ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΙΣΧΥΟΣ ΓΙΑ ΚΥΨΕΛΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ ΣΕ ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΑ ΜΕΣΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ

Transcript

1 Ηλεκτροκίνητα μέσα μεταφοράς στην Ελλάδα Υφιστάμενη κατάσταση και προοπτικές, ΤΕΕ, Αθήνα, 23 Ιαν., 26 ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΙΣΧΥΟΣ ΓΙΑ ΚΥΨΕΛΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ ΣΕ ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΑ ΜΕΣΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ Π. Γ. Μαραμπέας, Σ. Ν. Μανιάς Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Μηχανικών Υπολογιστών Εργαστήριο Ηλεκτρικών Μηχανών και Ηλεκτρονικών Ισχύος Ηρώων Πολυτεχνείου 9, 5773 Αθήνα Τηλ , Fax: nua. gr, Περίληψη Οι κυψέλες καυσίμου αντιμετωπίζονται ευρέως ως η τεχνολογία του μέλλοντος, για την αντικατάσταση των μηχανών εσωτερικής καύσης στα μέσα μεταφοράς, αλλά και για την παραγωγή ή και αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας. Τα πλεονεκτήματα των κυψελών καυσίμου είναι μεγάλα : ) εμφανίζουν υψηλότερο βαθμό απόδοσης από τις μηχανές εσωτερικής καύσης, 2) παράγουν σημαντικά μικρότερες εκπομπές ρύπων (υποθέτοντας ότι το υδρογόνο παράγεται χρησιμοποιώντας ανανεώσιμες πηγές ενέργειας), 3) χρησιμοποιούν μη συμβατικά καύσιμα, 4) λειτουργούν με χαμηλό ακουστικό θόρυβο και 4) έχουν μικρότερο κόστος λειτουργίας από τις μπαταρίες. Στόχος αυτής της δημοσίευσης είναι η παρουσίαση της κατάστασης προόδου των τοπολογιών μετατροπέων ισχύος που χρησιμοποιούνται σήμερα στα συστήματα παραγωγής ισχύος με κυψέλες καυσίμου, αλλά και η παρουσίαση και η ανάλυση μιας νέας τοπολογίας μετατροπέα ισχύος για συστήματα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με κυψέλες αναπαραγόμενου ή αντιστρέψιμου καυσίμου. Η προτεινόμενη τοπολογία, που μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε εφαρμογές κεντρικής παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, σε συστήματα αδιάλειπτης παροχής ηλεκτρικής ισχύος, σε συστήματα ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και σε συστήματα ηλεκτροκίνητων μέσων μεταφοράς παρουσιάζει τα ακόλουθα πλεονεκτήματα: α) παρέχει αμφίδρομη ροή ισχύος στο σύστημα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, β) παρουσιάζει χαμηλή κυμάτωση ρεύματος των κυψελών καυσίμου και γ) εμφανίζει υψηλή πυκνότητα ισχύος. I. Εισαγωγή Οι κυψέλες καυσίμου αποτελούν σήμερα μια από τις ταχύτερα εξελισσόμενες τεχνολογίες στον τομέα της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Αν και η τεχνολογία αυτών των ηλεκτροχημικών εγκαταστάσεων παραγωγής ενέργειας είναι γνωστή εδώ και 5 χρόνια περίπου, εν τούτοις, μόλις τα τελευταία χρόνια άρχισαν να εξετάζονται σοβαρά ως η πηγή ενέργειας του μέλλοντος και να τυγχάνουν ευρύτερης αποδοχής από την επιστημονική κοινότητα. Οι κυψέλες καυσίμου αντιμετωπίζονται ευρέως ως τεχνολογία του μέλλοντος για να αντικαταστήσουν τις μηχανές εσωτερικής καύσης στα μέσα μεταφοράς και για να παράγουν ή και να αποθηκεύουν ηλεκτρική ενέργεια [ ], [ 2 ]. Τα πλεονεκτήματα είναι μεγάλα: υψηλότερος βαθμός απόδοσης από τις μηχανές εσωτερικής καύσης, σημαντικά χαμηλότερη εκπομπή των ρύπων (υποθέτοντας ότι το υδρογόνο παράγεται με χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας), χρήση μη συμβατικών καυσίμων, υψηλότερη πυκνότητα ισχύος και οικονομικά πιο αποδοτικές από τις μπαταρίες και λειτουργία χωρίς ακουστικό θόρυβο. Επιπλέον, η θερμότητα που παράγεται από την κυψέλη καυσίμου μπορεί να χρησιμοποιηθεί για συμπαραγωγή, όπως για ατμό, σε συστήματα κλιματισμού, για δημιουργία καυτού αέρα και για θέρμανση. Έτσι, ο συνολικός βαθμός απόδοσης ενός τέτοιου συστήματος θα μπορούσε να φτάσει μέχρι το 8%. Οι κυψέλες καυσίμου είναι ηλεκτροχημικές συσκευές, οι οποίες μετατρέπουν αποτελεσματικά και άμεσα τη χημική ενέργεια του καυσίμου σε ηλεκτρική. Στον πίνακα παρουσιάζονται οι τεχνικές προδιαγραφές διαφόρων τύπων κυψελών καυσίμου. Μεταξύ αυτών, η κυψέλη μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων (PEMC) φαίνεται να είναι μια πηγή, που μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε κατοικίες, σε βιομηχανικές εφαρμογές, στα μικρά διανεμημένα συστήματα παραγωγής και στα μέσα μεταφοράς [3] [5]. Όπως μπορεί να φανεί από τον πίνακα, τα κύρια πλεονεκτήματα της κυψέλης καυσίμου μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων (PEM) είναι: i. χρησιμοποιεί ένα στερεό πολυμερές σώμα ως ηλεκτρολύτη, που αυξάνει την ασφάλειά της, ii. έχει υψηλό βαθμό απόδοση σε σύγκριση με τις μηχανές εσωτερικής καύσης, iii. παράγει νερό ως υποπροϊόν, iv. μπορεί να χρησιμοποιεί φυσικό αέριο ως καύσιμο, και v. λειτουργεί σε χαμηλές θερμοκρασίες. Πίνακας. Τεχνικές προδιαγραφές διαφόρων τύπων κυψελών καυσίμου.

2 Ηλεκτροκίνητα μέσα μεταφοράς στην Ελλάδα Υφιστάμενη κατάσταση και προοπτικές, ΤΕΕ, Αθήνα, 23 Ιαν., 26 Τύπος κυψέλης Πυκνότητα Ρεύματος (A/cm 2 ) Ηλεκτρολύτης Θερμοκρασία (C ) Απόδοση (%) Κυψέλη καυσίμου μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων (PEM).2 Στερεά πολυμερής ιοντική μεμβράνη 5 354% Αλκαλικές κυψέλες καυσίμου (A) Κυψέλη καυσίμου φωσφορικού οξέος (PA) Κυψέλη καυσίμου τήγματος ανθρακικών αλάτων (MC) Κυψέλη καυσίμου στερεών οξειδίων (SO).2 Υδροξείδιο καλίου %.26 Φωσφορικό οξύ %.6.2 Τήγμα ανθρακικών αλάτων καλίου και λιθίου Διοξείδιο ζιρκονίου κεραμικό % 8 56% Σύμφωνα με την Αμερικανική υπηρεσία ενέργειας (U.S. Deparmen of Energy) οι κυψέλες καυσίμου μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων (PEM) είναι οι κύριες υποψήφιοι για εφαρμογές σε κατοικίες και σε οχήματα [ 6 ]. Εκτός από τους πέντε αρχικούς τύπους κυψελών καυσίμου του πίνακα υπάρχουν τρεις επιπλέον κατηγορίες, οι οποίες είναι οι κυψέλες καυσίμου άμεσης μεθανόλης (DM), οι κυψέλες καυσίμου άμεσης αιθανόλης (DE) και οι κυψέλες αναπαραγόμενου καυσίμου (R). Οι κυψέλες αναπαραγόμενου καυσίμου (R) φαίνεται να είναι μια πολύ ελπιδοφόρα εναλλακτική λύση για το μέλλον στα συστήματα παραγωγής και αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας [ 7 ] [ 8 ]. Η εφαρμογή τέτοιων συστήματος σε οχήματα θα προσδώσει σ αυτά μεγαλύτερη αυτονομία καυσίμου, αφού το υδρογόνο μπορεί να αναπαράγεται όταν δεν πατιέται το πεντάλ επιτάχυνσης (π.χ. όταν το όχημα είναι σε στάση ή σε κίνηση με πέδηση). Στη φάση της αναπαραγωγής του υδρογόνου, ο κινητήρας του οχήματος λειτουργεί ως γεννήτρια, όπως γίνεται και στο ηλεκτρικό όχημα για τη φόρτιση των συσσωρευτών. Το σχήμα παρουσιάζει ένα σύστημα παραγωγής και αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας, που χρησιμοποιεί κυψέλες αναπαραγόμενου καυσίμου. Ένα σύστημα αναπαραγόμενου καυσίμου περιλαμβάνει μια συσκευή ηλεκτρόλυσης, συνδεδεμένη με μια κυψέλη υδρογόνου και είναι σε θέση να λειτουργεί σε δύο φάσεις : στη φάση παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, κατά την οποία το υδρογόνο και το οξυγόνο συνδέονται και παράγουν ηλεκτρική ενέργεια και νερό, και στη φάση αναπαραγωγής, κατά την οποία καταναλώνεται ηλεκτρική ενέργεια και παράγεται υδρογόνο και οξυγόνο. ΚΥΨΕΛΗ ΑΝΑΠΑΡΑΓΟΜΕΝΟΥ ΚΑΥΣΙΜΟΥ Η2Ο ΣΥΣΚΕΥΗ ΗΛΕΚΤΡΟΛΥΣΗΣ ΣΥΣΤΟΙΧΙΑ ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΩΝ Η2 Ο2 ΑΜΦΙΔΡΟΜΟΣ DCDC ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑΣ Η2Ο ΚΥΨΕΛΗ ΚΑΥΣΙΜΟΥ ΑΜΦΙΔΡΟΜΟΣ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑΣ M ΕΝΑΛΛΑΚΤΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ DC ΖΥΓΟΣ Σχήμα. Σύστημα παραγωγής και αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας. Μια κυψέλη αναπαραγόμενου καυσίμου μοιάζει μέχρις ενός σημείου, ως προς τη λειτουργία, με έναν επαναφορτιζόμενο συσσωρευτή. Θεωρητικά, όμως, παρουσιάζει μερικά σημαντικά πλεονεκτήματα σε σχέση με οποιονδήποτε συσσωρευτή που έχει αναπτυχθεί μέχρι τώρα. Οι κυψέλες αναπαραγόμενου καυσίμου συγκρινόμενες με 2 2

3 Ηλεκτροκίνητα μέσα μεταφοράς στην Ελλάδα Υφιστάμενη κατάσταση και προοπτικές, ΤΕΕ, Αθήνα, 23 Ιαν., 26 τους συσσωρευτές παρέχουν υψηλότερη πυκνότητα ισχύος, δεν παρουσιάζουν προβλήματα κατά την υπερφόρτιση και κατά την πλήρη εκφόρτιση και δεν εμφανίζουν προοδευτική μείωση του βαθμού απόδοσής τους. Η διάρκεια ζωής μιας κυψέλης αναπαραγόμενου καυσίμου δεν είναι απεριόριστη, αλλά οι περισσότεροι ερευνητές σε αυτόν τον τομέα θεωρούν ότι μπορεί να λειτουργεί κανονικά μέχρι και μια δεκαετία. Στη δημοσίευση αυτή παρουσιάζεται ένα σύστημα αμφίδρομης μετατροπής ισχύος, το οποίο μπορεί να εφαρμοστεί σε ηλεκτρικά οχήματα. Το προτεινόμενο σύστημα μετατροπής ισχύος, που παρουσιάζεται στο σχήμα 2, αποτελείται από μια πρόσθια βαθμίδα dcdc μετατροπέα ανύψωσης και έναν αντιστροφέα ημιτονοειδούς διαμόρφωσης εύρους παλμών. Αυτή η τοπολογία παρουσιάζει, έναντι των συμβατικών μη αμφίδρομων συστημάτων μετατροπής ισχύος, την ικανότητα αμφίδρομης ροής ισχύος, που απαιτείται όταν το σύστημα χρησιμοποιεί κυψέλη αναπαραγώμενου καυσίμου ή και μπαταρίες. i i L i L C dcdc μετατροπέας L L 2 i L 2 T T 2 T7 T 3 T 4 D D 2 D 3 D 4 I i V Ba L i C i I g T 5 3φασικός Αντιστροφέας D 5 D 7 D 8 T D 6 6 T 8 D 9 D T 9 T i if v if M Σχήμα 2. Τοπολογία αμφίδρομης μετατροπής ισχύος. II. Τυπικά συστήματα μετατροπέων ισχύος για κυψέλες καυσίμου Στην ενότητα αυτή παρουσιάζεται η κατάσταση προόδου των τοπολογιών μετατροπέων ισχύος, οι οποίες χρησιμοποιούνται σήμερα στην περιοχή των συστημάτων παραγωγής και αποθήκευσης της ηλεκτρικής ενέργειας. Όπως φαίνεται στο σχήμα 3, η τάση εξόδου μιας συστοιχίας κυψελών καυσίμου μεταβάλλεται σε σχέση με το ρεύμα φορτίου. Επομένως απαιτείται η τοποθέτηση ενός dcdc ρυθμιστή ισχύος. Επιπλέον, μετά τον dcdc μετατροπέα πρέπει να ακολουθεί ένας αντιστροφέας με σκοπό να καθίσταται δυνατή η σύνδεση της κυψέλης καυσίμου με φορτίο εναλλασσομένου ρεύματος ή και με το δίκτυο. 2 V,OC 9 V [V] I [A] Σχήμα 3. VI χαρακτηριστική μιας PEM κυψέλης καυσίμου. Στο σχήμα 4 φαίνεται το δομικό διάγραμμα ενός υβριδικού συστήματος παραγωγής και αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας και οι βαθμίδες των ηλεκτρονικών ισχύος, που απαιτούνται για να τροφοδοτούν τα διάφορα φορτία. 3 3

4 Ηλεκτροκίνητα μέσα μεταφοράς στην Ελλάδα Υφιστάμενη κατάσταση και προοπτικές, ΤΕΕ, Αθήνα, 23 Ιαν., 26 Κυψέλη καυσίμου DCDC Μετατροπέας D C ÅÎ Ï ÄÏ Ó Συστοιχία συσσωρευτών (á) Κυψέλη καυσίμου DCDC Μετατροπέας DC AC Αντιστροφέας A C ÅÎ Ï ÄÏ Ó Συστοιχία συσσωρευτών (β) Σχήμα 4. Δομικό διάγραμμα ενός συστήματος παραγωγής και αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας με κυψέλη καυσίμου και οι βαθμίδες των ηλεκτρονικών ισχύος που απαιτούνται: α) για DC φορτία, β) για AC φορτία. Ένα σύστημα παραγωγής και αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας για να είναι ικανό να λειτουργεί ως αξιόπιστη πηγή ισχύος, πρέπει να έχει τα παρακάτω χαρακτηριστικά: ) χαμηλό κόστος εφαρμογής, 2) υψηλό βαθμό απόδοσης και υψηλή πυκνότητα ισχύος, 3) χαμηλό πλάτος κυμάτωσης του ρεύματος από τις κυψέλες καυσίμου, με στόχο τη μεγιστοποίηση του χρόνου ζωής τους, 4) γρήγορη και δυναμική απόκριση του συστήματος, για ρύθμιση της συνεχούς τάσης και για έλεγχο του παραγόμενου ηλεκτρικού ρεύματος, Ένα σημαντικό πρόβλημα σε σχέση με τη λειτουργία των κυψελών καυσίμου είναι ότι, από τη φύση τους, οι κυψέλες καυσίμου έχουν μια μεγάλη χρονική σταθερά απόκρισης. Αυτό προκαλείται από τον αργό έλεγχο της ρύθμισης τροφοδοσίας και ενυδάτωσης των κυψελών καυσίμου κατά τη διαδικασία της ενεργειακής μετατροπής. Αυτή η μεγάλη χρονική σταθερά (3 6 sec) δημιουργεί πρόσθετες δυσκολίες ελέγχου στις επόμενες βαθμίδες μετατροπής ισχύος. Επομένως, απαιτείται κάποιος τύπος συμπληρωματικής αποθήκευσης ενέργειας (υπερπυκνωτές ή μπαταρίες). Οι μπαταρίες είναι κοινή επιλογή και μπορεί να είναι καλή αν χρησιμοποιηθεί μια συστοιχία μπαταριών χαμηλής τάσης (π.χ. 84 V). Αυτή η συστοιχία χαμηλής τάσης, η οποία δεν απαιτεί σύστημα διαχείρισης μπαταριών (baery managemen sysem BMS), μπορεί να τοποθετηθεί μετά από την έξοδο του πρόσθιου dc dc μετατροπέα (βλ. σχήμα 4). Εάν χρησιμοποιηθεί συστοιχία μπαταριών υψηλής τάσης (π.χ. 34V), τότε, λόγω του μεγάλου αριθμού κυψελών σε σειρά θα χρειαστεί ένα μεγάλου κόστους σύστημα διαχείρισης μπαταριών και συχνά θα οδηγεί σε καταστάσεις αστάθειας. Στο παρελθόν έχουν προταθεί διάφορες πιθανές μη αμφίδρομες τοπολογίες, που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως πρόσθιοι d c d c μετατροπείς σ ένα σύστημα παραγωγής ισχύος [] [4], όπως αυτές που παρουσιάζονται στο σχήμα 5. Ο μετατροπέας ανύψωσης που παρουσιάζεται στο σχήμα 5 (α) μπορεί να χρησιμοποιηθεί στις εφαρμογές, όπου δεν υπάρχει καμία ανάγκη για ωμική απομόνωση ή όταν ο ωμικός μετασχηματιστής απομόνωσης είναι μέρος του αναστροφέα. Επιπλέον, όταν ο μετατροπέας ανύψωσης αποτελείται από διάφορες ενδιάμεσες μονάδες, μπορεί να διαχειριστεί ισχύ υψηλής τιμής. Στα σχήματα 5(β)~(δ) παρουσιάζονται τρεις διαφορετικές dcdc τοπολογίες, οι οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε εφαρμογές, όπου απαιτείται η ωμική απομόνωση υψηλής συχνότητας. L D T D 3 T 3 T C ou T2 D D 2 D4 T4 V p N N 2 D 5 D 7 D 6 D 8 (α) (β) 4 4

5 Ηλεκτροκίνητα μέσα μεταφοράς στην Ελλάδα Υφιστάμενη κατάσταση και προοπτικές, ΤΕΕ, Αθήνα, 23 Ιαν., 26 T D 3 T 3 D5 D7 D 3 D 5 T 2 D D4 N V p N 2 T D 2 D2 T 4 C D 6 D 8 D T 2 D 4 D 6 (γ) (δ) Σχήμα 5. Μη αμφίδρομοι dcdc μετατροπείς για κυψέλες καυσίμου. α) Μετατροπέας ανύψωσης β) Πλήρης γέφυρα με ωμική απομόνωση υψηλής συχνότητας γ) Πλήρης γέφυρα με ωμική απομόνωση υψηλής συχνότητας συντονισμού δ) Pushpull με ωμική απομόνωση υψηλής συχνότητας Δεδομένου ότι τα περισσότερα συστήματα παραγωγής και αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας απαιτούν μια εναλλασσόμενη τάση εξόδου, μετά από την πρόσθια βαθμίδα εφαρμόζεται μια πηγή τάσης (μονοφασική ή τριφασική) πλήρους γέφυρας SPWM αναστροφέα (dcac). Το σχήμα 6 παρουσιάζει μια μη αμφίδρομη τοπολογία ηλεκτρονικών ισχύος, που χρησιμοποιεί ένα pushpull πρόσθιο μετατροπέα και έναν αντιστροφέα μονοφασικής πλήρους γέφυρας [5][8]. i F L i v p :n v C i T T 2 v p2 v S VBa o u p u Σχήμα 6. Μη αμφίδρομο σύστημα μετατροπής ισχύος, με τη συστοιχία πυκνωτών στην πλευρά της υψηλής συνεχούς τάσης. Το σχήμα 7 παρουσιάζει μια αμφίδρομη τοπολογία ηλεκτρονικών ισχύος, που χρησιμοποιεί μια πρόσθια αμφίδρομη πλήρους γέφυρας βαθμίδα και έναν αντιστροφέα, ο οποίος από τη φύση του έχει αμφίδρομα χαρακτηριστικά [], [3], [9]. L Bidirecional dc dc converer I i L i Bidirecional dc ac inverer C T D D 3 D 4 T 3 T 2 D 2 T 4 N V p N 2 T 5 T 7 D 7 D 5 D 8 T 6 D 6 T 8 V Ba C i T 9 D D 9 D 2 T T D T 2 L o C o o u p u high frequency ransformer Σχήμα 7. Αμφίδρομο σύστημα μετατροπής ισχύος με τη συστοιχία των συσσωρευτών στην πλευρά της υψηλής συνεχούς τάσης. Αν και αυτή η τοπολογία μπορεί να χρησιμοποιηθεί στις εφαρμογές όπου απαιτείται αμφίδρομη ροή ισχύος έχει τα ακόλουθα μειονεκτήματα: i. η συστοιχία μπαταριών τοποθετείται στο ζυγό υψηλής (dc) τάσης, απαιτώντας σύστημα διαχείρισης μπαταριών, ii. εμφανίζει υψηλή κυμάτωση του ρεύματος των κυψελών καυσίμου, απαιτώντας έτσι κυψέλη καυσίμου με 5 5

6 Ηλεκτροκίνητα μέσα μεταφοράς στην Ελλάδα Υφιστάμενη κατάσταση και προοπτικές, ΤΕΕ, Αθήνα, 23 Ιαν., 26 iii. μεγαλύτερη χωρητικότητα, και προκειμένου να ληφθεί η ίδια κυμάτωση του ρεύματος εισόδου, όπως του ενδιάμεσου αντιστροφέα, πρέπει να λειτουργήσει δυο φορές στη διακοπτική συχνότητα. III. Λειτουργία προτεινόμενης τοπολογίας Η προτεινόμενη τοπολογία, όπως φαίνεται στο σχήμα 2, χρησιμοποιεί έναν ενδιάμεσο αμφίδρομο μετατροπέα ανύψωσης με δυο πηνία, ως πρόσθια βαθμίδα και μια βαθμίδα αμφίδρομου dcac αντιστροφέα. Α. Λειτουργία του dcdc μετατροπέα ισχύος Η ιδέα της παρεμβολής διάφορων ενδιάμεσων μετατροπέων ανύψωσης δεν είναι νέα, αλλά έχει χρησιμοποιηθεί ως μέθοδος για να υπερκεραστούν οι περιορισμοί μιας dcdc συσκευής ισχύος [2][2]. Η πρώτη βαθμίδα αποτελείται από δυο μετατροπείς ανύψωσης συνδεδεμένους παράλληλα, όπου οι διακόπτες T 3 και T 4 χρησιμεύουν για να φορτίζουν τις αυτεπαγωγές ανύψωσης και οι διακόπτες T και T 2 για να τις εκφορτίζουν. Οι παλμοί έναυσης των ημιαγωγικών διακοπτών Τ 3 και Τ 4 είναι τέτοιοι, ώστε να διπλασιάζουν τη συχνότητα του ρεύματος εισόδου κι επομένως να περιορίζουν την τιμή της χωρητικότητας εισόδου. Οι ημιαγωγοί Τ και Τ 2 χρησιμοποιούνται επίσης για να λειτουργούν τον μετατροπέα πρώτης βαθμίδας ως μια τοπολογία υποβιβασμού, με σκοπό την τροφοδότηση της κυψέλης υδρογόνου κατά τη διάρκεια της φάσης παραγωγής υδρογόνου ή κατά τη διάρκεια της εκκίνησης της κυψέλης υδρογόνου. Στο σχήμα 8 παρουσιάζονται οι θεωρητικές κυματομορφές του ενδιάμεσου πρόσθιου μετατροπέα, όταν λειτουργεί στη φάση της ανύψωσης. T 3 i L T 3 D T 3 D T 4 i L2 D 2 T 4 D 2 T 4 i L Σχήμα 8. Θεωρητικές κυματομορφές του ενδιάμεσου μετατροπέα στη φάση ανύψωσης της τάσης. 6 6

7 Ηλεκτροκίνητα μέσα μεταφοράς στην Ελλάδα Υφιστάμενη κατάσταση και προοπτικές, ΤΕΕ, Αθήνα, 23 Ιαν., 26 Για όσο διάστημα ρέει το ρεύμα εισόδου i L (σχήμα 2), ο μετατροπέας ανύψωσης λειτουργεί στη φάση συνεχούς αγωγής του ρεύματος πηνίου (coninuous inducor curren mode CICM). Συνεπώς η αιχμή του ρεύματος περιορίζεται από τους ημιαγωγούς ισχύος και η κυμάτωση του ρεύματος εισόδου μπορεί να διατηρείται σχετικά χαμηλή. Για όσο διάστημα ο ενδιάμεσος μετατροπέας είναι ενεργοποιημένος, οπότε τα i L και i L2 είναι ασυνεχή, ο μετατροπέας ανύψωσης λειτουργεί πραγματικά στη φάση διακοπτόμενου ρεύματος πηνίου (disconinuous inducor curren mode DICM). Αυτό βοηθάει στην αντιμετώπιση του προβλήματος της άνισης διανομής του ρεύματος. Επίσης, αντιμετωπίζεται το πρόβλημα της εμφάνισης ανάστροφωνεπιστρεφόμενων απωλειών των διόδων, τη στιγμή που οι δίοδοι D και D 2 σταματήσουν να άγουν και πριν αρχίσουν να άγουν οι ημιαγωγικοί διακόπτες T 3 και T 4. Η λειτουργία της πρόσθιας βαθμίδας μπορεί να χωριστεί στις παρακάτω έξι φάσεις: Φάση I: Αυτή η φάση ξεκινάει όταν ο διακόπτης T 3 αρχίσει να άγει, φορτίζοντας έτσι το πηνίο L, ενώ το πηνίο L 2 εκφορτίζεται μέσω της διόδου του διακόπτη T 2. Σ αυτό το σημείο πρέπει να αναφέρουμε ότι το πηνίο L 2 είχε εκφορτιστεί από την προηγούμενη φάση λειτουργίας. Αυτή η φάση ολοκληρώνεται όταν το ρεύμα i L2 μηδενιστεί. Φάση II: Κατά τη διάρκεια αυτής της φάσης, συνεχίζεται η φόρτιση του πηνίου L μέσω του διακόπτη T 3. Αυτή η φάση ολοκληρώνεται όταν ο διακόπτης T 3 σταματήσει να άγει. Φάση III: Αυτή η φάση ξεκινάει με την εκφόρτιση του πηνίου L μέσω της διόδου του διακόπτη T. Φάση IV: Αυτή η φάση ξεκινάει όταν ο διακόπτης T 4 άγει, φορτίζοντας κατά συνέπεια το πηνίο L 2, ενώ το πηνίο L εξακολουθεί να εκφορτίζεται. Αυτή η φάση ολοκληρώνεται όταν το πηνίο L εκφορτιστεί πλήρως. Φάση V: Κατά τη διάρκεια αυτής της φάσης το πηνίο L 2 συνεχίζει να φορτίζεται μέχρις ότου ο διακόπτης T 4 σταματήσει να άγει. Φάση VI: Αυτή η φάση, η οποία είναι η τελευταία της λειτουργίας ενός διακοπτικού κύκλου, ξεκινάει με την αγωγή της διόδου του διακόπτη T 2 προκαλώντας την εκφόρτιση του πηνίου L 2. Υποθέτοντας ότι η πρώτη βαθμίδα δεν έχει απώλειες, τότε ισχύουν οι παρακάτω εξισώσεις [2][2]: V ba = V = V ( 2D + δd ) ( D + D ) 2 () I = I + I (2) L L L2 ΤsδD I L I L2 [ VO ( 2D + δd) V ] 4L (3) Όπου, V ba = DC τάση εξόδου V = Τάση εξόδου της κυψέλης υδρογόνου I L = Μέση τιμή του ρεύματος του πηνίου L, i L I L2 = Μέση τιμή του ρεύματος του πηνίου L 2, i L2 I L = Μέση τιμή του ρεύματος του ενδιάμεσου μετατροπέα ανύψωσης, i L D = Βαθμός χρησιμοποίησης της πρώτης μονάδας του μετατροπέα ανύψωσης D 2 = Βαθμός χρησιμοποίησης της δεύτερης μονάδας του μετατροπέα ανύψωσης δ = Διαφορά των βαθμών χρησιμοποίησης μεταξύ των δυο μονάδων T s = Διακπτική περίοδος Για απλούστευση υποθέτουμε ότι D =D, D 2=D+δD, L =L 2=L. Οι διαρροές και οι αμοιβαίες αυτεπαγωγές των δυο διασυνδεδεμένων πηνίων ανύψωσης δίνεται από τις σχέσεις: L = L L m, L 2 = L 2L m και L = K L L m 2 Όπου K είναι ο συντελεστής σύζευξης =,9,98. Εξετάζοντας την εξίσωση 3 βλέπουμε ότι το καλύτερο σημείο λειτουργίας, όσο υφίσταται το ρεύμα που μοιράζεται μεταξύ των δύο μετατροπέων ανύψωσης είναι όταν D = D 2 =,25. Τέλος, στο σχήμα παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης του πρόσθιου μετατροπέα. 7 7

8 Ηλεκτροκίνητα μέσα μεταφοράς στην Ελλάδα Υφιστάμενη κατάσταση και προοπτικές, ΤΕΕ, Αθήνα, 23 Ιαν., 26 L D6 Lm.8uH MUR45 9.2uH L2 D7 R.8uH MUR45 48V V3.m Z IRGPC5F Z9 IRGPC5F C 4u R2 25 V V2 (α) 7. A I L I L2 4. A A 8. us 85. us 8. us 85. us 82. us 825. us 83. us 835. us us I ( L) I ( L2) Ti me (β) 6. 92A 6. A I L+ I L2 5. A 4. A 3. A 8. us 85. us 8. us 85. us 82. us 825. us 83. us 835. us us I ( Lm) I ( R2) Ti me (γ) 6. 92A 6. A 5. I SW A I DIODE 4. A 3. A 8. us 85. us 8. us 85. us 82. us 825. us 83. us 835. us us I ( D6) I C( Z) Ti me (δ) Σχήμα. Αποτελέσματα προσομοίωσης του ενδιάμεσου μετατροπέα κατά τη λειτουργία στη φάση ανύψωσης. (α) Κύκλωμα προσομοίωσης του Spice για τον ενδιάμεσο μετατροπέα ανύψωσης (β) Κυματομορφές των ρευμάτων i L και i L2 του πηνίου ανύψωσης (γ) Κυματομορφές ρευμάτων εισόδου (i L) και εξόδου (i ob) (δ) Κυματομορφές ρευμάτων των διακοπτικών στοιχείων και των διόδων ανύψωσης 8 8

9 Ηλεκτροκίνητα μέσα μεταφοράς στην Ελλάδα Υφιστάμενη κατάσταση και προοπτικές, ΤΕΕ, Αθήνα, 23 Ιαν., 26 Β. Λειτουργία του αντιστροφέα Ο αντιστροφέας μετατρέπει την dc τάση εισόδου του σε μια SPWM τάση, όπως φαίνεται στο σχήμα. Σχήμα. Ορισμός της τεχνικής SPWM για τριφασικούς αντιστροφείς. α) Κυματομορφές αναφορών και φορέα. β) Φασική τάση εξόδου v R. γ) Φασική τάση εξόδου v Y. δ) Πολική τάση εξόδου του αντιστροφέα v RY. ε) Φάσμα συχνοτήτων της πολικής τάσης εξόδου v RY. Για τον αντιστροφέα ισχύος ισχύουν οι παρακάτω σχέσεις : if ( ) = V M sin( ω ) + V A sin( nω ) v ω ba f ba n n=d και το αντίστοιχο ρεύμα, ανάλογα με σύνθετη αντίσταση εξόδου Z (ω), θα δοθεί από μια παρόμοια σχέση : vif ( ω ) iif ( ω ) = = B sin( ω + φ ) + B n sin( nω + φ n ) Z ω ( ) n =d (4) (5) 9 9

10 Ηλεκτροκίνητα μέσα μεταφοράς στην Ελλάδα Υφιστάμενη κατάσταση και προοπτικές, ΤΕΕ, Αθήνα, 23 Ιαν., 26 Επίσης, το ρεύμα εισόδου του αντιστροφέα δίνεται από τη σχέση : M f B ig ( ω ) = 2 M f B φ A sin(nω ) + B A sin( nω + φ ) sin(mω n= d n cosφ n n= d m = d n cos( 2ω n ) + B sin( ω ) + φ ) (6) δίνοντας τα παρακάτω αποτελέσματα : I g,o M f B cosφ = DC συνιστώσα ig ( ω ) = (7) 2 Όπου, ο, I g,2= πλάτος της 2 ης αρμονικής συνιστώσας του i g (ω)= M fb /2 (8) Vba M f B = (9) Z An B n = () Z ο.n ( Z,n ) ( Z ),n I m ϕ = n an Re () v if = τάση εξόδου του αντιστροφέα i if = ρεύμα εξόδου του αντιστροφέα V ba = τάση συσσωρευτή M f = συντελεστής διαμόρφωσης της SPWM τεχνικής A n = πλάτος της n ης αρμονικής συνιστώσας της v if B n = πλάτος της n ης αρμονικής συνιστώσας του i if Z = σύνθετη αντίσταση εισόδου του φίλτρου εξόδου Ζ,n = μέτρο της Z στη συχνότητα της n ης αρμονικής φ = φάση μετατόπισης μεταξύ των αντίστοιχων θεμελιωδών συνιστωσών των v if και i if d = κύρια αρμονική συνιστώσα της v if = 2F nc F nc = ανοιγμένη συχνότητα φέροντος σήματος ω = συχνότητα λειτουργίας εξόδου I. Αποτελέσματα προσομοίωσης και πειραματικά αποτελέσματα Στα σχήματα και 2 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα προσομοίωσης της προτεινόμενης τοπολογίας μετατροπής ισχύος κατά τις φάσεις λειτουργίας dcac και acdc. 4V V v if 4V 8V A V( Dc2: 2, Dc5: 2) A i if SEL>> A 2ms 22ms 24ms 26ms 28ms 3ms 32ms 34ms 36ms 38ms 4ms I ( L) Ti me Σχήμα. Αποτελέσματα προσομοίωσης στο SPICE του αντιστροφλεα κατά την dc ac φάση λειτουργίας Πάνω: Τάση εξόδου του αντιστροφέα. Κάτω: Ρεύμα εξόδου του αντιστροφέα

11 Ti me Ηλεκτροκίνητα μέσα μεταφοράς στην Ελλάδα Υφιστάμενη κατάσταση και προοπτικές, ΤΕΕ, Αθήνα, 23 Ιαν., v i i i 2 4 8ms 82ms 84ms 86ms 88ms 9ms 92ms 94ms 96ms 98ms ms Dc5: V( N574328, 2) I ( L2) (α) 4A 3A 2A A A Hz. 5KHz. KHz. 5KHz 2. KHz 2. 5KHz 3. KHz I ( V5) Fr equency (β) Σχήμα 2. Αποτελέσματα προσομοίωσης του αντιστροφέα κατά την acdc λειτουργία (F nc=7 και M f =.8). (α) Τάση και ρεύμα εισόδου (β) Φάσμα συχνοτήτων του ρεύματος εισόδου Τέλος, στο σχήμα 3 παρουσιάζονται μερικά πειραματικά αποτελέσματα για τον αντιστροφέα. Όπως φαίνεται, τα αποτελέσματα της προσομοίωσης και τα πειραματικά αποτελέσματα συμφωνούν με τα θεωρητικά αναμενόμενα. α) β) Σχήμα 3. Πειραματικά αποτελέσματα για τον αντιστροφέα. α) Κυματομορφές τάσης και ρεύματος εξόδου του αντιστροφέα (V if:5.v/division, I if: 4A/division, χρόνος: 2ms/division) β) Ρεύμα εισόδου του αντιστροφέα I g(ω): (I g:2a/divisilon, χρόνος: 5ms/division) II. Συμπεράσματα Στη δημοσίευση αυτή προτάθηκε μια τοπολογία μετατροπής ισχύος για ένα σύστημα παραγωγής και αποθήκευσης της ηλεκτρικής ενέργειας, που χρησιμοποιεί κυψέλες αναπαραγόμενου καυσίμου. Η τοπολογία αυτή, που είναι αμφίδρομης ροής ισχύος αποτελείται από έναν αμφίδρομο μετατροπέα ανύψωσης ως πρόσθια βαθμίδα και από έναν αμφίδρομο αντιστροφέα. Η προτεινόμενη τοπολογία, η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως σύστημα παραγωγής και αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας σε ηλεκτρικά οχήματα παρουσιάζει τα παρακάτω πλεονεκτήματα : ) παρέχει αμφίδρομη ροή ισχύος, επιτρέποντας κατά συνέπεια να τροφοδοτείται η κυψέλη καυσίμου και η συστοιχία συσσωρευτών από τον κινητήρα του οχήματος, ο οποίος λειτουργεί ως γεννήτρια κατά την πέδηση του οχήματος ή όταν αυτό είναι σε στάση, αυξάνοντας έτσι την αυτονομία του οχήματος 2) εμφανίζει χαμηλή κυμάτωση ρεύματος της κυψέλης καυσίμου, λόγω του μετατροπέα ανύψωσης, αυξάνοντας έτσι το χρόνο ζωής της, 3) χρησιμοποιεί συστοιχία συσσωρευτών χαμηλής τάσης και κατά συνέπεια δεν απαιτεί σύστημα διαχείρισης των συσσωρευτών. Τέλος τα πειραματικά αποτελέσματα και αποτελέσματα προσομοίωσης συμφωνούν με τα θεωρητικά αναμενόμενα.

12 Ηλεκτροκίνητα μέσα μεταφοράς στην Ελλάδα Υφιστάμενη κατάσταση και προοπτικές, ΤΕΕ, Αθήνα, 23 Ιαν., 26 III. Αναφορές [] Fuel Cells, IEEE specrum, June 2. [2] J. Hirschenhofer, How he fuel cell produces power, IEEE Aerospace and Elecronic Sysems Magazine, Nov. 992, pp [3] J.E. Larminie and A. Dicks, Fuel Cell Sysems Explained, Wiley, New York, 2. [4] K. Rajashekara, Hybrid Fuel Cell Sraegies for clean Power Generaion, IEEE Transacions on Indusry applicaions, Vol.4, No.3, May/June 25, pp [5] J. A. Swich, M.H. Nehrir, V. Gerez, and R. Shaw, A broad look a he workings, ypes, and applicaions of fuel cells, in Proc. IEEE Power Eng. Soc. Summer meeing, Vol. I, Chicago, July 22, pp [ 6 ] Fuel Cell Handbook, 5 h ed. EG&G Services Parsons Inc., U.S. DOE, Ocober 2. [7] Unied Saes Paen No. 6,56,66, April 996. [8] Unied Saes Paen No. 6,579,638, Jan. 23. [9] S. T. Hung, D.C. Hopkins, C. R. Mosling, exrusion of baery life via charge equalizaion conrol, IEEE Trans. on Indusrial Elecronics, Vol. 4, No., Feb.993, pp [] H. Erl, J. W. Kolar and F.C. Zack, A Novel Mulicell DCAC Converer for Applicaions in Renewable Energy Sysems, IEEE Transacions on Indusrial Elecronics, Vol.49, No.5, Ocober 22, pp [] Z. Jiang, L. Gao and R.A. Dagar, Flexible muliobjecive Conrol of Power Converer in Acive Hybrid Fuel Cell/Baery Power Sources, IEEE Transacions on Power Elecronics, Vol. 2, No., January 25, pp [2] Y. Xue e al, Topologies of singlephase Inverers for small disribued power generaors, IEEE Transacions on Power Elecronics, Vol. 9, No. 5, Sepember 24, pp [3] F. Blaabjerg e al, Power Elecronics as Efficien Inerface in Dispersed Power Generaion Sysems, IEEE Transacions on Power Elecronics, Vol.9, No 5, Sep. 24, pp [4] J. Wang, e al, Low Cos of Fuel Cell Converer Sysem for Residenial Power Generaion, IEEE Transacions on Power Elecronics, Vol. 9, No. 5, Sep. 24, pp [5] G. K. Andersen, C. Klumpner, S.B. Kjaer, and F. Blaabjerg, A new green power inverer for fuel cells, in Proc. PESC 2 Conf. Vol.2, 22, pp [6] S. Manias, and Ziogas, P.D. A novel wo sage DC o AC ransisorized inverer, Canadian Elec. Engin. Journal, Vol.8, No.3, July 98, pp [7] R. J. Wai, R.Y. Dyan, J. D. Lee and L. W. Liu, High Efficiency FuelCell Power Inverer wih SofSwiching Resonan Technique, IEEE Transacions on Energy Conversion, Vol. 2, No. 2 June 25, pp [8] R. Gopinah e al, Developmen of a low cos Fuel Cell Inverer Sysem wih DSP conrol, IEEE Power Elecronics Specialiss Conference 22, PESC 2 pp [9] S.N. Manias, Volage Source Converers for DC Grid Wind Farm Applicaions, IEEE PESC 3 Tuorial. [2] P. W. Lee e al, seadysae analysis of an inerleaved boos converer wih coupled inducors, IEEE Transacions on Indusrial Elecronics, Vol. 47, No. 4, Aug. 2, pp [2] X. Huang e al, Parasiic Ringing and Design Issues of Digially Conrolled High Power Inerleaved Boos Converers, IEEE Transacions on Power Elecronics, Vol.9, No 5, Sep. 24, pp