Новая технология MPPT для зарядки электромобилей в сочетании с фотоэлектрическими элементами и топливными элементами

Аккумулятор TROJAN T145

Индийские учёные разработали систему, в которой используются фотоэлектрические панели, топливный элемент с протонообменной мембраной, аккумуляторная батарея и суперконденсатор. В ней также используется адаптивная нейро-нечёткая система вывода на основе MPPT, которая, по имеющимся данным, обеспечивает эффективность 98,7%.

Исследовательская группа под руководством учёных из Индии разработала новую «умную» систему для электромобилей (EV), в которой используются фотоэлектрические панели, топливный элемент с протонообменной мембраной (PEM), аккумуляторная батарея и суперконденсатор. В основе системы лежит интегрированный повышающий преобразователь Z-source с алгоритмом отслеживания точки максимальной мощности (MPPT) на основе адаптивной нейро-нечёткой системы вывода (ANFIS).

«В отличие от обычных фотоэлектрических или гибридных систем, этот подход сочетает в себе интеллектуальное управление с распределением энергии из нескольких источников, что обеспечивает эффективную, стабильную и надёжную подачу энергии для интеллектуальных систем зарядки электромобилей, — рассказал автор исследования Суреш Вендоти в интервью журналу PV. — В нашей будущей работе мы расширим эту концепцию до микросетей постоянного тока на основе возобновляемых источников энергии с возможностью подключения транспортных средств к сети (V2G), что позволит более эффективно интегрировать электромобили в энергетическую экосистему».

Система была смоделирована с помощью MATLAB/Simulink 2021a. Она включала в себя два блока быстрой зарядки мощностью 50 кВт, фотоэлектрическую систему с пиковой мощностью 186 кВт, свинцово-кислотный аккумулятор (СКУ) и систему накопления энергии на основе водорода (СНЭ). СНЭ на основе водорода включает в себя систему производства водорода мощностью 176 кВА, шесть модулей топливных элементов (ТЭ) мощностью 66 кВт и резервуар для водорода объёмом 450 кг.

Система

Система интегрирована с помощью Z-преобразователей (ZSC), в которых сеть импеданса соединяет фотоэлектрическую систему, аккумуляторную батарею и сеть. Конструкция ZSC включает в себя два синхронно управляемых переключателя, входной диод, выходной диод и конденсатор и работает либо в режиме непрерывной проводимости (CCM), либо в режиме прерывистой проводимости (DCM).

«Для оптимизации выходной мощности солнечных панелей в различных погодных условиях предлагается метод MPPT на основе ANFIS. Он использует напряжение, силу тока и температуру фотоэлектрических элементов в качестве входных переменных, а рабочий цикл — в качестве выходных переменных для управления повышающим импульсным преобразователем постоянного тока Landsman с целью отслеживания максимальной мощности, — пояснили учёные. — При достаточном количестве обучающих эпох ANFIS оптимизирует работу MPPT за счёт уточнения нечётких правил и минимизации ошибок, что делает его пригодным для управления в режиме реального времени».

Эта система была протестирована на лабораторном прототипе с использованием FC с выходным напряжением 100 В и выходным током 30–40 А, преобразователя постоянного тока с выходным напряжением 1000–1100 В и выходным током 30 А, а также аккумулятора с напряжением 120 В. Погрешность между результатами моделирования и прототипом составила от 0,8 % до 3 % в зависимости от параметра.

Производительность

«Результаты моделирования демонстрируют эффективное повышение напряжения со 110 до 150 В и стабилизацию выходного напряжения на уровне примерно 1100 В при токе 30 А, при этом ток на стороне фотоэлектрических элементов стабилизируется на уровне 500 А. Топливный элемент поддерживает стабильное выходное напряжение 110 В, при этом его ток снижается с 40 до 25 А, а уровень заряда батареи (SOC) сохраняется на уровне 60 % при выходном напряжении 120 В», — показали результаты. «Аппаратный прототип, разработанный на базе микроконтроллера DSPIC30F4011, обеспечивает эффективность MPPT 98,7 %, регулирование напряжения в пределах ±1,5 % и отклонение выходной мощности менее 2 %. Формы сигналов сетевого напряжения и тока характеризуются низким уровнем суммарных гармонических искажений (THD) в соответствии со стандартами IEEE 519, с измеренными значениями 500 В и 13 А соответственно».

В заключение Вендоти сказал, что «самым поразительным результатом стало значительное повышение эффективности отслеживания и динамических характеристик MPPT на основе ANFIS при колебаниях солнечной радиации по сравнению с традиционными алгоритмами MPPT. Кроме того, гибридная конфигурация оказалась способной поддерживать стабильность сети и обеспечивать непрерывную зарядку электромобилей даже при нестабильной выработке возобновляемой энергии и колебаниях нагрузки, что превзошло первоначальные ожидания».

Подробности системы можно найти в статье «Сетевая гибридная система фотоэлектрических топливных элементов с накопителем энергии и системой MPPT на основе ANFIS для интеллектуальной зарядки электромобилей», опубликованной в Scientific Reports. В исследовании приняли участие учёные из Глобального университета Годавари в Индии, Инженерно-технологического колледжа Святой Анны, Технологического института GMR, Инженерного колледжа Нью-Хорайзон, Технологического института MLR, Университета Шинаватра в Таиланде, Университета Таифа в Саудовской Аравии и Университета Волло в Эфиопии.