Algorithmic approach for optimal design of DAB converter

Abstract

O estudo em questão visa aprimorar um conversor Dual Active Bridge através de otimização algorítmica e explorar suas aplicações, especialmente como carregador on-board para veículos elétricos, onde é possível utilizar aplicações como V2G ou V2L, ou mesmo em outras situações que demandem conversores CC-CC isolados bidirecionais. O processo de otimização emprega um algoritmo de otimização por enxame de partículas para determinar os parâmetros construtivos ideais, incluindo o número de espiras no indutor, o comprimento do gap do indutor e as espiras nos enrolamentos do transformador primário e secundário. O objetivo é minimizar a soma global de perdas e identificar as frequências otimizadas para cada um dos quatro pontos de operação predefinidos. Subsequentemente, é elaborada uma tabela de consulta para otimizar a frequência como variável única, garantindo a eficácia operacional do conversor on-board em diferentes níveis de potência de saída e corrente. Para validar o estudo, um conversor foi projetado e construído com uma entrada de tensão de 400 V, potência de saída de 2 kW e várias faixas de tensão de saída, variando de 300 V a 450 V. As perdas no interruptor de potência e a eficiência geral do conversor foram comparadas com cálculos teóricos e resultados de simulação obtidos do PLECS 4.7.2, além do protótipo construído para testes experimentais. Os resultados obtidos confirmam a eficácia do método na construção de um conversor CC-CC bidirecional isolado, alcançando níveis de eficiência superiores a 95% para todos os pontos testados no protótipo construído.

Abstract: The aim of this study is to enhance a Dual Active Bridge converter through algorithmic optimization and explore its applications, notably as an on-board charger for electric vehicles where applications like V2G or V2L can be utilized, or in other instances requiring bidirectional isolated DC-DC converters. The optimization process employs a particle swarm optimization algorithm to determine the ideal construction parameters, including the number of turns in the inductor, the length of the inductor gap, and the turns in the primary and secondary windings of the transformer. The objective is to minimize overall losses and identify the optimized frequencies for each of the four predetermined operating points. Subsequently, a query table is developed to optimize the frequency as a single variable, ensuring the operational efficacy of the on-board converter at different output power and current levels. To validate the study, a converter was designed and constructed with a 400 V input voltage, 2 kW output power, and various output voltage ranges from 300 V to 450 V. Power switch losses and the overall converter efficiency were compared with theoretical calculations and simulation results obtained from PLECS 4.7.2, in addition to the prototype built for experimental testing. The obtained results corroborate the method's effectiveness in constructing an isolated bidirectional DC-DC converter, achieving efficiencies exceeding 95% for all tested points in the built prototype.