In this paper, in-situ heat cooling with temperature monitoring is reported to solve thermal issues in electric vehicle (EV) batteries. The device consists of a thick graphene cooler on top of the substrate and a platinum-based resistive temperature sensor with an embedded heater above the graphene. The graphene layer is synthesized by using chemical vapor deposition directly on the Ni layer above the Si substrate. The proposed thick graphene heat cooler does not use transfer technology, which involves many process steps and does not provide a high yield. This method also reduces the mechanical damage of the graphene and uses only one photomask. Using this structure, temperature detection and cooling are conducted simultaneously using one device. The temperature coefficient of resistance (TCR) of a $1{\times}1mm^2$ temperature sensor on 1-$\grave{i}m$-thick graphene is $1.573{\times}10^3ppm/^{\circ}C$. The heat source cools down $7.3^{\circ}C$ from $54.4^{\circ}C$ to $47.1^{\circ}C$.
This study investigates a bidirectional quasi-Z-source inverter (Bq-ZSI) system with bidirectional power transfer capability and a modified space vector modulation scheme for reducing the ripple of the inductor current. By replacing the diode in the impedance network with an active switch, the power flow can be bidirectional. The average inductor current of the Bq-ZSI network is negative in the regenerative braking mode, thereby regenerating the power. In addition, modified space vector modulation scheme is applied to the Bq-ZSI to control shoot-through time effectively. A 5 kW prototype is built and tested to implement the proposed system. Experimental results show that the Bq-ZSI system is capable of regenerative braking of the induction motor and that the modified space vector modulation method is efficient.
Ameri, Mohammad Hassan;Varjani, Ali Yazdian;Mohamadian, Mustafa
Journal of Power Electronics
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제16권6호
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pp.2202-2211
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2016
In certain applications, such as IPT-based EV charger (IPTEC), any variation in alignment and distance between pickup and charger primary leads to a change in leakage and magnetic impedance magnitudes. The power transmission capacity is not always at the maximum level because of these variations. This study proposes a new low-cost tracking method that achieves the Maximum Inductive Power Transmission Capacity (MIPTC). Furthermore, in the proposed method, the exchange of information between load and source is not required. For an application such as IPTEC, the load detected by the IPTEC varies continuously with time because of the change in state of the charge. This load variation causes a significant variation in IPT resonant circuit voltage gain. However, the optimized charging output voltage should be kept constant. From the analysis of the behavior of the IPT circuit at different working frequencies and load conditions, a MIPTC operation point that is independent of load condition can be identified. Finally, the experimental results of a developed prototype IPT circuit test show the performance of the proposed method.
The battery powered electric vehicle (EV) is one of most promising technologies in 21st century. Though the lithium batteries are playing an important role in the EVs, they are only applicable until their capacities reach 80%, the end of its useful first life. Yet, these batteries can live a second life such as Energy Storage Systems (ESS). In order to utilize the Residual Useful Life (RUL) of the batteries the State of Health (SOH) of them needs to be estimated by a nondestructive test such as Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) technique. Though many kinds of different EIS instruments are commercially available, most of them can only test a battery module less than 10V and the price of the instrument is very high. In this paper a low-cost EIS instrument suitable for measuring the impedance spectrum of the high voltage battery module is proposed and its validity is verified through the experiments. In order to prove the accuracy of the developed EIS instrument its measured impedance spectrum is compared with the results obtained by a commercial instrument. The Chi Square value calculated between two impedance spectrum measured by both developed and commercial instruments are less than 2%, which prove the strong correlation between two results.
The technology of inductive power transfer has been proved to be a promising solution in many applications especially in electric vehicle (EV) charging systems, due to its features of safety and convenience. However, loosely coupled transformers lead to the system efficiency not coming up to the expectation at the present time. Therefore, at first, the magnetic core losses are calculated with a novel magnetic-circuit model instead of the commonly used finite-element-method (FEM) simulations. The parameters in the model can be obtained with a one-time FEM simulation, which makes the calculation process expeditious. When compared with traditional methods, the model proposed in the paper is much less time-consuming and relatively accurate. These merits have been verified by experimental results. Furthermore, with the proposed loss calculation model, the system is optimized by parameter sweeping, such as the operating frequency and winding turns. Specifically, rather than a predesigned switching frequency, a more efficiency-optimized frequency for the series-parallel (SP) compensation topology is detected and a detailed investigation has been presented accordingly. The optimized system is capable of an efficiency that is greater than 93% at a coil separation distance of 200mm and coil dimensions of $600mm{\times}400mm$.
기존 양방향 컨버터와 출력 커패시터를 추진용 배터리 쪽으로 이동시킨 양방향 컨버터의 고장률 변화를 분석한다. 두 컨버터의 회로 구조적 동일성과 차이점을 분석하여 커패시터 위치 변경으로 동작전압이 저감됨을 확인한다. 전압스트레스 인자와 동작온도에 따른 커패시터 부품 고장률을 구하고 양방향 컨버터의 고장나무에 적용하여 컨버터 전체 고장률을 구한다. 동작온도와 커패시턴스 값에 따른 고장률과 평균고장시간을 비교 분석하여 설계 변경으로 인한 장 단점을 분석한다.
The research and development of hybrid electric vehicle (HEV), plug-in hybrid electric vehicle (PHEV) and electric vehicle (EV) are intensified due to the energy crisis and environmental concerns. In order to meet the challenging requirements of powering HEV, PHEV and EV, the current lithium battery technology needs to be significantly improved in terms of the cost, safety, power and energy density, as well as the calendar and cycle life. One new technology being developed is the utilization of composite cathode by mixing two different types of insertion compounds [e.g., spinel $LiMn_2O_4$ and layered $LiMO_2$ (M=Ni, Co, and Mn)]. Recently, some studies on mixing two different types of cathode materials to make a composite cathode have been reported, which were aimed at reducing cost and improving self-discharge. Numata et al. reported that when stored in a sealed can together with electrolyte at $80^{\circ}C$ for 10 days, the concentrations of both HF and $Mn^{2+}$ were lower in the can containing $LiMn_2O_4$ blended with $LiNi_{0.8}Co_{0.2}O_2$ than that containing $LiMn_2O_4$ only. That reports clearly showed that this blending technique can prevent the decline in capacity caused by cycling or storage at elevated temperatures. However, not much work has been reported on the charge-discharge characteristics and related structural phase transitions for these composite cathodes. In this presentation, we will report our in situ x-ray diffraction studies on this mixed composite cathode material during charge-discharge cycling. The mixed cathodes were incorporated into in situ XRD cells with a Li foil anode, a Celgard separator, and a 1M $LiPF_6$ electrolyte in a 1 : 1 EC : DMC solvent (LP 30 from EM Industries, Inc.). For in situ XRD cell, Mylar windows were used as has been described in detail elsewhere. All of these in situ XRD spectra were collected on beam line X18A at National Synchrotron Light Source (NSLS) at Brookhaven National Laboratory using two different detectors. One is a conventional scintillation detector with data collection at 0.02 degree in two theta angle for each step. The other is a wide angle position sensitive detector (PSD). The wavelengths used were 1.1950 ${\AA}$ for the scintillation detector and 0.9999 A for the PSD. The newly installed PSD at beam line X18A of NSLS can collect XRD patterns as short as a few minutes covering $90^{\circ}$ of two theta angles simultaneously with good signal to noise ratio. It significantly reduced the data collection time for each scan, giving us a great advantage in studying the phase transition in real time. The two theta angles of all the XRD spectra presented in this paper have been recalculated and converted to corresponding angles for ${\lambda}=1.54\;{\AA}$, which is the wavelength of conventional x-ray tube source with Cu-$k{\alpha}$ radiation, for easy comparison with data in other literatures. The structural changes of the composite cathode made by mixing spinel $LiMn_2O_4$ and layered $Li-Ni_{1/3}Co_{1/3}Mn_{1/3}O_2$ in 1 : 1 wt% in both Li-half and Li-ion cells during charge/discharge are studied by in situ XRD. During the first charge up to ~5.2 V vs. $Li/Li^+$, the in situ XRD spectra for the composite cathode in the Li-half cell track the structural changes of each component. At the early stage of charge, the lithium extraction takes place in the $LiNi_{1/3}Co_{1/3}Mn_{1/3}O_2$ component only. When the cell voltage reaches at ~4.0 V vs. $Li/Li^+$, lithium extraction from the spinel $LiMn_2O_4$ component starts and becomes the major contributor for the cell capacity due to the higher rate capability of $LiMn_2O_4$. When the voltage passed 4.3 V, the major structural changes are from the $LiNi_{1/3}Co_{1/3}Mn_{1/3}O_2$ component, while the $LiMn_2O_4$ component is almost unchanged. In the Li-ion cell using a MCMB anode and a composite cathode cycled between 2.5 V and 4.2 V, the structural changes are dominated by the spinel $LiMn_2O_4$ component, with much less changes in the layered $LiNi_{1/3}Co_{1/3}Mn_{1/3}O_2$ component, comparing with the Li-half cell results. These results give us valuable information about the structural changes relating to the contributions of each individual component to the cell capacity at certain charge/discharge state, which are helpful in designing and optimizing the composite cathode using spinel- and layered-type materials for Li-ion battery research. More detailed discussion will be presented at the meeting.
본 논문은 전기자동차의 충전부하 이동성에 의한 전력시스템 선로에서의 전송전력에 대한 해석과 개선에 대한 내용을 제시하였다. 전기자동차는 화석연료의 고갈과 환경보호의 중요성이라는 측면에서 사용범위가 크게 늘어나고 있으며, 가까운 미래에 가솔린 연료를 사용하는 운송수단을 대체할 것으로 예상되고 있다. 기존의 예측된 고정 부하량에 기초한 전력시스템에서 전기자동차의 이동성 충전부하는 특정 지역에서 이동성 충전부하의 증가로 인한 전송선로에서의 전송전력 집중과 과부하의 문제를 발생시킨다. 이러한 현상의 해석을 위해 New England 시험계통을 부하특성을 기반으로 4개의 지역으로 분할하여 전기자동차 충전부하의 이동을 고려한 예상 시나리오를 가정하였다. 예상 시나리오에서는 표준이 되는 전기자동차의 충전용량을 고려하여 지역단위의 부하량을 최대 31%까지 증가하면서 선로에서의 전송전력 집중과 과부하 현상을 해석하였다. 이러한 선로에서의 과부하 문제에 대한 해결책으로 TCSC를 과부하가 발생한 선로에 직렬 연결하여 선로의 전송전력을 선로제한값 보다 작은 부하율 100% 이내의 값으로 직접 제어할 수 있도록 하였다. 시뮬레이션 결과로부터 전력시스템에 몇 개의 TCSC를 적용함으로써 전기자동차의 이동성 부하 충전에 의한 선로에서의 전송전력 문제를 효과적으로 그리고 경제적으로 해결할 수 있음을 보였다.
In this study, we fabricated a parallelly connected Li-ion battery/supercapacitor hybrid cell to combine the advantageous characteristics of Li-ion battery and supercapacitor, high energy density and high power density, respectively, and investigated its discharging characteristics over a wide temperature range from -40 to $25^{\circ}C$. At the initial state of discharging of the hybrid cell, the power was mostly provided by the supercapacitor and then the portion of the Li-ion battery was gradually increased. By installing a switching system into the hybrid cell, which controls the discharging sequence of Li-ion battery and supercapacitor, the maximum power was improved by 40% compared with non switching system. In addition at low temperatures, the power and discharging time of the hybrid cell were significantly enhanced compared to a battery-alone system. The hybrid cell is expected to be applied in electric vehicles and small domestic appliances that require high power at initial discharging state.
전기자동차 보급이 확대됨과 동시에 충전이 특정 시간대에 몰리거나 전력수요가 높은 시간대에 늘어나면 전력수급 균형이 불안해질 수 있다. 따라서 전기자동차 충전으로 인한 전력수요가 증가함과 동시에, 전기자동차의 전력수요를 분산시키고, 전기자동차 배터리의 여분의 전기를 활용할 수 있는 스마트그리드 구축이 중요해진다. 아직 국내에서 스마트그리드가 전기자동차의 전력망 영향 관리에 어느 정도 영향을 미치는지에 대해서는 정량적 연구가 미흡한 실정이다. 본 연구는 스마트그리드를 통한 전기자동차의 전력망 영향 관리 효과를 정량적으로 분석하고 정책적 시사점을 제시하였다. 결과적으로 스마트그리드는 전기자동차의 전력망 영향을 효과적으로 관리할 수 있었다. 전력시장 구조와 규제 프레임워크는 스마트그리드 기술의 실증과 상용화 촉진을 뒷받침할 수 있어야 할 것이다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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