Design and control of a battery charger for electric vehicles

Abstract

En aquesta tesis es presenta el disseny i control d’un carregador de bateries bidireccional per a vehicles elèctrics connectables a la xarxa. El prototip implementat és bidireccional, de 3 kW i està dissenyat per una tensió de bateria d’entre 200 V i 380 V. El control digital s’ha implementat en un Digital Signal Controller (DSC) tipus TMS320F28335. La topologia del carregador proposada consisteix un pont rectificador síncron seguit de dues etapes connectades en cascada. La primera la formen tres convertidors elevadors bidireccionals connectats en paral·lel, mentre que la segona són tres convertidors reductors bidireccionals connectats a la bateria. La primera etapa del carregador té la funció de corregir el factor de potència i regular a 400 V la tensió del bus DC que connecta les dues etapes. En canvi, la segona etapa entrega a la bateria el corrent calculat pel control de càrrega de la bateria. El disseny dels algorismes de control de corrent dels inductors del sistema s’ha realitzat per mitjà de l’aplicació de la teoria de control en mode de lliscament de temps discret amb l’objectiu que els convertidors operin a freqüència constant. Aquesta característica permet l’aplicació del mode d’operació en “interleaving” o entrellaçat dels diferents convertidors de forma directa. D’altra banda, aquesta tesi també estudia la reducció del condensador del bus DC intermig, generalment present en aplicacions monofàsiques basades en dues etapes, amb l’objectiu d’evitar l’ús de condensadors electrolítics per la seva baixa vida útil. En un cas, es considera la segona etapa del sistema com una font que absorbeix una potència constant i que la tensió del bus DC és regulada per la primera etapa. El segon cas proposa que la segona etapa reguli la tensió del bus mentre que la primera etapa es comporta com una font de potència constant.

En esta tesis se presenta el diseño y control de un cargador de baterías para vehículos eléctricos conectables a la red. El prototipo implementado es bidireccional, de 3 kW y se ha diseñado para una tensión de batería de entre 200 V y 380 V. El control digital se ha implementado en un Digital Signal Controller (DSC) tipo TMS320F28335. La topología del cargador propuesta consiste en un puente rectificador síncrono seguido de dos etapas conectadas en cascada. La primera la forman tres convertidores elevadores conectados en paralelo, mientras que la segunda son tres convertidores reductores conectados a la batería. La primera etapa tiene la función de corregir el factor de potencia y regular a 400 V la tensión del bus DC que conecta las dos etapas. La segunda etapa entrega a la batería la corriente calculada por el control de carga de la batería. Los algoritmos de control de corriente de los inductores se han diseñado por medio de la aplicación de la teoría de control en modo de deslizamiento de tiempo discreto con el objetivo que los convertidores trabajen a frecuencia constante. De esta forma, la aplicación del modo de operación en entrelazado de los diferentes convertidores es directa. Por otro lado, esta tesis también estudia la reducción del condensador del bus intermedio, generalmente presente en aplicaciones monofásicas basadas en dos etapas, con el fin de evitar la necesidad de usar condensadores electrolíticos dada su baja vida útil. En un caso se ha considerado que la segunda etapa del sistema actúa como una fuente que absorbe una potencia constante y que la regulación de tensión del bus DC la realiza la primera etapa. El segundo caso propone que la segunda etapa regule la tensión del bus mientras que la primera etapa se comporta como una fuente de potencia constante.

This thesis presents the design and control of a battery charger for plug-in electric vehicles. The implemented prototype is bidirectional, with a rated power of 3 kW and it has been designed for a battery voltage range of 200 V and 380 V. The digital control has been implemented on one Digital Signal Controller (DSC) type TMS320F28335. The proposed topology of the battery charger is based on a full bridge synchronous rectifier followed by two cascaded stages. The first stage consists of three boost converters connected in parallel, while the second stage is composed by three parallel buck converters connected to the battery. The first stage is meant to correct the power factor and to regulate the DC-link voltage at 400 V. The second stage delivers to the battery the current calculated by the battery state of charger controller. The inductor current controllers have been designed by means the applications of the discrete-time sliding-mode control theory, so that their operation at a constant switching frequency is possible. Hence, the application of interleaving operation mode is directly applicable. Besides, the reduction of the DC-link capacitors, generally present in single-phase applications based on two-cascaded stages, is also addressed in order to avoid the use of electrolytic capacitors owing to their reduced lifespan. Two different scenarios have been taken into account. The first one considers that the second stage is meant to operate as a constant power sink and the DC-link voltage regulation is carried out by the first stage. The second scenario proposes the DC-link voltage is regulated by the second stage while the first stage behaves as a constant power source.