Hiyerarşik Kontrol ile Güç Regülasyonlu DC/DC Sürücü Tasarımı

... konulu sunumlar: "Hiyerarşik Kontrol ile Güç Regülasyonlu DC/DC Sürücü Tasarımı"— Sunum transkripti:

1 Hiyerarşik Kontrol ile Güç Regülasyonlu DC/DC Sürücü Tasarımı
B. Baykant Alagöz, Cemal Keleş, Asım Kaygusuz, Yusuf Kaplan, Abdulkerim Karabiber Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü İnönü Üniversitesi, Malatya

2 GİRİŞ DC enerjinin dağıtımı ve yönetimi;
uzun mesafe elektrik enerji iletiminde, fabrikalarda ve evlerde, gemilerde, elektrikli araçlarda kullanım alanı bulmuştur. Geleceğin akıllı şebeke mimarilerinde DC dağıtım hatların (DC Bus) bulunması muhtemeldir.

3 GİRİŞ DC dağıtım ve yönetim sistemlerinin en temel elemanı DC/DC dönüştürücülerdir. DC/DC dönüştürücülerin; gerilim kararlılıklarının yüksek olması gerilim seviyelerinin yönetilebilir olması akıllı enerji dağıtım mimarileri için çok önemlidir.

4 Güç Regülasyonlu DC/DC Sürücü Tasarimi
Tasarlanan güç regülasyonlu DC/DC sürücü, iki katmanlı kontrol mimarisine sahiptir. Alt kontrol katmanında, düşürücü tip DC/DC dönüştürücü sistem kullanılmıştır. Üst Kontrol Katmanı Alt Kontrol Katmanı PI Kontrolör Buck Tipi DC/DC Dönüştürücü DGM Sigmoid Fonksiyonu VL IL V e IR VR PR VI VL II VI IL C L DGM A R

5 Güç Regülasyonlu DC/DC Sürücü Tasarimi
Alt Kontrol Katmanında, darbe genişliği modülasyonlu DC/DC dönüştürücü devresi, PI kontrolör yardımı ile kontrol edilmiştir. Üst Kontrol Katmanı, birinci katmanı yönetir ve sürücünün çıkış gücünü sınırlar. Güç sınırlayıcı fonksiyon olarak modifiye edilmiş sigmoid fonksiyonu kullanılmıştır. Alt Kontrol Katmanı, fonksiyonu ile yönetilmiştir.

6 Güç Regülasyonlu DC/DC Sürücü Tasarimi
PI kontrolör tasarımı ile gerilim hatası, sağlanır ve çıkış gücü sınırlaması gerçekleşir. Tasarlanan güç regülasyonlu DC/DC sürücünün operasyon modları Koşul Operasyon Açıklama VR=0 veya IR=0 Güç kesme VL=0 VR≠0 ve IR≠0 ve PL<PR Normal çalışma modu Buck tipi DC/DC dönüştürücü olarak çalışır. VR≠0 ve IR≠0 ve PL>PR Güç regülasyonu çalışma modu Çıkış gücü sınırlanır.

7 Güç Regülasyonlu DC/DC Sürücü Tasarimi
α parametresi, DC/DC sürücü çıkış geriliminin (VL) düşüş karakteristiğini ayarlar. Güç sınırlayıcı fonksiyonun sağladığı akım-gerilim ve güç-akım karakteristikleri, farklı α değerleri için karşılaştırılmıştır. (b) Tepe Gücü

8 Sistemin Tasarimi ve Benzetim Sonuçlari
Şekilde PI kontrolörlü DC/DC dönüştürücü tasarımı (Alt Kontrol Katmanı) görülmektedir. ( , ) DC/DC Dönüştürücü DGM PI

9 Sistemin Tasarimi ve Benzetim Sonuçlari
Şekilde bu dönüştürücü için tepe güç sınırlayıcı fonksiyon (Üst Kontrol Katmanı) uygulanarak elde edilen güç regülasyonlu DC/DC sürücü görülmektedir. (α=1) Alt Kontrol Katmanı Üst Kontrol Katmanı

10 Sistemin Tasarimi ve Benzetim Sonuçlari
2 1 Benzetimde VR=400V ve IR=20A dolayısıyla PR=8kW ayarlanmıştır. 3. saniyede, yükün aniden 45 A çekmeye başlaması ile yükün çektiği güç 18 kW düzeylerine çıkmıştır. Düşürücü tip DC/DC dönüştürücünün cevabı (Yeşil çizgi:1 etiketi ) ve tasarlanan DC/DC sürücünün cevabı (Mavi çizgi: 2 etiketi). 2 1 1 2

11 Elektrikli Araçlarda Güç Dağitimi YönetImi Uygulamasi
Örnek uygulama olarak, önerilen güç regülasyonlu DC/DC sürücüler ile inşa edilen elektrikli araç DC güç dağıtım sistemi Yönetim kolaylığı nedeni ile seri bağlı batarya modeli tercih edilmiş ve 300 V düzeyinde çıkış alınmıştır. Her bir araç bileşeni için gerekli bağımsız gerilim ve güç kontrolü, 60 V DC dağıtım hattına bağlı DC/DC sürücüler ile gerçekleştirilmiştir. DC/DC Sürücü (300 V-60 V) 60 V DC Dağıtım Hattı Batarya Takımı (300 V) Şarj Sistemi Sol Teker Elektrik Motor ( 50 A) DC/DC Sürücü (60 V-48 V) (60 V-12 V) Aydınlatma Sistemleri ( 45 A) Fanlar Isıtma ve Soğutma ( 35 A) (60 V-24 V) Tüm Araç Elektroniği ( 40 A) Sağ Teker

12 Elektrikli Araçlarda Güç Dağitimi Yönetimi Uygulamasi
Elektrikli araçlarda batarya sisteminin güç regülasyonlu DC/DC sürücü ile yönetimi önemli avantajlar sağlayacaktır. Bu avantajlardan başlıcaları; Araç bileşenlerinin güç ihtiyacına göre güç dağıtımının aktif yönetimi DC/DC sürücü, bataryadan sadece aracın çalışma koşullarına göre ihtiyaç duyabileceği kadar güç çekilmesine müsaade edebilecektir. Bataryanın korunması ve kullanım ömrünün uzatılması Batarya dizilerinden ölçülen parametreler (Batarya sıcaklığı..gibi) değerlendirilerek, DC/DC sürücü yardımı ile bataryalardan çekilen gücün yapısal bozulmaları önleyen düzeylere çekilebilmesini sağlanabilecektir.

13 Elektrikli Araçlarda Güç Dağitimi Yönetimi Uygulamasi
Genel mimarisi verilen elektrikli araç DC güç dağıtım sisteminin Matlab/Simulink benzetim modeli

14 Elektrikli Araçlarda Güç Dağitimi Yönetimi Uygulamasi
Benzetim senaryosunda, tanımlanan bütün sistemlerin aktif çalıştığı varsayılmış ve sistemleri süren DC/DC sürücüler için kullanılan referans akım, gerilim ve tepe gücü değerleri tabloda özetlenen değerlerden alınmıştır. Bileşen Sürücüsü Operasyon -Durum Referans Akım (IR) Referans Gerilim (VR) Tepe Gücü Sınırı (PR) 60 V DC hat sürücü Aktif - Normal 220 A 60 V 13.2 kW Sol Teker DC sürücü Aktif- 2.sn.de arıza durumu 50 A 48 V 2.4 kW Sağ Teker DC sürücü Aydınlatma DC sürücü 45 A 12 V 0.5 kW Tüm araç için DC sürücü 40 A 24 V 0.9 kW Klima için DC sürücü 35 A 1.6 kW

15 Elektrikli Araçlarda Güç Dağitimi Yönetimi Uygulamasi
Bu arıza durumu senaryosunda, 2. saniyede sol teker elektrik motorunda meydana gelen arıza sonucu yüksek akım çekimi başlatılmış ve bu arıza durumunda güç sistemin cevabı incelenmiştir. 1 2 1 2 2 1 Sol teker (Mavi düz çizgi: 2 etiketi) ve sağ tekere (Yeşil kesikli çizgi: 1 etiketi) ait DC/DC sürücü akım, gerilim ve güç çıkış karakteristikleri

16 Elektrikli Araçlarda Güç Dağitimi Yönetimi Uygulamasi
Şekilde geçici rejim (1 bölgesi), normal çalışma rejimi (2 bölgesi) ve sol teker arızası durumunda (3 bölgesi), 60 V DC dağıtım hattı elektriksel değerleri çizilmiştir. 3 2 1 3 2 1 3 2 1 Arıza durumunda (3 bölgesi) DC dağıtım hattı çalışmasını sağlıklı bir şekilde sürdürebilmiştir. Böylesine ciddi bir elektriksel arıza durumunda, elektrikli araç, çalışır durumunu sürdürebilir ve güvenli bir duruşu sağlayabilir.

17 Sonuçlar Hiyerarşik kontrol mimarisine sahip güç regülasyonlu DC/DC sürücü devre tasarlanmıştır. Elektrikli araçlar için güç yönetimi uygulamasında kullanımı gösterilmiştir. DC/DC sürücü tasarımında, iki katmanlı kontrol mimarisi uygulanmıştır. Alt katmanda, PID tabanlı kontrolör ile hedeflenen çıkış gerilim kararlılığı sağlanmaktadır. Üst katmanda modifiye sigmoid fonksiyonu ile tepe gücü yönetimi sağlanmaktadır. Sistem güvenilirliğinin artırılmasına önemli katkılar sağlanmıştır. Tasarlanan sürücüler, dağıtım hattı üzerinde, güç regülasyonu ve gerilim kontrolü gereken her noktaya bağlanarak, DC dağıtım hattının aktif güç yönetimi gerçekleştirilebilir.

18 Teşekkürler