MODELADO Y CONTROL DE CONVERTIDORES ELEVADOR / REDUCTOR PARA EL PROCESAMIENTO DE ENERGÍA DE BATERÍAS DE IONES DE LITIO

Abstract

"Los convertidores de CD-CD elevadores o reductores son las estructuras convencionales más utilizadas en la mayoría de las fuentes de poder. Con el desarrollo de nuevas tecnologías ha sido necesario convertidores con características tanto elevadoras como reductoras, por ejemplo, en sistemas alimentados por baterías de iones de litio como: dispositivos portátiles, centros de datos, y vehículos eléctricos. La desventaja de este tipo de baterías es su amplio rango de variación de voltaje. En esta tesis se analizan dos convertidores para ser usados en reguladores de voltaje, los cuales son adecuados para mantener un voltaje nominal constante a pesar de las variaciones de voltaje de las baterías de iones de litio. Estos convertidores cuentan con la capacidad de elevar o reducir el voltaje, una entrada de corriente no pulsante y una salida de voltaje no invertida. Primero, se realiza el estudio del convertidor SEPIC con celda de inductores, se analizan sus ventajas y desventajas, se realiza una estimación de eficiencia, y se construye un prototipo para pruebas experimentales de 120 W. Este prototipo regula variaciones en el voltaje de entrada de 17 V a 25 V a un voltaje de salida constante de 21 V para ser usado en computadoras portátiles. Segundo, se analiza el convertidor elevador/reductor con procesamiento de energía redundante reducida. Se analizan sus ventajas, se obtienen sus expresiones de diseño y sus modelos matemáticos. Resultados experimentales de un prototipo de 500 W validan el análisis teórico del convertidor. Este prototipo regula una variación en el voltaje de entrada de 40 V a 56 V a un voltaje de salida constante de 48 V para ser usado en vehículos eléctricos. Se diseña un controlador en modo-corriente para cada uno de los prototipos y se realizan pruebas en lazo cerrado con variaciones en el voltaje de entrada y en la carga."

"Step-up or step-down dc-dc converters are the conventional structures used in most applications. New technologies have raised the need for converters with both step-up and step-down characteristics, for example, in systems powered by lithiumion batteries like portable devices, data centers, and electric vehicles The disadvantage of this type of battery is that it has a wide range of voltage variations. In this thesis, two converters are developed for voltage regulators, which are suitable for maintaining a constant nominal voltage from the voltage variations of lithium-ion batteries. The converters feature a step-up/down voltage characteristic, a nonpulsing current input, and a non-inverting voltage output. First, the analysis of the SEPIC with a cell of inductors is described, its advantages and disadvantages are described, a breakdown of its efficiency estimation is made, and a 120 W prototype is built for experimental tests. This prototype regulates an input voltage variation from 17 V to 25 V to a constant output voltage of 21 V for laptop computers. Second, a step-up/down converter with reduced power processing is analyzed, and its advantages are pointed out; its design expressions and mathematical models are obtained. The transfer functions of interest are obtained from the linear model for control purposes. Experimental results of a 500 W prototype validate the theoretical analysis of the converter. This prototype regulates an input voltage variation from 40 V to 56 V to a constant output voltage of 48 V. A current-mode controller is designed for each of the prototypes, and closed-loop tests of input voltage variations and load variations are performed. Both regulators work properly despite disturbances."