| dc.contributor.advisor | Baysal, Uğur | |
| dc.contributor.author | Elvan, Faik | |
| dc.date.accessioned | 2017-07-25T10:18:40Z | |
| dc.date.available | 2017-07-25T10:18:40Z | |
| dc.date.issued | 2017 | |
| dc.date.submitted | 2017-06-20 | |
| dc.identifier.citation | F. Elvan, “Design of a smart grid compatible, bidirectional modular battery charger for plug-in electric vehicles,” M.S. thesis, Department of Electrical and Electronics Engineering, Hacettepe University, Ankara, Turkey, 2017. | tr_TR |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/11655/3766 | |
| dc.description.abstract | Wide electrification of the vehicles puts the electric vehicle and grid interaction to a crucial
point in terms of research and development for both academics and industry. Moreover,
electric vehicles can act as distributed energy sources for the smart grid when necessary.
This flexibility makes the electric vehicles an important player among its internal
combustion engine counterparts. However, since electric vehicles store and use significant
amount of power, their impacts on the utility grid should be well researched and studied to
make a smoother transition from classical fuel burning vehicles to electric vehicles. Any
efficiency improvement that will be gained in the charging or discharging of electric
vehicles’ batteries will have profound impact in the long term.
This thesis proposes a bidirectional modular battery charger design that will utilize an
optimization control algorithm to determine the operating points of the individual modules
in the system to achieve efficiency increase especially at light to middle loads. As power
electronic basis for the modules, an isolated single-stage bidirectional topology is selected,
analyzed and simulated in the computer medium. An isolated topology is more advantageous
in terms of safety that is of the utmost importance for a vehicle. Modular design and
optimization algorithm are also verified through computer simulations. Then, two hardware
prototype modules are designed and built for 220 V grid voltage; however, tests are
conducted at 120 V grid voltage so as not to put the limited number of modules at risk.
Experimental study for the modular operation of the two modules is conducted and
efficiency improvement compared to conventional modular design is shown in both G2V
and V2G modes. | tr_TR |
| dc.description.tableofcontents | ABSTRACT ...........................................................................................................................i
ÖZET....................................................................................................................................iii
ACKNOWLEDGMENTS..................................................................................................... v
TABLE OF CONTENTS ..................................................................................................... vi
LIST OF TABLES ...............................................................................................................ix
LIST OF FIGURES............................................................................................................... x
ACRONYMS ..................................................................................................................... xiv
1. INTRODUCTION......................................................................................................... 1
1.1 History of EVs and Definitions .............................................................................. 1
1.2 Battery Technologies Used in Vehicular Applications........................................... 2
1.3 Charging of Batteries.............................................................................................. 3
1.3.1 Definitions....................................................................................................... 3
1.3.2 State of Charge Determination Methods......................................................... 4
1.3.3 Charging Profiles and Their Effects on Li-ion Batteries................................. 5
1.3.4 Battery Management Systems and Battery Chargers...................................... 7
1.4 Impacts of EV Charging on Utility Grid and V2G Operation ................................ 9
1.5 Proposed Study ..................................................................................................... 13
2. LITERATURE SURVEY............................................................................................ 17
2.1 Double Stage Topologies...................................................................................... 17
2.1.1 Power Factor Corrector Topologies .............................................................. 18
2.1.2 DC/DC Converters ........................................................................................ 20
2.2 Single-Stage Topologies....................................................................................... 21
2.3 Modular Electrical Applications........................................................................... 22
3. SYSTEM DESIGN...................................................................................................... 24
3.1 Modular System Design........................................................................................ 24
vii
3.2 Optimization ......................................................................................................... 26
3.2.1 Statement of the Optimization Problem ........................................................ 27
3.2.2 Solution Methods of the Optimization Problem............................................ 29
3.3 Power Electronic Basis of the System .................................................................. 31
3.3.1 Selection of Converter Topology .................................................................. 31
3.3.2 Mathematical Analysis of the Topology ....................................................... 32
3.3.2.1 Modulation Scheme................................................................................ 33
3.3.2.2 Current and Power Transfer Relationships ............................................ 37
3.3.2.3 Soft Switching for DC Side Switches.................................................... 39
4. SIMULATION RESULTS.......................................................................................... 42
4.1 Single Module Conceptual Simulation ................................................................. 42
4.1.1 Open Loop Simulation .................................................................................. 42
4.1.2 Closed Loop Simulation ................................................................................ 44
4.2 Modular System Simulation ................................................................................. 46
4.2.1 Simulation Setup and Optimization Algorithm............................................. 46
4.2.2 Optimized Sharing Simulation Results.......................................................... 50
5. HARDWARE DESIGN AND EXPERIMENTAL RESULTS................................... 54
5.1 Specifications of the Hardware Prototype ............................................................ 54
5.2 Implementation of Hardware Prototype................................................................ 55
5.2.1 Magnetic Elements........................................................................................ 55
5.2.2 Digital Controller Unit .................................................................................. 59
5.2.3 Auxiliary Supplies......................................................................................... 62
5.2.4 Semiconductor Switches ............................................................................... 63
5.2.5 Battery Pack................................................................................................... 65
5.2.6 Final Configuration ....................................................................................... 65
5.3 Experimental Results............................................................................................ 67
viii
5.3.1 Results of the Steady-State Operation of Chargers....................................... 67
5.3.2 Experimental Results for the Optimized Sharing.......................................... 71
6. CONCLUSION and DISCUSSION ............................................................................ 78
REFERENCES.................................................................................................................... 82
APPENDICES..................................................................................................................... 87
APPENDIX - 1: FUTURE WORK ..................................................................................... 87
CURRICULUM VITAE ..................................................................................................... 94 | tr_TR |
| dc.language.iso | en | tr_TR |
| dc.publisher | Fen Bilimleri Enstitüsü | tr_TR |
| dc.rights | info:eu-repo/semantics/restrictedAccess | tr_TR |
| dc.subject | Electric vehicle | tr_TR |
| dc.subject | V2G | |
| dc.subject | G2V | |
| dc.subject | Optimization | |
| dc.subject | Bidirectional | |
| dc.subject | Modular design | |
| dc.subject | Charging | |
| dc.subject | Smart grid | |
| dc.title | Design of a Smart Grid Compatible, Bidirectional Modular Battery Charger for Plug-In Electric Vehicles | tr_TR |
| dc.title.alternative | Elektrikli Araçlar İçin Akıllı Şebeke İle Uyumlu,Çift Yönlü Çalışabilen, Modüler Bir AraçŞarj Ünitesi Tasarımı | tr_TR |
| dc.type | info:eu-repo/semantics/masterThesis | tr_TR |
| dc.description.ozet | Şebekeye bağlanabilen elektrikli araçların (EA) son yıllarda yaygınlaştığı ve içten yanmalı
motorlu araçlara uygun bir alternatif olabileceği görülmüştür. Ayrıca EA’ların enerji
depolama unitelerinin de akıllı şebeke uygulamalarında kullanılabileceği öngörülmektedir.
EA’ların şebeke ile uygun bir şekilde entegre edilmesi bu araçların yaygınlaşması için çok
önemlidir. Araç şarj üniteleri (AŞÜ) ise bu entegrasyonda büyük bir rol oynamaktadır.
AŞÜ’lerin verimlilik, hacim ve ağırlık gibi özellikleri de EA’ların üretim ve işletim
maliyetleri üzerinde etkili olacaktır. AŞÜ’ler temelde elektriksel güç dönüşümü yapan
cihazlardır. Güç dönüşümü yapan cihazların özelliklerinden birisi de genellikle düşük
yüklerde verimliliklerinin düşmesi ve tepe verimliliklerine de tam yüke yakın yerlerde
ulaşmalarıdır.
Bu tez kapsamında özgün eniyileme yöntemiyle, özellikle düşük yük seviyelerinden tam
yüke kadar yüksek verimlilikte çalışan çift-yönlü modüler bir araç şarj ünitesi tasarımı ve
uygulaması yapılmıştır. Belirli bir ortalama güç seviyesi ve bu seviyeye uygun, iki yönlü ve
tek aşamada güç çevrimi yapabilen izole bir topoloji seçilmiştir. Tasarımda kullanılan
modüllerin tek tek ve birlikte çalışmaları bilgisayar ortamında benzetimler aracılığıyla
doğrulanmıştır. ayrıca iki adet modül paralel çalıştırılarak düşük yükten tam yüke kadar
mümkün olan en iyi verimde çalışmaları için geliştirilen akıllı akım paylaşım algoritmasının
çalışırlığı doğrulanmıştır. Daha sonra, iki adet deneysel prototip 220 V şebeke voltajı için
tasarlanmış, inşa edilmiş, fakat testler inşa edilen sınırlı sayıdaki modülü riske atmamak
adına 120 V şebeke voltajında gerçekleştirilmiştir. İki modülün paralel kipte, geliştirilen
eniyileme algoritmasını kullanarak çalıştırılmasıyla geleneksel modüler tasarımlara göre
elde edilen verim artışı gösterilmiştir. | tr_TR |
| dc.contributor.department | Elektrik –Elektronik Mühendisliği | tr_TR |
