Yüksek verimli bir kablosuz şarj sisteminin tasarımı

Abstract

Günümüzde artan enerji talebi, enerjinin verimli kullanılmasını zaruri hale getirmiştir. Bu sebeple yüksek verimli batarya şarj devrelerinin tasarımı, son yıllarda önemli bir araştırma konusu olmuştur. Kablosuz şarj sistemleri, çevresel koşullardan etkilenmemeleri, kullanıcıya esneklik sunmaları ve güvenilir olmaları gibi özellikleri doğrultusunda, son zamanlarda popüler hale gelmiştir. Bu sistemlerde gerek yüksek verim sağlaması gerekse batarya şarj karakteristiğine uygun olması sebebiyle sıklıkla sabit akım (SA) ve sabit gerilim (SG) şarj kontrolü tercih edilir. Tüm şarj süresince batarya yükünün geniş bir aralıkta değişim göstermesi bataryanın SA ve SG durumlarında şarj edilmesini zorlaştırmaktadır. Bu durumda uygun kompanzasyon topolojisinin seçilmesi ve kontrolü önemli hale gelmektedir. Elektrikli araç batarya şarj sistemlerinde çeşitli kompanzasyon devreleri kullanılmaktadır. Bu tez çalışmasında hem SA hem de SG şarj durumunda yüksek verimde güç aktarımı yapabilecek LC-S kompanzasyon devresine dayalı bir kablosuz elektrikli araç batarya şarj sisteminin tasarımı amaçlanmıştır. SA çıkış karakteristiğine sahip topolojinin özellikle SG şarj durumunda görülen performans düşmesinin önüne geçilerek, tüm şarj süresince yüksek verimli bir kablosuz güç transfer (KGT) sisteminin tasarımı gerçekleştirilmiştir. Tez kapsamında, LC-S topolojisi yarı köprüsüz aktif doğrultucu (S-BAR) yapısında çalıştırılarak kablosuz güç aktarım ve SA-SG batarya şarj işlemi tek bir dönüştürücü çatısı altında yapılmıştır. SG şarj durumunda, darbe yoğunluk modülasyonu (PDM) yöntemi LC-S kompanzasyon topolojisine S-BAR devre yapısı üzerinden uygulanmıştır. Bu sayede hedeflenen KGT sistemi hem SA hem SG şarj durumunda rezonans frekansında kontrol edilebilir hale gelmiştir. Ayrıca her iki şarj durumunda geniş bir yük aralığında yumuşak anahtarlama sağlanmıştır. Bu tez çalışmasında hedeflenen KGT sisteminin; 1,05 kW gücünde, 85 kHz anahtarlama frekansında, giriş gerilimi 200 V, çıkış geriliminin ise SA ve SG batarya şarj durumları için 150 V- 210 V aralığında olacak şekilde tasarımı yapılmıştır. Tasarımı yapılan sistemin simülasyon çalışmaları yapılmış, ardından prototip devre üzerinde 15 cm kablosuz güç aktarım mesafesinde deneysel çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Deneysel çalışmalarda, PDM kontrolü ile faz kaydırma (PS) kontrolünün performans karşılaştırması yapılmış, PDM ile %25 yük durumunda %6,4 verim artışı sağlanmıştır.

Nowadays, the increasing energy demand has made it necessary to use energy efficiently. For this reason, the design of high-efficiency battery charging systems has been an important research topic in recent years. Wireless power transfer (WPT) systems have become popular recently due to their features such as being unaffected by environmental conditions, offering flexibility to the user, and being reliable. In these systems, constant current (CC) and constant voltage (CV) charge control is often preferred because it provides high efficiency and is suitable for battery charging characteristics. A wide variation of the battery load during the entire charging process makes it difficult to charge the battery at CC and CV charging modes. In this case, the selection and control of the suitable compensation topology become important. A variety of WPT compensation topologies are used in electric vehicle battery charging systems. In this thesis, it is aimed to design a wireless EV battery charging system based on an LC-S compensation topology, which can transfer power with high efficiency in both CC and CV charging modes. The design of a high-efficiency WPT system was carried out during the entire charging period, by preventing the performance degradation of the topology with CC output characteristics, especially in the CV charging mode. Within the scope of the thesis, wireless power transfer and CC-CV battery charging were carried out under a single stage converter structure by using the LC-S topology with a semi-bridgeless active rectifier (S-BAR). In CV charging mode, the pulse density modulation (PDM) method has been applied to the LC-S compensation topology over the S-BAR circuit structure. In this way, the proposed WPT system has become controllable at the resonant frequency in both CC and CV charging modes. In addition, soft switching is provided over a wide load range in both charging modes. In this thesis, the proposed WPT system has been designed with a power of 1.05 kW, a switching frequency of 85 kHz, an input voltage of 200 V, and an output voltage of 150 V-210 V for CC and CV battery charging modes. Simulation studies were carried out with the designed system, then experimental studies were carried out on the prototype at a wireless power transmission distance of 15 cm. In experimental studies, the performance of PDM control and phase shift (PS) control was compared, and 6.4% efficiency increase was achieved with PDM at 25% load condition.