Integrated DC-DC converter topologies for electric vehicle applications

Abstract

The current practice in electric vehicles (EVs) is to use two separate converters i.e., the on-board charger (OBC) and the auxiliary power module (APM), to charge the EV high-voltage (HV) and low-voltage (LV) batteries. In this thesis, the integration of the OBC and APM in a single multiport converter topology is investigated. The proposed architecture aims to reduce the overall volume and component count of the EV charger, as well as improve the charger’s efficiency. Towards this direction, two different three-port isolated DC-DC converter topologies are investigated in this research and their performance for integrated on-board charger (IOBC) application is evaluated. First, the topology of the triple-activebridge (TAB) converter is analyzed and a methodology to estimate the converter power losses based on 5-degrees-of-freedom (DOF) operation is presented. In addition, several optimized 5-DOF modulation schemes are proposed, targeting different design optimization objectives e.g., zero-voltage-switching (ZVS) operation and converter power loss minimization. A new isolated three-port DC-DC converter with a reduced number of active devices is also proposed in this thesis. The proposed converter is based on a hybrid dual-active-bridge (DAB) and phase-shifted full-bridge (PSFB) topology and it is able to achieve independent charging of HV and LV batteries using a new 3-DOF modulation scheme, while all of the semiconductor devices of the proposed converter operate with ZVS over a wide HV and LV battery voltage range. Finally, a comparison of the TAB and the new hybrid DAB-PSFB converter is performed in terms of efficiency, volume and component count. Moreover, the comparison includes the non-integrated counterparts of each converter topology, considering the conventional architecture of separate OBC and APM converters. Results from the experimental testing of the converters are utilized along with finite-element (FE) simulation results to evaluate the performance of each converter topology and validate their effectiveness for future integrated on-board charger application.

Η σημερινή πρακτική στη φόρτιση των ηλεκτρικών οχημάτων είναι να χρησιμοποιούνται δύο ξεχωριστοί μετατροπείς: ένας κύριος AC-DC φορτιστής (on-board charger - OBC) και ένα βοηθητικό DC-DC τροφοδοτικό (auxiliary power module - APM), οι οποίοι αντίστοιχα αποτελούν το σύστημα φόρτισης των μπαταριών υψηλής και χαμηλής τάσης ενός ηλεκτρικού οχήματος. Σε αυτή τη διδακτορική διατριβή εξετάζεται η δυνατότητα ενσωμάτωσης των δύο αυτών ξεχωριστών ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος σε έναν μόνο μετατροπέα πολλαπλών θυρών με ηλεκτρική απομόνωση. Η προτεινόμενη αρχιτεκτονική έχει στόχο τη μείωση του αριθμού των ημιαγωγικών και παθητικών στοιχείων του συστήματος φόρτισης, περιορίζοντας ταυτόχρονα το συνολικό όγκο του φορτιστή και βελτιώνοντας το συνολικό βαθμό απόδοσής του. Προς αυτή την κατεύθυνση, σε αυτή τη διατριβή μελετώνται δύο διαφορετικές τοπολογίες ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος πολλαπλών θυρών με ηλεκτρική απομόνωση, με σκοπό την εφαρμογή τους σε έναν ενσωματωμένο φορτιστή ηλεκτρικού οχήματος (integrated on-board charger - IOBC). Αρχικά, αναλύεται η τοπολογία του μετατροπέα με τρεις πλήρως ελεγχόμενες γέφυρες (triple-active-bridge - TAB) και παρουσιάζεται μια μεθοδολογία για την εκτίμηση των απωλειών ισχύος του μετατροπέα, η οποία μπορεί να εφαρμοστεί σε τεχνικές παλμοδότησης ακόμη και με πέντε βαθμούς ελευθερίας. Επιπλέον, προτείνονται ορισμένες βελτιστοποιημένες τεχνικές παλμοδότησης με πέντε βαθμούς ελευθερίας, οι οποίες στοχεύουν στην έναυση των ημιαγωγικών στοιχείων του μετατροπέα υπό μηδενική τάση (zero-voltage-switching - ZVS), στην ελαχιστοποίηση των διακοπτικών απωλειών, των απωλειών αγωγής και των συνολικών απωλειών ισχύος του μετατρεοπέα. Σε αυτή τη διατριβή προτείνεται επίσης ένας νέος μετατροπέας πολλαπλών θυρών με ηλεκτρική απομόνωση και μειωμένο αριθμό ενεργών ημιαγωγικών στοιχείων. Ο συγκεκριμένος μετατροπέας βασίζεται σε μια υβριδική τοπολογία που συνδυάζει τα χαρακτηριστικά του μετατροπέα με δύο πλήρως ελεγχόμενες γέφυρες (dual-active-bridge - DAB) και του μετατρεοπέα πλήρους γέφυρας μετατόπισης φάσης (phase-shifted full-bridge - PSFB). Η προτεινόμενη τεχνική παλμοδότησης με τρεις βαθμούς ελευθερίας επιτυγχάνει ανεξάρτητη φόρτιση μεταξύ των μπαταριών υψηλής και χαμηλής τάσης του ηλεκτρικού οχήματος, ενώ ταυτόχρονα εξασφαλίζεται η έναυση των ημιαγωγικών στοιχείων του μετατροπέα υπό μηδενική τάση, σε μεγάλο έυρος της τάσης λειτουργίας του συστήματος φόρτισης. Τέλος, στη διατριβή αυτή γίνεται σύγκριση του βαθμού απόδοσης, του όγκου και του αριθμού των ημιαγωγικών στοιχείων ανάμεσα στον μετατροπέα TAB και τον υβριδικό DAB-PSFB. Στη σύγκριση αυτή συμπεριλαμβάνονται επίσης και οι μη ενσωματωμένοι μετατροπείς που χρησιμοποιούνται στα παραδοσιακά συστήματα φόρτισης με ξεχωριστές μονάδες OBC και APM. Πειραματικά δεδομένα από την εργαστηριακή δοκιμή των μετατροπέων, σε συνδυασμό με αποτελέσματα προσομοιώσεων πεπερασμένων στοιχείων (finite-element - FE), χρησιμοποιούνται για να αξιολογήσουν την απόδοση των προαναφερθέντων ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος και επιβεβαιώνουν την καταλληλότητα των προτεινόμενων μετατροπέων πολλαπλών θυρών με ηλεκτρική απομόνωση για μελλοντική χρήση σε ενσωματωμένους φορτιστές ηλεκτρικών οχημάτων.