Модульний зарядний пристрій акумулятора електромобіля з двостороннім передаванням енергії

Abstract

Описані перспективи використання акумуляторних батарей електромобілів в якості регуляторів мережі або резервних джерел живлення згідно з концепціями V2G (Vehicle to Grid) та G2V (Grid to Vehicle). Визначено вимоги, яким мають відповідати двонаправлені перетворювачі електроенергії: широкий діапазон параметрів вхідної напруги, корекція коефіцієнта потужності вхідного струму, відбирання максимальної потужності від відновлювальних джерел енергії, висока енергетична ефективність. Обрана топологія двонаправленого ізольованого перетворювача з двома активними мостами, що підтримує м’яку комутацію транзисторів при нульовій напрузі та запропонований модульний підхід до побудови перетворювача, який має ряд переваг, серед них: забезпечення будь-яких значень напруги або струму, зниження пульсацій, підвищення коефіцієнта корисної дії схеми, висока надійність, завдяки можливості включення резервних модулів, що можуть замінити основні в разі їхньої відмови, зменшення габаритів реактивних елементів і можливість роботи кожної комірки на вищих частотах. Обрано найефективніший для поставленої задачі тип з’єднання комірок – паралельно по входу і по виходу, що дозволяє розподілити між модулями вхідний і вихідний струми. Представлено розрахунок однієї комірки перетворювача, а саме: розрахунок високочастотного трансформатора, транзисторів і згладжувального LC-фільтру та проведений порівняльний аналіз технічних показників в одно- та багатокоміркових перетворювачах. Проведене моделювання в програмному середовищі Matlab Simulink, оцінено ефект від використання модульного перетворювача при роботі з джерелами постійної та змінної напруги, зокрема проведене порівняння коефіцієнтів пульсації в перетворювачах із різною кількістю комірок при сталому значенні габаритів згладжувального фільтра, а також підібрані параметри фільтра для різної кількості комірок, при яких забезпечується однаковий коефіцієнт пульсацій. Результати моделювання підтвердили правильність розрахунків та довели ефективність використання модульної топології перетворювача.Prospects for the use of rechargeable battery electric vehicles as regulators of the network or backup power supplies in accordance with the concepts of V2G (Vehicle to Grid) and G2V (Grid to Vehicle) are described. The requirements for bidirectional power converters are defined: a wide range of input voltage parameters, correction of the input current power factor, maximum power take-off from renewable energy sources, high energy efficiency. The chosen topology of the bidirectional dual active bridge converter, which supports soft switching of transistors at zero voltage and the proposed modular approach to the construction of converters, has a number of advantages: provide any voltage or current, reduce ripple, high efficiency, high reliability, due to the ability to include backup modules that can be replaced by the main in case of failure, reduction of the size of reactive elements and the ability to operate each cell on other frequencies. The most effective type of cell combination for the main task is developed - input parallel and output parallel connection are allows sharing input and output current between the modules. The dependence of the ripple coefficient on each cell is defined. The calculation of one cell of converters, namely the calculation of high-frequency transformer, transistors, and smoothing LC-filter is presented and the comparative analysis of technical indicators in one-cell and multi-cell converters is carried out. Modeling in Matlab Simulink software environment, evaluation of the effect of using a modular converter when working with DC and AC sources, comparison of ripple coefficients in converters with a different number of a cell at a constant value of the parameters of the LC-filter, and selected filter parameters at which one coefficient of pulsations is applied. The simulation results showed that the coefficients of the ripple are decreasing depending on the number of cells of the transducer in accordance with the dependence obtained by analytical calculations. Thus, the results are confirming the correctness of the calculations and prove the efficiency of the use of modular transformation topology.