Розробка DC-DC перетворювача для використання в системах активного балансування акумуляторних батарей у форматі студентських змагань
Бічна панель сторінки статті
Основний зміст сторінки статті
Анотація
Виробництво акумуляторних батарей у світі стрімко зростає, що пов’язано із розвитком електротранспорту та альтернативної енергетики. Акумуляторні батареї мають свій обмежений ресурс, а доступної технології утилізації акумуляторних батарей на даний час немає. Явище дисбалансу дуже негативно впливає на ресурс акумуляторних батарей, проте застосування систем балансування протидіє цьому ефекту, тим самим збільшуючи загальний ресурс акумуляторної батареї. Покращення систем балансування може позитивно вплинути на ресурс акумуляторних батарей, та відтермінувати час їх утилізації
У статті представлено розробку DC-DC перетворювача для систем активного балансування акумуляторних батарей у форматі студентських змагань. Авторами була висунута попередня гіпотеза, вибору оптимальної топології DC-DC перетворювача для використання в певному активному балансирі. Для підтвердження цієї гіпотези, була сформована задача для студентських змагань, а саме побудова ізольованого DC-DC перетворювача, що міг би працювати в даному прототипі активного балансира. Активний балансир розрахований на балансування акумуляторної батареї, що складається з трьох послідовно підключених комірок. Учасникам було надано набір компонентів, а також додатковий фінансовий фонд, для придбання додаткових компонентів необхідних для практичної реалізації DC-DC перетворювача. Змагання проводились в режимі обмеженого часу, і на виконання завдання було виділено 48 годин. Критерії оцінювання були чітко виділенні, а головним критерієм було працездатність DC-DC перетворювача. З п’яти команд, три впорались із завданням, та зайняли призові місця.
На основі студентських змагань було проаналізовано різні топології ізольованих DC-DC перетворювачів, зокрема SEPIC, Push-Pull та DAB, показано принцип їх роботи, розглянуто переваги та недоліки. Особливу увагу приділено топології DAB, яка була визнана найкращим варіантом для використання в даному активному балансирі завдяки можливості роботи в широкому діапазоні вхідних-вихідних напруг, високій ефективності та двонаправленості. В статті наведено результати вимірювань, проведених на прототипі DAB перетворювача, та обговорюються складнощі його реалізації.
Таким чином, результати роботи сприяють підвищенню ефективності активних систем балансування акумуляторних батарей, подовженню терміну їх служби та розвитку технічних навичок студентів.
Блок інформації про статтю
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
Посилання
A. Manzhelii, D. Lipko, and O. Bondarenko, “Comparative Analysis of DC-DC Converters for Micro-Mobility Vehicles,” in 2024 IEEE 7th International Conference on Smart Technologies in Power Engineering and Electronics (STEE), IEEE, Sep. 2024, p. TT1.45.1-TT1.45.5. doi: 10.1109/STEE63556.2024.10748120
D. Lipko, A. Manzhelii, I. Yamnenko, and O. Bondarenko, “Possibilities and Challenges of Partially Using a Charge-Discharge Cycle of Battery to Increase Its Resource,” in 2023 IEEE 4th KhPI Week on Advanced Technology, KhPI Week 2023 - Conference Proceedings, 2023. doi: 10.1109/KhPIWeek61412.2023.10312983
M. Evzelman, M. M. Ur Rehman, K. Hathaway, R. Zane, D. Costinett, and D. Maksimovic, “Active Balancing System for Electric Vehicles with Incorporated Low-Voltage Bus,” IEEE Trans Power Electron, vol. 31, no. 11, pp. 7887–7895, Nov. 2016, doi: 10.1109/TPEL.2015.2513432
G. Sugumaran and N. Amutha Prabha, “An Improved Bi-Switch Flyback Converter with Loss Analysis for Active Cell Balancing of the Lithium-Ion Battery String,” Journal of Electrical and Computer Engineering, vol. 2024, 2024, doi: 10.1155/2024/5556491
D. Lipko and O. F. Bondarenko, “Modified Active Balancer for Use in Multi-Module Batteries,” Technology and design in electronic equipment, №1-2, 2024, doi: 10.15222/TKEA2024.1-2.11
P. R. R. Somarowthu, S. K. Saxena, and D. B. Mahajan, “Isolated SEPIC Converter with a novel Voltage Clamp Circuit,” in 2018 IEEE International Conference on Power Electronics, Drives and Energy Systems (PEDES), IEEE, Dec. 2018, pp. 1–6. doi: 10.1109/PEDES.2018.8707789
M. V. Mosconi Ewerling, T. Brunelli Lazzarin, and C. H. Illa Font, “Proposal of an Isolated Two-Switch DC-DC SEPIC Converter,” in 2019 IEEE 15th Brazilian Power Electronics Conference and 5th IEEE Southern Power Electronics Conference (COBEP/SPEC), IEEE, Dec. 2019, pp. 1–6. doi: 10.1109/COBEP/SPEC44138.2019.9065718
J. Ahmad, C. H. Lin, M. S. Khan, H. D. Liu, and M. Fahad, “Modified Isolated SEPIC Converter for EV Charging and High Voltage Applications,” in 2023 International Conference on Power, Instrumentation, Energy and Control, PIECON 2023, Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., 2023. doi: 10.1109/PIECON56912.2023.10085847
N. Mohammad, M. Quamruzzaman, M. R. T. Hossain, and M. R. Alam, “Parasitic Effects on the Performance of DC-DC SEPIC in Photovoltaic Maximum Power Point Tracking Applications,” Smart Grid and Renewable Energy, vol. 04, no. 01, pp. 113–121, 2013, doi: 10.4236/sgre.2013.41014
M. S. Khan, C. H. Lin, J. Ahmad, M. Fahad, and H. D. Liu, “A Novel DC Electronic Load Topology Incorporated with Model Predictive Control Approach,” Mathematics, vol. 11, no. 15, Aug. 2023, doi: 10.3390/math11153353
M. Azizi, O. Husev, D. Vinnikov, and O. Veligorskyi, “Comparative Evaluation of Isolated dc-dc Converters for Low Power Applications,” in 2022 IEEE 20th International Power Electronics and Motion Control Conference (PEMC), IEEE, Sep. 2022, pp. 7–12. doi: 10.1109/PEMC51159.2022.9962944
S. Musumeci and S. Di Mauro, “Low voltage single fuel cell interface by Push-Pull converter: A case of study,” in 2017 6th International Conference on Clean Electrical Power (ICCEP), IEEE, Jun. 2017, pp. 541–548. doi: 10.1109/ICCEP.2017.8004741
H. Zhang and T. Isobe, “A Verification of Applying Superjunction MOSFETs in Dual-Active-Bridge Converters Operated with Minimal RMS Current,” IEEJ Journal of Industry Applications, p. 24004235, 2024, doi: 10.1541/ieejjia.24004235
R. Zgheib, I. Kamwa, and K. Al-Haddad, “Comparison between isolated and non-isolated DC/DC converters for bidirectional EV chargers,” in 2017 IEEE International Conference on Industrial Technology (ICIT), IEEE, Mar. 2017, pp. 515–520. doi: 10.1109/ICIT.2017.7913285
K. Bathala, D. Kishan, and N. Harischandrappa, “Soft Switched Current Fed Dual Active Bridge Isolated Bidirectional Series Resonant DC-DC Converter for Energy Storage Applications,” Energies (Basel), vol. 16, no. 1, Jan. 2023, doi: 10.3390/en16010258
F. Feng, J. Fang, U. Manandhar, H. B. Gooi, and P. Xie, “Impedance-Based Stability Analysis of DAB Converters With Single-, Double-, or Cooperative Triple-Phase-Shift Modulations and Input LC Filter,” Front Energy Res, vol. 10, Apr. 2022, doi: 10.3389/fenrg.2022.874477
B. Zhao, Q. Song, W. Liu, and Y. Sun, “Overview of dual-active-bridge isolated bidirectional DC-DC converter for high-frequency-link power-conversion system,” IEEE Trans Power Electron, vol. 29, no. 8, pp. 4091–4106, 2014, doi: 10.1109/TPEL.2013.2289913
Kang Xiangli, Shouxiang Li, and K. Smedley, “Analysis and modelling of a bidirectional push-pull converter with PWM plus phase-shift control,” in IECON 2016 - 42nd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, IEEE, Oct. 2016, pp. 1268–1273. doi: 10.1109/IECON.2016.7793452
N. Hou and Y. W. Li, “Overview and Comparison of Modulation and Control Strategies for a Nonresonant Single-Phase Dual-Active-Bridge DC-DC Converter,” IEEE Trans Power Electron, vol. 35, no. 3, pp. 3148–3172, Mar. 2020, doi: 10.1109/TPEL.2019.2927930
