Teza Tudor Gherman – gcer.utcluj.ro

Este bine cunoscut faptul că în ultimul deceniu, din nevoia de conservare a mediului înconjurător, atât la nivel academic cât și la nivelul industriei, s-au făcut eforturi considerabile de a înlocui sursele de energie convenționale cu surse de energie regenerabile (cunoscute și ca energii “verzi”). Acestă tendință s-a manifestat și în industria constructoare de automobile, acolo unde vehiculele electrice încep să ocupe o cotă tot mai semnificativă din piață.

Pentru a facilita și a accelera dezvoltarea sistemelor de control a echipamentelor electrice sau mecanice cu un grad de complexitate similar cu cel presupus de sistemele de la bordul vehiculelor electrice și al infrastructurii de încărcare aferente, în literatura de specialitate au fost propuse simulările de tipul “Hardware In the Loop” (HIL). Recent apărutele dispozitive pe bază de carburi de siliciu (SiC) sau nitrură de galiu (GaN) permit obținerea unei eficiențe crescute a convertoarelor din alcătuirea încărcătoarelor de baterie făcând posibilă creșterea frecvenței de comutație a acestora cu scopul de a reduce amplitudinea riplului formelor de undă caracteristice și de a reduce dimensiunea componentelor (în special a celor magnetice) necesare. Frecvența de comutație crescută permite la rândul ei obținerea unei frecvențe de tăiere crescute a buclei de control, fapt ce constrânge suplimentar latența sistemului de control. Pentru obținerea unor modele precise, simulatoarele în timp real necesită și ele latențe foarte scăzute. Pe deasupra, luând în calcul complexiatea algoritmilor de control utilizați și numărul de funcționalități care trebuie implementate la nivelul sistemului digital al unui vehicul electric, dispozitivele programabile cunoscute sub numele de “Field Programmable Gate Array” (FPGA) se profilează tot mai mult ca soluții pentru rezolvarea problemelor legate de viteza de calcul sau integrarea unui număr mare de funcții pe un singur dispozitiv. Dacă utilizarea dispozitivelor FPGA pentru platformele de dezvoltare dedicate prototipării rapide reprezintă deja norma, astfel de dispozitive ajung să fie utilizate și pe produse de larg consum.

Având în vedere creșterea complexității sistemelor de control digitale aferente funcțiilor de încărcare și management al bateriei, creșterea interesului pentru utilizarea dispozitivelor FPGA atât în faza dezvoltării (pentru prototipare rapidă) cât și în producție, lucrarea de față își propune proiectarea unei platforme hardware și a unei proceduri care să contribuie la scăderea costului, la creșterea fiabilității, la integrarea, la accelerarea și la facilitarea dezvoltării sistemului de încărcare și management al bateriei.

Contribuții personale:

Arhitectura sistemului propus pentru facilitarea și accelerarea procesului de dezvoltare a sistemului de control digital pentru convertoarele de putere din alcătuirea încărcătorului de baterie de vehicul electric.
Modul de utilizare a interfețelor AD și DA pentru determinarea experimentală a caracteristicii de frecvență a convertoarelor de putere (sau a simulatoarelor în timp real ale acestora) atunci când bucla de control este deschisă și a câștigului buclei atunci când bucla este închisă.
Arhitectura generatorului PWM discret ce maximizează performanțele ce pot fi obținute pe dispozitivele FPGA.
Analiza comparativă a metodelor de rezolvare a sistemelor de ecuații diferențiale ordinare din perspectiva implementării simulatoarelor în timp real ale circuitelor electrice.
Dezvoltarea unui model de simulare în timp real bazat pe un model echivalent comutat pentru topologia PS.
Valoarea scăzută (20ns pe un dispozitiv ZYNQ XC7Z020) a pasului de simulare pentru simulatorul în timp real al convertorului Boost și PS.
Portabilitatea, fidelitatea, simplitatea și numărul redus de resurse digitale necesare simulatoarelor în timp real dezvoltate.
Studiul aprofundat al ciclului limită și analiza relației dintre valoarea pasului de simulare și apariția acestuia în simulări de tipul HIL ca efect ce nu modelează un comportament real al sistemului simulat.
Abilitatea platformei dezvoltate de a exemplifica utilizarea simulatorului în timp real dezvoltat atât în simulări HIL cât și în sisteme de detecție de eroare.
Adaptarea unor plăci de dezvoltare și a unor instrumente (Analog Discovery) cu cost redus pentru aplicații care în mod convențional sunt implementate pe platforme cu costuri mult superioare.