Control integrado en modo continuo y discontinuo de un convertidor interleaved DC-DC para sistemas de almacenamiento de energía híbridos

Nowadays the energy storage technologies and its limitations are one of the main challenges for electric vehicles (EV) massification. Considering the slow development in this field, hybrid solutions (HESS), combining two or more storage mediums based on different operating principles, have been prop...

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Detalhes bibliográficos
Autor: López Cáceres, Mario Sebastián
Formato: tesis de maestría
Estado:Versión publicada
Fecha de publicación:2020
País:Chile
OAI Identifier:oai:repositorio.anid.cl:10533/249793
Acesso em linha:https://hdl.handle.net/10533/249793
Access Level:acceso abierto
Palavra-chave:Ingeniería y Tecnología
Ingeniería Eléctrica, Ingeniería Electrónica, Informática
Ingeniería Eléctrica y Electrónica
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description Nowadays the energy storage technologies and its limitations are one of the main challenges for electric vehicles (EV) massification. Considering the slow development in this field, hybrid solutions (HESS), combining two or more storage mediums based on different operating principles, have been proposed. A typical configuration consists of the combination of a battery bank for driving range, and a supercapacitor bank for the mitigation of load impacts, extending the life of the former. Interleaved DC-DC converters provide high current capacity and low ripple, being an attractive solution for connecting the supercapacitor bank to the DC bus. However, the dynamical model of the converter varies with respect to the conduction mode, which in combination with the parasitic effects of its inductors, increases the control scheme complexity. This generally results in the oversizing of these magnetic components, increasing the weight and volume of the converter. In this work, converters based on inductors with concentrated airgap, in which inductance and resistance are constant; and the ones based on powdered metal, in which the inductance is variable, are studied. Regarding the nature of the studied inductor, and through a period by period analysis, the current of the converter is modeled as a nonlinear time-varying state system. The supercapacitor and battery voltage dynamics are neglected, being time-varying parameters. By means of an internal control of the maximum current, and an external transformation between the stationary average and maximum currents, the proposed control scheme is obtained. Additionally, an algorithm for parameter estimation is proposed. The simulation results verify both control schemes for constant parameters, and variable inductance. In the case of the estimation algorithm, the results for variable inductance are unsatisfactory, due to the deviations between local estimates. Finally, the proposed model for soft saturation and the control scheme are experimentally verified. To increase the performance obtained, it is proposed to include an integral action in the maximum current controller, experimentally reducing the average current error.
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A typical configuration consists of the combination of a battery bank for driving range, and a supercapacitor bank for the mitigation of load impacts, extending the life of the former. Interleaved DC-DC converters provide high current capacity and low ripple, being an attractive solution for connecting the supercapacitor bank to the DC bus. However, the dynamical model of the converter varies with respect to the conduction mode, which in combination with the parasitic effects of its inductors, increases the control scheme complexity. This generally results in the oversizing of these magnetic components, increasing the weight and volume of the converter. In this work, converters based on inductors with concentrated airgap, in which inductance and resistance are constant; and the ones based on powdered metal, in which the inductance is variable, are studied. Regarding the nature of the studied inductor, and through a period by period analysis, the current of the converter is modeled as a nonlinear time-varying state system. The supercapacitor and battery voltage dynamics are neglected, being time-varying parameters. By means of an internal control of the maximum current, and an external transformation between the stationary average and maximum currents, the proposed control scheme is obtained. Additionally, an algorithm for parameter estimation is proposed. The simulation results verify both control schemes for constant parameters, and variable inductance. In the case of the estimation algorithm, the results for variable inductance are unsatisfactory, due to the deviations between local estimates. Finally, the proposed model for soft saturation and the control scheme are experimentally verified. To increase the performance obtained, it is proposed to include an integral action in the maximum current controller, experimentally reducing the average current error.Actualmente las tecnologías de almacenamiento de energía y sus limitaciones son una de las mayores barreras para la masificación de los vehículos eléctricos (EV). Considerando el lento desarrollo en este campo, se han propuesto el uso de soluciones híbridas (HESS), combinando dos o más medios de almacenamiento basados en principios de operación diferentes. Una configuración típica es la combinación de un banco de baterías para la conducción a largas distancias, y un banco de supercondensadores para mitigar los impactos de carga, extendiendo la vida útil del primero. Los convertidores Interleaved DC-DC proveen una gran capacidad de corriente y bajo ruido de conmutación, siendo una atractiva solución para interconectar el banco de supercondensadores con el bus DC. Sin embargo, su modelo dinámico varía en función del modo de conducción, lo cual en conjunto con los efectos parásitos de sus inductores, aumentan la complejidad del esquema de control. Lo anterior generalmente deriva en el sobredimensionamiento de estas componentes magnéticas, impactando en el peso y volumen del convertidor. En este trabajo, se han estudiado los convertidores basados en inductores de entrehierro concentrado, los cuales presentan una inductancia y resistencia constantes; y los basados en metal pulverizado, de inductancia variable. En base a la naturaleza del inductor, y mediante el análisis periodo a periodo, se modela la corriente del convertidor como un sistema en variables de estado no lineal y variante en el tiempo. Las dinámicas de voltaje son despreciadas, participando como parámetros variantes en el tiempo. Mediante la regulación interna de la corriente máxima de salida, y una transformación externa entre la corriente promedio y máxima estacionarias, se obtiene el esquema de control propuesto. Adicionalmente, se propone un algoritmo de estimación de parámetros. Los resultados de simulación validan los esquemas de control tanto para parámetros constantes, como para inductancia variable. En el caso de la estimación de parámetros, los resultados para inductancia variable son insatisfactorios, producto de las desviaciones entre estimaciones locales. Finalmente, se verifican experimentalmente el modelo propuesto de saturación suave, y el esquema de control. Para aumentar el desempeño, se propone incluir una acción integral en el control de corriente máxima, reduciendo experimentalmente el error de la corriente promedio.22170585https://hdl.handle.net/10533/249793instname: Conicytreponame: Repositorio Digital RI2.0info:eu-repo/grantAgreement//22170585info:eu-repo/semantics/dataset/hdl.handle.net/10533/93488info:eu-repo/semantics/openAccessAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Chilehttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/cl/Ingeniería y TecnologíaIngeniería Eléctrica, Ingeniería Electrónica, InformáticaIngeniería Eléctrica y ElectrónicaControl integrado en modo continuo y discontinuo de un convertidor interleaved DC-DC para sistemas de almacenamiento de energía híbridosinfo:eu-repo/semantics/masterThesisinfo:eu-repo/semantics/publishedVersionTesisTesishttps://hdl.handle.net/10533/2497930d357ed2-fc36-42ff-bc1e-116859bf5016virtual::62827-10d357ed2-fc36-42ff-bc1e-116859bf5016virtual::62827-1THUMBNAILTesis_Mario_Lopez.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg3009https://repositorio.anid.cl/bitstreams/99158712-a575-4e6f-883a-40d274c9bb62/download1c63373f0d5acc0bab3c848d274fcdb7MD51TEXTTesis_Mario_Lopez.pdf.txtExtracted texttext/plain278068https://repositorio.anid.cl/bitstreams/78b87e37-3e95-4df0-a7d7-0826d9b15d54/download86310dcc6fc04ccd618d2139157ea223MD52LICENSElicense.txttext/plain1779https://repositorio.anid.cl/bitstreams/636519ca-5c0e-4a6f-8a54-ef198613b3b2/download593a6e7305c66c56041a9f9e15a649c1MD53CC-LICENSElicense_rdfapplication/octet-stream1232https://repositorio.anid.cl/bitstreams/eeb812ef-871f-46c1-83ca-3c54ed9043f4/downloadf97bcfdf58f3e17b5cec231112dab5b1MD54ORIGINALTesis_Mario_Lopez.pdfapplication/pdf22237166https://repositorio.anid.cl/bitstreams/152fc5ab-de69-4c65-8391-b6b33cdea04e/downloadc11addc29748c7ab22d53f1e989b0b5fMD5510533/249793oai:repositorio.anid.cl:10533/2497932023-07-24 08:18:36.608http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/cl/info:eu-repo/semantics/openAccesshttps://repositorio.anid.clRepositorio ANIDaletelier@anid.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