بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله ساختاری بر اساس ابر خازن-باتری ارائهشده است که بهصورت هیبرید قادر است تا یک خودرو برقی - EV - را تغذیه نماید. ساختار ارائهشده از مبدل منبع امپدانسی از نوع Y-Source بهبودیافته که بهصورت دوجهته است، بهره مبرده است. باتری بهصورت موازی بایکی از خازنهای این ساختار قرار دادهشده است و ابر خازن نیز بهعنوان ورودی میباشد. ساختار ارائهشده قادر به ایجاد بهره بالا در سیکل وظیفههای اتصال کوتاه پایین و همچنین دارای تعداد دور کمتر نسبت به ساختارهای متداول است. همچنین برای کنترل ولتاژ ابر خازن روش کنترلی ارائهشده است. روش کنترل موتور القایی استفاده شده نیز روش کنترل مستقیم گشتاور است. برای صحت سنجی ساختار و روش کنترلی پیشنهادی، شبیهسازی در محیط نرمافزار MATLAB/Simulink ارائهشده است که نتایج صحت عملکرد سیستم را نشان داد.
کلیدواژه- مبدل منبع امپدانسی، مبدل از نوع Y-Source بهبودیافته، ابر خازن، خودرو برقی
-1 مقدمه
محرکه الکتریکی در خودروهای برقی، انرژی الکتریکی را از باتری ها دریافت نموده و به انرژی مکانیکی برای به حرکت درآوردن خودرو تبدیل میکند. یک سیستم محرکه الکتریکی شامل موتور الکتریکی، مبدل الکترونیک قدرت و کنترل الکترونیکی میباشد. به خاطر وجود ترمز ژنراتوری، جهت انتقال قدرت به صورت معکوس نیز امکان پذیر میباشد. بستگی به استراتژی کنترل موتور، دستورات راننده و اطلاعات به دست آمده از سیستم مدیریت انرژی، کنترل الکترونیکی سیگنالهای مناسبی را برای مبدل قدرت فراهم می آورد . این سیگنالها تقویت شده تا سوئیچینگ مناسب توسط سوئیچهای قدرت انجام گیرد . بنابراین مبدل الکترونیک قدرت، قدرت جاری بین باتریها و موتور را در حالت موتوری و ژنراتوری تنظیم مینمایدو بایستی بهصورت دوطرفهباشد. معمولاً از اینورتر منبع ولتاژشش کلیدی برای این منظور استفاده میشد.
همچنین نیاز به مبدل dc/dc با بهره بالا نیز وجود دارد.[2-1]سیستم هیبرید ذخیره ساز انرژی - HESS - راه حل مناسبی برای ذخیره ساز خودروهای برقی - ESS - میباشد. در مقایسه با ESS که بر اساس باتری است، قابلیت نرخ شارژ/دشارژ سریع وبا بازده بالا در شرایط سرعتگیری، سربالایی و ترمزی ایجاد می-گردد.[6-3] ابر خازن - UC - بسیار در تحقیقات مربوط به HESS مورد توجه قرار گرفته است، زیرا که دارای چگالی توان بالایی است و طول عمر مفید آن بیش از یک میلیون سیکل است. با ترکیب UC و باتری در HESS بازده و عملکرد کل سیستم ازنظر چگالی توان و پاسخ دینامیکی بالا میرود.[2]ساده ترین ساختار HESS موازی سازی UC ها و باتری باهم است که تحت عنوان خانواده HESS با المان پسیو دستهبندی میگردد. مشکل اصلی این ساختار بهره کمتر از انرژی UC به دلیل بهره ولتاژ محدود باتری میباشد.
با استفاده از مبدلهای الکترونیک قدرت، ولتاژ UC و باتری میتواند از هم مجزا شود و میتوان به صورت مستقل مدیریت توان داخلی بین آنها انجام داد. این ساختار بهعنوان HESS فعال شناخته میشود.در نوع متداول، معمول از یک مبدل dc/dc که از UC تغذیه میگردد و باتری مستقیماً به لینک DC وصل است استفاده می-گردد.[4]درصورتی که مبدل DC/DC برای هم باتری و هم UC استفاده شود، در این صورت کنترل روی تمامی منابع خواهد بود و به این نوع از ساختار اکتیو کامل گفته میشود و در آن مدیریت توان کامل قابل انجام است. این ساختار دارای یک عیباست و آنها واکنش بین ماژولها DC/DC است که سبب تاثیر روی پایداری کل سیستم میگردد و سبب میگردد که پیچیدگی سیستم بالاتر رود.[7]به طورکلی سه چالش بایستی در طراحی یک سیستم HESS فعال در نظر گرفته شود.
اولی بهره مناسب بردن از انرژی UC میباشد. انرژی ای که UC تامین میکند به رنج ولتاژ کاری آن وابسته است. مبدل بایستی به حد کافی افزاینده باشد تا بتواند انرژی کامل را از UC در ولتاژهای مختلف دریافت نماید. دومین فاکتور تلفات مبدل های الکترونیک قدرت است که بایستی محدود گردد.[10-8] در انتها، بایستی برای کاهش توان باتری استراتژی دیده شود که سیستم اعلام نماید. بهطور خلاصه، مصالحه بین هزینه مبدل الکترونیک قدرت و عملکرد HESS مهمترین بحث در تحقیقات HESS میباشد.المان اصلی که در تمامی ساختارهای نشان داده شده در شکل 1 وجود دارد، یک اینورتر است که بین HESS و موتور الکتریکی نقش واسط را بازی میکند. یکی از راهکارهای برای مصالحه ای که بیان شد، ترکیب HESS فعال و اینورتر است. در تحقیقات اخیر اینورترهای منبع امپدانسی معرفی شده است که میتواند تبدیل کاهنده/افزاینده به سیستم اضافه نماید.[12-11]
مدل منبع امپدانسی در ساختار خودرو برقی تاکنون در چند تحقیق بررسیشده است.[15-13] این ساختار بهصورت تک مرحله ای میباشد و مقرون بهصرفه است. همچنین به دلیل حذف مشکل اتصال کوتاه، قابلیت اطمینان سیستم بالا میرود. همچنین با استفاده از این ساختار میتوان کنترل برداری بدون سنسور روی موتور انجام داد.[16]در [ 17] ساختاری ارائه شده است که در آن UC و باتری و اینورتر در هم ترکیب شده است و ساختاری مرکب و تکمرحلهای را ایجاد کرده است.در این مقاله، از مبدل منبع امپدانسی از نوع Y-Source بهبودیافته دوجهته برای تغذیه موتور خودرو برقی ارائهشده است. این ساختار دارای بهره بالاتر، استرس پایینتر روی هناصر به دلیل وجود سلف در ورودی مدار میباشد. همچنین هزینه ساخت ترانسفورماتور فرکانس بالا به دلیل هسته مشترک و تعداد دور کمتر نسبت به ساختارهای مشابه پایینتر میباشد. دو جهته بودن ساختار امکان برگشت انرژی ترمزی و ذخیرهسازی در ابر خازن را فراهم میآورد. در ادامه ساختار پیشنهادی معرفی می-گردد، سپس نتایج شبیهسازی ارائه خواهد شد و در انتها نتیجه گیری ارائه میگردد.
-2 ساختار پیشنهادی
شکل 2 نحوه اتصال و کنترل های مربوط به هر قسمت از مدار را نمایش می دهد. در ساختارهای مرسوم برای محرکه موتورهای خودرو برقی از چند مبدل برای باتری و اینورتر استفاده میکردند. همچنین در اغلب ساختارهای در حالت ترمزی توان برگشتی مورد استفاده قرار نمیگیرد و هدر میگردد. در این مقاله سعی شده است ساختاری ارائه گردد که بهطور دوجهته باشد و توان ترمزی به باتری و ابر خازن برگردد و همچنین سیستم بتواند موتور القایی را کنترل نماید. یک مبدل دوطرفه منبع امپدانسی از نوع Y-Source بهبودیافته [18] با دو ورودی باتری و ابر خازن استفاده شده است. وظیفه این مدار افزایش ولتاژ باتری و ابر خازن به مقدار ولتاژ لینک DC و همچنین مدیریت توان باتری و ابر خازن میباشد. اینورتر وظیفهتبدیل DC/AC را دارد. البته با روش کنترل مستقیم گشتاور کنترل سرعت و شار صورت میگیرد. در ادامه نحوه عملکرد هر قسمت توضیح داده خواهد شد.
-1-2 تحلیل مبدل Y-Source بهبودیافته با حضور باتری و ابر خازن
مبدلهای منبع امپدانسی بهصورت کلی دارای دو حالت اتصال کوتاه و غیر اتصال کوتاه هستند. چنانچه در شکل 2 نشان دادهشده است، در ساختار پیشنهادی نسبت به اینورتر Y-Source بهبودیافته، منبع ورودی جای خود را به ابر خازن داده است و همچنین باتری با خازن C1 موازی شده است. برای برگشت توان ترمزی به UC نیز از یک کلید SW بهصورت موازی معکوس با دیود استفاده شده است.برای سادگی تحلیل، نخست برگشت توان از موتور در نظر گرفته نمیشود. در این حالت، تنها دیود موازی معکوس کلید SW برای تحلیل نیاز میباشد. در حالت کاری اتصال کوتاه، اینورتر در حالت بردار صفر قرار دارد و با یک کلید S که درحالت هدایت است، مدلسازی میگردد. شکل 3 مدار معادل این بازه را نشان میدهد. طول این بازه DSTT میباشد. در این بازه روابط مداری زیر برقرار است:
در این رابطه VC1، VC2، VUC و VLm به ترتیب ولتاژ خازن C1، C2، UC و سلف Lm میباشد. همچنین، N12=N1/N2,N23=N2/N3, N31=N3/N1. میباشد.در حالت غیر اتصال کوتاه نیز، دیود کلید SW در حال هدایت است و اینورتر در حالت بردار فعال قرار دارد. شکل 4 مدار معادل این بازه را نشان میدهد. طول این بازه - 1-DST - T میباشد. در این بازه روابط زیر برقرار است:
با اعمال قانون ولت-ثانیه روی سلف Lm و سلف L، ولتاژ خازن ها و ولتاژ خروجی بهصورت زیر محاسبه میگردد:
