Två olika redundanta batterisystem för autonoma fordon har prövats. Ett offline-system och en variant av ett online-system. För att reglera det redundanta batteriets lägre spänning i båda
systemen har en boost-omvandlare konstruerats. Boost-omvandlaren har prövats individuellt innan den har testat med UPS-konstellationerna.
5.1 Utvärdering av boost-omvandlare
Boost-omvandlarens primära uppgift är att transformer upp det redundanta batteriets spänningsnivå till 24 volt över tilltänkt UPS-försörjd kontrollenhet. Uppdelning av kontrollenheternas funktionalitet är ännu inte fastställd. Istället har ett estimerat värde på strömmen bestämts till den tilltänkta UPS-försörjda kontrollenheten på 20 ampere. Med en verkningsgrad på 0.9 kan strömmen in beräknas med ekvation
𝜂 =𝑃𝑈𝑇
𝑃𝐼𝑁 ↔𝐼𝐼𝑁=𝑉𝑈𝑇∗ 𝐼𝑈𝑇
𝑉𝐼𝑁∗𝜂 (17)
Med ekvation 17 beräknas medelströmmen in till 53,3 ampere med en spänning in på 10 volt. Toppströmmen beräknas med ekvation 3 och uppskattas till 54,58 ampere. Det existerar IC-kretsar som är designade för att kontrollera boost-omvandlare som kan uppnå en verkningsgrad upp mot 0,98–0,99. Medel strömmen in sjunker då till 49,7–50,2 ampere.
Vid design av kretskort skall ledningsarean anpassas efter den beräknade toppströmmen och medelströmmen. Hos dom flesta kretskortstillverkare är den maximala tjockleken på varje
kopparlager 0,637 mm. Ett kretskort med en koppartjocklek på 0,637 mm krävs en ledningsbredd på 97,2 mm för att klara en toppström på 54,58 ampere. Ledningsbredden är beräknad med en
lufttemperatur på 25 ℃ och en temperaturstegring på 10 ℃ när toppströmmen flyter genom kretskortets ledningar.
Om inte omöjligt så är en ledningsbredd på 97,2 mm väldigt opraktiskt. Det finns dock ett fåtal kretskortstillverkare som kan tillverka kretskort med tjockare kopparlager. Specialtillverkade kretskort med extremt tjocka kopparlager är väldigt kostsamt.
Induktorer som klarar den höga toppströmmen som samtidigt har den induktans som krävs finns inte att köpa direkt färdig från butik. Synnerhet induktorns ledningsarea begränsar utbudet. Det är möjligt att specialbeställda induktorer anpassade efter projektets behov. Induktansen kan minskas genom att öka omkopplarens frekvens. Dock påverkas omvandlarens verkningsgrad negativt av en ökad frekvens då omkopplings förlusterna ökar.
Boost-omvandlaren konstruerad under projekts gång klarar inte att leverera en ström på 20 ampere. För att kunna kraftförsörja höga laster och samtidigt uppnå en hög effekt behövs en rad åtgärder genomföras.
5.2 Utvärdering av offline-system
Ett offline-system har prövats och undersökts. Främst har övergången mellan primär- och redundant-kraftkälla varit av intresse. Vid övergången blir tilltänkt UPS-försörjd kontrollenhet utan effekt i ungefär 1,3 ms. Längden på tidsperioden kontrollenheten är utan effekt beror mycket på reläts karakteristik. Det tar även en mindre tid för det redundanta batteriets ström att gå från 0% till 100% vid övergång.
Tidsperioden vid övergången mellan primär- och redundant kraftkälla kan minskas med snabbare relän. Ett ytterligare alternativ som skulle kunna minska övergångstiden är att byta ut reläna mot en omkopplare konstruerad av transistorer. Problemet kommer dock kvarstå, tilltänkt UPS-försörjd kontrollenhet blir utan effekt under en tidsperiod vid övergången mellan kraftkällor. Detta utgör en risk för omstart av kontrollenhet även om enheten skulle vara strömlös under en kort tidsperiod. Risken för omstart av kontrollenheten minskar med kortare tidsperiod utan effekt. Skulle
kontrollenheten startas om under drift finns det en risk att fordonet framföras blint under omstartsperioden.
Vid övergången från redundant- till primär-kraftförsörjning orsakar det normalt stängda relät kontaktorstudsar när det sluter. Huruvida kontaktorstudsar orsakar störningar på UPS-försörjd kontrollenhet bör undersökas. Kontaktorstudsar kan förhindras både med hårdvara eller mjukvara.
5.3 Utvärdering av online-system
Olika former av övergångar mellan kraftkällor har undersökts hos ett online-system. Ingen omkopplare behövs till skillnad mot ett offline-system. Kraftkällorna fungerar i symbios med varandra. Testerna när kraftkälla sänks successivt börjar den recessiva kraftkällan leda ström när spänningsnivån är 97,87% av den dominanta kraftkällan. Vid abrupt avbrott och återupptagande av primärkälla sker ingen strömförsörjning av någon kraftkälla under en tidsperiod på 2 ms. Istället strömförsörjs lasten av omvandlarens induktor. Vid samtliga test blir tilltänkt UPS-försörjd kontrollenhet aldrig utan effekt, vilket tar bort risken för omstart av UPS-försörjd kontrollenhet. Övergången från redundant- till primär-kraftkälla vid två test stiger den primära spänningen snabbt. Boost-omvandlaren hinner inte att reglera sin pulskvot tillräckligt snabbt. En rippelspänning över lasten uppstår som ligger över tillåten nivå för spänningsrippel under kort tid. Rippelspänningen är uppmätt till 7,64 volt och 11,72 topp- till topp-volt när primärkällan återupptas.
Enligt Scanias föreskrifter tillåts en tillfällig rippelspänning på 6 volt topp till topp. Översvängen är något som kan överbryggas på flera olika sätt. Det finns ett flertal elektriska DC-mjukstartsapparater på marknaden som kan appliceras på detta projekt. I ett flertal IC-kretsar designade för att
kontrollera boost-omvandlare finns även överspänningsskydd inbyggt. En extern krets som tar hand om överspänningar kan även ses som ett alternativ.
Spänningar under 24 volt behöver boost-omvandlaren transformera upp spänningen till den UPS-försörjda kontrollenheten. Spänningar mellan 24 och 32 volt däremot hålls regulatorns omkopplare öppen. Den primära spänningen transformeras varken upp eller ner mellan dessa spänningar. Den primära strömmen kommer fortfarande att vandra genom omvandlarens induktor och diod. Det är därför fördelaktigt att välja en induktor med låg intern resistans. I synnerhet vid höga strömmar och höga laster. Detta för att undvika spänningsdelning mellan induktorn och tilltänkt UPS-försörjd kontrollenhet. Av samma anledning bör dioden bytas ut mot en transistor som arbetar synkront mot omvandlarens omkopplare. Transistorer har vanligtvis lägre resistans i sitt slutna läge än dioder.
En kombinerad buck/boost-omvandlare är något som inte behöver övervägas hos ett offline-system, där DC/DC-omvandlaren endast behöver transformera upp det redundanta batteriets spänningen. När det gäller online-system bör en kombinerad buck/boost-omvandlare övervägas. Det gäller främst om den primära spänningen stiger över 24 volt. Stiger spänningen över 24 volt kan en buck/boost-omvandlare transformera ner spänningen över den tilltänkta UPS-försörjda kontrollenheten. En negativ aspekt är att verkningsgraden är lägre hos en kombinerad buck/boost-omvandlare jämfört med en separat boost-omvandlare.
6 Slutsats
Under projektets gång har svårigheter att hantera lågresistiva laster och höga strömmar genom boost-omvandlaren stöts på. För att det redundanta systemet skall klara att hantera dessa problem i framtiden rekommenderas en rad åtgärder.
En parallellkopplad synkron boost-omvandlare eller en så kallad synkron multifas boost-omvandlare är något som bör utvärderas. En synkron multifas boost-omvandlare kan konstrueras för att hantera dom höga strömmar som behöver flyta genom omkopplaren för att leverera 20 ampere till UPS-försörjt kontrollsystem. Kretskortets ledningsbredd kan minskas och toppströmmen flyter genom fler induktorer i en multifas-omvandlare. Genom att dela upp strömmen in kan storleken på induktorerna minskas, vilket eliminerar problemet med en specialtillverkad induktor för en enfas omvandlare. Mindre induktorer finns som beställningsvara och minskar kostnaden för att tillverka omvandlaren, en stor fördel då induktorn är den komponenten som utgör den största kostnaden i en boost-omvandlare. Multifas omvandlare kan även öka det redundanta systemets tillförlitlighet då strömmen i omvandlaren inte förlitar sig på endast en väg. Under projektets gång har flera IC-kretsars datablad undersöks. Det finns ett flertal IC-kretsar designade just för att parallellkoppla boost-omvandlare.
Figur 39: Boost-omvandlare 2 fas
På grund av begränsningar i projektet har inte PID-reglering inkorporeras i boost-omvandlarens mjukvara. Med PID-reglering hade omvandlaren minskat rippelspänning som kan uppstå på övergångar mellan olika kraftkällor något som hade gynnat online-systemet. Rippelspänningar på boost-omvandlaren är något som behöver utvärderas.
Något som behöver undersökas är hur länge kontrollenheterna klarar sig utan ström, men även hur kontrollenheterna beter sig samt vilka fel som kan uppstå under korta avbrott. Sammanställning av fel och kontrollenheternas tillgänglighet bör utvärderas under avbrott med olika tidslängder. Bedöms risken för en strömlös kontrollenhet vara för stor kan offline-system uteslutas.
Uppdelning av kontrollsystemets funktionalitet är något som behöver fastställas. När väl uppdelning är klar kan det redundant försörjda kontrollsystemets strömförsörjning fastställas.
Med strömförsörjning fastställd kan det redundanta systemets boost-omvandlare anpassas och optimeras.
Kostnaden för båda system ligger i närheten av varandra. Båda system kommer utgå från boost-omvandlare med ungefär samma krav. Batteriladdare till vardera system kommer vara identiska. Skillnaden ligger i övergångsfunktionen där offline systemet kräver lite fler och dyrare komponenter för att fungera. Inget av systemen kan uteslutas vidare, undersökningar bör göras på både online- och offline-systemet.
Referenser
allaboutcircuits.se. (den 11 juni 2015). Hämtat från allaboutcircuits:
https://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/discontinuous-conduction-mode-of-simple-converters/
Analog devices. (2018). Hämtat från analog: https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/4013fa.pdf
Coates, E. (den 22 Dec 2018). learnabout-electronics. Hämtat från boost converters: http://www.learnabout-electronics.org/PSU/psu32.php
contributors, W. (den 15 Febuary 2019). Wikipedia, The Free Encyclopedia. Hämtat från Boost converter: https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Boost_converter&oldid=883484784 Hauke, B. (jan 2014). TI. Hämtat från TI: http://www.ti.com/lit/an/slva372c/slva372c.pdf
https://web.archive.org/. (Nov 2000). Hämtat från web.archive.:
https://web.archive.org/web/20130326072442/http:/www.emersonnetworkpower.com/en-
US/Brands/Liebert/Documents/White%20Papers/High-Availability%20Power%20Systems,%20Part%20I_UPS%20Internal%20Topology.pdf Feb 2019 Stasi, F. D. (2015). Working with Boost Converters. Texas instrument. Hämtat från
http://www.ti.com/lit/an/snva731/snva731.pdf den 18 Februari 2019
Szaniawski, M. (maj 2017). http://www.monolithicpower.com. Hämtat från monolithicpower: http://www.monolithicpower.com/pub/media/document/AN122%20Selecting%20a%20Boo st%20Regulator%20and%20Its%20Inductor.pdf