Постучал

Nov 08, 2023

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 13745 (2022) Цитировать эту статью

1070 Доступов

Подробности о метриках

Для системы хранения энергии необходим двунаправленный преобразователь постоянного тока в постоянный. Тенденциями развития являются высокая эффективность и высокий повышающий и понижающий коэффициент преобразования. В этом исследовании серия двунаправленных схем Cuk с высоким коэффициентом усиления была получена путем объединения катушек индуктивности с ответвлениями и двунаправленных Cuk. После анализа и сравнения характеристик каждой схемы была предложена двунаправленная схема Cuk с высоким коэффициентом усиления и отводным дросселем (обратная связь). Предлагаемый преобразователь имеет простую конструкцию и высокий коэффициент усиления по напряжению как в понижающем (Buck), так и в повышающем (Boost) режимах работы. Напряжение напряжения S2 было низким. Однако напряжение напряжения S1 было высоким, и это является недостатком предлагаемого преобразователя. Были тщательно изучены характеристики предложенной схемы, включая характеристики усиления по напряжению и конструкцию основных параметров. Мы создали модель потерь мощности для новой топологии, а коэффициент поворота индуктора с отводом был оптимизирован для обеспечения высокой эффективности. Наконец, было показано, что экспериментальная реализация преобразователя мощностью 400 Вт обеспечивает КПД 93,5% и 92,4% в повышающем и понижающем режимах соответственно. Эти результаты подтвердили обоснованность теоретического анализа предложенной схемы.

Из-за нехватки ископаемого топлива и серьезных экологических проблем в последние годы значительные усилия были сосредоточены на разработке экологически безопасных технологий распределенной генерации (ДР)1. Однако возобновляемая энергия не обеспечивает стабильного производства энергии из-за погодных условий. Хранение энергии необходимо для обеспечения стабильной мощности2. Кроме того, напряжение аккумуляторной батареи обычно низкое, в диапазоне 12–48 В, тогда как напряжение шины постоянного тока составляет 400 В или выше, что соответствует требованиям инвертора или сети переменного тока3. В результате для систем накопления энергии для подключения низковольтной батареи к высоковольтной шине постоянного тока необходим двунаправленный преобразователь постоянного тока в постоянный с высоким коэффициентом преобразования повышающего/понижающего напряжения4. Кроме того, эти преобразователи были тщательно исследованы для широкого спектра промышленных применений, включая системы бесперебойного питания, электромобили и авиационные источники питания5. Традиционный повышающе-понижающий преобразователь может обеспечить высокий коэффициент усиления по напряжению при большом коэффициенте заполнения, что приводит к значительным потерям проводимости из-за больших пульсаций тока. Кроме того, в литературе представлено несколько двунаправленных преобразователей постоянного тока в постоянный на основе изолированных топологий. Эти топологии требуют трансформатора и большого количества переключающих устройств, что увеличивает стоимость и потери на переключение, а также требует более сложных схем управления.

Было предложено множество двунаправленных преобразователей постоянного тока в постоянный с высоким коэффициентом повышающего/понижающего преобразования для улучшения коэффициента усиления напряжения и эффективности преобразователя. Каскадный метод использовался в ссылке 6 для расширения диапазона коэффициентов двунаправленного преобразователя, коэффициент усиления которого рассчитывался путем умножения коэффициентов усиления каждого преобразователя уровня. Однако эффективность была низкой из-за каскада, и существовала проблема нестабильности. Предложенный преобразователь в ссылке 7 улучшил коэффициент преобразования двунаправленного преобразователя постоянного тока за счет параллельного подключения стороны низкого напряжения, а стороны высокого напряжения - последовательно, но структура преобразователя была сложной. Некоторые привлекательные решения, такие как переключаемые конденсаторы8,9, переключаемые катушки индуктивности10 и связанные катушки индуктивности11, были предложены для базового двунаправленного преобразователя постоянного тока для увеличения коэффициента преобразования напряжения. Предложенный двунаправленный мостовой модульный резонансный преобразователь постоянного тока на основе переключаемых конденсаторов достиг высокого коэффициента повышающего/понижающего преобразования за счет блока переключаемых конденсаторов8. Однако в нем использовалось большое количество переключателей, а напряжения и токи на переключателях были высокими из-за резонанса. В результате, хотя в схеме, предложенной в 9, было уменьшено количество переключателей, диапазон ее коэффициентов преобразования был ограничен. В ссылке 10 использован метод связанных индукторов для создания двунаправленного преобразователя постоянного тока в постоянный с высоким коэффициентом усиления по повышающему/понижающему напряжению. Пульсации тока были большими, поскольку форма тока на низковольтной стороне топологии была прямоугольной. Кроме того, в ссылке 11 обсуждаются неизолированные двунаправленные преобразователи постоянного тока в постоянный ток на основе индукторов с двойной связью, которые могут обеспечить высокий коэффициент усиления по напряжению и снизить напряжения переключения за счет последовательного соединения вторичных обмоток двух связанных индукторов. Однако это потребовало сложного контроля.