Pregunta

La tarea en cuestión es construir un convertidor de CC-CC de 50kW (por ejemplo, 125 V CC 400 A de salida) que cargue una gran pila de plomo-ácido con dichos 400 A y acepte un rango de voltaje de entrada algo amplio. Con eso en mente, si permitimos que el rango de voltaje de entrada sea de 50-260 V, la topología del convertidor deberá ser zeta (o similar: buck-boost, SEPIC, Ćuk). Si, en cambio, me aseguro de que el voltaje de entrada sea siempre más alto que el de salida (por ejemplo, 150-800), entonces la topología reductora es probablemente la mejor opción (reductor multifásico, una versión muy ampliada de la parte 12V->Vcore en la PC moderna placas base). Sin embargo, la topología zeta me brinda más flexibilidad en la aplicación específica, por lo que me pregunto: ¿podría también escalarse a tales niveles de potencia?

Fondo

Algunos muchachos están construyendo un banco de pruebas de motores eléctricos, y la parte en la que podría involucrarme es el poderoso convertidor DC-DC para la recuperación de energía. La idea es que una pila de celdas de plomo-ácido de energía (del tipo de servicio de montacargas) alimentaría un ESC, que comanda el motor bajo prueba. Otro motor más grande actuaría como una carga mecánica para el MUT. Ese segundo motor, operado como un generador, recuperaría la energía de regreso a la pila de baterías a través de un convertidor CC-CC, que debería tener una potencia de salida objetivo programable (para que podamos puede modular el par que el MUT tiene que proporcionar para mantener las RPM establecidas).

Más corriente a la batería conduce a más par mecánico, por lo que el MUT consumirá aún más corriente para mantenerse al día, por lo que al final la batería aún se agotará, pero solo con la pérdida de energía como ineficiencias en el sistema, no el 50 completo kilovatios

Especificaciones

• El generador será del tipo trifásico de imanes permanentes.
• El MUT será de hasta 50kW, por lo que, de manera realista, el convertidor DC-DC solo necesita manejar 40kW. Pero apuntaré a 50kW para tener algo de margen.
• El voltaje de la batería puede ser tan bajo como 24 V y tan alto como 120 V. Por supuesto, las baterías de 24 V solo se utilizarán para probar motores de bajo voltaje y baja potencia, que no alcanzan los 50 kW.
• 400A serán los amperios máximos que querríamos obtener en la batería, independientemente de su voltaje. Entonces, 50kW son solo con los voltajes de batería más altos.
• Solo será necesario mantener 50kW durante unos segundos, y la prueba completa (con diferentes niveles de potencia) dura menos de 1 minuto.
• Solo construiremos uno, o un puñado, de estos convertidores. El costo de los componentes no es una gran prioridad. El costo de desarrollo es más relevante.
• Otros chicos se encargan de la parte mecánica (motores, rodamientos, medida de par, ejes,...)

Opción de topología Zeta

He leído una nota de la aplicación Microchip ( Cargador de batería CC/CV de alta potencia que utiliza una topología SEPIC inversa (Zeta) ) que presenta un cargador de 100 W en la misma dirección general. La parte central del convertidor es esta:

Estaba pensando que tal vez, si mejoro los componentes de potencia para el voltaje y la corriente, y proporciono muchas más copias paralelas de C1, C7, C8, Q1, Q2, el circuito se puede escalar a decenas de kW. Entonces me daría más flexibilidad, ya que de esta manera no necesito preocuparme por los casos de esquina que tiene la otra opción.

Opción de topología Buck

En cambio, puedo presionar a los muchachos para que seleccionen un motor con un Kv muy bajo para el generador (o usar un transformador después), de modo que el voltaje de entrada al convertidor DC-DC sea siempre más alto que la salida deseada. Esto requiere un motor con Kv ridículamente bajo o un transformador trifásico, si quiero cubrir el peor caso posible: voltaje de la batería de 120 V, prueba a bajas RPM. La opción del transformador es probablemente la mejor, si también se proporciona con contactores de derivación para manejar el caso de bajo voltaje de la batería (para evitar proporciones de voltaje de entrada: salida ridículamente grandes).

Otros pensamientos

• Por supuesto, la opción de perder la energía del generador en una red resistiva es posible, pero se considera ineficiente y costará más proporcionar el enfriamiento necesario.
• probablemente un generador de imanes permanentes no sea la mejor idea. Ahora que lo pienso, usar un alternador es quizás una dirección fructífera, no estoy seguro de por qué los muchachos están obsesionados con los motores PM, tal vez pueda persuadirlos de lo contrario.