Simulación y caracterización de las pérdidas de un On Board Charger

Abstract

[ES] En la actualidad la movilidad eléctrica se está convirtiendo en una realidad. Es por eso por lo que los principales fabricantes de vehículos han empezado a centrar todos sus recursos al diseño de coches eléctricos. En esta nueva forma de moverse, los combustibles derivados del petróleo dejan de ser el combustible principal y pasa a ser la electricidad. Relacionando con ello, uno de los principales componentes es el “On Board Charger” (OBC), siendo el sistema encargado de la carga de las baterías del vehículo. Se trata de un componente imprescindible en todos los vehículos electrificados, ya sea completamente eléctrico o híbrido enchufable. La principal función del OBC es convertir la corriente alterna de la red eléctrica a continua, para la carga de las baterías. Además de eso, se encarga de la supervisión y protección ante sobrecargas de las baterías. Frente a la innegable alta demanda de este producto, las principales empresas tienen un notable interés en conseguir el OBC más eficiente y económico. Para ello hay que saber caracterizar las distintas partes que componen el cargador, y someterlo a diversas pruebas para comparar el rendimiento de las piezas. Hoy en día hay dos formasrealizar la caracterización. El método tradicional, se basa en la medida de los cambios que se producen en los distintos componentes en función de la temperatura y, someter al OBC a ciclos de encendido y apagado, comprobándose de este modo la fiabilidad del factor de corrección de potencia (PFC) de los transistores que integran el OBC, así como del convertidor de alto voltaje (DCHV) necesario para cargar las baterías del vehículo. Otra prueba muy estandarizada es medir las temperaturas de los principales componentes, como son los filtros asociados a las interferencias magnéticas (EMI), el transformador, los condensadores electrolíticos y demás, en distintos puntos de carga de la batería. Este tipo de pruebas dan unos resultados muy fiables y proporcionan una visión real del rendimiento del OBC. Pero a su vez tienen un precio muy elevado por las distintas fuentes que se necesitan para poner en funcionamiento las distintas partes del circuito, romper algún componente y el propio espacio en el que realizas las pruebas. Por eso también se emplean las simulaciones, que permiten hacer las mismas pruebas con unos resultados similares, obteniendo las pérdidas de una forma mucho más sencilla, así como más barata y rápida, ya que solo es necesario un ordenador capaz de soportar la simulación y construir un modelo igual al OBC diseñado. Considerando las premisas anteriores, el objetivo de este Trabajo Fin de Grado (TFG) es crear un modelo del OBC diseñado para la empresa MAHLE Electronics S.L.U., que permita obtener las pérdidas que se producen en sus principales componentes: § Transistores MOSFET de carburo de silicio (SiC). § El núcleo del transformador de alta frecuencia. § El cobre de las bobinas del transformador de alta frecuencia. § El hilo de Litz. § Condensadores electrolíticos de la DC Link. Para las simulaciones se hará uso del programa LTSpice. Se trata de, un software libre y accesible para cualquier persona. Además, posee la suficiente versatilidad como para realizar el trabajo indicado. Los resultados obtenidos se recogerán en distintas hojas de cálculo, desde donde se podrán comparar entre sí, y con ello, sacar conclusiones. Por lo tanto, a partir de este trabajo se podrá elegir los materiales y la composición de distintos componentes electrónicos del OBC, consiguiendo una reducción de su coste y/o una mejora en su eficiencia. Nº de páginas:

[EN] Electric mobility is now becoming a reality. That’s why major vehicle manufacturers have begun to focus all their resources on designing electric cars. In this new way of moving, petroleumderived fuels cease to be the main fuel and become electricity. Related to this, one of the main components is the "On Board Charger" (OBC), being the system in charge of charging the batteries of the vehicle. It is an essential component in all electrified vehicles, whether completely electric or plugin hybrid. The main function of the OBC is to convert the alternating current of the electrical grid to continuous, for charging the batteries. In addition to that, it is responsible for monitoring and protecting against battery overloads. Faced with the undeniable high demand for this product, major companies have a notable interest in achieving the most efficient and economical OBC. To do this, it is necessary to know how to characterize the different parts that make up the loader and submit it to various tests to compare the performance of the parts. Today there are two forms of characterization. The traditional method is based on the measurement of changes in the different components according to temperature and, subject the OBC to on and off cycles, thus checking the reliability of the power correction factor (PFC) of the transistors that integrate the OBC, as well as the high voltage converter (DCHV) necessary to charge the vehicle’s batteries. Another highly standardized test is to measure the temperatures of the main components, such as the filters associated with magnetic interference (EMI), the transformer, the electrolytic capacitors and others, at different battery points. This type of test gives very reliable results and provides a real view of OBC performance. But in turn they have a very high price for the different sources you need to put into operation the part, break some component and the space in which you make the tests. Therefore, simulations are also used, which allow the same tests to be done with similar results, obtaining losses in a much easier way, as well as cheaper and faster, since you only need a computer capable of supporting the simulation and building a model equal to the OBC designed. Considering the above premises, the objective of this Final Degree Work (TFG) is to create an OBC model designed for the company MAHLE Electronics SLU, which allows to obtain the losses that occur in its main components: § Silicon carbide MOSFET transistors (SiC). § The core of the high frequency transformer. § High Frequency Transformer Coils Copper. § Litz Thread. § DC Electrolytic Capacitors Link. The LTSpice program will be used for simulations. This is free and accessible software for anyone. In addition, it has enough versatility to perform the indicated work. The results obtained will be collected in different spreadsheets, from where they can be compared with each other, and with this, draw conclusions from the results. Therefore, from this work it will be possible to choose the materials and the composition of different electronic components of the OBC, obtaining with it reduction of the costs and/or an improvement in its efficiency.

[CA] En l'actualitat la mobilitat elèctrica s'està convertint en una realitat. És per això que els principals fabricants de vehicles han començat a centrar tots els seus recursos al disseny de cotxes elèctrics. En aquesta nova manera de moure's, els combustibles derivats del petroli deixen de ser el combustible principal i passa a ser l'electricitat. Relacionant amb això, un dels principals components és el “On Board Charger” (OBC), sent el sistema encarregat de la càrrega de les bateries del vehicle. Es tracta d'un component imprescindible en tots els vehicles electrificats, ja sigui completament elèctric o híbrid endollable. La principal funció del OBC és convertir el corrent altern de la xarxa elèctrica a contínua, per a la càrrega de les bateries. A més d'això, s'encarrega de la supervisió i protecció davant sobrecàrregues de les bateries. Front la innegable alta demanda d'aquest producte, les principals empreses tenen un notable interès a aconseguir el OBC més eficient i econòmic. Per a això cal saber caracteritzar les diferents parts que componen el carregador, i sotmetre'l a diverses proves per a comparar el rendiment de les peces. Avui dia hi ha dues formes de caracterització. El mètode tradicional, es basa en la mesura dels canvis que es produeixen en els diferents components en funció de la temperatura i, sotmetre al OBC a cicles d'encesa i apagat, comprovant-se d'aquesta manera la fiabilitat del factor de correcció de potència (PFC) dels transistors que integren el OBC, així com del convertidor d'alt voltatge (DCHV) necessari per a carregar les bateries del vehicle. Una altra prova molt estandarditzada és mesurar les temperatures dels principals components, com són els filtres associats a les interferències magnètiques (EMI), el transformador, els condensadors electrolítics i altres, en diferents punts de bateria. Aquest tipus de proves dona uns resultats molt fiables i proporcionen una visió real del rendiment del OBC. Però al seu torn tenen un preu molt elevat per les diferents fonts que necessites per a posar en funcionament la peça, trencar algun component i el propi espai en el qual realitzes les proves. Per això també s'empren les simulacions, que permeten fer les mateixes proves amb uns resultats similars, obtenint les pèrdues d'una forma molt més senzilla, així com més barata i ràpida, ja que només és necessari un ordinador capaç de suportar la simulació i construir un model igual al OBC dissenyat. Considerant les premisses anteriors, l'objectiu d'aquest Treball Fi de Grau (TFG) és crear un model del OBC dissenyat per a l'empresa MAHLE Electronics S.L.U., que permeti obtenir les pèrdues que es produeixen en: § Transistors MOSFET de carbur de silici (Sic). § El nucli del transformador d'alta freqüència. § El coure de les bobines del transformador d'alta freqüència. § El fil de Litz. § Condensadors electrolítics de la DC Link. Per a les simulacions es farà ús del programa LTSpice. A més, té la suficiente versatilitat com per a realitzar el treball indicat. Es tracta de, un programari lliure i accessible per a qualsevol persona. Els resultats obtinguts es recolliran en diferents fulls de càlcul, des d'on es podran comparar entre sí, i amb això, treure conclusions dels resultats. Per tant, a partir d'aquest treball es podrà triar els materials i la composició de diferents components electrònics del OBC, obtenint amb això una reducció en el cost i/o una millora en la seva eficiència