Development of power converters for electric vehicle charging with photovoltaics interface

Abstract

Dissertação de mestrado em Engenharia Eletrónica e de Computadores Currently, an increasing bet in electric mobility has been made, particularly in electric vehicles (EV) and plug-in hybrid vehicles (PHEV). However, in addition to the high initial costs, the EVs feature a very low autonomy when compared with a traditional car. By charging the batteries of the EV using a renewable energy source, it is possible to make the system virtually emissions-free, since the production of electric power, as well as inexhaustible, is made without the use of fossil fuels (e.g. natural gas and coal). In addition, the benefits to the economy of the country are also evident, since we are contributing to the decrease of importing costs of these fossil fuels. As such, the main objective of this dissertation is the development and implementation of an integrated bi-directional converter (DC-DC and DC-AC) in order to connect an array of photovoltaic panels to the battery pack of an EV and to the power grid. In conventional systems, the electrical energy produced by the photovoltaic panels is injected into the grid and the batteries are charged from the grid. The aim is to develop a more efficient charging method which consists in charging the batteries directly from the PV panels. In this way it is possible to avoid the losses associated with the conversion of energy. The converter will allow the charging of the EV’s batteries directly from the PV panel, that is, without making DC-AC and AC-DC conversions, ensuring that the surplus energy is injected into the power grid. On the other hand, if the solar energy absorbed by the PV panel is insufficient to charge the batteries, the rest of the power needed to charge the batteries will be drawn from the grid. Naturally, if the batteries of the EV are already charged or no EV is connected to the system, all of the energy extracted from the PV panel will be injected into the power grid. Finally, the batteries will be able to deliver part of their stored energy to the power grid. Atualmente, tem vindo a ser feita uma aposta crescente na mobilidade elétrica, nomeadamente nos veículos elétricos (VE) e nos veículos híbridos Plug-in (PHEV). Contudo, para além do custo inicial elevado, os VEs apresentam uma autonomia muito baixa quando comparados com um automóvel tradicional. Ao carregar as baterias do VE através de uma fonte de energia renovável, é possível tornar o sistema virtualmente livre de emissões, uma vez que a produção de energia elétrica, para além de inesgotável, é feita sem o uso de combustíveis fósseis (e.g. gás natural e carvão). Para além disso, as vantagens para a economia do País também são evidentes, uma vez que estamos a contribuir para a diminuição dos gastos na importação dos referidos combustíveis fósseis. O objetivo principal desta dissertação é o desenvolvimento e implementação de um conversor integrado bidirecional (CC-CC e CC-CA) de modo a ligar um array de painéis fotovoltaicos ao pack de baterias de um VE e à rede elétrica. Nos sistemas de carregamento convencionais, a energia elétrica produzida pelos painéis fotovoltaicos é injetada na rede elétrica e as baterias são carregadas a partir da rede. Pretende-se desenvolver um método de carregamento mais eficiente que consiste em carregar as baterias do VE diretamente dos painéis fotovoltaicos. Deste modo, evitam-se as perdas associadas à conversão de energia. O conversor permitirá que as baterias do VE sejam carregadas diretamente do painel fotovoltaico, isto é, sem proceder a conversões de CC-CA e CA-CC, assegurando que a energia excedente é injetada na rede elétrica. Caso a energia solar absorvida pelo painel fotovoltaico seja insuficiente para fazer o carregamento das baterias, estas serão carregadas a partir da rede elétrica. Naturalmente, caso as baterias do VE já se encontrem carregadas ou nenhum VE se encontre ligado ao sistema, toda a energia extraída do painel fotovoltaico será injetada na rede elétrica. Finalmente, as baterias serão capazes de devolver parte da sua energia armazenada à rede elétrica.

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• http://hdl.handle.net/1822/55233