Conversor CA-CC trifásico bidirecional e isolado de único estágio para aplicação em carregadores veiculares multifuncionais

Rafael Felipe Van Kan; Leonardo Adriano Ramos; Marcello Mezaroba; Cassiano Rech

doi:10.18618/REP.2024.1.0030

Authors

Rafael Felipe Van Kan Universidade do Estado de Santa Catarina https://orcid.org/0000-0002-2567-4736
Leonardo Adriano Ramos Universidade do Estado de Santa Catarina https://orcid.org/0000-0001-5708-9892
Marcello Mezaroba Universidade do Estado de Santa Catarina https://orcid.org/0000-0002-9888-5008
Cassiano Rech Universidade Federal de Santa Maria https://orcid.org/0000-0001-8225-9240

DOI:

https://doi.org/10.18618/REP.2024.1.0030

Keywords:

Conversor CA-CC trifásico, Correção do fator de potência, carregador de bateria, veículos elétricos, Dual Active Bridge, phase-shift, G2V, V2G

Abstract

Este artigo apresenta a análise e operação de um conversor CA-CC trifásico, bidirecional e isolado em alta frequência, de único estágio com correção do fator de potência, destinado para aplicação como carregador embarcado de baterias de veículos elétricos. Este conversor pode operar nos modos Grid-to-Vehicle (G2V) e Vehicle-to-Grid (V2G). No lado primário tem-se um conversor boost trifásico intercalado (interleaving) com modulação PWM senoidal para conexão com a rede elétrica, e na saída um barramento CC com ponto médio. O lado secundário é composto por uma topologia em ponte completa com modulação PWM convencional de razão cíclica de 50%. A transferência de potência do lado primário ao secundário é realizada por meio da técnica de defasamento angular (phase-shift), a mesma utilizada em conversores Dual-Active Bridge (DAB). Devido a defasagem natural do sistema trifásico, é possível obter transferência de potência constante, de reduzida ondulação, por meio do controle do defasamento angular também constante. Os princípios de operação do conversor são apresentados e demonstrados por análises qualitativas e quantitativas. Resultados experimentais de um protótipo de potência de 3 kW, tensão de entrada da rede elétrica de 127 V/60 Hz, tensão de saída de 300 V e frequência de comutação de 50 kHz são apresentados. Em conformidade com as análises, o protótipo doconversor apresentou fator de potência de 0,997, potência transferida entre primário e secundário constante e de baixa ondulação e dinâmica satisfatória e rápida durante ensaios de inversão do fluxo de potência.

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Author Biographies

Rafael Felipe Van Kan, Universidade do Estado de Santa Catarina

recebeu o grau de doutor em Engenharia Elétrica (2022) pela Universidade do Estado de Santa Catarina (UDESC) e os graus de Engenheiro Eletrônico (2014) e Mestre (2017) em Engenharia Elétrica pela Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR). Seus principais tópicos de interesse são: conversores estáticos CC-CC e CA-CC, comutação suave, correção do fator de potência, conversores estáticos aplicados como carregadores veiculares, circuitos de acionamento de semicondutores e sistemas de armazenamento de energia em baterias.

Leonardo Adriano Ramos, Universidade do Estado de Santa Catarina

recebeu os graus de Engenheiro Eletricista e Mestre em Engenharia Elétrica pela Universidade do Estado de Santa Catarina (UDESC), Joinville, Brasil, em 2015 e 2019, respectivamente. Atualmente, é Engenheiro de desenvolvimento de produtos na Electrolux do Brasil S.A. Suas áreas de interesse incluem correção de fator de potência, sistemas interligados à rede elétrica e conversores estáticos aplicados em carregadores veiculares.

Marcello Mezaroba, Universidade do Estado de Santa Catarina

recebeu os graus de Engenheiro Eletricista, Mestre e Doutor em Engenharia Elétrica em 1996, 1998 e 2001 respectivamente, pela Universidade Federal de Santa Catarina. Desde 2002 é Professor Associado no Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Estadual de Santa Catarina (DEE/UDESC). Em 2004 foi um dos sócios fundadores da Empresa SUPPLIER onde atua como Diretor Técnico. É membro do IEEE e da SOBRAEP onde entre 2018 e 2019 atuou como Editor Geral da Revista Eletrônica de Potência (REP) e como presidente no biênio 2020-2021. Suas áreas de interesse incluem comutação suave, processamento de energias alternativas, fontes de alimentação CC e CA, condicionadores de energia elétrica e microrredes de energia.

Cassiano Rech, Universidade Federal de Santa Maria

recebeu o grau de Engenheiro Eletricista, Mestre e Doutor em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Santa Maria (UFSM), Santa Maria, RS, em 1999, 2001 e 2005, respectivamente. De 2005 a 2008, foi professor associado do Departamento de Tecnologia da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul (UNIJUÍ). De fevereiro de 2008 à agosto de 2009 foi professor adjunto do Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade do Estado de Santa Catarina (UDESC). Desde setembro de 2009 é professor do Departamento de Processamento de Energia Elétrica (DPEE) da Universidade Federal de Santa Maria. É Senior Member da IEEE e membro da SOBRAEP. Suas principais áreas de interesse são: conversores multiníveis, modelagem e controle de conversores estáticos de potência, fontes alternativas de energia e geração distribuída.

References

S. Sharma, A. K. Panwar, M. Tripathi, “Storage technologies for electric vehicles”, Journal of Traffic and Transportation Engineering, vol. 7, no. 3, pp. 340–361, 2020, doi: https://doi.org/10.1016/j.jtte.2020.04.004 DOI: https://doi.org/10.1016/j.jtte.2020.04.004

I. E. A. (IEA), “Global EV Outlook 2023”, Online, https://www.iea.org/reports/global-ev-outlook-2023, April 2023.

W. Su, H. Eichi, W. Zeng, M.-Y. Chow, “A Survey on the Electrification of Transportation in a Smart Grid Environment”, IEEE Transactions on Industrial Informatics, vol. 8, no. 1, pp. 1–10, 2012, doi: https://doi.org/10.1109/TII.2011.2172454. DOI: https://doi.org/10.1109/TII.2011.2172454

M. Yilmaz, P. T. Krein, “Review of the Impact of Vehicle-to-Grid Technologies on Distribution Systems and Utility Interfaces”, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 28, no. 12, pp. 5673–5689, 2013, doi: https://doi.org/10.1109/TPEL.2012.2227500. DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2012.2227500

N. A. Daulatabad, R. M, M. B. M, H. H. A,S. Shankar, “Smart Grid And The Importance Of Electric Vehicles”, in 2022 IEEE International Conference on Distributed Computing and Electrical Circuits and Electronics (ICDCECE), pp. 1–4, 2022, doi: https://doi.org/10.1109/ICDCECE53908.2022.9793038. DOI: https://doi.org/10.1109/ICDCECE53908.2022.9793038

K. P. Inala, B. Sah, P. Kumar, S. K. Bose, “Impact of V2G Communication on Grid Node Voltage at Charging Station in a Smart Grid Scenario”, IEEE Systems Journal, vol. 15, no. 3, pp. 3749–3758, 2021,doi: https://doi.org/10.1109/JSYST.2020.3007320. DOI: https://doi.org/10.1109/JSYST.2020.3007320

J. G. Pinto, V. Monteiro, H. Gonçalves, B. Exposto, D. Pedrosa, C. Couto, J. L. Afonso, “Bidirectional battery charger with Grid-to-Vehicle, Vehicle-to-Grid and Vehicle-to-Home technologies”, in IECON 2013- 39th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, pp. 5934–5939, 2013, doi: https://doi.org/10.1109/IECON.2013.6700108. DOI: https://doi.org/10.1109/IECON.2013.6700108

V. Monteiro, J. G. Pinto, J. L. Afonso, “Operation Modes for the Electric Vehicle in Smart Grids and Smart Homes: Present and Proposed Modes”, IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 65, no. 3, pp. 1007–1020, 2016, doi: https://doi.org/10.1109/TVT.2015.2481005. DOI: https://doi.org/10.1109/TVT.2015.2481005

J. A. P. Lopes, F. J. Soares, P. M. R. Almeida, “Integration of Electric Vehicles in the Electric Power System”, Proceedings of the IEEE, vol. 99, no. 1, pp. 168–183, 2011, doi: https://doi.org/10.1109/JPROC.2010.2066250. DOI: https://doi.org/10.1109/JPROC.2010.2066250

M. Yilmaz, P. T. Krein, “Review of the Impact of Vehicle-to-Grid Technologies on Distribution Systems and Utility Interfaces”, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 28, no. 12, pp. 5673–5689, 2013, doi: https://doi.org/10.1109/TPEL.2012.2227500. DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2012.2227500

A. Khaligh, M. D’Antonio, “Global Trends in High-Power On-Board Chargers for Electric Vehicles”, IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 68, no. 4, pp. 3306–3324, 2019, doi: https://doi.org/10.1109/TVT.2019.2897050. DOI: https://doi.org/10.1109/TVT.2019.2897050

M. Y. Metwly, M. S. Abdel-Majeed, A. S. Abdel-Khalik, R. A. Hamdy, M. S. Hamad, S. Ahmed, “A Review of Integrated On-Board EV Battery Chargers:Advanced Topologies, Recent Developments and Optimal Selection of FSCW Slot/Pole Combination”, IEEE Access, vol. 8, pp. 85216–85242, 2020, doi: https://doi.org/10.1109/ACCESS.2020.2992741. DOI: https://doi.org/10.1109/ACCESS.2020.2992741

H. Wouters, W. Martinez, “Bidirectional Onboard Chargers for Electric Vehicles: State-of-the-Art and Future Trends”, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 39, no. 1, pp. 693–716, 2024, doi: https://doi.org/10.1109/TPEL.2023.3319996. DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2023.3319996

G. E. Sfakianakis, J. Everts, E. A. Lomonova, “Overview of the requirements and implementations of bidirectional isolated AC-DC converters for automotive battery charging applications”, in 2015 Tenth International Conference on Ecological Vehicles and Renewable Energies (EVER), pp. 1–12, 2015, doi: https://doi.org/10.1109/EVER.2015.7112939. DOI: https://doi.org/10.1109/EVER.2015.7112939

V. Monteiro, J. C. Ferreira, A. A. Nogueiras Meléndez, C. Couto, J. L. Afonso, “Experimental Validation of a Novel Architecture Based on a Dual-Stage Converter for Off-Board Fast Battery Chargers of Electric Vehicles”, IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 67, no. 2, pp. 1000–1011, 2018, doi: https://doi.org/10.1109/TVT.2017.2755545. DOI: https://doi.org/10.1109/TVT.2017.2755545

S. Inoue, H. Akagi, “A Bidirectional DC–DC Converter for an Energy Storage System With Galvanic Isolation”, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 22, no. 6, pp. 2299–2306, 2007, doi: https://doi.org/10.1109/TPEL.2007.909248. DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2007.909248

U. R. Prasanna, A. K. Singh, K. Rajashekara, “Novel Bidirectional Single-phase Single-Stage Isolated AC–DC Converter With PFC for Charging of Electric Vehicles”, IEEE Transactions on Transportation Electrification, vol. 3, no. 3, pp. 536–544, 2017, doi: https://doi.org/10.1109/TTE.2017.2691327. DOI: https://doi.org/10.1109/TTE.2017.2691327

J. Everts, J. Van den Keybus, F. Krismer, J. Driesen, J. W. Kolar, “Switching control strategy for full ZVS soft-switching operation of a Dual Active Bridge AC/DC converter”, in 2012 Twenty-Seventh Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), pp. 1048–1055, 2012, doi: https://doi.org/10.1109/APEC.2012.6165948. DOI: https://doi.org/10.1109/APEC.2012.6165948

W. da S. Lima, L. C. d. S. Mazza, G. A. de L. Henn, D. de A. Honório, P. P. Praça, D. de S. Oliveira, L. H. S. C. Barreto, “A Bidirectional Isolated Integrated AC–DC Converter Based on an Interleaved 3-Level T-Type Power Converters”, IEEE Access, vol. 9, pp. 142754–142767, 2021, doi: https://doi.org/10.1109/ACCESS.2021.3120345. DOI: https://doi.org/10.1109/ACCESS.2021.3120345

J. Everts, F. Krismer, J. Van den Keybus, J. Driesen, J. W. Kolar, “Optimal ZVS Modulation of Single-Phase Single-Stage Bidirectional DAB AC–DC Converters”, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 29, no. 8, pp. 3954–3970, 2014, doi: https://doi.org/10.1109/TPEL.2013.2292026. DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2013.2292026

B. Koushki, A. Safaee, P. Jain, A. Bakhshai, “Review and comparison of bi-directional AC-DC converters with V2G capability for on-board EV and HEV”, in 2014 IEEE Transportation Electrification Conference and Expo (ITEC), pp. 1–6, 2014, doi: https://doi.org/10.1109/ITEC.2014.6861779. DOI: https://doi.org/10.1109/ITEC.2014.6861779

M.-S. Huang, P.-Y. Yeh, J.-R. Huang, C.-H. Liao, “Novel bi-directional AC-DC converter for electrical vehicle battery testing”, in IECON 2011- 37th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, pp. 1480–1485, 2011, doi: https://doi.org/10.1109/IECON.2011.6119526. DOI: https://doi.org/10.1109/IECON.2011.6119526

G. Castelino, K. Basu, N. Mohan, “A novel three-phase bi-directional, isolated, single-stage, DAB-based AC-DC converter with open loop power factor correction”, In 2012 IEEE International Conference on Power Electronics, Drives and Energy Systems (PEDES), pp. 1–6, 2012, doi: https://doi.org/10.1109/PEDES.2012.6484404. DOI: https://doi.org/10.1109/PEDES.2012.6484404

B. M. Conlon, “How Much Capability Do Electric Vehicles Need to Meet Customer Demands? [Viewpoint]”, IEEE Electrification Magazine, vol. 5, no. 1, pp. 4–73, 2017, doi: https://doi.org/10.1109/MELE.2016.2645418. DOI: https://doi.org/10.1109/MELE.2016.2645418

L. A. Ramos, R. Felipe Van Kan, M. Mezaroba, A. L. Batschauer, C. Rech, “A Bidirectional Single-Stage Isolated AC-DC Converter for Electric Vehicle Chargers”, in 2019 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), pp. 1083–1087, 2019, doi: https://doi.org/10.1109/ECCE.2019.8912166. DOI: https://doi.org/10.1109/ECCE.2019.8912166

L. A. Ramos, R. F. Van Kan, M. Mezaroba, A. L. Batschauer, “A Control Strategy to Smooth Power Ripple of a Single-Stage Bidirectional and Isolated AC-DC Converter for Electric Vehicles Chargers”, Electronics, vol. 11, no. 4, pp. 1000 –1009, 2022, doi: https://doi.org/10.3390/electronics11040650. DOI: https://doi.org/10.3390/electronics11040650

R. F. Van Kan, L. A. Ramos, C. Rech, M. Mezaroba, “Nova Estratégia de Modulação aplicada em Conversor CA-CC Monofásico para aplicação em Carregadores Veiculares Embarcados”, Eletrônica de Potência, vol. 27, no. 1, pp. 26 –37, 2022, doi: https://doi.org/10.18618/REP.2022.1.0020. DOI: https://doi.org/10.18618/REP.2022.1.0020

B. R. de Almeida, J. W. M. de Araújo, P. P. Praça, D. de S. Oliveira, “A Single-Stage Three-Phase Bidirectional AC/DC Converter With High-Frequency Isolation and PFC”, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 33, no. 10, pp. 8298–8307, 2018, doi: https://doi.org/10.1109/TPEL.2017.2775522. DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2017.2775522

R. F. Van Kan, Conversor CA-CC Trifásico Bidirecional e Isolado de único estágio para aplicação em Carregadores Veiculares Multifuncionais, Ph.D. thesis, Universidade do Estado de Santa Catarina, UDESC, Joinville, SC, 2022.