Dc-coupled extreme fast charging for electric vehicles using DAB converter

• Autorzy: Salim Omar H. , Ameen Yasir M. Y.

Identyfikatory

DOI

10.15199/48.2023.05.06

Warianty tytułu

PL

Ekstremalnie szybkie ładowanie ze sprzężeniem DC dla pojazdów elektrycznych za pomocą konwertera DAB

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Currently, long charging times are a major problem hindering the spread of electric vehicle (EV) technology. This paper develops a DCcoupled bidirectional extreme fast charger (XFC) for EVs with a power range of 1.4 MW, and an output voltage range of 1500 V, the highest charging voltage within the CHAdeMO standard. The dual active bridge (DAB) converter serves as the foundation of the developed XFC's multi-level structure. It has proven feasible to integrate Energy Storage Systems (ESS) with DC renewable energy sources for each level of the converter, eliminating the AC-AC stage from the conventional XFC design and resulting in a smaller load size at a lower cost. The presented XFC is simulated using MATLAB/Simulink. The findings shown that using the constant-current constant-voltage (CCCV) charging method based on two nested PI controllers, the heavy vehicle battery pack with a capacity of 540 kWh could be charged from 20% to 90% state of charge (SOC) in as little as 18 minutes and 40 seconds. A prototype 1 kW bidirectional DAB converter laboratory model with SiC MOSFET switches was created and demonstrated. The outcomes of the practical part were in good agreement with those of the simulation and mathematical analysis.

PL

Obecnie dużym problemem utrudniającym rozprzestrzenianie się technologii pojazdów elektrycznych (EV) są długie czasy ładowania. W niniejszym artykule opracowano dwukierunkową ekstremalnie szybką ładowarkę (XFC) sprzężoną z prądem stałym do pojazdów elektrycznych o mocy 1,4 MW i zakresie napięcia wyjściowego 1500 V, które jest najwyższym napięciem ładowania w standardzie CHAdeMO. Konwerter z podwójnym aktywnym mostkiem (DAB) służy jako podstawa opracowanej wielopoziomowej struktury XFC. Integracja systemów magazynowania energii (ESS) z odnawialnymi źródłami energii DC na każdym poziomie przekształtnika okazała się wykonalna, eliminując stopień AC-AC z konwencjonalnej konstrukcji XFC i powodując mniejszy rozmiar obciążenia przy niższych kosztach. Prezentowany XFC jest symulowany za pomocą MATLAB/Simulink. Z badań wynika, że przy użyciu metody ładowania stałym prądem stałym napięciem (CCCV) opartej na dwóch zagnieżdżonych regulatorach PI, pakiet akumulatorów pojazdów ciężkich o pojemności 540 kWh może być ładowany od 20% do 90% stanu naładowania (SOC). w zaledwie 18 minut i 40 sekund. Stworzono i zademonstrowano prototypowy model laboratoryjny dwukierunkowego konwertera DAB o mocy 1 kW z przełącznikami SiC MOSFET. Wyniki części praktycznej były zgodne z wynikami symulacji i analizy matematycznej.

Słowa kluczowe

EN

DAB converter; extreme fast charging; CHAdeMO; CCCV; V2G; ZVS

PL

konwerter DAB; ekstremalnie szybkie ładowanie; CHAdeMO; CCCV; V2G; ZVS

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Przegląd Elektrotechniczny
• Rocznik: 2023
• Tom: R. 99, nr 5
• Strony: 29--36
• Opis fizyczny: Bibliogr. 21 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Salim Omar H.

• University of Mosul

• https://orcid.org/0000-0002-3863-8259

autor

Ameen Yasir M. Y.

• University of Mosul

• https://orcid.org/0000-0002-2878-8165

Bibliografia

• [1] A. Srilatha, A. Pandian, and P. S. Varma, “Review of Different Methods and Topologies for Fast Charging of Electric Vehicles,” Int. J. Res. Innov. Appl. Sci., vol. V, no. Xi, pp. 64–76, 2020, [Online]. Available: https://www.rsisinternational.org/journals/ijrias/DigitalLibrary/Vol.5&Issue11/64-76.pdf.
• [2] J. Yuan, L. Dorn-Gomba, A. D. Callegaro, J. Reimers, and A.Emadi, “A review of bidirectional on-board chargers for electric vehicles,” IEEE Access, vol. 9, pp. 51501–51518, 2021, doi: 10.1109/ACCESS.2021.3069448.
• [3] IEC, “IEC 61851: Electric vehicle conductive charging system,” Geneva, Switz., pp. 1–135, 2020, [Online]. Available: https://webstore.iec.ch/publication/31531#additionalinfo.
• [4] H. S. Das, M. M. Rahman, S. Li, and C. W. Tan, “Electric vehicles standards, charging infrastructure, and impact on gridintegration: A technological review,” Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 120, no. February, p. 109618, Mar. 2020, doi: 10.1016/j.rser.2019.109618.
• [5] “SAE Electric Vehicle and Plug in Hybrid Electric Vehicle Conductive Coupler,” SAE Int., vol. J1772_2017, pp. 1–1, doi: https://doi.org/10.4271/J1772_201710.
• [6] “Connection set for conductive charging of electric vehicles --Part 1: General requirements,” CQC, 2022. http://www.cqc.com.cn/dynamic/contentcore/resource/download?ID=32242.
• [7] J. Y. Yong, V. K. Ramachandaramurthy, K. M. Tan, and N. Mithulananthan, “Bi-directional electric vehicle fast charging station with novel reactive power compensation for voltage regulation,” Int. J. Electr. Power Energy Syst., vol. 64, pp. 300–310, 2015, doi: 10.1016/j.ijepes.2014.07.025.
• [8] S. Srdic, C. Zhang, X. Liang, W. Yu, and S. Lukic, “A SiC-based power converter module for medium-voltage fast charger for plug-in electric vehicles,” Conf. Proc. - IEEE Appl. Power Electron. Conf. Expo. - APEC, vol. 2016-May, pp. 2714–2719, 2016, doi: 10.1109/APEC.2016.7468247.
• [9] P. C. Dastagiri Goud, A. Sharma, and R. Gupta, “Solar PV Fed Fast Charging Converter with Isolated Unidirectional Dual-Bridge Topology,” India Int. Conf. Power Electron. IICPE, vol. 2018-Decem, pp. 1–5, 2018, doi: 10.1109/IICPE.2018.8709492.
• [10] N. Hassanzadeh, F. Yazdani, S. Haghbin, and T. Thiringer, “Design of a 50 kW phase-shifted full-bridge converter used forfast charging applications,” 2017 IEEE Veh. Power Propuls. Conf. VPPC 2017 - Proc., vol. 2018-Janua, pp. 1–5, 2018, doi: 10.1109/VPPC.2017.8330881.
• [11] L. Tan, B. Wu, and S. Rivera, “A bipolar-DC-bus EV fast charging station with intrinsic DC-bus voltages equalization and minimized voltage ripples,” IECON 2015 - 41st Annu. Conf. IEEE Ind. Electron. Soc., pp. 2190–2195, 2015, doi: 10.1109/IECON.2015.7392426.
• [12] V. M. Iyer, S. Gulur, G. Gohil, and S. Bhattacharya, “An approach towards extreme fast charging station power delivery for electric vehicles with partial power processing,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 67, no. 10, pp. 8076–8087, 2020, doi: 10.1109/TIE.2019.2945264.
• [13] B. Hussein, N. Abdi, and A. Massoud, “Development of a three-phase interleaved converter based on SEPIC DC–DC converter operating in discontinuous conduction mode for ultra-fast electric vehicle charging stations,” IET Power Electron., vol. 14, no. 11, pp. 1889–1903, 2021, doi: 10.1049/pel2.12157.
• [14] A. C. Nair and B. G. Fernandes, “Solid-State Transformer Based Fast Charging Station for Various Categories of Electric Vehicles with Batteries of Vastly Different Ratings,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 68, no. 11, pp. 10400–10411, 2021, doi: 10.1109/TIE.2020.3038091.
• [15] G. Town, S. Taghizadeh, and S. Deilami, “Review of Fast Charging for Electrified Transport: Demand, Technology, Systems, and Planning,” Energies, vol. 15, no. 4, 2022, doi: 10.3390/en15041276.
• [16] A. V. J. S. Praneeth and S. S. Williamson, “A Review of Front End AC-DC Topologies in Universal Battery Charger for Electric Transportation,” 2018 IEEE Transp. Electrif. Conf. Expo, ITEC 2018, pp. 916–921, 2018, doi: 10.1109/ITEC.2018.8450186.
• [17] M. Gierczyński et al., “Design of DC/DC converter in dual active bridge (DAB) topology for application in a lithium-ion battery test setup,” Przeglad Elektrotechniczny, vol. 97, no. 3, pp. 77–81, 2021, doi: 10.15199/48.2021.02.19.
• [18] Y. Yan, H. Gui, and H. Bai, “Complete ZVS Analysis in DualActive Bridge,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 36, no. 2, pp. 1247–1252, 2021, doi: 10.1109/TPEL.2020.3011470.
• [19] K. Najdek, “Use of the D-decomposition technique for gainsselection of the Dual Active Bridge converter output voltage regulator,” Przeglad Elektrotechniczny, no. 11, pp. 268–273, 2019, doi: 10.15199/48.2019.11.61.
• [20] T. Gajowik, K. Rafał, and M. Bobrowska-Rafał, “Bi-directional DC-DC converter in three-phase Dual Active Bridge Topology,” Przeglad Elektrotechniczny, vol. 90, no. 5, pp. 14–19, 2014, doi: 10.12915/pe.2014.05.03.
• [21] V. M. Iyer, S. Gulur, G. Gohil, and S. Bhattacharya, “An approach towards extreme fast charging station power delivery for electric vehicles with partial power processing,” IEEE Trans. nd. Electron., vol. 67, no. 10, pp. 8076–8087, 2020, doi: 10.1109/TIE.2019.2945264.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2024).