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UPC
UNIVERSITAT POLITÈCNICA DE CATALUNYA
Escola Tècnica Superior d’Enginyeries
Industrial y Aeronàutica de Terrassa
Titulación:
Máster en Ingeniería de Sistemas Automáticos y Electrónica Industrial
Alumno:
Borja Alberdi Esuain
Título del Trabajo de Fin de Máster:
Estudio de un convertidor resonante para la carga de vehículos eléctricos
Director y codirector:
Jordi Zaragoza Bertomeu
Gabriel Jose Capella
Convocatoria de entrega:
Abril de 2019
Contenido de este volumen:
Memoria
ABSTRACT
In this report a multilevel resonant converter for charging electric vehicle batteries is studied and designed. The study focuses on two main parts corresponding to the primary DC- AC conversion and the resonant circuit operating at the optimal point for energy transfer. The inverted is characterised by using Galium Nitride semiconductors in order to switch at high frequencies and achieve high efficiency. A three level flying capacitor inverter is studied. The resonant circuit is chosen to be a series-resonant LCL type and is designed for working at the maximum power transfer point. Once the theoretical study and design is done, the circuits are modeled using PLECS software with Matlab-Simulink, obtaining results to verify the design and some final conclusions from the comparison of results. To finish with this project a Printed Circuit Board prototype of the studied three level inverter is designed with Altium Designer.
ÍNDICE
I. INTRODUCCIÓN
En este documento se presenta el estudio y el diseño de un convertidor multinivel resonante de tres niveles para la carga inalámbrica de las baterías de un vehículo eléctrico. Este sistema será diseñado para el uso doméstico con una entrada de red eléctrica trifásica, y una salida de tensión continua para la alimentación de las baterías. Comenzando por un breve estudio del estado del arte sobre los cargadores inalámbricos y el uso de los convertidores resonantes para esta aplicación, se detalla el funcionamiento del sistema general realizando también una descripción de cada una de las partes y las diferentes topologías que se pueden encontrar hoy en día en el mercado, para que después se realice la comparación y se justifique la topología que se ha seleccionado para el diseño. Se estudian y se diseñan el inversor y el tanque resonante que son las dos principales partes que componen el sistema. Se asume que el rectificador principal que rectifica la señal trifásica es ideal y crea una tensión continua de 565V DC estable para la entrada del inversor. De la misma manera, se asume que el rectificador de salida que rectifica la energía enviada por el transformador de manera inalámbrica es ideal y crea una tensión constante de 400V en el bus de entrada de las baterías. Comenzando por el esquema eléctrico se dimensionan todos los componentes para que el sistema pueda entregar una potencia máxima de 5 kW a las baterías. Una vez diseñados los circuitos se han simulado mediante la herramienta PLECS de Plexim en Simulink para validar el correcto funcionamiento. En el caso del inversor que transmite la energía del bus de entrada al tanque resonante, se han utilizado semiconductores de nitruro de galio (GaN) para poder conmutar altas tensiones a altas frecuencias y mejorar la eficiencia comparando con convertidores convencionales. También se ha optado por utilizar la topología de condensadores flotantes para crear la salida de tres niveles. Se ha realizado un estudio para seleccionar la modulación más adecuada. Con las simulaciones en PLECS se ha validado el correcto funcionamiento y se han analizado los resultados. Finalmente, en Altium Designer se ha completado un prototipo de un medio puente de condensador flotante modular para poder construir el puente en H deseado además de poder utilizarlo para distintos proyectos. En este caso se han utilizado semiconductores GaN de Texas Instruments con driver incorporado. En este
apartado también se recoge el presupuesto del prototipo que se ha estimado para su finalización. En el caso del taque resonante, se ha realizado el diseño para que funcione en el punto de resonancia y permita entregar la potencia máxima requerida. Se ha validado su funcionamiento con PLECS como se ha comentado anteriormente, y se ha realizado un estudio de los resultados obtenidos. Al contrario del caso del inversor no se ha construido ningún prototipo físico. Este prototipo queda pendiente para futuros proyectos. El documento finaliza con las conclusiones más importantes obtenidas durante el estudio y el diseño de cada apartado. Con ello se pretende también recoger los límites de funcionamiento y los puntos de trabajo recomendables del sistema diseñado. Y finalmente se detallan las líneas futuras para la continuación de este proyecto.
II. FUNCIONAMIENTO DE CARGADORES INALÁMBRICOS PARA VE
Al igual que los vehículos de combustión, los vehículos eléctricos requieren de una fuente exterior para recargar la energía y poder mover el motor. Esta energía es almacenada en las baterías, a diferente tensión dependiendo del modelo del vehículo eléctrico. El mayor problema de esta recarga es la duración del proceso. Mientras que los vehículos de combustión se pueden recargar en pocos minutos la carga de las baterías es un proceso más lento. Depende directamente de la potencia que puede entregar el cargador. Hoy en día existen en el mercado cargadores de carga rápida que puede recargar las baterías hasta un 50% en 3 minutos y llegar hasta el 80% de la carga en 15 minutos. Sin embargo, esta carga rápida implica un mayor deterioro de las baterías ya que dependiendo de la topología las baterías deben soportar altas tensiones. Un control de tensión corriente optimo puede frenar parcialmente este rápido deterioro. La carga rápida es necesaria para hacer frente al problema de la duración de la carga en los vehículos eléctricos, y los cargadores de contacto están llegando a su madurez tecnológica. Al mismo tiempo, están empezando a aparecer cargadores inalámbricos o inductivos que podrían competir e incluso superar en prestaciones a los cargadores de contacto. Figura II. 1 Cargador de contacto vs cargador inalámbrico [23] Las principales partes de un cargador de contacto lo forman los convertidores ac/dc y dc/dc. La eficiencia del sistema completo depende mayormente de estos convertidores que transmiten la energía de la red a las baterías. En el caso de los cargadores inalámbricos el
sistema es completamente distinto. En la Figura II. 1 Cargador de contacto vs cargador inalámbricose compara el cargador de contacto con un cargador inalámbrico estático de campo cercano (su explicación a continuación), donde se requiere una fase de entrada con un convertidor de alta frecuencia que alimenta un taque resonante para que haga funcionar la transmisión inalámbrica. Dentro de los cargadores inalámbricos existen varias topologías que se pueden clasificar en dos grandes grupos. Cargadores inalámbricos que utilizan campo cercano y las que utilizan campo lejano.
- Transmisión inalámbrica por campo cercano: En los cargadores de campo cercano la energía permanece en una región cercana del emisor, y no se produce una transmisión si no existe un receptor dentro de esa región. El campo que produce el emisor depende totalmente de la forma y del tamaño de este y del receptor. Con el campo cercano la energía se puede transmitir utilizando electrodos y creando un campo eléctrico o utilizando bobinas creando un campo magnético. El campo eléctrico es capaz de transmitir potencia a muy poca distancia del emisor, en cambio el campo magnético debido a sus propiedades de atravesar muros y personal es capaz de transmitir potencia a más distancia. 1) Carga inalámbrica basada en transmisión de potencia por inducción: El método IPT se basa en el principio de la inducción magnética y en las leyes de Lenz y Faraday que describen como una corriente alterna que circula por una bobina crea un campo magnético a su alrededor, y a la vez se crea una tensión en una segunda bobina (receptor) debido al flujo magnético alterno que lo atraviesa, si se encuentra dentro del alcance del campo. El receptor se conecta a la carga con el que se cierra el circuito. Destacan algunos de los proyectos que fueron pioneros con la teoría del electromagnetismo moderno y el comienzo de la transmisión de la energía por inducción. Entre otros, en 1982 con el proyecto PATH, en CA, USA, se logró alimentar un VE con una frecuencia de 400Hz y una eficiencia del 60%, utilizando una distancia entre emisor y receptor de 50-100mm [ 1 ]. En 2009 Showa Aircraft Company en Japon desarrollo un sistema para VE basado en la transmisión por inducción de 30kW conmutando a una frecuencia de 22kHz, con una distancia de 14cm y una eficiencia del 92% [ 1 ].
aplicaciones comerciales [ 5 ]. Debido al comportamiento del microondas se puede utilizar para la transmisión de energía a largas distancias. 2) Carga inalámbrica por láser. Esta tecnología es utilizada para transmitir una gran cantidad de energía y con una gran potencia a un punto muy concentrado a una distancia considerable. Sin embargo, la eficiencia está limitada. La energía se transmite convirtiendo la corriente eléctrica en un haz de luz, y se recibe por una célula fotovoltaica que la transforma en energía eléctrica. Esta tecnología no es recomendable para la aplicación de carga de vehículos eléctricos ya que cualquier mínimo error en la dirección de rayo láser podría provocar grandes pérdidas de energía y peligros letales para los humanos. Por otro lado, los cargadores inalámbricos también se pueden clasificar dependiendo si son estacionarios (SWT), dinámicos (DWT), o cuasi-dinámicos (QWT). Con los SWT el vehículo se carga cuando se encuentra estacionado, pero con el DWT la carga se realiza mientras el vehículo se encuentra en movimiento. Un ejemplo de este segundo es el proyecto Victoria, liderado por ENDESA y en colaboración con CIRCE entre otros, con el que se cargan autobuses en línea durante el trayecto, en Málaga, España [ 6 ]. El QWT en cambio es beneficioso para aquellos vehículos que tienen paradas regulares en sitios concretos en los que se realizaría la carga, como en paradas de autobús, o de taxis. Los SWT son los que mayor eficiencia logran ya que se puede conseguir una completa alineación entre emisor y receptor. Se han logrado construir prototipos de alta eficiencia como es el caso del Qualcomm, ORNL, con una eficiencia total mayor del 95% [ 7 ]. Los SWT disponen de varios pasos de conversión cada uno con su complejidad y eficiencia. Si la fuente de potencia es alterna, es necesario convertirlo a continua con corrección de PFC. El método IPT requiere el uso de altas frecuencias para lograr altas eficiencias como el caso del Qualcomm ORNL. Para ello se utiliza un convertidor dc-ac con el que se convierte la potencia rectificada en señales alternas de alta frecuencia. Estas señales son las que crean un flujo alterno que permite transmitir la energía del primario de un transformador a un secundario. En la siguiente sección se detalla la composición de esta topología. Como se ha descrito también en los diferentes métodos de carga inalámbrica, esta técnica es mejorada utilizando la resonancia magnética, con el que se logra llevar el sistema al
punto de transmisión de máxima potencia. Este método es el que se ha escogido como base para la aplicación que se lleva a cabo en este proyecto. Figura II. 2 Tipos de cargadores de vehículos eléctricos [ 23 ]
ejemplo, se puede conseguir una mejor definición de una onda sinusoidal. Este inversor conmuta la tensión continua de 565V para lograr una sinusoidal a la salida. Como se ha comentado previamente este inversor funciona con semiconductores GaN. A continuación, se realiza una breve comparación entre los semiconductores de silicio (Si), carburo de silicio (SiC) y nitruro de galio (GaN). 1) Semiconductores: GaN vs Si vs SiC La tecnología con la que se componen los semiconductores limita sus propiedades de funcionamiento. La más habitual y la más madura hoy en día es la de los semiconductores de silicio. En cuanto a la fiabilidad es la más fiable de todas. Sin embargo, las tecnologías SiC y GaN están comenzando a madurar y se están empezando a ver en aplicaciones industriales como en vehículos eléctricos e híbridos y ya ofrecen mejores prestaciones que el silicio [8]. Estos son capaces de operar a mayores tensiones y temperaturas, tienen un ciclo de vida mayor, y pueden conmutar a frecuencias más altas. Figura III. 1 Comparación de las tecnologías Si, SiC y GaN [9] La Figura III. 1 Comparación de las tecnologías Si, SiC y GaNmuestra una comparación grafica entre las diferentes tecnologías de las que se habla en este apartado, Si, SiC y GaN. El GaN es la que mejores prestaciones tiene respecto a operaciones de alto voltaje y conmutaciones de alta frecuencia, muy por encima del silicio habitual. Sin embargo, para aplicaciones de altas temperaturas no es recomendable ya que no tiene muy buenas propiedades térmicas. La temperatura máxima que puede soportar está por debajo del SiC y la conductividad térmica incluso por debajo del silicio.
Los semiconductores de GaN normalmente se están utilizando para aplicaciones de altas frecuencias y bajas potencias mientras que los SiC ocupan el campo de altas potencias a bajas frecuencias. Pero cada vez más estos primeros se están moviendo hacia altas tensiones y potencias. Estos tuvieron un comienzo más tardío que los SiC por cuestiones de fiabilidad y coste. Es verdad que teóricamente son capaces de conmutar a mayores frecuencias que los SiC debido a su gran velocidad de movimiento de los electrones (1000 veces mayor que el Si), pero al mismo tiempo su conductividad térmica es tres veces menor que en el caso del SiC lo que limita la densidad de potencia. Actualmente se pueden encontrar dispositivos de SiC de tensiones entre 650V a 1,2kV mientras que los GaN se quedan en los 650V, y sufren al competir con el coste y la robustez de los SiC para una misma tensión. La resistencia interna en el caso de los SiC suele ser más pequeña. [ 10 ] En el mercado los semiconductores GaN con las prestaciones más limites se pueden encontrar para 650V, 60A y con una resistencia interna de 25mOhm, como es el caso del GS66516 de GaN Systems, mientras que en el caso de los SiC (SiC cascada) se pueden encontrar de 1,2kV, una corriente de 85A y con una resistencia interna de 30mOhm. En un futuro cercano estas prestaciones evolucionarán y es posible que estas dos tecnologías ocupen las siguientes áreas que se presentan en la Figura III. 2 Áreas de trabajo de distintas tecnologías en un futuro cercano [10], si todavía no lo han ocupado. Figura III. 2 Áreas de trabajo de distintas tecnologías en un futuro cercano [10]
