Ist die Zeta-DC/DC-Wandlertopologie auf 50 kW / Hunderte von Ampere skalierbar?

Frage

Die Aufgabe besteht darin, einen 50-kW-DC-DC-Wandler (z. B. 125 VDC 400 A Ausgang) zu bauen, der einen großen Blei-Säure-Stapel mit diesen 400 A auflädt und einen etwas weiten Eingangsspannungsbereich akzeptiert. Wenn wir also den Eingangsspannungsbereich von 50-260 V zulassen, muss die Wandlertopologie Zeta (oder ähnlich - Buck-Boost, SEPIC, Ćuk) sein. Wenn ich stattdessen dafür sorge, dass die Eingangsspannung immer höher ist als die Ausgangsspannung (z. B. 150-800), ist die Buck-Topologie wahrscheinlich die beste Wahl (Mehrphasen-Buck, eine stark vergrößerte Version des 12-V-> Vcore-Teils in modernen PCs). Mainboards). Die Zeta-Topologie gibt mir jedoch mehr Flexibilität in der spezifischen Anwendung, daher frage ich mich - könnte sie auch auf solche Leistungsstufen skaliert werden?

Hintergrund

Einige Leute bauen einen Elektromotorprüfstand, und der Teil, an dem ich beteiligt sein könnte, ist der leistungsstarke DC-DC-Wandler zur Energierückgewinnung. Die Idee ist, dass ein Stapel von Blei-Säure-Energiezellen (Gabelstapler-Typen) einen ESC antreiben würde, der den zu testenden Motor steuert. Ein weiterer, größerer Motor würde als mechanische Last für den MUT wirken. Dieser zweite Motor, der als Generator betrieben wird, würde die Energie über einen DC-DC-Wandler, der eine programmierbare Zielausgangsleistung haben sollte, zurück in den Batteriestapel zurückgewinnen (damit wir kann das Drehmoment modulieren, das der MUT liefern muss, um die eingestellte Drehzahl zu halten).

Mehr Strom zur Batterie führt zu mehr mechanischem Drehmoment, sodass der MUT noch mehr Strom zieht, um mitzuhalten, sodass die Batterie am Ende immer noch entladen wird, aber nur mit der als Ineffizienz im System verlorenen Leistung – nicht mit den vollen 50 kW.

Spezifikationen

  • Der Generator wird ein 3-Phasen-Permanentmagnettyp sein
  • Der MUT wird bis zu 50 kW betragen, sodass der DC-DC-Wandler realistischerweise nur 40 kW bewältigen muss. Aber ich werde 50 kW anstreben, um einen gewissen Spielraum zu haben.
  • Die Batteriespannung könnte so niedrig wie 24 V und so hoch wie 120 V sein. Natürlich werden 24-V-Batterien nur zum Testen von Niederspannungsmotoren mit geringer Leistung verwendet, die nicht annähernd 50 kW erreichen.
  • 400 A sind die maximalen Ampere, die wir in die Batterie bekommen möchten, unabhängig von ihrer Spannung. Also 50kW sind nur bei den höchsten Batteriespannungen.
  • 50 kW müssen nur wenige Sekunden lang aufrechterhalten werden, und der gesamte Testlauf (mit unterschiedlichen Leistungsstufen) dauert weniger als 1 Minute.
  • Wir werden nur einen oder eine Handvoll dieser Konverter bauen. Die Komponentenkosten haben keine große Priorität. Entwicklungskosten sind relevanter.
  • Andere Leute kümmern sich um den mechanischen Teil (Motoren, Lager, Drehmomentmessung, Wellen, ...)

Zeta-Topologie-Option

Ich habe eine Microchip-App-Note ( High-Power CC/CV Battery Charger Using an Inverse SEPIC (Zeta) Topology ) gelesen, die ein 100-W-Ladegerät in der gleichen allgemeinen Richtung vorstellt. Der zentrale Teil des Konverters ist dieser:

Zeta-Konverter in der Microchip-App-Note vorgestelltIch dachte, dass vielleicht, vielleicht, wenn ich die Leistungskomponenten für Spannung und Strom erhöhe und viel mehr parallele Kopien von C1, C7, C8, Q1, Q2 bereitstelle, die Schaltung auf mehrere zehn kW skaliert werden kann. Dann würde es mir mehr Flexibilität geben, da ich mich auf diese Weise nicht um die Eckfälle kümmern muss, die die andere Option hat.

Buck-Topologie-Option

Stattdessen kann ich die Jungs dazu drängen, einen Motor mit einem sehr niedrigen Kv für den Generator auszuwählen (oder einen Transformator danach zu verwenden), damit die Eingangsspannung zum DC-DC-Wandler immer höher ist als die gewünschte Ausgabe. Das erfordert entweder einen Motor mit lächerlich niedrigen Kv oder einen 3-Phasen-Transformator, wenn ich den schlimmsten Fall abdecken möchte: Batteriespannung 120 V, Test bei niedriger Drehzahl. Die Transformatoroptionen sind wahrscheinlich die besten, wenn sie auch mit Bypass-Schützen ausgestattet sind, um auch den Fall einer niedrigen Batteriespannung zu bewältigen (um lächerlich große Eingangs-: Ausgangsspannungsverhältnisse zu vermeiden).

Andere Gedanken

  • Natürlich ist die Option, die Energie des Generators in einem Widerstandsnetz zu verlieren, möglich, wird jedoch als ineffizient angesehen und wird mehr kosten, um die erforderliche Kühlung bereitzustellen
  • Wahrscheinlich ist ein Permanentmagnetgenerator nicht die beste Idee. Wenn ich darüber nachdenke, ist die Verwendung einer Lichtmaschine vielleicht eine fruchtbare Richtung, ich bin mir nicht sicher, warum die Jungs auf PM-Motoren fixiert sind, vielleicht kann ich sie vom Gegenteil überzeugen.
Ich bin gespannt, wer die niedrige Batteriespannung und den hohen Strom definiert hat, der die bevorzugte höhere Impedanz vernachlässigt, die von der Industrie der E-Autos verwendet wird. batteryuniversity.com/learn/article/electric_vehicle_ev
Siehe hier für die bevorzugte P/I-Steigung engineeringtoolbox.com/…
Ja, schlägt mich auch ... aber denken Sie daran, dass dies PM-Maschinen sind und eher auf elektrische Gabelstapler, Karts und dergleichen ausgerichtet sind. Das könnte ein Teil der Antwort sein.
Werden Sie die Batterien neu verdrahten oder nur einen Teil des Stapels verwenden, wenn Sie einen Niederspannungsmotor testen? Wird das nicht zu einem Ungleichgewicht zwischen Ihren Batterien führen?
Wie tief muss man bzgl. Drehzahl/Frequenz gehen? Wenn Sie das Stillstandsdrehmoment des Motors messen möchten, müssen Sie den Generator als Motor verwenden, um ein entgegengesetztes Drehmoment zum MUT zu erzeugen ... Dies gilt wahrscheinlich auch bei niedrigen Drehzahlen

Antworten (3)

Ist die DC-DC-Wandlertopologie (Name einfügen) skalierbar auf (beeindruckende Leistungsstufe einfügen)?

Ja. Okay, nächste Frage.

Oh, Sie meinten einigermaßen skalierbar, nicht wahr?

Das Problem bei den Ćuk-, SEPIC- und Zeta-Wandlern besteht darin, dass sie eine beträchtliche Leistung in den Filterkondensatoren tragen und mehrere Induktivitäten benötigen. Daher skalieren sie möglicherweise nicht so gut wie andere Optionen.

Ein Buck-Boost mit 4 Schaltern sollte besser skalieren als die oben genannten Optionen, da Sie nur eine Induktivität und einen Satz Filterkappen benötigen, auf Kosten von vier Schaltern.

Ich denke, wenn ich Sie wäre, würde ich einen mehrphasigen Buck-Boost mit 4 Schaltern (pro Bank) untersuchen. Ich weiß, wenn ich derjenige wäre, der das steuert, gäbe es einen Mikrocontroller, aber ob Sie das tun oder nach Controller-Chips suchen, die die Arbeit für Sie erledigen, ist eine strategische Entscheidung, die von dem Team abhängt, das Ihnen zur Verfügung steht .

Ja, Sie haben richtig geraten. Vernünftig skalierbar ist es. Und danke für den 4-Schalter-Buck-Boost, ich kannte ihn nicht, scheint ganz gut ins Bild zu passen.

Sicher, der Zeta skaliert nicht allzu gut auf 50 kW. Buck oder Boost würden besser skalieren.

Wenn Sie Ihre Gleichstrommotoren aufladen und Energie recyceln möchten, haben Sie dann eine Feldwicklungsmaschine in Betracht gezogen? Dies könnte ein anderer Gabelstaplermotor oder vielleicht eine Lichtmaschine sein. Bei diesem Ansatz beträgt die zu regelnde Leistung nur einen Bruchteil von 50 kW.

Ja, wie in der Frage angegeben, werde ich die Jungs auffordern, eine Lichtmaschine zu verwenden, wenn es möglich ist, eine zu bauen.

Rahmenherausforderung: Ein 50-kW-Test, der 1 Minute dauert, verbraucht weniger als 1 kWh oder etwa 15 Cent Strom.

Wie viele dieser Tests werden Sie durchführen?

Bevor Sie sich für etwas Komplexeres als eine ohmsche Last entscheiden, wie viele Tests sind erforderlich, um die Kosten eines Rekuperators zu amortisieren?

BEARBEITEN: Stellen Sie die Widerstandsbank zur Kühlung im Sommer im Freien auf.

Dies setzt voraus, dass die Blei-Säure-Bank immer noch für Stromversorgungstests verwendet wird; wenn zwischen den Tests viel Zeit vergeht, kann es relativ langsam aufgeladen werden; 1kW würde ausreichen, wenn der Auf-/Abbau eine Stunde dauern würde. (Ich würde mir LiFePO4 heutzutage wegen seiner viel besseren Lebensdauer und seiner derzeit niedrigen und sinkenden Kosten ansehen.)

Alternativ kann bei einem Wechselstromausgang vom Generator, der höher als die Batteriespannung ist, die Regeneration einfach sein, nur ein 3-Phasen-Gleichrichter und ein Widerstand (Bank) zum Steuern (Anpassen) des Ladestroms.

Wenn eine Spannungsanhebung erforderlich ist, gibt es andere Möglichkeiten, dies zu erreichen; entweder ein Transformator zwischen Generator und Gleichrichter oder ein Schaltgetriebe zwischen Motor und Generator.

Dann müssten Sie einen guten AC / DC-Wandler mit einer Leistung von 50 kW finden, und diese sind viel teurer als 50-kW-DC / DC-Wandler (ich glaube, weil AC / DC normalerweise isoliert ist).
Ah, ich dachte aus der Frage, Sie haben den 50-kW-Test mit Blei-Säure-Batterien betrieben, die mit viel geringerer Leistung aufgeladen werden können (z. B. 1 kW, wenn die Einrichtung jedes Tests eine Stunde dauert). Ein 1-kW-Ladegerät kostet nicht viel.
Ist die Zeta-DC/DC-Wandlertopologie auf 50 kW / Hunderte von Ampere skalierbar?
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