АНАЛІЗ ЕФЕКТИВНОСТІ СХЕМ АКТИВНОГО БАЛАНСУВАННЯ АКУМУЛЯТОРНИХ БАТАРЕЙ
DOI:
https://doi.org/10.20998/2413-4295.2021.02.06Ключові слова:
накопичувач енергії, акумуляторна батарея, балансування, схемне рішення, буферний елемент, режими роботи, ефективністьАнотація
В роботі виконано огляд існуючих схемних рішень пристроїв для балансування акумуляторних батарей. Описано принцип балансування на основі ємнісного та індуктивного буферного елемента. Показано особливості їх роботи і основні розрахунки кожного з типів пристроїв. Для схем з трансформаторною топологією вказано розрахункові значення для визначення балансуючого струму. На підставі аналізу схемних рішень, чисельно визначено і доведено ефективність використання схемних рішень на основі індуктивних буферних елементів. Потужні акумуляторні батареї для систем електричного живлення використовуються у вигляді стеків, що складаються з послідовно-паралельного з’єднання одиничних накопичувачів. Під час їх експлуатації виникає проблема нерівномірного розряду або заряду, для компенсації якої необхідно виконувати балансування рівнів напруги в акумуляторах стеку. Безпека використання електрохімічних накопичувачів вимагає застосування спеціалізованих балансуючих пристроїв. Найбільш ефективними, з енергетичної точки зору, є системи активного балансування. Аналіз математичної моделі роботи двох типів буферних елементів (ємнісного та індуктивного) дозволив дати якісну оцінку їх ефективності. Перші, в порівнянні з індуктивними - не тільки мають гірші енергетичні характеристики, але і не дозволяють виконувати «масштабування» пристрою без істотного ускладнення системи управління. Амплітудне значення струму у схемах з ємнісним буферним елементом обмежене лише внутрішніми паразитними опорами елементів схеми, тому, при відносно великому значенні розбалансування, в елементах схеми (в тому числі акумуляторних батареях) виділяється значна величина енергії втрат у вигляді теплової енергії, що негативно позначається на параметрах акумуляторної батареї. Амплітудне значення струму в схемі на основі індуктивних буферних елементів обмежене величиною індуктивності. Воно може бути розраховане на етапі проектування пристрою. Крім того, забезпечення системою керування переривчастого режиму роботи перетворювача дозволяє зменшити комутаційні втрати в силових ключах схеми і дозволяє підвищити ефективність роботи в цілому. При великій кількості накопичувачів (більше трьох) слід віддати перевагу трансформаторним системам балансування, як окремого випадку індуктивної топології.
Посилання
Sokol Y., Ivakhno V., Zamaruiev V., Styslo B. Full Soft Switching Dual DC/DC Converter With Four-Quadrant Switch for Systems With Battery Energy Storage System. 2018 IEEE 3rd International Conference on Intelligent Energy and Power Systems (IEPS), Kharkiv, Ukraine, 2018, pp. 155-160, doi: 10.1109/IEPS.2018.8559490.
Sokol E., Zamaruiev V., Kryvosheev S., Styslo B., Makarov V. The specificity of electrical energy storage unit application, 2017 IEEE First Ukraine Conference on Electrical and Computer Engineering (UKRCON), Kiev, 2017, pp. 432-435, doi: 10.1109/UKRCON.2017.8100524.
A123 Automotive Lithium-ion Solutions. Available at: http://www.a123systems.com/
Lindemark B. Individual cell voltage equalizers (ICE) for reliable battery performance, IEEE 13th International Telecommunication Energy Conference, Kyoto, Japan, 1991, pp. 196–201, doi: 10.1109/INTLEC.1991.172396.
Stuart A.T. Fast equalization for large lithium ion batteries, IEEE Aerospace Electron. Syst. Mag, 2009, Vol. 24, No 7, pp. 27–31, doi: 10.1109/OCEANS.2008.5152122.
Zhang X., Liu P., Wang D. The design and implementation of smart battery management system balance technology, J. Converg. Inf. Technol., 2011, Vol. 6, 5, pp. 108–116, doi: 10.4156/JCIT.VOL6.ISSUE5.12.
Pascual C., Krein P.T. Switched capacitor system for automatic series battery equalization, IEEE Applied Power Electronic Conference, 1997, 848–854, doi: 10.1109/APEC.1997.575744.
Hong-Sun P., Chol-Ho K., Ki-Bum P. et al. Design of a charge equalizer based on battery modularization, IEEE Trans. Veh. Technol., 2009, V.58, No.7, pp. 3938-3946, doi: 10.1109/TVT.2009.2015331.
Baughman A.C., Ferdowsi M. Double-tiered switched-capacitor battery charge equalization technique, IEEE Trans. Ind. Electron., 2008, V.55, No7, pp. 2277–2285, doi: 10.1109/TIE.2008.918401.
Yuanmao Y., Cheng K.W.E., Yeung Y.P.B. Zero current switching switched capacitor zero voltage gap automatic equalization system for series battery string, IEEE Trans. Power Electron., 2012, V.27, No7, pp. 3234–3242, doi: 10.1109/TPEL.2011.2181868.
Park H.S., Kim C.E., Kim C.H., Moon G.W. A modularized charge equalizer for an HEV lithium-ion battery string, IEEE Trans. Power Electron., 2009, V.56, No5, pp. 1464–1476, doi: 10.1109/TIE.2009.2012456.
Kim M.Y., Kim C.H., Cho S.Y., Moon G.W. A cell selective charge equalizer usingmulti-output converter with auxiliary transformer, 8th International Conference on Power Electronics – ECCE, Asia, Jeju, 2011, pp. 310-317, doi: 10.1109/ICPE.2011.5944610.
Nishijima K., Sakamoto H., Harada K. PWM controlled simple and high performance battery balancing system, IEEE Power Electron. Spec. Conf., 2000, pp. 517–520, doi: 10.1109/PESC.2000.878916.
Cassani P.A., Willamson S. Design, testing and validation of a simplified control scheme for a novel plug-in hybrid electric vehicle battery cell equalizer, IEEE Trans. Ind. Electron., 2010, V.57, No12, pp.3956-3962, doi: 10.1109/TIE.2010.2050750.
Moo C., Ng K.S., Hsieh Y. Parallel operation of battery power modules, IEEE Trans. Energy Convers., 2008, V.23, No2, pp.701–707, doi: 10.1109/TEC.2007.914310.
Park H.S., Kim C.E., Kim C.H., Moon G.W. A Modularized Charge Equalization Converter for a Hybrid Electric Vehicle Lithium-Ion Battery Stack, Journal of Power Electronics, 2007, V.7, N4, pp. 343-351, doi: 10.1109/TIE.2009.2012456.
Kim M.Y., Kim C.H., Cho S.Y., Moon G.W. A cell selective charge equalizer usingmulti-output converter with auxiliary transformer, 8th International Conference on Power Electronics – ECCE, Asia, Jeju, 2011, pp. 310-317, doi: 10.1109/ICPE.2011.5944610.
Pham V.L., Duong V.T., Choi W. A low cost and fast cell-to-cell balancing circuit for lithium-ion battery strings, IEEE Power Electron. Spec. Conf., 2000, pp. 517–520, doi: 10.3390/electronics9020248.
Zhang M., Li B., Hang L., Tolbert L.M., Lu Z. Digitized feedforward compensation method for high power density three-phase VIENNA PFC converter, 2012 Twenty-Seventh Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition, 2010, V.57, No12, pp.3956–3962, doi: 10.1109/APEC.2012.6165959.
Hopkins D.C., Mosling C.R., Hung S.T. Dynamic equalization during charging of serial energy storage elements, IEEE Transactions on Industry Applications, 1993, V.29, No2, pp. 363–368, doi: 10.1109/28.216545.
Rashid M.H. Power electronics handbook: devices, circuits and applications handbook, Elsevier Inc, 2011, doi: 10.1016/B978-0-12-088479-7.X5018-4.
Nerubatskyi V., Plakhtii O., Hordiienko D., Mykhalkiv S., Ravlyuk V. A method for calculating the parameters of the sine filter of the frequency converter, taking into account the criterion of starting current limitation and pulse-width modulation frequency, Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2021, V.1, No8, pp. 6-16, doi: 10.15587/1729-4061.2021.225327.
Kim H.S., Park K.B., Park S.H. et al. A new two-switch flyback battery equalizer with low voltage stress on the switches, IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, San Jose, CA, 2009, pp.511-516, doi: 10.1109/ECCE.2009.5316333.
Yang D., Li S., Qi G. A bidirectional flyback cell equalizer for series-connected lithium iron phosphate batteries, 6th International Conference on Power Electronics Systems and Applications, Hong Kong, 2015, pp. 1-5, doi: 10.1109/PESA.2015.7398904.
Hoque M.M., Hannan M.A., Mohamed A. Optimal algorithms for the charge equalisation controller of series connected lithium-ion battery cells in electric vehicle applications, IET Electrical Systems in Transportation, 2017, V.7, No4, pp.267-277, doi: 10.1109/PESA.2015.7398904.
Park J.H., Kim K.T. Multi-output differential power processing system using boost-flyback converter for voltage balancing, International Conference on Recent Advances in Signal Processing, Telecommunications & Computing, Da Nang, 2017, pp. 139-142, doi: 10.1109/SIGTELCOM.2017.7849811.
Hoque M.M., Hannan M.A., Mohamed A. Optimal algorithms for the charge equalisation controller of series connected lithium-ion battery cells in electric vehicle applications, IET Electrical Systems in Transportation, 2017, V.7, No4, pp. 267-277, doi: 10.1049/iet-est.2016.0077.
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2021 Богдан Стисло , Роман Зайцев, Ксенія Мінакова , Михайло Кіріченко , Олександр Єресько
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Журнал публікує статті згідно з ліцензією Creative Commons Attribution International CC-BY.
