Un nuevo convertidor de integración magnética de alta eficiencia con bajo rizado y alta respuesta dinámica para los sistemas de suministro de energía híbridos de aeronaves totalmente eléctricas
Autores: Chen, Li; Gao, Haifeng; Shen, Fengjie; Zhang, Yiyi; Qiu, Liangjie; Wang, Lei
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2024
Acceso abierto
Artículo científico
2024
Un nuevo convertidor de integración magnética de alta eficiencia con bajo rizado y alta respuesta dinámica para los sistemas de suministro de energía híbridos de aeronaves totalmente eléctricas
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Aeroespacial
Palabras clave
Mejora continua
Densidad de energía de baterías
Densidad de potencia de convertidores
Aeronaves totalmente eléctricas
Sistemas de suministro de energía híbridos
Equipos eléctricos aéreos
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 29
Citaciones: Sin citaciones
Con la mejora continua de la densidad de energía de las baterías y la densidad de potencia de los convertidores, así como la miniaturización y el aligeramiento de los equipos eléctricos aéreos relacionados, los aviones totalmente eléctricos con sistemas de suministro de energía híbridos ofrecen más espacio y posibilidades de compensación para el diseño de futuros aviones. Es indispensable buscar una topología más valiosa y aplicarla al suministro de energía a bordo. Este artículo propone un convertidor DC-DC unidireccional de alto rendimiento adecuado para la conexión entre unidades de bajo voltaje y buses de alto voltaje, que consiste en unidades de inductor acoplado conmutado magnético intercaladas y unidades de condensador conmutado mejoradas. Este artículo primero analiza las características de funcionamiento en estado estacionario bajo diferentes modos; la nueva topología tiene una mayor ganancia de voltaje y menor estrés. En segundo lugar, en respuesta a los desafíos de alta eficiencia y alta densidad de potencia, proponemos un método de diseño de integración magnética y un esquema experimental integral basado en la estructura de núcleo magnético tipo EIE. Esto integra con éxito múltiples inductores discretos en un solo núcleo magnético. Además, basándose en la consideración integral del estado estacionario, el rendimiento transitorio y la densidad de potencia, se resumen los criterios de diseño generales para un inductor acoplado conmutado de alto rendimiento a través del modelo matemático equivalente de acoplamiento de flujo inverso. Adicionalmente, al ajustar el coeficiente de acoplamiento, el convertidor puede lograr conmutación a voltaje cero bajo condiciones de carga ligera, demostrando versatilidad y escalabilidad y satisfaciendo mejor los requisitos de aplicación de los aviones eléctricos. El prototipo propuesto puede proporcionar una ganancia de voltaje en el rango de 12-22 veces la ganancia de voltaje de entrada al variar el voltaje de entrada de una celda de combustible de 12-24 V. El rendimiento integral del convertidor, incluyendo estado estacionario, transitorio y eficiencia, fue probado bajo 0.5 y 0.5. Los resultados experimentales muestran que el convertidor propuesto posee ventajas como alta ganancia y bajo estrés, una alta respuesta dinámica y bajo rizado, así como alta eficiencia y alta densidad de potencia, lo que puede proporcionar una solución de convertidor DC-DC más ventajosa para sistemas de suministro de energía híbridos aéreos.
Descripción
Con la mejora continua de la densidad de energía de las baterías y la densidad de potencia de los convertidores, así como la miniaturización y el aligeramiento de los equipos eléctricos aéreos relacionados, los aviones totalmente eléctricos con sistemas de suministro de energía híbridos ofrecen más espacio y posibilidades de compensación para el diseño de futuros aviones. Es indispensable buscar una topología más valiosa y aplicarla al suministro de energía a bordo. Este artículo propone un convertidor DC-DC unidireccional de alto rendimiento adecuado para la conexión entre unidades de bajo voltaje y buses de alto voltaje, que consiste en unidades de inductor acoplado conmutado magnético intercaladas y unidades de condensador conmutado mejoradas. Este artículo primero analiza las características de funcionamiento en estado estacionario bajo diferentes modos; la nueva topología tiene una mayor ganancia de voltaje y menor estrés. En segundo lugar, en respuesta a los desafíos de alta eficiencia y alta densidad de potencia, proponemos un método de diseño de integración magnética y un esquema experimental integral basado en la estructura de núcleo magnético tipo EIE. Esto integra con éxito múltiples inductores discretos en un solo núcleo magnético. Además, basándose en la consideración integral del estado estacionario, el rendimiento transitorio y la densidad de potencia, se resumen los criterios de diseño generales para un inductor acoplado conmutado de alto rendimiento a través del modelo matemático equivalente de acoplamiento de flujo inverso. Adicionalmente, al ajustar el coeficiente de acoplamiento, el convertidor puede lograr conmutación a voltaje cero bajo condiciones de carga ligera, demostrando versatilidad y escalabilidad y satisfaciendo mejor los requisitos de aplicación de los aviones eléctricos. El prototipo propuesto puede proporcionar una ganancia de voltaje en el rango de 12-22 veces la ganancia de voltaje de entrada al variar el voltaje de entrada de una celda de combustible de 12-24 V. El rendimiento integral del convertidor, incluyendo estado estacionario, transitorio y eficiencia, fue probado bajo 0.5 y 0.5. Los resultados experimentales muestran que el convertidor propuesto posee ventajas como alta ganancia y bajo estrés, una alta respuesta dinámica y bajo rizado, así como alta eficiencia y alta densidad de potencia, lo que puede proporcionar una solución de convertidor DC-DC más ventajosa para sistemas de suministro de energía híbridos aéreos.