Design and control of bidirectional dc-dc converters for modular battery energy storage systems
Modüler batarya enerji depolama sistemleri için çift yönlü DC-DC dönüştürücülerin tasarımı ve kontrolü
- Tez No: 939208
- Danışmanlar: DR. MOHAMMED ELGENDY, DR. ANDREW SMİTH, PROF. DR. VOLKER PİCKERT
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Newcastle Unıversıty
- Enstitü: Yurtdışı Enstitü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Son zamanlarda, dağıtılmış batarya enerji depolama sistemlerinin (BESS) merkezi batarya enerji depolama sistemlerine kıyasla çeşitli avantajlar sunduğu gösterilmiştir. Bu avantajlar arasında, batarya yönetim sistemlerinin (BMS) üzerindeki yükün azalması, daha düşük konvertör gerilim gereksinimi, arttırılmış güvenilirlik ve bireysel batarya modüllerinin güçlerinin kontrol edilebilmesi yer almaktadır. Bu durum aynı zamanda farklı batarya modülleri arasında esnek güç paylaşımı yapılmasına da imkân sağlar. Ancak, bu tür sistemler çok sayıda ek devre bileşeni gerektirir; bunlar arasında pasif bileşenler, anahtarlar, algılama ve sürücü devreleri bulunur. Bu tez çalışması, dağıtılmış BESS'lerde daha verimli bir güç paylaşım denetleyicisi oluşturmayı ve kullanılan devre bileşeni sayısını azaltmayı hedeflemektedir. Bu kapsamda, bireysel batarya modüllerinin şarj durumunu (SoC) ve sistem dönüşüm verimini dikkate alan güç paylaşım denetleyicileri önerilmiştir. İlk olarak, performansı modüller arası SoC farkına bağlı olan adaptif bir güç paylaşım denetleyicisi sunulmuştur. Ardından, SoC farkından bağımsız olarak çalışan, verimlilik temelli optimize edilmiş bir güç paylaşım denetleyicisi ele alınmıştır. Bu yöntemle, bataryaların güç seviyeleri ne olursa olsun sistem verimi maksimize edilmektedir. Önerilen algoritmaların etkinliğini göstermek amacıyla, her biri yarım köprü (half-bridge) DC-DC dönüştürücü ve 10 Ah, 12.8 V LiFePo4 batarya paketi içeren altı modüllü bir prototip sistem kurulmuş ve deneysel doğrulama yapılmıştır. Sonuçlar, sistemin boşalma (deşarj) modunda %5.05, şarj modunda ise %4.8'e kadar daha yüksek dönüşüm verimi sağladığını göstermektedir. Güç paylaşım denetleyicisine ek olarak, çok girişli dönüştürücülere dayalı yarı-dağıtılmış bir BESS yapısı da önerilmiştir. Bu yapıda, batarya paketlerinden oluşan bir grup, açma/kapama anahtarları üzerinden kendi çok girişli dönüştürücüsüne bağlanır ve bu dönüştürücüler seri olarak sisteme entegre edilir. Böylece, farklı modüllere bağlı batarya paketlerine farklı şarj/deşarj akımları uygulanabilir. Ancak, aynı çok girişli dönüştürücüye bağlı batarya paketleri aynı akımla şarj/deşarj edilir. Bu nedenle, modül seviyesi ve paket seviyesi dengesizlikleri dikkate alan iki kademeli dengeleme özelliğine sahip bir güç paylaşım denetleyicisi, yarı-dağıtılmış BESS'ler için önerilmiştir. Modüller arasındaki SoC dengesizliği, güç paylaşım denetleyicisi içerisinde hesaplanan göreli SoC'ye dayalı olarak uygulanan güç farkıyla giderilir. Aynı çok girişli dönüştürücüye bağlı batarya paketleri arasındaki paket seviyesi dengeleme ise bypass (devre dışı bırakma) yöntemiyle gerçekleştirilir. Önerilen çift girişli dönüştürücüye ait deneysel sonuçlar hem şarj hem de deşarj modları için sunulmuş ve elde edilen sonuçlar, önerilen yöntemlerin geçerliliğini ortaya koymuştur.
Özet (Çeviri)
It has recently been shown that Distributed battery energy storage systems (BESSs) have several advantages over central battery energy storage systems. These include lightening the load on battery management systems (BMSs), reduced converter voltage ratings, increased reliability, and the ability to control individual battery modules` powers. This also gives an opportunity for flexible power sharing amongst different battery modules. However, these systems require numerous additional circuit components, including passive components, switches, and sensing and drive circuits. This dissertation focuses on creating a more efficient power sharing controller and reducing the number of components used in Distributed BESSs. Power sharing controllers, which consider the state of charge (SoC) of individual battery modules, and the system conversion efficiency, have been proposed. Initially, an adaptive power sharing controller has been presented, whose performance depends on the SoC mismatch level. An efficiency-based optimised power sharing controller is then discussed, whose performance is independent of SoC mismatch level. For this method, the system efficiency is maximised at all battery power conditions, regardless of the degree of mismatch. To demonstrate the proposed algorithms effectiveness, a six-module prototype system, with each module consisting of a half bridge DC-DC converter and a 10 Ah, 12.8 V LiFePo4 battery pack, was constructed for the experimental validation. The results show that the systems conversion efficiency has been improved up to 5.05 % in discharging mode, and 4.8 % in charging mode. In addition to the power sharing controller, a multi-port converter based Partially-Distributed BESS has also been proposed to reduce the number of circuit components in the structure. In the proposed structure, a group of battery packs is connected to their corresponding multi-port converter via enable / disable switches, with each multi-port converter connected in series. Therefore, different battery charging / discharging currents can be applied to the battery packs connected to the different modules. However, the battery packs connected to the same multiport converter are charged / discharged with the same current, and therefore, a power sharing controller with a two-level balancing feature is proposed for Partially-Distributed BESSs considering the module-level and pack-level imbalances. The SoC imbalance amongst different modules is corrected using the applied power difference based on the modules relative SoC calculated within the power sharing controller. Pack-level balancing amongst the battery packs that are controlled by the same multi-port converter is achieved using bypassing. Experimental results for the proposed dual-port converter have been presented in both discharging and charging modes, and the results obtained validate the proposed schemes.
Benzer Tezler
- Esnek mimari yaklaşımı ile elektrikli araç güç treni tasarımına katkılar
Contributions to electric vehicle power train design by flexible architecture approach
İLKAN ÇETİN
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. DERYA AHMET KOCABAŞ
- A DC-DC modular multilevel converter design for HVDC interconnection
YGDA ara bağlantısı için da-da modüler çok seviyeli dönüştürücü tasarımı
ABDURRAHİM ERAT
Doktora
Türkçe
2025
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiGaziantep ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET METE VURAL
- Elektrikli araçlar için çift yönlü alçaltıcı-yükseltici DC-DC konvertör tasarımı ve kontrolü
Design and control of bidirectional buck-boost DC-DC converter for electric vehicles
BURHAN ŞEKER
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiTunceli ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. EYYÜP ÖKSÜZTEPE
- Design and modeling of multiport DC-DC converter for renewable energy sources and energy storage integrated system
Yenilenebilir enerji kaynakları ve enerji depolama entegre sistemleri için çok portlu DC-DC dönüştürücü tasarımı ve modellemesi
ALİHAN ATAY
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiAdana Alparslan Türkeş Bilim ve Teknoloji ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MURAT MUSTAFA SAVRUN
- İki yönlü üç seviyeli T-tipi LLC rezonans izole DA-DA dönüştürücünün tasarımı ve analizi
Design and analysis of bidirectional three level T-type LLC resonant isolated DC-DC converter
KEMAL KALAYCI
Doktora
Türkçe
2024
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSakarya ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. UĞUR ARİFOĞLU
DR. ÖĞR. ÜYESİ ONUR DEMİREL