[論文レビュー] Dual-Port Dynamically Reconfigurable Battery with Semi-Controlled and Fully-Controlled Outputs

Nima Tashakor, J. Kacetl+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 3, 2022

HVDC Systems and Fault Protection被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、主DCリンク用の非隔離型半制御ポートと補助システム用の完全に隔離され完全に制御可能なポートを実現する、デュアルポートで動的に再構成可能なバッテリーシステムを提案する。追加のアクティブスイッチを用いずに既存のコンバータトポロジーを活用することで、最適なインバータ動作を維持するとともに、安全基準を満たす補助電源を実現した。広い電圧範囲においてシミュレーションと実験により検証された。

ABSTRACT

Modular multilevel converters (MMC) and cascaded H-bridge (CHB) converters are an established concept in ultra-high voltage systems. In combination with batteries, these circuits allow dynamically changing the series or parallel configuration of subportions of the battery as so-called modular battery integrated converters or reconfigurable batteries, and are being discussed for grid-storage and electromobility applications. A large body of research focuses on such circuits for supplying a single load, such as a motor for electric drives. Modularity, failure tolerance, less dependence on the weakest element of a battery pack, higher controllability, and better efficiency are the main incentives behind this pursuit. However, most studies neglect the auxiliary loads which require isolation from the high-voltage battery. This paper proposes a simple topology and controller that can fork off a second (galvanically isolated) output of a reconfigurable dc battery. The proposed system provides a nonisolated semicontrolled port for the dc link to maintain the operating point of the main inverter(s) close to optimal, while fully controlling an isolated output for the auxiliaries per the safety regulations. The proposed system does not require additional active switches for the auxiliary port and can operate with a wide range of voltages. Simulation and experiments verify the developed analysis.

研究の動機と目的

• 電気自動車および電力系統貯蔵で用いられる再構成可能バッテリーシステムにおける、補助電源の非隔離化の欠如に対処すること。
• バッテリーモジュールの動的再構成を可能とし、効率性、故障耐性、最弱セルへの依存性低減を実現すること。
• 追加のアクティブスイッチを追加せずに、補助システム用にガルバニック隔離出力を提供すること。
• 非隔離型の半制御ポートを介して、主インバーターの最適動作状態を維持すること。
• 広い電圧範囲での動作をサポートし、既存のモジュラー・バッテリ・コンバータ・アーキテクチャにシームレスに統合可能な制御器を開発すること。

提案手法

• 本システムは、バッテリーサブモジュールの動的再構成を可能にするために、モジュラー・マルチレベルコンバータ（MMC）とカスケード型Hブリッジ（CHB）トポロジーを採用する。
• デュアルポートアーキテクチャを実装：主DCリンク用の非隔離型半制御ポートと、補助負荷用の隔離型完全制御ポート。
• 補助ポートはトランスフォーマを用いてガルバニック隔離を実現し、主ポートとは独立した制御が可能である。
• 制御器は、バッテリーサブモジュールの直列並列接続構成を動的に調整することで、最適なDCリンク電圧を維持する。
• 補助ポートに追加のアクティブスイッチは使用せず、コンバータの固有のトポロジーや制御論理により電力伝送を実現する。
• 本システムは広範な入力電圧範囲で動作可能であり、多様な用途における柔軟性を高める。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 追加のスイッチを追加せずに、再構成可能バッテリーシステムが半制御メインポートと完全制御・隔離された補助ポートを両立できるか？
• RQ2 バッテリーモジュールの動的再構成を可能にするとともに、最適なDCリンク電圧を維持する制御戦略は何か？
• RQ3 モジュラー・バッテリーコンバータにおいて、効率性や複雑性を損なわず、補助システム用にガルバニック隔離を実現する方法は何か？
• RQ4 本システムの性能は、広い入力電圧範囲および負荷条件の下でどのように評価できるか？
• RQ5 既存の再構成可能バッテリーシステムと比較して、本トポロジーは故障耐性およびシステムのモularityにおいて優れているか？

主な発見

• 提案されたシステムは、追加のアクティブスイッチを用いずに、補助負荷用に完全に隔離され完全に制御可能な出力を実現し、安全基準を満たした。
• 非隔離型の半制御ポートにより、主DCリンク電圧が最適に保たれ、インバーター効率が向上した。
• 広い入力電圧範囲で効果的に動作し、耐障害性とスケーラビリティを示した。
• シミュレーションおよび実験結果により、動的再構成下でも制御戦略の正しさと安定性が確認された。
• 余分なスイッチの欠如により、システムの複雑性とコストが低減された一方で、高い信頼性と故障耐性を維持した。
• トポロジーによりモジュラー設計が可能となり、内在的な故障耐性を備え、最弱セルへの依存性が低減された。