ارائه، طراحي و ساخت مدارهاي متعادل كننده باتري با رويكرد افزايش بازده و چگالي توان

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي برق

دكتري

در سال‌هاي اخير، توسعه خودروهاي برقي و سامانه‌هاي ذخيره‌ساز انرژي، نياز به سامانه‌هاي مديريت باتري با بازده زياد، قابليت اطمينان مطلوب، ساختار فشرده و توانايي افزايش طول عمر بسته‌هاي باتري را بيش از پيش افزايش داده است. باتري‌هاي ليتيوم‌يون، به‌دليل چگالي انرژي زياد، بازده مناسب و قابليت شارژ و دشارژ مكرر، از مهم‌ترين گزينه‌ها براي استفاده در اين سامانه‌ها به شمار مي‌روند. بااين‌حال، اختلاف مشخصات الكتريكي سلول‌ها، تفاوت در نرخ خودتخليه، تغييرات دمايي و شرايط بهره‌برداري مي‌تواند موجب ايجاد عدم تعادل ولتاژ ميان سلول‌هاي يك بسته باتري شود. اين عدم تعادل، علاوه بر كاهش ظرفيت قابل استفاده و بازده بسته باتري، مي‌تواند طول عمر آن را كاهش داده و احتمال وقوع شرايط نامطلوبي همچون اضافه‌شارژ و اضافه‌دشارژ را افزايش دهد. ازاين‌رو، توسعه متعادل‌سازهاي فعال با قابليت انتقال مستقيم انرژي، سرعت متعادل‌سازي بيشتر، بازده مطلوب، چگالي توان زياد و ساختار فشرده، از چالش‌هاي مهم در حوزه سامانه‌هاي مديريت باتري محسوب مي‌شود. در اين پژوهش، با هدف توسعه نسل جديد مبدل‌هاي دوجهته براي سامانه‌هاي مديريت باتري و ذخيره‌سازهاي انرژي، چهار ساختار مبدلي پيشنهادي در يك چارچوب پژوهشي يكپارچه ارائه و بررسي شده‌اند. اين ساختارها با تمركز بر كاهش تلفات توان، افزايش سرعت متعادل‌سازي، كاهش افزونگي سخت‌افزاري و بهبود چگالي توان توسعه يافته‌اند. در ساختار نخست، يك متعادل‌ساز فعال مبتني بر مبدل دوجهته تركيبي سپيك–زيتا–فلاي‌بك و ترانسفورمر چندسيم‌پيچه ارائه شده است. در اين ساختار، با بهره‌گيري از كليدزني نرم، امكان انتقال هم‌زمان انرژي به چندين سلول فراهم شده است. اين ويژگي ضمن كاهش زمان متعادل‌سازي، موجب كاهش تلفات كليدزني و افزايش بازده تبديل توان مي‌شود. همچنين، افزايش فركانس كليدزني و استفاده از ترانسفورمر چندسيم‌پيچه، كاهش ابعاد اجزاي مغناطيسي و در نتيجه افزايش چگالي توان مبدل را امكان‌پذير مي‌كند. در ساختار دوم، با هدف كاهش حجم، وزن و تعداد قطعات، يك مبدل فلاي‌بك مجهز به مدار كمكي كليدزني نرم ارائه شده است. در اين ساختار، ضمن حفظ قابليت انتقال انرژي و عملكرد مطلوب متعادل‌سازي، برخي از اجزاي مبدل نخست حذف شده و ساختاري ساده‌تر و فشرده‌تر حاصل شده است. اين امر ضمن كاهش پيچيدگي ساختار و هزينه ساخت، زمينه كاهش حجم و وزن مبدل و بهبود قابليت اطمينان آن را فراهم مي‌كند. در ادامه، با هدف كاهش افزونگي سخت‌افزاري و يكپارچه‌سازي عملكردهاي سامانه مديريت باتري، ساختارهاي سوم و چهارم ارائه شده‌اند. در ساختار سوم، عملكرد شارژر و متعادل‌ساز در قالب يك مبدل دوجهته واحد ادغام شده است. اين يكپارچه‌سازي ضمن حفظ عملكردهاي موردنظر، موجب كاهش تعداد قطعات، حجم، وزن و هزينه سامانه و افزايش بهره‌وري انرژي مي‌شود. همچنين، به‌كارگيري ترانسفورمر چندسيم‌پيچه‌ي تخت در كنار تكنيك كليدزني نرم، كاهش تلفات، افزايش بازده، كاهش ابعاد اجزاي مغناطيسي و افزايش چگالي توان را به همراه داشته است. در ساختار چهارم، اين رويكرد به سامانه‌هاي ذخيره‌ساز انرژي هيبريدي توسعه داده شده است. در اين ساختار، يك مبدل دوجهته واحد قابليت انجام فرآيندهاي شارژ، دشارژ، متعادل‌سازي سلول‌هاي باتري و مديريت انرژي ابرخازن را فراهم مي‌كند. نتايج شبيه‌سازي و ارزيابي‌هاي آزمايشگاهي، عملكرد ساختارهاي پيشنهادي را تأييد مي‌كنند. مبدل‌هاي ارائه‌شده به بازده تبديل توان در محدوده 93٫5 تا 96٫7 درصد دست يافته‌اند و دستيابي به كليدزني نرم و انتقال هم‌زمان انرژي در آن‌ها نشان داده شده است. همچنين، ساختارهاي پيشنهادي از نظر سرعت متعادل‌سازي و چگالي توان به‌صورت كيفي مورد ارزيابي قرار گرفته‌اند. همچنين، يكپارچه‌سازي عملكردهاي شارژ، دشارژ، متعادل‌سازي سلول‌هاي باتري و مديريت انرژي ابرخازن، ضمن كاهش افزونگي سخت‌افزاري، موجب كاهش تعداد قطعات، حجم و هزينه سامانه و افزايش بهره‌وري انرژي شده است. در مجموع، نتايج اين پژوهش نشان مي‌دهد كه تلفيق كليدزني نرم، انتقال هم‌زمان انرژي، استفاده از ترانسفورمرهاي چندسيم‌پيچه و تخت و يكپارچه‌سازي عملكردها در مبدل‌هاي دوجهته پيشنهادي، مي‌تواند راهكاري مؤثر براي توسعه نسل جديد سامانه‌هاي مديريت باتري و سامانه‌هاي ذخيره‌ساز انرژي هيبريدي با بازده زياد، سرعت متعادل‌سازي بيشتر، چگالي توان مطلوب، ساختار فشرده و قابليت اطمينان مناسب باشد.

238268

الكترونيك

مهندسي برق و كامپيوتر

دانشگاه صنعتي اصفهان