MCU controlled DC-DC Buck/Boost converter for supercapacitors

Abstract

[ANGLÈS] This work is focused on DC to DC conversion, what is a crucial function to enable the use of supercapacitors for energy storage. A theoretical study and comparison of methods, algorithms and techniques for software controlled DC-DC converters have been used to develop a system what can step up or down a DC variable voltage and transform it into a steady state voltage. As a result a new control theory based on Bang-Bang control has been developed with an ARM LPC1768 processor. It was implemented to solve the commercial converters problems because they cannot work with supercapacitors due to their low internal resistance. The outcome is a device what can provide a programmable voltage between 4.5 V and 25 V, hardware can support up to 6 A and it is able to control the operating current flowing through the converter. It can be used with the supercapacitors as shown in this work but it can also be used as a general platform for voltage and energy conversion. Furthermore, the designed hardware has the potential to work with smart grids via Ethernet connector, solar panels with MPPT algorithms and, at last, manage energy between different kinds of DC voltage sources and devices.

[CASTELLÀ] Este documento se centra en la implementación de un conversor DC/DC, el cual es un elemento clave en el uso de supercondensadores para el almacenamiento de energía. Se ha realizado un estudio teórico, así como el análisis de diferentes métodos, algoritmos y técnicas para el diseño de conversores DC/DC controlados por software con el objetivo de desarrollar un sistema capaz de elevar o reducir un voltaje DC de valor variable y transformarlo en una tensión constante. Asimismo, se ha desarrollado una nueva teoría de control basada en el control Bang-Bang sobre un microprocesador ARM LPC1768. Fue especialmente implementada para resolver los problemas de los conversores comerciales ya que estos no pueden trabajar con los supercondensadores debido a su baja resistencia interna. El resultado es un dispositivo que puede proporcionar una tensión programable desde 4,5 V hasta 25 V, con un hardware que soporta hasta 6 A y que es capaz de controlar la corriente que fluye a través del convertidor. Puede ser utilizado con los supercondensadores, como se muestra en este documento, pero también como una plataforma para la conversión de tensión y la gestión de energía. Además, el hardware diseñado tiene el potencial para funcionar con redes de potencia inteligentes mediante un conector Ethernet, paneles solares controlados con algoritmos MPPT y, a fin de cuentas, gestionar la transferencia de energía entre diferentes tipos de fuentes y dispositivos que operan con corriente continua.

[CATALÀ] Aquest document està centrat en la implementació d'un convertidor DC/DC, el qual és un element fonamental en l'ús de supercondensadors per a l'emmagatzematge d'energia. S'ha realitzat un estudi teòric, així com l'anàlisi de diferents mètodes, algorismes i tècniques per al disseny de convertidors DC/DC controlats per software amb la finalitat de desenvolupar un sistema capaç d'elevar o reduir un voltatge DC de valor variable i transformar-lo en una tensió constant. Així mateix, s'ha desenvolupat una nova teoria de control basada en el control Bang-Bang sobre un processador ARM LPC1768. Fou especialment implementada per a resoldre els problemes dels convertidors comercials ja que aquests no poden treballar amb els supercondensadors a causa de la seva baixa resistència interna. El resultat és un dispositiu que pot proporcionar una tensió programable des de 4,5 V fins 25 V, amb un hardware que suporta fins a 6 A i que és capaç de controlar el corrent que circula a través del convertidor. Pot ser utilitzat amb els supercondensadors, com es mostra en aquest document, però també com una plataforma per la conversió de tensió i la gestió d'energia. A més a més, el hardware dissenyat té el potencial per a funcionar amb xarxes de potència intel·ligents mitjançant un connector Ethernet, panells solars controlats amb algorismes MPPT i, al capdavall, gestionar la transferència d'energia entre diferents tipus de fonts i dispositius que operen amb corrent contínua.