[論文レビュー] Optimizing Partial Power Processing for Second-Use Battery Energy Storage Systems.

Xiaofan Cui, Alireza Ramyar+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 7, 2021

Advanced Battery Technologies Research参考文献 12被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、異種のバッテリーパックによる変動を考慮して、コンバータの定格とコストを低減し、バッテリーサイズを最大限に活用するため、ライトスパース階層的部分電力処理（LS-HiPPP）アーキテクチャを提案する。統計的モデルを用いてバッテリー出力の不均一性を分析し、階層的構造に沿ってコンバータを戦略的に配置することで、従来の部分電力処理（C-PPP）と比較して、より高いシステム効率と優れたコストパフォーマンスのトレードオフを達成する。

ABSTRACT

Repurposing automotive batteries to second-use battery energy storage systems (2-BESS) may have environmental and economic benefits. The challenge with second-use batteries is the uncertainty and diversity of the expected packs in terms of their chemistry, capacity and remaining useful life. This paper introduces a new strategy to optimize 2-BESS performance despite the diversity or heterogeneity of individual batteries while reducing the cost of power conversion. In this paper, the statistical distribution of the power heterogeneity in the supply of batteries is considered when optimizing the choice of power converters and designing the power flow within the battery energy storage system (BESS) to maximize battery utilization. By leveraging a new lite-sparse hierarchical partial power processing (LS-HiPPP) approach, we show a hierarchy in partial power processing (PPP) partitions power converters to a) significantly reduce converter ratings, b) process less power to achieve high system efficiency with lower cost (lower efficiency) converters, and c) take advantage of economies of scale by requiring only a minimal number of sets of identical converters. The results demonstrate that LS-HiPPP architectures offer the best tradeoff between battery utilization and converter cost and had higher system efficiency than conventional partial power processing (C-PPP) in all cases.

研究の動機と目的

• 異なる化学種、容量、残存耐用寿命を有する異種バッテリーパックによる性能劣化とコスト非効率の課題に対処する。
• 知的な電力分割を用いて、コンバータ種別の数を最小限に抑え、コンバータ定格を低くすることで、2-BESSにおける電力変換のコストと複雑さを低減する。
• システム設計段階で、到着する2次利用バッテリーパックにおける出力不均一性の統計的分布を考慮することで、2-BESSにおけるバッテリー利用率を最大化する。
• 従来の部分電力処理（C-PPP）アーキテクチャと比較して、システム効率とコンバータコストの優れたトレードオフを達成する。
• 最小限の同一コンバータセットの使用により、スケーラブルな2-BESSの展開を可能にする。

提案手法

• コンバータを複数段階に階層的に分割することで、個々のコンバータ定格を低減するライトスパース階層的部分電力処理（LS-HiPPP）アーキテクチャを構築する。
• 到着する2次利用バッテリーパックにおける出力不均一性の統計的分布をモデル化し、最適なコンバータ選定と電力フロー設計を支援する。
• 階層的構造を用いて電力処理タスクを割り当て、最小限の同一コンバータタイプの使用を実現し、規模の経済を活用する。
• BESS内の電力フローを設計し、高効率コンバータを必要最小限の電力に限定して処理することで、総合的な電力損失とコストを低減する。
• バッテリーパックのばらつきを統計的に分析し、システムレベルの設計に統合することで、多様なバッテリーデータ入力に対しても堅牢な性能を確保する。
• 総コンバータ定格を最小限に抑えつつ、高いシステム効率を維持し、バッテリー利用率を最大化するようにシステムを最適化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2-BESSにおける部分電力処理を、2次利用バッテリーパックの統計的ばらつきと不均一性に対応できるように最適化する方法は何か？
• RQ2 どのようなアーキテクチャ的構成が、2-BESSにおけるコンバータ定格の低減とシステムコストの低減を実現しながらも、高い効率を維持できるか？
• RQ3 LS-HiPPPアーキテクチャは、従来の部分電力処理（C-PPP）と比較して、システム効率とバッテリー利用率をどの程度向上させるか？
• RQ4 最小限の同一コンバータセットを用いて2-BESSシステム全体にスケーラビリティとコスト削減を実現できるか？
• RQ5 バッテリー出力不均一性の統計的分布を考慮することは、全体のシステム性能とコンバータサイズにどのような影響を与えるか？

主な発見

• LS-HiPPPアーキテクチャは、すべてのテストシナリオにおいて従来の部分電力処理（C-PPP）よりも高いシステム効率を達成する。
• 階層的電力分割により、LS-HiPPPではコンバータ定格が顕著に低減され、1台あたりの必要電力容量が減少する。
• 最小限の同一コンバータセットの使用により、規模の経済が実現され、全体のシステムコストが低減される。
• 2次利用バッテリーパックの出力不均一性の統計的分布に適応することで、本手法は効果的にバッテリー利用率を最大化する。
• 他のアーキテクチャと比較して、LS-HiPPPはバッテリー利用率とコンバータコストの最良のトレードオフを提供する。
• 多様なバッテリー化学種と健康状態（SOH）からの電力処理においても、高い効率を維持する。