[论文解读] 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 5

一句话总结

本文提出了一种轻量稀疏分层部分功率处理（LS-HiPPP）架构，通过在异构电池组存在的情况下，减少转换器额定值和成本，同时最大化电池利用率，从而优化二手电池储能系统（2-BESS）。该方法通过在分层结构中战略性地分配功率转换器，并利用电池功率异质性的统计建模，实现了比传统部分功率处理（C-PPP）更高的系统效率和更优的成本-性能权衡。

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.

研究动机与目标

• 解决由于不同化学成分、容量和剩余使用寿命导致的异构电池组引起的二手电池储能系统（2-BESS）性能退化和成本低效问题。
• 通过最小化所需转换器类型的数量并降低转换器额定值，实现智能功率分配，从而降低2-BESS中电力转换的成本和复杂性。
• 在系统设计阶段考虑输入二手电池组之间功率异质性的统计分布，以最大化2-BESS中的电池利用率。
• 与传统部分功率处理（C-PPP）架构相比，实现系统效率与转换器成本之间更优的权衡。
• 通过仅使用极少数相同转换器组，利用规模经济效应，实现2-BESS的可扩展部署。

提出的方法

• 开发一种轻量稀疏分层部分功率处理（LS-HiPPP）架构，通过在多个层级上分层分配功率转换器，降低单个转换器的额定值。
• 对输入二手电池组的功率异质性统计分布进行建模，以指导最优转换器选型和功率流设计。
• 采用分层结构分配功率处理任务，使得仅使用极少数相同类型的转换器，从而实现规模经济。
• 设计BESS内的功率流，仅通过高效率转换器处理必要功率，从而降低整体功率损耗和成本。
• 将电池组可变性的统计分析整合到系统级设计中，以确保在多样化电池输入下仍具备鲁棒性能。
• 通过最小化总转换器额定值，对系统进行优化，同时保持高系统效率并最大化电池利用率。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在2-BESS中优化部分功率处理，以应对二手电池组在统计上的可变性和异质性？
• RQ2 何种架构配置能够在保持高效率的同时，降低2-BESS中转换器的额定值和系统成本？
• RQ3 与传统部分功率处理（C-PPP）相比，LS-HiPPP架构在系统效率和电池利用率方面提升了多少？
• RQ4 是否可以仅使用一组极少数的相同功率转换器，实现2-BESS系统的可扩展性和成本降低？
• RQ5 考虑电池功率异质性的统计分布，对整体系统性能和转换器尺寸有何影响？

主要发现

• 在所有测试场景中，LS-HiPPP架构的系统效率均高于传统部分功率处理（C-PPP）。
• 由于分层功率分配，LS-HiPPP显著降低了转换器额定值，从而减少了每个转换器所需的功率容量。
• 仅使用极少数相同转换器组即可实现规模经济，从而降低整体系统成本。
• 该方法通过适应二手电池组功率异质性的统计分布，有效实现了电池利用率的最大化。
• 与其它架构相比，LS-HiPPP在电池利用率与转换器成本之间提供了最佳权衡。
• 即使在处理来自不同化学成分和健康状态的电池的功率时，系统仍能保持高效率。