[论文解读] 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 7

一句话总结

本文提出了一种双端口、可动态重构的电池系统，为主直流母线提供非隔离半控端口，为辅助系统提供完全隔离、完全受控的端口。通过利用现有变换器拓扑结构，无需额外的有源开关，系统在保持逆变器最佳运行状态的同时，确保了符合安全规范的辅助电源，该方案已在宽电压范围内通过仿真和实验得到验证。

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.

研究动机与目标

• 解决电动汽车和电网储能中可重构电池系统缺乏隔离辅助电源的问题。
• 实现电池模块的动态重构，以提升效率、增强故障容错能力，并降低对最弱电池单元的依赖。
• 在不增加额外有源开关的前提下，为辅助系统提供电气隔离输出。
• 通过非隔离半控端口维持主逆变器的最佳工作状态。
• 开发一种支持宽电压运行且可无缝集成至现有模块化电池变换器架构的控制器。

提出的方法

• 系统采用模块化多电平变换器（MMC）和级联H桥（CHB）拓扑结构，实现电池子模块的动态重构。
• 采用双端口架构：一个非隔离半控端口用于主直流母线，一个隔离全控端口用于辅助负载。
• 通过变压器实现辅助端口的电气隔离，其控制与主端口相互独立。
• 控制器动态调整电池子模块的串并联配置，以维持最优直流母线电压。
• 辅助端口未使用额外的有源开关；电能传输通过固有的变换器拓扑结构和控制逻辑实现。
• 系统设计支持宽输入电压范围运行，增强了在多样化应用场景下的灵活性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在不增加额外开关的前提下，使可重构电池系统同时提供半控主端口和全控隔离辅助端口？
• RQ2 何种控制策略可在维持最优直流母线电压的同时实现电池模块的动态重构？
• RQ3 如何在模块化电池变换器中实现辅助系统的电气隔离，同时不降低效率或增加复杂度？
• RQ4 该系统在宽输入电压范围和不同负载条件下的性能表现如何？
• RQ5 与现有可重构电池系统相比，该拓扑在故障容错能力和系统模块化方面有何优势？

主要发现

• 所提出的系统成功实现了对辅助负载的完全隔离和完全受控输出，满足安全规范要求，且无需额外有源开关。
• 非隔离半控端口可将主直流母线电压维持在接近最优水平，从而提升逆变器效率。
• 系统在宽输入电压范围内运行良好，展现出强健性与可扩展性。
• 仿真与实验结果证实了控制策略在动态重构条件下的正确性与稳定性。
• 由于无需额外开关，系统复杂度与成本降低，同时保持了高可靠性与故障容错能力。
• 该拓扑支持模块化设计并具备固有的故障容错能力，显著降低了对最弱电池单体的依赖。