State of charge (SOC) optimization of reconfigurable battery network

Abstract

Piller, özellikle lityum iyon (Li-ion) olmak üzere önemli bir enerji kaynağıdır. Şaşırtıcı kimyasal özellikleri, elektrikli araçlar (EV'ler) dahil olmak üzere birçok uygulama alanında onları favori haline getirdi. Sistem gereksinimlerini karşılamak için, sabit veya yeniden yapılandırılabilir bir yapıda birden fazla pil bağlanır. Bu mimarilerin karşılaştığı birçok sorun, özellikle de zayıf pil kullanımının aşılması da dahil olmak üzere sabit yapı göz önüne alındığında, bu çalışma, tüm sistem gereksinimlerini karşılamak için yeniden yapılandırılabilen gelişmiş bir pil sistemi önermektedir. Hasarlı bir pilin kullanımını atlama yeteneğine ek olarak, şarj olan bir pil, bağlantının geri kalanından tamamen ayrılabilir. Bu piller, seri, paralel veya hibrit olsun, belirli bir konfigürasyonda bağlandıklarında, tekrarlanan kullanım nedeniyle piller arasında şarj ve deşarj dengesizliğine neden olan bir performans hatasıyla karşı karşıya kalırlar. Pillerden biri aşırı şarj veya aşırı deşarj nedeniyle hasar görürse, sistemin genel performansı üzerinde kötü etkilere neden olabilir. Bu araştırma, pillerin yaşam döngülerini iyileştirmek için piller arasında bir denge sağlamak için gelişmiş bir pil yönetim sistemi önermektedir. Ayrıca, şarj için maksimum değeri veya minimum deşarj değeri sağlayarak pillerin aşırı şarj edilmesini veya aşırı boşalmasını önler, çünkü bu iki değerde pilin durumu deşarjdan şarja veya tam tersidir. Böylece çalışma süresi boyunca sistemin en üst seviyede çalışmasını sağlar. Bu çalışma aynı zamanda optimum yük voltajını sağlamak için bir optimizasyon algoritması önermektedir. Bu konfigürasyonun seçimi, her bir pil için gerekli voltajın yanı sıra şarj durumuna (SOC) bağlıdır. Sistemi çalışma süresi boyunca gerekli voltajla donatmak için bu tez, düşük şarjlı pili seri ve paralel konfigürasyonlarda boşalmaya hazır başka bir pil ile değiştirmek için bir algoritma önermektedir. Ayrıca hibrit konfigürasyonda iki konfigürasyon arasında köprü oluşturan ortak pil de değiştiriliyor. Tüm pillerin şarj olduğu göz önüne alındığında, bu araştırma, en az bir pil kullanılabilir hale gelene kadar yükün harici bir voltaj kaynağından voltajla beslenmesini önerir. MATLAB'de simülasyon kullanımına dayanan sonuçlar, önerilen algoritmaların, tüm pilleri aşırı şarj ve aşırı deşarjdan koruyan etkili bir pil yönetim sistemi elde etme yeteneğini göstermiştir. Ek olarak, konfigürasyondaki değişikliklere rağmen sistemin çalışma süresi boyunca gerekli voltajı sağlayabildiği de gösterilmiştir. Ayrıca, Geliştirilmiş Yeniden Yapılandırılabilir Enerji Geliştirilmiş Mimarinin (I-REEA) çalışma süresi boyunca bağlantılardaki tüm değişiklikleri karşılama yeteneğini gösterir. Anahtar Kelimeler: Lityum iyon akü (Li-ion), Şarj Durumu (SOC), Elektrikli araçlar (EV'ler), Akü yönetim sistemi (BMS), hücre dengeleme, akü dengeleme sistemi, akü şarjı, seri bağlı akü, paralel bağlı akü, hibrit konfigürasyon, akü paketi, akü yeniden konfigüre edilebilir sistem, akü enerji sistemi ve optimizasyon.

Batteries are a major source of energy, especially lithium-ion (Li-ion). Their astounding chemical properties have made them favourites for many applications areas including electric vehicles (EVs). To meet the system requirements, multiple batteries are connected in a fixed or a reconfigurable structure. Given the many problems faced by these architectures especially the fixed structure, including exceeding the use of the weak battery, this study proposes an advanced battery system that can be reconfigured to meet all system requirements. In addition to its ability to bypass the use of a damaged battery, a battery that is charging can be completely separated from the rest of the connection. These batteries, when connected in a specific configuration, whether series, parallel or hybrid, face a performance defect due to the repeated use that causes the imbalance in charging and discharging among the batteries. If one of the batteries is damaged due to the overcharging or over-discharging, it may lead to bad effects on the overall performance of the system. This research proposes an advanced battery management system to maintain a balance among batteries to improve their lifecycle. It also prevents overcharging or over-discharging of batteries by providing the maximum value for charging or the minimum value for discharging, as at these two values the state of the battery is reversed from discharge to charging or vice versa. Thus, keeping the system working at the highest level throughout the run time. This study also proposes an optimization algorithm to supply the optimal load voltage. The choice of this configuration depends on the required voltage as well as the state of charge (SOC) for each battery. To keep the system equipped with the required voltage throughout the runtime, this thesis proposes an algorithm to replace the low-charge battery with another battery ready to discharge in series and parallel configurations. Moreover, in the hybrid configuration, the common battery forming the bridge between two configurations is also replaced. Given that all batteries are charging, this research suggests supplying the load with voltage from an external voltage source until at least one battery becomes available. The results based on the use of simulation in the MATLAB showed the ability of the proposed algorithms to achieve an effective battery management system that protects all batteries from overcharging and overdischarging. Additionally, it is also demonstrated that the system is capable of providing the required voltage throughout the run time despite the changes in the configuration. It also shows the ability of the Improved Reconfigurable Energy Enhanced Architecture (I-REEA) to meet all changes in the connections during the run time. Keywords: Lithium-ion battery (Li-ion), State of Charge (SOC), Electric vehicles (EVs), Battery management system (BMS), cell balancing, battery balancing system, battery charging, series-connected battery, parallel-connected battery, hybrid configuration, battery pack, battery reconfigurable system, battery energy system, and optimization.