CC BY
11
Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2023. Т. 19, № 2. С. 73-79. ISSN 1999-5458 (print) Electrical and Data Processing Facilities and Systems. 2023. Vol. 19. No. 2. P. 73-79. ISSN 1999-5458 (print)
Научная статья УДК 621.3
doi: 10.17122/1999-5458-2023-19-2-73-79
АНАЛИЗ СХЕМОТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИИ И СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЗАРЯДНЫХ УСТРОЙСТВ
Даниил Викторович Купцов DanШ V. Kuptsov
аспирант кафедры «Электротехника и электрооборудование предприятий», Уфимский государственный нефтяной технический университет, Уфа, Россия
Регина Тагировна Хазиева Regina T. Khazieva
кандидат технических наук, доцент,
доцент кафедры «Электротехника и электрооборудование предприятий», Уфимский государственный нефтяной технический университет, Уфа, Россия
Ключевые слова
индуктивно-емко стный преобразователь, устройство заряда емкостного накопителя, устройство
электрогидроимпульсной очистки, станция зарядки электромобиля
Актуальность
Индуктивно-емкостный преобразователь (ИЕП) является одним из основных элементов устройства заряда емкостного накопителя. При помощи правильного выбора схемы ИЕП в конкретном устройстве можно добиться необходимых показателей энергоэффективности конечной установки. В статье ставится задача выбора наиболее энергоэффективной схемы исполнения индуктивно-емкостного преобразователя для устройства заряда емкостного накопителя, который может использоваться в устройстве электрогидроимпульсной очистки, а также в станциях зарядки электромобилей.
Цель исследования
Провести аналитический обзор существующих схем индуктивно-емкостного преобразователя тока и выбрать наиболее энергоэффективную схему для устройства заряда емкостного накопителя.
Методы исследования
Аналитический обзор научной литературы.
Результаты
В результате проведенного аналитического обзора существующих схемотехнических исполнений индуктивно-емкостного преобразователя выбрана схема, которая удовлетворяет необходимым требованиям энергоэффективности.
Для цитирования: Купцов Д. В., Хазиева Р. Т. Анализ схемотехнических решений и способов повышения энергетической эффективности зарядных устройств // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2023. № 2. Т. 19. С. 73-79. http://dx.doi.org/10.17122/1999-5458-2023-19-2-73-79.
© Купцов Д. В., Хазиева Р. Т., 2023
Electrical facilmes and systems
Original article
ANALYSIS OF CIRCUIT SOLUTIONS AND WAYS TO INCREASE ENERGY EFFICIENCY
Ключевые слова
inductive-capacitive converter, capacitive storage charge device, electrohydroimpulse-cleaning device, electric vehicle charging station
Relevance
An inductive-capacitive converter (ICC) is one of the main elements of a capacitive storage device. With the right choice of the ICC scheme in a particular device, it is possible to achieve the necessary energy efficiency indicators of the final installation. The article sets the task of choosing the most energy-efficient design scheme of an inductive-capacitive converter for a capacitive storage device, which can be used in an electrohydroimpulse cleaning device, as well as in electric vehicle charging stations.
Aim of research
Conduct an analytical review of existing circuits of an inductive-capacitive current converter and choose the most energy-efficient circuit for charging a capacitive storage device.
Research methods
Analytical review of scientific literature.
Results
As a result of the analytical review of the existing circuit designs of the inductive-capacitive converter, a circuit that meets the necessary energy efficiency requirements has been selected.
For citation: Kuptsov D. V., Khazieva R. T. Analiz skhemotekhnicheskikh resheniy i sposobov povysheniya energeticheskoy ef-fektivnosti zaryadnykh ustroystv [Analysis of Circuit Solutions and Ways to Increase Energy Efficiency]. Elektrotekhnicheskie i in-formatsionnye kompleksy i sistemy — Electrical and Data Processing Facilities and Systems, 2023, No. 2, Vol. 19, pp. 73-79. [in Russian]. http://dx.doi.org/10.17122/1999-5458-2023-19-2-73-79.
В настоящее время большинство источников питания в составе различных электронных систем построены на основе индуктивно-емкостных преобразователей (ИЕП) тока. В представленной статье мы будем рассматривать индуктивно-емкостный преобразователь в составе устройства заряда емкостного накопителя. Это устройство относится к импульсной технике повышенной мощности [1, 2].
На данный момент наиболее распространенными схемотехническими исполнениями ИЕП являются Г-образная и Т-образная схемы Бушеро (рисунок 1), а также мостовая схема Штейнметца (рисунок 2). Отличиями данных схем являются очередность и количество составных элементов, а также исполнение катушек индуктивности.
L
r-^-v-^ ■ л
% J to
-i 1-
Рисунок 1. Г-образная схема ИЕП
Figure 1. Г-shaped ICC scheme
Достоинствами Г-образного исполнения ИЕП (рисунок 1) являются низкое количество искажений, несложность построения, хорошие массогабаритные показатели. В качестве недостатков можно выделить малые показатели коэффициента полезного действия (КПД) и коэффициента мощности [3].
а) Г-образная; б) Т-образная
a) Г-shaped; b) T-shaped Рисунок 2. Схемы Бушеро Figure 2. Bouchereau diagrams
Рисунок 3. Мостовая схема Штейнметца Figure 3. Steinmetz bridge diagram
В таких видах исполнения, как Т-образная схема Бушеро (рисунок 2, b) и схема Штейнметца (рисунок 3), наоборот, более высокие показатели КПД и коэффициента мощности, но проигрывают по массогаба-ритным показателям и искажениям напряжения в электрической сети [4].
Для достижения более высокой точности стабилизации тока нагрузки и сравнительно лучших массогабаритных показателей ИЕП необходимо выполнить построение преобразователя по симметричной схеме с катушками индуктивности, обладающими взаимной индуктив-
ностью обусловленной наличием магнитной связи между данными катушками индуктивности [5]. Так, например, в Т-образной схеме Бушеро, катушки индуктивности, разнесенные на главном магнитопроводе, связаны магнитной связью (рисунок 2, а).
В сравнении с последовательным исполнением симметричная схема Бушеро более предпочтительна, так как она обладает лучшими энергетическими и массогабаритными характеристиками, а также улучшенными стабилизационными свойствами (рисунок 2, Ь) [6-8].
Благодаря таким характеристикам, как простота, надежность схемы и высокая энергетическая эффективность индуктивно-емкостные преобразователи, построенные по схемам Бушеро и Штейнметца, являются наиболее распространенными в устройствах заряда емкостных накопителей тока.
Рассмотрим Г-образную схему индуктивно-емкостного преобразователя. Она обладает такими положительными характеристиками, как простота построения, малое влияние на питающую сеть и отличная электромагнитная совместимость. Отрицательными свойствами же являются низкие энергетические показатели.
По результатам аналитического обзора источников [1-8] составлена сравнительная таблица 1.
Авторами в ходе аналитического обзора исследованы существующие схемы исполнения индуктивно-емкостного преобразователя. Из таблицы сравнительного анализа (таблица 1) следует, что симметричная Т-образная схема Бушеро с магнитной связью между катушками индуктивности является наиболее совершенной, обладает улучшенными стабилизационными свойствами и энергетическими показателями, меньшими массой и габаритами, поэтому она лучше подходит для исполнения индук-
- 75
Electrical facilities and systems
Table 1. Comparative analysis of ICC schemes
Критерий сравнения Г-образная схема Бушеро Симметричная Т-образная схема Бушеро Мостовая схема Штейнметца
Конструкция Простая Простая Сложная
Уровень искажений Низкий уровень нелинейных искажений Низкий уровень нелинейных искажений Высокий уровень нелинейных искажений
Массогабаритные показатели Низкие Низкие Высокие
Энергетические показатели Низкие энергетические показатели Высокие энергетические показатели — КПД и коэффициент мощности Высокие энергетические показатели — КПД и коэффициент мощности
Таблица 1. Сравнительный анализ схем ИЕП
тивно-емкостного преобразователя в устройстве заряда емкостного накопителя, которое может использоваться в установке электрогидроимпульсной очистки, а также в станциях зарядки электромобилей.
В представленном литературном обзоре приводятся результаты анализа научной литературы, патентов и технической документации по способам и устройствам повышения энергетической эффективности зарядных устройств. Вторая часть литературного обзора посвящена исследованиям гибридных электромагнитных элементов, использование которых в устройствах заряда является ключевой особенностью данного исследования. Проанализировано более двухсот статей и патентов. Далее приводится краткий литературный обзор на основе данных источников, предлагается рассмотреть основные типы зарядных станций.
1. Стационарные зарядные станции
В [9] представлен тип станций, выполненных в виде зданий или сооружений, получающих энергию от электросети или местного электрогенератора. Данные в [10] позволяют располагать статисти-
ческими данными 2019 г. по численности стационарных зарядных станций в количестве 5,2 млн. В зависимости от доступности подобных решений они подразделяются на общественные и частные зарядные станции, также в [10] отражен один из главных недостатков подобных решений — это медленная скорость зарядки, данный тип подходит для установки дома и на работе, где введён частный доступ, на стоянках жилого комплекса, дома или бизнес-центра.
2. Технологии бесконтактной
зарядки
В отличие от стандартных способов зарядки аккумуляторов описываемая технология подразумевает зарядку без соединения с устройством заряда либо замену разряженного аккумулятора на заряженный. Беспроводная передача энергии предполагает зарядку посредством магнитной связи, реализуемой за счет установки катушек на дороге, данная технология лишь исследуется, и среди исследований имеются два общих подхода: емкостная передача мощности и индуктивная передача мощности. Технология замены батареи рассматривается в [11] и заключается в устройстве,
заменяющем разряженную батарею на полностью заряженную, данный процесс в среднем занимает несколько минут.
3. Мобильные зарядные станции В статье [12] мобильная зарядная станция рассматривается как новый тип оборудования для зарядки, предоставляющего свои услуги в любом месте и в любое время. Мобильные зарядные станции в большинстве своем представляют из себя фургон или грузовик, оснащенный одной или несколькими зарядными батареями. Основные варианты их исполнения приведены в источниках [13, 14].
В исследовании [15] представлены данные о том, что пользователи общественных зарядных станций в среднем тратят на зарядку на 45 мин больше необходимого времени для полной зарядки, что является дополнительным мотивом для использования мобильной версии станции. Помимо этого, в статье [16] сделан вывод о том, что во многих крупных городах большинство жителей не имеют собственного гаража, а, следовательно, не располагают местом для зарядки.
Основные направления исследований устройств заряда Таким образом, можно выделить несколько тем для дальнейшего исследования зарядных станций.
Если рассматривать вопрос с точки зрения электрических сетей и распределения энергии, то одним из направлений является изучение внедрения мобильных зарядных станций для снижения негативного влияния в сети от стационарных
накопителей. Следовательно, необходимо уделить внимание изучению эффекта влияния на стабильность электрической сети и качества электроэнергии при использовании мобильной зарядной станции. Помимо этого, можно рассмотреть слияние нескольких технологий зарядки, в том числе связанную с заменой аккумуляторов, для получения гибридной версии зарядной станции.
Еще одним важным направлением исследований является снижение массо-габаритных показателей преобразователей электрической энергии. Наличие батареи, инверторов, выпрямителей и фильтров значительно повышает массу.
Вывод
В результате сравнения существующих схемотехнических решений индуктивно-емкостного преобразователя была выбрана симметричная Т-образная схема Бушеро, так как она обладает лучшими энергетическими показателями по сравнению с другими исследуемыми схемами. Использование более энергоэффективной схемы в составе устройств импульсной техники поможет снизить расходы на электроэнергию и более дорогостоящие элементы устройства.
В результате аналитического обзора литературных источников выявлено, что наиболее актуальным направлением исследований зарядных устройств является внедрение мобильных зарядных станций для снижения негативного влияния в сети, а также разработка гибридных версий зарядных станций и снижение их массогабаритных показателей.
Список источников
1. Хазиева Р.Т. Система стабилизации тока на основе гибридного электромагнитного элемента // Севергеоэкотех-2016: сб. XVII Междунар. молодежи. науч. конф. молодых ученых. Ухта: Изд-во УГТУ, 2016. Ч. 1. С. 79-81. EDN: XQRBVB.
2. Рогинская Л.Э., Рахманова Ю.В., Воронин К.А., Источник питания емкостного накопи-
теля энергии // Электротехнические и информационные комплексы и системы 2015. Т. 11. № 3. С. 24-29. EDN: VCPSOT.
3. Бочаров В., Гуренков Н., Корнилов А., Парфенов Е., Резников С. Электроэнергетическая и электромагнитная совместимость вторичных источников импульсного питания с автономными системами электроснабжения перемен-
77
ELEcTRicAL FAciLiTiES AND SYSTEMS
ного тока. Часть II: Обзор и систематизация известных структур и схем основных узлов. Приближенные критерии оценки элементов // Силовая электроника. 2009. № 22. С. 74-78. [Электронный ресурс]. URL: http://www.power-e. ru/2009_4_74.php. EDN: MVRVQH (дата обращения: 03.04.2023).
4. Вакуленко В.М., Иванов Л.П. Источники электропитания лазеров. М.: Сов. радио, 1980. 104 с.
5. Дозоров С.А. Исследование и разработка индуктивно-емкостных источников питания: Дисс. ... канд. техн. наук. СПб., 2013. 203 с.
6. Хазиева Р.Т., Бочкарева Т.А. Индуктивно-емкостные преобразователи для электротехнологий. Обзор схемотехнических решений // Севергеоэкотех-2017: сб. XVIII Междунар. молодежн. науч. конф. молодых ученых. Ухта: Изд-во УГТУ, 2017. Ч. 1. С. 73-78. EDN: YLXNZL.
7. Кабан В.П., Матвеев В.Ю., Губаревич В.Н., Спирин В.М. Расчет схем Г-образных индуктивно-емкостных преобразователей CL-вида с учетом характера нагрузки // Сб. тр. Института электродинамики НАН Украины. 2012. № 33. С. 83-87. EDN: PZGPYJ.
8. Кабан В.П. Сравнительный анализ Т-образных индуктивно-емкостных преобразователей CLL-структуры по установленной мощности реактивных элементов // Сб. тр. Института электродинамики НАН Украины. 2012. № 33. С. 87-91. EDN: PZGPYT.
9. Atmaja T.D., Mirdanies M. Electric Vehicle Mobile Charging Station Dispatch Algorithm // 2nd International Conference on Sustainable Energy Engineering and Application, ICSEEA. 2014. https://core.ac.uk/download/pdf/81110295.pdf (дата обращения: 03.04.2023).
10. Clinton B.C., Steinberg D.C. Providing the Spark: Impact of Financial Incentives on Battery Electric Vehicle Adoption // MIT Energy Initiative (MITEI), Massachusetts Institute of Technology Cambridge, National Renewable Energy Laboratory (NREL). 2019. https://ceepr.mit.edu/wp-content/ uploads/2021/09/2019-015.pdf (дата обращения: 03.04.2023).
11. Halvorson B. NIO is Providing a Fully Charged Battery in 3 Minutes for Free in China. https://www.greencarreports.com/news/1124806_ nio-is-providing-a-fully-charged-battery-in-3-minutes-for-free-in-china (дата обращения: 03.04.2023).
12. Cui S., Zhao H., Chen H., Zhang C. The Mobile Charging Vehicle Routing Problem with Time Windows and Recharging Services. 2018. https://downloads.hindawi.com/journals/cin/2018/ 5075916.pdf (дата обращения: 03.04.2023).
13. Yang S.N., Wang H.W., Gan C.H., Lin Y.B. Mobile Charging Information Management for Smart Grid Networks // International Journal of Information Management. 2013. https://www. ir.nctu.edu.tw/bitstream/11536/21495/1/000316428 300002.pdf (дата обращения: 03.04.2023).
14. Atmaja T.D. Energy Storage System Using Battery and Ultracapacitor on Mobile Charging Station for Electric Vehicle // 2nd International Conference on Sustainable Energy Engineering and Application, ICSEEA. 2014. https://core.ac.uk/ download/pdf/82774674.pdf (дата обращения: 03.04.2023).
15. Evaluating Electric Vehicle Charging Impacts and Customer Charging Behaviors-Experience from Six Smart Grid Investment Grant Projects / Office of Electricity Delivery and Energy Reliability. U.S. Department of Energy, 2014. https://www. energy. gov/sites/prod/files/2014/12/f19/S GIG-EvaluatingEVcharging-Dec2014.pdf (дата обращения: 03.04.2023).
16. Rotthier B., Van Maerhem T., Blockx P., Van den Bossche P., Cappelle J. Home Charging Of Electric Vehicles in Belgium // 2013 World Electric Vehicle Symposium and Exhibition (EVS27). 2013. P. 1-6.
References
1. Khazieva R.T. Sistema stabilizatsii toka na osnove gibridnogo elektromagnitnogo elementa [Current stabilization system based on a hybrid electromagnetic element]. Sbornik XVII Mezhdu-narodnoy molodezhnoy nauchnoy konferentsii molodykh uchenykh «Severgeoekotekh-2016». [Collection of works of XVII International Youth Scientific Conference of Young Scientists «Severge-oecotech-2016»]. Ukhta, UGTU Publ., 2016, Ch. 1, pp. 79-81. EDN: XQRBVB. [in Russian].
2. Roginskaya L.E., Rakhmanova Yu.V., Voro-nin K.A., Istochnik pitaniya emkostnogo nakopitelya energii [Energy Charge Capacitor Power Supply]. Elektrotekhnicheskie i informatsionnye kompleksy i sistemy - Electrical and Data Processing Facilities and Systems, 2015, Vol. 11, No 3, pp. 24-29. EDN: VCPSOT. [in Russian].
3. Bocharov V., Gurenkov N., Kornilov A., Parfenov E., Reznikov S. Elektroenergeticheskaya i elektromagnitnaya sovmestimost' vtorichnykh istochnikov impul'snogo pitaniya s avtonomnymi sistemami elektrosnabzheniya peremennogo toka. Chast' II: Obzor i sistematizatsiya izvestnykh struktur i skhem osnovnykh uzlov. Priblizhennye kriterii otsenki elementov [Electric Power and Electromagnetic Compatibility of Secondary Sources of Pulsed Power with Autonomous AC Power Supply Systems. Part II: Review and
Электротехнические комплексы и системы
Systematization of Known Structures and Schemes of the Main Nodes. Approximate Criteria for Evaluating Elements]. Silovaya elektronika — Power Electronics [Electronic Resource]. 2009, No. 22, pp. 74-78. URL: http://www.power-e. ru/2009_4_74.php. EDN: MVRVQH (Accessed 03.04.2023). [in Russian].
4. Vakulenko V.M., Ivanov L.P. Istochniki elek-tropitaniya lazerov [Power Supplies for Lasers]. Moscow, Sov. Radio Publ., 1980. 104 p. [in Russian].
5. Dozorov S.A. Issledovanie i razrabotka induk-tivno-emkostnykh istochnikov pitaniya: Diss. ... kand. tekhn. nauk [Research and Development of Inductive-Capacitive Power Supplies: Cand. Engin. Sci. Diss.]. Saint-Petersburg, 2013. 203 p. [in Russian].
6. Khazieva R.T., Bochkareva T.A. Induktivno-emkostnye preobrazovateli dlya elektrotekhnologii. Obzor skhemotekhnicheskikh reshenii [Inductive-Capacitive Converters for Electrical Technologies. Review of Circuit Solutions]. Sbornik XVIII Mezh-dunarodnoy molodezhnoy nauchnoy konferentsii molodykh uchenykh «Severgeoekotekh-2017». [Collection of works of XVIII International Youth Scientific Conference of Young Scientists «Sever-geoecotech-2017»]. Ukhta, UGTU Publ., 2017, Ch. 1, pp. 73-78. EDN: YLXNZL. [in Russian]
7. Kaban V.P., Matveev V.Yu., Gubarevich V.N., Spirin V.M. Raschet skhem G-obraznykh induk-tivno-emkostnykh preobrazovatelei CL-vida s uchetom kharaktera nagruzki [Calculation of Schemes of G-Shaped Inductive-Capacitive Transducers of CL-Type with Taking into Consideration the Character of the Load]. Sbornik trudovInstituta ele-ktrodinamiki NAN Ukrainy — Collection of Works Institute of Electrodynamics of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2012, No. 33, pp. 83-87. EDN: PZGPYJ. [in Russian].
8. Kaban V.P. Sravnitel'nyi analiz T-obraznykh induktivno-emkostnykh preobrazovatelei CLL-struktury po ustanovlennoi moshchnosti reak-tivnykh elementov [Comparative Analysis of T-Shaped Inductance-Capacitance Transducers with CLL-Structure According to The Installed Capacity of Reactive Elements]. Sbornik trudov Instituta ele-ktrodinamiki NAN Ukrainy — Collection of Works Institute of Electrodynamics of the National
Academy of Sciences of Ukraine, 2012, No. 33, pp. 87-91. EDN: PZGPYT. [in Russian].
9. Atmaja T.D., Mirdanies M. Electric Vehicle Mobile Charging Station Dispatch Algorithm. 2nd International Conference on Sustainable Energy Engineering and Application, ICSEEA, 2014. https://core.ac.uk/download/pdf/81110295.pdf (accessed 03.04.2023).
10. Clinton B.C., Steinberg D.C. Providing the Spark: Impact of Financial Incentives on Battery Electric Vehicle Adoption. MIT Energy Initiative (MITEI), Massachusetts Institute of Technology Cambridge, National Renewable Energy Laboratory (NREL), 2019. https://ceepr.mit.edu/wp-content/up-loads/2021/09/2019-015.pdf (accessed 03.04.2023).
11. Halvorson B. NIO is Providing a Fully Charged Battery in 3 Minutes for Free in China. https://www.greencarreports.com/news/1124806_ nio-is-providing-a-fully-charged-battery-in-3-minutes-for-free-in-china (accessed 03.04.2023).
12. Cui S., Zhao H., Chen H., Zhang C. The Mobile Charging Vehicle Routing Problem with Time Windows and Recharging Services, 2018. https://downloads.hindawi.com/journals/ cin/2018/5075916.pdf (accessed 03.04.2023).
13. Yang S.N., Wang H.W., Gan C.H., Lin Y.B. Mobile Charging Information Management for Smart Grid Networks. International Journal of Information Management, 2013. https://www.ir. nctu.edu.tw/bitstream/11536/21495/1/ 000316428300002.pdf (accessed 03.04.2023).
14. Atmaja T.D. Energy Storage System Using Battery and Ultracapacitor on Mobile Charging Station for Electric Vehicle. 2nd International Conference on Sustainable Energy Engineering and Application, ICSEEA, 2014. https://core.ac.uk/ download/pdf/82774674.pdf (accessed 03.04.2023).
15. Evaluating Electric Vehicle Charging Impacts and Customer Charging Behaviors-Experience from Six Smart Grid Investment Grant Projects, Office of Electricity Delivery and Energy Reliability. U.S. Department of Energy, 2014. https://www.energy.gov/sites/prod/files/2014/12/ f19/SGIG-EvaluatingEVcharging-Dec2014.pdf (accessed 03.04.2023).
16. Rotthier B., Van Maerhem T., Blockx P., Van den Bossche P., Cappelle J. Home Charging Of Electric Vehicles in Belgium. 2013 World Electric
Статья поступила в редакцию 28.04.2023; одобрена после рецензирования 17.05.2023; принята к публикации 24.05.2023. The article was submitted 28.04.2023; approved after reviewing 17.05.2023; accepted for publication 24.05.2023.
