Batarya beslemeli üç-fazlı iki-seviyeli DC/AC dönüştürücülerde farklı modülasyon metotları ve çalışma durumları için batarya akımının incelenmesi

Abstract

Bataryalar, elektrikli ve hibrit elektrikli araçlardaki ana komponentlerden birisi olup, aynı zamanda bu araçların gelişimi için oldukça kritik bir öneme sahip olduklarından dolayı da başlıca araştırma konuları arasında yer almaktadırlar. Elektrikli ve hibrit elektrikli araçların normal çalışma modunda, önceden depoladıkları kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine çevirip çıkışa vererek deşarj olan bataryalar, faydalı çalışma modunda ise elektrik enerjisini kimyasal enerjiye çevirip depo ederek şarj olurlar. Her iki çalışma modunda da batarya akımı saf DC olmayıp, dalgalı bir akıma sahiptir. Bu dalgalı akım, bataryada neden olduğu ek kayıplar nedeniyle bataryanın ısınmasına ve dolayısıyla ömrünün azalmasına neden olur. İdeal batarya modeli ve ideal DC bara kondansatör modeli kullanılarak yapılan simülasyonlar, batarya dalgalı akımının doğru bir şekilde gözlemlenebilmesini engellemektedir. Bu tez çalışmasında, bilinen darbe genişlik modülasyon (DGM) metotları altında, yüksek frekans batarya modeli ve yüksek frekans kondansatör modeli kullanılarak, MATLAB/Simulink ortamında batarya akımı incelemesi ve karşılaştırılması yapılmıştır. Batarya akımına dair görsel analizler ve harmonik spektrumlar, farklı çalışma durumları ve DGM metotları için verilmiştir. Batarya akımı distorsiyon oranı (IBD) tanımı yapılmış ve IBD değerinin her bir modülasyon metodu için farklı çalışma durumları altındaki değişimi incelenmiştir. Elde edilen bulgular neticesinde DGM metotları ve çalışma durumları batarya akımı açısından karşılaştırılmış ve yorumlanmıştır. Yapılan bu çalışmadan elde edilen sonuçlar elektrikli ve hibrit elektrikli araç uygulamalarının yanı sıra batarya beslemeli inverter uygulamaları içinde önemlidir.

Batteries are one of the key components for electric and hybrid electric vehicles, and also they are one of the major research areas due to they have a critical importance in order to development these vehicles. While batteries supply energy to output at normal working mode by converting internal chemical energy to electric energy (discharging), they restore energy at regenerative working mode as opposed to discharging (charging). During each working mode, battery current is not smooth DC and it has ripple. This ripple current causes to increase battery heating and so decrease batteries lifetime because of additional losses caused by ripple current is considerable. Simulations which include ideal battery model and ideal DC bus capacitor model prevent to observe realistic results about battery ripple current. This paper presents comparative investigations and evaluations about battery current waveform by using high frequency battery model and high frequency DC bus capacitor model with commonly known pulse width modulation (PWM) methods via MATLAB/Simulink. Battery current visual analyses and harmonic spectrums are provided for different operating states and PWM methods. Battery current distortion ratio (IBD) has been described and IBD variations with different operating states have been obtained for each modulation methods. In consequence of the results obtained, PWM methods and operating states have been compared and commented in terms of battery current. The results are valuable battery powered inverter applications as well as electric and hybrid electric vehicle applications.