Anahtarlamalı kapasitör tabanlı çift yönlü düşürücü yükseltici tip dönüştürücünün bulanık mantık kontrolör ile geliştirilmesi
Development of switched capacitor based bidirectional buck-boost converter with fuzzy logic controller
Yazar: HAKAN TEKİN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ DAVUT ERTEKİN
Bursa Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Fosil yakıtları kullanan araçlardan kaynaklı karbon emisyonu nedeniyle çevre ve insan sağlığı ciddi tehditlerle karşı karşıyadır. Karbon salınımının olmaması, gürültülerinin oldukça düşük olması, yüksek sürüş konforu sağlaması, bakım maliyetinin az olması gibi avantajları nedeniyle otomobil üreticileri elektrikli araçlara yönelmektedir. Elektrikli araçlar güç elektroniği dönüştürücüleri ile bağlantılı farklı enerji depolama sistemleri kullanılarak yapılandırılmıştır. Genellikle elektrikli araçlar, AC-DC dönüştürücüler aracılığıyla doğrudan şebekeden veya şarj istasyonlarından şarj edilir. Daha sonra enerji depolama sistemleri aracı hızlandırmak için gerekli olan enerjiyi motora iletir. Ek olarak, depolama sistemleri tarafından sağlanan güç, kararsız ve düzensiz olduğundan dolayı, enerji depolama sistemlerinde bulunan her bir enerji kaynağı ile elektirikli araç güç aktarma sisteminin arasında DC-DC dönüştürücüler entegre edilmelidir. Bu durumlar elektrikli araçların verimli bir şekilde kullanımı için enerji depolama sistemleri ile elektrik motoru arasında kullanılan dönüştürücü yapısının işlevselliğinin oldukça önemli olduğunu göstermektedir. Yakıt hücresi, süper kapasitörler ve batarya gibi enerji kaynaklarından elektrik motoruna düzenli ve güvenilir bir güç aktarımı sağlamak için uygun güç elektroniği dönüştürücüleri ve kontrolör yapılarına ihtiyaç duyulmaktadır.  Bu nedenle bu tez çalışmasında elektrikli araçlarda kullanılmak üzere DC-DC dönüştürücüler, dönüştürücülerin özellikleri, güçlü ve zayıf yönlerini vurgulayan bir çalışma sunulmuştur. Ek olarak, elektrikli araç uygulamaları için verimli bir dönüştürücü yapısının geliştirilmesine yönelik önerilerin paylaşılmasını amaçlamaktadır. Son olarak, elektrikli araçlarda kullanıılmak üzere yüksek verimliliğe ve yüksek gerilim dönüştürme oranına sahip çift yönlü anahtarlamalı kapasitör (SC) tabanlı DC-DC dönüştürücü ve dönüştürücü için uygun kontrol yapısı tasarlanmıştır. Kontrol işlemini sağlamak için de karmaşık matematiksel işlemler ve modellemeler gerektirmeyen bulanık mantık kontrolör kullanılmıştır. Dönüştürücünün diğer bir avantajı ise kontrol sisteminin karmaşıklığını en aza indiren, her iki güç anahtarını da aynı anda çalıştırabilen senkron anahtarlama sinyalinin kullanılmasıdır. Önerilen dönüştürücü yapısı, düşük görev döngüsünde yüksek dönüştürme oranına sahiptir. Bununla birlikte, dönüştürücü çıkışındaki gerilim dalgalanması oldukça düşüktür ve anahtarlar düşük gerillim streslerine sahiptirler. Ek olarak, dönüştürücü yapısında çok az sayıda manyetik bileşen bulunduğundan devrenin hacmi küçük ve devre uygun maliyetlidir. Tasarımın ilk aşamasında sistem gereksinimleri ve çalışmanın amaçları belirlenmiştir. Sonrasında sistem gereksinimlerini karşılayabilmek için matematiksel hesaplamalar yapılmıştır. Dönüştürücünün çıkışından istenilen genlikte ve kararlı bir gerilim elde etmek, aynı zamanda dönüştürücünün verimini arttırmak için hızlı, güvenilir ve düşük maliyetli olan bulanık mantık denetleyici sistem kullanılmıştır. Tasarlanan çift yönlü DC-DC dönüştürücünün farklı giriş gerilimleri ve değişen yük koşulları altında hem buck hem de boost modu için Matlab/SIMULINK paket programı kullanılarak simüle edilmiştir. Tasarımı yapılan çift yönlü DC-DC dönüştürücü değişen giriş gerilimleri ve yük koşulları altında her iki yönde de sabit bir çıkış gerilimi sağladığından iyi tasarlanmış DC-DC dönüştürü özelliklerini taşımaktadır. Yapılan matematiksel analizler, alınan simülasyon sonuçları ve laboratuvar ortamında yapılan prototip dönüştürücü devresi bu durumu kanıtlar niteliktedir.

Abstract:
Carbon emissions from fossil fuel-powered automobiles pose substantial risks to both the environment and human health. Due to their lack of carbon emissions, minimal noise, high performance, and efficiency, electric vehicles are highly sought after on a global scale. Different energy storage systems connected to power electronic converters are used to configure electric vehicles. Electric vehicles are often charged by AC-DC converters from charging stations or directly from the grid. The energy needed to accelerate the vehicle is then sent to the engine through energy storage systems. Energy storage devices do offer power, but it is unpredictable and unstable. As a result, any energy source utilized in electric vehicles might need to have a DC-DC converter built into the powertrain's DC bus. These examples demonstrate how crucial it is for the effective operation of electric vehicles that the converter structure between energy storage units and electric motors is functioning. Converters, appropriate controller structures, and modulation methods are needed to enable a secure and dependable power transfer from the energy storage devices to the electric motor. Due to this, a thorough examination of the characteristics, advantages, and disadvantages of DC-DC converters utilized in electric vehicles is provided in this thesis. To identify potential gaps in future working practices, this study also examines the primary issues and difficulties with EV converters and controller structures. It also intends to give suggestions for creating an effective converter structure for use in electric vehicle applications. Finally, a suitable control structure has been developed for a high efficiency and high voltage conversion ratio bi-directional switched capacitor-based (SC) DC-DC converter for usage in electric vehicles. A suitable control structure has been developed. Control is provided via a fuzzy logic controller, which does not necessitate elaborate mathematical procedures and models. The converter also has the benefit of using a synchronous switching signal that can concurrently operate both power switches, reducing the complexity of the control system. High conversion rates at low duty cycles are offered by the suggested converter construction. The voltage stress on the switches is also relatively minimal, and there is just a small voltage ripple at the converter output. Because there are so few magnetic components in the converter structure, the circuit also has a tiny volume and is reasonably priced. The system requirements and the study's objectives were established in the first design phase. Under various input voltages and variable load conditions, the planned bidirectional DC-DC converter is simulated using the Matlab/SIMULINK package program for both buck and boost modes. Due to its ability to maintain a constant output voltage in both directions while operating under a variety of input voltages and load situations, the developed bidirectional DC-DC converter possesses the qualities of a well-designed DC-DC converter. Mathematical analyzes, simulation results and prototype converter circuit made in laboratory environment prove this situation.