Розробка потужного низьковольтного перетворювача постійної напруги для систем акумулювання електроенргії

Автор(и)

  • Anatoly Panchenko Харківський національний університет Повітряних Сил імені Івана Кожедуба вул. Сумська, 77/79, м. Харків, Україна, 61023, Україна https://orcid.org/0000-0002-1280-2049
  • Dmytro Karlov Харківський національний університет Повітряних Сил імені Івана Кожедуба вул. Сумська, 77/79, м. Харків, Україна, 61023, Україна https://orcid.org/0000-0002-3786-2160
  • Yuriy Kusakin Харківський національний університет Повітряних Сил імені Івана Кожедуба вул. Сумська, 77/79, м. Харків, Україна, 61023, Україна https://orcid.org/0000-0001-7813-5755
  • Maksim Kuravskiy Харківський національний університет Повітряних Сил імені Івана Кожедуба вул. Сумська, 77/79, м. Харків, Україна, 61023, Україна https://orcid.org/0000-0001-9360-6850
  • Oleksandr Drol Харківський національний університет Повітряних Сил імені Івана Кожедуба вул. Сумська, 77/79, м. Харків, Україна, 61023, Україна https://orcid.org/0000-0002-5472-208X

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.198950

Ключові слова:

акумулятор, іоністор, паралельний заряд, послідовний розряд, енергія електричного поля, баланс заряду

Анотація

Представлене розв’язання проблеми, пов’язаної з використанням акумуляторів на автономних сонячних та вітрових електростанціях, установках гарантованого живлення, електромобілях. Відомо, що один елемент акумулятора може видавати 1,2–4 В, отже виникає необхідність комплектувати батарею, в послідовно паралельному з’єднанні, від декількох елементів до декількох тисяч елементів. У процесі експлуатації з’являються незначні відхилення напруг елементів, які в процесі експлуатації накопичуються і призводять до виходу з ладу батареї. Для запобігання таких явищ необхідне діагностування з точністю до 0,1–0,001 В на елемент. Це ускладнює систему контролю та призводить до вибракування усієї батареї, при виході із ладу певної кількості елементів. Збільшується навантаження на навколишнє середовище, пов’язане з утилізацією свинцю, кадмію, літію. Встановлено, що не існує ефективних перетворювачів постійної напруги в постійну, на зазначених рівнях напруги і потужності. Перетворювачі напруг з рівня 3 В використовують проміжну ланку перетворення енергії магнітного поля. Низьковольтні перетворювачі цього типу використовуються тільки на малих потужностях.

Доведено, що значну кількість послідовно паралельно ввімкнутих елементів акумулятора можна замінити одним еквівалентним по енергії. Проведеним дослідженням встановлено, що подальше підвищення напруги доцільно виконувати іоністорами шляхом їх заряджання в паралельному режимі з послідуючим розрядом у послідовному. 

Розроблений математичний опис роботи перетворювача, починаючи з моменту вмикання, виходу на усталений режим і з подальшим реагуванням на зміну навантаження. Оскільки робота перетворювача передбачає великі струми, враховуються складові внутрішніх опорів усіх елементів. Такий підхід дозволяє дослідити можливі технічні реалізації, виявити закономірності при варіації його параметрів та оптимізувати умови залежно від типу хімічних елементів і потужності споживача

Біографії авторів

Anatoly Panchenko, Харківський національний університет Повітряних Сил імені Івана Кожедуба вул. Сумська, 77/79, м. Харків, Україна, 61023

Кандидат технічних наук, доцент 

Кафедра електротехнічних систем комплексів озброєння та військової техніки 

Dmytro Karlov, Харківський національний університет Повітряних Сил імені Івана Кожедуба вул. Сумська, 77/79, м. Харків, Україна, 61023

Доктор технічних наук, заступник начальника наукового центру

Центр Повітряних Сил з наукової роботи

Yuriy Kusakin, Харківський національний університет Повітряних Сил імені Івана Кожедуба вул. Сумська, 77/79, м. Харків, Україна, 61023

Кандидат технічних наук, доцент, начальник факультету

Факультет післядипломної освіти

Maksim Kuravskiy, Харківський національний університет Повітряних Сил імені Івана Кожедуба вул. Сумська, 77/79, м. Харків, Україна, 61023

Науковий співробітник

Факультет зенітно ракетних військ

Oleksandr Drol, Харківський національний університет Повітряних Сил імені Івана Кожедуба вул. Сумська, 77/79, м. Харків, Україна, 61023

Викладач 

Кафедра тактики та загальновійськових дисциплін

Посилання

  1. Li, X., Zhang, D. (2018). Coordinated Control and Energy Management Strategies for Hundred Megawatt-level Battery Energy Storage Stations Based on Multi-agent Theory. 2018 International Conference on Advanced Mechatronic Systems (ICAMechS). doi: https://doi.org/10.1109/icamechs.2018.8506868
  2. Badeda, J., Kwiecien, M., Schulte, D., Ruwald, T., Sauer, D. U. (2017). Adaptive battery steering and management system for the optimized operation of stationary battery energy storage systems in multi-use applications. 2017 IEEE International Telecommunications Energy Conference (INTELEC). doi: https://doi.org/10.1109/intlec.2017.8214149
  3. Smith, S., Firdous, I., Wang, Q., Esmalla, S., Daoud, W. A. (2019). A two-dimensional model of the vanadium–cerium redox flow battery. Electrochimica Acta, 328, 135019. doi: https://doi.org/10.1016/j.electacta.2019.135019
  4. Wang, R., Li, Y., Wang, Y., Fang, Z. (2020). Phosphorus-doped graphite felt allowing stabilized electrochemical interface and hierarchical pore structure for redox flow battery. Applied Energy, 261, 114369. doi: https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2019.114369
  5. Grisales-Noreña, L. F., Montoya, O. D., Gil-González, W. (2019). Integration of energy storage systems in AC distribution networks: Optimal location, selecting, and operation approach based on genetic algorithms. Journal of Energy Storage, 25, 100891. doi: https://doi.org/10.1016/j.est.2019.100891
  6. Iurilli, P., Brivio, C., Merlo, M. (2019). SoC management strategies in Battery Energy Storage System providing Primary Control Reserve. Sustainable Energy, Grids and Networks, 19, 100230. doi: https://doi.org/10.1016/j.segan.2019.100230
  7. Biya, T. S., Sindhu, M. R. (2019). Design and Power Management of Solar Powered Electric Vehicle Charging Station with Energy Storage System. 2019 3rd International Conference on Electronics, Communication and Aerospace Technology (ICECA). doi: https://doi.org/10.1109/iceca.2019.8821896
  8. Abdelkafi, A., Masmoudi, A., Krichen, L. (2018). Assisted power management of a stand-alone renewable multi-source system. Energy, 145, 195–205. doi: https://doi.org/10.1016/j.energy.2017.12.133
  9. Khan, A., Memon, S., Sattar, T. (2017). Integration and Management of Solar Energy for Electric Vehicle Charging Station. Proceedings of SWC2017/SHC2017. doi: https://doi.org/10.18086/swc.2017.16.03
  10. Zhang, Y., Lu, S. (2018). Research on Series-Parallel Connection Switching Charging Method for Lithium Battery of Autonomous Underwater Vehicles. 2018 IEEE 8th International Conference on Underwater System Technology: Theory and Applications (USYS). doi: https://doi.org/10.1109/usys.2018.8779098
  11. Belmokhtar, K., Ibrahim, H., Ghandour, M. (2016). Improving performance of batteries by using charge equalization systems – Experimental validation. 2016 3rd International Conference on Renewable Energies for Developing Countries (REDEC). doi: https://doi.org/10.1109/redec.2016.7577542
  12. Vodorodnaya energetika: nachalo bol'shogo puti. Available at: https://habr.com/ru/company/toshibarus/blog/428511/
  13. Korovin, N. V. (2005). Toplivnye elementy i elektrohimicheskie energoustanovki. Moscow: Izd-vo MEI, 208.
  14. Akkumulyatory gelevye, mul'tigelevye i AGM - v chem raznitsa? Available at: https://lantorg.com/article/akkumulyatory-gelevye-multigelevye-i-agm-v-chem-raznitsa
  15. Korovin, N. (2002). Nikel'-Metallgidridnye akkumulyatory. Elektronnye komponenty, 4, 99–103.
  16. Revolyutsiya zakonchilas'. Est' li al'ternativa litiy-ionnomu akkumulyatoru? Available at: https://habr.com/ru/company/toshibarus/blog/462185/
  17. Stoimost' soderzhaniya i remonta elektrokara Nissan LEAF v Ukraine. Available at: https://elektrovesti.net/60052_stoimost-soderzhaniya-i-remonta-elektrokara-nissan-leaf-v-ukraine
  18. Savinyh, V. (2018). "Salyut-7". Zapiski s "mertvoy" stantsii. Moscow: Eksmo, 256.
  19. Sidorovich, V. (2017). K voprosu utilizatsii litiy-ionnyh akkumulyatorov. Available at: https://renen.ru/on-the-issue-of-recycling-lithium-ion-batteries/
  20. Povyshayushchie DC-DC preobrazovateli. Available at: https://bigl.ua/sc-2508878-Povyshayuschie-dc-dc-preobrazovateli?gclid=Cj0KCQiAl5zwBRCTARIsAIrukdPxFVpQB7Wt12gea7RxyOYPa4sPn-8d9EL43rXdajAdkeURDetWB58aAnvDEALw_wcB
  21. DC/DC-преобразователи мощностью 1 кВт серии FXW от Calex. Available at: https://power-e.ru/components/dc-dc-preobrazovateli-moshhnostyu-1-kvt-serii-fxw-ot-calex/
  22. GaN used to Design 2.5MHz 3kW Resonant DC-DC (2016). Available at: https://www.radiolocman.com/news/new.html?di=276561
  23. Tsarenko, A., Seregin, D. (2006). K voprosu postroeniya moshchnyh DC-DC preobrazovateley napryazheniya, pitayushchihsya ot nizkovol'tnyh setey. Silovaya Elektronika, 3, 68–72.
  24. Loo, S., Keller, K. (2004). Single-cell Battery Discharge Characteristics Using the TPS61070 Boost Converter. Application Report SLVA194–AUGUST 2004. Available at: http://www.ti.com/lit/an/slva194/slva194.pdf
  25. Sozdanie vysokoeffektivnyh kompaktnyh preobrazovateley postoyannogo napryazheniya dlya perenosnoy apparatury, pitaemoy ot odnogo 1,5V elementa. Available at: http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/publ/powersuply/bat_1-5.htm
  26. Vasil'ev, A. (2014). Kondensator vmesto akkumulyatora. Available at: https://www.elec.ru/articles/kondensator-vmesto-akkumulyatora/
  27. Den'shchikov, K. K. (2013). Superkondensatory: printsip postroeniya, tehnika i primeneniya. Uchenyy sovet OIVT RAN.
  28. Oakes, L., Westover, A., Mares, J. W., Chatterjee, S., Erwin, W. R., Bardhan, R. et. al. (2013). Surface engineered porous silicon for stable, high performance electrochemical supercapacitors. Scientific Reports, 3 (1). doi: https://doi.org/10.1038/srep03020
  29. Yan, X., Tai, Z., Chen, J., Xue, Q. (2011). Fabrication of carbon nanofiber–polyaniline composite flexible paper for supercapacitor. Nanoscale, 3 (1), 212–216. doi: https://doi.org/10.1039/c0nr00470g
  30. Pentegov, I. V. (1996). K teorii teslovskih protsessov zaryadki emkostnyh nakopiteley energii. Elektrichestvo, 6, 42–47.
  31. Despotuli, A. L., Andreeva, A. V. (2003). Sozdanie novyh tipov tonkoplenochnyh superkondensatorov dlya mikrosistemnoy tehniki i mikro- (nano) elektroniki. Mikrosistemnaya tehnika, 11, 2–10.
  32. Despotuli, A. L., Andreeva, A. V., Vedeneev, V. V., Aristov, V. V., Mal'tsev, P. P. (2006). Vysokoemkie kondensatory dlya ul'traplotnogo poverhnostnogo montazha. Nano- i mikrosistemnaya tehnika, 3, 30–37.
  33. Medzhahed, D., Tsvetkov, D. (2009). «Ideal'nye diody» ot kompanii STMicroelectronics. Novosti elektroniki, 14, 23–25.
  34. Nizkovol'tnye MOSFETs dlya sil'notochnyh primeneniy i zhestkih usloviy (2014). Available at: https://www.compel.ru/lib/65023
  35. Bashkirov, V. (2008). Novye semeystva vysokoeffektivnyh nizkovol'tnyh MOSFET. Novosti elektroniki, 18, 29–32.

##submission.downloads##

Опубліковано

2020-04-30

Як цитувати

Panchenko, A., Karlov, D., Kusakin, Y., Kuravskiy, M., & Drol, O. (2020). Розробка потужного низьковольтного перетворювача постійної напруги для систем акумулювання електроенргії. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2(8 (104), 25–34. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.198950

Номер

Том 2 № 8 (104) (2020): Енергозберігаючі технології та обладнання

Розділ

Енергозберігаючі технології та обладнання

Ліцензія

Авторське право (c) 2020 Anatoly Panchenko, Dmytro Karlov, Yuriy Kusakin, Maksim Kuravskiy, Oleksandr Drol

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.