[論文レビュー] Centralized Recursive Optimal Scheduling of Parallel Buck Regulated Battery Modules

Yunfeng Jiang, Abdulelah H. Habib+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 11, 2017

Advanced Battery Technologies Research参考文献 17被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、開放電圧およびインピーダンスが異なる並列接続バッテリーモジュールを対象として、PWM制御によるバッケンスレギュレータを用いた集中型再帰的最適スケジューリング手法を提案する。この手法は再帰的線形計画法を用いてリアルタイムで最適な電圧調整を計算し、時間変動する負荷下でも3つのモジュールで電流がバランスされることを実験的に示した。これにより、漏れ電流を最小限に抑え、合計バス電流を最大化するが、モジュールパラメータの明示的知識は不要である。

ABSTRACT

This paper presents a centralized recursive optimal scheduling method for a battery system that consists of parallel connected battery modules with different open circuit voltages and battery impedance characteristics. Examples of such a battery system can be found in second-life, exchangeable or repurposed battery systems in which batteries with different charge or age characteristics are combined to create a larger storage capacity. The proposed method in this paper takes advantage of the availability of buck regulators in the battery management system (BMS) to compute the optimal voltage adjustment of the individual modules to minimize the effect of stray currents between the parallel connected battery modules. Our proposed method recursively computes the optimal current scheduling that balances (equals) each module current and maximize total bus current without violating any of the battery modules operating constraints. Recursive implementation guarantees robust operation as the battery modules operating parameters change as the battery pack (dis)charges or ages. In order to demonstrate the capability of this method in real battery system, an experimental setup of 3 parallel placed battery modules is built. The experimental results validate the feasibility and show the advantages of this current scheduling method in a real battery application, despite the fact that each module may have different impedance, open circuit voltage and charge parameters.

研究の動機と目的

• 老化や製造バラツキによる状態容量、インピーダンス、開放電圧の異なる並列接続バッテリーモジュールにおける電流不均衡を解消すること。
• 個々のモジュール電圧をバッケンスレギュレータで最適に調整することにより、モジュール間の漏れ電流を最小限に抑える制御戦略を開発すること。
• リユース、交換可能、再利用可能なバッテリーシステムにおけるバッテリーパックの効率的かつ安全かつ高性能な運用を可能にすること。
• 充電／放電時や老化に伴うバッテリーパラメータの変化に適応できる再帰的アルゴリズムを設計すること、これにより耐障害性を確保すること。

提案手法

• 各バッテリーモジュールのバッケンスレギュレータの最適なPWMデューティーサイクルを計算するために、線形計画法を用いた集中型再帰的最適スケジューリングアルゴリズムを定式化する。
• 個々のモジュールの制約を満たしつつ、モジュール電流のバランスと合計バス電流の最大化を実現するための電圧調整を計算する。
• アルゴリズムは再帰的に動作し、開放電圧や内部インピーダンスの明示的知識がなくても、リアルタイムでモジュールパラメータを推定する。
• PWM駆動のMOSFETを備えたバッケンスレギュレータが、各バッテリーモジュールの出力電圧を調整することで、望ましい電流バランスを達成する。
• システムはArduino Unoを用い、アナログピンを介してリアルタイムの電圧および電流を読み込み、スケジューリングとデータログのためのホストコンピュータ（MATLAB）と通信する。
• 再帰的定式化により、運用中のバッテリーパラメータの変化に適応でき、時間経過に伴う耐障害性を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電気的特性が異なる並列接続バッテリーモジュールにおける電流不均衡を、リアルタイムでどのように最小化できるか？
• RQ2 個々のモジュールパラメータの明示的知識がなくても、最適な電流バランスを実現する制御戦略は何か？
• RQ3 再帰的最適化アプローチは、時間変動する外部負荷および変化するバッテリー状態下でも電流バランスを維持できるか？
• RQ4 集中型再帰的スケジューリングは、3つのバッテリーモジュールを用いた実際の実験環境で、モジュール電流のバランスをどの程度効果的に実現できるか？

主な発見

• 提案手法は、内部インピーダンスが異なる3つの並列バッテリーモジュール（3 Ω、4.5 Ω、6 Ω）を時間変動する外部負荷下でも正常に電流バランスさせることに成功した。
• 負荷が10 Ωから100 Ωに変化し、再び元に戻る中で、700秒間の実験期間中にモジュール電流が極めて近い値を維持した。
• 最もインピーダンスの高いモジュール（6 Ω）は100％のPWMデューティーサイクルを維持しており、電流バランスを達成するために最大の電圧低下が必要であることが示された。
• 再帰的アルゴリズムは負荷条件の変化にリアルタイムで適応し、ストレスを避けるためにPWMの上昇に5秒のラムアップ時間を設けることで、電流バランスを維持した。
• 実験結果により、集中型再帰的スケジューリング手法が漏れ電流を最小限に抑え、合計バス電流を最大化するという点で実用的かつ有効であることが確認された。
• 本手法はパラメータのばらつきや老化効果に対しても耐障害性を示し、リユースおよび交換可能なバッテリーシステムへの応用が可能であることが示された。