Improving energy indicators of the charging station for electric vehicles based on a three-level active rectifier

Autor: Plakhtii, Oleksandr, Nerubatskyi, Volodymyr, Mashura, Artem, Hordiienko, Denys, Khoruzhevskyi, Hryhorii
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2020
Předmět:
Zdroj: Східно-Європейський журнал передових технологій; Том 3, № 8 (105) (2020): Енергозберігаючі технології та обладнання; 46-55
Восточно-Европейский журнал передовых технологий; Том 3, № 8 (105) (2020): Энергосберегающие технологии и оборудование; 46-55
Eastern-European Journal of Enterprise Technologies; Том 3, № 8 (105) (2020): Energy-saving technologies and equipment; 46-55
ISSN: 1729-3774
1729-4061
Popis: A new structure of the charging station for electric vehicles has been proposed, which was developed on the basis of a three-phase transformer and a three-level active four-quadrant rectifier with the power factor correction. This paper describes the parameters of the proposed structure of the charging station and gives the parameters for the replacement circuit of the battery compartment in the electric car TESLA, model S, which was reduced to a single equivalent battery. We have described a method for fast charging the battery with constant current and constant voltage CC-CV, which ensures a greater number of battery charge-discharge cycles. The mathematical formulae have been given for calculating the power losses components and the efficiency of the proposed structure of the charging station over a full interval of the battery charge.We have outlined a system of automated control over the charge current and voltage, which is based on the pulse-width modulation of the second order and an integrated regulator. The simulation model of the proposed structure of the charging station, built in the MATLAB/Simulink programming environment, has been presented, as well as the simulation results: the oscillograms of input and output currents and voltages, the dynamics of the charge current regulator operation. The polynomial approximation of the IGBT-modules energy characteristics aimed at calculating the static and dynamic losses in the power switches of an active rectifier has enabled the construction of a loss counter model.It has been shown that increasing the value of a charge current under the CC mode decreases the resultant integrated value of the charge process efficiency, but, at the same time, the power factor increases and the emission of higher harmonics decreases. We have performed the optimization of power losses in the proposed system of the charging station based on the parameters of the minimal charge current and the modulation frequency in PWM.Our analysis of the components of energy losses in the proposed structure has confirmed its energy efficiency in comparison with other existing structures. The advantage of the proposed structure is that it enables improved efficiency and power factor while lowering the emission of current higher harmonics. The following system indicators have been obtained: the integrated efficiency value of the electric car full charging process using a CC-CV method is 95.6 %, the power factor is 0.99, the total harmonic distortion coefficient of the input current is 2.5 %
Предложена новая структура зарядной станции для электромобилей, которая разработана на базе трёхфазного трансформатора и трёхуровневого активного четырёхквадрантного выпрямителя с коррекцией коэффициента мощности. Описаны параметры предлагаемой структуры зарядной станции, представлены параметры схемы замещения аккумуляторного отсека электромобиля Tesla model S, которую приведено к одной эквивалентной батареи. Описан метод быстрого заряда батареи постоянным током и постоянным напряжением CC-CV, при котором обеспечивается большее количество циклов заряда-разряда батареи. Приведены математические формулы для расчёта составляющих потерь мощности и КПД предложенной структуры зарядной станции на интервале полного заряда батареи. Представлена система автоматического регулирования тока и напряжения заряда, основанная на широтно-импульсной модуляции второго рода и интегральном регуляторе. Представлена имитационная модель предложенной структуры зарядной станции в программной среде Matlab/Simulink, а также приведены результаты моделирования: осциллограммы входных и выходных токов и напряжений, приведено динамику работы регулятора тока заряда. Путём полиномиальной аппроксимации энергетических характеристик IGBT-модулей для расчёта статических и динамических потерь в силовых ключах активного выпрямителя была создана модель расчётчика потерь.Показано, что при увеличении значения тока заряда в режиме СС результирующее интегральное значение КПД процесса заряда снижается, однако в тоже время увеличивается коэффициент мощности и снижается эмиссия высших гармоник. Выполнено оптимизацию потерь мощности в предложенной системе зарядной станции по параметрам минимума тока заряда и частоты модуляции в ШИМ.Выполненный анализ составляющих энергии потерь в предложенной структуре подтвердил её энергоэффективность по сравнению с другими существующими структурами. Преимуществом предложенной структуры является то, что она обеспечивает улучшенные показатели КПД, коэффициента мощности и снижения эмиссии высших гармоник тока. Получены такие показатели системы: интегральное значение КПД всего процесса заряда электромобиля методом CC-CV 95.6 %, коэффициент мощности 0.99, коэффициент гармонических искажений входного тока 2.5 %
Запропоновано нову структуру зарядної станції для електромобілів, що розроблена на базі трифазного трансформатора та трирівневого активного чотириквадрантного випрямляча з корекцією коефіцієнта потужності. Описано параметри запропонованої структури зарядної станції, представлено параметри схеми заміщення акумуляторного відсіку електромобіля Tesla model S, яку приведено до однієї еквівалентної батареї. Описано метод швидкого заряду батареї постійним струмом і постійною напругою CC-CV, при якому забезпечується більша кількість циклів заряду-розряду батареї. Наведено математичні формули для розрахунку складових втрат потужності і ККД запропонованої структури зарядної станції на інтервалі повного заряду батареї.Представлено систему автоматичного регулювання струму та напруги заряду, яку засновано на широтно-імпульсній модуляції другого роду та інтегральному регуляторі. Представлено імітаційну модель запропонованої структури зарядної станції в програмному середовищі Matlab/Simulink, а також приведено результати моделювання: осцилограми вхідних та вихідних струмів і напруг, наведено динаміку роботи регулятора струму заряду. Шляхом поліноміальної апроксимації енергетичних характеристик IGBT-модулів для розрахунку статичних та динамічних втрат в силових ключах активного випрямляча було створено модель розраховувача втрат.Показано, що при збільшенні значення струму заряду в режимі СС результуюче інтегральне значення ККД процесу заряду знижується, проте у той же час збільшується коефіцієнт потужності та знижується емісія вищих гармонік. Виконано оптимізацію втрат потужності в запропонованій системі зарядної станції за параметрами мінімуму струму заряду та частоти модуляції в ШІМ.Виконаний аналіз складових енергії втрат в запропонованій структурі підтвердив її енергоефективність в порівнянні з іншими існуючими структурами. Перевагою запропонованої структури є те, що вона забезпечує покращені показники ККД, коефіцієнту потужності та зниження емісії вищих гармонік струму. Отримані такі показники системи: інтегральне значення ККД повного процесу заряду електромобіля методом CC-CV 95.6 %, коефіцієнт потужності 0.99, коефіцієнт гармонічних спотворень вхідного струму 2.5 %
Databáze: OpenAIRE