With the widespread use of modern clean energy, lithium-ion batteries have become essential as a more reliable energy storage component in the energy Internet. However, due to the difference in monomers, some of the battery over-charge or over-discharge in battery packs restrict their use. Therefore, a novel multiphase interleaved converter for reducing the inconsistencies of the individual cells in a battery pack is proposed in this paper. Based on the multiphase converter branches connected to each lithium battery, this circuit realizes energy transferred from any cell(s) to any other cell(s) complementarily. This flexible interlaced converter is composed of an improved bi-directional Buck-Boost circuit that is presented with its own available control method. A simulation model based on the PNGV model of fundamental equalization is built with four cells in PSIM. Simulation and experimental results demonstrate that converter and its control achieve simple and fast equalization. Furthermore, a comparison of traditional methods and the HNFABC equalization is provided to show the performance of the converter and the control of lithium-based battery stacks.
Many equalization circuits have been proposed to improve pack performance and reduce imbalance. Although bidirectional equalization topologies are promising in these methods, pre-equalization global equalization strategy is lacking. This study proposes a novel state-of-charge (SoC) equalization algorithm for bidirectional equalizer based on particle swarm optimization (PSO), which is employed to find optimal equalization time and steps. The working principle of bidirectional equalization topologies is analyzed, and the reason behind the application of SoC as a balancing criterion is explained. To verify the performance of the proposed algorithm, a pack with 12 LiFePO4 batteries is applied in the experiment. Results show that the maximum SoC gap is within 2% after equalization, and the available pack capacity is enhanced by 13.2%. Furthermore, a comparison between previously used methods and the proposed PSO equalization algorithm is presented. Experimental tests are performed, and results show that the proposed PSO equalization algorithm requires fewer steps and is superior to traditional methods in terms of equalization time, energy loss, and balancing performance.
In this paper, a three-port bidirectional modular circuit applied in charging and discharging equalization for lithium-ion battery strings is proposed. This circuit consists of four MOSFETs and one transformer which provide a simple structure to be easily modularized. Compared to conventional individual cell equalization schemes, it utilizes the transformer as the energy transfer element, allowing direct transfer of energy between arbitrary two cells of three-cell battery module, thus improving the equalization efficiency significantly by using much less number of equalizers for long battery strings. Simulation results are presented to validate the circuit operation and confirm its capability to equalize the three-cell battery module.
This paper presents a low voltage-stress AC-linked charge equalizing system for balancing the energy in a serially connected, valve-regulated lead acid battery string using a modular converter that consists of multiple transformers coupled together. Each converter was coupled through an AC-linked bus to increase the overall energy transfer efficiency of the system and to eliminate the problem of the unbalanced charging of batteries. Previous solutions are based on centralized and modularized topologies. A centralized topology requires a redesign of the hardware and related components. It also faces a high voltage stress when the number of batteries is expanded. Modularized solutions use low-voltage-stress, double-stage, DC-linked topologies which leads to poor energy transfer efficiency. The proposed solution uses a low-voltage stress, AC-linked, modularized topology that makes adding more batteries easier. It also has a better energy transfer efficiency. To ensure that the charge equalization system operates smoothly and safely charges batteries, a small intelligent microcontroller was used in the control section. The efficiency of this charge equalization system is 85%, which is 21% better than other low-voltage-stress DC-linked charging techniques. The validity of this approach was confirmed by experimental results.
In hybrid energy storage systems, supercapacitors are usually connected in series to meet the required voltage levels. Equalizers are effective in prolonging the life of hybrid energy storage systems because they eliminate the voltage imbalance on cells. This study proposes a modularized equalizer, which is based on a combination of a half-bridge inverter, an inductor, and two auxiliary capacitors. The proposed equalizer inherits the advantages of inductor-based equalization systems, but it also offers unique merits, such as low switching losses and an easy-to-use control algorithm. The zero-voltage switching scheme is analyzed, and the power model is established. A fixed-frequency operation strategy is proposed to simplify the control and lower the cost. The switching patterns and conditions for zero-voltage switching are discussed. Simulation results based on PSIM are presented to verify the validity of the proposed equalizer. An equalization test for two supercapacitor cells is performed. An experimental hybrid energy storage system, which consists of batteries and supercapacitors, is established to verify the performance of the proposed equalizer. The analysis, simulation results, and experimental results are in good agreement, thus indicating that the circuit is practical.
Park, Hong-Sun;Kim, Chong-Eun;Moon, Gun-Woo;Lee, Joong-hui
Proceedings of the KIPE Conference
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2007.07a
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pp.241-243
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2007
Two-stage charge equalization scheme for HEV lithium-ion battery string is proposed with the optimal power rating design rule in this paper, where in the first stage the over charged energy of higher voltage cells is drawn out to the single common output capacitor and then, that discharged energy is recovered into the overall battery stack in the second stage. To achieve charge equalization of sort, the conventional flyback DC/DC converters of low power and minimized size are employed. The industrial sample employing both the proposed two-stage cell balancing scheme and the optimal power rating design rule shows good cell balancing performance with reduced size as well as low voltage stresses of the electronic devices.
Park, Hong-Sun;Kim, Chong-Eun;Moon, Gun-Woo;Lee, Joong-Hui
Proceedings of the KIPE Conference
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2007.07a
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pp.347-349
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2007
Charge equalization scheme for HEV lithium-ion battery system is proposed in this paper, where all the primary windings with in parallel bi-directional switches are coupled in series to provide the equalizing energy from the whole battery string to the specific under charged cells. Moreover, to realize minimized size of equalization circuit employing the proposed cell balancing scheme, the optimal power rating design rule according to equalization time and SOC distribution of imbalance is proposed. A prototype of HEV lithium-ion battery system of four cells shows the outstanding charge equalization performance while maintaining greatly reduced size of cell balancing circuit.
Kim, Chol-Ho;Park, Hong-Sun;Kim, Chong-Eun;Moon, Gun-Woo;Lee, Joong-Hui
Journal of Power Electronics
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v.9
no.3
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pp.472-480
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2009
In this paper, a charge equalization converter with parallel-connected primary windings of transformers is proposed. The proposed work effectively balances the voltage among Lithium-Ion battery cells despite each battery cell has low voltage gap compared with its state of charge (SOC). The principle of the proposed work is that the equalizing energy from all battery strings moves to the lowest voltage battery through the isolated dc/dc converter controlled by the corresponding solid state relay switch. For this research a prototype of four Lithium-Ion battery cells is optimally designed and implemented, and experimental results show that the proposed method has excellent cell balancing performance.
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.
The Journal of Korean Institute of Communications and Information Sciences
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v.35
no.9A
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pp.835-843
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2010
Energy spreading transform (EST) based equalization is a very effective technique to remove inter symbol interference (ISI) in frequency selective channel. EST based system uses cyclic prefix (CP) similar to orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) system. Since CP is a redundancy, it degrades the data transmission rate. RISIC is an algorithm that removes an inter block interference (IBI) caused by insufficient CP length and reconstructs CP. In this paper, we propose a system that combines the existing EST system with quadrature phase shift keying (QPSK) modulation and RISIC algorithm to enhance the efficiency of the transmission. Also we extend the proposed system to 16 quadrature amplitude modulation (QAM) modulation. The proposed system is shown to performance close to matched filter bound (MFB) even with insufficient CP.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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