شماره مدرك
21285
شماره راهنما
2527 دكتري
پديد آورنده
بيژني، علي
عنوان
ارائه، طراحي و ساخت مدارهاي متعادل كننده باتري با رويكرد افزايش بازده و چگالي توان
مقطع تحصيلي
دكتري
گرايش تحصيلي
الكترونيك
محل تحصيل
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
سال دفاع
1405
صفحه شمار
هشت، 235ص
توصيفگر ها
متعادل كننده باتري ، كليدزني نرم ، ترانسفورمر چندسيم‌پيچه ، سيستم مديريت باتري ، ترانسفورمر مسطح
تاريخ ورود اطلاعات
1405/07/13
كتابنامه
كتابنامه
رشته تحصيلي
مهندسي برق
دانشكده
مهندسي برق و كامپيوتر
تاريخ ويرايش اطلاعات
1405/07/13
كد ايرانداك
23246652
چكيده فارسي
در سال‌هاي اخير، توسعه خودروهاي برقي و سامانه‌هاي ذخيره‌ساز انرژي، نياز به سامانه‌هاي مديريت باتري با بازده زياد، قابليت اطمينان مطلوب، ساختار فشرده و توانايي افزايش طول عمر بسته‌هاي باتري را بيش از پيش افزايش داده است. باتري‌هاي ليتيوم‌يون، به‌دليل چگالي انرژي زياد، بازده مناسب و قابليت شارژ و دشارژ مكرر، از مهم‌ترين گزينه‌ها براي استفاده در اين سامانه‌ها به شمار مي‌روند. بااين‌حال، اختلاف مشخصات الكتريكي سلول‌ها، تفاوت در نرخ خودتخليه، تغييرات دمايي و شرايط بهره‌برداري مي‌تواند موجب ايجاد عدم تعادل ولتاژ ميان سلول‌هاي يك بسته باتري شود. اين عدم تعادل، علاوه بر كاهش ظرفيت قابل استفاده و بازده بسته باتري، مي‌تواند طول عمر آن را كاهش داده و احتمال وقوع شرايط نامطلوبي همچون اضافه‌شارژ و اضافه‌دشارژ را افزايش دهد. ازاين‌رو، توسعه متعادل‌سازهاي فعال با قابليت انتقال مستقيم انرژي، سرعت متعادل‌سازي بيشتر، بازده مطلوب، چگالي توان زياد و ساختار فشرده، از چالش‌هاي مهم در حوزه سامانه‌هاي مديريت باتري محسوب مي‌شود.
در اين پژوهش، با هدف توسعه نسل جديد مبدل‌هاي دوجهته براي سامانه‌هاي مديريت باتري و ذخيره‌سازهاي انرژي، چهار ساختار مبدلي پيشنهادي در يك چارچوب پژوهشي يكپارچه ارائه و بررسي شده‌اند. اين ساختارها با تمركز بر كاهش تلفات توان، افزايش سرعت متعادل‌سازي، كاهش افزونگي سخت‌افزاري و بهبود چگالي توان توسعه يافته‌اند. در ساختار نخست، يك متعادل‌ساز فعال مبتني بر مبدل دوجهته تركيبي سپيك–زيتا–فلاي‌بك و ترانسفورمر چندسيم‌پيچه ارائه شده است. در اين ساختار، با بهره‌گيري از كليدزني نرم، امكان انتقال هم‌زمان انرژي به چندين سلول فراهم شده است. اين ويژگي ضمن كاهش زمان متعادل‌سازي، موجب كاهش تلفات كليدزني و افزايش بازده تبديل توان مي‌شود. همچنين، افزايش فركانس كليدزني و استفاده از ترانسفورمر چندسيم‌پيچه، كاهش ابعاد اجزاي مغناطيسي و در نتيجه افزايش چگالي توان مبدل را امكان‌پذير مي‌كند.
در ساختار دوم، با هدف كاهش حجم، وزن و تعداد قطعات، يك مبدل فلاي‌بك مجهز به مدار كمكي كليدزني نرم ارائه شده است. در اين ساختار، ضمن حفظ قابليت انتقال انرژي و عملكرد مطلوب متعادل‌سازي، برخي از اجزاي مبدل نخست حذف شده و ساختاري ساده‌تر و فشرده‌تر حاصل شده است. اين امر ضمن كاهش پيچيدگي ساختار و هزينه ساخت، زمينه كاهش حجم و وزن مبدل و بهبود قابليت اطمينان آن را فراهم مي‌كند.
در ادامه، با هدف كاهش افزونگي سخت‌افزاري و يكپارچه‌سازي عملكردهاي سامانه مديريت باتري، ساختارهاي سوم و چهارم ارائه شده‌اند. در ساختار سوم، عملكرد شارژر و متعادل‌ساز در قالب يك مبدل دوجهته واحد ادغام شده است. اين يكپارچه‌سازي ضمن حفظ عملكردهاي موردنظر، موجب كاهش تعداد قطعات، حجم، وزن و هزينه سامانه و افزايش بهره‌وري انرژي مي‌شود. همچنين، به‌كارگيري ترانسفورمر چندسيم‌پيچه‌ي تخت در كنار تكنيك كليدزني نرم، كاهش تلفات، افزايش بازده، كاهش ابعاد اجزاي مغناطيسي و افزايش چگالي توان را به همراه داشته است. در ساختار چهارم، اين رويكرد به سامانه‌هاي ذخيره‌ساز انرژي هيبريدي توسعه داده شده است. در اين ساختار، يك مبدل دوجهته واحد قابليت انجام فرآيندهاي شارژ، دشارژ، متعادل‌سازي سلول‌هاي باتري و مديريت انرژي ابرخازن را فراهم مي‌كند.
نتايج شبيه‌سازي و ارزيابي‌هاي آزمايشگاهي، عملكرد ساختارهاي پيشنهادي را تأييد مي‌كنند. مبدل‌هاي ارائه‌شده به بازده تبديل توان در محدوده 93٫5 تا 96٫7 درصد دست يافته‌اند و دستيابي به كليدزني نرم و انتقال هم‌زمان انرژي در آن‌ها نشان داده شده است. همچنين، ساختارهاي پيشنهادي از نظر سرعت متعادل‌سازي و چگالي توان به‌صورت كيفي مورد ارزيابي قرار گرفته‌اند. همچنين، يكپارچه‌سازي عملكردهاي شارژ، دشارژ، متعادل‌سازي سلول‌هاي باتري و مديريت انرژي ابرخازن، ضمن كاهش افزونگي سخت‌افزاري، موجب كاهش تعداد قطعات، حجم و هزينه سامانه و افزايش بهره‌وري انرژي شده است. در مجموع، نتايج اين پژوهش نشان مي‌دهد كه تلفيق كليدزني نرم، انتقال هم‌زمان انرژي، استفاده از ترانسفورمرهاي چندسيم‌پيچه و تخت و يكپارچه‌سازي عملكردها در مبدل‌هاي دوجهته پيشنهادي، مي‌تواند راهكاري مؤثر براي توسعه نسل جديد سامانه‌هاي مديريت باتري و سامانه‌هاي ذخيره‌ساز انرژي هيبريدي با بازده زياد، سرعت متعادل‌سازي بيشتر، چگالي توان مطلوب، ساختار فشرده و قابليت اطمينان مناسب باشد.
چكيده انگليسي
In recent years, the development of electric vehicles and energy storage systems has increased the demand for battery management systems with high efficiency, reliability, compact structure, and the capability to extend battery lifetime. Although lithium-ion batteries offer high energy density and suitable performance, differences in cell characteristics, self-discharge rates, temperature, and operating conditions can cause voltage imbalance, reducing the usable capacity, efficiency, and lifetime of battery packs. Therefore, developing active balancing circuits with high balancing speed, efficiency, power density, and compact structure remains an important challenge.
In this research, four bidirectional converter structures are proposed and investigated for battery management and energy storage applications. The proposed structures focus on reducing power losses, increasing balancing speed, reducing hardware redundancy, and improving power density. The first structure employs a hybrid SEPIC–Zeta–Flyback converter with a multi-winding transformer and soft-switching operation to enable simultaneous energy transfer to multiple cells. The second structure uses a Flyback converter with an auxiliary soft-switching circuit to reduce the number of components, volume, and weight. The third structure integrates battery charging and cell balancing within a single bidirectional converter, employing a planar multi-winding transformer and soft switching to improve efficiency and power density. The fourth structure extends this integrated approach to hybrid energy storage systems, enabling battery charging, discharging, battery-cell balancing, and supercapacitor energy management using a single bidirectional converter.
Simulation and experimental results validate the effectiveness of the proposed structures. The converters achieve power conversion efficiencies ranging from 93.5% to 96.7%, while soft switching and simultaneous energy transfer are demonstrated. Overall, the integration of soft switching, simultaneous energy transfer, multi-winding and planar transformers, and multiple system functions provides an effective approach for developing compact, efficient, and reliable battery management and hybrid energy storage systems with improved balancing performance and power density.
استاد راهنما
نسرين رضايي حسين آبادي
استاد مشاور
احسان اديب
استاد داور
حميدرضا كارشناس , رسول دهقاني , محمدرضا ذوالقدري