New Double Input DC-DC Converters f

New Double Input DC-DC Converters for Automotive
Applications
Krishna P. Yalamanchili, Mehdi Fcrdow si. Member. IEEE, and Keith Corzinq, Member, IEEE
Power Electronics and Motor Drives Laboratory
University of Missouri-Rolla; Rolla, MO 65409, USA
Email: [e-mail]. [e-mail]. and [e-mail]
Abstract - The energy storage unit is one of the most important subsystems in the structure of hybrid electric vehicles since it directly impacts the performance, fuel economy, cost, and weight of the vehicle. New structures for the energy storage unit, which utilize both batteries and ultracapacitors, are widely under investigation. In order to fully utilize the advantages of each energy storage device, employment of multi-input power converters is inevitable. In this paper, two new double input converters are introduced. Their different operating modes are analyzed and their voltage transfer ratios are derived. Simulation results are used to verify the expected operational characteristics.

Index Terms -Energy storage unit, double input converter.

I. Introduction
Ultracapacitors have been proposed to be utilized in the electrical distribution system of conventional and hybrid vehicles to serve applications like local energy cache, voltage smoothing, pseudo 42V architecture, and service life of batteries extension. However, the high specific power of ultracapacitors is the major reason of them being used as intennediate energy storage unit during acceleration, hill climbing, and regenerative braking. Even though purely ultracapacitor hybrid and electric vehicles have been reported, an energy storage unit comprising both batteries and ultracapacitor seem to be the promising choice for the future vehicles [1], The basic idea is to realize advantages of both batteries and ultracapacitors while keeping the weight of the entire energy storage unit minimized through an appropriate matching [2],
Several structures for combining batteries and ultracapacitors have been introduced in the literature [3], Multi-input power electronic converters are the best promising choices to fully utilize the advantages of batteries and ultracapacitors. As the name suggests, a multi-input converter is a power converter which accoimnodates inputs of more than one energy source and provides at least one output [4], These converters can be employed in various applications such as residential, aerospace, automotive, portable electronics where there is the advantage of using more than one energy source or energy storage device [5], By diversifying the energy sources, each source can be utilized more efficiently. Furthennore, the reliability of the overall system increases.
Several multi-input converters have been reported in the literature. A general multi-input converter, which only utilizes one inductor, has been reported in [6], Characteristic and properties of multi-input converters are presented in [7],
Applications of multi-input converters in hybrid vehicles are presented in [8-10], A double input converter which is the integration of a buck with a buckboost converter has been reported in [11],
In this paper, two new double input dc-dc converters are introduced. They both have small part count and the concept can further be generalized to more than two inputs sources. Bidirectional power flow is also achievable. These two topologies as well as their different operating modes and typical wavefonns along with simulation results are presented in Sections II through V. Section VI deals with the various applications of these converters highlighting a practical application. Section VII draws conclusions and presents and overall evaluation of the new double input converters.

II. Integrated Buck-Buckboost Converter
The circuit diagram of integrated buck-buckboost converter consisting two input voltage sources high voltage source Iand low voltage source I A and output voltage VQ is shown in Fig. 1 [11], Input sources can be batteries, ultracapacitors, or any other dc source of power. When the power MOSFETs A/, andAT are turned off, diodes /A, and D2 will provide the path for the inductor current to flow continuously. Through the operation of the power switches A/, and AT. the converter is able to draw power from the two sources simultaneously or singly.

Fig. 1 Circuit diagram of integrated buck-buckboost converter.

It can be easily observed that if transistor AT is off for the entire switching period, i.e. when input source Iis the only source of power, the converter operates like a conventional buck converter. Similarly, if transistor AI} is off for the entire switching period, i.e. when input source IA is operating alone.the converter operates like a conventional buckboost converter. This discussion leads to the necessary conclusion that for single use of Isource, its voltage level has to be greater the output voltage. Different inodes of operation of this integrated buck-buckboost converter is presented in [11] and the voltage transfer ratio is derived as

V = 6/| * V + * V m
V O -j .A• 1 i * l1)
1 -Ur, 1 -Clr,

III. Integrated Buck-Buck Converter
The circuit diagram of the new integrated buck-buck converter is depicted in Fig. 2. This new topology is obtained by extending the same concept to two bulk converters. It is possible to run the input sources simultaneously or individually.

Fig. 2 Integrated buck-buck converter.

Four different modes of operation based on the status of the switches are depicted in Fig. 3 and described as follows:
Mode I {Mi on / Mf off): Due to the conduction of Mh diode Di is reverse biased and treated as an open circuit and diode D2 provides a bypass path for inductor current In this mode, I'/ provides energy to inductor L and the load.
Mode II {Mf. off / M2: on): In this mode diode I); conducts while diode D2 is off. Voltage source V2 energizes inductor L and also provides the power to the load.
Mode III {Mf. off I Mf. off): Diodes /.I, and D2 provide the current path for the inductor current. Both of voltage sources l 'i and V2 are disconnected from the double input converter. The magnetic energy stored in L is being released to the load.
Mode IV {Mf on / M< on): M] and M2 are on which results in Dt and D2 being reverse biased. Voltage sources I and V2 are connected in series to energize inductor L and provide the demanded power for the load.
If each source operates singly, the power conversion mechanism is similar to conventional buck converter. The gate signals depicted in Fig. 4 are considered to derive the voltage transfer function. The selected switching pattern covers all four operating modes; hence, the results are valid for any arrangements in the switching pattern. Using Table I andDiodes /.l, and D2 are freewheeling diodes and provide the path for the inductor current to flow continuously. Integrated buckboost-buckboost converter is able to draw power from each source individually with or without the residual inductor energy supplemented by the other source. Three different modes of operation based on the conduction status of the switches and diodes are depicted in Fig. 7 and are described as follows:

























































By interchanging the switches and diodes and connecting them in reverse, the converter operates as a single input multi output converter. Also, bi-directional current flow can be achieved by replacing each switch and diode with anti parallel pair of a switch and a diode.

V. Simulation Results
Integrated buck-buck converter and integrated buckboost- buckboost converter are modeled using ACSL software. Both the converters using the parameters c/,=0.5.

ผลลัพธ์ (ไทย) 1:

คู่ใหม่ใส่ตัวแปลง DC-DC สำหรับรถยนต์โปรแกรมประยุกต์กฤษณะ P. Yalamanchili, Mehdi Fcrdow ศรี สมาชิก IEEE IEEE และคีธ Corzinq สมาชิกอิเล็กทรอนิกส์กำลังและปฏิบัติการมอเตอร์ไดรฟ์มหาวิทยาลัยของมิสซูรี-Rolla Rolla, MO 65409 สหรัฐอเมริกาอีเมล์: [e-mail] [e-mail] และ [e-mail]บทคัดย่อ - หน่วยเก็บพลังงานเป็นระบบย่อยที่สำคัญในโครงสร้างของยานพาหนะไฟฟ้าไฮบริดเนื่องจากมันโดยตรงส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพการทำงาน ประหยัด ต้นทุน และน้ำหนักของยานพาหนะ โครงสร้างใหม่สำหรับหน่วยจัดเก็บพลังงาน การใช้แบตเตอรี่และ ultracapacitors ได้อย่างกว้างขวางภายใต้การตรวจสอบ การใช้ข้อดีของแต่ละอุปกรณ์จัดเก็บพลังงานเต็ม จ้างแปลงหลายอินพุตจะหลีกเลี่ยง ในเอกสารนี้ มีนำสองใหม่แปลงเข้าคู่ ลักษณะของวิธีปฏิบัติต่าง ๆ และอัตราส่วนของแรงดันโอนย้ายมา ผลการทดลองใช้เพื่อตรวจสอบลักษณะการดำเนินงานที่คาดไว้ดัชนีเงื่อนไข-พลังงานเก็บหน่วย ตัวแปลงสัญญาณคู่I. บทนำUltracapacitors ได้รับการเสนอเพื่อนำไปใช้ในระบบจำหน่ายไฟฟ้าของทั่วไป และยานพาหนะไฮบริดเพื่อใช้งานเช่นพลังงานท้องถิ่นแค แรงดันไฟฟ้าราบเรียบ สถาปัตยกรรม 42V หลอก และอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ต่อ อย่างไรก็ตาม ultracapacitors เฉพาะอำนาจสูงเป็นเหตุผลหลักของพวกเขาที่ใช้เป็นหน่วยเก็บพลังงาน intennediate ระหว่างเร่ง ปีนเขา และสำหรับเบรค แม้มีรายงานเพียงอย่างเดียว ultracapacitor ไฮบริดและยานพาหนะไฟฟ้า หน่วยจัดเก็บพลังงานแบตเตอรี่และ ultracapacitor ดูเหมือนจะ เลือกกำหนดการสำหรับยานพาหนะในอนาคต [1], ความคิดพื้นฐานคือการ ตระหนักถึงประโยชน์ของแบตเตอรี่และ ultracapacitors ขณะที่รักษาน้ำหนักของหน่วยจัดเก็บพลังงานทั้งหมดที่ย่อผ่านการที่เหมาะสมตรงกัน [2],โครงสร้างต่าง ๆ สำหรับรวมแบตเตอรี่และ ultracapacitors ได้รับการแนะนำในวรรณคดี [3] แปลงอิเล็กทรอนิกส์หลายอินพุตมีสัญญาส่วนตัวอย่างแท้จริงข้อดีของแบตเตอรี่และ ultracapacitors เป็นชื่อแนะนำ ตัวแปลงสัญญาณหลายเป็นตัวแปลงไฟฟ้าอินพุตใด accoimnodates ของแหล่งพลังงานมากกว่าหนึ่ง และให้ผลผลิตน้อย [4] ตัวแปลงเหล่านี้สามารถทำงานในโปรแกรมประยุกต์ต่าง ๆ เช่นที่อยู่อาศัย บิน ยานยนต์ แบบพกพาอิเล็กทรอนิกส์มีประโยชน์ของการใช้มากกว่าหนึ่งแหล่งพลังงานหรืออุปกรณ์จัดเก็บพลังงาน [5], โดยการกระจายแหล่งพลังงาน สามารถใช้แต่ละแหล่งมีประสิทธิภาพมากขึ้น Furthennore เพิ่มความน่าเชื่อถือของระบบโดยรวมตัวแปลงสัญญาณหลายหลายถูกรายงานในวรรณคดี ตัวทั่วไปสำหรับการป้อนค่าหลายแปลง ที่เพียง ใช้มือหนึ่ง มีการรายงานใน [6], มีแสดงลักษณะและคุณสมบัติของตัวแปลงสัญญาณหลายใน [7], โปรแกรมประยุกต์ของตัวแปลงสัญญาณหลายในรถยนต์ไฮบริจะแสดง [8-10], ตัวแปลงสัญญาณคู่ซึ่งเป็นการรวมบัคกับแปลง buckboost ได้รายงานใน [11],สองแปลงคู่สัญญาณ dc-dc ที่ใหม่แนะนำในเอกสารนี้ พวกเขาทั้งสองมีส่วนเล็ก ๆ จำนวน และแนวคิดเพิ่มเติมสามารถตั้งค่าทั่วไปจะมากกว่าสองแหล่งอินพุต แบบสองทิศทางกระแสไฟฟ้าก็ทำได้ โทสองเหล่านี้เป็นความแตกต่างการทำงานโหมดและ wavefonns ทั่วไป ด้วยการจำลองผลลัพธ์จะแสดงในส่วน II ผ่านตกลง V. ส่วน VI กับโปรแกรมประยุกต์ต่าง ๆ ของตัวแปลงเหล่านี้เน้นการประยุกต์ในทางปฏิบัติ ส่วน VII วาด และนำเสนอ และการประเมินโดยรวมของตัวแปลงสัญญาณของคู่ใหม่ครั้งที่สองรวมบัค Buckboost แปลงไดอะแกรมวงจรแปลงรวมบัค-buckboost ประกอบด้วยสองแรงดันอินพุตแหล่งแรงดันสูงแหล่งแหล่งแรงดันต่ำ Iand ฉัน A และแรงดันไฟออกแรมโลว์จะแสดงใน Fig. 1 [11], แหล่งป้อนสามารถแบตเตอรี่ ultracapacitors หรือใด ๆ อื่น ๆ dc แหล่งของพลังงาน เมื่อ MOSFETs ไฟฟ้า A /, andAT ปิด ไดโอดได้ /A และ D2 จะให้เส้นทางสำหรับมือปัจจุบันการไหลอย่างต่อเนื่อง ผ่านการทำงานของไฟสลับ A /, และ AT ตัวแปลงจะสามารถดึงพลังจากแหล่ง 2 แหล่งพร้อมกัน หรือโดดเดี่ยวแผนภูมิวงจร fig. 1 แปลงรวมบัค-buckboostมันจะได้สังเกตได้จากที่ว่าทรานซิสเตอร์ที่ปิดสำหรับรอบระยะเวลาการเปลี่ยนทั้งหมด เช่นเมื่อป้อนแหล่งที่มาแหล่งเดียวของพลังงาน การแปลงทำงานเหมือนตัวธรรมดาบัคแปลง Iis ในทำนองเดียวกัน ถ้าทรานซิสเตอร์ AI } จะปิดทั้งเปลี่ยนรอบระยะเวลา เช่นเมื่อป้อนแหล่ง IA ทำงานแปลง alone.the ที่ทำงานเหมือนตัวแปลง buckboost ธรรมดา สนทนานี้นำไปสู่ข้อสรุปที่จำเป็นที่ใช้ Isource เดียว ระดับแรงดันมีให้มากกว่าอัตราแรงดันออก Inodes แตกต่างการแปลงรวมบัค-buckboost นี้จะนำเสนอใน [11] และอัตราการถ่ายโอนแรงดันไฟฟ้าที่ได้รับมาเป็นV = 6 / | * V + * V mV O -เจ A• 1 ฉัน * l1)1 - คุณ 1 - ClrIII. รวมบัคบัคแปลงเป็นแสดงไดอะแกรมวงจรแปลงบัคบัครวมใหม่ใน Fig. 2 โทโพโลยีใหม่นี้จะได้รับ โดยการขยายแนวความคิดเดียวกันกับสองแปลงจำนวนมาก สามารถเรียกใช้แหล่งรับสัญญาณพร้อมกัน หรือแยกกันได้Fig. 2 รวมแปลงบัคบัครูปแบบต่าง ๆ 4 ดำเนินงานตามสถานะของสวิตช์ที่แสดงใน Fig. 3 และอธิบายได้ดังนี้:โหมดฉัน { Mi บน/Mf ปิด): เนื่องจากนำของ Mh ไดโอดดีกลับลำเอียง และถือว่าเป็นการเปิดวงจร และไดโอด D2 มีเส้นทางบายพาสสำหรับมือปัจจุบันในโหมดนี้ ฉัน ' / ให้พลังงานมือ L และโหลดโหมดที่สอง { Mf ปิด/M2: บน): ในไดโอดโหมดนี้ฉัน); ดำเนินการในขณะที่ไดโอด D2 จะออก แรงดันแหล่ง V2 energizes มือ L และยัง มีอำนาจที่จะโหลดMode III {Mf. off I Mf. off): Diodes /.I, and D2 provide the current path for the inductor current. Both of voltage sources l 'i and V2 are disconnected from the double input converter. The magnetic energy stored in L is being released to the load.Mode IV {Mf on / M< on): M] and M2 are on which results in Dt and D2 being reverse biased. Voltage sources I and V2 are connected in series to energize inductor L and provide the demanded power for the load.If each source operates singly, the power conversion mechanism is similar to conventional buck converter. The gate signals depicted in Fig. 4 are considered to derive the voltage transfer function. The selected switching pattern covers all four operating modes; hence, the results are valid for any arrangements in the switching pattern. Using Table I andDiodes /.l, and D2 are freewheeling diodes and provide the path for the inductor current to flow continuously. Integrated buckboost-buckboost converter is able to draw power from each source individually with or without the residual inductor energy supplemented by the other source. Three different modes of operation based on the conduction status of the switches and diodes are depicted in Fig. 7 and are described as follows:By interchanging the switches and diodes and connecting them in reverse, the converter operates as a single input multi output converter. Also, bi-directional current flow can be achieved by replacing each switch and diode with anti parallel pair of a switch and a diode.V. Simulation ResultsIntegrated buck-buck converter and integrated buckboost- buckboost converter are modeled using ACSL software. Both the converters using the parameters c/,=0.5. Reference[1] R. M. Schupbach, J. C. Baida, M. Zolot, B. Kramer, “Design methodology of a combined battery-ultracapacitor energy storage unit for vehicle power management,” 34th Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference, vol. 1, pp. 88-93, 15-19 Jun. 2003.[2] R. M. Schupbach, J. C. Baida, “The role of ultracapacitors in an energy storage unit for vehicle power management, ” 58th IEEE Vehicular Technology Conference, vol. 5, pp. 3236-3240, 6-9 Oct. 2003.[3] P. Barrade, S. Pittet, and A. Rufel, “Energy storage system using a series connection of supercapacitors, with an active device for equalizing the voltages f Int. Power Electronics Conf, Tokyo, Japan, 2000.[4] K. P. Yalamanehili and M. Ferdowsi, “Review of multiple input dc-dc converters for electric and hybrid vehicles,” IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference, pp. 552-555, 07-09 Sept. 2005.[5] B. Ozpineci, L. M. Tolbert, Zhong Du, “Multiple input converters for fuel cells, ” 39th Industry Applications Conference, vol. 2, pp. 791-797, 3-7 Oct. 2004.[6] B. G. Dobbs and P. L. Chapman, “A multiple-input dc-dc converter topology,” IEEE Power Electronics Letters, vol. 1, pp. 6-9, Mar. 2003.[7] H. Matsuo, W. Lin, F. Kurokawa, T. Shigemizu, and N. Watanabe, “Characteristics of the multiple-input dc-dc converter,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 51, no. 3, pp. 625-631, June 2004.[8] A. C. Baisden, A. Emadi, “ADVISOR-based model of a battery and an ultra-capacitor energy source for hybrid electric vehicles,” IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 53, Issue. 1, pp. 199-205, Jan. 2004.[9] A. Di Napoli, F. Crescimbini, S. Rodo, and L. Solero, “Multiple input dc- dc power converter for fuel-cell powered hybrid vehicles,” 3

ผลลัพธ์ (ไทย) 3:

คู่ใหม่ใส่ตัวแปลงสำหรับการใช้งานยานยนต์
-
กฤษณะหน้าความสามารถในการประมวลผล fcrdow เมห์ , ซื่อ สมาชิก IEEE และคีธ corzinq , สมาชิก , IEEE
อิเล็กทรอนิกส์และมอเตอร์ไดรฟ์ห้องปฏิบัติการ
มหาวิทยาลัย Rolla Missouri ; โรลล่า โม 65409 USA
อีเมล์ : [e-mail] . [e-mail] . [e-mail]
และนามธรรม - หน่วยเก็บพลังงานเป็นหนึ่งในส่วนประกอบที่สำคัญที่สุดในโครงสร้างของยานพาหนะไฟฟ้าไฮบริด เนื่องจากผลกระทบโดยตรงต่อประสิทธิภาพ เศรษฐกิจ ต้นทุนเชื้อเพลิงและน้ำหนักของรถ โครงสร้างใหม่สำหรับหน่วยเก็บพลังงานที่ใช้ทั้งแบตเตอรี่และ ultracapacitors เป็นอย่างกว้างขวางภายใต้การสอบสวนเพื่อที่จะใช้ประโยชน์อย่างเต็มที่ข้อดีของแต่ละพลังงานที่เก็บอุปกรณ์การจ้างงานหลายสัญญาณตัวแปลงเป็นสิ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ ในกระดาษนี้ สองแปลงดับเบิลอินพุตใหม่แนะนำ โหมดการดำเนินงานที่แตกต่างกันของพวกเขาจะวิเคราะห์และอัตราส่วนของแรงดัน การจะได้เป็น ผลการตรวจสอบ คาดว่าจะใช้งานคุณลักษณะ .

เงื่อนไข - ดัชนีหน่วยเก็บพลังงาน แปลงใส่คู่

.
ultracapacitors เบื้องต้นมีการเสนอให้ใช้ในระบบจำหน่ายไฟฟ้าของธรรมดาและไฮบริดคัน เพื่อให้บริการโปรแกรมประยุกต์เช่นแคชท้องถิ่นพลังงาน แรงดันให้เรียบ , สถาปัตยกรรม 42v เทียม และอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ขยาย อย่างไรก็ตามโดยเฉพาะอำนาจสูง ultracapacitors เป็นสาเหตุหลักของพวกเขาถูกใช้เป็นพลังงานทด intennediate หน่วยในระหว่างการปีนฮิลล์และ Regenerative braking . แม้ว่าหมดจด ultracapacitor ไฮบริดและยานพาหนะไฟฟ้า ได้รับรายงาน การจัดเก็บพลังงานหน่วย ประกอบด้วย ทั้งแบตเตอรี่ และ ultracapacitor ดูเหมือนจะเป็นทางเลือกที่สดใสสำหรับอนาคตรถยนต์ [ 1 ]แนวคิดพื้นฐานคือการตระหนักถึงข้อดีของแบตเตอรี่และ ultracapacitors ในขณะที่รักษาน้ำหนักของทั้งหมดเก็บพลังงานหน่วยลดลงผ่านการจับคู่ที่เหมาะสม [ 2 ] ,
โครงสร้างหลายประการรวมแบตเตอรี่และ ultracapacitors ได้รับการแนะนำในวรรณคดี [ 3 ]