Hibrit elektrikli araçlarda kullanılan konvertörlerin genelleştirilmiş durum uzay ortalama (GSSA) yöntemi ile modellenmesi

Abstract

Hibrit elektrikli araçlar (HEA), enerjinin iki ya da daha fazla enerji kaynağından sağlandığı ve bu enerji kaynaklarından en az bir tanesinin elektrik enerjisi olduğu bir araç olarak tanımlanmıştır. Bu tezde öncelikle hibrit elektrikli araçların tarihçesinden ve günümüze kadar gelişiminden söz edilmiştir. Daha sonra hibrit elektrikli araçlarda kullanılan alt sistemler, güç kontrol sistemlerine ve araçtaki enerji yönetimine değinilmiştir. Hibrit elektrikli araçlarda kullanılan güç elektroniği aksamlarından biri de DC/DC dönüştürücüler, diğer adıyla kıyıcılardır. Güç elektroniği dönüştürücüleri anahtarlamalı yapıları sebebiyle periyodik olarak zamanla değişen sistemlerdir. Bu nedenle, dönüştürücülerin dinamik davranışları doğrusal olmayan özellik gösterir. Böyle sistemlerin analizi ve tasarımı oldukça zordur. Bu durumda modelleme ve benzetişim; güç elektroniği devrelerinin analiz ve tasarım sürecinin en önemli unsurlarından biri haline gelmektedir. Bu tezde, DC/DC dönüştürücü türlerinin GSSA yöntemi ile matematiksel olarak modellenmesi incelenmiştir. Genelleştirilmiş durum uzay ortalama metodu (GSSA), sistemin doğrusal olmayan denklemlerini doğrusal durum uzay sistemine dönüştürür. Bu yöntemde, hesaplanan işaretin harmonik durum değişkenleri de belirlenmekte ve hesaba katılmaktadır. Ayrıca sistem parametrelerine tam ve hızlı bir yaklaşım başarılmıştır. Bu metot kullanılarak sistem doğrusallaştırılmıştır. Böylece sistemin durum değişkenleri arasındaki ilişki doğrusal denklemlerle açıklanabilir. Tez çalışmasının son kısmında yükselten bir DC/DC dönüştürücünün PSIM benzetişim programı ile yapılan gerçek zaman benzetişimleri ile genelleştirilmiş durum uzay ortalama (GSSA) yönteminden alınan sonuçlar karşılaştırılmış ve önerilen yöntemin geçerliliği ispatlanmıştır.

Hybrid Electrical Vehicles (HEVs) are defined as a vehicle the energy is provided by two or more energy sources and, one of these sources has to be an electrical energy in hybrid electrical vehicle, at least. Firstly a brief history of hybrid electrical vehicles and development until now is mentioned in this thesis. After that, subsystems of hybrid electrical vehicles using such as battery, internal combustion engine and supercapacitor, power electronics and control systems, and management of energy systems are explained in detail. DC/DC converters are one of the components of hybrid electrical vehicle system. These are periodic time-variant systems because of their switching operation. Therefore, converters have non-linear characteristic as dynamic behaviour. Analysis and design of such systems is rather difficult. Under the circumstances, modelling and simulation is the one of the most important process in analysis and design of power electronic circuits. In this thesis, DC/DC converter topologies have been mathematically analyzed with generalized state space averaging (GSSA) method. The non-linear equations of the system have been converted to a linear state space model by GSSA method. Also, harmonic state variables of the counted signal has been defined and calculated for the next step in this method. In addition, an exact and fast approximation to the system parameters has been achieved. Therefore the non-linearity of the system has been removed thanks to the method. Thus, the relation between the state space variables of the systems has been explained by linear-equations. A boost DC/DC converter has been analyzed with Power Sim (PSIM) simulation program as a sample in the last section of the thesis. Then the same topology has been experimented with generalized state space averaging (GSSA) method. The results of the simulation of the GSSA models have been compared with real-time PSIM simulations results. Consequently, the validity of suggested method has been proved in this study.