Thesis:

Análisis de fallas en estaciones de carga rápida para vehículos eléctricos

Es innegable el potencial e incremento de los vehículos eléctricos en el transporte, dado que es un componente vital para la descarbonización y transición energética. Esto se condice con una gran demanda en la infraestructura de carga, la cual posee una gran relevancia para una expansión de un medio de transporte descarbonizado. Es por ello que es necesario no solamente considerar el incremento de dicha infraestructura, sino que también es necesario extender la vida útil de la ya existente. Hay una diversa variedad de perfiles de carga capaces de alimentar las baterías de vehículos eléctricos, las cuales son diseñadas teniendo en cuenta consideraciones físico-químicas de las baterías de ion-litio. Existe un amplio espectro de investigaciones en relación con los perfiles de carga que se han hecho al respecto desde el punto de vista de las baterías. Sin embargo, faltan precedentes que detallen cómo estos perfiles impactan en las estaciones de carga rápida. En este trabajo se tiene como objetivo principal llevar a cabo un estudio del impacto de perfiles de carga de baterías en estaciones de carga de vehículos eléctricos a través del análisis de acumulación de daño en los semiconductores de dichas estaciones. Con ello se pretende determinar qué perfil de carga podría extender la vida útil y aumentar la confiabilidad y disponibilidad de esta importante infraestructura de transición energética. La principal razón de fallas en los semiconductores son los ciclos térmicos, dado en gran medida a la fatiga que producen en los materiales del encapsulado debido a la expansión y compresión de los mismos, sobre todo en el punto de juntura del MOSFET. Es por ello que en este trabajo se obtiene la temperatura del punto de juntura a través del análisis de Cauer, el cual es alimentado por las pérdidas que se producen en los semiconductores durante todo el proceso de carga. Para lograr un análisis detallado del impacto que se tiene en los semiconductores, en primera instancia se debe determinar qué factores se van a considerar y bajo qué circunstancias de operación. Para poder tener un análisis que represente diferentes temperaturas ambientes, se obtendrán datos bajo tres condiciones climáticas: una de 10°C, otra de 20°C y otra de 30°C. Esto es para poder observar el impacto que tiene la temperatura ambiente en los ciclos térmicos de los semiconductores. Para un análisis en el que se consideren el tipo de configuración, así como el impacto que se tiene en la potencia de los semiconductores, se estudian dos convertidores: el Terra HPC150 de la empresa ABB y el Supercharger de la empresa Tesla. A los MOSFET seleccionados para el análisis se les obtienen las pérdidas durante diferentes etapas del proceso de carga para así simular las pérdidas obtenidas durante todo el proceso. Para este propósito se usan herramientas como PLECS, Matlab y Simulink, dado que son necesarias para el manejo de datos que se emplea. En la práctica y en la literatura existe un amplio desarrollo de perfiles de carga, para el propósito de esta tesis se emplearán los más comunes, Constant Current-Constant Voltage (CC-CV), Multi-Stage Constant Current (MSCC), Boost Charging (BC) y Pulse Charging (PC). Para los cuales se empleará el ratio C para medir las corrientes, en donde 1C equivale a la corriente necesaria para cargar la batería completamente en una hora. Para el caso del convertidor de ABB, dado a las limitaciones de potencia, se emplearán corrientes de 1C y 2C. En el caso de Tesla, se consideran los perfiles de manera bastante similar a los de ABB, pero en vez de que se realice con corrientes máximas de 2C, se realiza con 3C, esto debido a que el convertidor puede entregar mayor potencia a las baterías. Los resultados obtenidos en la tesis muestran una similitud bastante evidente entre los perfiles con baja corriente en los convertidores. Esto se debe principalmente a las formas parecidas en que se comportan, así como a la manera en que se construyen los vectores de pérdidas de potencia a lo largo del ciclo de carga. En cuanto a las corrientes más altas, es decir, entre los perfiles CC-CV, MSCC y BC, este fenómeno se repite. Sin embargo, en cuanto al perfil de carga PC, se muestra un evidente deterioro de los semiconductores, superando con creces a los demás perfiles. También se aprecia el impacto que la frecuencia produce en los semiconductores, ya que el pulso de 25 Hz es menos dañino que el caso de 1 Hz. Esto se debe principalmente a que la frecuencia, sobre todo por la inercia térmica del disipador, está directamente relacionada con el tamaño de los ciclos térmicos. Los pulsos de corriente de 1 Hz son causantes de ciclos de temperaturas que pueden llegar a tener más de 70 °C de diferencia, mientras que en el caso de 25 Hz, la diferencia llega a solo 20 °C. La principal conclusión del estudio indica que el perfil de carga que presenta un mayor daño acumulado al punto de juntura de los MOSFET es el PC.

The potential and growth of electric vehicles in transportation is undeniable, given that they are a vital component for decarbonization and the energy transition. This is consistent with a high demand on charging infrastructure, which is highly relevant for the expansion of decarbonized transportation. Therefore, it is necessary not only to consider increasing this infrastructure but also to extend the lifespan of existing infrastructure. There are a diverse variety of charging profiles capable of powering electric vehicle batteries, which are designed taking into account the physical and chemical considerations of lithium-ion batteries. A wide range of research has been conducted on charging profiles from a battery perspective. However, there is a lack of precedents detailing how these profiles impact fast-charging stations. The main objective of this work is to conduct a study of the impact of battery charging profiles on electric vehicle charging stations by analyzing the damage accumulation in the semiconductors of these stations. The aim of this study is to determine what loading profile could extend the useful life and increase the reliability and availability of this important energy transition infrastructure. Thermal cycling is the main cause of semiconductor failure, largely due to the fatigue it produces in the packaging materials due to their expansion and compression, especially at the MOSFET junction. Therefore, in this work, the junction temperature is obtained through Cauer analysis, which is based on the losses that occur in semiconductors throughout the charging process. To achieve a detailed analysis of the impact on semiconductors, the first step is to determine which factors will be considered and under what operating circumstances. To perform an analysis that represents different ambient temperatures, data will be obtained under three climatic conditions: one at 10°C, another at 20°C, and another at 30°C. This is to observe the impact that ambient temperature has on semiconductor thermal cycling. For an analysis that considers the type of configuration and its impact on semiconductor power, two converters are studied: the Terra HPC150 from ABB and the Supercharger from Tesla. The losses of the MOSFETs selected for the analysis are obtained during different stages of the charging process in order to simulate the losses obtained throughout the process. For this purpose, tools such as PLECS, Matlab, and Simulink are used, since they are necessary for the data management used. In practice and in the literature, there is a wide development of charging profiles; for the purpose of this thesis, the most common ones will be used: Constant Current-Constant Voltage (CC-CV), Multi-Stage Constant Current (MSCC), Boost Charging (BC), and Pulse Charging (PC). For these, the C ratio will be used to measure currents, where 1 C is equivalent to the current required to fully charge the battery in one hour. In the case of the ABB converter, given power limitations, currents of 1C and 2C will be used. In the case of the Tesla, the profiles are considered quite similarly to those of the ABB, but instead of using maximum currents of 2C, they are used with 3C, this because the converter can deliver greater power to the batteries. The results obtained in the thesis show a quite evident similarity between the low-current profiles in the converters. This is mainly due to the similar ways in which they behave, as well as the way the power loss vectors are constructed throughout the charging cycle. Regarding the higher currents, that is, between the CC-CV, MSCC, and BC profiles, this phenomenon is repeated. However, regarding the PC charging profile, there is evident deterioration of the semiconductors, far exceeding the other profiles. The impact of frequency on semiconductors is also evident, as the 25 Hz pulse is less damaging than the 1 Hz pulse. This is primarily due to the fact that frequency, especially due to the heatsink's thermal inertia, is directly related to the magnitude of thermal cycles. 1 Hz current pulses cause temperature cycles that can differ by more than 70°C, while at 25 Hz, the difference is only 20°C. The main conclusion of the study indicates that the load profile that causes the greatest cumulative damage to the MOSFET junction point is the PC.