Power hardware-in-loop emulation of a battery for charging systems and grid applications

Abstract

Актуальность. Аккумуляторные батареи играют все более важную роль в энергосистемах из-за их использования в различных приложениях, включая микросети, электромобили, электроснабжение географически изолированных районов и питание автоматизированных устройств. Поскольку они считаются технологией, обеспечивающей интеграцию возобновляемых источников энергии, отсутствие аккумуляторных систем в изолированных микросетях может привести к снижению их надежности и производительности из-за прерывистого характера генерирования энергии. Особенности, характерные для функционирования аккумуляторных батарей, приводят к необходимости развития технологий и контроля систем заряда батарей. Цель: разработка испытательного стенда для контроля зарядных станций и устройств управления ими без использования реальных аккумуляторных батарей, позволяющего повысить безопасность и гибкость этапов проектирования и контроля зарядных станций. Поставленная цель достигается путем компьютерного моделирования динамики электрохимических процессов аккумуляторной батареи и интеграции тестируемого устройства с преобразователем постоянного тока, управляемого этой моделью. Новизна. В работе применительно к задаче адаптируется одна из самых известных моделей литийионных аккумуляторов для управления взаимодействием силовых электронных устройств, которые обмениваются энергией. В отличие от других работ в этой области, конструкция основана на принципах аппаратного обеспечения силовой части и имеет минимальные показатели энергопотребления благодаря своей уникальной конфигурации. Предложенная компьютерная модель параметрируется для описания процесса заряда-разряда аккумуляторов различной емкости. Методы: компьютерное моделирование и экспериментальная проверка предлагаемых решений. Разработана MATLAB-модель испытательного стенда повышенной мощности. Модель аккумуляторной батареи и системы управления малого энергопотребления в среде LabView с платой NI-DAQ использована для экспериментального подтверждения предлагаемых решений. Для построения экспериментального испытательного стенда разработаны специальные аппаратные компоненты, включая контроллеры. Результаты. Предложенный испытательный стенд успешно имитировал процесс заряда батареи, при этом практические результаты совпали с расчётными результатами, полученными при моделировании.

Relevance. Batteries are playing an increasingly vital role in power systems due to their utilization in various applications including microgrids, electric vehicles, sustaining geographically isolated communities, and energization of automated devices. Since they are considered as the enabling technology for renewable energy integration, the absence of battery systems from islanded microgrids can result in decreased system reliability and compromised performance due to the intermittency of local sources. Nevertheless, the hazardousness associated with their charging mechanism has led to the urgent continuous development of charging technologies and battery management systems. Aim. To develop a safe testbed to examine the functionality of newly produced battery charging stations and battery managers without employing actual physical batteries to avoid the hazardous manipulation of batteries and increase flexibility during the design and validation stage. This is accomplished by modeling the electrochemical dynamics of the battery system and integrating the device-under-test to a DC converter, which reacts based on these modeled dynamics. Novelty. This work adapts one of the most successful Li-ion battery models available in the literature and utilizes it to interact with power electronic devices that exchange power signals. Unlike other work in this field, the design is based on power hardware-in-loop principles and has minimized power consumption characteristics due to its unique configuration. The constructed computer model can be easily reparametrized to describe the dynamics of various battery capacities. Methods. MATLAB-based simulations of the proposed testbed were conducted for high and low power capacity. A LabView-based program was interfaced with the testbed hardware using a NI-DAQ board to validate the proposed design practically. The testbed hardware components were entirely developed from scratch for experimentation purposes. Results. The proposed testbed successfully imitated the dynamics of the battery, while the practical results concurred the simulated ones.