Penambahbaikan dalam teknologi bateri dan pengurangan harga kini telah
mempergiatkan minat dalam kenderaan elektrik (EV) kerana ia menyediakan satu cara
terbaik bagi bebas dari pencemaran dan pengangkutan yang cekap bagi kelestarian
pembangunan seluruh dunia. Pada masa hadapan, kenderaan elektrik (PEV) yang
dilengkapi dengan palam pengecas, dijangka menguasai pasaran automobil. Pengecas
yang biasa digunakan terdiri daripada dua peringkat dengan penukar AC/DC sebagai
peringkat pertama dan penukar DC/DC sebagai peringkat kedua. Tesis ini memberi
tumpuan kepada peringkat kedua yang berfungsi untuk mengawal voltan dan arus
mengecas selaras dengan keperluan mengecas bateri. Voltan terminal bateri EV
berbeza dalam julat yang besar semasa penggunaan dan ia boleh menyahcas sehingga
kehabisan biasa atau keadaan kehabisan mendalam. Oleh itu, cabaran utama untuk
pereka penukar DC/DC adalah untuk merealisasikan pelbagai julat voltan dan arus
keluaran di samping mengekalkan kecekapan yang baik supaya penukar ini mampu
memulihkan bateri yang kehabisan mendalam. Untuk tujuan ini, tesis ini menyumbang
lima topologi-topologi novel penukar salunan LLC untuk peringkat DC/DC bagi
pengecas bateri PEV iaitu: penukar salunan LLC dua tangki, penukar salunan LLC dua
tangki dengan penerus hibrid, penukar salunan LLC titi hibrid, penukar salunan LLC
titi hibrid dengan penerus hibrid, dan penukar salunan jaringan LLC dengan
pengganda voltan sambungan siri. Topologi yang pertama menggunakan kawalan
frekuensi hanya untuk mencapai pengurangan julat pengecasan voltan. Walau
bagaimanapun, keempat-empat topologi yang lain menggunakan mod pengecas
dengan pensuisan kawalan frekuensi untuk menambah julat pengeluaran voltan bagi
memulihkan pengurangan bateri secara terus, berbanding dengan topologi-topologi
konvensional yang menggunakan kaedah kawalan komplek. Selain itu, semua topologi
yang dicadangkan beroperasi di bawah frekuensi resonan secara menyeluruh sewaktu
digunakan sebagai pengecasan bateri biasa, oleh itu, suis kuasa beroperasi dengan ZVS
dan diod penerus bersama dengan ZCS. Topologi-topologi yang dicadangkan direka
untuk mengecas pek bateri lithium-ion PEV dengan voltan terminal sebanyak 420V
apabila dicas sepenuhnya, 250V apabila kehabisan, dan 100V atau kurang apabila
kehabisan mendalam. Konfigurasi litar, analisis operasi, ciri-ciri keuntungan dan
prosedur reka bentuk keseluruhan topologi-topologi dibentangkan secara terperinci.
Akhirnya, semua cadangan topologi-topologi dilaksanakan dan diuji dalam makmal
dan juga simulasi menggunakan persekitaran MATLAB Simulink dengan 400V DC
input dan 1.5 kW kuasa keluaran maksimum. Keputusan eksperimen dan simulasi
dibentangkan dalam tesis ini untuk pengesahan operasi dan prestasi topologi penukarpenukar
yang dicadangkan. Hasil-hasil yang dinyatakan menunjukkan yang keempatempat
topologi secara efektif boleh mengecas kedua-dua keadaan iaitu pengurangan
secara normal dan juga pengurangan bateri secara berterusan, di mana topologi
pertama hanya boleh mencapai julat pengurang voltan bateri secara normal.
Sebaliknya, dua topologi yang terakhir telah menunjukkan julat voltan keluaran terluas
sebanyak 50V-420V. Oleh itu, dua topologi yang terakhir ini mempunyai keupayaan
untuk mengecas bateri walaupun kehabisan yang amat mendalam. Semua topologitopologi
yang dicadangkan mempunyai puncak kecekapan yang lebih tinggi daripada
95% pada kuasa keluaran puncak. Walau bagaimanapun, topologi terakhir yang
dicadangkan iaitu penukar salunan jaringan LLC dengan pengganda voltan sambungan
siri mempunyai kecekapan tertinggi sebanyak 95.65%. Tambahan, topologi ini juga
mempunyai julat voltan keluaran terluas sebanyak 50V-420V, jadi ia boleh dianggap
sebagai yang terbaik dalam kalangan semua topologi-topologi yang dicadangkan.
__________________________________________________________________________________
Recent improvements in battery technology and reduction in price have
intensified interests in electrical vehicles (EVs) as these provide best means for
pollution free and efficient transportation necessary for the sustainable development
of the whole world. In near future, plug-in electrical vehicles (PEVs), which are
equipped with on-board chargers, are expected to dominate the automobile market.
Most commonly used on-board chargers consist of two stages with AC/DC converter
as first stage and DC/DC converter as second stage. This thesis focuses on second
stage whose function is to regulate charging voltage and current in accordance with
battery’s charging requirements. The terminal voltage of EV battery varies over wide
range during usage and it may discharge up to normally depleted or deeply depleted
states. Therefore, the main challenge for DC/DC converter designer is to realize wide
range of output voltage and current while maintaining good efficiency so that the
converter is able to revive deeply depleted battery. To this end, this thesis contributes
five novel topologies of LLC resonant converter for the DC/DC stage of on-board PEV
battery charger which are: double LLC tank resonant converter, double LLC tank
resonant converter with hybrid-rectifier, hybrid-bridge LLC resonant converter,
hybrid-bridge LLC resonant converter with hybrid-rectifier, and interleaved LLC
resonant converter with series connected voltage doublers. The first topology uses
frequency control to achieve only depleted battery charging voltage range. Whereas,
the other four topologies use mode changing with switching frequency control to
extend the output voltage range for reviving deeply depleted battery, compared with
conventional counterparts which use complex control techniques. Moreover, all the
proposed topologies operate below resonance frequency for most extensively used
normal battery charging range, therefore, power switches operate with ZVS and
rectifier diodes with ZCS. The proposed topologies are designed for charging lithiumion
PEV battery pack with terminal voltage as 420V when fully charged, 250V when
depleted, and 100V or less when deeply depleted. The circuit configuration, analysis
of operation, gain characteristics and design procedure of all the topologies are
presented in details. Finally, all the proposed topologies are implemented and tested in
laboratory and also simulated using MATLAB Simulink environment with 400V DC
input and 1.5 kW maximum output power. The captured experimental and simulation
results are presented in this thesis for validation of operation and performance of
proposed converter topologies. The presented results showed that the four proposed
topologies can effectively charge both normally depleted as well as deeply depleted
battery, while the first topology can achieve only normally depleted battery voltage
range. On the other hand, last two topologies have shown widest output voltage range
of 50V–420V. Therefore, last two topologies have the ability to charge even very
deeply depleted batteries. All the proposed topologies have peak efficiency higher than
95% at peak output power. However, the last topology which is interleaved LLC
resonant converter with voltage doubler rectifier has highest efficiency of 95.65%.
Moreover, this topology also has widest output voltage range of 50V–420V, so it can
be considered as the best one among all the proposed topologies.
LLC resonant converter topologies for plug-in electric vehicle battery charging _Muhammad Imran Shahzad_E3_2017_MYMY