Σχεδιασμός Και Υλοποίηση Προγραμματιζόμενου Φορτιστή Συσσωρευτών Ισχύος 3kw Για Χρήση Σε Ηλεκτρικό Όχημα

Abstract

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η σχεδίαση και κατασκευή ενός προγραμματιζόμενου φορτιστή συσσωρευτών ονομαστικής ισχύος 3kW με δυνατότητα ρύθμισης τάσης εξόδου σε μεγάλο εύρος, ο οποίος προορίζεται να ενσωματωθεί σε ερευνητικό ηλεκτρικό όχημα. Οι πιο σημαντικές σχεδιαστικές απαιτήσεις του φορτιστή είναι η υψηλή αξιοπιστία, η υψηλή απόδοση και η αποφυγή πρόκλησης βλάβης στα στοιχεία των συσσωρευτών. Μεγάλη σημασία επίσης δόθηκε στην ελαχιστοποίηση του αριθμού των ηλεκτρονικών στοιχείων, στη βελτιστοποίηση της τοποθέτησης και διασύνδεσης των στοιχείων στο τυπωμένο κύκλωμα και στην ελαχιστοποίηση του όγκου και του βάρους του συστήματος.Tα κυκλώματα ισχύος σχεδιάστηκαν μέσω προσομοίωσης με το λογισμικό Spice και διερευνήθηκαν πολλά εναλλακτικά διακοπτικά στοιχεία πριν τη τελική επιλογή. Ως παθητικά διακοπτικά στοιχεία του συστήματος επιλέχθηκαν κατόπιν συγκρίσεως με αντίστοιχα συμβατικά, δίοδοι καρβιδίου του πυριτίου, οι οποίες παρουσιάζουν εξαιρετικά λειτουργικά χαρακτηριστικά, χωρίς να έχουν απαγορευτικό κόστος για την εν λόγω εφαρμογή. Ο έλεγχος του συστήματος υλοποιήθηκε με χρήση σύγχρονου μικροελεγκτή ψηφιακής επεξεργασίας σήματος (DSP). Ο ψηφιακός ελεγκτής του συστήματος προσομοιώθηκε σε πολλές διαφορετικές λειτουργικές συνθήκες και βηματικά φορτία και παρατηρήθηκε υψηλή ακρίβεια στις συγκρίσεις θεωρητικών και πειραματικών αποτελεσμάτων. Υλοποιήθηκαν τεχνικές ελέγχου βασισμένες τόσο σε παρακολούθηση τάσεως (voltage mode) όσο και σε παρακολούθηση ρεύματος (current mode). Για το στάδιο απομόνωσης του φορτιστή σχεδιάστηκε κατάλληλη γέφυρα με μετασχηματιστή υψηλής συχνότητας, για τον οποίο πραγματοποιήθηκε λεπτομερής ανάλυση τόσο των απωλειών όσο και των παραμέτρων που επηρεάζουν τις επιδόσεις του.Επιπλέον, πραγματοποιήθηκαν εκτενείς μετρήσεις της βηματικής απόκρισης του συστήματος για διάφορες τιμές τάσης και ρεύματος με χρήση ηλεκτρονικού φορτίου. Η έξοδος του φορτιστή μετρήθηκε σε ψηφιακό παλμογράφο και ρυθμίστηκε χρησιμοποιώντας κατάλληλο εργαστηριακό πολύμετρο ακριβείας. Η κατανομή θερμοκρασιών του συστήματος αποτυπώθηκε χρησιμοποιώντας θερμική κάμερα υπό φορτίο σημαντικά μεγαλύτερο του ονομαστικού, με στόχο την πλήρη θερμική του μελέτη και την εύρεση θερμών σημείων. Για τη μελέτη του φορτιστή κατά την τροφοδότηση μη γραμμικών φορτίων χρησιμοποιήθηκε τυπικός συσσωρευτής λιθίου (LiFePO 10Ah / 48V), ο οποίος φορτίστηκε επιτυχώς.Για τη διασύνδεση του φορτιστή στον Η/Υ με στόχο τον προγραμματισμό του αναπτύχθηκε κατάλληλο λογισμικό και αντίστοιχο πρωτόκολλο επικοινωνίας. Η διαδικασία προγραμματισμού του φορτιστή υλοποιήθηκε με στόχο την εξασφάλιση ασφαλούς μεταφοράς δεδομένων. Διερευνήθηκε και αντιμετωπίστηκε επιτυχώς το ενδεχόμενο ύπαρξης σφαλμάτων και αποσύνδεσης της τροφοδοσίας του φορτιστή κατά το προγραμματισμό του.