Fakulteta za strojništvo DVOSMERNI DC/DC PRETVORNIK Študent(ka): Študijski program: Primož FIŠER Univerzitetni študijski program 1. stopnje Mehatronika Mentor FS: Mentor FERI: Somentor FERI: izr. prof. dr. Karl Gotlih doc. dr. Andreja Rojko mag. Marijan Španer Maribor, september 2011
- II -
I Z J A V A Podpisani Primož FIŠER izjavljam, da: je bilo predloženo diplomsko delo opravljeno samostojno pod mentorstvom izr. prof. dr. Karla GOTLIHA in doc. dr. Andreje ROJKO ter somentorstvom mag. Marijana ŠPANERJA; predloženo diplomsko delo v celoti ali v delih ni bilo predloženo za pridobitev kakršnekoli izobrazbe na drugi fakulteti ali univerzi; soglašam z javno dostopnostjo diplomskega dela v Knjižnici tehniških fakultet Univerze v Mariboru. Maribor, 16.8.2011 Podpis: - III -
ZAHVALA Zahvaljujem se obema mentorjema izr. prof. dr. Karlu Gotlihu in doc. dr. Andreji Rojko za pomoč in vodenje pri opravljanju diplomskega dela. Zahvaljujem se tudi somentorju mag. Marijanu Španerju, ki mi je s svojimi nasveti in idejami pomagal pri zasnovi in izgradnji pretvornika. Posebna zahvala velja moji družini - staršema Andreju in Zdenki, ki sta mi omogočila študij ter me spodbujala in podpirala pri pisanju diplomske naloge. - IV -
DVOSMERNI DC/DC PRETVORNIK Ključne besede: stikalni DC/DC pretvornik, hibridna vozila, električna vozila, močnostna dušilka, pulznoširinska modulacija, simulacije, vodenje, meritev izkoristka UDK: 621.314.1:629.331-83(043.2) POVZETEK V diplomskem delu je predstavljen dvosmerni stikalni DC/DC pretvornik, ki se uporablja za dvosmerni prenos energije v sklopu elektromotornega pogona v hibridnih ali električnih vozilih. Pretvornik lahko deluje v načinu navzdol (Buck), kadar s presežno energijo pri zaviranju ali vožnji navzdol polnimo hranilnik energije, ali pa v načinu navzgor (Boost), kjer z akumulirano energijo v hranilniku poganjamo elektromotor. S simulacijo delovanja je bila preverjena in potrjena izbrana topologija pretvornika, rezultati simulacije pa so nam tudi pomagali pri načrtovanju in izbiri komponent, kjer smo največ pozornosti namenili načrtovanju močnostne dušilke. Izmerjen je tudi izkoristek pretvornika v obeh načinih delovanja. - V -
BI-DIRECTIONAL DC/DC CONVERTER Key words: switching DC/DC converter, hybrid vehicles, electric vehicles, power inductor, pulse width modulation, simulations, control, efficiency measurement UDK: 621.314.1:629.331-83(043.2) ABSTRACT This work presents bidirectional DC/DC converter, which is used for a bidirectional energy flow in the hybrid or electric vehicles. The converter has two main operating modes - stepdown mode (Buck) and step-up mode (Boost). When operating in Buck mode, the converter uses an excess energy from breaking or driving downhill to charge an energy storage device. In contrary, when the converter works in Boost mode, the accumulated energy is transferred from energy device to the electric motor. Before the converter was implemented, the simulations were executed. The simulation results gave us useful information based on which the converter's components were selected. A special attention was devoted to the design of the power inductor. Also the efficiency of converter was measured. - VI -
KAZALO 1 UVOD... 1 1.1 OPIS SPLOŠNEGA PODROČJA RAZISKAVE... 1 1.2 OPREDELITEV DIPLOMSKEGA DELA... 1 1.3 VSEBINA DIPLOMSKEGA DELA... 2 2 NAMEN DVOSMERNEGA DC/DC PRETVORNIKA... 3 3 ZGRADBA DVOSMERNEGA DC/DC PRETVORNIKA... 4 3.1 PRETVORNIK NAVZDOL (BUCK)... 4 3.2 PRETVORNIK NAVZGOR (BOOST)... 5 4 ANALIZA DELOVANJA PRETVORNIKA S SIMULACIJO... 6 4.1 SIMULACIJSKI MODEL MOČNOSTNEGA DELA PRETVORNIKA... 6 4.2 SIMULACIJSKI MODEL VODENJA PRETVORNIKA... 7 4.3 REZULTATI SIMULACIJ... 8 5 NAČRTOVANJE ELEMENTOV PRETVORNIKA... 9 5.1 MOČNOSTNA DUŠILKA... 9 5.2 IZBIRA PARAMETROV DUŠILKE... 10 5.3 PRERAČUN IN IZDELAVA DUŠILKE... 12 5.4 MOČNOSTNI KONDENZATORJI... 14 5.5 STIKALNI ELEMENT PRETVORNIKA... 15 5.6 MOČNOSTNE POVEZAVE MED ELEMENTI PRETVORNIKA... 15 5.7 VMESNIŠKA KARTA... 16 6 INTEGRACIJA PRETVORNIKA V HIBRIDNO VOZILO... 18 7 REZULTATI... 19 7.1 DELOVANJE PRETVORNIKA... 19 7.2 POMEN MERITEV IZKORISTKA PRETVORNIKA... 20 7.3 MERITEV IZKORISTKA V BUCK NAČINU DELOVANJA... 21 7.4 MERITEV IZKORISTKA V BOOST NAČINU DELOVANJA... 24 8 ZAKLJUČEK... 28 SEZNAM UPORABLJENIH VIROV... 29 - VII -
9 PRILOGE... 30 9.1 REGULACIJSKE SHEME PRETVORNIKA ZA MERITEV IZKORISTKA... 30 9.2 PRERAČUN DUŠILKE V MATLAB-U (M-FILE)... 32 9.3 TEHNIČNA DOKUMENTACIJA IZDELANIH ELEMENTOV PRETVORNIKA... 33 - VIII -
SEZNAM SLIK Slika 2.1: Osnovna blokovna shema DC/DC pretvornika... 3 Slika 3.1: Topologija dvosmernega DC/DC pretvornika... 4 Slika 3.2: Shema pretvornika navzdol... 4 Slika 3.3: Shema pretvornika navzgor... 5 Slika 4.1: Simulacijski model DC/DC pretvornika... 6 Slika 4.2: Simulacijski model močnostnega dela pretvornika... 7 Slika 4.3: Shema PWM modulatorja... 7 Slika 4.4: Karakteristika PWM modulatorja... 8 Slika 4.5: Prehodni pojav toka pri Boost načinu... 9 Slika 4.6: Poenostavljeno vezje za mehki zagon... 9 Slika 5.1:Izdelana močnostna dušilka... 14 Slika 5.2: Načrtovanje močnostnih povezav... 15 Slika 5.3: Vezje diferenčnega ojačevalnika za meritev napetosti... 16 Slika 5.4: Električna shema pretvornika z vsemi elementi... 17 Slika 6.1: Integracija pretvornika v hibridno vozilo... 18 Slika 7.1: Pretvornik navzgor v zveznem področju delovanja... 19 Slika 7.2: Pretvornik navzdol v režimu trganega toka... 19 Slika 7.3: Fotografija izdelanega pretvornika... 20 Slika 7.4: Vezalni načrt meritve izkoristka v Buck načinu... 22 Slika 7.5: Izkoristek pretvornika glede na izhodno moč v Buck načinu... 24 Slika 7.6: Vezalni načrt meritve izkoristka v Boost načinu... 25 Slika 7.7: Izkoristek pretvornika glede na izhodno moč v Boost načinu... 27 Slika 9.1: Regulacijska shema (Buck)... 30 Slika 9.2: Regulacijska shema (Boost)... 31 Slika 9.3: Močnostne povezave pretvornika... 33 - IX -
Slika 9.4: Načrt izvrtin v močnostne povezave... 34 Slika 9.5: Osnovna kovinska plošča ohišja... 35 Slika 9.6: Nosilec močnostnih povezav... 36 Slika 9.7: Pregrada pretvornika proti EMI... 37 SEZNAM TABEL Tabela 1: Lastnosti jedra Metglas AMCC-400... 12 Tabela 2: Možna stanja komunikacijskih digitalnih vhodov in izhodov... 17 Tabela 3: Meritev izkoristka v Buck načinu pri U vh =50 V... 23 Tabela 4: Meritev izkoristka v Boost načinu pri U vh =50 V... 26 - X -
UPORABLJENI SIMBOLI U bat - napetost baterije U dc - napetost enosmernega vodila p - prevajalno razmerje L - induktivnost R L - ohmska upornost navitja R on - notranja upornost tranzistorja f s - stikalna frekvenca T s - stikalna perioda I max - maksimalni tok pretvornika U vh - vhodna napetost U izh - izhodna napetost I vh - vhodni tok I izh - izhodni tok i L - tok dušilke i L - valovitost toka dušilke B sat - nasičenost gostote magnetnega pretoka l g - dolžina zračne reže n - število ovojev dušilke A c - površina preseka jedra A W - maksimalni presek žice W - energija U most - napetost na izhodu tranzistorskega polmostiča U cel - napetost celice - XI -
UPORABLJENE KRATICE PWM - RP - DC - AC - Li-Po - IGBT - ESR - RLC - CAD - DSP - EMI - AD - PI - SoC - BMS - ICE - RMS - Pulzno širinska modulacija (Pulse width modulation) Hitro načrtovanje (Rapid prototyping) Enosmerni tok (Direct current) Izmenični tok (Alternating current) Litij-polimerna (Lithium polymer) Tranzistor z izoliranimi vrati (Insulated gate bipolar transistor) Ekvivalentna serijska upornost (Equivalent series resistance) Upornost, induktivnost, kapacitivnost Računalniško podprto načrtovanje (Computer aided design) Digitalni signalni procesor (Digital Signal Processor) Elektromagnetna interferenca (Electromagnetic interference) Analogno digitalni Proporcionalno-integralni Stanje napolnjenosti (State of charge) Sistem za upravljanje z baterijo (Battery management system) Motor z notranjim izgorevanjem (Internal combustion engine) Efektivna vrednost (Root mean square) - XII -
1 UVOD 1.1 Opis splošnega področja raziskave Danes se soočamo s postopnim prehodom iz avtomobilov s konvencionalnimi bencinskimi ali dizelskimi motorji na avtomobile s hibridnimi ali popolnoma električnimi pogoni. Razlogi so predvsem visoke cene fosilnih goriv, želja po postopnemu zmanjševanju ogljičnega odtisa vozil in hiter razvoj zmogljivejših in tehnološko dovršenih hranilnikov energije, ki omogočajo bistveno večjo kapaciteto shranjene energije. Hibridna vozila, v katerih se za pogon uporablja kombinacija električnega motorja in motorja z notranjim izgorevanjem, je ena izmed tehnologij, ki lahko bistveno prispevajo k čistejšemu okolju in zmanjšanemu izpustu toplogrednih plinov. O hibridnih vozilih govorimo takrat, kadar je v vozilu nameščen tako motor z notranjim izgorevanjem kot tudi elektromotor z vso potrebno elektroniko, to je sistemom za vodenje in sistemom za hranjenje električne energije. Če oba pogona delujeta usklajeno je mogoče poganjati motor z notranjim izgorevanjem samo v področju optimalnega izkoristka in z električnim motorjem regenerativno vračati energijo med zaviranjem vozila v hranilnik električne energije, kar oboje izboljšuje izkoristek. Eden izmed sestavnih delov sklopa elektromotornega pogona, ki nam omogoča dodatne funkcionalnosti, je pretvornik za priključitev hranilnika energije, katerega naloga je dvosmerni prenos energije med skupnim enosmernim vodilom in hranilnikom. Glede na klasična vozila z motorjem z notranjim izgorevanjem, se z uvedbo hibridnega pogona precej zmanjša poraba goriva in izpust škodljivih plinov. Kljub temu, da se hibridna vozila že komercialno proizvajajo in jih lahko kupimo na trgu, pa nadaljni razvoj še naprej poteka v smeri čim večje praktičnosti in boljšega izkoristka. 1.2 Opredelitev diplomskega dela V diplomskem delu se bomo osredotočili na načrtovanje, analizo in izdelavo dvosmernega stikalnega DC/DC pretvornika, ki se bo uporabljal za prikjučitev litij-polimerne baterije, uporaben pa bo tudi za priključitev superkondenzatorja. Pretvornik se bo uporabljal za aplikacije v bodisi hibridnih bodisi v električnih vozilih, primarno pa je namenjen vgradnji v lahko dostavno vozilo. Glede na težo in kategorijo vozila so bile izbrane komponente - 1 -
pretvornika, ki mora zagotavljati skupno moč med 4-5 kw. Pri izbiri sestavnih delov je potrebno upoštevati tudi, da želimo pretvornik, ki bo imel čim manjšo maso, saj tudi ta vpliva na ekonomijo vožnje in vozne lastnosti. Pretvornik mora biti zmožen dvosmernega prenosa energije med skupnim enosmernih vodom in baterijo. 1.3 Vsebina diplomskega dela je razdeljeno na devet poglavij. Prvo poglavje je uvod, kjer je na kratko predstavljeno ozadje hibridnih in električnih vozil ter opredelitev tega diplomskega dela. V drugem poglavju je opisana osnovna naloga in namen dvosmernega DC/DC pretvornika. Sledi tretje poglavje, kjer smo z vpogledom v teoretično ozadje stikalnih pretvornikov analizirali vse načine delovanja. V četrtem poglavju smo s simulacijo delovanja pretvornika preverili ustreznost izbrane topologije in s pomočjo rezultatov predlagali izboljšave in dodatne funkcionalnosti, naprimer mehki zagon. V naslednjem (petem) poglavju smo podrobno opisali postopek načrtovanja močnostne dušilke in predstavili izbiro ostalih komponent. Šesto poglavje opisuje integracijo pretvornika v hibridno vozilo, v sedmem poglavju pa so predstavljeni rezultati delovanja pretvornika in meritev izkoristka. V zaključku (osmo poglavje) je podan sklep dela in smernice za nadaljnje delo. Dodane so še priloge, z načrti pretvornika, regulacijskimi shemami in računalniškimi izračuni. - 2 -
2 NAMEN DVOSMERNEGA DC/DC PRETVORNIKA Dvosmerni stikalni DC/DC pretvornik uporabljamo za priključitev litij-polimerne akumulatorske baterije na enosmerno vodilo pogona hibridnega vozila. Pretvornik omogoča dvosmerni prenos energije med Li-Po akumulatorsko baterijo in skupnim enosmernim vodom. To pomeni, da je mogoče z istim pretvornikom v enem režimu delovanja iz akumulatorske baterije črpati energijo in tako poganjati električni pogonski motor hibridnega vozila. V drugem režimu pa energijo shranjevati v baterijo, kadar z vozilom zaviramo ali vozimo navzdol in torej električni pogonski motor deluje kot generator električne energije. Pomembno je, da s pretvornikom zagotovimo ustrezne napetostne nivoje, ki so primerni bodisi za akumulatorsko baterijo (U bat, napetostni nivo 110 V) bodisi za enosmerno vodilo (U dc, napetost 250 V). Tako ima pretvornik dva glavna režima delovanja, to sta navzgor (Boost), kjer z energijo iz baterije poganjamo motor in navzdol (Buck), kjer regenerirano energijo pri zaviranju vračamo v baterije. Smeri tokov pri obeh načinih delovanja in potek napetosti kaže Slika 2.1. Pretvornik je mogoče krmiliti z uporabo pulznoširinske modulacije (PWM, Pulse Width Modulation) in pri tem nadzorovati pretok moči. Vodenje pretvornika je izvedeno s pomočjo DSP-2 sistema [6], ki je bil razvit v laboratoriju in omogoča uporabo hitrih metod za razvoj in implementacijo vodenja RP (rapid prototyping). Kasneje bo za potrebe pretvornika razvito posebno elektronsko vezje, ki bo omogočalo učinkovitejše vodenje, saj je dvosmerni pretvornik sam po sebi hibridni sistem, kjer se prepletata zvezna in diskretna dinamika. Tako bo mogoče uvesti še dodatne funkcionalnosti, kot so mehki zagon, komunikacijski vmesnik, diagnostika in meritev ključnih temperatur. Litij-polimerna baterija I bat Dvosmerni DC/DC pretvornik Skupno enosmerno vodilo I dc Ubat 110 V Smer tokov; Boost delovanje: I bat > 0 in I dc < 0 250 V Udc Buck delovanje: I bat < 0 in I dc > 0 Slika 2.1: Osnovna blokovna shema DC/DC pretvornika - 3 -
3 ZGRADBA DVOSMERNEGA DC/DC PRETVORNIKA Glavna naloga pretvornika je dvosmerni prenos energije in napetostna prilagoditev, kot je bilo omenjeno že v uvodu. Dvosmerni pretok energije omogoča kombinacija dveh osnovnih topologij stikalnih DC/DC pretvornikov, in sicer kombinacija pretvornika navzdol in pretvornika navzgor. Preklop med obema strukturama je mogoč z usteznim krmiljenjem obeh močnostnih tranzistorjev. Kadar pretvornik deluje v načinu navzdol je aktiven le tranzistor TOP in dioda D2, pri delovanju navzgor pa samo tranzistor BOT in dioda D1. Kombinacija stikal (TOP, BOT) in (D1, D2) torej v vsakem trenutku obratovanja pretvornika deluje komplementarno, za kar poskrbi sistem vodenja (poglavje 4.2). Idc TOP D1 L Ibat Cdc + + - Udc Ubat + Cbat BOT D2 Slika 3.1: Topologija dvosmernega DC/DC pretvornika 3.1 Pretvornik navzdol (Buck) Pretvornik navzdol oziroma Buck pretvornik se uporablja kadar je potrebno enosmerno napetost na bremenu zmanjšati glede na vhodno napetost, ki je višja. Buck pretvornik torej na svojem izhodu proizvaja nižjo srednjo vrednost napetosti, kot je napetost, ki je priključena na vhodu pretvornika. Shemo pretvornika kaže Slika 3.2. L Udc + - TOP D2 C bat R Ubat Nizkopasovno sito Slika 3.2: Shema pretvornika navzdol - 4 -
Na izhodno napetost U bat lahko vplivamo s preklapljanjem tranzistorja TOP oziroma s spreminjanjem prevajalnega razmerja p. Majhno valovitost izhodne napetosti dosežemo z nizkopasovnim sitom (kombinacija L in C bat ), ki prepušča samo enosmerno komponento napetosti. Dioda je v vezju nujna zaradi vgrajene dušilke L. Ko tranzistor TOP prevaja (dioda D2 je zaporno polarizirana) se energija pretaka od izvora proti bremenu, ko pa tranzistor izklopimo, se breme napaja z energijo shranjeno v dušilki in kondenzatorju. Pretvornik navzdol lahko deluje v dveh načinih delovanja: zvezno področje delovanja (trenutna vrednost toka skozi dušilko nikoli ne doseže vrednosti nič), nezvezno področje delovanja (področje trganega toka, trenutna vrednost toka skozi dušilko doseže vrednost nič) [1]. 3.2 Pretvornik navzgor (Boost) Pretvornik navzgor oziroma Boost pretvornik se uporablja tam, kjer je potrebno enosmerno napetost na bremenu povečati glede na vhodno napetost izvora, ki je nižja. Boost pretvornik torej na svojem izhodu proizvaja višjo srednjo vrednost napetosti, kot je napetost, ki je priključena na vhodu. Shemo pretvornika kaže Slika 3.3. L D1 Ubat BOT C dc R Udc Slika 3.3: Shema pretvornika navzgor Ko je tranzistor BOT vključen, je dioda D1 zaporno polarizirana, breme pa je "ločeno" od vhodnega dela. Med tem se energija iz izvora shranjuje v induktivnosti dušilke L. Ko pa tranzistor izklopimo, breme prejema energijo iz izvora, kot tudi energijo shranjeno v dušilki (energija je shranjena v obliki magnetnega polja). Prav tako kot pretvornik navzdol, lahko tudi pretvornik navzgor deluje v zveznem in nezveznem področju delovanja [1]. - 5 -
4 ANALIZA DELOVANJA PRETVORNIKA S SIMULACIJO Delovanje pretvornika smo preverili s simulacijo v MATLAB/Simulink-u [12]. Ta programski paket omogoča izvajanje simulacij v grafičnem okolju s pomočjo modelov, ki jih izgradimo sami, oziroma z uporabo modelov, ki so že pripravljeni v knjižnicah programa. Pripravljena orodja in izdelane modele za simulacijo elementov močnostne elektronike najdemo v knjižnici SimPowerSystems. Knjižnica vsebuje modele pasivnih in stikalnih elementov, električne stroje, močnostne električne vire, orodja za meritve tokov, napetosti, faz in podobno. Gre torej za zelo uporabno orodje za simulacijo DC/DC, DC/AC, AC/DC in AC/AC pretvornikov. V tem orodju smo izgradili model pretvornika, ki je prikazan na Slika 4.1. Glede na rezultate simulacije bo možno ustreznejše dimenzionirati elemente pretvornika in analizirati regulacijske algoritme. Na sliki so z različnimi barvami označeni posamezni sklopi pretvornika. Z zeleno barvo je označen močnostni sklop pretvornika (IGBT, dusilka, kondenzatorji), z oranžno barvo so označeni elementi vodenja, z modro barvo pa je prikazan pomožni blok, ki se glede na pogoje obnaša kot napetostni vir ali kot breme. Zaradi kompleksnosti modela, bodo posamezni bloki predstavljeni posamično v nadaljevanju tega poglavja. 250 PI(z) bidirectional DC/DC converter Udc_ref PI_boost [ctrl] tok il pri buck negativen -1 Switch + tok = boost - tok = buck PI(z) PI_tokovni TOP PI_IN BOT PWM modulator Buck Boost TOP BOT il Ubat Udc_link il Tok skozi dusilko Ubat Napetost baterije Udc 6 IL_ref Vodenje v buck nacinu po napetosti ali po toku Battery Management m + _ + BAT - BAT + DC_link - DC_link [ctrl] Control + - Clock Napetost na DC vodu time cas simulacije 130 Ubat_ref PI(z) PI_buck Li-po 110V Filter1 Filter Breme/DC vir Control 1->Breme 0->DC vir vmesni preklop strukture [ctrl] Goto Filter2 0 1...boost nacin 0...buck nacin Slika 4.1: Simulacijski model DC/DC pretvornika 4.1 Simulacijski model močnostnega dela pretvornika Električno shemo dvosmernega DC/DC pretvornika (Slika 3.1) predstavljenega v poglavju 3, smo sestavili v model (Slika 4.2) in jo preizkusili. Parametre posameznih blokov smo - 6 -
E g C E g C nastavili tako, da ustrezajo realnim komponentam (prisotne neidealnosti). Močnostni dušilki smo tako dodali ohmsko upornost navitja R L, kondenzatorjem ekvivalentno serijsko upornost (ESR) in tranzistorjem notranjo upornost R on. 1 TOP + DC_link 1 il 1 TOP (Buck) Ubat 2 3 + BAT Meritev napetosti v + - Cbat i + - Meritev toka L 2 BOT BOT (Boost) Cdc + v 3 - Udc_link Meritev napetosti1 4 - BAT - DC_link 2 Slika 4.2: Simulacijski model močnostnega dela pretvornika 4.2 Simulacijski model vodenja pretvornika Najpomembnejši element vodenja pretvornika je pulzno-širinski modulator (Slika 4.3). Njegova naloga je generiranje PWM signala s primerjanjem vhodnega modulacijskega signala PI_IN (izhod tokovnega regulatorja) s signalom žagaste oblike, katerega frekvenca je enaka stikalni frekvenci pretvornika f s. Primerjava se opravi samo enkrat v stikalni periodi T s. u Absolutna vrednost ZAGA TOP 1 TOP 1 Zaga PI_IN 0.9 Preklop omejitev Duty Cycle finsni d.c ali vhod PI_IN PI_IN PWM_modulator S-Function BOT Scope 2 BOT Slika 4.3: Shema PWM modulatorja Glede na to, ali je vrednost modulacijskega signala PI_IN pozitivna ali negativna, je istočasno aktiven samo eden izmed izhodov, ki krmilita delovanje tranzistorjev. Izhod TOP (krmiljenje zgornjega tranzistorja) je tako aktiven le, če je vrednost PI_IN negativna, medtem ko je izhod BOT (krmiljenje spodnjega tranzistorja) aktiven le takrat, kadar je vrednost PI_IN pozitivna. Karakteristiko PWM modulatorja kaže Slika 4.4. - 7 -
Prevajalno razmerje p [%] 100 Izhod TOP (Buck) Izhod BOT (Boost) Modulacijski signal PI_IN -1 0 1 Slika 4.4: Karakteristika PWM modulatorja Izhod iz PWM modulatorja se torej spreminja glede na vhodni modulacijski signal, s tem pa se spreminja tudi struktura pretvornika (glede na to kateri tranzistor preklaplja). Oba tranzistorja hkrati ne smeta biti aktivna, saj bi to pomenilo kratek stik. Vhodni modulacijski signal je zagotovljen s strani regulatorjev, ki omogočajo delovanje pretvornika v obeh režimih delovanja, možen pa je tudi vmesni preklop stukture. Za ustrezno delovanje pretvornika v načinu navzgor skrbi kaskadna regulacijska zanka, kjer sta bila uporabljena PI regulatorja z notranjo tokovno in zunanjo napetostno zanko (reguliramo napetost na enosmernem vodilu). Pri delovanju pretvornika v načinu navzdol, ko imamo na enosmernem vodilu presežek energije, pa reguliramo samo tok polnjenja baterije, prav tako s PI regulatorjem [4]. 4.3 Rezultati simulacij Na simulacijskem modelu smo preučili delovanje pretvornika in potrdili ustreznost izbrane topologije. Rezultati simulacije nam dajejo koristne smernice pri izbiri komponent (poglavje 5) in informacije o ustreznosti vodenja pretvornika. Iz analize rezultatov smo ugotovili, da bo za trajno delovanje pretvornika potrebno implementirati vezje za mehki zagon (Slika 4.6), ki bo omejilo zagonski tok. Ob vklopu pretvornika v Boost načinu je namreč zagonski tok, ki steče iz baterije prevelik. Njegov prehodni pojav kaže Slika 4.5. - 8 -
tok [A] Prehodni pojav toka il 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02 0.022 cas [s] Slika 4.5: Prehodni pojav toka pri Boost načinu Zagonski tok je namreč nekajkratnik maksimalnega dovoljenega toka I max, in bi, če ga ne bi omejili, lahko uničil baterije ali polprevodniško diodo znotraj tranzistorskega modula. Z vključitvijo vezja za mehki zagon zaporedno z baterijo, se zagonski tok omeji s polnilnim uporom R polnilni. Pri vklopu pretvornika je stikalo CR sklenjeno tako dolgo, dokler se vhodna in izhodna napetost ne izenačita. Stikalo MC je med časom izenačevanja napetosti razsklenjeno, nato pa ga sklenemo in kratko premostimo polnilni upor. CR R polnilni L U bat MC Slika 4.6: Poenostavljeno vezje za mehki zagon 5 NAČRTOVANJE ELEMENTOV PRETVORNIKA 5.1 Močnostna dušilka Močnostne dušilke so med najpomembnejšimi sestavnimi deli DC/DC pretvornika. Uporabljajo se skoraj v vseh sistemih močnostne elektronike. Na žalost, v primerjavi z ostalimi komponentami, kot so kondenzatorji ali močnostni tranzistorji, močnostne dušilke niso na razpolago na tržišču v takšni meri. Razlog je v velikem številu parametrov, ki karakterizirajo magnetne komponente (induktivnost, napetost, tok, energija, frekvenca, izgube). Zaradi tega je načrtovanje in projektiranje teh komponent prepuščeno načrtovalcu - 9 -
pretvornika, pri čemer je potrebno upoštevati magnetne lastnosti materiala in ceno, težo in volumen naprave [1]. Dušilka je v splošnem pasivni element električnih vezij, ki je sposoben shraniti energijo v magnetnem polju. Glavna značilnost dušilke je induktivnost, to je fizikalna veličina, ki se meri v enoti Henri [H] in je snovno geometrijska lastnost. V splošnem delimo dušilke na: zračne dušilke, ki imajo linearno in simetrično U-I karakteristiko, dušilke s feromagnetnim jedrom, ki imajo U-I karakteristiko histerezne zanke. Zračne dušilke so brez magnetnega jedra in imajo manjšo induktivnost kot dušilke s feromagnetnim jedrom. Zaradi tega niso primerne za uporabo v energetske namene, pač pa se uporabljajo predvsem v visokofrekvenčnih signalnih aplikacijah, naprimer radiotehniki. Na drugi strani imajo dušilke s feromagnetnim jedrom precej večjo induktivnost (do tisočkrat), saj jedra zaradi visoke magnetne permabilnosti povečajo magnetno polje. Uporaba feromagnetnega jedra pa prinaša tudi nekatere slabosti: izgube v jedru, ki nastanejo zaradi vrtinčnih tokov in histerezne karakteristike (materiali z ožjejšo B-H zanko imajo manjše izgube), nelinearnost, saj je iduktivnost odvisna od toka skozi navitje, ki lahko jedro prisili v zasičenje, kar ima za posledico izgubo induktivnosti in porast toka skozi navitje. Kjub nekaterim slabostim se v energetski elektroniki večinoma uporabljajo dušilke s feromagnetnim jedrom, saj lahko shranijo bistveno večje količine energije [9]. 5.2 Izbira parametrov dušilke Pri dvosmernem DC/DC pretvorniku je ista močnostna dušilka uporabljena tako v Buck kot v Boost načinu delovanja. Zato je ključnega pomena, da zagotovimo ustrezne lastnosti dušilke za oba načina delovanja. Kot smo že omenili v poglavju 5.1, je ključna lastnost dušilke induktivnost L, ki smo jo za naš pretvornik določili analitično z izračunom in s simulacijo. Uvh ( Uizh Uvh) L i f U L s izh 527 H (5.1) U vh [V] - vhodna napetost U izh [V] - izhodna napetost i L [A] - željena valovitost toka - 10 -
f s [Hz] - stikalna frekvenca Ta izračun velja za delovanje pretvornika v načinu navzgor in pri delovanju v področju zveznega toka. Izkaže se, da vrednost induktivnosti zadošča tudi za delovanje pretvornika v načinu navzdol. Induktivnost dušilke neposredno vpliva tudi na valovitost toka, ki se običajno določi glede na 10 % vrednosti maksimalnega toka (v našem primeru I max = 70-100 A). Namreč večja kot je induktivnost, manjša je valovitost toka in obratno. Sedaj, ko smo določili želeno induktivnost L, maksimalni tok I max in želeno valovitost toka i L, moramo določiti še feromagnetno jedro dušilke. Z upoštevanjem omejitev glede velikosti in teže dušilke, ki ne smeta biti preveliki, je najbolje izbrati material jedra, pri katerem je nasičenost gostote magnetnega pretoka B sat visoka. Takšna jedra so: prašna jedra iz železnega prahu, feritna jedra iz feritne keramike, trakasta jedra iz amorfnih kovin in zlitin. Slabosti prašnih jeder so relativno velike izgube pri višjih frekvencah delovanja, zato se uporabljajo predvsem v nizkofrekvenčnih aplikacijah in za naše potrebe niso primerna. Tudi feritna jedra imajo slabosti, kot so relativno nizka magnetna permabilnost in maksimalna gostota magnetnega pretoka, njihova dobra lastnost pa so majhne izgube pri visokih frekvencah (do 30 MHz). Ostala so nam še samo trakasta jedra iz amorfnih kovin in zlitin, ki pa imajo v primerjavi z ostalimi jedri superiorne lastnosti za potrebe naše aplikacije [10]. Amorfni materiali imajo namreč nekristalinično oziroma steklasto strukturo (neurejena atomska zgradba), ki omogoča tem materialom visoko odzivnost na spremembe magnetnega polja in s tem zmanjšane histerezne izgube. Ker so jedra sestavljena iz zelo tankih trakov (debeline okoli 23 μm), se s tem doseže še podoben efekt za zmanjšanje vrtinčnih tokov, kot pri lamelirani transformatorski pločevini. Slabost teh jeder je le relativno visoka cena in dostopnost [11]. Eden izmed proizvajalcev teh jeder je Metglas oziroma Hitachi Metals, katerega jedro smo tudi izbrali. Gre za jedro v obliki črke C, tip Metglas AMCC-400, katerega lastnosti so razvidne v Tabela 1. - 11 -
Tabela 1: Lastnosti jedra Metglas AMCC-400 Lastnost Oznaka Vrednost Saturacijski magnetni pretok B sat 1,56 T Magnetna permabilnost μ r odvisno od zračne reže Curie-jeva temperatura T c 399 C Trajna obratovalna temperatura T t 150 C Površina preseka jedra A c 11,70 cm 2 Površina odprtine jedra W A 29,80 cm 2 Povprečna dolžina ovoja MLT 18 cm 5.3 Preračun in izdelava dušilke Z izbiro vseh vhodnih parametrov za načrtovanje dušilke je mogoče izračunati še preostale vrednosti, ki jih potrebujemo za izdelavo. Najpomembnejši sta dolžina zračne reže l g [mm] in število ovojev n. Dolžina zračne reže je določena z enačbo (5.2): l g L I B 2 0 max 2 max AC 7 10 3,73 mm (5.2) μ 0 [H/m] - indukcijska konstanta = 4π 10-7 H/m B max [T] - maksimalni magnetni pretok pri čemer smo upoštevali za B max =1,2 T, saj smo tako še vedno daleč od zasičenja jedra B sat. Pomembno je povdariti, da je izračunana dolžina zračne reže približek, saj ne upošteva v zračni reži izstopajočega magnetnega pretoka in ostalih neidealnosti [2]. Število ovojev dušilke se sedaj izračuna z izrazom (5.3). L Imax n B A max C 4 10 35 ovojev (5.3) Določiti je potrebno še maksimalni presek bakrene žice A W [cm 2 ] glede na število ovojev n in faktor zapolnitve odprtine jedra K u, ki znaša v našem primeru okoli 0,7 oziroma 70 %. A W K W n u A 2 0,6 cm (5.4) Izberemo bakreno žico s presekom A W =0,0353 cm 2 (nazivni premer 2,12 mm), vendar bomo navitje navili s petimi vzporednimi žicami, kar pomeni, da skupni presek bakrene žice znaša A W =0,0353 5 = 0,1765 cm 2. Za pet vzporednih žic premera 2,12 mm smo se odločili zaradi - 12 -
dopustne tokovne obremenitve 20 A pri gostoti toka med 5 in 6 A/mm 2 [7]. Sedaj lahko izračunamo še pričakovano ohmsko upornost navitja R navitje : R navitje n ( MLT ) 34,5 m (5.5) A W ρ [Ω/cm] - specifična upornost žice Ob upoštevanju maksimalnega toka I max, preverimo z izračunom še moč izgub v navitju P navitje pri največji možni tokovni obremenitvi: P R I 345 W (5.6) navitje navitje 2 max Po opravljenih izračunih se je bilo možno lotiti izdelave močnostne dušilke. Sprva smo izdelali tuljavnik, saj proizvajalec za takšno velikost jedra nima prosto dostopne komercialne rešitve, kar pomeni, da se tuljavniki izdelujejo po meri naročnika. To pa je z vidika izdelave dveh prototipov za nas ekonomsko neupravičeno. Tuljavnik se je izdelal iz električno neprevodnega in temperaturno obstojnega materiala. Načrt zanj smo izdelali v CAD programskem paketu CATIA V5. Sledilo je navijanje petih vzporednih navitij (5 35 ovojev) iz lakirane bakrene žice, ki tvorijo skupno navitje. Med posamezno navitje smo dodali še poseben ovoj transformatorskega kartona, ki poskrbi za zmanjšanje nezaželene kapacitivnosti dušilke. Kapacitivnost se namreč zmanjšuje z večanjem razdalje med navitji. Izračunano dolžino zračne reže smo zagotovili z vstavitvijo ploščic ustrezne debeline med oba dela jedra, ki smo ju povezali s plastičnimi vezicami. Pomembno je, da sta tako ploščici, kot vezice iz nemagnetnega materiala, saj bi sicer magnetili tudi te sestavne komponente in tako povzročili izgube. Dušilko smo z ustrezno konzolo fiksirali na zadnjo stranico pretvornika, ki ob delovanju zagotavlja zadosten odvod toplote. Zadnje opravilo je bilo še nameščanje kabelskih čevljev na vzporedne žice, ki tvorijo terminalske priključke dušilke. Kabelska čevlja smo stisnili z ustreznimi kleščami in jih zalili z lotnim spojem, kar zagotavlja manjšo kontaktno upornost. Pred vgraditvijo dušilke v pretvornik smo ustreznost načrtovanja preverili z RLC merilnikom. Izmerjena induktivnost znaša L=550 μh, ohmska upornost navitja pa R L =9.79 mω. Izmerjena ohmska upornost sicer odstopa od izračunane, vendar je le ta manjša, kar pomeni, da so lastnosti dušilke boljše od pričakovanih. - 13 -
Tuljavnik Jedro Navitje Priključki 5.4 Močnostni kondenzatorji Slika 5.1:Izdelana močnostna dušilka Kondenzatorji so prav tako kot dušilke pasivni elektronski elementi, s funkcijo energijske posode. Medtem ko dušilke shranjujejo energijo v magnetnem polju jo kondenzatorji shranjujejo v električnem polju. Vloga kondenzatorjev v stikalnem DC/DC pretvorniku je predvsem glajenje napetostnih konic in zagotavljanje dinamično stabilnih razmer na vhodnih in izhodnih sponkah pretvornika. Iz osnovne sheme (Slika 3.1) je razvidno, da moramo zagotoviti kapacitivnosti C bat in C dc. Kapacitivnost C bat ima pomembno vlogo pri delovanju pretvornika v načinu navzdol, saj skupaj z močnostno dušilko sestavlja nizkopasovno sito (Slika 3.2). Skoznjo se namreč zaključujejo visokofrekvenčne tokovne konice, ki bi sicer lahko škodile bateriji. Kapacitivnost C bat sestavljajo štirje vzporedno priključeni elektrolitski kondenzatorji z majhno vrednostjo ESR (4 680 μf/400 V, BHC, Aerovox, ESR=126 mω in I rms =8,8 A oboje pri 10 khz). Kapacitivnost C dc sestavlja enako število enakih kondenzatorjev kot pri C bat s to razliko, da je vzporedno vezan še folijski kondenzator (1 μf/1200 V, C4B, Kemet, ESR=3,3 mω in I rms =27 A oboje pri 100 khz), ki izboljša skupno ESR in blokira tokovne konice v večjem frekvenčnem razponu. Obe kapacitivnosti sta bili določeni precej konzervativno, saj smo za obe izbrali večjo vrednost kapacitivnosti kot jo potrebujemo. Izbira sicer ni napačna, saj se bodo lastnosti pretvornika na ta račun celo izboljšale, ni pa optimalna glede na zahteve po čim manjši teži in ceni izdelka. - 14 -
5.5 Stikalni element pretvornika Za stikalni element dvosmernega pretvornika je bil izbran IGBT modul z vgrajenima dvema tranzistorjema s paralelnima prostotečnima diodama. Gre za modul proizvajalca Semikron, in sicer tip SKM150GB12T4. Pri izbiri tranzistorja smo upoštevali maksimalni tok in napetost na tranzistorju, ter maksimalno frekvenco preklapljanja. Izbran tranzistor ustreza tem kriterijem, saj znaša nominalni tok I cnom =150 A, maksimalna napetost U ces =1200 V in maksimalna frekvenca preklapljanja tranzistorja f smax =20 khz. Za proženje modula je bila izbrana še ustrezna tranzistorska prožilna stopnja istega proizvajalca, to je Semikron SKHI 22B. Prožilna stopnja omogoča galvansko ločitev krmilnih in močnostnih potencialov, nastavljiv mrtvi čas, zaščito pred vklopom obeh tranzistorjev hkrati, zaščito pred kratkim stikom z opazovanjem U ce in galvansko ločen napajalnik. IGBT modul smo pritrdili na aluminijasto dno pretvornika, saj je na ta način poskrbljeno za ustrezen odvod toplote. 5.6 Močnostne povezave med elementi pretvornika Kot vsi električni in elektronski elementi, imajo tudi žice in povezave med elementi neidealnosti, ki niso zaželjene. Predvsem pri visokih frekvencah se te slabosti še posebej izrazijo in predstavljajo nepotrebne izgube. Ključnega pomena je zmanjšanje ohmske upornosti in induktivnosti vodnikov. Zato smo povezave načrtovali tako, da so čim bolj optimalne. Tako smo vse močnostne povezave oziroma vodila realizirali z aluminijastimi vodniki, katerih debelina znaša 5 mm. GND U dc Elektrolitski C U bat Folijski C IGBT modul Slika 5.2: Načrtovanje močnostnih povezav - 15 -
Aluminijasta vodila so na sliki (Slika 5.2) označena z U dc, GND in U bat, ter kot je razvidno povezujejo kondenzatorje z IGBT modulom. Razmak med vodili znaša 3 mm, kondenzatorji pa so na vodila skozi ustrezne izvrtine pritrjeni z vijaki. 5.7 Vmesniška karta Vmesniška karta opravlja vlogo posrednika med DSP-2 sistemom in močnostnim delom pretvornika, povezana pa je tudi z nadzornim sistemom (Slika 5.4). Naloge vmesniške karte so: prilagoditev merjenih signalov (meritev napetosti U dc in U bat, meritev toka i L ), diagnostična meritev temperature (senzor KTY81), komunikacija z glavnim nadzornim sistemom, stabilizacija napetosti za delovanje sistema (+5 V in +15 V). Meritev napetosti je izvedena s pomočjo operacijskega ojačevalnika v konfiguraciji diferenčnega ojačevalnika (Slika 5.3), ki nam omogoča točno meritev kljub elektromagnetnim motnjam (EMI), ki jih oddaja pretvornik. R f U vh + - R 1 R 2 R g + ADC Slika 5.3: Vezje diferenčnega ojačevalnika za meritev napetosti Z ustrezno izbiro uporov R f, R g, R 1 in R 2 zagotovimo ustrezno ojačanje ojačevalnika, ki je primerno za AD pretvornik na DSP-2 sistemu, katerega območje znaša od 0 do 4,095 V [6]. Za meritev toka smo uporabili tokovni merilnik HAIS-50, proizvajalca LEM. Gre za tokovni senzor, ki za merjenje toka izrablja učinek Hallovega efekta in ima napetostni izhod, ki ga je pred AD pretvorbo potrebno ustrezno ojačati. Za ojačitev smo uporabili operacijski ojačevalnik v konfiguraciji neinvertirajočega ojačevalnika. Komunikacija z nadzornim sistemom je izvedena z dvema digitalnima izhodoma in štirimi digitalnimi vhodi. Z ustrezno kombinacijo logičnih vhodov/izhodov (Tabela 2) se zagotovi - 16 -
pravilno delovanje pretvornika pri zagonu in optimalno delovanje pri različnih stanjih napolnjenosti (SoC) litij-polimerne baterije. Tabela 2: Možna stanja komunikacijskih digitalnih vhodov in izhodov digitalni izhod akcija/stanje MC vklop/izklop glavnega kontaktorja CR vklop/izklop kontaktorja polnilnega upora digitalni vhod akcija/stanje BF baterija je polna, polnjenje onemogočeno BB balansirno vezje aktivno, polnjenje z I =1 A BN stanje baterije normalno, lahko praznimo z I =70 A BL baterija je prazna, praznjenje onemogočeno Pomembno je namreč, da zagotovimo dolgo življensko dobo akumulatorske baterije, saj ima ta pri svoji uporabi nekatere omejitve. Tako je polnjenje baterije pri napetosti posamezne celice U cel > 4,2 V prepovedano, saj lahko pride do uničenja celice. Do permanentne poškodbe celice lahko pride tudi pri izpraznitvi pod mejo U cel < 3 V [8]. Zato je komunikacija med baterijskim sklopom (BMS) in pretvornikom ključnega pomena. Komunikacija Napajanje +15 V Vmesniška karta DSP-2 IGBT Driver Meritev U dc Ubat Meritev Ubat + + + 680 μf Meritev temperature 680 μf Meritev i L 680 μf + 680 μf Merilnik toka 550 μh TOP BOT IGBT modul 1 μf + 680 μf + 680 μf + 680 μf + 680 μf Udc Slika 5.4: Električna shema pretvornika z vsemi elementi - 17 -
6 INTEGRACIJA PRETVORNIKA V HIBRIDNO VOZILO Integracijo pretvornika v hibridno vozilo kaže Slika 6.1. Če uporabimo dva dvosmerna pretvornika je možno na skupno enosmerno vodilo preko njiju priključiti tako litij-polimerno baterijo, kot superkondenzator. S takšno konfiguracijo se izboljšajo dinamične lastnosti vozila, saj se oba vira električne energije dopolnjujeta. Primarni vir električne energije ostajajo litij-polimerne baterije, hipne energijske potrebe pa pokrivajo superkondenzatorji, kot sekundarni električni vir. Iz slike je razvidno tudi, koliko okvirno energije W, imamo shranjene v posameznem hranilniku. Skupno enosmerno vodilo 250 V Motor z notranjim izgorevanjem Litij-polimerna baterija 110 V / 70 Ah W= 7,7 kwh Dvosmerni DC/DC pretvornik rezervoar Bencin W=10 kwh/l Pogonska kolesa Superkondenzator 42 F / 97 V W=50 Wh Dvosmerni DC/DC pretvornik Inverter M Elektromotor Slika 6.1: Integracija pretvornika v hibridno vozilo Motor z notranjim izgorevanjem (ICE) obratuje le v področju optimalnega izkoristka, sicer pa za pogon vozila uporabljamo elektromotor. Elektromotor tako pokriva ostale elemente vožnje, kot so speljevanje, pomoč pri pospeševanju, aktivno zaviranje in polnjenje baterij. Elektromotor in ICE sta mehansko povezana z gredmi, kar pomeni, da je njuna hitrost vrtenja enaka, navora pa se seštevata. Na sliki (Slika 6.1) je predstavljena paralelna konfiguracija hibridnega pogona, v splošnem pa obstaja še serijska. Razlika je v tem, da pri serijski izvedbi za pogon vozila uporabljamo samo električni motor, medem ko je ICE uporabljen le za pogon agregata, ki dobavlja električno energijo [5]. - 18 -
7 REZULTATI 7.1 Delovanje pretvornika Delovanje pretvornika smo testirali v laboratorijskem okolju, saj pretvornik še ni primeren za vgradnjo v vozilo. Pravilnost delovanja smo preverili in posneli z digitalnim spominskim osciloskopom. Na ta način smo lahko primerjali potek merjenih signalov s tistimi, ki jih najdemo v literaturi. U most 50 V/del BOT 5 V/del 2 A/del i L Slika 7.1: Pretvornik navzgor v zveznem področju delovanja (pogoji: U vh =50 V, U izh =100 V, R b =100 Ω) Na sliki (Slika 7.1) so prikazani časovni poteki signalov pri delovanju Boost pretvornika v zveznem področju delovanja. U most prikazuje potek napetosti na izhodu iz tranzistorskega polmostiča z ustreznimi krmilnimi pulzi na spodnjem tranzistorju BOT. Pretvornik deluje v zveznem režimu, saj vrednost toka skozi dušilko i L v stikalni periodi ne pade na vrednost nič. U most 50 V/del TOP 5 V/del i L 2 A/del Slika 7.2: Pretvornik navzdol v režimu trganega toka (pogoji: U vh =50 V, U izh =25 V, R b =100 Ω) - 19 -
Delovanje Buck pretvornika v režimu trganega toka kaže Slika 7.2, saj kot vidimo vrednost toka skozi dušilko i L v stikalni periodi pade na nič. Pretvornik preide v režim trganega toka, ko se zmanjša breme R b in se potrebna energija na breme prenese v krajšem času od komutacijske periode. Takrat se v napetosti U most pojavijo značilne oscilacije, katerih frekvenca ustreza resonančni frekvenci nihajnega kroga dušilke L in skupne parazitne kapacitivnosti celotnega vezja [3]. Slika 7.3: Fotografija izdelanega pretvornika 7.2 Pomen meritev izkoristka pretvornika Izkoristek je pomembna lastnost vseh naprav, saj kaže kako učinkovito opravlja naprava svojo nalogo. V primeru DC/DC pretvornika je izkoristek definiran kot: Pizh Izkoristek % 100 (7.1) P vh P vh [W] - vhodna moč P izh [W] - izhodna moč in pove, kolikšen delež vhodne moči lahko pričakujemo na izhodu pretvornika. Vedno je potrebno tudi upoštevati zakon o ohranitvi energije, iz katerega lahko izpeljemo, da je vstopna energija v pretvornik enaka vsoti izstopne in "odpadne" energije. Tako imenovana "odpadna" energija se tipično pojavlja v obliki odvečne toplote. Glede na to lahko zapišemo: Pvh Pizh Pizgube (7.2) P izgube [W] - moč izgub - 20 -
Če upoštevamo enačbo (7.2), lahko moč izgub izrazimo z izkoristkom: 1 Pizgube Pvh 1 Pizh 1 (7.3) Slab izkoristek torej pomeni večjo odvečno toploto, katero pa seveda želimo zmanjšati na minimum. Meritev izkoristka nam bo torej pokazala, kako dobro smo načrtovali pretvornik in ali je potrebno dodatno hlajenje komponent. Pomembno je namreč, da se temperatura komponent zaradi odvečne toplote ne dvigne nad mejo, ki je predpisana za vsako komponento posebej. 7.3 Meritev izkoristka v Buck načinu delovanja Za meritev izkoristka pretvornika v Buck načinu delovanja smo na priključne sponke skupnega enosmernega vodila priključili močnostni napajalnik z napetostnim izhodom 50 V in maksimalnim izhodnim tokom 16 A (izhodna moč 800 W). Za testiranje pretvornika z napajalnikom, raje kot z akumulatorsko baterijo, smo se odločili zaradi nedelovanja balansirnega vezja litij-polimerne baterije, ki je ključno za varno uporabo baterije in s tem povezane časovne stiske. Na izhod pretvornika oziroma na priključne sponke, kjer bo kasneje priključena litij-polimerna baterija, smo priključili ustrezni nastavljivi bremenski upor R b, s katerim nastavljamo želeno obremenitev. Upor mora imeti ustrezno moč, da je sposoben oddajati prejeto moč v obliki toplote v okolico. Na vhodni in izhodni strani pretvornika smo merili vhodno in izhodno napetost, ter vhodni in izhodni tok. Vezalna shema merilne konfiguracije je prikazana na sliki Slika 7.4, kjer so tudi označene napetosti U vh in U izh, ter smeri tokov I vh in I izh. Zaradi hitrejšega odčitavanja smo napetosti izmerili z digitalnima voltmetroma V 1 in V 2, tokove pa smo zaradi večje natančnosti in imunosti na izmenične komponente v toku merili z analognimi instrumenti z vrtljivo tuljavico A 1 in A 2. Prav tako so imeli analogni instrumenti večjo merilno območje, to je 25 A (digitalni merilniki imajo povečini maksimalno območje samo 10 A), kar nam je ustrezalo pri preizkusu. - 21 -
Ivh A1 L A2 Cdc + Uvh + - V1 Iizh Uizh + V2 Rb Cbat Slika 7.4: Vezalni načrt meritve izkoristka v Buck načinu Izkoristek smo izmerili pri različnih izhodnih močeh (območje od 50 do 700 W) in vhodni napetosti U vh =50 V, ter naslednjih napetostnih prestavnih razmerjih: Uizh 4 2 1 1 1 N (,,,, ), (7.4) U 5 3 2 3 4 vh ki določajo izhodno napetost: U (40 V, 33,3 V, 25 V, 16,6 V, 12,5 V) (7.5) izh Za doseganje konstantne izhodne napetosti U izh je bila na DSP-2 sistemu za vodenje pretvornika implementirana regulacija napetosti z notranjo tokovno zanko (Slika 9.1). Parametri obeh PI regulatorjev so bili določeni po Ziegler Nichols metodi in eksperimentalno s poizkušanjem. - 22 -
Tabela 3: Meritev izkoristka v Buck načinu pri U vh =50 V Uvh [V] Ivh [A] Pvh [W] Uizh [V] Iizh [A] Pizh [W] Izkoristek η [%] 51,7 1,00 51,70 39,09 1,26 49,25 95,27 51,6 2,00 103,20 38,99 2,50 97,48 94,45 51,6 4,00 206,40 38,82 5,00 194,10 94,04 51,6 8,27 426,73 38,44 10,00 384,40 90,08 51,6 12,55 647,58 38,02 15,00 570,30 88,07 51,6 14,10 727,56 37,89 17,50 663,08 91,14 51,7 1,05 54,29 32,57 1,50 48,86 90,00 51,7 2,10 108,57 32,47 3,00 97,41 89,72 51,6 4,20 216,72 32,24 6,00 193,44 89,26 51,6 8,50 438,60 31,80 12,00 381,60 87,00 51,6 13,00 670,80 31,33 18,00 563,94 84,07 51,6 15,00 774,00 31,40 21,00 659,40 85,19 51,7 1,05 54,29 24,40 2,00 48,80 89,90 51,6 2,10 108,36 24,27 4,00 97,08 89,59 51,6 4,20 216,72 23,96 8,00 191,68 88,45 51,6 8,50 438,60 23,36 16,00 373,76 85,22 51,6 10,60 546,96 23,08 20,00 461,60 84,39 51,6 13,00 670,80 22,70 24,00 544,80 81,22 51,7 1,10 56,87 16,22 3,00 48,66 85,56 51,6 2,20 113,52 16,00 6,00 96,00 84,57 51,7 4,50 232,65 15,55 12,00 186,60 80,21 51,6 5,90 304,44 15,22 16,00 243,52 79,99 51,6 7,40 381,84 14,87 20,00 297,40 77,89 51,6 8,80 454,08 14,57 24,00 349,68 77,01 51,7 1,13 58,42 12,07 4,00 48,28 82,64 51,7 2,26 116,84 11,77 8,00 94,16 80,59 51,6 2,95 152,22 11,63 10,00 116,30 76,40 51,6 4,55 234,78 11,05 16,00 176,80 75,30 51,6 5,70 294,12 10,75 20,00 215,00 73,10 51,6 6,60 340,56 10,55 24,00 253,20 74,35 Povprečni izkoristek η [%] 84,82 V tabeli Tabela 3 in pripadajočem grafu (Slika 7.5) so prikazani rezultati meritev. S barvnimi odtenki so v tabeli in na grafu ponazorjena različna napetostna prestavna razmerja, iz katerih je razvidno, da se izkoristek pretvornika z manjšanjem prestave zmanjšuje. Povprečje izkoristkov pri vseh prestavah znaša 84,82 %, kar pomeni, da je izkoristek pretvornika v Buck režimu delovanja v razredu 85 %. - 23 -
Izkoristek η [%] 100 95 90 85 80 75 40 V (N=0.8) 33,3 V (N=0.66) 25 V (N=0.5) 16,6 V (N=0.33) 12,5 V (N=0.25) 70 0 100 200 300 400 500 600 700 Izhodna moč Pizh [W] Slika 7.5: Izkoristek pretvornika glede na izhodno moč v Buck načinu Optimalni izkoristek smo dosegli pri najvišji prestavi, to je in pri izhodni moči od 50 W do 100 W, kjer se je izkoristek gibal okoli 95 %. Zanimivo je, da z večanjem izhodne moči izkoristek pada, od izhodne moče 600 W naprej pa ponovno raste. Če bi imeli na voljo primernejšo laboratorijsko opremo, bi bilo smiselno izmeriti izkoristek pretvornika tudi pri višjih izhodnih močeh, kar načrtujemo za prihodnost. 7.4 Meritev izkoristka v Boost načinu delovanja Izkoristek pretvornika smo izmerili tudi v Boost načinu delovanja. Prav tako kot pri delovanju pretvornika v načinu navzdol, smo tudi tukaj testiranje opravili z laboratorijskim napajalnikom. Napajalnik smo priključili na napetostna vodila, kjer bo v nadaljevanju priključena baterija, na izhodne sponke pretvornika (enosmerno vodilo) pa smo vezali nastavljivo ohmsko breme R b. Glede na meritev izkoristka pretvornika v Buck načinu delovanja, sta breme in napetostni vir enostavno zamenjala mesta priključitve. Tako je bilo možno izmeriti izkoristek še v drugo smer delovanja in smeri pretoka energije. Smeri tokov, označbe napetosti in vezavo merilnih instrumentov V 1, V 2, A 1 in A 2 kaže slika (Slika 7.6). Znova smo za meritev tokov uporabili analogne instrumente z vrtljivo tuljavico, saj merjeni vhodni tok I vh zraven enosmerne komponente vsebuje izmenično stikalno komponento s frekvenco 16,67 khz, kar se lahko odrazi na natančnosti meritve, če uporabimo slabši - 24 -
digitalni merilnik. Če bi želeli uporabiti digitalni merilnik toka, bi le ta moral imeti funkcijo merjenja efektivne vrednosti oziroma vrednosti RMS (Root Mean Square). t 1 2 ieff i () t dt T 0 (7.6) i eff i(t) [A] - efektivna vrednost toka [A] - funkcija toka T [s] - perioda toka Efektivna vrednost izmeničnega toka (7.6) je namreč vrednost, s katero dobimo enak učinek na porabniku, kot če bi čezenj tekel enosmerni tok. A2 L Iizh A1 Cdc + Rb V2 Uizh Ivh Uvh V1 + - + Cbat Slika 7.6: Vezalni načrt meritve izkoristka v Boost načinu Osnovna naloga pretvornika v Boost načinu delovanja je dvig vhodne napetosti U vh =50 V na višjo raven, ki je določena glede na izbrano napetostno prestavno razmerje: Uizh 5 3 N (,,2,3,4). (7.7) U 4 2 vh Iz tega sledi izračun izhodne napetosti: U (62,5V, 75 V, 100 V, 150 V, 200 V) (7.8) izh Konstantno izhodno napetosti U izh smo dosegli z regulacijskim algoritmom (Slika 9.2), ki smo ga za potrebe meritve izkoristka implementirali na DSP-2 sistemu. Znova smo uporabili dva PI regulatorja; notranjega za regulacijo toka in zunanjega za regulacijo napetosti. - 25 -
Tabela 4: Meritev izkoristka v Boost načinu pri U vh =50 V Uvh [V] Ivh [A] Pvh [W] Uizh [V] Iizh [A] Pizh [W] Izkoristek η [%] 51,6 1,08 55,73 62,30 0,80 49,84 89,43 51,6 2,10 108,36 62,20 1,60 99,52 91,84 51,6 4,40 227,04 62,22 3,40 211,55 93,18 51,6 8,50 438,60 61,92 6,40 396,29 90,35 51,6 13,30 686,28 61,64 9,60 591,74 86,22 51,6 14,90 768,84 61,53 11,00 676,83 88,03 51,7 1,13 58,42 74,90 0,70 52,43 89,75 51,7 2,13 110,12 74,80 1,33 99,48 90,34 51,6 4,40 227,04 74,70 2,77 206,92 91,14 51,5 8,50 437,75 74,40 5,23 389,11 88,89 51,5 13,10 674,65 74,20 8,00 593,60 87,99 51,6 15,25 786,90 74,10 9,40 696,54 88,52 51,8 1,97 102,05 99,90 0,90 89,91 88,11 51,7 2,17 112,19 99,90 1,00 99,90 89,05 51,6 4,20 216,72 99,80 2,00 199,60 92,10 51,5 8,50 437,75 99,60 4,00 398,40 91,01 51,5 13,20 679,80 99,40 6,00 596,40 87,73 51,5 15,10 777,65 99,40 7,00 695,80 89,47 51,5 4,60 236,90 150,10 1,39 208,64 88,07 51,4 6,50 334,10 150,00 2,00 300,00 89,79 51,3 8,60 441,18 149,90 2,67 400,23 90,72 51,3 11,50 589,95 149,90 3,50 524,65 88,93 51,3 13,00 666,90 149,50 4,00 598,00 89,67 51,4 6,50 334,10 200,30 1,44 288,43 86,33 51,2 8,70 445,44 200,10 2,00 400,20 89,84 51,1 13,20 674,52 200,00 3,00 600,00 88,95 51,1 15,50 792,05 200,00 3,50 700,00 88,38 Povprečni izkoristek η [%] 89,40 Glede na izkoristek pretvornika v Buck načinu delovanja, vidimo (Tabela 3), da je povprečni izkoristek v Boost načinu večji za približno 5 % in se giblje povprečno okoli 90 %. Izgube moči se pojavijo zaradi neidealnih lastnosti vgrajenih elementov. Te delimo na statične izgube (izgube zaradi ohmske upornosti žic in povezav) ter na dinamične izgube, ki so posledica stikalnih preklopov in so proporcionalne stikalni frekvenci. - 26 -
Izkoristek η [%] 100 98 96 94 92 90 88 62,5 V (N=1.25) 75 V (N=1.5) 100 V (N=2) 150 V (N=3) 200 V (N=4) 86 84 0 100 200 300 400 500 600 700 Izhodna moč Pizh [W] Slika 7.7: Izkoristek pretvornika glede na izhodno moč v Boost načinu Na grafu (Slika 7.7) vidimo, da je pri Boost načinu delovanja izkoristek (enako kot pri Buck načinu) odvisen od napetostne prestave N. Z večanjem prestave izkoristek pada, izjema je le meritev pri. Vzrok za odstopanje te meritve je verjetno v slabem odčitku merilnih instrumentov. Znova se je v skladu s pričakovanji izkazalo tudi, da z obemenitvijo in večanjem izhodne moči izkoristek pada. - 27 -