Bidirectional DC-DC Converter for an Electric Vehicle On-Board Charger

Abstract

Det økende antallet elbiler i verden er en viktig del av dekarbonisering av transportsektoren, men å lade dem kan øke belastningen på det elektriske kraftnettet. Målet med denne avhandlingen er å finne ut om V2G-teknologi kan være en del løsningen på dette problemet, og å designe en omformer for bruk til V2G ved å bruke ny teknologi. Flere studier og prosjekter viser at V2G kan bidra med en viktig ressurs for kraftnettet samtidig som det gir elbileieren en inntekt, og det er ventet å bli vanlig i nær fremtid. Den mest kostnadseffektive måten å implementere V2G er i elbilens ombordlader. Innen kraftelektronikken viser WBG langt bedre karakteristikk enn silisiumkomponenter, og flere av teknologiens problemer løses, men kostnaden er fortsatt høy. Integrering av magnetiske komponenter i transformatorer muliggjør effektive isolerende resonansomformere med få passive komponenter. Ved å bruke dette er en ny 7kW isolerende bidireksjonell DC-DC omformer med høy svitsjefrekvens designet for bruk i en ombordlader. Med symmetrisk CLLLC tre-fase resonant topologi oppnås svitsjefrekvens over 250kHz og effektivitet over 97.6% ved normal drift. Topologien gir lav amplitude og høy frekvens på spenningsrippel på inn- og utgang, noe som gir enkel filtrering.

The increasing number of EVs on the roads play an important part in decarbonizing the transport sector, but charging them causes strains on the electric grid. This thesis aims to determine if V2G technology can be part of the solution to this problem, and to design a converter for use with V2G using new technology. Several studies and projects show that V2G can provide an important resource to the grid while producing income for the EV owner, and it is expected to be common in the near future. The most cost effective means of implementing V2G capability is in the OBC of EVs. Within the field of power electronics, WBG technology is maturing, enabling significant benefits over Si devices, but at a higher cost. Other interesting development includes integrating several magnetic components into a transformer, enabling efficient soft-switching topologies with few components. Using this technology a novel high frequency 7kW isolating bidirectional DC-DC converter is designed for use in an OBC. With a symmetric CLLLC three-phase resonant topology operating frequencies over 250kHz is achieved with over 97.6% efficiency over a wide operating range. The topology gives low amplitude and high frequency on input and output voltage ripple, simplifying filtering.