Μελέτη και κατασκευή διάταξης εξισορρόπησης της κατάστασης φόρτισης των συσσωρευτών ενός ηλεκτροκίνητου οχήματος

• Main Author: Σταυράκης-Σαϊπάς, Λουκάς
• Other Authors: Stavrakis-Saipas, Loukas
• Language: Greek
• Published: 2021
• Subjects: Εξισορρόπηση; Σύστημα διαχείρισης συσσωρευτών; Σύστημα διαχείρισης μπαταριών; Μπαταρίες; Ηλεκτρικά οχήματα; Ηλεκτρονικά ισχύος; Ισοστάθμιση; Μετατροπείς; Battery balancing; Battery management system; Battery electric vehicles; Power electronics; Converters

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τον αμφίδρομο μετατροπέα Flyback ως διάταξη εξισορρόπησης της κατάστασης φόρτισης των συσσωρευτών ενός ηλεκτροκίνητου οχήματος. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Σκοπός είναι η μελέτη και η κατασκευή μιας μονάδας (module) διάταξης εξισορρόπησης της κατάστασης φόρτισης μπαταριών, τοπολογίας Flyback με τη μέγιστη δυνατή απόδοση και τη δυνατότητα για αμφίδρομη μεταφορά της ενέργειας, δηλαδή τόσο από ολόκληρη τη συστοιχία προς το μεμονωμένο κελί, όσο και αντίστροφα. Αρχικά παρατίθενται ορισμένα ιστορικά στοιχεία γύρω από το ηλεκτρικό αυτοκίνητο, ενώ αναφέρεται η δομή των συσσωρευτών και ορισμένοι τύποι που χρησιμοποιούνται στα ηλεκτρικά οχήματα. Εξηγείται η απαίτηση για την ύπαρξη συστήματος διαχείρισης μπαταριών και παρουσιάζονται εν συντομία οι τοπολογίες εξισορρόπησης, ενώ επιλέγεται να μελετηθεί αυτή του αμφίδρομου Flyback. Για το σκοπό αυτό, κρίνεται αναγκαία η μελέτη και κατασκευή του μετασχηματιστή, ως αναπόσπαστο κομμάτι της διάταξης. Στη συνέχεια γίνεται η ανάλυση του μετατροπέα τόσο με ιδανικά, όσο και με μη-ιδανικά στοιχεία, των οποίων η επίδραση εξηγείται, ενώ καταγράφεται ο τρόπος λειτουργίας ορισμένων διατάξεων καταστολής υπερτάσεων και παρουσιάζονται τα αποτελέσματα σχετικών προσομοιώσεων. Επιπλέον, κατασκευάζεται μοντέλο προσομοίωσης του αμφίδρομου Flyback ως διάταξη εξισορρόπησης της κατάστασης φόρτισης μπαταριών, που περιλαμβάνει ελεγκτή PI. Το επόμενο βήμα είναι η ανάπτυξη μια πρωτότυπης μεθοδολογίας για την παραμετρική διερεύνηση της διάταξης εξισορρόπησης, ώστε να καθοριστούν οι παράμετροι της βέλτιστης απόδοσης του μετατροπέα. Τέλος, περιγράφεται η κατασκευή του module εξισορρόπησης τοπολογίας αμφίδρομου Flyback, για τη λειτουργία του οποίου χρησιμοποιήθηκε μικρός αριθμός στοιχείων, με ιδιαίτερα περιορισμένο όγκο. Ο μετατροπέας λειτούργησε με τον μετασχηματιστή χαμηλού προφίλ RM10, με είσοδο στο εύρος τάσης λειτουργίας μιας συστοιχίας 12 κελιών, από 33.6V έως 48V και έξοδο στο εύρος τάσης ενός κελιού, 2.8V έως 4V με ρεύμα στα 7A. Συγκεκριμένα, στα 4V και 7A έδωσε απόδοση 83.9% στην ορθή πορεία ενέργειας και 81.9% στην ανάστροφη. Επιπλέον δοκιμάστηκε και ένας τυποποιημένος μετασχηματιστής ώστε ο μετατροπέας να φτάσει τα 4V και 9A (36W) στην έξοδο.