Kaksisuuntaisen DC-DC –hakkuriteholähteen dynaaminen mallinnus ja säätösuunnittelu hybridijärjestelmälle
Paananen, Joona (2020)
2020
Sähkötekniikan DI-ohjelma - Master's Programme in Electrical Engineering
Informaatioteknologian ja viestinnän tiedekunta - Faculty of Information Technology and Communication Sciences
This publication is copyrighted. Only for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2020-11-25
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202011238149
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202011238149
Tiivistelmä
Kiristyvät päästötavoitteet ohjaavat ajoneuvojen kehitystä kohti hybriditekniikkaa. Sähköisten toimilaitteiden avulla polttomoottoriajoneuvon hyötysuhdetta ja suorituskykyä voi parantaa. Hybridiajoneuvo on kuitenkin monimutkaisempi järjestelmä kuin perinteinen polttomoottoriajoneuvo. Sähköenergiavaraston ja toimilaitteiden välille tarvitaankin usein tasajännitemuunnin, jotta eri laitteiden jännitetasot pysyvät sopivina.
Tässä diplomityössä suunniteltiin ja rakennettiin kaksisuuntaisen DC-DC-hakkuriteholähteen prototyyppi. Suunnitellun hakkurin tavoite on reguloida 48 V kiskon jännitettä, jotta siihen liitetyt sähköiset toimilaitteet toimivat halutulla tavalla. Hakkurin täytyy toimia itsenäisesti riippumatta energiavirran suunnasta ja sähköenergiavaraston jännitteestä. Suunnittelu aloitettiin matemaattisella mallinnuksella ja komponenttien mitoittamisella. Simulaattorin ja matemaattisten mallien avulla hakkurille suunniteltiin sopivat säätimet. Lisäksi suunniteltiin ohjauslogiikka, joka mahdollistaa hakkurin toimimisen molempiin suuntiin. Hakkurin ohjaus toteutettiin mikrokontrollerilla. Rakennetun prototyypin ensimmäisten testien perusteella komponenttien mitoitus ja säätimien viritys onnistuivat hyvin.
Työssä käsiteltiin myös ajoneuvokäytön asettamia lisävaatimuksia hakkurin suunnittelulle. Esimerkiksi sähkömagneettiset häiriöt, kuorman ja lähteen epäideaalisuudet sekä hakkurin jäähdytys aiheuttavat huomattavia lisähaasteita hakkurin suunnittelulle. Ajoneuvoon sijoitettavan hakkurin suunnittelu voi vaatia kompromisseja esimerkiksi fyysisen koon, hinnan ja suorituskyvyn suhteen. Sopivien reunaehtojen määrittely pitääkin tehdä yhteistyössä ajoneuvoprojektin eri alojen asiantuntijoiden kanssa.
Tässä diplomityössä suunniteltiin ja rakennettiin kaksisuuntaisen DC-DC-hakkuriteholähteen prototyyppi. Suunnitellun hakkurin tavoite on reguloida 48 V kiskon jännitettä, jotta siihen liitetyt sähköiset toimilaitteet toimivat halutulla tavalla. Hakkurin täytyy toimia itsenäisesti riippumatta energiavirran suunnasta ja sähköenergiavaraston jännitteestä. Suunnittelu aloitettiin matemaattisella mallinnuksella ja komponenttien mitoittamisella. Simulaattorin ja matemaattisten mallien avulla hakkurille suunniteltiin sopivat säätimet. Lisäksi suunniteltiin ohjauslogiikka, joka mahdollistaa hakkurin toimimisen molempiin suuntiin. Hakkurin ohjaus toteutettiin mikrokontrollerilla. Rakennetun prototyypin ensimmäisten testien perusteella komponenttien mitoitus ja säätimien viritys onnistuivat hyvin.
Työssä käsiteltiin myös ajoneuvokäytön asettamia lisävaatimuksia hakkurin suunnittelulle. Esimerkiksi sähkömagneettiset häiriöt, kuorman ja lähteen epäideaalisuudet sekä hakkurin jäähdytys aiheuttavat huomattavia lisähaasteita hakkurin suunnittelulle. Ajoneuvoon sijoitettavan hakkurin suunnittelu voi vaatia kompromisseja esimerkiksi fyysisen koon, hinnan ja suorituskyvyn suhteen. Sopivien reunaehtojen määrittely pitääkin tehdä yhteistyössä ajoneuvoprojektin eri alojen asiantuntijoiden kanssa.