Ghaderi, Ahmad;Nassiraei, Amir A.F;Sanada, Atsushi;Ishii, Kazuo;Godler, Ivan
Journal of Power Electronics
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제8권4호
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pp.291-300
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2008
In this paper power system and drive-train for omni-directional autonomous mobile robots with multiple energy storage units are presented. Because in proposed system, which is implemented in soccer robots, the ability of power flow control from of multiple separated energy storage units and speed control for each motor are combined, these robots can be derived by more than one power source. This capability, allow robot to diversify its energy source by employing hybrid power sources. In this research Lithium ion polymer batteries have been used for main and auxiliary energy storage units because of their high power and energy densities. And to protect them against deep discharge, over current and short circuit, a protection circuit was designed. The other parts of our robot power system are DC-DC converters and kicker circuit. The simulation and experimental results show proposed scheme and extracted equations are valid and energy management and speed control can be achieved properly using this method. The filed experiments show robot mobility functions to perform the requested motion is enough and it has a high maneuverability in the field.
This paper proposes an energy storage-assisted, series-connected module-integrated power conversion system that integrates a photovoltaic power conditioner and a charge balancing circuit. In conventional methods, a photovoltaic power conditioner and a cell-balancing circuit are needed for photovoltaic systems with energy storage devices, but they cause a complex configuration and high cost. Moreover, an imbalanced output voltage of the module-integrated converter for PV panels can be a result of partial shading. Partial shading can lead to the fault condition of the boost converter in shaded modules and high voltage stresses on the devices in other modules. To overcome these problems, a bidirectional buck-boost converter with an integrated magnetic device operating for a charge-balancing circuit is proposed. The proposed circuit has multiple secondary rectifiers with inductors sharing a single magnetic core, which works as an inductor for the main bidirectional charger/discharger of the energy storage. The secondary rectifiers operate as a cell-balancing circuit for both energy storage and the series-connected multiple outputs of the module-integrated converter. The operating principle of the cell-balancing power conversion circuit and the power stage design are presented and validated by PSIM simulation for analysis. A hardware prototype with equivalent photovoltaic modules is implemented for verification. The results verify that the modularized photovoltaic power conversion system in the output series with an energy storage successfully works with the proposed low-cost bidirectional buck-boost converter comprising a single magnetic device.
Currently, batteries use commonly as energy sources for mobile electric devices. Due to the high density of energy, the energy storage state of a battery is very important information. To know the battery's energy storage state, it is necessary to find out the open state voltage of the battery. The open state voltage calculates with a mathematical model, but the computation of the real time state is complicated and requires many calculations. Therefore, the state observer designs to estimate in real time the battery open-circuit voltage as disturbance including model error. Using the estimated open voltage and applying it to the state estimation algorithm, we can estimate the charge. In this study, we first estimate the open-circuit voltage and design an estimation algorithm for estimating the state of battery charge. This includes errors in the system model and has a robust characteristic to noise. It is possible to increase the precision of the charge state estimation.
With the development of power electronics, many new energy storage systems such as the superconducting magnetic energy storage, the flywheel energy storage, and the capacitive energy storage, etc. are being intensively studied recently in order to replace battery in some special applications, Among these innovative energy storage systems, the flywheel system exhibits some unique features such as high power density, easy maintenance and longer lifetime. This paper introduces the novel flywheel energy storage system. Operation and features of the system are illustrated and verified on a 6kVA, 20kHz IPM based experimental circuit for O/A application. The Halbach Array Motor is selected of the design of the three phase motor/generator for the flywheel energy storage system.
This paper presents the circuit arrangement and effective control method of regenerative energy storage system for an electric vehicle using super-capacitors as the braking energy storage element. A bi-directional controlled current flow of the DC-DC converters with the capacitor bank is connected in parallel with battery, and is controlled so that the whole of the braking energy is effectively absorbed into the capacitors and released back to the electric motor upon acceleration. The converter needs the series-parallel switching circuit for making the best use of the series capacitors and for limiting the step-up ratio of the boost converter. The proposed methods are verified by computer simulation and experimental set-up. They are usefully applied to the electric vehicles such as green cars, electric motorcycles, bike, etc which are power- supplied by the electric batteries.
This paper proposes a series-connected power conversion system that integrates a photovoltaic power conditioner and a charge-balancing circuit. In conventional methods, a photovoltaic power conditioner and a cell-balancing circuit are needed for photovoltaic systems with energy storage devices, which results in a complex configuration and high cost. To overcome these problems, a series-connected DC-DC power conditioning system that integrates a photovoltaic power conditioner with a charge-balancing circuit is proposed. During the generation, the system operates as power conditioner only, whereas it operates as a cell balancing circuit during the rest time. For the analysis, the operating principle of the circuit and the controller design are done by PSIM simulation. For verification, a hardware prototype with 48-W photovoltaic modules has been implemented. Results verified that the modularized photovoltaic power conversion system with a series-connected storage successfully works with the proposed method.
Energy scavenging is a technique that converts ambient energy, for example, vibration and light, to electrical energy in order to supply power to low power electronic devices such as ubiquitous sensors. In this paper, we propose an optimal operation condition of power delivery circuit and design strategy for energy scavenging system in which the generated power is order of microwatt and, consequently, efficient handling of power is critical. We also propose that high data transmission rate is more realistic optimal design objective rather than high energy efficiency. It is shown that disconnection of load from the storage capacitor right after data transmission reduces energy wasting and that optimal value of storage capacitor can be determined at this condition. The feasibility of our propose is proved by experiments and we believe that the proposed design strategy will promote the application of piezoelectric micropower generator to the ubiquitous sensor networks.
Williamson, Sheldon S.;Rimmalapudi, S.Chowdary;Emadi, Ali
Journal of Power Electronics
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제4권2호
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pp.117-126
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2004
This paper focuses on the electrical modeling techniques of renewable energy sources and storage devices such as batteries, fuel cells (FCs), photovoltaic (PVs) arrays, ultra-capacitors (UCs), and flywheel energy storage systems (FESS). All of these devices are being investigated recently for their typical storage and supply capabilities for various industrial applications. Hence, these devices must be modeled precisely taking into account the concerned practical issues. An obvious advantage of electrically modeling these renewable energy sources and storage devices is the fact that they can easily be simulated in real-time in any CAD simulation program. This paper reviews several types of suitable models for each of the above-mentioned devices and the most appropriate model amongst them is presented. Furthermore, a few important applications of these devices shall also be highlighted.
The switching noise in the power electronics of the power conversion equipment (Power Conditioning System) for large energy storage devices are generated. Since the burst-level transient noise from being generated in the power system at a higher power change process influences the control circuit of the low voltage driver circuit. Noise may cause the malfunction of the control device even if no dielectric breakdown leads to a control circuit. To overcome this, this paper proposes the installation of an additional nano-surge protection device on the power supply DC output circuit of the battery management unit.
The use of equivalent circuit models of piezoelectric energy harvesters is inevitable when power circuitry including rectifying and smoothing circuit elements is connected to them for evaluating DC electrical outputs. This is because it is difficult to incorporate the electro-mechanical coupling resulting from the additional circuitry into the conventional finite element analysis. Motivated by this observation, we propose a method to accurately extract the equivalent circuit parameters by using commercially available FEM software such as ANSYS which provides three-dimensional AC piezoelectric analysis. Then the equivalent circuit can be analyzed by circuit simulators such as $SimPowerSystems^{TM}$ of MATLAB. While the previous works have estimated the circuit parameters by experimental measurements or by analytical solutions developed only for limited geometries and boundary conditions, the proposed method has no such limitation because piezoelectric energy harvesters of any shapes and boundary conditions can be treated in FEM software. For the verification of the proposed method, multi-modal AC electrical power output by using a corresponding equivalent circuit is compared with that by ANSYS. The proposed method is then shown to be very useful in the subsequent evaluation of DC electrical output which is obtained by attaching a bridge diode and a storage capacitor to a piezoelectric energy harvester.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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