[论文解读] Degradation-Reducing Control for Dynamically Reconfigurable Batteries

Tomas Kacetl, Jan Kacetl+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 23, 2022

Advanced Battery Technologies Research被引用 4

一句话总结

本文提出了一种基于模块化多电平变换器（MMC）拓扑的动态可重构电池系统高带宽、面向模块电流的控制技术。通过增强反馈带宽和基于观测的估计，最小化单个电池模块中的低频电流纹波，该方法减轻了由应力引起的退化；实验验证表明，显著抑制了低频负载分量，直接缓解了与低频纹波相关的退化机制。

ABSTRACT

Cascaded circuits such as modular multilevel con-verters (MMC) offer attractive qualities in reconfigurable battery applications. In contrast to conventional hard-wired dc battery packs, the MMC topology loads modules with ac current, which may lead to additional ageing of batteries. As recent studies reveal, such ageing of batteries occurs at low-frequency load ripple, and almost vanishes at high frequencies. State of the art in MMC bat-tery control focuses on state of charge and temperature balancing of individual modules. Previous methods to suppress ripple rely on slow feedback loops and low dynamics, which tends to form low-frequency patterns in the module load that negatively contribute to their ageing. This paper presents a novel module-current-oriented high-bandwidth control technique which minimizes low-frequency components in the module load spectrum. The control method respects limitations related to module data acquisition and enhanc-es the feedback bandwidth using observation techniques. We verify the proposed method experimentally on a laboratory setup and estimate the influence on the battery cells.

研究动机与目标

• 解决基于模块化多电平变换器（MMC）拓扑的动态可重构电池系统中，由于模块电流中存在低频电流纹波而导致的电池加速退化问题。
• 克服传统控制方法依赖缓慢反馈环路的局限性，这些方法无意中产生低频负载模式，从而加剧退化。
• 开发一种高带宽控制策略，以最小化模块电流频谱中的低频分量，同时满足数据采集带宽的限制。
• 通过观测技术增强反馈带宽，以提高动态响应，而无需依赖高速直接测量。
• 通过实验验证所提控制方法在减少导致退化的电池单体电流纹波方面的有效性。

提出的方法

• 设计了一种面向模块电流的控制框架，以直接调节基于MMC系统的单个电池模块的电流频谱。
• 通过状态估计技术实现高带宽反馈，以补偿有限的数据采集带宽，从而实现更快的控制更新。
• 采用基于观测器的方法实时估计关键的电流和电压状态，从而实现对纹波分量的快速校正。
• 控制算法特别针对模块电流频谱中的低频分量进行抑制，这些分量是退化最显著的区域。
• 该方法在具有实时控制硬件的实验规模MMC电池原型上实现并进行了测试。
• 通过模块电流的频谱分析来量化纹波抑制效果，并评估退化缓解潜力。

实验结果

研究问题

• RQ1 电池模块中的低频电流纹波在多大程度上导致基于MMC的可重构电池系统中电池的加速退化？
• RQ2 与传统慢速反馈方法相比，高带宽控制在多大程度上能减少模块电流频谱中的低频分量？
• RQ3 基于观测的实时状态估计是否能有效提升反馈带宽，而无需依赖高速直接测量？
• RQ4 所提控制方法对电流纹波频谱的实验影响如何，其对电池退化的影响是什么？
• RQ5 与现有最先进的控制策略相比，该方法在退化缓解和动态响应方面表现如何？

主要发现

• 所提控制方法成功抑制了模块电流频谱中的低频分量，直接针对加速退化的主要来源。
• 实验结果表明，与传统控制相比，低频纹波幅度显著降低，且在多个频带中均表现出可测量的抑制效果。
• 基于观测器的反馈方法即使在数据采集带宽有限的情况下，也能实现有效的高带宽控制，从而改善动态响应。
• 频谱分析证实，主导的退化诱导频率分量得到衰减，从而减轻了对单个电池单体的应力。
• 该方法在实验规模装置上展示了实际可行性，验证了其在可重构电池系统中实际部署的潜力。
• 结果表明，通过针对性地对模块电流频谱进行整形，可有效缓解由低频纹波引发的退化机制。