Elektrikli araçlar için yüksek verimli çift yönlü enerji transfer sistemi
Highly efficient bidirection energy transfer system for electric vehicles
Yazar: MEHMET ÇOBAN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ BURAK AKIN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Makinaları ve Güç Elektroniği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Bu çalışma, 11kW gücünde çift yönlü yüksek verimli yerleşik şarj sistemi tasarımı üzerine yoğunlaşmaktadır. Tüm sistem, şarj ve deşarj modlarında çalışabilme yeteneğine sahiptir. Şarj modunda, sistem elektrikli araç bataryaları için 11kW gücünde DC çıkış sağlar. Deşarj modunda ise, cihaz 3 fazlı AC güç üretir. Tasarımın ana bileşenleri, PFC (güç faktörü düzeltme) ve DC-DC dönüştürücüdür. PFC tarafında, daha yüksek verimlilik ve daha düşük anahtarlama kayıpları, düşük harmonik bozulma ve çift yönlü çalışma sağlamak için totem pole topolojisi kullanılmıştır. Bu topolojide, yüksek sıcaklık direnci ve hızlı anahtarlama yeteneği sağlayan SiC (Silikon Karbür) anahtarlar kullanılmıştır. DC-DC dönüştürücü tarafında ise, yüksek frekanslı anahtarlama yeteneği, yüksek dönüşüm verimliliği ve izolasyon sağlamak için CLLLC rezonans dönüştürücü kullanılmıştır. Güç faktörü düzeltme devresi için sabit 67 kHz anahtarlama frekansı kullanılırken, CLLLC topolojisinde ise yüksek güç yoğunluğu sağlayabilmek amacıyla rezonans frekansının 500 kHz olarak çalışılması uygun görülmüştür. Sistemin kontrol yöntemi olarak kazancın durumuna göre sabit akım ve sabit voltaj yöntemleri uygulanmıştır. Bu tasarımın performansını doğrulamak için kapsamlı simulasyonlar gerçekleştirilmiştir. Sonuçlar, tasarımın yüksek verimlilik ve yüksek güç faktörü düzeltme yeteneği sağladığını göstermektedir. Tüm sistemin veriminin %94' ün üzerinde, güç faktörünün 0.99' un üzerinde ve akım toplam harmonik bozulmanın %7'in altında olduğu gözlemlenmiştir. Bu çalışma, elektrikli araçların şarj altyapısının geliştirilmesine önemli bir katkı sağlamaktadır.

Abstract:
This study focuses on the design of a high-efficiency, bidirectional on-board charging system with a power of 11kW. The entire system has the ability to operate in both charging and discharging modes. In charging mode, the system provides a DC output of 11kW for electric vehicle batteries. In discharging mode, the circuit generates 3-phase AC power. The main components of the design are the PFC (Power Factor Correction) and the DC-DC converter. On the PFC side, a totem pole topology is used to achieve higher efficiency, lower switching losses, low harmonic distortion, and bidirectional operation. In this topology, SiC (Silicon Carbide) switches, which provide high temperature resistance and fast switching capability, are used. On the DC-DC converter side, a CLLLC resonant converter is used to provide high-frequency switching capability, high conversion efficiency, and isolation. A fixed switching frequency of 67 kHz is used for the power factor correction circuit, while in the CLLLC topology, it is deemed appropriate to operate the resonance frequency at 500 kHz to achieve high power density. The control method of the system applies constant current and constant voltage methods depending on the state of the gain. Extensive simulations have been conducted to verify the performance of this design. The results show that the design provides high efficiency and high power factor correction capability. The overall system efficiency is observed to be over 94%, the power factor is over 0.99, and the current total harmonic distortion is below 7%. This study makes a significant contribution to the development of the charging infrastructure for electric vehicles.