A non-isolated bidirectional multi-input DC-DC converter for a battery/ultra-capacitor hybrid energy storage system in electric vehicles

Abstract

Artan çevresel ve ekonomik kaygılar elektrikli araçları oldukça cazip hale getirmiştir. Bataryaların yüksek enerji yoğunluğu ve güvenilirlik gibi özellikleri, bataryalı elektrikli araçları, elektrikli araçlar arasında en popüler olanı yapmıştır. Fakat bataryaların kısa çevrim ömrü, yüksek maliyet ve düşük güç yoğunluğu gibi olumsuz özellikleri, ticari bataryalı elektrikli araçların sayısının önemli bir seviyeye ulaşmasına engel olmuştur. Bu dezavantajları ortadan kaldırmak amacı ile, hibrit enerji depolama sistem konseptini elektrikli araçlarda kullanma fikri ortaya atılmıştır. Hibrit enerji depolama sistemlerinde gücü tam anlamı ile kontrol edebilmek yalnızca güç dönüştürücüsü kullanımı ile sağlanabilmektedir. Literatürde, bu tür sistemlerde kullanılmak üzere bir çok güç dönüştürücü yapısı sunulmuştur. Bu dönüştürücüler arasında, kullanılan parça sayısını azaltması, düşük maliyetli olması ve kontrol kolaylığına sahip olması gibi özelliklerinden dolayı hibrit sistemlelerde çok girişli güç dönüştürücülerini kullanmak büyük ilgi çekmektedir. Bu tez çalışması, elektrikli araçlarda kullanılmak üzere bir batarya/ultrakapasitör hibrit enerji depolama sistemi oluşturmak amacı ile yeni bir çift yönlü izolesiz çok girişli dönüştürücü önermektedir. Önerilen dönüştürücü çift yönlü olarak güç kontrolünü sağlamaktadır. Ayrıca, gerilim seviyesi çıkış geriliminden yüksek veya düşük olabilen giriş kaynakları arasında güç paylaşımını kontrollü bir şekilde sağlayabilmektedir. Önerilen dönüştürücü, endüktanslarının tek bir anahtara bağlanması ile her eklenen giriş için tek bir aktif anahtara ihtiyaç duymaktadır ve böylelikle parça azaltımını sağlamaktadır. Bu tezde, önerilen çok girişli dönüştürücü bir çok açıdan iki farklı güç dönüştürücü yapısı ile karşılaştırılmıştır. Sonrasında, dönüştürücünün detaylı analizi, benzetim ve deneysel çalışmalarla doğrulanmıştır. İki farklı güç seviyesine sahip prototipler aracılığı ile önerilen kontrol yöntemleri, geliştirilen deney düzeneği ve konsept elektrikli araç aracılığıyla test edilmiştir.

Growing environmental and economic concerns make electric vehicles greatly attractive. Among these vehicles, battery electric vehicle is the most popular one due to advantages that batteries present, such as, high energy density, reliability. However, the number of commercial battery electric vehicles has not been yet significant since batteries also present some drawbacks, such as low cycle life, high cost, and low power density. In order to suppress these drawbacks, researchers have suggested hybrid energy storage system concept in electric vehicles. The utmost control of power in hybrid energy storage systems is only achievable through utilizing power converters; in these systems, despite of numerous power converter topologies presented, utilizing multi-input power converters have drawn wide attention thanks to their advantages of reduced part count, low cost, control simplicity, etc.This thesis proposes a novel bidirectional non-isolated multi-input converter topology that constructs a battery/ultra-capacitor hybrid energy storage system to be used in electric vehicles. The proposed converter has the abilities of controlling the power bidirectionally and allowing active power sharing between sources whose voltage levels can be higher or lower than the output voltage. The inductors of the converter are connected to a single switch; therefore, the converter requires only one extra active switch for each input unlike its counterparts, hence results in reduced element count. In this thesis, the proposed multi-input converter topology is compared with its counterparts concerning various parameters. It is analyzed in detail, and then this analysis is validated by simulation and experiment. Through the developed converter prototypes with two different power levels, developed control strategies are evaluated on an experimental setup and a concept electric vehicle.