Σχεδιασμός και υλοποίηση προγραμματιζόμενου φορτιστή συσσωρευτών ισχύος 3kW για χρήση σε ηλεκτρικό όχημα

Ματακιάς, Δημήτριος; Γρυπάρης, Σπυρίδων; Matakias, Dimitrios; Gryparis, Spyridon

dc.contributor.author	Ματακιάς, Δημήτριος	el
dc.contributor.author	Γρυπάρης, Σπυρίδων	el
dc.contributor.author	Matakias, Dimitrios	en
dc.contributor.author	Gryparis, Spyridon	en
dc.date.accessioned	2017-07-17T08:46:50Z
dc.date.available	2017-07-17T08:46:50Z
dc.date.issued	2017-07-17
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/45219
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.14317
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/gr/	*
dc.subject	Κυκλώματα ισχύος	el
dc.subject	Ψηφιακός έλεγχος	el
dc.subject	Μικροελεγκτές επεξεργασίας σήματος (DSP)	el
dc.subject	Σχεδίαση τυπωμένου κυκλώματος (PCB)	el
dc.subject	Προσομοίωση Simulink	el
dc.subject	Power electronic circuits	en
dc.subject	Digital control	en
dc.subject	Digital signal processors (DSP)	en
dc.subject	Printed circuit board (PCB)	en
dc.subject	Simulation	el
dc.title	Σχεδιασμός και υλοποίηση προγραμματιζόμενου φορτιστή συσσωρευτών ισχύος 3kW για χρήση σε ηλεκτρικό όχημα	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Power electronics	en
heal.classification	Control theory	en
heal.classification	Embedded computer systems	en
heal.classificationURI	http://id.loc.gov/authorities/subjects/sh85105978
heal.classificationURI	http://zbw.eu/stw/descriptor/15555-1
heal.classificationURI	http://id.loc.gov/authorities/subjects/sh87006632
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2017-06-12
heal.abstract	Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η σχεδίαση και κατασκευή ενός προγραμματιζόμενου φορτιστή συσσωρευτών ονομαστικής ισχύος 3kW με δυνατότητα ρύθμισης τάσης εξόδου σε μεγάλο εύρος, ο οποίος προορίζεται να ενσωματωθεί σε ερευνητικό ηλεκτρικό όχημα. Οι πιο σημαντικές σχεδιαστικές απαιτήσεις του φορτιστή είναι η υψηλή αξιοπιστία, η υψηλή απόδοση και η αποφυγή πρόκλησης βλάβης στα στοιχεία των συσσωρευτών. Μεγάλη σημασία επίσης δόθηκε στην ελαχιστοποίηση του αριθμού των ηλεκτρονικών στοιχείων, στη βελτιστοποίηση της τοποθέτησης και διασύνδεσης των στοιχείων στο τυπωμένο κύκλωμα και στην ελαχιστοποίηση του όγκου και του βάρους του συστήματος. Tα κυκλώματα ισχύος σχεδιάστηκαν μέσω προσομοίωσης με το λογισμικό Spice και διερευνήθηκαν πολλά εναλλακτικά διακοπτικά στοιχεία πριν τη τελική επιλογή. Ως παθητικά διακοπτικά στοιχεία του συστήματος επιλέχθηκαν κατόπιν συγκρίσεως με αντίστοιχα συμβατικά, δίοδοι καρβιδίου του πυριτίου, οι οποίες παρουσιάζουν εξαιρετικά λειτουργικά χαρακτηριστικά, χωρίς να έχουν απαγορευτικό κόστος για την εν λόγω εφαρμογή. Ο έλεγχος του συστήματος υλοποιήθηκε με χρήση σύγχρονου μικροελεγκτή ψηφιακής επεξεργασίας σήματος (DSP). Ο ψηφιακός ελεγκτής του συστήματος προσομοιώθηκε σε πολλές διαφορετικές λειτουργικές συνθήκες και βηματικά φορτία και παρατηρήθηκε υψηλή ακρίβεια στις συγκρίσεις θεωρητικών και πειραματικών αποτελεσμάτων. Υλοποιήθηκαν τεχνικές ελέγχου βασισμένες τόσο σε παρακολούθηση τάσεως (voltage mode) όσο και σε παρακολούθηση ρεύματος (current mode). Για το στάδιο απομόνωσης του φορτιστή σχεδιάστηκε κατάλληλη γέφυρα με μετασχηματιστή υψηλής συχνότητας, για τον οποίο πραγματοποιήθηκε λεπτομερής ανάλυση τόσο των απωλειών όσο και των παραμέτρων που επηρεάζουν τις επιδόσεις του. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκαν εκτενείς μετρήσεις της βηματικής απόκρισης του συστήματος για διάφορες τιμές τάσης και ρεύματος με χρήση ηλεκτρονικού φορτίου. Η έξοδος του φορτιστή μετρήθηκε σε ψηφιακό παλμογράφο και ρυθμίστηκε χρησιμοποιώντας κατάλληλο εργαστηριακό πολύμετρο ακριβείας. Η κατανομή θερμοκρασιών του συστήματος αποτυπώθηκε χρησιμοποιώντας θερμική κάμερα υπό φορτίο σημαντικά μεγαλύτερο του ονομαστικού, με στόχο την πλήρη θερμική του μελέτη και την εύρεση θερμών σημείων. Για τη μελέτη του φορτιστή κατά την τροφοδότηση μη γραμμικών φορτίων χρησιμοποιήθηκε τυπικός συσσωρευτής λιθίου (LiFePO 10Ah / 48V), ο οποίος φορτίστηκε επιτυχώς. Για τη διασύνδεση του φορτιστή στον Η/Υ με στόχο τον προγραμματισμό του αναπτύχθηκε κατάλληλο λογισμικό και αντίστοιχο πρωτόκολλο επικοινωνίας. Η διαδικασία προγραμματισμού του φορτιστή υλοποιήθηκε με στόχο την εξασφάλιση ασφαλούς μεταφοράς δεδομένων. Διερευνήθηκε και αντιμετωπίστηκε επιτυχώς το ενδεχόμενο ύπαρξης σφαλμάτων και αποσύνδεσης της τροφοδοσίας του φορτιστή κατά το προγραμματισμό του.	el
heal.abstract	The scope of the current thesis is the design and implementation of a programmable battery charger of 3kW nominal power, enabling adjustment of its output voltage over a large voltage range. The charger is intended for an experimental electrical vehicle. Most important design considerations were high reliability, high efficiency and avoiding damages of battery cells during repeated chargings. Special attention was paid to keep the design as simple as possible, to avoid unnecessary cost in parts, to optimize component placement as well as routing in the printed circuit board and to minimize the volume and weight of the final assembly. The power electronics circuits were designed, by using simulations in terms of Spice software. Many alternative switching components have been investigated before concluding to the final selection. Silicon Carbide diodes were also implemented in the design following a comparison to other alternative components due to their superior operating characteristics at the expense of acceptable additional cost for the considered application. Digital control was implemented using a modern (digital signal processor) microcontroller. The digital controller was tested through simulations involving various operating conditions and step load variations. The simulation results were in very good agreement with the respective experimental measurements in all cases considered. Both voltage mode control and current mode control strategies were implemented. A full bridge using a high frequency transformer was adopted for the second isolation stage of the charger. A detailed analysis was performed in order to evaluate the transformer power losses and the parameters affecting its performance. Extensive measurements of the system step response were registered under various voltage and current values using an electronic load. The charger output was measured by using a digital oscilloscope and has been calibrated by using a convenient Lab precision multimeter. Thermal images were registered by using a thermal camera under loadings significantly higher than the nominal one in order to further stress the components and identify the maximum operating temperatures and hotspots. Tests for highly non – linear loads were performed by using a typical Lithium battery (LiFePO 10Ah / 48V), which was charged successfully. Special software and communication protocol were developed for the connection of the charger to the computer in order to program it. The top priority of the charger programming process was ensuring the integrity of data being transferred. The incidence of communication errors and power interruptions during the programming process was investigated and successfully treated.	en
heal.sponsor	Εργαστήριο Ηλεκτρικών Μηχανών και Ηλεκτρονικών Ισχύος	el
heal.advisorName	Κλαδάς, Αντώνιος	el
heal.committeeMemberName	Μανιάς, Στέφανος	el
heal.committeeMemberName	Παπαθανασίου, Σταύρος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών. Τομέας Ηλεκτρικής Ισχύος. Εργαστήριο Ηλεκτρικών Μηχανών και Ηλεκτρονικών Ισχύος	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	218 σ.
heal.fullTextAvailability	true