Многоуровневый преобразователь
Метод генерации высоковольтных волновых форм из низковольтных компонентов

Многоуровневый преобразователь ( MLC ) или (многоуровневый инвертор) — это метод генерации высоковольтных волновых форм из низковольтных компонентов. Истоки MLC уходят более чем на сто лет назад, когда в 1880-х годах стали очевидны преимущества передачи постоянного тока на большие расстояния. [1]

Модульные многоуровневые преобразователи (MMC) были исследованы Триколи и др. в 2017 году. Хотя их жизнеспособность для электромобилей (EV) была установлена, подходящие недорогие полупроводники, которые сделали бы эту топологию конкурентоспособной, в настоящее время отсутствуют (по состоянию на 2019 год). [2]

Описание

В 1999 году в [3] уже было описано , что двигатели также могут работать, но система также может заряжаться без необходимости в дополнительном зарядном устройстве переменного тока. Примечательным примером является работа стартапа Pulsetrain, который является пионером в использовании MLC для электромобильности. Используя достижения в полупроводниковых/контрольных/аппаратных технологиях, приближая MLC к широкому внедрению в транспортные средства. [4]

Увеличенный срок службы батареи: MLC могут увеличить срок службы батареи до 80% [5] , в первую очередь за счет импульсной зарядки и разрядки, что невозможно в обычных системах. Благодаря быстрому включению и выключению тока этот подход минимизирует литийсодержащее покрытие, которое является распространенной причиной деградации батареи. Кроме того, возможность индивидуального включения и выключения ячеек обеспечивает дальнейшее потенциальное увеличение срока службы до 60%. [6] В совокупности эти механизмы, как ожидается, обеспечат еще большие преимущества, но текущие оценки консервативно сосредоточены на улучшении на 80%, чтобы избежать чрезмерно высоких ожиданий. Точный размер этой экономии станет яснее по мере того, как продолжающиеся исследования во всем мире продолжат развиваться.

Сокращение времени и стоимости формирования батареи: MLC оптимизирует процесс формирования батареи, критический и ресурсоемкий этап производства. Это снижает затраты и повышает эффективность батареи. [7] [8]

Повышенная эффективность электродвигателя: Повышенная эффективность электродвигателя: Целостная интеграция инвертора, зарядного устройства и системы управления аккумулятором в единый многоуровневый преобразователь (MLC) обеспечивает оптимальную производительность электродвигателя. Такая интеграция гарантирует, что вся трансмиссия работает более эффективно по сравнению с традиционными системами.

MLC также достигают до 30% снижения потерь энергии, особенно во время работы с частичной нагрузкой, когда транспортные средства не работают на полной скорости. Это улучшение особенно полезно для повседневных сценариев вождения, таких как городской трафик и условия остановок и движения, которые представляют собой значительную часть типичного использования транспортных средств. Снижая потери и повышая эффективность в этих обычных условиях вождения, MLC способствуют более устойчивому и экономически эффективному решению для электрической мобильности. [9] [10] [11]

Системная оптимизация: MLC выступает за системный подход к проектированию электромобилей, где аккумуляторы, силовая электроника и двигатели оптимизируются совместно. Эта всеобъемлющая стратегия имеет потенциал для революции в электрических трансмиссиях. [12]

У MLC есть два основных недостатка:

  1. Требования к сложному управлению: хотя управление MLC по своей сути сложнее, чем управление традиционным двухуровневым преобразователем, многие из этих проблем были решены за последние годы. Управление и балансировка напряжений, состояния заряда (SoC), состояния работоспособности (SoH) и температуры каждой батареи субмодуля теперь достижимы с помощью современной вычислительной мощности, которая стала и доступной, и эффективной. Кроме того, эксплуатация каждого субмодуля батареи на его оптимальной частоте больше не является непосильной задачей. Эти достижения делают технологию MLC не только жизнеспособной, но и экономически эффективной, если учесть существенные преимущества, которые она предлагает по сравнению с традиционными решениями.
  2. Отсутствие выходного постоянного напряжения: MLC не имеют прямого выходного постоянного напряжения (например, 400 В или 800 В), обычно необходимого для вспомогательных систем, таких как отопление или кондиционирование воздуха в электромобилях. Это ограничение требует дополнительного оборудования, что немного увеличивает сложность и стоимость системы. [13]

Учитывая эти факторы, технология MLC в настоящее время лучше всего подходит для приложений с одномоторными системами, где отсутствие фиксированного выхода постоянного тока менее критично. Благодаря интеграции батарей в конструкцию инвертора напряжение больше не поддерживается постоянным (например, на уровне 400 В), а динамически изменяется с течением времени, что делает этот подход особенно эффективным для такого приложения.

Источники переменного постоянного тока как промежуточный шаг

Новая вариация MLC — это концепция источников переменного постоянного тока, которая предлагает постепенный переход к полному принятию MLC. Эти системы функционируют аналогично MLC, но с ключевым отличием: вместо переключения напряжений за микросекунды они регулируются медленнее, в течение секунд. Это более медленное переключение позволяет использовать во многом ту же конструкцию оборудования с минимальными модификациями. Например, использование конфигураций полного моста, обычных для MLC, становится необязательным, что позволяет использовать более простые конструкции полумоста.

Этот подход в основном используется как система управления аккумуляторными батареями (BMS), позволяя источникам переменного постоянного тока сохранять многие преимущества MLC, такие как улучшенное использование аккумуляторных батарей и лучшее распределение энергии. Однако это устраняет необходимость в полной переделке системы в транспортных средствах. Просто заменив аккумуляторную систему, OEM-производители могут интегрировать эту технологию в существующие платформы транспортных средств без серьезных изменений, что упрощает для производителей получение опыта и укрепление доверия к технологии.

Хотя этот промежуточный шаг жертвует некоторыми из передовых преимуществ MLC, он сохраняет значительную часть их преимуществ, таких как экономическая эффективность и повышенная устойчивость. Он также обеспечивает убедительную демонстрацию ценовой привлекательности технологии, прокладывая путь для более широкого внедрения и возможного перехода к полностью интегрированным многоуровневым системам.

Высоковольтные преобразователи постоянного тока

Преобразователи HVDC обычно используют последовательно соединенные блоки переключаемых конденсаторов. Блоки включаются или выключаются из цепи для формирования желаемой формы волны, обычно трехфазного переменного тока .

Низковольтные преобразователи постоянного тока

Многоуровневые преобразователи (MLC) можно адаптировать для широкого спектра применений, многие из которых все еще находятся на стадии исследований:

  • Мобильность и стационарное хранение энергии: ожидается, что MLC достигнут своего первого крупного прорыва в области электромобилей и стационарных систем хранения, предлагая улучшенный срок службы батареи и эффективность системы. [14] [15]
  • Генерация водорода: MLC могут управлять высокими токами и умеренными напряжениями, необходимыми для электролиза, с помощью таких конфигураций, как гальванически изолированные резонансные преобразователи LLC. [16] [17]
  • Авиакосмическая промышленность: Системы, подобные ELAPSED, изучают использование МЛК для регулирования быстро меняющихся магнитных полей в авиации. [18]
  • Магнитная стимуляция: академические проекты используют МЛК в медицине и нейроинженерии для точного управления магнитным полем. [19]
  • Космос и термоядерный синтез: Будущие приложения включают регулирование магнитных полей в космических системах и ядерных термоядерных реакторах. [20]

Ссылки

  1. ^ Arrillaga, Jos (1998). "Глава 1". Передача постоянного тока высокого напряжения (второе издание). Институт инженеров-электриков. стр. 1–9. ISBN 0852969414.
  2. ^ Триколи, Пьетро (март 2017 г.). «Оценка эффективности модульных многоуровневых преобразователей для аккумуляторных электромобилей» (PDF) . IEEE Transactions on Power Electronics . 32 (3): 2041– 2051. Bibcode :2017ITPE...32.2041Q. doi :10.1109/TPEL.2016.2557579. S2CID  8412590.
  3. ^ Толберт, Леон М. (янв.–февр. 1999 г.). «Многоуровневые преобразователи для больших электроприводов». Труды IEEE по промышленным приложениям . 35 (1): 36–44 . CiteSeerX 10.1.1.468.9074 . doi :10.1109/28.740843. 
  4. ^ Хабиб, Салман (январь 2018 г.). «Оценка электромобилей с точки зрения воздействия, зарядной инфраструктуры с однонаправленными и двунаправленными зарядными устройствами и сравнения потоков мощности». Int J Energy Res . 42 (11): 3416– 3441. Bibcode : 2018IJER...42.3416H. doi : 10.1002/er.4033 . S2CID  104109087.
  5. ^ Теодореску, Ремус; Суй, Синь; Вильсен, Сорен Б.; Бхарадвадж, Паллави; Кулкарни, Абхиджит; Стро, Дэниел-Иоан (октябрь 2022 г.). «Технология интеллектуальных аккумуляторов для увеличения срока службы». Батареи . 8 (10): 169. doi : 10.3390/batteries8100169 . ISSN  2313-0105.
  6. ^ Харрис, Дэвид Дж.; Ли, Чен; Харрис, Стивен Дж. (2017-04-15). «Статистика отказов аккумуляторов». Тезисы докладов ECS . MA2017-01 (1): 99. doi :10.1149/MA2017-01/1/99. ISSN  2151-2043.
  7. ^ Лю, Янтао; Чжан, Жуйхан; Ван, Цзюнь; Ван, Янь (2021-04-23). ​​«Текущее и будущее производство литий-ионных аккумуляторов». iScience . 24 (4): 102332. Bibcode :2021iSci...24j2332L. doi :10.1016/j.isci.2021.102332. ISSN  2589-0042. PMC 8050716 . PMID  33889825. 
  8. ^ Вуд, Дэвид Л.; Ли, Цзяньлинь; Ан, Сон Джин (18.12.2019). «Проблемы формования при производстве литий-ионных аккумуляторов». Джоуль . 3 (12): 2884– 2888. Bibcode : 2019Joule...3.2884W. doi : 10.1016/j.joule.2019.11.002. ISSN  2542-4351.
  9. ^ P. Rasilo, A. Salem, A. Abdallh, F. De Belie, L. Dupré и JA Melkebeek, «Влияние многоуровневого инверторного питания на потери в сердечнике в магнитных материалах и электрических машинах», в IEEE Transactions on Energy Conversion, т. 30, № 2, стр. 736-744, июнь 2015 г., doi: 10.1109/TEC.2014.2372095.
  10. ^ K. Yamazaki и Y. Seto, «Анализ потерь в железе внутренних синхронных двигателей с постоянными магнитами — изменение основных факторов потерь из-за условий движения», в IEEE Transactions on Industry Applications, т. 42, № 4, стр. 1045-1052, июль-август 2006 г., doi: 10.1109/TIA.2006.876080.
  11. ^ AG Sarigiannidis и AG Kladas, «Влияние частоты переключения на систему привода двигателей с постоянными магнитами для приложений электрического привода», в IEEE Transactions on Magnetics, т. 51, № 3, стр. 1-4, март 2015 г., статья № 8202204, doi: 10.1109/TMAG.2014.2358378.
  12. ^ Керстен, Антон; Кудер, Мануэль; Грундиц, Эмма; Генг, Зеянг; Викнер, Эвелина; Тирингер, Торбьорн; Вейх, Томас; Экерле, Ричард (сентябрь 2019 г.). Сравнение эффективности инвертора и цикла привода батареи тяговых инверторов CHB и MMSP для электромобилей. IEEE. стр.  P.1 – P.12 . doi :10.23919/EPE.2019.8915147. ISBN  978-90-75815-31-3.
  13. ^ Ф. Хеллинг, М. Кудер, А. Сингер, С. Шмид и Т. Вейх, «Низковольтное электропитание в модульных многоуровневых преобразователях на основе сплит-систем аккумуляторов для электромобилей», 2018 20-я Европейская конференция по силовой электронике и приложениям (EPE'18 ECCE Europe), Рига, Латвия, 2018, стр. С.1–С.10.
  14. ^ Триколи, Пьетро (март 2017 г.). «Оценка эффективности модульных многоуровневых преобразователей для аккумуляторных электромобилей» (PDF) . IEEE Transactions on Power Electronics . 32 (3): 2041– 2051. Bibcode :2017ITPE...32.2041Q. doi :10.1109/TPEL.2016.2557579. S2CID  8412590.
  15. ^ Толберт, Леон М. (янв.–февр. 1999 г.). «Многоуровневые преобразователи для больших электроприводов». Труды IEEE по промышленным приложениям . 35 (1): 36–44 . CiteSeerX 10.1.1.468.9074 . doi :10.1109/28.740843. 
  16. ^ Унру, Роланд; Шафмейстер, Франк; Бёкер, Иоахим (30 ноября 2020 г.). «Проект преобразователя LLC мощностью 11 кВт, 70 кГц с адаптивным входным напряжением для достижения КПД 98% в MMC». 2020 IEEE 21-й семинар по управлению и моделированию для силовой электроники (COMPEL) . стр.  1– 8. doi : 10.1109/COMPEL49091.2020.9265771. ISBN 978-1-7281-7160-9. S2CID  227278364 – через IEEE Xplore.
  17. ^ Унру, Роланд (октябрь 2020 г.). «Оценка MMC для высокомощных низковольтных DC-приложений в сочетании с модулем LLC-Design». 22-я Европейская конференция по силовой электронике и приложениям (EPE'20 ECCE Europe) . doi :10.23919/EPE20ECCEEurope43536.2020.9215687. ISBN 978-9-0758-1536-8. S2CID  222223518.
  18. ^ "ELAPSED". ELAPSED (на немецком) . Получено 2024-12-31 .
  19. ^ "MEXT – Модульная расширенная транскраниальная магнитная стимуляция". dtecbw . Получено 2024-12-31 .
  20. ^ М. Марчесони, М. Маццуккелли и С. Тенкони, «Нетрадиционный преобразователь мощности для стабилизации плазмы», в IEEE Transactions on Power Electronics, т. 5, № 2, стр. 212-219, апрель 1990 г., doi: 10.1109/63.53158.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Многоуровневый_конвертер&oldid=1266463612"