طراحی و شبیهسازی مبدل بسیار افزاینده dc/dc برای خودروهای الکتریکی پیل سوختی
محورهای موضوعی : مهندسی برق الکترونیک
ماهر عبدالنبی الوان
1
(
دانشکده مهندسی برق، واحد اصفهان (خوراسگان)، دانشگاه آزاد اسلامی، خوراسگان، اصفهان، ایران
)
غضنفر شاهقلیان
2
(
دانشکده مهندسی برق، واحد نجف آباد، دانشگاه آزاد اسلامی، نجف آباد، ایران
)
کلید واژه: خازن کلمپ, کلیدزنی در جریان صفر, کلیدزنی در ولتاژ صفر, مبدل بسیار افزاینده,
چکیده مقاله :
مبدلهای بسیار افزاینده در خودروهای برقی کاربرد وسیعی دارند زیرا استفاده از باطری و پیل سوختی باعث میشود که برای درایو موتور الکتریکی سطح ولتاژ افزایش یابد. از مشکلات مبدلهای افزاینده، افزایش حجم و وزن به علت ترانسفورماتورهای افزاینده است. تاکنون روشهای متنوع مانند خازن سوییچ شونده، سلف تزویج شده و مدارهای ضربکننده برای حذف ترانسفورماتور و کاهش حجم و وزن مدار استفاده شده است. برای کاهش بیشتر حجم و وزن مدار لازم است تا فرکانس کلیدزنی افزایش یابد و که تنها با استفاده از روش کلیدزنی نرم امکانپذیر است. استفاده از سوییچ کمکی برای ایجاد شرایط کلیدزنی نرم در اکثر روشها مرسوم است زیرا عدم استفاده از سوییچ کمکی استرس ولتاژ و جریان به مدار تحمیل میکند. در این مقاله یک مبدل بسیار افزاینده با مدار کمکی گذار ولتاژ صفر (ZVT) ارائه شده که شرایط کلیدزنی در ولتاژ صفر برای روشن شدن سوییچ و کلیدزنی در ولتاژ صفر برای خاموش شدن سوییچ فراهم میکند. استرس ولتاژ مبدل بسیار پایین است و تمام دیودها بهصورت کلیدزنی در جریان صفر خاموش میشوند و لذا مشکل بازیابی معکوس ندارند. همچنین خازن کلمپ علاوه بر جذب انرژی سلف نشتی به افزایش بهره مبدل کمک میکند. مبدل ارائه شده در نرم افزار پی-اسپایس شبیهسازی شده است. نتایج شبیهسازی با استفاده از یک نمونه اولیه آزمایشگاهی، اثربخشی و امکان‌سنجی مبدل مورد مطالعه و مناسب بودن آن برای وسایل نقلیه الکتریکی پیل سوختی را تأیید میکند.
Step-Up DC-DC Converters are widely used in electric vehicles, because the use of batteries and fuel cells increases the voltage level to drive the electric motor. One of the problems of step-up converters is the increase in volume and weight due to step-up transformers. So far, various methods, such as switched capacitor, coupled inductor and multiplier circuits, have been used to eliminate the transformer and reduce the volume and weight of the circuit. To further reduce the volume and weight of the circuit, it is necessary to increase the switching frequency, which is possible only by using the soft switching method. Using an auxiliary switch to create soft switching conditions is common in most methods, because not using an auxiliary switch imposes voltage and current stress on the circuit. In this article, a step-up converter with an auxiliary circuit of zero voltage transition (ZVT) is presented, which provides switching conditions at zero voltage to turn on the switch and switching at zero voltage to turn off the switch. The voltage stress of the converter is very low, and all the diodes are switched off at zero current, so they do not have reverse recovery problems. Also, in addition to absorbing the energy of the leakage inductor, the clamp capacitor helps to increase the gain of the converter. The provided converter is simulated in P-Spice software. To check the performance of the converter, a laboratory model with a power of 150 watts has been designed and tested.
[1] A. Golsorkhi, B. Fani, M. Delshad, H. Saghafi, "A three‐stage multi‐agent‐based peer‐to‐peer method for fault isolation of high distributed generation penetrated distribution networks", IET Renewable Power Generation, vol. 17, no. 5, pp. 1255-1266, April 2023, doi: 10.1049/rpg2.12680.
[2] G. Shahgholian, S.M.A. Zanjani, "A study of voltage sag in distribution system and evaluation of the effect of wind farm equipped with doubly-fed induction generator", Revue Roumaine des Sciences Techniques, vol. 68, no. 3, pp. 271-276, Dec. 2023, doi: 10.59277/RRST-EE.2023.3.4.
[3] H. Moradmand-Jazi, E. Adib, B. Fani, "Investigation and improvement of high step- up converters for pv module applications", Journal of Intelligent Procedures in Electrical Technology, vol. 7, no. 28, pp. 35-44, March 2017, dor: 20.1001.1.23223871.1395.7.28.4.9.
[4] R. Ghobadi, G Shahgholian, "Providing improved structure and adaptive control strategy for solar system with the ability to improve power quality in islanded microgrid", Technovations of Electrical Engineering in Green Energy System, vol. 2, no. 4, pp. 19-37, March 2024, doi: 10.30486/teeg¬es.202¬3.198¬6388.1073.
[5] H.B. Farahabadi, M.R. Firozjaee, A. Pahnabi, A.M. Mir, R. Youneszadeh, "Fuel cell power system conceptual design for unmanned underwater vehicle", Hydrogen, Fuel Cell and Energy Storage, vol. 10, no. 1, pp. 33-50, April 2023, doi: 10.22104/ijhfc.2022.5884.1248.
[6] J.C. Rosas-Caro, J.E. Valdez-Resendiz, J.C. Mayo-Maldonado, V.M. Sanchez, A.R. Lopez-Nuñez, R. Barbosa, L.J. Valdivia, "Fuel-cell energy generation system based on the series-capacitor boost converter", International Journal of Hydrogen Energy, vol. 46, no. 51, pp. 26126-26137, July 2021, doi: 10.1016/j.ijhydene.2021.04.086.
[7] M. Tavoosi, B. Fani, E. Adib, "Stability analysis and control of dfig based wind turbine using FBC strategy", Journal of Intelligent Procedures in Electrical Technology, vol. 4, no. 15, pp. 31-42, Dec. 2013, dor: 20.1001.1.23223871.1392.4.15.4.2.
[8] M. Fooladgar, E. Rok-Rok, B. Fani, G. Shahgholian, "Evaluation of the trajectory sensitivity analysis of the DFIG control parameters in response to changes in wind speed and the line impedance connection to the grid DFIG", Journal of Intelligent Procedures in Electrical Technology, vol. 5, no. 20, pp. 37-54, March 2015, dor: 20.1001.1.23223871.1393.5.20.4.9.
[9] M. Zamani, G.H. Riahy, N. Abdolghani, M.H. Zamani, "Utilization of thermal energy storage for reducing battery bank size of hybrid (wind-PV) systems", Proceeding of the IEEE/ICCEP, pp. 709-714, Ischia, Italy, June 2011, doi: 10.1109/ICCEP.2011.6036358.
[10] K. Khani, G. Shahgholian, B. Fani, M. Moazzami, M. Mahdavian, M. Janghorbani, "A comparsion of different structures in wind energy conversion systems", Proceeding of the IEEE/ECTICON, Phuket, Thailand, pp. 58-61, June 2017, doi: 10.1109/ECTICon.2017.8096172.
[11] M. Mirtalaee, R. Amani-Nafchi, "Boost high step-up dc/dc converter with coupled inductors and diode-capacitor Technique", Journal of Intelligent Procedures in Electrical Technology, vol. 10, no. 39, pp. 3-12, Dec. 2019, dor: 20.1001.1.23223871.1398.10.39.1.9.
[12] S. Shabani, M. Delshad, R. Sadeghi, "A soft switched non-isolated high step-up dc-dc converter with low number of auxiliary elements", Journal of Intelligent Procedures in Electrical Technology, vol. 13, no. 51, pp. 123-136, Dec, 2022, dor: 20.1001.1.23223871.1401.13.51.8.1.
[13] D. Taheri, G. Shahgholian, M.M. Mirtalaei, “Analysis, design and implementation of a high step-up multi-port non-isolated converter with coupled inductor and soft switching for photovoltaic applications”, IET Generation, Transmission and Distribution, vol. 16, no. 17, pp. 3473-3497, Sept. 2022, doi: 10.1049/gtd2.12537.
[14] A. Hussein Sachit, B. Fani, M. Delshad, G. Shahgholian, A. Golsorkhi Esfahani, "Analysis and implementation of second-order step-up converter using winding cross coupled inductors for photovoltaic applications", Journal of Solar Energy Research, vol. 8, no. 2, pp. 1516-1525, April 2023, doi: 10.22059/jser.2023.357285.1291.
[15] O. Sharifiyana, M. Dehghani, G. Shahgholian, S. Mirtalaee, M. Jabbari, "Overview of dc-dc non-insulated boost converters (Structure and improvement of main parameters)", Journal of Intellig¬ent Procedures in Electrical Technology, vol. 12, no. 48, pp. 1-29, March 2022, dor: 20.10¬01.1.¬2322-3871.1400.12.48.6.6.
[16] A. Kianpour, G. Shahgholian, "A floating-output interleaved boost DC–DC converter with high step-up gain", Automatika, vol. 58, no. 1, pp. 18-26, April 2017, doi: 10.1080/00051144.2-017.1305605.
[17] D. Taheri, G. Shahgholian, M.M. Mirtalaei, "The charging circuit of the energy storage system of the multi-input converter with high gain (Design, simulation and laboratory investigation)", Technovations of Electrical Engineering in Green Energy System, vol. 2, no. 2, pp. 26-35, Sept. 2023, doi: 10.30486/teeges.2023.1976354.1056.
[18] O. Sharifiyana, M. Dehghani, G. Shahgholian, S.M.M. Mirtalaee, "Presenting a new high gain boost converter with inductive coupling energy recovery snubber for renewable energy systems- simulation, design and construction", Journal of Solar Energy Research, vol. 8, no. 2, pp. 1417-1436, April 2023, doi: 10.22059/jser.2023.356571.1283.
[19] O. Sharifiyana, M. Dehghani, G. Shahgholian, S.M.M. Mirtalaei, M. Jabbari, "Non-isolated boost converter with new active snubber structure and energy recovery capability", Journal of Circuits, Systems and Computers, vol. 32, no. 5, Article Number: 2350084, March 2023, doi: 10.1142/S021812¬662¬3500846.
[20] G. Haghshenas, S.M.M. Mirtalaei, H. Mordmand, "High step-up boost-flyback converter with soft switching for photovoltaic applications", Journal of Circuits, Systems, and Computers, vol. 28, no. 1, pp. 1-16, Jan. 2019, doi: 10.1142/S0218126619500142.
[21] E. Adib, H. Farzanehfard, "Family of zero-current transition PWM converters", IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 55, no. 8, pp. 3055-3063, Aug. 2008, doi: 10.1109/TIE.2008.922597.
[22] Z. Nejati, F. Sheikholeslam, H. Mahmoodian, "Fuzzy control of polymer fuel cell for attract maximum power", Journal of Intelligent Procedures in Electrical Technology, vol. 4, no. 16, pp. 63-70, Feb. 2014, dor: 20.1001.1.23223871.1392.4.16.7.7.
[23] A.B. Stambouli, E Traversa, "Fuel cells, an alternative to standard sources of energy", Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 6, no. 3, pp. 295-304, Sept. 2002, doi: 10.1016/S1364-0321(-01)0¬0¬0¬15-6.
[24] H. Wang, A. Gaillard, D. Hissel, "A review of dc/dc converter-based electrochemical impedance spectroscopy for fuel cell electric vehicles", Renewable Energy, vol, 141, pp. 124-138, Oct. 2019, doi: 10.1016/j.renene.2019.03.130.
[25] R. Venkatasatish, C. Dhanamjayulu, "Reinforcement learning based energy management systems and hydrogen refueling stations for fuel cell electric vehicles: An overview", International Journal of Hydrogen Energy, vol. 47, no. 64, pp. 27646-27670, July 2022, doi: 10.1016/j.ijhyden¬e.20¬22.0-6.088.
[26] T. Jarin, S. Akkara, S.S.S. Mole, A. Manivannan, A.I. Selvakumar, "Fuel vehicle improvement using high voltage gain in DC-DC boost converter", Renewable Energy Focus, vol. 43, pp. 228-238, Dec. 2022, doi: 10.1016/j.ref.2022.09.008.
[27] N. Elsayad, H. Moradisizkoohi, O. Mohammed, "A new sepic-based step-up DC-DC converter with wide conversion ratio for fuel cell vehicles: Analysis and design", IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 68, no. 8, pp. 6390-6400, Aug. 2021, doi: 10.1109/TIE.2020.3007110.
[28] A. Rajabi, F.M. Shahir, R. Sedaghati, "New unidirectional step-up DC-DC converter for fuel-cell vehicle: Design and implementation", Electric Power Systems Research, vol. 212, Article Number: 108653, Nov. 2022, doi: 10.1016/j.epsr.2022.108653.
[29] H. Bagherian-Farahabadi, M. Kojoury-Naftchali, A. Pahnabi, "High step-up converter with low voltage stress for fuel cell applications", Hydrogen, Fuel Cell and Energy Storage, vol. 9, no. 2m pp. 117-132, Oct. 2022, doi: 10.22104/ijhfc.2022.5869.1247.
[30] S. Chen, S. Zuo, Z. Wu, C. Liu, "Comprehensive vibro-acoustic characteristics and mathematical modeling of electric high-speed centrifugal compressor surge for fuel cell vehicles at various compressor speeds", Mechanical Systems and Signal Processing, vol. 178, Article Number: 109311, Oct. 2022, doi: 10.1016/j.ymssp.2022.109311.
[31] A. Rajabi, F.M. Shahir, R. Sedaghati, "Output voltage improvement of fuel cell electric vehicles based on a novel high step-up dc-dc converter", AEU- International Journal of Electronics and Communications, vol. 162, Article Number: 154574, April 2023, doi: 10.1016/j.aeue.2023.154574.
[32] S. Naresh, S. Peddapati, M.L. Alghaythi, "A novel high quadratic gain boost converter for fuel cell electric vehicle applications", IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Industrial Electronics, vol. 4, no. 2, pp. 637-647, April 2023, doi: 10.1109/JESTIE.2023.3248449.
[33] M. Kapetanović, A. Núñez, N. Oort, R.M.P. Goverde, "Energy model of a fuel cell hybrid-electric regional train in passenger transport service and vehicle-to-grid applications", Journal of Rail Transport Planning and Management, vol. 28, Article Number: 100415, Dec. 2023, doi: 10.1016/j.jrtpm.2023.100415.
[34] S, Farhani, A, N'Diaye, A, Djerdir, F, Bacha, "Design and practical study of three phase interleaved boost converter for fuel cell electric vehicle", Journal of Power Sources, vol. 479, Article Number: 228815, Dec. 2020, doi: 10.1016/j.jpowsour.2020.228815.
[35] M. Dhimish, N. Schofield, "Single-switch boost-buck DC-DC converter for industrial fuel cell and photovoltaics applications", International Journal of Hydrogen Energy, vol. 47, no. 2, pp. 1241-1255, Jan. 2022, doi: 10.1016/j.ijhydene.2021.10.097.
[36] V.F. Pires, A. Cordeiro, D. Foito, J.F. Silva, "High step-up DC–DC converter for fuel cell vehicles based on merged quadratic boost–ćuk", IEEE Trans. on Vehicular Technology, vol. 68, no. 8, pp. 7521-7530, Aug. 2019, doi: 10.1109/TVT.2019.2921851.
[37] R.R. Ahrabi, H. Ardi, M. Elmi, A. Ajami, "A novel step-up multiinput DC–DC converter for hybrid electric vehicles application", IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 32, no. 5, pp. 3549-3561, May 2017, doi: 10.1109/TPEL.2016.2585044.
[38] R. Saadi, M.Y. Hammoudi, O. Kraa, M.Y. Ayad, M. Bahri, "A robust control of a 4-leg floating interleaved boost converter for fuel cell electric vehicle application", Mathematics and Computers in Simulation, vol. 167, pp. 32-47, Jan. 2020, doi: 10.1016/j.matcom.2019.09.014.
[39] E.M. Barhoumi, S. Farhani, F. Bacha, "High efficiency power electronic converter for fuel cell system application", Ain Shams Engineering Journal, vol. 12, no. 3, pp. 2655-2664, Sept. 2021, doi: 10.1016/j.asej.2021.01.010.
ماهر عبدالنبی الوان، غضنفر شاهقلیان |
Technovations of Electrical Engineering in Green Energy System |
|
Research Article (2024) 3(2):34-47
Designing and Simulating of Step-Up DC-DC Converter for Fuel Cell Electric Vehicles
Maher Abdulnabi Alwan1, M.Sc, Ghazanfar Shahgholian2,3, Professor
2Department of Computer Engineering, Najafabad Branch, Islamic Azad University, Najafabad, Iran
3Smart Microgrid Research Center, Najafabad Branch, Islamic Azad University, Najafabad, Iran
Abstract:
Boost converters are widely used in electric cars, because the use of batteries and fuel cells increases the voltage level to drive the electric motor. One of the problems of step-up converters is the increase in volume and weight due to step-up transformers. So far, various methods such as switched capacitor, coupled inductor and multiplier circuits have been used to eliminate the transformer and reduce the size and weight of the circuit. To further reduce the volume and weight of the circuit, it is necessary to increase the switching frequency, which is possible only by using the soft switching method. Using an auxiliary switch to create soft switching conditions is common in most methods, because not using an auxiliary switch imposes voltage and current stress on the circuit. In this article, a step-up converter with an auxiliary circuit, zero voltage transition (ZVT), is presented, which provides switching conditions at zero voltage to turn on the switch, and switching at zero voltage to turn off the switch. The voltage stress of the converter is very low, and all the diodes are switched off at zero current, so they do not have reverse recovery problems. Also, besides absorbing the energy of the leakage inductor, the clamp capacitor helps to increase the gain of the converter. The provided converter is simulated in P-Spice software. The simulation results using a laboratory prototype confirm the effectiveness and feasibility of the studied converter and its suitability for fuel cell electric vehicles.
Keywords: Clamp capacitor, Step-up converter, Zero current switching, Zero voltage switching
Received: 23 September 2023
Revised: 10 February 2024
Accepted: 16 February 2024
Corresponding Author: Dr. Ghazanfar Shahgholian, shahgholian@iaun.ac.ir
DOI: http://dx.doi.org/10.30486/TEEGES.2024.904768
| فناوریهای نوین مهندسی برق در سیستم انرژی سبز |
..مقاله پژوهشی...
طراحی و شبیهسازی مبدل بسیار افزاینده dc/dc برای خودروهای الکتریکی پیل سوختی
ماهر عبدالنبی الوان1، کارشناسیارشد، غضنفر شاهقلیان2،3، استاد
1- دانشکده مهندسي برق، واحد اصفهان (خوراسگان)، دانشگاه آزاد اسلامی، خوراسگان، اصفهان، ايران
2- دانشکده مهندسي برق، واحد نجفآباد، دانشگاه آزاد اسلامی، نجفآباد، ایران
3- مرکز تحقیقات ریزشبکههای هوشمند، واحد نجفآباد، دانشگاه آزاد اسلامی، نجفآباد، ایران
چكيده: مبدلهای بسیار افزاینده در خودروهای برقی کاربرد وسیعی دارند زیرا استفاده از باطری و پیل سوختی باعث میشود که برای درایو موتور الکتریکی سطح ولتاژ افزایش یابد. از مشکلات مبدلهای افزاینده، افزایش حجم و وزن به علت ترانسفورماتورهای افزاینده است. تاکنون روشهای متنوع مانند خازن سوییچ شونده، سلف تزویج شده و مدارهای ضربکننده برای حذف ترانسفورماتور و کاهش حجم و وزن مدار استفاده شده است. برای کاهش بیشتر حجم و وزن مدار لازم است تا فرکانس کلیدزنی افزایش یابد که تنها با استفاده از روش کلیدزنی نرم امکانپذیر است. استفاده از سوییچ کمکی برای ایجاد شرایط کلیدزنی نرم در اکثر روشها مرسوم است زیرا عدم استفاده از سوییچ کمکی استرس ولتاژ و جریان به مدار تحمیل میکند. در این مقاله یک مبدل بسیار افزاینده با مدار کمکی گذار ولتاژ صفر (ZVT) ارائه شده که شرایط کلیدزنی در ولتاژ صفر برای روشن شدن سوییچ و کلیدزنی در ولتاژ صفر برای خاموش شدن سوییچ فراهم میکند. استرس ولتاژ مبدل بسیار پایین است و تمام دیودها بهصورت کلیدزنی در جریان صفر خاموش میشوند و لذا مشکل بازیابی معکوس ندارند. همچنین خازن کلمپ علاوه بر جذب انرژی سلف نشتی به افزایش بهره مبدل کمک میکند. مبدل ارائه شده در نرم افزار پی-اسپایس شبیهسازی شده است. نتایج شبیهسازی با استفاده از یک نمونه اولیه آزمایشگاهی، اثربخشی و امکان‌سنجی مبدل مورد مطالعه و مناسب بودن آن برای وسایل نقلیه الکتریکی پیل سوختی را تأیید میکند.
واژههاي كليدي: خازن کلمپ، کلیدزنی در جریان صفر، کلیدزنی در ولتاژ صفر، مبدل بسیار افزاینده
تاریخ ارسال مقاله: 01/0۷/140۲
تاریخ بازنگری مقاله: ۲۱/۱۱/140۲
تاریخ پذیرش مقاله: ۲۷/۱۱/140۲
نویسندهی مسئول: دکتر غضنفر شاهقلیان، shahgholian@iaun.ac.ir
DOI: http://dx.doi.org/10.30486/TEEGES.2024.904768
1- مقدمه
انرژی برق نقش مهم و محوری در توسعه پایدار مراکز صنعتی و اقتصادی و حفاظت از محیط زیست دارد و استفاده از روشهای جدید در حوزه صنعت برق به دلیل سریع بودن گسترش تکنولوژی، لازم و ضروری است [1،2]. کاهش منابع سوخت‌های فسیلی1 و اهمیت حفاظت زیست‌محیطی2 ناشی باعث افزایش کاربرد انرژی‌های تجدیدپذیر3 مانند سلول‌های خورشیدی4 [3،4]، پیل‌های سوختی5 [5،6] و انرژی بادی [7،8] شده است [9،10]. بنابراین نیاز به مبدلهای dc-dc بسیار افزاینده6 بیشتر از قبل احساس میشود [11،12]. مبدل تقویتکننده (مبدل بسیار افزاینده) ولتاژ را از ورودی (تغذیه) به خروجی (بار) افزایش میدهد در حالی که جریان را پایین میآورد [13،14]. مبدل بوست7 دارای ساختار ساده است که برای افزایش سطح ولتاژ استفاده میشود [15،16]. برای تولید بهره ولتاژ بالا در این مبدل باید ضریب وظیفه8 بزرگ و نزدیک به یک انتخاب شود [17]. در مبدل بوست استرس ولتاژ9 کلید و دیود خروجی برابر با ولتاژ خروجی است که در ولتاژهای بالا باعث افزایش تلفات هدایتی10 و کلیدزنی و نیز تشدید مشکل بازیابی معکوس دیود خروجی میگردد [18،19]. بنابراین مبدل بوست در شکل پایهای برای استفاده در کاربردهای بسار افزاینده مناسب نیست [20،21].
پيلهاي سوختي مستقيماً انرژي شيميايي را به انرژي الكتريكي تبديل ميكنند [22،23]. پيلهاي سوختي به دليل راندمان بالا، حداقل نشر آلايندههاي زيستمحيطي، توليد همزمان حرارت و الكتريسيته، استفاده در كاربردهاي توليد غيرمتمركز انرژي و همچنين آرام و بي سر و صدا بودن در موارد مختلفي مانند حمل و نقل و نيرو گاهها به كار میروند [24،25]. در وسایل نقلیه سلول سوختی ولتاژ خروجی معمولآ کمتر نسبت به ولتاژهای مورد نیاز باس dc است و با افزایش جریان خروجی، ولتاژ خروجی به سرعت کاهش پیدا میکند [26]. بنابراین اکثر خودروهای الکتریکی11 پیل سوختی به مبدلهای dc-dc با افزایش ولتاژ به صورت گسترده نیاز دارند تا ولتاژ تقریباً کم پشت پیل سوختی را با باس لینک dc یا دستگاههای ذخیره انرژی افزایش دهند.
تاکنون تحقیقات مختلفی در زمینه کاربرد مبدلها برای خودروهای الکتریکی پیل سوختی ارائه شده است [27-34].
یک مبدل dc-dc باک بوست تک-سوئیچ یک-طرفه برای کنترل پیوسته جریان توان در [35] ارائه شده که مبدل پیشنهادی از تعداد محدودی از اجزای غیرفعال و شش خازن استفاده میشود. همچنین این مبدل در یک محدوده ولتاژ ورودی گسترده با جریان ورودی مداوم میتواند کار کند.
دو مبدل dc-dc غیر ایزوله برای خودرهای الکتریکی پیل سوختی در [36] پیشنهاد شده که ویژگیهای اصلی مبدلهای بوست درجه دوم و کاک را ترکیب میکنند. در این مبدل ولتاژ بالا و کنترل ساده با استفاده از تنها یک کلید برق فعال ارجاع شده به زمین انجام میشود.
یک مبدل dc-dc چند ورودی برای خودروهای الکتریکی هیبریدی در [37] بررسی شده که در مقایسه با مبدلهای معمولی، بهره خروجی افزایش یافته است. پیل سوختی، پنل فتوولتائیک و سیستم ذخیره انرژی، منابع ورودی مبدل پیشنهادی هستند و از پیل سوختی به عنوان منبع تغذیه اصلی و فتوولتائیک به عنوان سقفی برای شارژ باتری، افزایش راندمان و کاهش مصرف سوخت استفاده میشود.
اعتبار سنجی زمان واقعی از یک استراتژی کنترل قوی برای یک مبدل تقویتکننده شناور چهار فاز dc/dc غیر ایزوله با نسبت افزایش بالا در [38] ارائه شده که برای کاربردهای خودروهای الکتریکی سلول سوختی مناسب است. کنترل‌کننده بر اساس یک کنترل حلقه دوگانه با رویکرد بی‌نهایت حساسیت مختلط S/KS طراحی شده که از یک حلقه ولتاژ خارجی و یک حلقه جریان داخلی برای دستیابی به یک تنظیم سریع در برابر اختلال و تغییر بار با عملکرد دینامیکی بالا تشکیل شده است.
کارایی دو مبدل الکترونیک قدرت متصل به آبشار شامل یک تقویت کننده میان لایه و یک تقویت کننده باک با هدف تولید حداکثر توان از پیل سوختی و تنظیم ولتاژ بار تحت شرایط کاری مختلف و تغییرات بار در [39] بررسی شده است. مبدل اول برای حداقل کردن امواج ولتاژ پیل سوختی و تعیین چرخه کار بهینه برای تولید حداکثر توان و مبدل دوم برای برآوردن الزامات بار از نظر تنظیم ولتاژ استفاده میشوند. هر دو مبدل در محیط سیمولینک متلب شبیهسازی شدهاند و کارایی طراحی بررسی شده است.
در این مقاله یک مبدل dc-dc بسیار افزاینده گذار ولتاژ صفر12 با سلف تزویج شده ارائه شده است. مدار کمکی دارای حداقل تعداد المان بوده و شرایط کلیدزنی نرم برای کلیدها فراهم است که باعث افزایش راندمان مبدل میشود. همچنین جهشهای ولتاژ ناشی از سلفهای تزویج شده نیز توسط خازن کلمپ13 جذب میگردد که خازن کلمپ به افزایش بهره نیز کمک میکند. از مزایای مبدل ارائه شده میتوان به ماژولار بودن مدار کمکی نیز اشاره نمود که میتوان بدون اضافهکردن المان شاخههای موازی را افزایش داد. همچنین استفاده از تکنیک سلفهای تزویج شده و خازنهای سوئیچ شونده بهره مبدل را افزایش داده و استرس ولتاژ روی سوییچ اصلی را کاهش میدهد.
2- مبدل مورد مطالعه
مبدل بسیار افزاینده مورد مطالعه مطابق شکل (1) دارای دو قسمت اصلی است. قسمت اول مدار افزایش بهره شامل سلفهای تزویج L1 و L2، خازن سری C، دیودهای D1 و D2 و خازن CC است. قسمت دوم مدار کمکی گذار ولتاژ صفر شامل سلف Lr و سوئیچ کمکی Ma و دیود کمکی14 Da و خازن اسنابر CM است. بقیه المانها شامل سوئیچ اصلی M، دیود خروجی Do، خازن خروجی Co هستند. سلفهای تزویج نیز با سلف مغناطیسکنندگی15 Lm و سلف نشتی سری LK مدل شدهاند. شکل موجهای اصلی مبدل مورد مطالعه در شکل (2) نشان داده شده است.
شکل (1): مبدل بسیار افزاینده مورد مطالعه
شکل (2): موجهای اصلی مبدل بسیار افزاینده مورد مطالعه
1-2- عملکرد مبدل
مبدل بسیار افزاینده مورد مطالعه دارای شش وضعیت عملکرد مطابق شکل (3) در یک سیکل کلیدزنی است. مدار کمکی توسط سوئیچ کمکی قبل از روشن شدن سوئیچ اصلی M وارد مبدل شده و خازن اسنابر را تخلیه و شرایط کلیدزنی ولتاژ صفر را برای سوئیچ M فراهم مینماید.
|
|
|
وضعیت اول | وضعیت دوم | وضعیت سوم |
|
|
|
وضعیت چهارم | وضعیت پنجم | وضعیت ششم |
شکل (3): شش وضعیت عملکرد مبدل مورد مطالعه
در هنگام خاموش شدن نیز به علت وجود خازن اسنابر، ولتاژ سوئیچ با شیب افزایش مییابد. برای سادگی تحلیل جریان سلف LM ثابت در نظر گرفته شده است. همچنین ولتاژ خازنهای Co، CC و C به علت اندازه بزرگ در یک سیکل ثابت هستند. المانها نیز ایده‌آل فرض شدهاند. قبل از وضعیت اول سوئیچ اصلی و کمکی خاموش هستند و دیود Do روشن است و انرژی از ورودی به خروجی از طریق دیود خروجی Do منتقل میشود. مدار کمکی نیز خاموش است.
وضعیت اول: این وضعیت با روشن شدن سوئیچ کمکی Ma آغاز میشود و سلف Lr شروع به رزونانس با خازن CM مینماید. در نتیجه جریان سوئیچ Ma و دیود Da بهصورت رزونانس افزایش یافته و تحت شرایط جریان صفر روشن میشوند.
وضعیت دوم: این وضعیت با تخلیه کامل CM و روشن شدن دیود بدنه سوئیچ اصلی آغاز میگردد. از این لحظه به بعد سوئیچ M میتواند ولتاژ صفر هدایت نماید. از طرفی ولتاژ ثابت Vin دو سر Lr قرار گرفته و جریان سلف Lr شروع به کاهش بهصورت خطی مینماید.
وضعیت سوم: در این وضعیت جریان از دیود بدنه سوئیچ اصلی M به خود سوئیچ اصلی منتقل میشود و جریان سوئیچ کمکی به کاهش خود ادامه داده تا در انتهای این وضعیت به صورت جریان صفر خاموش شود.
وضعیت چهارم: در این وضعیت دیود خروجی Do به صورت جریان صفر خاموش و دیود D2 هدایت میکند و انرژی خازن CC به خازن C منتقل میشود. جریان بار در این حالت توسط خازن خروجی تامین میشود و سلف مغناطیسکنندگی Lm خطی شارژ میشود.
وضعیت پنجم: این وضعیت با خاموش شدن M آغاز میشود و جریان Lm شروع به شارژ خازن اسنابر Cm بهصورت خطی مینماید. بنابراین سوئیچ M، بهصورت ولتاژ صفر خاموش میشود. از طرفی انرژی سلف LK نیز با روشن شدن دیود D1 در خازن CC تخلیه میگردد.
وضعیت ششم: در این وضعیت دیودهای Do و D1 هدایت کرده و انرژی از سلف Lm به خروجی منتقل میشود. همچنین خازن C نیز در خروجی تخلیه میشود. به این ترتیب به افزایش ولتاژ مبدل کمک میکند. این وضعیت با روشن شدن سوئیچ کمکی پایان میپذیرد.
2-2- آنالیز مبدل
با توجه به استفاده از سلف تزویج و خازن سری برای افزایش بهره با نوشتن رابطه بالانس ولت- ثانیه بهره به دست میآید.
(1) |
|
(2) |
|
(3) |
|
(4) |
|
(5) |
|
(6) |
|
(7) |
|
(8) |
|
(9) |
|
(10) |
|
(11) |
|
سکوی نشر دانش
پیوندهای سایت
مراکز مرتبط
پشتیبانی
صفحات رسمی
حقوق این وب‌سایت متعلق به سامانه مدیریت نشریات دانشگاه آزاد اسلامی است.
حق نشر © 1403-1400