Elektrikli taşıtlarda faydalı frenleme enerjisinin daha iyi kazanımı için bir güç dönüştürücü tasarımı ve uygulaması
Design and implementation of a power converter for efficient braking energy recovery in electric vehicles
Yazar: SERKAN DÜŞMEZ
Danışman: DOÇ. DR. MEHMET UZUNOĞLU
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2011
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Elektrikli araçlar = Electric vehicles ; Güç elektroniği = Power electronics ; Güç çeviriciler = Power converters

Özet:
Geleneksel içten yanmalı taşıtların neden olduğu olumsuz çevresel etkilere ilave olarak, fosil kökenli yakıtların da giderek azalması elektrikli taşıtlara olan ilgiyi arttırmıştır. Elektrikli taşıtlar ile ilgili yapılan çalışmalar çok boyutlu olmakla birlikte, verimlilik ve menzil arttırmaya yönelik çalışmalar daha öne çıkmaktadır. Bu bağlamda, faydalı frenleme anlarında ortaya çıkan enerjinin geri kazanımı oldukça önemlidir. Faydalı frenleme enerjisinin daha iyi kazanılmasında, kullanılan kontrol yöntemi ve hibritleştirme topolojisinin yanı sıra, kullanılan güç dönüştürücü topolojileri de büyük rol oynamaktadır.Elektrikli taşıtlarda kullanılan ana kaynak ve enerji depolama üniteleri genellikle güç takibi, gerilim regülasyonu, frenleme enerjisi kazanımı v.b. sağlaması amacıyla güç biçimlendirme üniteleri ile birlikte kullanılmaktadırlar. Güncel çalışmalara bakıldığında, enerji depolama ünitelerinin çıkışlarında yaygın olarak yarım köprü dönüştürücü topolojisinin kullanıldığı görülmektedir. Bu dönüştürücü yüksek güç taleplerinde enerji depolama ünitesinin gerilimini yükselterek dc baraya güç akışını sağlarken, frenleme anlarında ise bara gerilimini düşürerek enerjinin depolanmasını sağlamaktadır. Ancak motor uçlarındaki gerilim seviyesinin, enerji depolama ünitesinin gerilim seviyesinden düşük olduğu durumlarda yapısındaki kısıtlamalardan dolayı frenleme enerjisini kazanamamaktadır.Bu tez çalışmasında faydalı frenleme enerjisinin daha iyi geri kazanımı için daha başarılı bir güç dönüştürme topolojisinin geliştirilmesi amaçlanmaktadır. Geliştirilecek bu topolojiyle, bir elektrikli taşıtın düşük hızlarda da faydalı frenleme enerjisini geri kazanılabilmesi hedeflenmektedir. Önerilen topolojinin frenleme enerjisi kazanımındaki üstünlüğünü doğrulamak amacıyla her iki dönüştürücü içinde 1kW'lık prototipler tasarlanmış olup, bu dönüştürücülere normalize edilmiş ECE-15'i de içeren üç farklı sürüş çevrimi uygulanarak, dönüştürücülerin frenleme enerjisi kazanım performansları irdelenmiştir.

Abstract:
Due to increasing concerns on environmental pollution and depleting fossil fuels, electrical vehicle (EV) technology has received considerable attention as an alternative to the conventional vehicular systems. Although various studies take place in literature towards electic vehicles, studies particularly targeting increase in driving range and efficiency gained great momentum lately. In this regard, recovery of the energy during regenerative braking becomes crucial. Energy systems of EVs can be composed of the hybridization of the main power source (such as fuel cells) with an energy storage system (ESS).ESSs are generally employed with a power conditioning unit (PCU) in order to capture braking energy, provide voltage regulation, and power tracking. The topology of the PCU that is used with ESS, has a vital role especially in braking energy recovery. In recent studies, conventional bi-directional half-bridge topology is widely used as a PCU for ESSs. This PCU boosts ESS voltage in peak power demands and bucks power train voltage in braking. Due to its structure, it does not have the capability of capturing braking energy when the voltage across the motor terminals is lower than ESS voltage.This study aims to design an improved power conditioning unit for recovering regenerative braking energy more efficiently and focuses on the comparison of the conventional bi-directional half-bridge topology and the proposed cascade bi-directional buck-boost topology for efficient braking energy recovery. In order to verify the superiority of the proposed topology, two 1kW prototypes have been designed and the tests are realized for three different drive cycles including normalized version of ECE-15.