Design of a high-efficiency battery charging system based on MPPT for electric vehicles

Abstract

In today's world, with the rapid increase in the global population and technological advancements, the demand for energy is increasing day by day. Considering that a significant portion of the required energy is produced from fossil fuels, the limited availability of fossil fuels, and their harmful environmental effects, the importance of transitioning to renewable energy sources has become evident. Therefore, renewable energy sources such as solar, wind, and geothermal have gained popularity. The widespread use of renewable energy sources has also opened the way for the adoption of electric vehicles. With advancements in battery technology and charging systems, high-efficiency battery charging systems for electric vehicles have been developed. In this study, a solar energy-based design of a battery charging system, which is crucial for electric vehicles, has been realized. Different Maximum Power Point Tracking (MPPT) algorithms have been compared to obtain the maximum power from solar energy. To achieve maximum efficiency in energy transfer to the load, a Zero Voltage Switching (ZVS) technique has been applied to the SEPIC DC-DC converter. By using the Zero Voltage Switching technique, switching losses on the switch have been minimized. The duty cycle and frequency are adjusted according to the power variation in the system. The simulation of the system has been performed using PSIM. A comparison has been made in terms of power tracking and system efficiency for the Perturb & Observe (P&O) and Incremental Conductance (IC) algorithms at solar irradiance levels of 400-600-1000-500 W/m2. Both algorithms have successfully tracked the panel power and achieved efficiencies above 99%. The highest efficiency in transferring maximum power, 99.86%, has been achieved with the Incremental Conductance algorithm.

Keywords

• Photovoltaic System
• Battery Charger
• MPPT Algorithm
• ZVS SEPIC Converter

Elektrikli araçlar için MPPT tabanlı yüksek verimli batarya şarj sistemi tasarımı

Abstract

Günümüzde dünya nüfusunun hızla artması ve teknolojinin gelişmesiyle enerji ihtiyacı her geçen gün artmaktadır. Gereken enerjinin büyük bir kısmının fosil yakıtlardan üretildiği, fosil yakıtların sınırlı olması ve zararlı çevresel etkileri göz önüne alındığında yenilenebilir enerji kaynaklarına geçişin önemi ortaya çıkmaktadır. Dolayısıyla güneş, rüzgâr ve jeotermal gibi yenilenebilir enerji kaynakları rağbet görmeye başlamıştır. Yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımının yaygınlaşması ile elektrikli araçlara yönelimin önü açılmıştır. Batarya teknolojisi ve batarya şarj sistemlerinde gerçekleşen gelişmelerle elektrikli araçlar için verimi yüksek batarya şarj sistemleri geliştirilmeye başlanmıştır. Bu çalışmada, elektrikli araçlar için önem arz eden batarya şarj sisteminin güneş enerjisi tabanlı tasarımı gerçekleştirilmiştir. Güneş enerjisinden maksimum gücün elde edilebilmesi için farklı Maksimum Güç Noktası Takibi (MPPT) algoritmaları kullanılarak sonuçlar kıyaslanmıştır. Enerjinin maksimum verimle yüke aktarılabilmesi için ise Sıfır Gerilimde Anahtarlama (ZVS) tekniği uygulanan SEPIC DC-DC dönüştürücü kullanılmıştır. Sıfır gerilimde anahtarlama tekniği kullanılarak yumuşak anahtarlama ile anahtar üzerindeki kayıplar azaltılmıştır. Sistemde güç değişimine göre görev döngüsü ve frekans değişimi gerçekleştirilmektedir. Sistemin benzetimi PSIM ile yapılmıştır. 400-600-1000-500 W/m2 ışınım değerlerinde Değiştir & Gözle (D&G) ve Artan İletkenlik (Aİ) algoritmaları için güç takibi ve sistem verimi açısından karşılaştırma yapılmıştır. Her iki algoritmanın da panel gücünü başarılı şekilde takip ettiği ve verimlerinin %99’un üzerinde olduğu gözlemlenmiştir. Maksimum gücün aktarılmasında en yüksek verim %99,86 değeri ile Artan İletkenlik algoritmasında sağlanmıştır.

Keywords

• Fotovoltaik Sistem
• Batarya Şarj Cihazı
• MPPT Algoritması
• ZVS SEPIC Dönüştürücü

References

1. Arslan F, Türkdoğan S (2022) Kamu binalarında çatı üzeri fotovoltaik panel kurulum potansiyelinin belirlenmesi ve enerji üretim artışı için mimari tasarımın ele alınması: Yalova ili örneği. Journal of Innovative Engineering and Natural Science, 2(2): 76–94. https://doi.org/10.29228/jiens.63060
2. Özbay H (2020) Rezonans Dönüştürücülü Fotovoltaik Batarya Şarj Sistemi Photovoltaic Battery Charger System With Resonant Converter. Bandırma Üniversitesi Mühendislik Bilimleri ve Araştırmaları Dergisi. 2(1):11–20.
3. Badak U, Yıldız AB (2021) Maksimum Güç Noktası İzleyici Algoritmalarının Verim, Salınım Miktarı ve Yakınsama Süresi Açısından Karşılaştırılması. European Journal of Science and Technology, 21:463-472. https://doi.org/10.31590/ejosat.822975
4. Şahin Y, Aksoy İ, Tinğ NS (2014) DC-DC Dönüştürücülerde Kullanılan Yumuşak Anahtarlama Yöntemlerinin Karşılaştırılması. in Eleco 2014 Elektrik-Elektronik-Bilgisayar ve Biyomedikal Mühendisliği Sempozyumu, Bursa, Türkiye 27-29 Kasım.
5. Kenar M (2019) Güneş enerjisi üretim sistemleri için DC/DC ve DC/AC güç dönüştürücülerinin tasarımı ve Fuzzy-PI ile kontrolü. Afyon Kocatepe Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Afyon, Türkiye.
6. N. Jeddi N, El Amraoui Ouni L (2014) Comparative study of MPPT techniques for PV control systems. International Conference on Electrical Sciences and Technologies in Maghreb, CISTEM, https://doi.org/10.1109/CISTEM.2014.7077034
7. Seguel JL, Seleme SI, Morais LMF (2022) Comparative study of buck-boost, SEPIC, Cuk and Zeta DC-DC converters using different MPPT methods for photovoltaic applications. Energies (Basel), 15(21), 7936. https://doi.org/10.3390/en15217936
8. Gupta A, Chauhan Y, Pachauri R, Sharma D, Chaudhary R, Gupta P (2021) Analysis of DC-DC Sepic converter with different MPPT technique. In Proceedings of the 3rd International Conference on Advanced Computing and Software Engineering, 1: 45-53.

9. Dwi Murdianto F, Nansur AR, Heriani Y (2018) Comparison of first order differential algorithm, perturb and observe (PO) and Newton Raphson Methods for PV application in DC microgrid isolated system. Proceedings-2018 International Seminar on Application for Technology of Information and Communication: Creative Technology for Human Life, iSemantic, 145–150. https://doi.org/10.1109/ISEMANTIC.2018.8549815
10. Harrison A, De Dieu J, Ndongmo N, Nfah EM, Ekute OB (2022) Improved Perturb & Observe MPPT method using PI controller for PV system based on real environmental and climatic conditions. in Novateur Publications Internatıonal Journal Of Innovations In Engineerıng Research And Technology, 2022:2394–3696.
11. Majstorovic M, Mrsevic D, Duric B, Milesevic M, Stevic Z, Despotovic ZV (2020) Implementation of MPPT Methods with SEPIC Converter. in 19th International Symposium INFOTEH-JAHORINA, IEEE.
12. Raj A, Arya SR, Gupta J (2020) Solar PV array-based DC–DC converter with MPPT for low power applications. Renewable Energy Focus, 34:109–119. https://doi.org/10.1016/j.ref.2020.05.003.
13. Hansen AD, Sørensen PE, Hansen LH, Bindner HW (2001). Models for a stand-alone PV system. Denmark. Forskningscenter Risoe.
14. Keskin T (2019) MPPT Algoritmalarının Gerçek Zamanlı Olarak Karşılaştırılması ve PV Sisteme Uygulanması. Yüksek Lisans Tezi, Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, Isparta, Türkiye.
15. Özbay H, Öncü S, Kesler M (2017) SMC-DPC based active and reactive power control of grid-tied three phase inverter for PV systems. Int J Hydrogen Energy, 42(28):17713–17722. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2017.04.020.
16. H. Ozbay, A. Karafil, S. Oncu, and M. Kesler (2017) PSIM Simulation of Flyback Converter for P&O and IC MPPT Algorithms. EJENS, 2(1):204–209.
17. Altıntaş N, Yılmaz A, Demirci A,Tercan SM (2021) Bataryalı PV sistemlerde maksimum güç noktası takip yöntemlerinin karşılaştırılması. European Journal of Science and Technology, 21:369–377. https://doi.org/10.31590/ejosat.702393.
18. Keskin YE, Başoğlu ME, Tekdemir İG, Çakır B (2014) Fotovoltaik sistemlerde değiştir gözle ve artan iletkenlik algoritmalarının karşılaştırılması. in Eleco 2014 Elektrik-Elektronik-Bilgisayar ve Biyomedikal Mühendisliği Sempozyumu, Bursa, Türkiye 27-29 Kasım.
19. Kaysal A, Köroğlu S, Oğuz Y, Kaysal K (2023) Design and experimental implementation of DC-DC converter based self-tuning fuzzy PI controller. Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 38(1):483–495.
20. Günay Ö (2007) Değişken PWM Frekanslı PI Tipi DC Motor Kontrolü. Yüksek Lisans Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, Türkiye.
21. Iñarra MB, Zubiaurre IB, Bengoetxea IL, Azaceta IZ (2018) Power Electronic Converter Design Handbook. Arrasate-Mondragon.
22. Kalçık ME (2020) SEPIC dönüştürücünün analizi ve farklı kontrol yöntemleri ile çıkış geriliminin denetlenmesi. Yüksek Lisans Tezi, Atatürk Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Erzurum, Türkiye.
23. Sujitha N, S. Krithiga S (2020) Off-board electric vehicle battery charger using PV array. IET Electrical Systems in Transportation, 10(3):291–300.
24. Akalp O, Ozbay H, Efe SB (2021) Design and analysis of high-efficient driver model for led luminaires. Light and Engineering, 29(2):96–106.