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储能系统技术 储能系统 ★ 5.0

一种用于电动车辆电池-超电容混合储能系统的灵活双向多端口变换器

A Flexible Bidirectional Multiport Converter for Battery-Ultracapacitor Hybrid Energy Storage System in Electrified Vehicles

作者 Pratim Bhattacharyya · Siddheswar Sen · Santu Kumar Giri · Soumitra Ghorai
期刊 IEEE Transactions on Energy Conversion
出版日期 2024年7月
技术分类 储能系统技术
技术标签 储能系统
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 混合动力储能系统 多端口转换器 电动汽车 功率管理 高频开关
语言:

中文摘要

为了增强电动车辆(EV)混合储能系统(HESS)中电池与超级电容器(UC)之间的功率管理,需要一种在功率传输方面具有灵活性的多端口变换器。为此,本文提出了一种双向双输入单输出多端口变换器,该变换器仅采用两个高频(HF)开关即可实现功率流的动态灵活性。该变换器包含一对专用的电流通路,用于处理高、低水平的电流。根据电动车辆的动态负载功率情况,这些电流通路可灵活地与所需的储能装置重新分配连接。这使得能够根据电动车辆负载曲线的变化特性,在三个端口之间灵活调控功率流。此外,该变换器在每个可能的功率流方向上都能确保单级功率处理,同时对每个功率流路径进行独立控制。所有这些特性仅通过使用两个高频开关即可实现,从而展示了组件的合理共享,简化了门极驱动和控制。通过MATLAB/Simulink仿真以及在1kW实验室规模硬件原型上的实验,验证了所提出的多端口变换器在电动车辆动态负载曲线下的性能。

English Abstract

To augment the power management among battery and ultracapacitor (UC) in a hybrid energy storage system (HESS) for electrified vehicles (EVs), a multiport converter having flexibility in power transfer is desirable. With this objective, a bidirectional dual input single output multiport converter is proposed, which can achieve dynamic flexibility of power flow by employing only two high frequency (HF) switches. The converter comprises a pair of dedicated current flow paths to process high and low level of currents. The current flow paths can be flexibly re-allocated with the desired energy storage depending upon the dynamic load power scenarios of an EV. This enables in maneuvering the flow of power between the three ports according to the nature of variations in an EV load profile. Furthermore, the converter ensures single stage power processing in every possible power flow direction while providing independent control over each power flow path. All these features are obtained by utilizing only two HF switches, thereby demonstrating judicious sharing of components with simplified gate driving and control. The performance of the proposed multiport converter corresponding to dynamic EV load profiles is validated through simulation in MATLAB/Simulink and experimentation on a 1 kW laboratory scale hardware prototype.
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SunView 深度解读

从阳光电源储能系统及新能源车载电源业务角度看,该论文提出的电池-超级电容混合储能多端口变换器技术具有显著的应用价值。该技术通过仅使用两个高频开关实现双向双输入单输出的灵活功率管理,核心创新在于根据电动汽车动态负载场景灵活分配高低电流路径,这与阳光电源在储能变流器(PCS)领域追求的高效率、高集成度目标高度契合。

从业务协同角度分析,该技术对阳光电源的储能系统产品线具有三重价值:首先,混合储能架构能够充分发挥电池的高能量密度和超级电容的高功率密度优势,这与阳光电源正在推进的"液冷储能+快速响应"系统方案形成技术互补;其次,单级功率变换和独立控制特性可显著提升系统效率,减少能量损耗,这对提升储能系统的全生命周期经济性至关重要;第三,简化的门极驱动和控制结构有助于降低系统复杂度和成本,符合储能系统商业化推广需求。

技术成熟度方面,论文已完成1kW实验室原型验证,但距离阳光电源储能系统动辄数百千瓦至兆瓦级的应用场景仍有较大差距。主要挑战包括:高功率等级下的开关器件选型与热管理、多端口协调控制算法在复杂工况下的鲁棒性、以及与阳光电源现有BMS和EMS系统的集成适配。

应用前景方面,该技术不仅适用于电动汽车,更可拓展至阳光电源的工商业储能和微电网场景,特别是需要频繁功率波动响应的应用。建议阳光电源关注该技术在大功率场景的扩展性研究,并评估将其纳入下一代储能变流器平台的可行性。