[논문 리뷰] Centralized Recursive Optimal Scheduling of Parallel Buck Regulated Battery Modules

Yunfeng Jiang, Abdulelah H. Habib외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 11.

Advanced Battery Technologies Research참고 문헌 17인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 개방회로 전압과 내부 임피던스가 다른 병렬 연결 배터리 모듈을 대상으로, PWM 제어를 통해 배터리 모듈의 전류를 균형 잡는 보충 전류를 사용하는 중앙집중식 재귀 최적 스케줄링 방법을 제안한다. 이 방법은 실시간으로 최적의 전압 조정을 계산하기 위해 재귀 선형 프로그래밍을 사용하며, 시간에 따라 변하는 하중 조건 하에서 세 모듈의 전류 균형을 실험적으로 입증함으로써, 모듈 매개변수에 대한 명시적 지식이 없이도 임의의 전류를 최소화하고 총 버스 전류를 최대화할 수 있다.

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.

연구 동기 및 목표

• 노후화 또는 제조 공차로 인해 상태 충전도, 임피던스, 개방회로 전압이 다른 병렬 연결 배터리 모듈에서 발생하는 전류 불균형 문제를 해결하기 위해.
• 각 모듈의 전압을 보충 전류를 통해 최적 조정함으로써 모듈 간의 불필요한 전류를 최소화하는 제어 전략을 개발하기 위해.
• 재사용, 교환 가능 또는 재활용 가능한 배터리 시스템에서 배터리 팩의 효율적이고 안전하며 고성능의 운영을 가능하게 하기 위해.
• 충전/방전 과정 또는 노후화로 인한 변화하는 배터리 매개변수에 적응할 수 있는 재귀 알고리즘 설계를 위해.

제안 방법

• 선형 프로그래밍을 사용하여 각 배터리 모듈의 보충 전류 레귤레이터에 대한 최적의 PWM 듀티 사이클을 계산하는 중앙집중식 재귀 최적 스케줄링 알고리즘을 수립하였다.
• 개별 모듈의 제약 조건을 고려하면서 전류 균형을 맞추고 총 버스 전류를 최대화하기 위해 전압 조정을 계산하는 방법을 적용하였다.
• 알고리즘은 재귀적으로 작동하며, 개방회로 전압이나 내부 임피던스에 대한 명시적 지식 없이도 실시간으로 모듈 매개변수를 추정한다.
• PWM로 구동되는 MOSFET를 갖춘 보충 전류 레귤레이터가 각 배터리 모듈의 출력 전압을 조절하여 원하는 전류 균형을 달성한다.
• 시스템은 아두이노 유노를 사용하여 아날로그 핀을 통해 실시간 전압과 전류를 읽고, 스케줄링 및 데이터 로깅을 위한 호스트 컴퓨터에서 실행되는 MATLAB과 통신한다.
• 재귀적 수식은 운영 중 변화하는 배터리 매개변수에 적응할 수 있도록 하여 장기적인 강인성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다른 전기적 특성을 지닌 병렬 연결된 배터리 모듈에서 실시간으로 전류 불균형을 어떻게 최소화할 수 있는가?
• RQ2 개별 모듈의 매개변수에 대한 명시적 지식 없이도 최적의 전류 균형을 달성할 수 있는 제어 전략은 무엇인가?
• RQ3 시간에 따라 변하는 외부 하중과 변화하는 배터리 조건 하에서도 재귀 최적화 접근법이 전류 균형을 유지할 수 있는가?
• RQ4 실제 실험 환경에서 세 개의 배터리 모듈을 대상으로 중앙집중식 재귀 스케줄링이 전류 균형을 얼마나 효과적으로 달성하는가?

주요 결과

• 제안된 방법은 내부 임피던스가 다른 세 병렬 배터리 모듈(3 Ω, 4.5 Ω, 6 Ω)을 시간에 따라 변하는 외부 하중 조건 하에서 성공적으로 전류 균형을 맞췄다.
• 하중 조건이 10 Ω에서 100 Ω로 변화하고 다시 돌아오는 동안에도 700초 동안 전류가 매우 유사하게 유지되었으며, 변화에 대비한 최소한의 편차를 보였다.
• 가장 높은 임피던스를 지닌 모듈(6 Ω)은 100% PWM 듀티 사이클로 고정되어 있어, 전류 균형을 맞추기 위해 가장 큰 전압 감소가 필요했음을 나타낸다.
• 재귀 알고리즘이 실시간으로 하중 조건 변화에 적응하여, 스트레스를 방지하기 위해 PWM을 5초 간격으로 점차 증가시키는 방식으로 전류 균형을 유지하였다.
• 실험 결과는 중앙집중식 재귀 스케줄링 방법이 임의의 전류를 최소화하고 총 버스 전류를 최대화하는 데 실현 가능하고 효과적임을 확인하였다.
• 이 방법은 매개변수 변화와 노후화 영향에 대해 강인성을 보였으며, 재사용 및 교환 가능한 배터리 시스템에서의 적용 가능성을 뒷받침한다.