dortmund
Year: 2021
Subjects: subject: DC/DC Wandler
subject: Dual Active Bridge
subject: Batterie
subject: Batterieladegerät
subject: Erneuerbare Energien
subject: Energiespeichersystem
subject: 620
subject: Batterie
subject: Gleichspannungswandler

description: Die vorliegende Arbeit beschreibt dieRealisierung eines bidirektionalenGleichspannungswandlers mit einer konstanten Ausgangsleistung von 1kW über einem Spannungsbereich von 20 bis 60 V auf der Primär- und 200 bis 600 V auf der Sekundärseite. Motiviert wird dieses Vorhaben durch die auf 20 Jahre begrenzte Einspeisevergütung der Energie aus Photovoltaikanlagen.Mit auslaufender Einspeisevergütung ist es wirtschaftlicher die Energie direkt zu verwenden, als sie in das Versorgungsnetz einzuspeisen. Hierfür wird in dieser Arbeit ein Niedervoltenergiespeicher aus wiederaufbereiteten Zellen auf der Primärseite verwendet. Der Gleichspannungswandler ermöglicht nun, den Energiespeicher an die sekundärseitige Infrastruktur aus Photovoltaikanlage und Wechselrichter anzuschließen. Als Bindeglied zwischen Batteriespeicher und Photovoltaikanlage wird ein einstufiger, isolierter Gleichspannungswandler auf Basis der Dual Active Bridge (DAB) Topologie verwendet. Konventionelle Implementierungen der DAB zeigen bei asymmetrischer Spannungsbelastung auf Primär- und Sekundärseite jedoch hohe Leit- und Schaltverluste. Der effiziente Betrieb über den gesamten Spannungsbereich der Primär- und Sekundärseite zusammen mit einer kontinuierlichen Ausgangsleistung stellt daher die Neuheit dieser Arbeit dar. Zur Analyse der Verlustmechanismen, die den Arbeitsbereich beschränken, werden die Verluste anhand eines Modells beschrieben. Ein Vergleich von Messung und Simulation belegt die Gültigkeit desModells. Die Verwendung einer variablen Schaltfrequenz ist die technisch und wirtschaftlich attraktivste Lösung,dengesamten Arbeitsbereich effizient abzudecken. ImVergleich zu anderen untersuchten Ansätzen wird hierbei keine zusätzliche Hardware benötigt. Ebenfalls entsteht keine Unstetigkeit im Übertragungsverhalten der Leistung, wie es durch das Umschalten einer Transformatorwicklung entstehen kann. Der Betrieb der DAB mit variabler Schaltfrequenz wird im Detail betrachtet und zur Effizienzsteigerung das Verhältnis von Wirk- zu Blindleistung maximiert. Unter Einhaltung von weiteren Randbedingungen, wie der Sättigung in magnetischen Bauelementen, sowie Spitzenstromwerten in den Halbleitern wird ein Modulationsverfahren entworfen, dass die Übertragung von 1kW Leistung über dem gesamten Arbeitsbereich ermöglicht. Auf Basis des Simulationsmodells werden mögliche Anpassungen an dem entworfenen Prototypen untersucht, um die Effizienz der DAB über dem gesamten Arbeitsbereich über 95% zu halten. Unter Verwendung des vorgeschlagenen Modulationsverfahrens mit variabler Schaltfrequenz ist ein hoch effizienter Betrieb des Gleichspannungswandlers über dem gesamten Arbeitsbereich möglich. v
description: This thesis describes the realization of a bidirectional DC/DC converter with a constant output power of 1kW over a voltage range of 20 to 60V on the primary and 200 to 600V on the secondary side. This project is motivated by the energy feed-in tariffs for photovoltaic systems. When the feed-in tariffs expire, it is more economical to use the energy directly than to feed it into the supply network. In this work, a low-voltage energy storage system made of recycled cells on the primary side is used for this purpose. The DC/DC converter enables to retrofit an energy storage system to the existing infrastructure consisting of photovoltaic panels and inverter. Asingle-stage, isolatedDC/DCconverter basedontheDualActiveBridge (DAB) topology is used as the link between the battery storage and the photovoltaic system. Conventional implementations of DAB, however, show high conduction losses at asymmetrical voltage loads on the primary and secondary side. The successful combination of the respective voltage range on the primary and secondary side together with a continuous output power is therefore the novelty of this work. To analyze the loss mechanisms that limit the operation range, the losses are described using a model. A comparison of measurement and simulation proves the validity of the model. The use of a variable switching frequency is technically as well as economically the most attractive option for covering the entire working range efficiently. In comparison to other examined approaches, no additional hardware is required. Likewise, there is no discontinuity in energy transmission behavior, as can occur when a transformer winding is switched. The operation of DAB with variable switching frequency is considered in detail and the ratio of active and reactive power is maximized to increase efficiency. While observing further boundary conditions, such as saturation in magnetic components and peak current values of the semiconductors, a modulation method is derived that enables transmission of 1kW power over the entire operation range. On the basis of the simulation model, possible adjustments to the designed prototype are investigated in order to keep the efficiency of DAB above 95% over the entire working range.Using the proposed modulation method with variable switching frequency, a highly efficient operation of the DC/DC converter over the entire working range is possible.