Беспроводная зарядка электромобилей на основе фотоэлектрических элементов, трёхпортовый DC–DC преобразователь

Аккумулятор FIAMM FG 21803

Ученые разработали систему беспроводной зарядки для электромобилей, в основе которой лежит трехпортовый преобразователь постоянного тока. Они смоделировали систему и протестировали прототип в своей лаборатории и обнаружили, что его эффективность повысилась до 88 %.

Группа учёных под руководством исследователей из индийского Института науки и технологий SRM разработала систему беспроводной зарядки (СБЗ) для электромобилей (ЭВ), которая интегрирует фотоэлектрическую генерацию. В основе системы, которая была смоделирована и экспериментально протестирована в лаборатории, лежит трёхпортовый преобразователь постоянного тока (ТПЦ).

«Ключевыми результатами этого исследования являются разработка TPC для систем индуктивной беспроводной передачи энергии (WPT), обеспечивающей эффективное многопортовое управление энергопотреблением; интеграция фотоэлектрических систем и систем накопления энергии (ESS) для обеспечения непрерывной зарядки, более эффективного использования энергии и повышения стабильности системы при различных входных условиях; а также анализ методов последовательной компенсации (SS) и последовательной компенсации с помощью катушки индуктивности и конденсаторов (LCC-S)», — заявили авторы исследования.

Сначала система была смоделирована в программах MATLAB-Simulink и Ansys Maxwell. Центральным элементом топологии TPC был высокочастотный трансформатор с тремя отдельными обмотками, соединяющими фотоэлектрическую систему, аккумулятор и передатчик. В портах фотоэлектрической системы и аккумулятора использовался H-мостовой инвертор, работающий на частоте 85 кГц, а катушка передатчика подключалась через переключатель. В случае конфигурации SS последовательный конденсатор используется как в передатчике, так и в приёмнике. В корпусе LCC-S, напротив, добавлены катушка индуктивности и два конденсатора на стороне передатчика, а также один последовательный конденсатор на стороне приёмника.

«Работу предлагаемой системы можно разделить на три режима в зависимости от состояния фотоэлектрического порта и аккумулятора», — подчеркнули в группе. «В первом режиме фотоэлектрическая система одновременно питает порт WCS (нагрузку) и ESS/аккумулятор. В этом сценарии фотоэлектрическая система редко питает только порт WCS, так как мощность фотоэлектрической системы обычно соответствует мощности нагрузки лишь в течение короткого периода в течение всего дня работы». Второй режим активируется, когда мощность, поступающая через фотоэлектрический порт, меньше мощности, необходимой для порта WCS. В этом режиме и фотоэлектрический порт, и порт ESS обеспечивают питание порта WCS. В третьем режиме порт ESS обеспечивает питание порта WCS.

Следуя концепции программного обеспечения системы, команда создала лабораторный прототип системы. Он включал в себя фотоэлектрическую систему мощностью 500 Вт и аккумуляторную батарею мощностью 500 Вт, которые были эмулированы с помощью эмулятора Itech 6018B 500120. Мощность системы WCS составляла 350 Вт, а сама она имела квадратную форму. В высокочастотном инверторе (HFI) на стороне фотоэлектрического порта в качестве активных переключателей использовались четыре силовых полевых МОП-транзистора (SCT2080KE) из карбида кремния (SiC). В преобразователе на стороне ESS также использовались полевые МОП-транзисторы SCT2080KE.

Согласно их измерениям, предложенная система обеспечивает повышенную эффективность в 88 %.

«Анализ и результаты экспериментов демонстрируют эффективное управление потоком энергии за счёт фазового сдвига прямоугольных сигналов на выходе активных мостов. Предложенная топология TPC включает в себя вспомогательные переключатели на портах ESS и WCS для устранения циркулирующего тока между портами батареи и фотоэлектрическими портами, что позволяет оптимизировать управление потоком энергии, — заявили авторы исследования. — Кроме того, исследование показало, что интегрированные с фотоэлектрическими элементами системы TPC с компенсацией LCC-S превосходят системы с компенсацией SS в условиях несоосности».

Ученые описали систему в статье «Многопортовая индуктивная беспроводная зарядная система с преобразователем постоянного тока в постоянный для электромобилей со встроенными фотоэлектрическими системами и накопителями энергии», опубликованной в Scientific Reports. В исследовании приняли участие ученые из индийского Института науки и технологий SRM, Инженерного колледжа К.С.Р. и Университета Юго-Восточной Норвегии.