Návrh a realizace řídícího algoritmu nabíječky elektromobilu s SiC prvky

Abstract

Cílem práce je návrh a realizace řídícího algoritmu pro síťovou nabíječku elektromobilu obsahující SiC spínací prvky. Součástí nabíječky je aktivní PFC, které je realizováno pomocí boost měniče. Vzhledem k tomu, že měnič pracuje již od 5 % jmenovitého výkonu v CCM, je pro řízení vybrán jednoduchý algoritmus ACC doplněný o DFF a VFF. Regulační struktura sestává ze tří PI regulátorů: vstupního proudu, výstupního napětí a výstupního proudu. Konstanty regulátorů jsou nalezeny metodou kompenzace Bodeho diagramu otevřené regulační smyčky pomocí programu MATLAB Sisotool. Samotné řízení je digitálně implementováno pomocí MCU ARM Cortex M4. Optimalizací programu v obsluze přerušení je dosaženo výpočetní frekvence regulátoru vstupního proudu 100 kHz. Výpočetní frekvence zbylých regulátorů je volena 200 Hz. Návrh regulační struktury je ověřen na 2kW prototypu nejprve na sníženém vstupním napětí 75 V při výstupním výkonu 400 W a následně na napětí 230 V při výstupním výkonu 1,73 kW. Na oscilogramech je patrný velký podíl první harmonické v odebíraném proudu. Porovnáním vstupního zdánlivého výkonu a výstupního činného výkonu byl stanoven součin účinnosti a účiníku zařízení v daném pracovním bodě na 0,94 (Vin = 230 V, Pout = 1,73 kW, Vout = 200 V).

The aim of this thesis is to design and implement a control algorithm for an electric vehicle SiC-based line charger. The charger includes an active PFC that is implemented using a boost converter. Since the converter operates from 5 % of the rated power in the CCM, a simple ACC algorithm supplemented with DFF and VFF is selected for control. The control structure consists of three PI controllers: input current, output voltage and output current controller. The controller constants are found by the method of compensating the Bode diagram of the open control loop using the MATLAB Sisotool program. The control itself is digitally implemented using the ARM Cortex M4 MCU. By optimizing the program in interrupt service routine, the computing frequency of the input current regulator of 100 kHz is achieved. The computing frequency of the remaining controllers is selected to 200 Hz. The design of the control structure is verified on a 2kW prototype, firstly at a reduced input voltage of 75 V at an output power of 400 W and subsequently on a voltage of 230 V at an output power of 1.73 kW. The oscillograms show a large proportion of the first harmonic in the current drawn. By comparing the input apparent power and the output active power, the product of the efficiency and power factor of the device at a given operating point was determined to be 0.94 (Vin = 230 V, Pout = 1.73 kW, Vout = 200 V).