ELEKTRİKLİ ARABALARDA KULLANILAN Lİ-İON AKÜLERİN TEK FAZDAN HIZLI VE VERİMLİ ŞARJI İÇİN GÜÇ FAKTÖRÜ DÜZELTMELİ DUAL BOOST DÖNÜŞTÜRÜCÜ.

Transkript

1 ELEKTRİKLİ ARABALARDA KULLANILAN Lİ-İON AKÜLERİN TEK FAZDAN HIZLI VE VERİMLİ ŞARJI İÇİN GÜÇ FAKTÖRÜ DÜZELTMELİ DUAL BOOST DÖNÜŞTÜRÜCÜ Burak AKIN Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü Yıldız Teknik Üniversitesi ÖZET Fosil yakıtların yakın bir gelecekte tükenecek olması ve atmosfere CO 2 salması nedeniyle yeni enerji kaynaklarının arayışı içerisine girilmiştir. Temiz bir enerji kaynağı olan elektrik enerjisinin motorlu taşıtlarda kullanılması, Li-ion aküler ile mümkündür. Li-ion akülerin şarjında kullanılabilecek AC-DC dönüştürücüler literatürde sıkça yer almaktadır [1-11]. Ancak tek fazdan çekilebilecek maksimum güçte, hızlı ve yüksek verimli Li-ion akü şarjına ait detaylı bir çalışma yapılmamıştır. Bunu gerçekleştirmek için geleneksel boost dönüştürücü yerine, güç faktörü düzeltmeli () dual boost dönüştürücünün simülasyonu yapılmıştır. 100 khz anahtarlama frekansında ve 3 kw çıkış gücünde çalıştırılarak simülasyonu yapılan devrede, güç faktörü PF= 0,999 toplam akım harmonik bozulma THDi= %3,45 ve verim η= %98,4 olarak ölçülmüştür. Bu simülasyon sonuçları ile geliştirilen dönüştürücü, elektrikli araçların kullandığı Li-ion akülerinin şarjı için büyük önem arz etmektedir. Geliştirilen dönüştürücü şebekeden düşük harmonikli sinüzoidal bir akım çektiği için şebekeyi kirletmediği gibi, maksimum verim ile Li-ion aküyü hızlı ve güvenilir bir şekilde şarj edeceğinden, literatürdeki bu açığı kapatacağı düşünülmektedir. Anahtar Kelimeler: Dual Boost Dönüştürücü, Li-ion, 1. GİRİŞ Yüksek güçlü Li-ion akü şarjı, AC şebekeden doğrultulan DC gerilimin yükseltilerek çıkışa aktarılması ile gerçekleştirilir. Enerji aktarımı sırasında şebekede bozucu etki oluşmaması ve yüksek verim için aktarılan enerji kalitesinin yüksek olması istenir. Yüksek enerji kalitesi, AC şebekeden çekilen tek fazlı akımın harmonik miktarına ve şebeke gerilimi ile aynı fazda olmasına ve sistemdeki kayıpların miktarına bağlıdır. Geleneksel, dönüşümlü ve dual/köprüsüz boost olmak üzere 3 temel boost dönüştürücü topolojisi bulunmaktadır. Bu bildiride geleneksel ve dual boost topolojileri karşılaştırılmıştır. Şekil 1 de gösterildiği gibi tek fazlı geleneksel boost dönüştürücü genellikle diyot köprüsü arkasına gelen bir boost dönüştürücü ile gerçekleştirilir [5]. Şebeke giriş akım ve gerilimi ile çıkış gerilimine bağlı olarak kontrol edilen dönüştürücü ile enerji aktarımı sağlanır. Şebekeden çekilen enerjinin kalitesi ve sistemin dinamik cevabı büyük ölçüde akım kontrol algoritmasına bağlıdır. Sistemin güç akışının dengelenmesi DC bara geriliminin kontrolü ile sağlanır. Şekil 1: Geleneksel boost dönüştürücü Verimi yükseltmek ve THDi yi düşürmek için Şekil 2 de gösterilen dual boost dönüştürücü geliştirilmiştir. Şebeke tarafında köprü diyot olmaması ve dolayısı ile her fazın sıfır geçişinde dual boost dönüştürücünün uygun kontrolü ile dikkat çeken bir topolojidir. Her sıfır geçişinde ilgili anahtar giriş akım ve gerilimi ile çıkış gerilimine bağlı olarak kontrol edilir. Hem birim değerine hem de düşük THDi ye ulaşmak için kontrolün hızlı ve doğru bir şekilde yapılması gerekmektedir. Şebeke girişinde diyot köprüsü olmadığı için güç kayıpları azdır ve çıkış gücü arttıkça verimi de geleneksel boost dönüştürücüye göre artmaktadır. Şekil 2: Temel dual boost dönüştürücü Bu iki topolojinin karşılaştırması Tablo 1 de gösterilmiş olup, güç değeri, EMI gürültü seviyesi, çıkış dalgalığı, giriş dalgalığı, manyetik boyut ve verim açısında incelenmiştir [8]. 163

2 Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Sempozyumu 2011 Tablo 1: Topolojilerin genel değerlendirmesi TOPOLOJİ GELENEKSEL Şebekeden çekilen akımdaki toplam harmonik bozulma ile şebeke gerilim ve akımı arasındaki güç faktörü (PF) değerinin incelemesi Tablo 2 de gösterilmiştir. Her iki topolojide de güç faktörü değeri birim güç faktörü değerine çok yaklaşmış olsa da, dual boost dönüştürücü topolojisi % 5 THDi sınırının üzerine geçmiştir [8]. Tablo 2: Güç faktörü ve THDi analizi DÖNÜŞTÜRÜCÜ PF THDi(%) GELENEKSEL BOOST 0,999 4,35 DUAL BOOST 0,989 7,98 Tablo 3 de ise 300 W lık bir devre için bu iki temel topoloji anahtarlama kaybı, manyetik kayıp, gerilim düşümü, anahtar sayısı, doğrultucu diyot sayısı ve maliyet açısından değerlendirilmiştir. Tablo 3: Karşılaştırmalı analiz DÖNÜŞTÜRÜCÜ GELENEKSEL DUAL BOOST YARIİLETKEN GÜÇ KAYBI (W) 122,1 91 MANYETİK KAYIPLAR (W) 30,7 27,3 ANA ANAHTAR SAYISI 1 2 HIZLI DİYOT SAYISI 1 2 DOĞRULTUCU DİYOT SAYISI 4 0 MALİYET $ 408 $510 DUAL BOOST GÜÇ < 1000 W < 2000 W EMI / GÜRÜLTÜ NORMAL KÖTÜ ÇIKIŞ GERİLİM DALGALANMASI GİRİŞ AKIM DALGALANMASI MANYETİK BÜYÜKLÜK BÜYÜK ORTA VERİM KÖTÜ NORMAL yapabilecek sistemler daha yeni yeni gelişmektedir. Ulusal ve uluslararası harmonik standartlarına göre akım harmoniklerinin %5 in altında olması istenmektedir. Akım harmoniklerinin azaltılması için anahtarlama frekansının arttırılması gerekir. Frekansın artırılması anahtarlama kayıplarının artmasına ve dönüştürücü veriminin düşmesine neden olmaktadır. Bu sebeple tek fazlı Li-ion akü şarjı için yüksek güçte yüksek verim ve düşük THDi için hem kontrol algoritmasına hem de devreye eklenecek elemanların seçimi büyük önem taşımaktadır. Özellikle boost endüktansının seçimi ve tasarımı bu değerlere ulaşmak için önemli bir büyüklüktür. Ayrıca yüksek anahtarlama frekansında, güç kayıpları ile yarıiletken elemanların parasitik kondansatörlerinin deşarjı ve diyotların ters toparlanma süresi de verimi etkileyen önemli faktörlerdir. 2. Lİ DUAL BOOST DÖNÜŞTÜRÜCÜ li dual boost topolojisinin simülasyon örneği Şekil 3 de gösterilmiştir. L1 ve L2 ana boost endüktansları olup şebeke akımını filtreleyerek düşük harmonikli güç faktörü 1 olan sinüzoidal bir akım çekmek için tasarlanmıştır. Düşük THD li sinüzoidal bir akımı şebeke gerilimi ile aynı fazda çekebilmek için S1 ve S2 yarıiletkenleri uygun bir kontrol algoritması ile tetiklenmesi gerekir. S1 ve S2 yarıiletkenleri olarak 3 kw gücüne uygun 100 khz de çalışabilecek IXFT50N60P3 MOSFET leri seçilmiş olup simülasyon sonuçlarının gerçeğe uygun olması için eşdeğer referans gerilim ve direnç değerleri simülasyona eklenmiştir. Yine aynı şekilde D1 ve D2 boost diyotları da gerçeğe uygun olarak C3D10060A hızlı silikon karpit (SİC) diyotları olarak modellenmiştir. Boost endüktans ve çıkış kondansatör değerlerini hesaplamak için aşağıdaki formüllerden yararlanılır. Sırasıyla I g ve V g şebeke giriş akım ve gerilimini, P g ve P ç giriş ve çıkış gücünü, η min ve PF tahmin edilen minimum verim ve güç faktörünü, λ bağıl iletimde kalma oranını, I L akım dalgalanma oranını f sw anahtarlama frekansını, L boost boost endüktans değerini ve C ç çıkış kondansatör değerini ifade eder. Maksimum giriş gücü, P 3000 = = = c(ma k) Pg(ma k) 3092 W ηmin 0,97 Maksimum giriş akımı, I g(ma k) Pc(ma k) 3000 = = = 14, 08A η (V )PF 0,97.(220).0,998 min in(min) (1) (2) Bu topolojiler EMI/gürültü açısından değerlendirildiğinde ise dual boost dönüştürücü geleneksel topolojisine göre daha yüksek EMI / gürültü seviyesinde çalışmaktadır. Günümüzde geliştirilen tüm enerji uygulamalarında dönüştürücü veriminin yüksek olması istenmektedir [11]. Uluslararası firmaların ürünleri incelendiğinde verimin %98 seviyelerine ulaştığı görülmektedir. Ülkemizde yüksek gerilimli Li-ion akülerin şarjı konusunda ulusal teknoloji henüz gelişmemiştir ve uluslararası ürünler ile rekabet edebilecek şebekeden yüksek verimli enerji transferi Giriş akımının maksimum pik değeri, 2.Pc(ma k) Ig(tepe) max = = = 19,88 A η (V ) 0,97.(220) min g(min) Giriş akımının maksimum ortalama değeri, (3) 164

3 2.Ig(tepe) ma k 2.19,88 Ig(ort) ma k = = = 12,65 A π π (4) Giriş geriliminin minimum pik değeri, V g(tepe)min = = 311 V (5) Bağıl iletim süresi, V V V g(tepe) min λ = = = 0, 2225 (6) 0 Akım dalgalanma miktarı, I L =0,2. I g(tepe)mak =0,15.19,88= 2,98 A (7) Akımının maksimum pik değeri, IL 2,98 I L(tepe)mak = I g(tepe)mak + =19,88+ = 21,37 A (8) 2 2 Boost endüktans değeri, V. λ 311.0, 2225 g(tepe) min Lboost = = = 232 µ H f sw. IL ,98 Çıkış kondansatör değeri, P c. t c = = Vc V g(min) C (9) Şekil 3: li dual boost dönüştürücü Dual boost dönüştürücü devresinin Şekil 3 de görüldüğü gibi eleman değerlerinin seçimi ile simülasyonda test edilmiştir. Simülasyonda PSİM simülasyon programı kullanılmıştır. 3. Lİ DUAL BOOST DÖNÜŞTÜRÜCÜ SİMÜLASYONU li dual boost dönüştürücünün kontrol ve ana akım devresi Şekil 4 de gösterilmiştir. Ana akım devresi girişinde köprü doğrultucu bulunmamaktadır ve kontrol, giriş akım ve gerilimi ile çıkış geriliminin uygun bir algoritma ile kontrolü ile sağlanmaktadır. Başlangıç koşullarından sadece C ç çıkış kondansatörü ilk periyotta düzgün çıkış verebilmesi için 400 V ile beslenmiştir. Cc = 3129 µ F (10) Li-ion şarjında kullanılacak olan dual boost simülasyon devresi 3 kw gücünde çalıştırılacağı için sürekli akım moduna (CCM) göre tasarlanmıştır ve (9) formülünde hesaplanan kritik endüktans değerinden büyük olmak zorundadır. Buna göre L1 ve L2 boost endüktansları 270 µh, C ç çıkış kondansatörü 3300 µf ve Li-ion akü modeli olarak 54,34 Ω luk çıkış yükü olarak simülasyona eklenmiştir. Önerilen topolojisinin kontrolü için giriş akım ve gerilimi ile çıkış gerilimi temel büyüklükler olup, düşük THDi ve birim nin sağlanabilmesi için uygun bir PI kontrol algoritması kullanılmıştır. Piyasada bu iş üretilmiş hazır entegreler bulunmakta olup fiyatı ucuz ve devreye adaptasyonu kolaydır. Sonuç olarak 100 khz anahtarlama frekansında 3 kw gücünde ve düşük THDi li dual boost dönüştürücü topolojisi ile arzulanan PF>0,99, THDi<%5 ve η>0,97 değerlerine ulaşılmaya çalışılmıştır. Şekil 4: Dual boost ana akım ve kontrol devresi Giriş akım ve gerilimi ile çıkış akım ve gerilimi Şekil 5 de gösterilmiş olup, akım örneklerinin daha düzgün görülebilmesi için 10 kez büyük ölçekli gösterilmiştir. Giriş değişkenlerinin maksimum değerleri ile çıkış değişkenlerinin efektif değerleri sağdaki küçük ekranda belirtilmiştir. Buna göre giriş gerilimi 311 V, çıkış gerilimi 400 V, giriş akımı 19 A, çıkış akımı 7,5 A olarak ölçülmüştür. Giriş akımında 100 khz de anahtarlamasından dolayı bir dalgalanma ve buna bağlı olarak da çıkış geriliminde bir dalgalanma göze çarpmaktadır. Giriş ve çıkış güçlerinde verim ölçümü yapılırsa, giriş gücü 3046 W ve çıkış gücü 2999 W olduğundan verim % 98,4 olarak hesaplanmıştır. 165

4 Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Sempozyumu 2011 Şekil 5: Giriş ve çıkış akım-gerilim dalga şekilleri Şekil 6 da gösterilen giriş akım ve gerilimine bağlı olarak güç faktörü değeri incelenirse, güç faktörü değerinin PF=0,999 olduğu görülür. Şekil 6: Giriş akım ve gerilimine bağlı güç faktörü değeri Tek fazlı şebekeden çekilen akımın giriş endüktansları üzerindeki değişimi şekil 7 de gösterilmiştir. CCM modunda çalışan dual boost dönüştürücünün şebekeden çektiği akımın THDi değeri % 3,45 dir. Şekil 8: Geleneksel boost ana akım ve kontrol devresi Giriş akım ve gerilimi ile çıkış akım ve gerilimi Şekil 9 da gösterilmiş olup, akım örneklerinin daha düzgün görülebilmesi için 10 kez büyük ölçekli gösterilmiştir. Giriş değişkenlerinin maksimum değerleri ile çıkış değişkenlerinin efektif değerleri sağdaki küçük ekranda belirtilmiştir. Buna göre giriş gerilimi 311 V, çıkış gerilimi 400 V, giriş akımı 19 A, çıkış akımı 7,5 A olarak ölçülmüştür. Giriş akımında 100 khz de anahtarlamasından dolayı bir dalgalanma ve buna bağlı olarak da çıkış geriliminde bir dalgalanma göze çarpmaktadır. Giriş ve çıkış güçlerinde verim ölçümü yapılırsa, giriş gücü 3067 W ve çıkış gücü 2999 W olduğundan verim % 97,7 olarak hesaplanmıştır.. Şekil 9: Giriş ve çıkış akım-gerilim dalga şekilleri Şekil 7: Giriş endüktans akımları ve THDi değeri Şekil 10 da gösterilen giriş akım ve gerilimine bağlı olarak güç faktörü değeri incelenirse, güç faktörü değerinin PF=0,998 olduğu görülür. Dual boost dönüştürücüyü karşılaştırmak için aynı şartlarda geleneksel boost dönüştürücü de test edilmiştir. 4. Lİ BOOST DÖNÜŞTÜRÜCÜ SİMÜLASYONU Geleneksel li boost dönüştürücünün kontrol ve ana akım devresi Şekil 8 de gösterilmiştir. Ana akım devresi girişinde köprü doğrultucu bulunmaktadır ve kontrol, giriş akım ve gerilimi ile çıkış geriliminin uygun bir algoritma ile kontrolü ile sağlanmaktadır. Başlangıç koşullarından sadece C ç çıkış kondansatörü ilk periyotta düzgün çıkış verebilmesi için 400 V ile beslenmiştir. Şekil 10: Giriş akım ve gerilimine bağlı güç faktörü değeri Tek fazlı şebekeden çekilen akımın giriş endüktansı üzerindeki değişimi Şekil 11 de gösterilmiştir. CCM modunda çalışan geleneksel boost dönüştürücünün şebekeden çektiği akımın THDi değeri % 4,92 dir. 166

5 Şekil 11: Giriş endüktans akımı ve THDi değeri 5. SONUÇLAR Simülasyonu yapılan dual ve geleneksel boost dönüştürücüler karşılaştırıldığında, aynı giriş ve çıkış değerleri altında güç faktörü değerleri aynı olsa da, THDi değerleri arasında bir fark bulunmaktadır. Bu fark, geleneksel boost dönüştürücünün toplam verimini de etkilemekte olup giriş akımının dual boost a göre daha fazla dalgalanmasından kaynaklanmaktadır. Sonuç olarak verim ve THDi açısından iki sistem incelendiğinde, dual boost dönüştürücü %98,4 verim ve %3,45 THDi değerleri ile öne çıkmaktadır. Sistem maliyetleri incelendiğinde, geleneksel boost dönüştürücüde kullanılan giriş diyot köprüsü yerine dual boost dönüştürücüde fazladan bir yarıiletken anahtar, boost endüktans ve bir güç diyotu bulunmaktadır. Kontrol yöntemi açısından ise ciddi bir fark bulunmamaktadır. 6. KAYNAKLAR [1] Chakraborty, S.; Mohan, N.;, "A Comparative study of Various Single Stage Converters in implementing Novel Converter Topology for Simultaneous charging and Individual Cell Balancing of Multiple Li-ion Batteries," Telecommunications Conference, INTELEC '05. Twenty-Seventh International, vol., no., pp , Sept [2] W. Huang, G. Moschopoulos, A New Family of Zero Voltage Transition PWM Converters With Dual Active Auxiliary Circuits IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 21, pp , March [3] Muthuramalingam, A.; Madhivanan, R.; Kalpana, R.;, "Comparative study of high performance rectifiers," Power Electronics, IICPE India International Conference on, vol., no., pp , Dec [4] Woo-Young Choi; Jung-Min Kwon; Eung-Ho Kim; Jong- Jae Lee; Bong-Hwan Kwon;, "Bridgeless Boost Rectifier With Low Conduction Losses and Reduced Diode Reverse-Recovery Problems," Industrial Electronics, IEEE Transactions on, vol.54, no.2, pp , April 2007 [5] Huber, L.; Yungtaek Jang; Jovanovic, M.M.;, "Performance Evaluation of Bridgeless Boost Rectifiers," Power Electronics, IEEE Transactions on, vol.23, no.3, pp , May 2008 [6] Woo-Young Choi; Jung-Min Kwon; Bong-Hwan Kwon;, "An improved bridgeless boost-doubler rectifier with high-efficiency," Power Electronics Specialists Conference, PESC IEEE, vol., no., pp , June 2008 [7] Tao Qi; Lei Xing; Jian Sun;, "Dual-Boost Single-Phase Input Current Control Based on Output Current Sensing," Power Electronics, IEEE Transactions on, vol.24, no.11, pp , Nov [8] Beltrame, F.; Roggia, L.; Schuch, L.; Pinheiro, J.R.;, A comparison of high power single-phase power factor correction pre-regulators 2010 IEEE International Conference on Industrial Technology (ICIT), pp , May 2010 [9] Etezadi-Amoli, M.; Choma, K.; Stefani, J.;, "Rapid- Charge Electric-Vehicle Stations," Power Delivery, IEEE Transactions on, vol.25, no.3, pp , July 2010 [10] Musavi, F.; Eberle, W.; Dunford, W.G.;, "A highperformance single-phase AC-DC power factor corrected boost converter for plug in hybrid electric vehicle battery chargers," Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 2010 IEEE, vol., no., pp , Sept [11] Akın, B.; Bodur, H.;, "A New Single-Phase Soft- Switching Power Factor Correction Converter," Power Electronics, IEEE Transactions on, vol.26, no.2, pp , Feb