Different Approaches to Analysis of Boost Converter Used in Electric Vehicle Circuit

Abstract

In this study, the subject of electric vehicles, which has started to spread very rapidly in the world and in our country, is discussed. The reason for this rapid spread is the energy problems and environmental factors. Considering all these negativities, electric is a very attractive energy source in terms of transportation. For this reason, every study on the electric vehicle will contribute to the rapid growth. In this study, different approaches have been shown regarding the analysis of the boost converter circuit, which is one of the converter circuit options that can be preferred in electric vehicles, by numerical methods. Two different modeling have been implemented in the converter circuit. First, the boost converter circuit was modeled by a dichotomous resistance approach and the model's equations for the analysis of the model were obtained by generalized node equations. Then the boost converter circuit is modeled with the ideal switch approach and the model's equations for the solution of the model were obtained by generalized knot equations. The results obtained from analytical and numerical solutions of these equations and the results obtained in the permanent state region have been shown to be the same. The analytical and numerically analyzed circuit was simulated in MatlabSimulink environment and the same results are confirmed in the simulation environment. In addition, it is aimed that the results obtained with the study are close to the real results. For those who will work on the subject, a numerical data sample will be presented with the work done before the application study.

Keywords

• Electric vehicle
• Boost converter
• Node voltage method
• Modelling

Elektrikli Araç Devresinde Kullanılan Boost Dönüştürücünün Analizine Farklı Yaklaşımlar

Abstract

Bu çalışmada, dünya geneli ve ülkemizde oldukçahızlı yayılmaya başlayan elektrikli araç konusu ele alınmıştır. Bu hızlı yayılmanın sebebi yaşanan enerji sorunları ve çevresel faktörlerdir. Olumsuzluklar değerlendirildiğinde, ulaşım araçlarında kullanılan enerjiler açısından elektrik oldukça cazip bir enerji kaynağıdır. Bundan dolayı elektrikli araçlar alanındaki araştırma ve çalışmalar yaşanan hızlı büyüme bakımından ihtiyaç olup katkı sağlamaktadır. Yapılan çalışma ile elektrikli araçlarda tercih edilebilecek dönüştürücü devre seçeneklerinden birisi olan boost (yükselten) dönüştürücü devresinin sayısal yöntemlerle analizine ilişkin iki özgün yaklaşım irdelenmektedir. Dönüştürücü devrede, anahtarlar iki farklı şekilde modellenmiştir. İlk olarak iki değerli direnç yaklaşımı, daha sonra ideal anahtar yaklaşımı kullanılmıştır. Her iki modelleme durumunda da genelleştirilmiş düğüm denklemleri ile analiz yapılmıştır. Bu denklemlerin analitik ve sayısal olarak yapılan çözümleri ile kalıcı hal bölgesinde elde edilen sonuçların aynı olması, uygulanan modellerin ve yöntemlerin doğruluğunu göstermektedir. Analitik ve sayısal olarak çözümlenen devre, MatlabSimulink ortamında simüle edilerek sonuçların doğruluğu teyit edilmiştir. Ayrıca yapılan çalışma ile elde edilen sonuçların gerçek sonuçlara yakın olduğu gösterilmiştir. Böylelikle konu üzerinde çalışma yapacaklar için uygulama çalışması öncesi yapılan inceleme ile sayısal veri örneği de sunulmuş olacaktır.

Keywords

• Elektrikli Araç
• Boost (yükselten) dönüştürücü
• Düğüm gerilimleri yöntemi
• Modelleme

References

1. Alphonse I, Thilagar H, Singh FB. 2012. Design of solar powered BLDC motor driven electric vehicle. Int J Renew Energy Res, 2(3): 456-462.
2. Baek J, Ryoo M, Kim T, Yoo D, Kim J. 2005. High boost converter using voltage multiplier. 31st Annual Conference of IEEE Industrial Electronics Society, November 6-10, Raleigh, US, pp: 128. https://doi.org/10.1109/IECON.2005.1568967.
3. Bai S, Yu D, Lukic S. 2010. Optimum design of an EV/PHEV charging station with DC bus and storage system. IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, September 12-16, Atlanta, US, pp: 1178-1184.
4. Chen J, Maksimovic D, Erickson RW. 2006. Analysis and design of a low-stress buck-boost converter in universal-input PFC applications. IEEE Transact Power Electron, 21(2): 320-329.
5. Clement-Nyns K, Haesen E, Driesen J. 2011. The impact of vehicle-to-grid on the distribution grid. Elect Power Syst Res, 81: 185-192.
6. Çalışkan A, Ünal S, Orhan A. 2017. Buck-boost dönüştürücü tasarımı, modellenmesi ve kontrolü. Fırat Üniv Müh Bil Derg, 29(2): 265-268.
7. Çelik M, Abut N. 2022. Elektrikli araçlar için kablosuz şarj sistemi simülasyonu. Elektrik-Elektronik ve Biyomedikal Mühendisliği Konferansı, 24-26 Kasım, Bursa, Türkiye, ss: 53.
8. Garip İ, Altın N, Sefa İ. 2009. Çift Anahtarli buck-boost çevirici benzetimi. TÜBAV Bil Derg, 2(4): 385-393.

9. Genç S. 2023. Güç şebekelerinde iletilen yayinimlarin güç kalitesi analizi ve giderilmesi. Doktora Tezi, Ondokuz Mayıs Üniversitesi, Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı, Samsun, Türkiye, pp: 111.
10. Günaslan S, Nalbur BE, Cindoruk SS. 2023. Otomotiv endüstrisinde döngüsel ekonomi ve elektrikli araçlar için yaşam döngüsü değerlendirmesinin incelenmesi. Uluslararası İleri Doğa Bil Müh Araş Derg, 7(4): 313-318.
11. Hançar Y, Kaymaz H. 2021. Elektrikli araç batarya yönetim sistemleri için hücre eşitleme yöntemleri. Akıllı Ulaşım Sist Uyg Derg, 4(1): 60-73.
12. Hawkins TR, Singh B, Majeau-Bettez G, Strømman AH. 2013. Comparative environmental life cycle assessment of conventional and electric vehicles. J Indust Ecol, 17(1): 53-64.
13. Khaligh A, Li Z. 2010. Battery, ultracapacitor, fuel cell, and hybrid energy storage systems for electric, hybrid electric, fuel cell, and plug-ın hybrid electric vehicles: State of the art. IEEE Transact Vehic Technol, 59(6): 2806-2814.
14. Khan W, Ahmad F, Alam MS. 2019. Fast EV charging station integration with grid ensuring optimal and quality power exchange. Eng Sci Technol Int J, 22(1): 143-152.
15. Köseni H, Yıldız AB. 2019. Geri dönüşlü DC-DC dönüştürücünün genelleştirilmiş düğüm denklemleri ile analizi. Politek Derg, 22(1): 179-184.
16. Kumar BA, Jyothi B, Rathore RS, Singh AR, Kumar BH, Bajaj M. 2023. A novel framework for enchancing the power quality of electrical vehicle battery charging based on modified ferdowsi converter. Energy Rep, 10: 2394-2416.
17. Li SG, Sharkh SM, Walsh FC, Zhang CN. 2011. Energy and battery management of a plug-ın series hybrid electric vehicle using fuzzy logic. IEEE Transact Vehic Technol, 60(8): 3571-3585.
18. Li Z, Hoshina S, Satake N, Nogi M. 2016. Development of DC/DC converter for battery energy storage supporting railway DC feeder systems. IEEE Transact Industry Appl, 52(5): 4218-4224
19. Lunz B, Yan Z, Gerschler JB, Dauer DU. 2012.Influence of plug-in hybrid electric vehicle charging strategies on charging and battery degradation costs. Energy Policy, 46: 511-519.
20. Malik MZ, Chen H, Nazir MS, Khan IA, Abdalla AN, Ali A, Chen W. 2020. A new efficient step-up boost converter with CLD cell for electric vehicle and new energy systems. Energies, 13: 2-14.
21. Mert T. 2007. Güç faktörü düzeltme yöntemlerinin incelenmesi ve bir uygulama devresinin gerçekleştirilmesi. Yüksek Lisans Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Elektrik Mühendisliği Bölümü, İstanbul, Türkiye, pp: 48.
22. Moreno J, Ortuzar ME, Dixon JW. 2006. Energy-management system for a hybrid electric vehicle, using ultracapacitors and neural networks. IEEE Transact Indust Electron, 53(2): 614-623.
23. Nilsson M, Nykvist B. 2016. Governing the electric vehicle transition – Near term interventions to support a green energy economy. Appl Energy, 179: 1360-1371.
24. Ortuzar M, Dixon J, Moreno J. 2003. Design, construction and performance of a buck-boost converter for an ultracapacitor-based auxiliary energy system for electric vehicles. IECON'03. 29th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, November 02-06, Roanoke, US, pp: 2889-2894.
25. Öncü S, Sazak BS. 2006. Tek anahtarlı inverterde bazı kontrol palslerinin silinmesiyle güç kontrolü. Gazi Üniv Müh Mim Fak Derg, 21(1): 123-127.
26. Prudente M, Pfitscher LL, Emmendoerfer G, Romaneli EF, Gules R. 2008. Voltage multiplier cells applied to non-ısolated DC–DC converters. IEEE Transact Power Electron, 23(2): 871-887.
27. Sabri M, Danapalasingam KA, Rahmat MF. 2016. A review on hybrid electric vehicles architecture and energy management strategies. Renew Sust Energy Rew, 53: 1433-1442.
28. Sharma S, Panwar AK, Tripathi MM. 2020. Storage technologies for electric vehicles. J Traf Transp Eng, 7(3): 340-361.
29. Sivaraman P, Sharmeela C. 2021. Chapter 5 - Power quality problems associated with electric vehicle charging infrastructure. Power Qual Modern Power Syst, 2021: 151-161.
30. Sousa LDB, Boris Bouchez B. 2010. A combined multiphase electric drive and fast battery charger for electric vehicles. IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference, September 01-03, Lille, France. https://doi.org/10.1109/VPPC.2010.5729057.
31. Sun B, Dragičević T, Freijedo FD, Vasquez JC, Guerrero JM. 2016. A control algorithm for electric vehicle fast charging stations equipped with flywheel energy storage systems. IEEE Transact Power Electron, 31(9): 6674-6685.
32. Tofoli FL, Pereira DC, Paula WJ, Júnior DS. 2015. Survey on non-isolated high-voltage step-up dc–dc topologies based on the boost converter. IET Power Electron, 8(10): 2044-2057.
33. Yapıcı AT. 2018. İndüksiyonla ısıtma sisteminin incelenmesi ve simülasyonu. Yüksek Lisans Tezi, Kocaeli Üniversitesi, Fen Bilimleri enstitüsü, Elektrik Mühendisliği Bölümü, Kocaeli, Türkiye, pp: 62.
34. Yıldız AB. 2013. A MNA-based unified ideal switch model for analysis of switching circuits. J Circuits, 22(6): 1-12.
35. Young K, Wang C, Wang LY, Strunz K. 2013. Electric vehicle battery technologies. In: Garcia-Valle R, Peças Lopes J. (eds) Electric Vehicle Integration into Modern Power Networks. Power Electronics and Power Systems, Springer, New York, US, pp: 15-56. https://doi.org/10.1007/978-1-4614-0134-6_2.
36. Zimm C. 2021. Improving the understanding of electric vehicle technology and policy diffusion across countries. Transp Pol, 105: 54-66.