Diseño de un cargador on-board bidireccional de 22kw para vehículos eléctricos con capacidad de operación en modo vehicle-to-grid (V2G)

Abstract

[ES] El objetivo de este trabajo es el diseño de un cargador On-Board de 22kW para vehículo eléctrico. Éste será capaz de conectarse a una red eléctrica, ya sea trifásica o monofásica, y cargará la batería del vehículo al tiempo que se garantiza el aislamiento galvánico ente la red y dicho vehículo. La entrada del cargador será universal, es decir, de 180VRMS a 500VRMS en trifásica y de 85VRMS a 270VRMS en monofásica, siendo capaz de utilizar redes de 50Hz como de 60Hz. Además, este cargador será bidireccional, es decir, podrá tanto absorber energía de la red como inyectarla a la misma. Primero se realiza el diseño del convertidor DC/DC, en este caso un DAB, para después realizar el diseño del convertidor AC/DC, que es un inversor trifásico operando como rectificador. En ambos casos se han diseñado tanto los componentes necesarios como los sistemas de control. Los cálculos se han realizado principalmente con Matlab. A continuación se han realizado diversas simulaciones en distintos puntos de operación, utilizando para ello el software PSIM. Esto se ha hecho tanto operando los convertidores de forma independiente, como en cascada. Estas simulaciones han permitido estimar el rendimiento del conjunto así como comprobar que se satisfacen todas las especificaciones de diseño y verificar su correcto funcionamiento, tanto eléctrico como térmico.

[EN] The objective of this work is the design of a 22kW On-Board charger for electric vehicles. This charger will be able to connect either a three-phase or a single-phase electrical grid, and will charge the vehicle's battery while ensuring galvanic isolation between the grid and said vehicle. The charger¿s input will be universal, that is, from 180VRMS to 500VRMS in three-phase and from 85VRMS to 270VRMS in single-phase, being able to use 50Hz and 60Hz networks. In addition, this charger will be bidirectional, that is, it will be both capable of absorbing energy from the network and injecting it into it. First, the design of the DC/DC converter is performed, in this case a DAB, and then the design of the AC/DC converter is performed, which is a three-phase inverter operating as rectifier. In both cases, both the necessary components and the control systems have been designed. These calculations have been done mainly with Matlab. After that, various simulations have been carried out at different operating points, using the PSIM software for this. This has been done both by operating the converters independently, and in a cascade. Finally, and thanks to these simulations, it has been possible to estimate the performance of the assembly as well as to confirm that all the design specifications are met and verify its correct operation, both electrical and thermal.

[CA] L'objectiu d'aquest treball és el disseny d'un carregador On-Board de 22kW per a vehicle elèctric. Aquest serà capaç de connectar-se a una xarxa elèctrica, ja sigui trifàsica o monofàsica, i carregarà la bateria de el vehicle al mateix temps que es garanteix l'aïllament galvànic entre la xarxa i el vehicle. L'entrada del carregador serà universal, és a dir, de 180VRMS a 500VRMS en trifàsica i de 85VRMS a 270VRMS en monofàsica, sent capaç d'utilitzar xarxes de 50Hz com de 60Hz. A més, aquest carregador serà bidireccional, és a dir, podrà tant absorbir energia de la xarxa com injectar-la a la mateixa. Primer es realitza el disseny del convertidor DC/DC, en aquest cas un DAB, per després realitzar el disseny del convertidor AC/DC, que és un inversor trifàsic operant com a rectificador. En tots dos casos s'han dissenyat tant els components necessaris com els sistemes de control. Aquests càlculs s'han realitzat principalment amb Matlab. A continuació s'han realitzat diverses simulacions en diferents punts d'operació, utilitzant per a això el programa PSIM. Això s'ha fet tant operant els convertidors de forma independent, com en cascada. Aquestes simulacions han permès estimar el rendiment del conjunt així com comprovar que es satisfan totes les especificacions de disseny i verificar el seu correcte funcionament, tant elèctric com tèrmic