Czasopismo | PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY | Rocznik 2021 - zeszyt 11

A High Gain Variable Boost DC-DC Converter for Low-Voltage Hybrid Direct Methanol Fuel Cell Batteries

10.15199/48.2021.11.01

nr katalogowy: 134113
10.15199/48.2021.11.01

Streszczenie

Direct Methanol Fuel Cells (DMFCs) are emerging as primary power sources for portable applications due to their high energy density, easy-to-handle liquid fuel, and low temperature. They have a longer cell lifetime and are small and lightweight. However, there are several problems associated with typical DMFCs due to their slow dynamic response, long start-up time, and issues related to their unregulated low-level output voltage and current. This study describes the development of a DC-DC converter for a low-voltage (i.e., less than 5 V) DMFC. This study also presents a hybrid power source that consists of a battery and a DMFC and analyses, via software simulation, every component of the boost converter that influences its output. The proposed DC-DC converter is capable of boosting the voltage of the DMFC from 3 V to 60 V. The output voltage of this converter is regulated and applied to an LED lamp.

Abstract

Ogniwa paliwowe z bezpośrednim metanolem (DMFC) stają się coraz ważniejszym źródłem zasilania w zastosowaniach przenośnych ze względu na ich wysoką gęstość energii, łatwe w obsłudze paliwo ciekłe i niską temperaturę. Mają dłuższą żywotność ogniw i są małe i lekkie. Istnieje jednak kilka problemów związanych z typowymi DMFC ze względu na ich powolną reakcję dynamiczną, długi czas rozruchu oraz problemy związane z ich nieregulowanym napięciem i prądem wyjściowym niskiego poziomu. Niniejsze badanie opisuje rozwój konwertera DC-DC dla niskonapięciowego (tj. poniżej 5 V) DMFC. W niniejszym opracowaniu przedstawiono również hybrydowe źródło zasilania, które składa się z akumulatora i DMFC oraz analizuje, za pomocą symulacji programowej, każdy element przetwornicy doładowania, który wpływa na jego moc wyjściową. Proponowana przetwornica DC-DC jest w stanie podnieść napięcie DMFC z 3 V do 60 V. Napięcie wyjściowe tej przetwornicy jest regulowane i podawane na lampę LED. (Przekształtnik DC-DC o zmiennym wysokim wzmocnieniu do niskonapięciowych hybrydowych akumulatorów ogniwem paliwowym z metanolem)

Słowa kluczowe

Keywords

Bibliografia

1. Gharibeh, H.F.; Yazdankhah, A.S.; Azizian, M.R. Energy management of fuel cell electric vehicles based on working condition identification of energy storage systems, vehicle driving performance, and dynamic power factor. J. Energy Storage 2020, 31, 101760. 2. Fadzillah, D.M.; Kamarudin, S.K.; Zainoodin, M.A.; Masdar, M.S. Critical challenges in the system development of direct alcohol fuel cells as portable power supplies: An overview. Int. J. Hydrogen Energy 2019, 44, 3031–3054. 3. Tabatabaei, S.; Askari, M.R. Considering uncertainty in the fuel cell and capacitor allocation problem using a novel self adaptive modification approach. J. Intell. Fuzzy Syst. 2015, 28, 2213–2224. 4. Kwon, J.M.; Kwon, B.H. High step-up active-clamp converter with input-current doubler and output-voltage doubler for fuel cell power systems. IEEE Trans. Power Electron. 2009, 24, 108–115. 5. Alias, M.S.; Kamarudin, S.K.; Zainoodin, A.M.; Masdar, M.S. Active direct methanol fuel cell: An overview. Int. J. Hydrogen Energy 2020, 45, 19620–19641. 6. Ferdowsi, F.; Maleki, H.R.; Niroomand, S. A credibility-based hybrid fuzzy programming approach for a bi-objective refueling alternative fuel vehicles problem under uncertainty. J. Intell. Fuzzy Syst. 2018, 34, 2385–2399. 7. Kwon, J.M.; Kim, Y.J.; Cho, H.J. High-efficiency active DMFC system for portable applications. IEEE Trans. Power Electron. 2011, 26, 2201–2209. 8. Li, H.; Guo, H.; Yousefi, N. A hybrid fuel cell/battery vehicle by considering economy considerations optimized by Converged Barnacles Mating Optimizer (CBMO) algorithm. Energy Reports 2020, 6, 2441–2449. 9. Yu, Y. Bin; Liu, X.; Min, H.; Sun, H.; Xu, L. A novel fuzzy-logic based control strategy for a semi-active battery/super-capacitor hybrid energy storage system in vehicular applications. In Proceedings of the Journal of Intelligent and Fuzzy Systems; IOS Press, 2015; Vol. 29, pp. 2575–2584. 10. Feng, Y.; Dong, Z. Optimal energy management with balanced fuel economy and battery life for large hybrid electric mining truck. J. Power Sources 2020, 454, 227948. 11. Kamel, A.A.; Rezk, H.; Abdelkareem, M.A. Enhancing the operation of fuel cell-photovoltaic-battery-supercapacitor renewable system through a hybrid energy management strategy. Int. J. Hydrogen Energy 2020. 12. Krishan, O.; Suhag, S. Grid-independent PV system hybridization with fuel cell-battery/supercapacitor: Optimum sizing and comparative techno-economic analysis. Sustain. Energy Technol. Assessments 2020, 37, 100625. 13. Turksoy, A.; Teke, A.; Alkaya, A. A comprehensive overview of the dc-dc converter-based battery charge balancing methods in electric vehicles. Renew. Sustain. Energy Rev. 2020, 133, 110274. 14. Thounthong, P.; Mungporn, P.; Guilbert, D.; Takorabet, N.; Pierfederici, S.; Nahid-Mobarakeh, B.; Hu, Y.; Bizon, N.; Huangfu, Y.; Kumam, P. Design and control of multiphase interleaved boost converters-based on differential flatness theory for PEM fuel cell multi-stack applications. Int. J. Electr. Power Energy Syst. 2021, 124, 106346. 15. Sarker, M.R.; Mohamed, R. A Batteryless low input voltage micro-scale thermoelectric based energy harvesting interface circuit with 100mV start-up voltage. Prz. Elektrotechniczny 2014, 90. 16. Ali, M.S.; Kamarudin, S.K.; Masdar, M.S.; Mohamed, A. An overview of power electronics applications in fuel cell systems: DC and AC converters. Sci. World J. 2014, 2014. 17. Lee, B. Do; Jung, D.H.; Ko, Y.H. Analysis of DMFC/battery hybrid power system for portable applications. J. Power Sources 2004, 131, 207–212. 18. Alotto, P.; Guarnieri, M.; Moro, F. Modeling and Control of Fuel Cell-Battery Hybrid Power Systems for Portable Electronics. In Proceedings of the Proceedings of the Universities Power Engineering Conference; 2008. 19. Sarker, M.R.; Mohamed, A.; Mohamed, R. Vibration Based Piezoelectric Energy Harvesting Utilizing Bridgeless Rectifier Circuit 2016. 20. Sarker, M.R.; Mohamed, A.; Mohamed, R. Improved proportional-integral voltage controller for a piezoelectric energy harvesting system converter utilizing lightning search algorithm. Ferroelectrics 2017, 514, 123–145. 21. Sarker, M.; Mohamed, A.; Mohamed, R.; Sarker, M.R.; Mohamed, A.; Mohamed, R. A New Method for a Piezoelectric Energy Harvesting System Using a Backtracking Search Algorithm-Based PI Voltage Controller. Micromachines 2016, 7, 171. 22. Rashid, Power Electronics: Circuits, Devices & Applications, 4th Edition | Pearson. 23. Zhu, G.R.; Loo, K.H.; Lai, Y.M.; Tse, C.K. Quasi-maximum efficiency point tracking for direct methanol fuel cell in DMFC/supercapacitor hybrid energy system. IEEE Trans. Energy Convers. 2012, 27, 561–571. 24. Kim, Y.; Shin, D.; Seo, J.; Chang, N.; Cho, H.; Kim, Y.; Yoon, S. System integration of a portable direct methanol fuel cell and a battery hybrid. Int. J. Hydrogen Energy 2010, 35, 5621–5637. 25. Yuan, Z.; Zhang, Y.; Leng, J.; Zhao, Y.; Liu, X. Performance of air-breathing direct methanol fuel cell with Au-coated aluminum current collectors. Int. J. Hydrogen Energy 2012, 37, 2571– 2578.

Jeśli masz wykupiony/przyznany dostęp - zaloguj się. Skorzystaj z naszych propozycji zakupu!

Publikacja


PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY- e-publikacja (pdf) z zeszytu 2021-11 , nr katalogowy 134113 licencja: Osobista Produkt cyfrowy Nowość	10.00 zł

Zeszyt


PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY- e-zeszyt (pdf) 2021-11 licencja: Osobista Produkt cyfrowy Nowość	55.00 zł

Prenumerata

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - prenumerata cyfrowa
licencja: Osobista

Produkt cyfrowy
Nowość

762.00 zł

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - PAKIET prenumerata PLUS
licencja: Osobista

Szczegóły pakietu

Nazwa
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - PAKIET prenumerata PLUS (Prenumerata papierowa + dostęp do portalu sigma-not.pl + e-prenumerata)	1002.00 zł brutto 927.78 zł netto 74.22 zł VAT (stawka VAT 8%)

1002.00 zł

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - papierowa prenumerata roczna + wysyłka
licencja: Osobista

Szczegóły pakietu

Nazwa
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - papierowa prenumerata roczna	960.00 zł brutto 888.89 zł netto 71.11 zł VAT (stawka VAT 8%)
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - pakowanie i wysyłka	42.00 zł brutto 34.15 zł netto 7.85 zł VAT (stawka VAT 23%)

1002.00 zł

Zeszyt

2021-11

Twój Koszyk

Publikacja

Zeszyt

Prenumerata

Zeszyt

Czasopisma