[논문 리뷰] Dual-Port Dynamically Reconfigurable Battery with Semi-Controlled and Fully-Controlled Outputs

Nima Tashakor, J. Kacetl외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 06. 03.

HVDC Systems and Fault Protection인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 전기자동차 및 전력망 저장 시스템에서 사용되는 재구성 가능한 배터리 시스템의 주 DC 링크를 위한 비격리된 반제어형 포트와 보조 시스템을 위한 완전히 격리되고 완전히 제어 가능한 포트를 제공하는 双포트(dynamically reconfigurable) 배터리 시스템을 제안한다. 추가적인 활성 스위치 없이 기존의 컨버터 토폴로지를 활용함으로써, 최적의 인버터 작동을 유지하면서도 안전 기준을 충족하는 보조 전원을 확보한다. 이는 광범위한 전압 범위에서 시뮬레이션과 실험을 통해 검증되었다.

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.

연구 동기 및 목표

• 전기자동차 및 전력망 저장 시스템에서 사용되는 재구성 가능한 배터리 시스템에 의한 격리된 보조 전원의 부족을 해결하기 위해.
• 배터리 모듈의 동적 재구성으로 효율성 향상, 고장 내성 향상 및 가장 약한 세포에 대한 의존도 감소를 위해.
• 추가적인 활성 스위치 없이도 보조 시스템을 위한 갈바니크하게 격리된 출력을 제공하기 위해.
• 비격리된 반제어형 포트를 통해 주 인버터의 최적 작동 조건을 유지하기 위해.
• 기존의 모듈형 배터리 컨버터 아키텍처와 원활하게 통합 가능한 넓은 전압 범위에서 작동하는 제어기를 개발하기 위해.

제안 방법

• 모듈식 다중레벨 컨버터(MMC)와 카스케이드형 H브릿지(CHB) 토폴로지를 활용하여 배터리 서브모듈의 동적 재구성을 가능하게 한다.
• 이중 포트 아키텍처를 구현한다: 주 DC 링크를 위한 비격리된 반제어형 포트와 보조 부하를 위한 격리된 완전 제어형 포트.
• 보조 포트는 풀스택터를 사용하여 갈바니크하게 격리되며, 주 포트와 독립적인 제어를 수행한다.
• 컨트롤러는 배터리 서브모듈의 직렬-병렬 연결 구성을 동적으로 조정하여 최적의 DC 링크 전압을 유지한다.
• 보조 포트에 추가적인 활성 스위치를 사용하지 않으며, 전력 전달은 본질적인 컨버터 토폴로지와 제어 논리에 의해 이루어진다.
• 시스템은 광범위한 입력 전압 범위에서 작동하도록 설계되어 다양한 응용 분야에서의 유연성을 향상시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 추가 스위치 없이도 재구성 가능한 배터리 시스템이 반제어형 주 포트와 완전 제어형 격리된 보조 포트를 동시에 제공할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 배터리 모듈의 동적 재구성을 가능하게 하면서도 최적의 DC 링크 전압을 유지할 수 있는 제어 전략은 무엇인가?
• RQ3 모듈식 배터리 컨버터에서 효율성 또는 복잡성에 손상 없이 보조 시스템을 위한 갈바니크한 격리를 달성할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ4 시스템의 성능은 광범위한 입력 전압 및 부하 조건에서 어떻게 평가되는가?
• RQ5 기존의 재구성 가능한 배터리 시스템과 비교할 때, 제안된 토폴로지는 고장 내성 및 시스템 모듈성 측면에서 어떻게 다른가?

주요 결과

• 제안된 시스템은 추가적인 활성 스위치 없이도 보조 부하에 대해 완전히 격리되고 완전히 제어 가능한 출력을 성공적으로 제공하여 안전 규정을 충족한다.
• 비격리된 반제어형 포트는 주 DC 링크 전압을 최적에 가깝게 유지하여 인버터 효율을 향상시킨다.
• 시스템은 광범위한 입력 전압 범위에서 효과적으로 작동하여 내구성과 확장성을 입증한다.
• 시뮬레이션 및 실험 결과는 동적 재구성 조건 하에서 제어 전략의 정확성과 안정성을 확인한다.
• 추가 스위치의 부재는 시스템의 복잡성과 비용을 감소시키면서도 높은 신뢰성과 고장 내성을 유지한다.
• 토폴로지는 내재된 고장 내성과 함께 모듈식 설계를 가능하게 하여 가장 약한 배터리 세포에 대한 의존도를 감소시킨다.