Implementation of onboard charger designs used in electiric vehicle in a simulated enviroment

Abstract

With the widespread adoption of electric vehicles, their adverse effects on the power grid have also increased. A low power factor and high harmonic currents degrade grid power quality and reduce overall efficiency. To enhance efficiency and improve power quality, power factor correction (PFC) techniques are employed in the design of charging devices. Power factor corrected chargers generally fall into two categories: single-stage and two-stage designs. This study focuses on AC-DC converter topologies that are commonly used in two-stage onboard charger designs. Following the selection of these topologies, the structure of electric vehicles, battery types, battery pack voltage levels, country-specific charging standards, and the semiconductor materials to be used are examined in detail. The primary objective of power factor corrected converter structures is to maintain grid quality. Therefore, the performance of the selected topologies implemented in the MATLAB/SIMULINK environment is evaluated. Using the Fast Fourier Transform (FFT) analysis method, Total Harmonic Distortion (THD) values are obtained and compared under six different load conditions.

Keywords

• Electric vehicles
• Onboard charger
• power factor correction
• AC-DC convertor

Elektrikli araçlarda kullanılan yerleşik şarj cihazı tasarımlarının benzetim ortamında gerçekleştirilmesi

Öz

Elektrikli araçların yaygınlaşması ile birlikte şebeke üzerindeki olumsuz etkileri de artmaktadır. Düşük güç faktörü ve yüksek harmonik akımları şebeke güç kalitesini bozmakta ve verimliliği düşürmektedir. Verimliliği artırmak ve güç kalitesini iyileştirmek için tasarlanan şarj cihazlarında güç faktörü düzeltme yöntemleri kullanılmaktadır. Güç faktörü düzeltmeli şarj cihazları incelendiği zaman tek aşamalı ve iki aşamalı olmak üzere iki farklı tasarım görülmektedir. Bu çalışmada iki aşamalı yerleşik şarj cihazı tasarımında yaygın olarak kullanılan AA-DA dönüştürücü topolojileri incelenmektedir. Topolojilerin seçiminin ardından elektrikli araçların yapısı, batarya tipleri, batarya seti gerilimleri, ülkelere göre değişen şarj standartları ve kullanılacak olan yarı iletken malzemeler incelenmektedir. Güç faktörü düzeltmeli dönüştürücü yapılarında temel hedef şebeke kalitesini korumaktır. Bu nedenle MATLAB / SIMULINK ortamında gerçekleştirilen topolojilerin başarımları, FFT analiz yöntemi kullanılarak 6 farklı yük durumunda Toplam Harmonik Bozulma/Total Harmonic Distortion (THD) değerleri elde edilerek karşılaştırılmaktadır.

Anahtar Kelimeler

• Elektrikli araçlar
• yerleşik şarj cihazı
• güç faktörü düzeltme
• AA-DA dönüştürücüler

Kaynakça

1. E. Akyüz, Kentsel Ulaşım: Elektrikli Araçların Artıları Ve Eksileri. Hagıa Sophia 3. International Conference On Multidisciplinary Scientific Studies, sayfa 686-696, İstanbul, Türkiye, 15-16 Eylül 2021.
2. N. Ünlü, Ş. Karahan, H. Uçarol, E. Özsu, A. Yazar, L. Turhan, F. Akgün ve M. Tırıs, Elektrikli Araçlar. Teknik Rapor, TÜBİTAK Marmara Araştırma Merkezi Enerji Sistemleri ve Çevre Araştırma Enstitüsü, Türkiye, 2003.
3. İ. E. Karsavuran, Elektrikli araçlarda yerleşik şarj cihazı sistemlerinin simülasyon ortamında analizi. Yüksek Lisans Tezi, Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, Türkiye, 2024.
4. E. A. Dantondji, Elektrikli araçlar için yüksek güç yoğunluklu ve yüksek verimli izole edilmiş yerleşik batarya şarj cihazı tasarımı ve uygulaması. Yüksek Lisans Tezi, Pamukkale Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Türkiye, 2021.
5. A. Özdentürk, Elektrikli araç şarj cihazlarında kullanılan tek fazlı aktif doğrultucuların şebekeye olan etkilerinin karşılaştırılması. Yüksek Lisans Tezi, Konya Teknik Üniversitesi Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, Türkiye, 2021.
6. C. J. Rodrıguez-Corte, J. M. Sosa, P. R. Martinez, A. R. Lopez, M. A. Juarez, Brief review of power converters for on-board vehicle battery charging. IEEE International Autumn Meeting on Power, Electronics and Computing (ROPEC), sayfa 1-6, Ixtapa, Maksika, 10-12 Kasım 2021.
7. Ö. Türksoy, Design and analysis of high efficient AC-DC power factor corrected converters for on-board battery charging system in electric vehicles. Doktora Tezi, Çukurova Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Türkiye, 2020.
8. Ü. Yılmaz, Investigation of high efficient DC-DC converters for on-board battery charging system in electric vehicles. Doktora Tezi, Çukurova Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Türkiye, 2020.

9. S. Inamdar, A. Thosar, S. Mante, Literature review of 3.3kW on-board charger topologies. Proceedings of the Third International Conference on Electronics Communication and Aerospace Technology, sayfa 276-281, Coimbatore, Hindistan, 12-14 Haziran 2019.
10. C. Jin-Yong, C. Seung-Won, L. Jun-Young, Hybrid PWM DC/DC converter for EV on-board charger with single transformer. EPE Journal, 28 (2), 63-74, 2018. https://doi.org/10.1080/09398368.2018.1425525
11. Z. Liu, B. Li, F. C. Lee, Q. Li, Design of CRM AC/DC converter for very high-frequency high-density WBG-based 6.6kW bidirectional on-board battery charger. 2016 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), sayfa, 1-8, Milwaukee, WI, ABD, 18-22 Eylül 2016.
12. J. Morris, Design and testing of a bidirectional smart charger prototype, Yüksek Lisans Tezi, University of Waterloo Electrical and Computer Engineering, Kanada, 2015.
13. B. Whitaker, A. Barkley, Z. Cole, B. Passmore, D. Martin, Ty R. McNutt, A. B. Lostetter, J. S. Lee, K. Shiozaki, A high-density, high-efficiency, isolated on-board vehicle battery charger utilizing silicon carbide power devices. IEEE Transactions on power electronic, 29 (5), 2606-2617, 2013. https://doi.org/10.1109/TPE L.2013.2279950
14. K. Akamatsu, T. Mishima, M. Nakaoka, A secondary-side phase-shifted zero voltage and zero current full-range soft-switching PWM DC–DC converter for EV battery chargers. 2012 International Conference on Renewable Energy Research and Applications (ICRERA), sayfa 1-6, Nagasaki, Japonya, 11-14 Kasım 2012.
15. B. Akın, Elektrikli arabalarda kullanılan Li-ion akülerin tek fazdan hızlı ve verimli şarjı için güç faktörü düzeltmeli yükselticilerin karşılaştırması. EMO Bilimsel Dergi 2 (4), 87-93, 2012.
16. M. Çavdar, Tek fazlı güç faktörü düzeltmeli (PFC) köprüsüz AC-DC dönüştürücülerin incelenmesi ve karşılaştırılması. Yüksek Lisans Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Türkiye, 2017.