طراحی و شبیه‌سازی منبع ثانویه 30 کیلو وات با استفاده از باتری‌های جریان بالا

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

مجتمع الکترومغناطیس، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، اصفهان، ایران

چکیده
این مقاله به طراحی و شبیه‏‌سازی منبع ثانویه 30KW با استفاده از باتری‏‌های لیتیوم پلیمر جریان بالا و پیاده‌‏سازی الگوریتم مدیریت باتری‌‏ها برای تخلیه در بارهای پالسی می‌پردازد. منبع طراحی شده می‏‌تواند انرژی 4kWh را در مدت زمان 8 دقیقه به صورت پیوسته تحویل دهد. مسئله اصلی، عدم توانایی باتری‌‏ها در تأمین جریان پالسی با دامنه زیاد به ‏دلیل لختی و وجود امپدانس داخلی بسته باتری بوده و لذا نمی‌‏تواند به بار پالسی با پهنای پالس کم پاسخ مناسب بدهد. از آنجایی که ابرخازن‌‏ها می‌‏توانند به سرعت شارژ و تخلیه شوند، یکی از راه‏‌حل‏‌های ممکن برای رفع این مشکل، موازی کردن ابرخازن با بسته باتری است. در واقع با این کار، جزء ثابت جریان از باتری تأمین شده و جزء متغیر جریان از ابرخازن گرفته می‏‌شود. علاوه‌‏بر این، بازده تخلیه ابرخازن در فرکانس‌‏های بالا بسیار بالاتر از باتری است و در نتیجه تلفات کل سیستم کاهش می‏‌یابد.نتایج این مقاله نشان می‌دهد که موازی کردن ابرخازن‌ با بسته باتری، سلامت باتری را تا %21 بهبود می‌‏بخشد و همچنین افزایش دمای ناشی از تلفات نیز تا 55 درجه سانتی‌گراد کم‏‌تر خواهد بود، که به طولانی‌تر شدن کارکرد باتری‌ها و در واقع افزایش طول عمر آن‏‌ها کمک می‌کند.

کلیدواژه‌ها


- مراجع
[1] M. Marracci, B. Tellini, O. Liebfried, and V. Brommer, Experimental tests for Lithium batteries discharged by high power pulses, IEEE International Instrumentation and Measurement Technology Conference (I2MTC) Proceedings, Vol 11-14, pp. 1063-1067, 2015.
[2] S. M. S. Hussain, M. A. Aftab, I. Ali, and T. S. Ustun, IEC 18506 based energy management system using plug-in electric vehicles and distributed generators during emergencies, International Journal of Electrical Power & Energy Systems, Vol. 119, p. 105873, 2020.
[3] Y. Qin, X. Chen, A. Tomaszewska, H. Chen, Y. Wei, H. Zhu, Y. Li, Z. Cui, J. Huang, J. Du, X. Han, L. Lu, B. Wu, K. Sun, Q. Zhang, and M. Ouyang, Lithium-ion batteries under pulsed current operation to stabilize future grids, Cell Reports Physical Science, Vol. 3, No. 1, 2022.
[4] C. Zhao, B. Zhang, Y. Zheng, S. Huang, T. Yan, and X. Liu, Hybrid battery thermal management system in electrical vehicles: A review, Energies, Vol. 13, p. 6257, 2020.
[5] D. Shin, Y. Kim, J. Seo, N. Chang, Y. Wang, and M. Pedram, Battery-supercapacitor hybrid system for high-rate pulsed load applications, in 2011 Design, Automation & Test in Europe, pp. 1-4, Grenoble, France, 2011.
[6] F. Altaf, B. Egardt, and L. J. Mårdh, Load management of modular battery using model predictive control: Thermal and state-of-charge balancing, IEEE Transactions on Control Systems Technology, Vol. 25, No. 1, pp. 47–62, 2016.
[7] X. Kong, A. Bonakdarpour, B. T. Wetton, D. P. Wilkinson, and B. Gopaluni, State of health estimation for lithium-ion batteries, IFAC-PapersOnLine, Vol. 51, No. 18, pp. 667–671, 2018.
[8] P. Ramadass, B. Haran, R. White, and B. N. Popov, Mathematical modeling of the capacity fade of Li-ion cells, Journal of Power Sources, Vol. 123, No. 2, pp. 230-240, 2003.
[9] R. Xiong and W. Shen, Advanced battery management technologies for electric vehicles, First Edition, pp. 151-155, John Wiley & Sons, 2019.
[10] P. Roy, J. He, and Y. Liao, Cost minimization of battery-supercapacitor hybrid energy storage for hourly dispatching wind-solar hybrid power system, IEEE Access, Vol. 8, pp. 210099–210115, 2020.
[11] P. Features and S. Sun. Sacred Sun Battery Data SheetSP Series/SP12-200A Discharge Parameters. Accessed 2009; https://www.sacredsun.com/.
[12] M. S. Wasim, S. Habib, M. Amjad, A. R. Bhatti, E. M. Ahmed, and M. A. Qureshi, Battery-Ultracapacitor Hybrid Energy Storage System to Increase Battery Life Under Pulse Loads, IEEE Access, Vol. 10, pp. 62173-62182, 2022.
[13] S. Lee and J. Kim, Power capability analysis of lithium battery and supercapacitor by pulse duration, Electronics, Vol. 8, No. 12, p. 1395, 2019.
[14] M. Farhadi and O. Mohammed, Energy Storage Technologies for High-Power Applications, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 52, No. 3, pp. 1953-1961, 2016.
[15] M. C. Argyrou, P. Christodoulides, C. C. Marouchos, and S. A. Kalogirou, Hybrid battery-supercapacitor mathematical modeling for PV application using Matlab/Simulink, in 2018 53rd International Universities Power Engineering Conference (UPEC), Glasgow, UK, pp. 1-6, 2018.
[16] He, Yiou. The assessment of battery-ultracapacitor hybrid energy storage systems, MSc Thesis, Massachusetts Institute of Technology, 2014.
[17] C. E. Holland, J. W. Weidner, R. A. Dougal, and R. E. White, Experimental characterization of hybrid power systems under pulse current loads, Journal of Power Sources, Vol. 109, No. 1, pp. 32-37, 2002.
[18] J. R. Martinez-Bolanos, M. E. M. Udaeta, A. L. V. Gimenes, and V. O. d. Silva, Economic feasibility of battery energy storage systems for replacing peak power plants for commercial consumers under energy time of use tariffs, Journal of Energy Storage, Vol. 29, p. 101373, 2020.
[19] T. Kim, J. Ochoa, T. Faika, H. A. Mantooth, J. Di, Q. Li, An Overview of Cyber-Physical Security of Battery Management Systems and Adoption of Blockchain Technology, IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, Vol. 10, pp. 1270-1281, 2020.
[20] J. Wang and Z. Yin, Overview of Key Technologies of Battery Management System, Journal of Physics: Conference Series, Shijiazhuang Campus  of  Army Engineering University, China, Vol. 2030, No. 1, p. 012009, 2021.
[21] E. Cordero, S. Holt, J. Dickens, A. Neuber, and J. Mankowski, Implementation of a battery management and protection system for high power pulsed applications, 2015 IEEE Pulsed Power Conference (PPC), TX, USA, pp. 1-4, 2015.
[22] R. A. Hanifah, S. F. Toha, and S. Ahmad, Electric Vehicle Battery Modelling and Performance Comparison in Relation to Range Anxiety, Procedia Computer Science, Vol. 76, pp. 250-256, 2015.
[23] A. Kuperman and I. Aharon, Battery–ultracapacitor hybrids for pulsed current loads: A review, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 15, No. 2, pp. 981-992, 2011.
[24] A. Kuperman, I. Aharon, S. Malki, and A. Kara, Design of a semiactive battery-ultracapacitor hybrid energy source, IEEE Trans. Power Electron, Vol. 28, pp. 806–815, 2013.
[25] A. K. Podder, O. Chakraborty, S. Islam, N. Manoj Kumar, and H. H. Alhelou, Control strategies of different hybrid energy storage systems for electric vehicles applications, IEEE Access, Vol. 9, pp. 51865–51895, 2021.
[26] V. Yuhimenko, C. Lerman, and A. Kuperman, DC Active Power Filter based Hybrid Energy Source for Pulsed Power Loads, IEEE J. Emerg. Sel. Topics Power Electron, Vol. 3, No. 4, pp. 1001-1010, 2015.

  • تاریخ دریافت 23 تیر 1403
  • تاریخ بازنگری 23 آبان 1403
  • تاریخ پذیرش 14 اسفند 1403