1- مقدمه[1]

خودروهای الکتریکی به علت مزایای زیست‌محیطی و کاهش آلودگی هوا، جایگزینی مناسب برای خودروهای احتراق داخلی هستند [1].

شارژر باتری از جملۀ اجزای کلیدی خودروهای الکتریکی است که توسعه و ترویج آنها را محدود می‌کند. شارژ باتری ‌لیتیوم یون شامل دو مرحلۀ اصلی جریان ثابت (CC)¹ و ولتاژ ثابت (CV)² است. مبدل DC-DC ایزوله‌شده وظیفۀ شارژ باتری با عملکرد در هر دو وضعیت CC و CV را به عهده دارد [2] ، [3].

 در وضعیت CC، باتری با جریان ثابت شارژ می‌شود. این فرایند از زمانی که ولتاژ باتری در کمینه (V_o,min) قرار دارد، آغاز می‌شود و هنگامی‌که ولتاژ باتری به مقدار بیشینۀ ازپیش‌تعریف‌شده (V_o,max) می‌رسد، وضعیت شارژر به CV تغییر می‌کند. در این وضعیت، جریان شارژر کاهش می‌یابد؛ در حالی ‌که ولتاژ باتری ثابت باقی می‌ماند. بنابراین، در حالت‌های شارژ CC و CV، ولتاژ و جریان خروجی مبدل DC-DC باید در محدودۀ گسترده تغییر کند تا با مشخصات باتری سازگار شود [4].

به ‌منظور تأمین این محدودۀ‌ خروجی وسیع، از مبدل‌های مدولاسیون پهنای پالس و مبدل‌های تشدیدی استفاده می‌شود. هرچند مبدل‌های مدولاسیون پهنای پالس به دلیل طراحی ساده مورد توجه هستند، دارای معایبی از جمله تلفات کلیدزنی زیاد، نویز تداخلات الکترومغناطیسی (EMI)³ و بازده کم در فرکانس‌های بالا هستند. این محدودیت‌ها موجب شده‌اند تا در سال‌های اخیر مبدل‌های تشدیدی به گزینه‌ای مناسب‌تر برای شارژ وسایل نقلیۀ الکتریکی تبدیل شوند [5] ، [6].

شارژرهای خودروهای برقی مطابق [7] و [8] به دو دستۀ شارژر روی برد⁴ و خارج از برد⁵ تقسیم می‌شوند. شارژرهای روی برد معمولاً در سطوح توان پایین به دلیل محدودیت‌های وزن، حجم و هزینه طراحی می‌شوند؛ در حالی که توان‌های بالاتر عمدتاً در شارژرهای خارج از برد و ایستگاه‌های شارژ سریع DC به‌ صورت ماژولار استفاده می‌شوند.

ساختار کلی یک مبدل DC–DC تشدیدی ایزوله شامل منبع ورودی DC، شبکۀ کلیدزنی، شبکۀ تشدید، ترانسفورماتور فرکانس بالا، شبکۀ یک‌سوکننده و فیلتر خروجی است. شبکۀ کلیدزنی که معمولاً به‌ صورت اینورتر نیم‌پل یا تمام‌پل اجرا می‌شود، با تولید سیگنال متناوب، شبکۀ تشدید متشکل از سلف‌ها و خازن‌ها را تحریک می‌کند. ترانسفورماتور فرکانس بالا ایزولاسیون الکتریکی و تطبیق سطح ولتاژ را فراهم می‌کند و در نهایت، بخش یک‌سوکننده و فیلتر خروجی توان DC مورد نیاز باتری را تأمین می‌کنند [9].

به ‌طور کلی، مبدل‌های تشدیدی استفاده‌شده در شارژر باتری وسایل نقلیۀ الکتریکی به دو دستۀ‌ مبدل‌های تشدیدی با فرکانس کلیدزنی ثابت و فرکانس کلیدزنی متغیر تقسیم می‌شوند [10]. در مبدل‌های تشدیدی با فرکانس کلیدزنی متغیر که با مدولاسیون فرکانس پالس (PFM)⁶ توصیف می‌شود، دست‌یابی به ولتاژ و جریان خروجی گسترده از طریق تغییرات وسیع فرکانس کلیدزنی (f_sw) نسبت به فرکانس رزونانس (f_r) شبکۀ تشدید انجام می‌شود. با این ‌حال، استفاده از محدودۀ‌ وسیع فرکانس کلیدزنی، چالش‌هایی اجمله افزایش ابعاد عناصر مغناطیسی، پیچیدگی سیستم کنترل و وابستگی ولتاژ و جریان خروجی به بار را دارد [11] ، [12]. همچنین، دیگر چالش‌های مرتبط با مبدل‌های تشدیدی با هدف شارژ وسایل نقلیۀ الکتریکی شامل تعداد زیاد مؤلفه‌های کلیدزنی و مغناطیسی، از دست رفتن ویژگی‌های کلیدزنی نرم، کاهش بازده در محدودۀ ولتاژ و جریان خروجی گسترده، عدم عملکرد هر دو وضعیت شارژ CC و CV در فرکانس رزونانس، پاسخ دینامیکی نامطلوب جریان و ولتاژ خروجی تحت تغییرات بار هستند [13-18‏].

در مرجع [13]، مبدل تشدیدی پل فعال دوگانه (DAB)⁷ نوع CLLC با ترکیب مدولاسیون فرکانس ثابت و فرکانس متغیر به هدف کاهش دامنۀ تغییرات فرکانس کلیدزنی دست ‌یافته است. با این‌ حال، به علت از دست رفتن ویژگی‌های کلیدزنی نرم در بار سبک، تلفات افزایش و بازده شارژر کاهش می‌یابد. علاوه بر این، وجود شبکۀ تشدید مرتبۀ بالا به پیچیدگی طراحی در ساختار پیشنهادی منجر می‌شود.

در مرجع [14]، یک مبدل تشدیدی LLC سری/موازی با خروجی مستقل از بار و در [15]، یک مبدل تشدیدی DAB با تحریک جریانی برای کاربرد شارژ باتری خودروی برقی ارائه شده است. این مبدل‌ها وضعیت شارژ CC و CV را به‌ترتیب در فرکانس تشدید و نصف فرکانس تشدید محقق کرده‌اند؛ از این ‌رو، به ‌منظور انتقال از وضعیت شارژ CC به CV، تغییر فرکانس کلیدزنی اجتناب‌ناپذیر است.

 در مرجع [16]، مبدل تشدیدی با تغییر در نسبت وظیفۀ کلید خروجی، به هدف افزایش محدودۀ ولتاژ خروجی مبدل دست یافته است. با این ‌حال، به دلیل تعداد زیاد المان‌های کلیدزنی و مغناطیسی، این ساختار با تلفات بیشتر و افزایش هزینۀ اجرا همراه است.

در مرجع [17]، یک مبدل DC-DC فرکانس ثابتLLC درهم‌تنیده و در [18]، یک مبدل تشدیدی CLCLC با تعداد زیاد المان مغناطیسی و کلیدزنی برای شارژ خودروی برقی ارائه شده است. با وجود استفاده از مدولاسیون فرکانس ثابت، خروجی این مبدل‌ها به دلیل ویژگی وابسته به بار، نیازمند تنظیم مداوم در شرایط مختلف باتری است که این موضوع یکی از چالش‌های مهم شارژرهای خودروی برقی به شمار می‌آید؛ بنابراین، برای حفظ مقادیر دلخواه ولتاژ و جریان خروجی در مواجهه با تغییرات بار و شرایط متفاوت باتری، استفاده از یک سیستم کنترل حلقه‌بسته ضروری است.

در [19]، یک شارژر تشدیدی LLC مبتنی بر خازن‌های سوئیچ‌شونده ارائه شده است که با استفاده از دو کلید دوطرفه، بازپیکربندی شبکۀ تشدید از حالت CC به CV را محقق می‌کند. اگرچه این ساختار با عملکرد در فرکانس رزونانس، مشخصه‌های خروجی مستقل از بار را در هر دو مد CC و CV فراهم می‌کند، شرایط کلیدزنی نرم دیودهای یک‌سوساز سمت ثانویه در کل محدودۀ عملکرد شارژر برقرار نیست و بنابراین، قابلیت کلیدزنی نرم گسترده در آن تضمین نمی‌شود.

در [11]، یک مبدل تشدیدی با قابلیت شارژ خودروی برقی معرفی شده است که با تغییر نسبت تبدیل مؤثر ترانسفورماتور، محدوده‌ای وسیع از ولتاژ خروجی را فراهم می‌کند. با این حال، تحقق این ویژگی مستلزم استفاده از دو کلید دوطرفه است. همچنین، وجود هشت کلید قدرت و شش دیود در ساختار مبدل موجب افزایش تعداد عناصر کلیدزنی و تلفات توان می‌شود و در نتیجه، پیچیدگی ساختار را افزایش می‌دهد.

در [20]، برای دست‌یابی به مشخصه‌های شارژ CC و CV ، از محدودۀ وسیع تغییرات فرکانس کلیدزنی استفاده شده است. با این حال، این ساختار برای دست‌یابی به عملکرد دینامیکی مطلوب به یک سیستم کنترل حلقه‌بستۀ پیچیده و محدوده‌ای وسیع از تغییرات فرکانس کلیدزنی وابسته است. از این ‌رو، پیچیدگی کنترل، طراحی شارژر و اجرای عملی آن افزایش می‌یابد.

در این مقاله، یک شارژر خودروی برقی مبتنی بر مبدل تشدیدی فرکانس ثابت با توان نامی 1 کیلووات و با هدف کاربرد در سامانه‌های شارژ روی ‌برد ارائه شده است. ساختار پیشنهادی از قابلیت کلیدزنی نرم گسترده، کاهش تعداد عناصر کلیدزنی و تأمین خروجی ولتاژ و جریان مستقل از بار برخوردار است. اجرای شارژ CC و CV باتری خودروی برقی، با استفاده از بازپیکربندی شبکۀ تشدید از LCC به LC در فرکانس رزونانس، توسط کلید کمکی و بدون نیاز به تغییرات فرکانس کلیدزنی محقق شده است. این ساختار با استفاده از ویژگی ذاتی شبکۀ تشدید LCC و LC با قابلیت کار در فرکانس رزونانس به ترتیب به عنوان منبع CC و منبع CV تشکیل شده است. شارژر پیشنهادی با قابلیت تأمین خروجی ولتاژ و جریان مستقل از بار، امکان تنظیم ولتاژ و جریان خروجی را بدون نیاز به سیستم کنترل حلقه‌بسته فراهم می‌کند. ویژگی کلیدزنی نرم گسترده موجب افزایش بازده شارژر پیشنهادی در محدودۀ تغییرات وسیع جریان و ولتاژ خروجی می‌شود.

سهم عمدۀ این مقاله شامل موارد زیر است:

1- کاهش تعداد عناصر کلیدزنی ساختار پیشنهادی نسبت به ساختارهای مشابه؛

2-برقراری کلیدزنی نرم ولتاژ صفر (ZVS)⁸ و جریان صفر (ZCS)⁹ کلیدهای شبکۀ کلیدزنی و شبکۀ یک‌سوکننده؛

3- دست‌یابی به ولتاژ و جریان خروجی وسیع، بدون نیاز به تغییرات فرکانس کلیدزنی و تسهیل طراحی اجزای مغناطیسی؛

4- عملکرد شارژ CC و CV در فرکانس رزونانس با استفاده از ویژگی ذاتی شبکۀ تشدید؛

5-دست‌یابی به ویژگی ولتاژ و جریان خروجی مستقل از بار؛

6- برقراری تنظیم جریان و ولتاژ خروجی، بدون نیاز به سیستم کنترل حلقه‌بسته.

2- معرفی مبدل پیشنهادی

شارژر پیشنهادی مبتنی بر مبدل تشدیدی در شکل (1) قابل ملاحظه است. شارژر پیشنهادی مشخصه‌های شارژ CC و CV را به ترتیب با بهره‌گیری از ویژگی‌های ذاتی شبکۀ تشدید LCC و LC در فرکانس رزونانس فراهم می‌کند. بنابراین، مبدل در هر دو مد شارژ CC و CV با فرکانس کلیدزنی و ضریب وظیفۀ ثابت عمل می‌کند و مشخصه‌های شارژ یادشده بدون تغییر فرکانس کلیدزنی و ضریب وظیفه حاصل می‌شوند. مبدل در وضعیت CC است، وقتی کلید کمکی S_a متصل و شبکۀ تشدید LCC مطابق شکل (2 الف) برقرار است؛ در حالی که وقتی کلید S_a باز شود، شبکۀ تشدید به LC مطابق شکل (2 ب) تغییر وضعیت می‌دهد و مبدل در وضعیت CV کار می‌کند.

 کلید کمکی S_a یک کلید دوطرفه است که با دو ماسفت به‌ صورت سری، سورس آنها به هم متصل می‌شود و می‌تواند فقط با یک مدار راه‌انداز گیت اجرا شود. مبدل پیشنهادی شامل المان‌های شبکۀ تشدید (C_r1, C_r2, L_r)، کلیدهای شبکۀ کلیدزنی (S₁-S₄)، کلید کمکی (S_a)، خازن‌های خروجی (C_o1, C_o2)، ترانسفورماتور با نسبت تبدیل اولیه به ثانویه n₁:n₂ و دیودهای یک‌سوکنندۀ خروجی (D₁, D₂) است.

شکل (1): مدار معادل شارژر پیشنهادی مبتنی بر مبدل DC-DC تشدیدی

شکل (2): مدار معادل شارژر پیشنهادی در ثانویۀ ترانسفورماتور. الف) حالت CC؛ ب) حالت CV

2-1- تشریح عملکرد شارژر پیشنهادی در حالت CC

در حالت شارژ CC، کلید کمکی S_a مطابق شکل (2 الف) همیشه متصل است و شبکۀ تشدید  LCCبا عملکرد در فرکانس رزونانس (f_sw=f_r) به ‌عنوان منبع CC عمل می‌کند. در این حالت، کلیدهای ورودی S₁-S₄ در نسبت وظیفۀ 50 درصد با مدت ‌زمان تأخیر (t_d) هدایت می‌شوند. همان‌طور که در شکل (3) قابل ملاحظه است، سیگنال‌های گیت کلیدهای S₁ وS₄ با هم هم‌فاز هستند. همچنین، سیگنال‌های گیت کلیدهای S₂ و S₃ نیز با یکدیگر هم‌فاز هستند. هر دورۀ کلیدزنی به 8 مرحله تقسیم می‌شود. از آنجا که شکل موج مبدل دارای تقارن در هر دورۀ تناوب است، فقط اصول عملکرد بازۀ زمانی (t₀-t₄) تجزیه‌وتحلیل می‌شوند. مدار معادل متناظر بازۀ زمانی (t₀-t₄) در شکل‌های (4) تا (7) نشان داده ‌شده ‌است.

شکل (3): شکل موج‌های کلیدی شارژر پیشنهادی در یک دورۀ تناوب کلیدزنی، حالت CC

وضعیت اول (t₀-t₁):

در زمان t₀، کلیدهای S₂ و S₃ خاموش می‌شوند و این بازۀ زمانی شامل زمان تأخیر (t_d) است. در این بازۀ زمانی، با کمک جریان‌ ، خازن‌های موازی با S₁ و S₄ دشارژ و خازن‌های موازی با S₂ و S₃ شارژ شده‌اند. سپس، دیود بدنۀ کلیدهای S₁ و S₄ پس از دشارژ خازن‌های آن در حال هدایت قرار می‌گیرد. از این ‌رو، در زمان t₁، سوییچ‌های S₁ و S₄ در کلیدزنی نرم ولتاژ صفر (ZVS) روشن می‌شوند.

شکل (4): مدار معادل شارژر پیشنهادی در حالت CC، وضعیت اول

وضعیت دوم (t₁-t₂):

با روشن‌شدن کلیدهای S₁ و S₄ در لحظۀ t₁، ولتاژ  به ورودی شبکۀ تشدید (V_AB) اعمال می‌شود و پس از شارژ سلف مغناطیس‌کنندگی (L_m)، با رزونانس ایجادشده در شبکۀ تشدید، سلف شبکۀ تشدید (L_r) شارژ می‌شود. در این لحظه، خازن‌های تشدید C_r1 و C_r2 دشارژ می‌شوند؛ زیرا خروجی شبکۀ تشدید به علت هدایت دیود D₁ اتصال کوتاه شده است. در لحظۀ t₂، دیود D₁ در کلیدزنی نرم جریان صفر (ZCS) خاموش می‌شود؛ زیرا جریان I_Lr در این لحظه به صفر رسیده است.

شکل (5): مدار معادل شارژر پیشنهادی در حالت CC، وضعیت دوم

وضعیت سوم (t₂-t₃):

در این بازۀ زمانی، جریان عبوری از خازن C_r2 صفر است؛ زیرا دیودهای D₁ و D₂ بایاس معکوس بوده‌اند. از این ‌رو، ولتاژ خازن C_r2 ثابت می‌ماند و خازن C_r2 در فرایند تشدید شرکت نمی‌کند. در لحظۀ t₃، دیود D₂ روشن می‌شود؛ زیرا مجموع ولتاژ خازن‌های C_r1 و C_r2 به ولتاژ خروجیV_o رسیده است.

شکل (6): مدار معادل شارژر پیشنهادی در حالت CC، وضعیت سوم

وضعیت چهارم (t₃-t₄):

با هدایت دیود D₂ در لحظۀ t₃، ولتاژ خروجی V_o به خروجی شبکۀ تشدید (V_oe) اعمال شده است؛ بنابراین، خازن C_r2 در فرایند تشدید با L_r و C_r1 شرکت می‌کند و ولتاژ آن افزایش می‌یابد. در نهایت، در لحظۀ t₄، کلیدهای S₁ و S₄ خاموش می‌شوند.

شکل (7): مدار معادل شارژر پیشنهادی در حالت CC، وضعیت چهارم

2-2- تشریح عملکرد شارژر پیشنهادی در حالت CV

در حالت CV، عملکرد کلیدهای ورودی S₁-S₄ نیز همانند حالت شارژ CC است. مطابق شکل (2 ب)، با بازشدن سوییچ کمکی S_a، شبکۀ تشدید مبدل به LC تغییر وضعیت می‌دهد. در این حالت، شبکۀ تشدید LC با عملکرد در فرکانس رزونانس (f_sw=f_r) به‌ عنوان منبع CV عمل می‌کند. اصول عملکردی شارژر در حالت CV مشابه بخش قبل است.

3- تحلیل و طراحی شارژر پیشنهادی

در این قسمت، تحلیل شرایط کلیدزنی نرم، محاسبۀ سلف مغناطیس‌کنندگی ترانسفورماتور (L_m)، محاسبۀ بهرۀ ولتاژ و جریان شبکۀ تشدید، بررسی ویژگی خروجی مستقل از بار و شیوۀ طراحی پارامترهای شبکۀ تشدید در شارژر پیشنهادی مطرح می‌شود.

3-1- تحلیل شرایط کلیدزنی نرم و محاسبۀ سلف مغناطیس‌کنندگی ترانسفورماتور (L_m)

برای دست‌یابی به ZVS، کلیدهای ورودی S₁-S₄ باید در زمانی روشن شوند که ولتاژ دو سر آنها صفر باشد. این امر با شارژ و دشارژ خازن‌های داخلی خروجی کلید‌ها توسط جریان عبوری از آنها در مدت زمان تأخیر (t_d) محقق می‌شود. در زمان t₄، جریان از دیود بدنۀ کلیدهای S₂ و S₃ عبور می‌کند؛ بنابراین، برای برقراری ZVS در S₃ و S₂ طبق رابطۀ (1)، باید این جریان به ‌اندازۀ کافی بزرگ باشد تا دشارژ خازن‌های موازی با S₂ و S₃ در زمان تأخیر (t_d) محقق شود. به‌ طور مشابه، در زمان t₈، جریان از دیود بدنۀ کلیدهای S₁ و S₄ عبور می‌کند؛ بنابراین، برای برقراری ZVS در S₄ و S₁ طبق رابطۀ (2)، باید این جریان به ‌اندازۀ کافی بزرگ باشد تا دشارژ خازن‌های موازی با S₁ و S₄ در زمان تأخیر (t_d) محقق شود:

در رابطۀ بالا، C_oss خازن‌های داخلی خروجی کلیدهای S₁-S₄، V_sw استرس ولتاژ کلیدها و t_d مدت زمان تأخیر بین کلیدهاست. گفتنی است، مقدار IL_r در حالت CC از حالت CV بزرگ‌تر است. در نتیجه، زمانی که حالت ZVS برای حالت CV فراهم می‌شود، قطعاً برای حالت CC برقرار می‌شود.

با محاسبۀ روابط (1) و (2)، محدودۀ L_m برابر  انتخاب شد. هرچه مقدار L_m بزرگ‌تر شود، مطابق [17]، استرس جریان کلیدهای ورودی (تلفات هدایتی کلیدها) کمتر می‌شود. از طرفی، طبق شکل (8)، با افزایش مقدار L_m، برقراری کلیدزنی نرم تحت تغییرات بار امکان‌پذیر نیست؛ بنابراین، نیاز به یک مصالحه هست تا تعادلی بین کاهش استرس جریان، تلفات هدایتی کلیدهای ورودی و حفظ کلیدزنی نرم ZVS در کل بازۀ تغییرات بار ایجاد شود.

در نهایت، مقدار L_mبرابر  انتخاب شد. این مقدار باعث می‌شود با تغییرات بار و ولتاژ، انرژی کافی برای ZVS وجود داشته باشد. همچنین، برای عملکرد مطلوب CC و CV شارژر پیشنهادی، نسبت تبدیل ترانسفورماتور مطابق (3) قابل ‌محاسبه است:

شکل (8): شرایط کلیدزنی نرم برای کلیدهای ورودی (S₁-S₄)

3-2- بهرۀ ولتاژ و جریان شبکۀ تشدید

با توجه به کار در فرکانس رزونانس، برای طراحی و تحلیل عملکرد شارژر پیشنهادی از تحلیل تقریب هارمونیک اول (FHA)¹⁰ مشابه [‏3]، [18] استفاده شده است. در شکل (9)، مدار معادل شارژر پیشنهادی در حالت CC و CV با تحلیل FHA رسم شده است. ولتاژ ورودی و خروجی شبکۀ تشدید به ترتیب برابر V_AB و V_oe است. با کمک تحلیل FHA، در [21]، دامنۀ مؤلفۀ اصلی V_AB و V_oe مطابق رابطۀ (4) است:

(الف)

(ب)

شکل (9): مدار معادل شارژر پیشنهادی. الف) حالت CC؛ ب) حالت CV

مقدار فرکانس نرمالیزه‌شده () مطابق رابطۀ (5) برابر نسبت فرکانس کلیدزنی () به فرکانس رزونانس () است. مقدار نسبت خازن‌های شبکۀ تشدید ()، امپدانس مشخصه () و ضریب کیفیت () به ترتیب مطابق روابط (6)، (7) و (8) قابل محاسبه است:

با استفاده از تحلیل FHA در [21]، بهرۀ جریان و ولتاژ شبکۀ تشدید شارژر پیشنهادی به ترتیب مطابق روابط (9) و (10) قابل محاسبه است:

رابطۀ جریان سلف شبکۀ تشدید () در حالت CC و CV به ترتیب مطابق (11) و (12) است:

3-3- خروجی ولتاژ و جریان مستقل از بار

نمودار بهرۀ جریان و ولتاژ شبکۀ تشدید در شارژر پیشنهادی برحسب تغییرات بار در محدودۀ وسیع فرکانسی، به ترتیب بر اساس روابط (9) و (10) استخراج و در شکل (10) رسم شده است. همان‌طور که قابل ‌ملاحظه است، ولتاژ و جریان خروجی با عملکرد در فرکانس رزونانس مستقل از تغییرات بار است.

شکل (10): تغییرات بهرۀ شبکۀ تشدید شارژر پیشنهادی برحسب تغییرات بار. الف) بهرۀ جریان؛ ب) بهره ولتاژ

ویژگی خروجی مستقل از بار شارژر پیشنهادی به جبران تأثیر تغییرات بار، در جریان خروجی مبدل تشدید LCC و جبران تأثیر تغییرات بار، در ولتاژ خروجی مبدل تشدید LC منجر می‌شود. در واقع، وقتی بار تغییر می‌کند، مبدل LCC با عملکرد در فرکانس رزونانس، به‌ طور ذاتی، جریان خروجی را در مقابل تغییرات بار، ثابت نگه می‌دارد. همچنین، مبدل LC با عملکرد در فرکانس رزونانس، به ‌طور ذاتی، ولتاژ خروجی را در برابر تغییرات بار، ثابت نگه می‌دارد.

3-4- طراحی پارامترهای شبکۀ تشدید

رابطۀ امپدانس مشخصه ()، سلف شبکۀ تشدید () و خازن شبکۀ تشدید ()، به ترتیب مطابق روابط (13)، (14) و (15) قابل ‌محاسبه است:

مطابق شکل (11)، با افزایش مقدار نسبت خازن‌های شبکۀ تشدید (C_n)، میزان استرس جریان کلیدهای ورودی (I_sw) و دامنۀ ولتاژ خازن C_r1 شبکۀ تشدید (VC_r1) کاهش می‌یابد. از طرفی، رابطۀ فرکانس رزونانس شارژر پیشنهادی در حالت CC و CV به ترتیب مطابق روابط (16) و (17) است؛ بنابراین، برای کاهش استرس جریان ورودی کلیدها (تلفات هدایتی کلیدها) و عملکرد شارژر پیشنهادی در هر دو حالت CC و CV در فرکانس رزونانس، باید مطابق رابطۀ (6) مقدار =1 C_n در نظر گرفته شود.

شکل (11): رابطۀ استرس جریان کلیدهای ورودی و دامنۀ ولتاژ خازن C_r1 برحسب تغییرات C_n

4- نتایج شبیه‌سازی و عملی نمونۀ آزمایشگاهی شارژر پیشنهادی و مقایسۀ عملکرد آن

مشخصات شارژر پیشنهادی مطابق جدول (1) است.

جدول (1): مشخصات شارژر پیشنهادی

شارژر پیشنهادی با توان نامی 1 کیلووات، فرکانس ثابت 100 کیلوهرتز، ولتاژ خروجی 450-250 ولت و جریان خروجی 22/2-44/0 آمپر تحت ولتاژ ورودی 400 ولت مطابق شکل (12) در نرم‌افزار PSIM شبیه‌سازی شده است. همچنین، سیستم آزمایشگاهی اجراشدۀ شارژر پیشنهادی در شکل (13) نشان داده شده است.

شکل (12): شبیه‌سازی شارژر پیشنهادی با نرم‌افزار PSIM

شکل (13): سیستم آزمایشگاهی اجراشدۀ شارژر پیشنهادی

محدودۀ تغییرات ولتاژ و جریان خروجی شارژر پیشنهادی تحت تغییرات بار در حالت CC و CV مطابق شکل (14) است. مطابق این شکل، زمانی که مبدل در حالت CC عمل می‌کند، جریان خروجی در مواجهه با تغییرات بار در مقدار 22/2 آمپر ثابت می‌ماند؛ در حالی ‌که با افزایش مقاومت، مقدار ولتاژ خروجی از 250 تا 450 ولت افزایش می‌یابد. همچنین، وقتی ولتاژ خروجی باتری به مقدار بیشینۀ 450 ولت می‌رسد، کلید کمکی S_a باز می‌شود و شارژر در حالت CV عمل می‌کند. در حالت CV، با افزایش مقاومت، مقدار جریان خروجی از 22/2 تا 44/0 آمپر کاهش می‌یابد؛ در حالی‌ که ولتاژ خروجی در مقدار 450 ولت ثابت می‌ماند.

شکل (14): محدودۀ تغییرات ولتاژ و جریان خروجی تحت شارژ CC و CV

 شکل موج‌های شبیه‌سازی و عملی نمونۀ آزمایشگاهی ولتاژ و جریان کلیدهای ورودی S_1,4 و S_2,3 در حالت CC تحت ولتاژ خروجی نامی (450 ولت) به ترتیب در شکل‌های (15) و (16) رسم شده است.

شکل (15): شکل موج شبیه‌سازی ولتاژ (V_sw1,2) و جریان (I_sw1,2) کلیدهای ورودی در حالت CC (v450=V_o)

 شکل (16): شکل موج تجربی ولتاژ (V_sw1,4) و جریان (I_sw1,4) کلیدهای ورودی در حالت CC (v450=V_o)

شکل موج‌های شبیه‌سازی و عملی نمونۀ آزمایشگاهی ولتاژ و جریان دیودهای خروجی D₁ و D₂ در حالت CC تحت ولتاژ خروجی نامی (450 ولت) به ترتیب در شکل‌های (17) و (18) رسم شده است.

شکل (17): شکل موج شبیه‌سازی ولتاژ (V_D1,2) و جریان (I_D1,2) دیودهای خروجی در حالت CC (v450=V_o)

شکل (18): شکل موج تجربی ولتاژ (V_D1) و جریان (I_D1) دیود خروجی در حالت CC (v450=V_o)

 به‌ منظور بررسی عملکرد مبدل در حداقل ولتاژ خروجی محدودۀ شارژ CC، شکل موج‌های شبیه‌سازی ولتاژ و جریان کلیدهای ورودی S_1,4، دیود خروجی D₁ و همچنین، کلیدهای ورودی S_2,3 و دیود خروجی D₂ در حالتCC تحت ولتاژ خروجی (250 ولت) به ترتیب در شکل‌های (19) و (20) نشان داده شده است. مطابق نتایج حاصل، شرایط کلیدزنی نرم شامل ZVS برای کلیدهای ورودی و ZCS برای دیودهای خروجی در کل محدودۀ ولتاژ خروجی حالت CC برقرار است و عملکرد مطلوب شارژر پیشنهادی تأیید می‌شود.

شکل (19): شکل موج شبیه‌سازی ولتاژ کلید ورودی (V_sw1) و دیود خروجی (V_D1) و جریان آنها (I_sw1) و (I_D1) در حالت CC (v250=V_o)

شکل (20): شکل موج شبیه‌سازی ولتاژ کلید ورودی (V_sw2) و دیود خروجی (V_D2) و جریان آنها (I_sw2 ,I_D2) در حالت CC (v250=V_o)

 شکل موج‌های شبیه‌سازی و عملی نمونۀ آزمایشگاهی ولتاژ و جریان کلیدهای ورودی S_1,4 و S_2,3 در حالت CV و تحت جریان خروجی نامی (22/2 آمپر) به ترتیب در شکل‌های (21) و (22) رسم شده است.

شکل (21): شکل موج شبیه‌سازی ولتاژ (V_sw1,2) و جریان (I_sw1,2) کلیدهای ورودی در حالت CV (A22/2=I_o)

شکل (22): شکل موج تجربی ولتاژ (V_sw1,4) و جریان (I_sw1,4) کلیدهای ورودی در حالت CV (A22/2=I_o)

شکل موج شبیه‌سازی و عملی نمونۀ آزمایشگاهی ولتاژ و جریان دیود D₁ و D₂ در وضعیت CV و تحت جریان خروجی نامی (22/2 آمپر) به ترتیب در شکل‌های (23) و (24) رسم شده است.

شکل (23): شکل موج شبیه‌سازی ولتاژ (V_D1,2) و جریان (I_D1,2) دیودهای خروجی در حالت CV (A22/2=I_o)

شکل (24): شکل موج تجربی ولتاژ (V_D1) و جریان‌ (I_D1) دیود خروجی در حالت CV (A22/2=I_o)

 به‌ منظور بررسی عملکرد مبدل در حداقل جریان خروجی محدودۀ شارژ CV، شکل موج‌های شبیه‌سازی ولتاژ و جریان کلیدهای ورودی S_1,4، دیود خروجی D₁ و همچنین، کلیدهای ورودی S_2,3 و دیود خروجی D₂ در حالت CV تحت جریان خروجی (44/0 آمپر) به ترتیب در شکل‌های (25) و (26) نشان داده شده است. مطابق نتایج استخراج‌شده، شرایط کلیدزنی نرم شامل ZVS برای کلیدهای ورودی و ZCS برای دیودهای خروجی در کل محدودۀ جریان خروجی حالت CV برقرار است و عملکرد مطلوب شارژر پیشنهادی تأیید می‌شود.

 شکل (25): شکل موج شبیه‌سازی ولتاژ کلید ورودی (V_sw1) و دیود خروجی (V_D1) و جریان آنها (I_sw1, I_D1) در حالت CV (A44/0=I_o)

شکل (26): شکل موج شبیه‌سازی ولتاژ کلید ورودی(V_sw2) و دیود خروجی (V_D2) و جریان آنها (I_sw2, I_D2) در حالت CV (A44/0=I_o)

مطابق نتایج حاصل از شکل‌های (15) تا (26)، شرایط کلیدزنی نرم ZVS در هر دو حالت CC و CVبرای کلیدهای ورودی S₁-S₄ تأیید می‌شود و استرس ولتاژ این کلیدها برابر ولتاژ ورودی 400 ولت است. همچنین، شرایط کلیدزنی نرم ZCS برای دیودهای خروجی در هر دو حالت CC و CV تأیید و در نتیجه، تلفات بازیابی معکوس آنها حذف می‌شود. علاوه بر این، استرس ولتاژ دیودهای خروجی برابر ولتاژ بیشینۀ باتری و برابر 450 ولت است.

شکل موج شبیه‌سازی جریان سلف شبکۀ تشدید و ولتاژ خازن‌های C_r1 و C_r2 شبکۀ تشدید در حالت CC و تحت ولتاژ نامی به ترتیب در شکل‌های (27) و (28) رسم شده است.

شکل (27): شکل موج شبیه‌سازی جریان سلف شبکۀ تشدید (I_Lr) در حالت CC

شکل (28): شکل موج شبیه‌سازی ولتاژ خازن‌های شبکۀ تشدید (VC_r1 , VC_r2) در حالت CC

شکل موج عملی نمونۀ آزمایشگاهی ولتاژ خازن‌های شبکۀ تشدید C_r1 و  C_r2در حالت CC تحت ولتاژ نامی در شکل‌ (29) رسم شده است.

شکل (29): شکل موج تجربی ولتاژ خازن‌های شبکۀ تشدید (VC_r1 , VC_r2) در حالت CC

 شکل موج شبیه‌سازی جریان سلف شبکۀ تشدید و ولتاژ خازن C_r2 شبکۀ تشدید در وضعیت CV تحت جریان نامی در شکل (30) رسم شده است. گفتنی است، اختلاف جزئی بین نتایج شبیه‌سازی و تجربی عمدتاً ناشی از غیرایده‌آل‌بودن قطعات، پارامترهای پارازیتی مبدل، تلرانس قطعات و محدودیت‌های تجهیزات اندازه‌گیری در نمونۀ آزمایشگاهی است.

شکل (30): شکل موج شبیه‌سازی جریان سلف (I_Lr) و ولتاژ خازن شبکۀ تشدید (VC_r2) در حالت CV

شکل موج عملی نمونۀ آزمایشگاهی ولتاژ خازن‌ شبکۀ تشدید C_r2 در حالت CV تحت ولتاژ نامی در شکل‌ (31) رسم شده است.

شکل (31): شکل موج تجربی ولتاژ خازن‌ شبکۀ تشدید (VC_r2) در حالت CV

پاسخ دینامیکی مبدل در حالت CC در شکل (32) رسم شده است. مطابق این شکل، با تغییر مقاومت خروجی از 180 به 115 اهم، جریان خروجی تقریباً در مقدار 22/2 آمپر ثابت است. علاوه بر این، پاسخ دینامیکی مبدل در حالت CV در شکل (33) رسم شده است. مطابق این شکل، با تغییر مقاومت خروجی از 225 به 450 اهم، ولتاژ خروجی در مقدار 450 ولت ثابت است.

شکل (32): پاسخ دینامیکی شارژر در حالت CC؛ ولتاژ خروجی (V_o) و جریان خروجی (I_o)

 شکل (33): پاسخ دینامیکی شارژر در حالت CV؛ ولتاژ خروجی (V_o) و جریان خروجی (I_o)

شکل (34) درصد انحراف جریان خروجی شارژر پیشنهادی تحت تغییرات ولتاژ در حالت CC و شکل (35) درصد انحراف ولتاژ خروجی تحت تغییرات بار در حالت CV را نشان می‌دهد.

شکل (34): درصد انحراف جریان خروجی تحت تغییرات ولتاژ در حالت CC

 یکی از مهم‌ترین مزیت‌های شارژر پیشنهادی کسب پاسخ دینامیکی مطلوب تحت تغییرات بار در حالت CV و CC بدون سیستم کنترل حلقه‌بسته است. این مزیت به دلیل ویژگی خروجی مستقل از بار در مبدل پیشنهادی حاصل می‌شود.

 شکل (35): درصد انحراف ولتاژ خروجی تحت تغییرات بار در حالت  CV

 آنالیز تلفات شارژر پیشنهادی در توان نامی مطابق [22] ، [23] در شکل (36) در هر دو حالت CC و CV رسم شده است.

شکل (36): آنالیز تلفات شارژر پیشنهادی در حالت CC و  CV

نمودار بازده شارژر در شکل (37 الف) در حالت CV تحت تغییرات بار و در شکل (37 ب) در حالت CC تحت تغییرات ولتاژ خروجی رسم شده است. مطابق این شکل، حداکثر بازده شارژر 3/98 درصد، به دلیل تعداد کم عناصر کلیدزنی، عملکرد در فرکانس رزونانس، عملیات کلیدزنی نرم ZVS کلید‌های ورودی و عملیات کلیدزنی نرم ZCS دیودهای خروجی حاصل می‌شود.

شکل (37): بازده شارژر پیشنهادی. الف) حالت CV؛ ب) حالت CC

مقایسه عملکرد شارژر پیشنهادی با سایر شارژرهای CC و CV مبتنی بر مبدل تشدیدی در جدول (2) ارائه‌شده است.

تعداد المان‌های کلیدزنی، شامل کلیدهای کمکی، ماسفت و دیود و تعداد المان‌های مغناطیسی، شامل ترانسفورماتور و سلف در شارژر پیشنهادی نسبت به بسیاری از ساختارها مانند [25، 24، 18، 16، 14] به طور مؤثر کاهش یافته است.

شارژر پیشنهادی شارژ CC و CV باتری را در فرکانس رزونانس (f_r=f_sw) کسب می‌کند؛ در حالی ‌که شارژرهای [14] ، [15] عملکرد CC و CV را در فرکانس رزونانس و نصف فرکانس رزونانس محقق می‌کنند که این امر سبب به‌کارگیری مدولاسیون PFM برای انتقال از CC به CV و در نتیجه، موجب پیچیدگی سیستم کنترل می‌شود. همچنین، شارژرهای [11] ، [25] برای کسب محدودۀ جریان و ولتاژ خروجی وسیع، باید در محدودۀ تغییرات فرکانس کلیدزنی گسترده کار کنند.

شارژر پیشنهادی با فرکانس ثابت، مشخصۀ خروجی ولتاژ و جریان مستقل بار را کسب می‌کند؛ در حالی که در شارژرهای [18]، [26]، با وجود فرکانس ثابت، خروجی این شارژرها به تغییرات بار وابسته است.

جدول (2): مقایسۀ عملکردی شارژر پیشنهادی با سایر شارژرهای CC و CV مبتنی بر مبدل تشدیدی

شارژ پیشنهادی با دست‌یابی به کلیدزنی نرم ZCS دیودهای خروجی در حالت CC و CV سبب حذف تلفات بازیابی معکوس دیودها و کاهش تلفات می‌‌شود؛ در حالی که در شارژرهای [25] ، [26]، کلیدزنی نرم برای کلیدهای خروجی فراهم نشده است.

5- نتیجه‌گیری

در این مقاله، ابتدا با بررسی مبدل‌های تشدیدی تاکنون ارائه‌شده، چالش‌های حوزۀ پژوهشی شارژ وسایل نقلیۀ الکتریکی مطرح شد. در ادامه، یک مبدل DC-DC ایزولۀ فرکانس ثابتِ تشدیدی با ویژگی خروجی مستقل از بار، کاهش تعداد عناصر کلیدزنی و مغناطیسی برای شارژ باتری وسایل نقلیۀ الکتریکی از حالت CC به CV ارائه شد.

با عملکرد مبدل پیشنهادی در هر دو حالت CC و CV در مقدار فرکانس رزونانس (f_r=f_sw)، به ترتیب دست‌یابی به ویژگی‌های‌ جریان و ولتاژ خروجی مستقل از بار حاصل می‌شود. از این رو، اجرای مشخصه‌های شارژ CC و CV بدون نیاز به سیستم کنترل حلقه‌بسته و در شرایط فرکانس کلیدزنی و ضریب وظیفۀ ثابت امکان‌پذیر است.

در طول حالت شارژ CC، با روشن‌بودن کلید کمکی S_a، مبدل پیشنهادی با مخزن تشدید LCC در فرکانس رزونانس کار می‌کند و می‌تواند به‌ عنوان یک منبع CC در نظر گرفته شود. در طول حالت شارژ CV، پس از قطع کلید کمکی S_a، ساختار مبدل پیشنهادی به یک مبدل تشدید LC تبدیل‌ می‌شود که با عملکرد در فرکانس رزونانس به ‌عنوان یک منبع CV عمل می‌کند.

مقایسۀ عملکردی مبدل پیشنهادی نسبت به سایر ساختارهای تاکنون ارائه‌شده در پژوهش‌های قبلی مطرح شد.

نتایج شبیه‌سازی و تجربی به‌دست‌آمده از یک نمونۀ شارژر 1 کیلووات فرکانس ثابت با ولتاژ خروجی 250-450 ولت و جریان خروجی 44/0-22/2 آمپر، عملکرد کلیدزنی نرم ZVS کلیدهای ورودی، عملکرد کلیدزنی نرم ZCS دیودهای خروجی، پاسخ دینامیکی مطلوب و تحلیل نظری مبدل را تأیید می‌کند.

*تاریخ ارسال مقاله  : 08/01/1405

تاریخ پذیرش مقاله : 09/06/1405

نام نویسنده مسئول : محمد علی شمسی نژاد

نشانی نویسنده مسئول : ایران، بیرجند، دانشگاه بیرجند، دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر