Integrated DC-DC converter topologies for electric vehicle applications

Η σημερινή πρακτική στη φόρτιση των ηλεκτρικών οχημάτων είναι να χρησιμοποιούνται δύο ξεχωριστοί μετατροπείς: ένας κύριος AC-DC φορτιστής (on-board charger - OBC) και ένα βοηθητικό DC-DC τροφοδοτικό (auxiliary power module - APM), οι οποίοι αντίστοιχα αποτελούν το σύστημα φόρτισης των μπαταριών υψηλής και χαμηλής τάσης ενός ηλεκτρικού οχήματος. Σε αυτή τη διδακτορική διατριβή εξετάζεται η δυνατότητα ενσωμάτωσης των δύο αυτών ξεχωριστών ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος σε έναν μόνο μετατροπέα πολλαπλών θυρών με ηλεκτρική απομόνωση. Η προτεινόμενη αρχιτεκτονική έχει στόχο τη μείωση του αριθμού των ημιαγωγικών και παθητικών στοιχείων του συστήματος φόρτισης, περιορίζοντας ταυτόχρονα το συνολικό όγκο του φορτιστή και βελτιώνοντας το συνολικό βαθμό απόδοσής του. Προς αυτή την κατεύθυνση, σε αυτή τη διατριβή μελετώνται δύο διαφορετικές τοπολογίες ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος πολλαπλών θυρών με ηλεκτρική απομόνωση, με σκοπό την εφαρμογή τους σε έναν ενσωματωμένο φορτιστή ηλεκτρικού οχήματος (integrated on-board charger - IOBC). Αρχικά, αναλύεται η τοπολογία του μετατροπέα με τρεις πλήρως ελεγχόμενες γέφυρες (triple-active-bridge - TAB) και παρουσιάζεται μια μεθοδολογία για την εκτίμηση των απωλειών ισχύος του μετατροπέα, η οποία μπορεί να εφαρμοστεί σε τεχνικές παλμοδότησης ακόμη και με πέντε βαθμούς ελευθερίας. Επιπλέον, προτείνονται ορισμένες βελτιστοποιημένες τεχνικές παλμοδότησης με πέντε βαθμούς ελευθερίας, οι οποίες στοχεύουν στην έναυση των ημιαγωγικών στοιχείων του μετατροπέα υπό μηδενική τάση (zero-voltage-switching - ZVS), στην ελαχιστοποίηση των διακοπτικών απωλειών, των απωλειών αγωγής και των συνολικών απωλειών ισχύος του μετατρεοπέα. Σε αυτή τη διατριβή προτείνεται επίσης ένας νέος μετατροπέας πολλαπλών θυρών με ηλεκτρική απομόνωση και μειωμένο αριθμό ενεργών ημιαγωγικών στοιχείων. Ο συγκεκριμένος μετατροπέας βασίζεται σε μια υβριδική τοπολογία που συνδυάζει τα χαρακτηριστικά του μετατροπέα με δύο πλήρως ελεγχόμενες γέφυρες (dual-active-bridge - DAB) και του μετατρεοπέα πλήρους γέφυρας μετατόπισης φάσης (phase-shifted full-bridge - PSFB). Η προτεινόμενη τεχνική παλμοδότησης με τρεις βαθμούς ελευθερίας επιτυγχάνει ανεξάρτητη φόρτιση μεταξύ των μπαταριών υψηλής και χαμηλής τάσης του ηλεκτρικού οχήματος, ενώ ταυτόχρονα εξασφαλίζεται η έναυση των ημιαγωγικών στοιχείων του μετατροπέα υπό μηδενική τάση, σε μεγάλο έυρος της τάσης λειτουργίας του συστήματος φόρτισης. Τέλος, στη διατριβή αυτή γίνεται σύγκριση του βαθμού απόδοσης, του όγκου και του αριθμού των ημιαγωγικών στοιχείων ανάμεσα στον μετατροπέα TAB και τον υβριδικό DAB-PSFB. Στη σύγκριση αυτή συμπεριλαμβάνονται επίσης και οι μη ενσωματωμένοι μετατροπείς που χρησιμοποιούνται στα παραδοσιακά συστήματα φόρτισης με ξεχωριστές μονάδες OBC και APM. Πειραματικά δεδομένα από την εργαστηριακή δοκιμή των μετατροπέων, σε συνδυασμό με αποτελέσματα προσομοιώσεων πεπερασμένων στοιχείων (finite-element - FE), χρησιμοποιούνται για να αξιολογήσουν την απόδοση των προαναφερθέντων ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος και επιβεβαιώνουν την καταλληλότητα των προτεινόμενων μετατροπέων πολλαπλών θυρών με ηλεκτρική απομόνωση για μελλοντική χρήση σε ενσωματωμένους φορτιστές ηλεκτρικών οχημάτων.