Published December 1, 2023 | Version v1
Publication

A Two-Stage Module Based Cell-to-Cell Active Balancing Circuit for Series Connected Lithium-Ion Battery Packs

  • 1. National Institute of Technology Karnataka
  • 2. Indian Institute of Technology Delhi

Description

This paper addresses a two-stage module based cell-to-cell active equalization topology based on a modified buck-boost converter for series connected Lithium-ion battery packs. In the proposed topology, initially module based equalizing currents are controlled. Subsequently, cell-based equalizers are controlled in parallel within each battery module. The proposed topology significantly reduces the balancing time by transferring higher balancing current from a strong cell to the weakest cell in a module directly. With the proposed topology's modularized design, reduces voltage stress on long strings of switches, resulting in improved performance with fewer components. The operating principle, control strategy and design constraints are analyzed in detail. The MATLAB/Simulink platform is utilized to demonstrate the feasibility of the proposed technique for balancing the energy in series connected battery cells. To reduce the complexity of the control approach, the digital control is implemented using an FPGA control board. Further, a laboratory prototype is developed to show the feasibility and operability of the proposed topology.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

تتناول هذه الورقة طوبولوجيا المعادلة النشطة القائمة على وحدة نمطية من خلية إلى خلية على مرحلتين بناءً على محول معزز باك معدل لحزم بطاريات ليثيوم أيون المتصلة بالسلسلة. في الطوبولوجيا المقترحة، يتم التحكم مبدئيًا في تيارات المعادلة القائمة على الوحدة. بعد ذلك، يتم التحكم في المعادلات القائمة على الخلايا بالتوازي داخل كل وحدة بطارية. تقلل الطوبولوجيا المقترحة بشكل كبير من وقت التوازن عن طريق نقل تيار توازن أعلى من خلية قوية إلى أضعف خلية في وحدة نمطية مباشرة. مع التصميم النمطي المقترح للطوبولوجيا، يقلل من إجهاد الجهد على سلاسل طويلة من المفاتيح، مما يؤدي إلى تحسين الأداء مع عدد أقل من المكونات. يتم تحليل مبدأ التشغيل واستراتيجية التحكم وقيود التصميم بالتفصيل. تُستخدم منصة ماتلاب/سيمولينك لإثبات جدوى التقنية المقترحة لموازنة الطاقة في خلايا البطارية المتصلة المتسلسلة. للحد من تعقيد نهج التحكم، يتم تنفيذ التحكم الرقمي باستخدام لوحة تحكم FPGA. علاوة على ذلك، تم تطوير نموذج أولي للمختبر لإظهار جدوى الطوبولوجيا المقترحة وقابليتها للتشغيل.

Translated Description (French)

Cet article traite d'une topologie d'égalisation active cellule à cellule basée sur un module à deux étages basé sur un convertisseur buck-boost modifié pour les batteries lithium-ion connectées en série. Dans la topologie proposée, les courants d'égalisation initialement basés sur des modules sont contrôlés. Par la suite, les égaliseurs à base de cellules sont commandés en parallèle dans chaque module de batterie. La topologie proposée réduit considérablement le temps d'équilibrage en transférant directement un courant d'équilibrage plus élevé d'une cellule forte à la cellule la plus faible dans un module. Avec la conception modulaire de la topologie proposée, réduit la contrainte de tension sur les longues chaînes de commutateurs, ce qui améliore les performances avec moins de composants. Le principe de fonctionnement, la stratégie de contrôle et les contraintes de conception sont analysés en détail. La plate-forme Matlab/Simulink est utilisée pour démontrer la faisabilité de la technique proposée pour équilibrer l'énergie dans les cellules de batterie connectées en série. Pour réduire la complexité de l'approche de commande, la commande numérique est mise en œuvre à l'aide d'un tableau de commande FPGA. En outre, un prototype de laboratoire est développé pour montrer la faisabilité et l'opérabilité de la topologie proposée.

Translated Description (Spanish)

Este documento aborda una topología de ecualización activa de celda a celda basada en módulos de dos etapas basada en un convertidor reductor-elevador modificado para paquetes de baterías de iones de litio conectados en serie. En la topología propuesta, inicialmente se controlan las corrientes de ecualización basadas en módulos. Posteriormente, los ecualizadores basados en celdas se controlan en paralelo dentro de cada módulo de batería. La topología propuesta reduce significativamente el tiempo de equilibrio al transferir directamente una corriente de equilibrio más alta de una celda fuerte a la celda más débil de un módulo. Con el diseño modularizado de la topología propuesta, reduce el estrés de voltaje en largas cadenas de interruptores, lo que resulta en un mejor rendimiento con menos componentes. El principio de funcionamiento, la estrategia de control y las restricciones de diseño se analizan en detalle. La plataforma MATLAB/Simulink se utiliza para demostrar la viabilidad de la técnica propuesta para equilibrar la energía en celdas de batería conectadas en serie. Para reducir la complejidad del enfoque de control, el control digital se implementa utilizando un tablero de control FPGA. Además, se desarrolla un prototipo de laboratorio para mostrar la viabilidad y operatividad de la topología propuesta.

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
دائرة موازنة نشطة قائمة على وحدة ثنائية المرحلة من خلية إلى خلية لحزم بطاريات ليثيوم أيون المتصلة بالسلسلة
Translated title (French)
Un circuit d'équilibrage actif cellule à cellule basé sur un module à deux étages pour les batteries lithium-ion connectées en série
Translated title (Spanish)
Un circuito de equilibrio activo de célula a célula basado en un módulo de dos etapas para paquetes de baterías de iones de litio conectados en serie

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4379528665
DOI
10.1109/tec.2023.3283424

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
India

References

  • https://openalex.org/W1967186391
  • https://openalex.org/W1988884984
  • https://openalex.org/W2005404370
  • https://openalex.org/W2015600822
  • https://openalex.org/W2018043005
  • https://openalex.org/W2023184971
  • https://openalex.org/W2029744978
  • https://openalex.org/W2040019496
  • https://openalex.org/W2048946908
  • https://openalex.org/W2064064400
  • https://openalex.org/W2081428327
  • https://openalex.org/W2082017273
  • https://openalex.org/W2090774257
  • https://openalex.org/W2111865108
  • https://openalex.org/W2124112723
  • https://openalex.org/W2126319350
  • https://openalex.org/W2257715495
  • https://openalex.org/W2495000743
  • https://openalex.org/W2520177845
  • https://openalex.org/W2523686011
  • https://openalex.org/W2752686884
  • https://openalex.org/W2809056713
  • https://openalex.org/W2946236114
  • https://openalex.org/W3005918902
  • https://openalex.org/W3006895303
  • https://openalex.org/W3007267408
  • https://openalex.org/W3134477344
  • https://openalex.org/W3179144550