Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10889/15430
Title: Μελέτη και κατασκευή διάταξης εξισορρόπησης της κατάστασης φόρτισης των συσσωρευτών ενός ηλεκτροκίνητου οχήματος
Other Titles: Study and Implementation of a dc-dc converter for the state of charge balancing of an electric vehicle battery pack
Authors: Σταυράκης-Σαϊπάς, Λουκάς
Keywords: Εξισορρόπηση
Σύστημα διαχείρισης συσσωρευτών
Σύστημα διαχείρισης μπαταριών
Μπαταρίες
Ηλεκτρικά οχήματα
Ηλεκτρονικά ισχύος
Ισοστάθμιση
Μετατροπείς
Keywords (translated): Battery balancing
Battery management system
Battery electric vehicles
Power electronics
Converters
Abstract: 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.
Abstract (translated): This diploma thesis focuses on the analysis and construction of a bidirectional Flyback converter as a battery balancing module of an electric vehicle, that may transfer energy from the battery pack to a specific cell and vice versa with the best possible efficiency. The thesis was elaborated at the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion of the Department of Electrical and Computer Engineering at University of Patras. First, some historical facts regarding the electric cars are being presented, as well as the pros and cons of them. Electric batteries operation principle and their structure is then briefly mentioned. Afterwards, the necessity for a battery management system is explained and the battery balancing topologies are listed. From them, the bidirectional Flyback is chosen. For a better understanding of the device, the transformer and its construction procedure are being studied. Then, the operating principle of Flyback is analyzed using the ideal case scenario and its equations, being backed up by simulation results. A similar process is undertaken for the non-ideal scenario. The effects of non-ideal elements are explained, and the use of overvoltage protection devices is discussed with the help of simulation models. In addition, a bidirectional Flyback simulation model including a PI controller is being constructed as a battery balancing device. Subsequently, a method for parametric analysis of the balancing device is developed to determine the converter parameters leading to the best possible efficiency. Finally, the bidirectional Flyback battery balancing module construction is described and the experimental results are presented. A small number of particularly low-profile components was used, including a transformer made in the laboratory. The converter may operate with primary-side voltage between 33.6V to 48V, i.e., the voltage range of a 12-cell LiFePO4 battery pack, with a secondary-side voltage range of a single cell, i.e., 2.8V to 4V and a secondary-side current of 7A. Specifically, for the 4V, 7A (28W) case, the device achieved the efficiency of 83.9% when the energy is transferred to the secondary-side and the efficiency of 81.9% in the opposite direction. Moreover, a commercial transformer was tested to achieve an output of 4V, 9A (36W) at the secondary side.
Appears in Collections:Τμήμα Ηλεκτρολ. Μηχαν. και Τεχνολ. Υπολογ. (ΔΕ)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Loukas Stavrakis-Saipas Diploma Thesis.pdfΜελέτη και κατασκευή διάταξης εξισορρόπησης της κατάστασης φόρτισης των συσσωρευτών ενός ηλεκτροκίνητου οχήματος6.85 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.