Yüksek frekans transformatörlü çift yönlü DA-DA dönüştücü yardımı ile batarya şarj sistemi tasarımı
Design of battery charging system with high-frequency transformer bi-directional DC-DC converter
Yazar: OĞUZ ALKUL
Danışman: PROF. DR. ŞEVKİ DEMİRBAŞ
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Bataryalar; elektrikli araçlar, mikroşebekeler, kesintisiz güç kaynakları ve kablosuz elektrikli cihazlar gibi birçok alanda elektrik enerjisini depolamak amacıyla yaygın olarak kullanılmaktadır. Bataryaların gerek verimli, sağlıklı ve güvenilir bir şekilde çalışmalarının sağlanması, gerekse ömürlerinin artırılmasında şarj/deşarj kontrolü büyük önem taşımaktadır. Bu tezde batarya şarj sistemleri için güç elektroniği elemanlarından ve yüksek frekanslı transformatörden meydana gelen ve çift yönlü enerji akışı sağlayan bir DA/DA dönüştürücü tasarımı yapılmıştır. Gerçekleştirilen çalışmada üç giriş, üç çıkışlı transformatör kullanılmış olup, böylece farklı gerilim seviyelerinde kullanıma imkân sağlanmıştır. Tasarımı yapılan sistemin Matlab-Simulink programı yardımı ile benzetimi yapılarak, laboratuvar ortamında kurşun asit batarya ünitelerine uygulanmak suretiyle çalışması test edilmiştir. Kontrol birimi olarak PI kontrol ve Ziegler-Nichols parametre ayarlama yöntemi kullanılmıştır. Benzetim ve uygulama sonuçları gerçekleştirilen dönüştürücünün farklı gerilim aralıklarında her iki yönde de çalışmaya imkân verdiği ve farklı sayıda batarya üniteleri ile kullanılabileceğini göstermektedir. Ayrıca tek bir denetleyici yardımıyla batarya şarj/deşarj kontrolü yapılabilmektedir. Çalışmada galvanik yalıtım sağlayan yüksek frekanslı transformatör kullanıldığından transformatör boyut ve çıkış filtre boyutlarında küçülme ve toplam ağırlıkta azalma sağlanmıştır. Tasarımı yapılan dönüştürücü topolojisi, elektrikli araçlarda, mikroşebekelerde, kesintisiz güç kaynaklarında batarya şarj/deşarjında kullanılabileceği gibi fotovoltaik sistemler veya yakıt hücreleri gibi dağıtık üretim birimlerinin şebeke bağlantılarında da kullanılabilecektir.

Abstract:
Batteries have been used for electrical energy storage purposes in many areas such as electrical vehicle, microgrids, uninterruptable power supplies and wireless electrical devices. Either to ensure efficient, safe and reliable operations of batteries or improve lifecycles, charge/discharge control has crucial importance. In this thesis, a DC/DC converter having power electronic devices and high frequency transformer and providing bi-directional energy flow has been designed for battery charging systems. Transformer having three inputs and three outputs have been used in the study, in such a way usage at different voltage levels has been allowed. The designed system has been simulated with the help of the Matlab-Simulink program and tested by applying the lead acid battery units in the laboratory environment. PI control and Ziegler-Nichols parameter adjustment method has been used as control unit. The simulation and experimental results show that designed converter is able to operate in both directions at different voltage ranges and can be used with a different number of battery units. In addition, the battery charge/discharge can be controlled with a single controller. Since the high frequency transformer which provides galvanic isolation is used in the study, the dimension of the transformer size and output filter has decreased and the total weight reduction has been achieved. The converter topology designed can be used for battery charging/discharging in electric vehicles, micro grids, in uninterruptible power supplies as well as grid connections of distributed generation units such as photovoltaic systems or fuel cells.