This paper analyzes a symmetric active cell balancer for a battery management system. The considered cell balancer uses a forward converter in which the circuit structure is symmetric. This cell-balancing method uses fewer switches and is simpler than the previously proposed active cell-balancing circuits. Active power switches of this cell-balancing circuit operate simultaneously with the same pulse width modulation signals. Therefore, this cell-balancing circuit requires less time to be balanced than a previous bidirectional-forward-converter-based cell balancer. This paper analyzes the operational principles and modes of this cell balancer with computer-based circuit simulation results as well as experimental results in which each unbalanced cell is equalized with this cell balancer. The maximum power transfer efficiency of the investigated cell balancer was 87.5% from the experimental results. In addition to the experimental and analytical results, this paper presents the performance of this symmetric active cell-balancing method.
This paper presents a cell balancing method for a single switch flyback converter with a multi-winding transformer. The conventional method using a flyback converter with a multi-winding transformer is simple and easy to control, but the voltage of each secondary winding coil might be non-uniform because of the unequal effective turn-ratio. In particular, it is difficult to control the non-uniform effect using turn-ratios because secondary coil has a limited number of turns. The non-uniform secondary voltages disturb the cell balancing procedure and induce an unbalance in cell voltages. Individual cell control by adding a switch for each cell can reduce the undesirable effect. However, the circuit becomes bulky, resulting in additional loss. The proposed method here uses the conventional flyback converter with an adjustment made to the output filters of the cells, instead of the additional switch. The magnitude of voltage applied to a particular cell can be reduced or increased according to the adjusted filter and the selected switching frequency. An analysis of the conventional converter configuration and the filter design method reveals the possibility of adequate cell balancing control without any additional switch on the secondary side.
리튬 폴리머 배터리는 높은 안전성, 빠른 충전 및 긴 라이프 사이클 등으로 인해 에너지 저장치(ESS: Energy Storage System), 전기자동차(EVs: Electric Vehicles)등에 채택이 되어 사용되고 있으며, 그리고 현재는 농업용 드론에서 까지 사용이 되고 있다. 그러나 리튬 폴리머 배터리는 과충 방전에는 리튬-이온 배터리 내의 격차구조가 파괴되어 배터리 수명이 줄어들게 되며, 과충 방전을 방지하기 위해 불균등한 셀 전압을 균등 제어 할 수 있는 셀 밸런싱 시스템이 필수적이다. 본 논문은 각 셀의 충 방전할때의 전압차이를 검출하여 불균형된 셀을 확인하여 비선형 시스템에 적합한 퍼지 제어기를 개발하여 적용한 셀별 밸런싱 알고리즘을 제안한다. 본 논문은 농업용 드론의 배터리팩의 셀 밸런싱을 퍼지제어를 하여 셀 간 균등 제어를 위해 설계하였으며, 최종 결과로 셀 간 밸런싱이 잘 되는지 확인하고 자 셀이 2개 있을 때와 6개 그리고 최종적으로 12개의 각 셀 밸런싱이 되는지를 확인하였다. 이는 다른 제품에도 사용할 수 있는지를 실험하고자 하였으며, 확인결과 사용된 셀의 개수와는 관계없이 셀별 밸런싱이 잘 되고 있음을 확인하였다.
A model predictive control (MPC) method without individual PWM has been recently researched to simplify and improve the control flexibility of a multilevel inverter. However, the input power of each H-bridge cell and the switching frequency of switching devices are unbalanced because of the use of a restricted switching state in the MPC method. This paper proposes a control method for balancing the switching patterns and cell power supplied from each isolated dc source of a cascaded H-bridge inverter. The supplied dc power from isolated dc sources of each H-bridge cells is balanced with the proposed cell balancing method. In addition, the switching frequency of each switching device of the CHB inverter becomes equal. A simulation and experimental results are presented with nine-level and five-level three-phase CHB inverter to validate the proposed balancing method.
In this paper a cell-to-cell fast charge balancing circuit for the Lithium-Ion battery module is proposed. In the proposed topology the energy in a high voltage cell is transferred directly to a low voltage cell through the operation of the dc-dc converter. Furthermore, the charge balancing can be performed regardless of the battery operation whether it is being charged, discharged or relaxed. The monitoring circuit composed of a DSP and a battery monitoring IC is designed to monitor the cell voltage and detect the inferior cell thereby protecting the battery module from failure. In order to demonstrate the performance of the proposed topology, a prototype circuit was designed and applied to 12 Lithium-Ion battery module. It has been verified with the experiments that the charge equalization time of the proposed method was shorter compared with those of other methods.
기존의 화석연료와 발전기를 통하여 에너지를 생산하고 즉시 소모하던 방식에서 에너지를 저장하고 효율적으로 생산하고 이용하기 위한 에너지저장장치(ESS, Energy Storage System)가 개발되었다[1]. 이러한 에너지저장장치에 현재까지 2차전지 리튬이온(Li-ion) 배터리를 가장 많이 사용하고 있다. 따라서 리튬이온 배터리의 성능, 수명, 안전성을 향상시키기 위하여 셀(Cell) 단위로 관리하는 BMS(Battery Management System)의 역할이 매우 중요하다[2]. 특히 BMS의 기능 중 셀 간의 불균형 전압을 균형적으로 맞추는 셀 밸런싱(Cell Balancing) 기법은 에너지저장장치에서 배터리의 최적화를 도모할 수 있다. 이러한 최적화를 통해 모든 셀이 동일한 전압과 용량을 유지하여 성능향상, 출력 안정성을 유지할 수 있다[3]. 따라서 본 논문에서는 셀 간의 불균형이 발생한 리튬이온 배터리를 충전할 때 BMS의 기능 중 하나인 셀 밸런싱 기법의 동작 특성에 대하여 살펴보고자 한다.
This paper introduces a new scheme to balance the DC bus voltages of a cascaded H-bridge converter which is used as a Distribution Static Synchronous Series Compensator (D-SSSC) in electrical distribution network. The aim of D-SSSC is to control the power flow between two feeders from different substations. As a result of different cell losses and capacitors tolerance the cells DC bus voltage can deviate from their reference values. In the proposed scheme, by individually modifying the reference PWM signal for each cell, an effective balancing procedure is derived. The new balancing procedure needs only the line current sign and is independent of the main control strategy, which controls the total DC bus voltages of cascaded H-bridge. The effect of modulation index variation on the capacitor voltage is analytically derived for the proposed strategy. The proposed method takes advantages of phase shift carrier based modulation and can be applied for a cascaded H-bridge with any number of cells. Also the system is immune to loss of one cell and the presented procedure can keep balancing between the remaining cells. Simulation studies and experimental results validate the effectiveness of the proposed method in the balancing of DC bus voltages.
In this paper a direct cell-to-cell charge balancing circuit which can transfer the charge from any cell to any cell in the battery string is introduced. In the proposed topology the energy in the high voltage cell is transferred to the low voltage cell through the simple operation of a dc-dc converter to get fast equalization. Furthermore, the charge equalization can be performed regardless of the battery module operation whether it is being charged, discharged or relaxed. The monitoring circuit composed of a DSP and a battery monitoring IC is designed to monitor the cell voltage and protect the battery. In order to demonstrate the advantages of the proposed topology, a prototype circuit was designed and applied to 12 Lithium-Ion battery module. It has been verified with the experiments that the charge equalization time of the proposed method was shortest compared with those of other methods.
Recently, in accordance with the demand for a large capacity of a secondary battery according to an increase in the demand for energy storage devices, a modular series battery configuration is essential. Accordingly, various cell balancing techniques have been proposed to prevent high efficiency and performance degradation of the battery. In this paper, propose a battery voltage balancing topology consisting of a flyback DC/DC converter type of a SIMO (Single-Input-Multiple Output) two-switch configuration for a series battery configuration. The proposed topology shows a structure in which a DC/DC converter connected to each module and a battery cell share one transformer. The topology cell balancing operation is a principle in which the voltage balancing converter of the battery converges to the same value through a transformer that shares a magnetic flux with the cells constituting the module through a single high-frequency transformer. In this paper, the dynamic characteristics analysis of the proposed circuit using PSIM was based and it was verified through experiments on one module.
This paper proposes a series-connected power conversion system that integrates a photovoltaic power conditioner and a charge-balancing circuit. In conventional methods, a photovoltaic power conditioner and a cell-balancing circuit are needed for photovoltaic systems with energy storage devices, which results in a complex configuration and high cost. To overcome these problems, a series-connected DC-DC power conditioning system that integrates a photovoltaic power conditioner with a charge-balancing circuit is proposed. During the generation, the system operates as power conditioner only, whereas it operates as a cell balancing circuit during the rest time. For the analysis, the operating principle of the circuit and the controller design are done by PSIM simulation. For verification, a hardware prototype with 48-W photovoltaic modules has been implemented. Results verified that the modularized photovoltaic power conversion system with a series-connected storage successfully works with the proposed method.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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