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Caricabatteria on-boardper veicoli elettrici

Candidato: Matteo Gregorio

Relatori: prof. Iustin Radu Bojoiprof. Eric Armando

19 Marzo 2018

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SOM

MA

RIO

Introduzione e obiettivi

Specifiche e struttura caricabatteria

Analisi dei convertitori (AC/DC e DC/DC)

Programmazione microcontrollore

Simulazione hardware-in-the-loop

Conclusioni

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INTR

OD

UZI

ON

E

CARICABATTERIAÈ un dispositivo utilizzato per collegare una sorgente elettrica ad una sistema di accumulo elettrochimico gestendone il trasferimento di potenza

➢ Ha un ruolo determinante per la diffusione dei PHEV (Plug-in hybrid electric vehicle)

❑ Parole chiave:✓ Ingombro✓ Peso✓ Costo✓ Efficienza

A bordo di ogni veicolo elettrico/ibrido plug-in è presente un caricatore

Tipologie di ricarica: Modo 1, Modo 2, Modo 3, Modo 4

Lenta → Veloce

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SPEC

IFIC

HE

SPECIFICHE DI PARTENZAPotenza nominale in uscita 3.3kW

Tensione rete UE 220Vrms/50HzTensione rete USA 110Vrms/60Hz

Massima tensione batteria 500VMinima tensione batteria 300V

Collocamento On-BoardStruttura Unidirezionale

Raffreddamento LiquidoComponenti Automotive

Interfacce di comunicazione CAN, USART

❑ La struttura è frutto delle specifiche richieste e dei vincoli normativi

VINCOLI NORMATIVIFattore potenza unitario

Isolamento galvanico

Filtro compatibilità elettromagnetica

Power Factor Correction (PFC):✓ Garantire fattore di potenza unitario✓ Adattare tensione batteria (boost)✓ Mantenere tensione dc-link costante

DC-DC converter:✓ Regolare potenza di carica✓ Assicurare isolamento galvanico

❑ Per raggiungere l’obiettivo si ricorre ad una struttura a 2 stadi

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STR

UTT

UR

E

❑ Due possibili strutture

❑ Entrambe utilizzano gli stessi semiconduttori

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STA

DIO

AC

-DC

❑ Lo stadio AC-DC (PFC)

❑ Funzionamento DCM (Discountinuous Conduction Mode)

❑ È necessario adeguare l’anello di controllo

Perdita integrale tensione e 𝑖𝑐𝑎𝑚𝑝𝑖𝑜𝑛𝑎𝑡𝑎 ≠ 𝑖𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎

✓ Diminuiscono taglie induttori✓ Perdita del controllo del valore medio ✓ Si definisce 𝑘𝑐𝑜𝑟 per compensare errore

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STA

DIO

DC

/DC

❑ Per lo stadio DC/DC si analizzano due convertitori: LLC e PS

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LLC

LLC❑ A causa dell’elevato numero di stati possibili di conduzione è difficile ricavare

una trattazione analitica semplice per eseguire un dimensionamento

❑ FHA: Si ricorre ad una analisi semplificata (approssimazioni in prima armonica) per ottenere equazioni facili da maneggiare e allo stesso tempo senza perdere accuratezza

Ipotesi: La potenza trasferita dalla sorgente al carico è interamente associata alla prima armonica di tensione e corrente

VabI =2

πVdc 𝑅0 = 𝑛2

8

𝜋2𝑉𝑜𝑢𝑡

2

𝑃𝑜𝑢𝑡

Comportamento ponte Comportamento batteria

𝑅0 varia durante la ricarica!!

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LLC

❑ Si definisce il guadagno M come rapporto tra tensione di uscita e ingresso

𝑀 =𝑛𝑉𝑜𝑉𝑖𝑛

=1

1 + 𝑙 −𝑙𝑓𝑛2

2

+ 𝑄2(𝑓𝑛 −1𝑓𝑛)2

𝑙 =𝐿𝑑𝐿𝑚 𝑍0 =

𝐿𝑅𝐶𝑅

𝑄 =𝑍0𝑅0

=𝜋2

8

𝑃𝑜𝑢𝑡(𝑛𝑉𝑜𝑢𝑡)

2𝑍0𝑓𝑛 =

𝑓

𝑓𝑟1𝑓𝑟1 =

1

2𝜋 𝐿𝑅𝐶𝑅

❑ Il guadagno varia secondo la frequenza di commutazione e il fattore di qualità Q

𝑀 = 𝑀(𝑓𝑛, 𝑄)

❑ Per lo studio del convertitore si definiscono alcune grandezze ricorrenti

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LLC

❑ Agendo sul rapporto tra induttanze 𝑙 è possibile determinare caratteristiche diverse

❑ Si deve mantenere la ZVS

Alla destra della curva limite si ha

ZVS

ZVS: commutazione a tensione nulla

No perdite per commutazione

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LLC

❑ Il convertitore LLC ha un comportamento non lineare

❑ È possibile semplificare il comportamento analizzando solo i 2 poli dominanti

CONTROLLO LLC

La condizione peggiore è quando 𝒇𝒔𝒘 =𝒇𝒓𝟏:

✓ I poli sono vicini all’origine degli assi

✓ Comportamento sotto smorzato

❑ La banda dell’anello di controllo varia in funzione di 𝑉𝑏𝑎𝑡e 𝑃𝑏𝑎𝑡

Relazione tra tensione voluta e 𝑓𝑠𝑤:• Retta• Look-up table• Relazione inversa 𝑓𝑠𝑤 = 𝑓(𝑀)

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MIC

RO

CO

NTR

OLL

OR

E

❑ Si utilizza un microcontrollore per gestire l’intero caricabatteria (STM32F303RE)

Periferiche configurate:• Timer 8: Comando Mosfet PFC

• Timer 1: Comando Mosfet PS

• Timer 3: Comando istanti di campionamento DAC

• DAC 1, 2, 3, 4: Conversione tensioni e correnti misurate

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HA

RW

AR

E-IN

-TH

E-LO

OP❑ Vantaggi

✓ Verifica del microcontrollore✓ Verifica codice controllo digitale✓ Velocità di validazione → Non è necessario avere la scheda completa✓ Basso costo

❑ Si procede alla validazione dell’hardware e del software di controllo del PFC

REAL TIME SIMULATION / HARDWARE-IN-THE-LOOP

❑ 3 STEP: boost interleaved boost PFC

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VA

LID

AZI

ON

E

BOOST

INTERLEAVED BOOST PFC

No 𝑘𝑐𝑜𝑟 Con 𝑘𝑐𝑜𝑟

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CO

NC

LUSI

ON

EOBIETTIVI CONSEGUITI

✓ Analisi teorica convertitore PFC, LLC e PS

✓ Scrittura di un programma per dimensionamento LLC

✓ Simulazione tramite PSIM e PLECS di tutti gli stadi e relativo controllo

✓ Validazione sperimentale Hardware-in-the-Loop PFC

PASSI E SVILUPPI FUTURI

✓ Verifica sperimentale caricabatteria completo

✓ Implementazione convertitore LLC per stadio DC-DC