Annons

Kraft i båda riktningarna

Systemkonstruktörer betraktar för det mesta kraftflöden i endast en riktning: från källan till krafthanteringsblock till last. Vissa typer av system har dock krafthanteringsblock som klarar av dubbelriktade kraftflöden.

Ett exempel är vid laddnings-/urladdningstest av batterier för fordon och andra transporttillämpningar. I det fallet omvandlas energi från en 48 V distributionsbuss till 12 V för batteriladdning. Ett typiskt system bekräftar batteriets prestanda genom att ladda ur den utrustning som testas via motståndsbanker nedströms. Den lagrade energin frigörs som värme vid testet, vilket kräver ytterligare energi för kylning. Ett reversibelt kraftsystem kan dock återföra energin tillbaka till 48 V matningen, vilket undviker behovet av banker av motståndslaster,  nedströms.
En konstruktion kan implementera sådan omvandling via ett par antiparallella kraftomvandlare, så som visas i denna figur:

Traditionella reservbatterisystem utnyttjar antiparallella par av kraftomvandlare som ger spänningstransformering och –reglering i ett steg.

Dessa kraftomvandlare ger både 1:4 (step-down) och även 4:1 (step-up) spänningstransformering och -reglering. Traditionella arkitekturer måste bibehålla hög verkningsgrad vid förhöjda kraftnivåer och går inte att skala upp för omvandling vid höga spänningsförhållanden.

Omvandling på annat sätt

I en alternativ arkitektur separeras funktionerna för spänningstransformering och -reglering och spänningstransformeringsblocket körs dubbelriktat (Referens [1]). En VTM-baserad strömmultiplicerande modul implementerar exempelvis en sinusvågomvandlare, som ger mycket effektiv dubbelriktad spänningstransformering. Här visas principen:

En alternativ arkitektur separerar funktionerna för spänningstransformering och –reglering, förbättrar verkningsgraden och är skalbar över ett brett område av spänningsförhållanden.

Ett antiparallellt par av PRM-regulatormoduler utnyttjar en nollspänningsswitchad (ZVS, zero-voltage switching) buck-/boost-topologi som tillser noggrann spänning över såväl bussen som batteriet under batteriets laddnings-/urladdningscykel.
En prototypimplementering av denna arkitektur ger 300 W för batteriladdningsvägen och 1 500 W för bussdriftsvägen. Mätningar utförda med prototypen visar på toppverkningsgrader för de två vägarna på 92,9 procent respektive 93,6 procent. Arkitekturen kan skalas upp för att stödja reservbatterier till de 380 VDC-bussar som utnyttjas i nya datacentraler. Tillsammans med hög verkningsgrad i drift gör skalbarheten också att reversibla kraftarkitekturer är attraktiva för en rad olika tillämpningar som utnyttjar lokal energilagring.
       
Militär kraft
Ett extremt exempel är den självgående 155 mm bandvagnen Howitzer M109 som uppgraderats med A6 Paladin PIM.

I A6-uppgraderingen av M109 Howitzer har den ursprungliga hydrauliken ersatts av 600 V elmotorer som inkluderar en 11 kW dubbelriktad 600 V / 28 V kraftomvandlare. (Bild från USAs armé)

Vid uppgraderingen har hydrauliken för vinkel- och höjddrift ersatts av elmotorer. Den huvudsakliga energikällan är en dieselmotor på 600 hästkrafter, som kraftmatar drivbanden och en 70 kW 600 VDC startgenerator (Referens [2]). 600 VDC-bussen kraftmatar systemen för målriktning och vapenladdning.
En 11 kW dubbelriktad 600 V / 28 V kraftomvandlare driver M109A6s sofistikerade kommunikations- och målberäkningssystem samt en inbyggd batteribank. Underhållet och antalet reservdelar minskar genom att de ursprungliga hydrauliska systemen ersatts av elmotorer. Det har också blivit möjligt att snabbt reparera fordonet i fält utan att ta det till en servicestation.
Den dubbelriktade kraftomvandlaren möjliggör för den lågspänningsbaserade batteribanken att backa upp högspänningsbussen. Det utesluter behovet av högspänningsbaserad energilagring, vilket skulle kunna vara riskabelt vid underhållsarbete i fält. Om en M109A6a skulle behöva kickstartas i fält kan ett servicefordon med tillgång till 24 – 28 V tjäna som startkälla med vanliga lågspänningskablar. Det behövs ingen reservkraftkälla på 600 V.

Kraft att lyfta jorden
Tillverkare av annan utrustning, exempelvis grävmaskiner, har omarbetat sina systemkonstruktioner för att göra dem mer energieffektiva, och det med god anledning: Mindre än 14 procent av den totala energin i det dieselbränsle som en typisk maskin förbränner går till att utföra nyttigt arbete. Det framgår av denna tabell som visar energibudgeten för en hydraulisk grävmaskin (källa: Komatsu):

Kraft på drivaxeln                          37,6 procent
(Varav effektiv cylinderutmatning 13,3 procent, tröghetsförluster 6,3,  hydraliska förluster 12,8 procent och tillbehör 5,2 procent)
Avgasförluster  
                             39,5 procent
Kylförluster                          
          22,9 procent
Total energi utvunnen ur bränslet 100 procent

I likhet med fordonsindustrin utnyttjas nu olika hybridkraftarrangemang för tung utrustning. Konstruktionerna övergår från hydraulik till elmotorer, drivna av en diesel-elektrisk generator med kapacitet på cirka 100 kW.

Med övergången till elmotorer kan dessa maskiner exempelvis bromsa grävarmen med hjälp av energi som återvunnits på liknande sätt som vid inbromsningen av ett hybridfordon. Återvunnen energi lagras i högspänningsbaserade ultrakondensatorstackar, som klarar snabb laddnings-/urladdningshastighet vid hög ström och ger lång cykellivslängd.

Hjälpsystem
En tredje besparingstyp härrör ur drift av hjälpsystem, exempelvis luftkonditionering i flygplanskabiner. Dessa drivs också med elkraft, vilket möjliggör för operatörer att stänga av dieselmotorn istället för att den går på tomgång.
En dubbelriktad reservkraftomvandlare på 2,4 kW 800 V / 24 V möjliggör energihanteringsstrategier som överbryggar gapet mellan låg och hög spänning.
Komatsu har exempelvis rapporterat att företagets hybrid-grävmaskin HB215LC-1 förbättrat den andel bränsle som går till nyttigt arbete med mellan 13,3 och 17,7 procent jämfört med motsvarande traditionella hydrauliska maskiner. Därmed förbrukar HB215LC-1 totalt sett 25 procents  mindre bränsle, vilket också leder till att koldioxidutsläppen minskar med samma procentsats.

Referenser:
[1]. Yu, Xiaoyan, Battery backup systems, applikationsnot, Vicor.
[2]. Have guns, will upgrade: The M109A6 Paladin PIM self-propelled Howitzer, Defense Industry Daily, 31 oktober 2013.

Comments are closed.