Comparación entre convertidor LLC resonante y DCX con PPC para cargadores de vehículos eléctricos

Abstract

Este trabajo presenta una comparación entre dos convertidores para la etapa de conversión DCDC de estaciones de carga rápida de vehículos eléctricos. Estos convertidores están diseñados para trabajar con baterías de iones de litio de 400 V. La primera topología considera un convertidor resonante LLC, el cual se caracteriza por operar con una alta frecuencia de conmutación y una gran eficiencia para un punto de operación al igualar la frecuencia de conmutación a la frecuencia de resonancia de la red. La segunda propuesta corresponde a una topología de dos etapas formada por un transformador DC (DCX, que no es m´as que un convertidor resonante LLC operando con fsw = fr), conectado en serie con un convertidor de potencia parcial como etapa de postregulación, el cual se caracteriza por operar solo con una fracción de la potencia del sistema, lo que aumenta su eficiencia. Se estudian en profundidad los aspectos teóricos de estos convertidores, para luego diseñar e implementarlos utilizando el software PLECS. En la simulación, se confirman los aspectos teóricos observando las formas de onda características de cada convertidor, así como también verificando su funcionamiento al cargar una batería de iones de litio de 400 V. Finalmente, se proporcionan resultados sobre la eficiencia de ambas propuesta, concluyendo que en el rango de operación estudiado, el efecto que tiene el ratio de parcialidad sobre la eficiencia en la segunda propuesta, es mucho mayor al efecto que tiene la frecuencia de conmutación en la primera propuesta.This thesis presents a comparison between two converters for the DC-DC conversion stage of electric vehicle fast charging stations. These converters are designed to work with 400 V lithium-ion batteries. The first topology considers an LLC resonant converter, which is characterized by operating with a high switching frequency and a high efficiency for an operating point when matching the switching frequency to the grid resonance frequency. The second proposal corresponds to a two-stage topology formed by a DC transformer (DCX, which is nothing more than an LLC resonant converter operating with fsw = fr), connected in series with a partial power converter as a post-regulation stage, which is characterized by operating only with a fraction of the system power, which increases its efficiency. The theoretical aspects of these converters are studied in depth, and then designed and implemented using PLECS software. In the simulation, the theoretical aspects are confirmed by observing the characteristic waveforms of each converter, as well as by verifying its operation when charging a 400 V lithium-ion battery. Finally, results are provided on the efficiency of both proposals, concluding that in the operating range studied, the effect of the bias ratio on efficiency in the second proposal is much greater than the effect of the switching frequency in the first proposal.