A novel non-isolated active charge balancing architecture for lithium-ion batteries

Active charge balancing is an approved technique to implement high performance lithium-ion battery systems. Enhanced balancing speeds and reduced balancing losses are feasible compared to passive balancing. The new architecture proposed in this paper overcomes several drawbacks of other active balancing methods. It consists of only 2 non-isolated DC/DC converters. In combination with a MOSFET switch matrix it is able to balance arbitrary cells of a battery system at high currents. Adjacent cells can be balanced simultaneously. For the given setting, numerical simulations show an overall balancing efficiency of approx. 92.5%, compared to 89.4% for a stack-to-cell-to-stack method (St2C2St, bidirectional fly-back) at similar balancing times. The usable capacity increases from 97.1% in a passively balanced system to 99.5% for the new method

Grid Voltages Estimation for Three-Phase PWM Rectifiers Control Without AC Voltage Sensors

This paper proposes a new ac voltage sensorless control scheme for the three-phase pulse-width modulation rectifier. A new startup process to ensure a smooth starting of the system is also proposed. The sensorless control scheme uses an adaptive neural (AN) estimator inserted in voltage-oriented control to eliminate the grid voltage sensors. The developed AN estimator combines an AN network in series with an AN filter. The AN estimator structure leads to simple, accurate, and fast grid voltages estimation, and makes it ideal for low-cost digital signal processor implementation. Lyapunov-based stability and parameters tuning of the AN estimator are performed. Simulation and experimental tests are carried out to verify the feasibility and effectiveness of the AN estimator. Obtained results show that the proposed AN estimator presented faster convergence and better accuracy than the second-order generalized integrator-based estimator; the new startup procedure avoided the overcurrent and reduced the settling time; and the AN estimator presented high performances even under distorted and unbalanced grid voltages

Power quality enhancement using active power filter five-level cascade H-bridge under unbalanced and distorted grid

Introduction. To improve the power quality of a supply system, the total harmonic distortion (THD) is the most important parameter in the quantification of harmonics caused by nonlinear loads. In practice, it must be less than 5 %. The novelty of the proposed work consists in the use of a cascaded five level active filter, when the converter consisting of six H-bridge pairs, each one includes four transistors. Purpose. To increase the efficiency of this filter, two techniques for quantification of harmonic currents are proposed, first the PQ-theory which is simple but can only be used in case of a balanced grid, and second the synchronous reference frame theory (SFR-theory), which is capable of creating harmonic current not only in an unbalanced grid, but also in an unbalanced and distorted beam. Methods. Using the control techniques, the harmonic current is extracted from load current and considered as a reference. The constructed current should follow this reference. Results. The estimation of the active and reactive powers is based on the measurement of the currents crossing the load and the network voltages, these powers are used to determine the shape of the harmonic (reference) current. Using the PI regulator, the output current of the five-level inverter follows the reference current perfectly. The inverters output current is injected into the grid to eliminate harmonic currents. Practical value. In practice, the harmonic distortion rate THD is the most widely used criterion for criticizing the waveform of the currents and judging the quality of the energy involved. For currents on the source side, the THD is considered acceptable if it is less than 5 %, in our proposal the THD is 0.85 % with the PQ-theory and 2.34 % with SFR-theory, so it is optimal.Вступ. Для поліпшення якості електроенергії у системі електропостачання загальне гармонічне спотворення (ЗГС) є найважливішим параметром кількісної оцінки гармонік, викликаних нелінійними навантаженнями. На практиці вона має бути меншою за 5 %. Новизна запропонованої роботи полягає у використанні каскадного п’ятирівневого активного фільтра, коли перетворювач складається з шести пар Н-мостів, кожна з яких включає чотири транзистора. Мета. Щоб підвищити ефективність цього фільтра, пропонуються два методи кількісного визначення гармонійних струмів: по-перше, PQ-теорія, яка проста, але може використовуватися лише у разі збалансованої сітки, і, по-друге, теорія синхронної системи відліку (теорія SFR). , який здатний створювати гармонійний струм не тільки в несиметричній сітці, а й у несиметричному та спотвореному пучку. Методи. Використовуючи методи управління, гармонійний струм витягується зі струму навантаження і розглядається як опорний. Побудований струм повинен слідувати за цим посиланням. Результати. Оцінка активної та реактивної потужностей заснована на вимірюванні струмів, що проходять через навантаження, та мережевих напруг, за цими потужностями визначається форма гармонійного (опорного) струму. При використанні ПІ-регулятора вихідний струм п’ятирівневого інвертора точно відповідає опорному струму. Вихідний струм інвертора подається до мережі для усунення гармонійних струмів. Практична цінність. Насправді коефіцієнт гармонійних спотворень ЗГС є найбільш широко використовуваним критерієм для критики форми хвилі струмів та оцінки якості задіяної енергії. Для струмів на стороні джерела ЗГС вважається прийнятним, якщо він менше 5 %, за нашою пропозицією ЗГС становить 0,85 % з PQ-теорією і 2,34 % з SFR-теорією, тому він є оптимальним

Analysis of an active charge balancing method based on a single non-isolated DC/DC converter

​© 2020 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other uses, in any current or future media, including reprinting/republishing this material for advertising or promotional purposes, creating new collective works, for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted component of this work in other works.For lithium-ion batteries, active balancing can bring advantages compared to passive balancing in terms of lifetime and available capacity. Most known balancing techniques suffer from a low efficiency or high complexity and cost. This paper proposes a new technical solution based on a non-isolated DC/DC converter and a low-speed switching matrix to overcome efficiency and power limitations of present balancing methods. The proposed circuit allows balancing current paths which are not possible with previous methods and results in balancing efficiencies of over 90%. The performance comparison is based on batch numerical simulations using calculated and measured efficiency values. The simulation results are compared to the approved active balancing method cell-to-cell and to passive balancing. A study case with eight randomly distributed battery cells shows an improvement in overall balancing efficiency of up to 47.4% and a reduction in balancing time of up to 36.9%. The available capacity increases from 97.2% in a passively balanced system to 99.7% for the new method. A hardware prototype was set up to demonstrate the working principle and to verify the numerical simulations

Development of a boost-inverter converter under electromagnetic compatibility stress equipping a photovoltaic generator

Introduction. Static converters are among the most widely used equipment in several applications, for example, electric power transmission, motor speed variation, photovoltaic panels, which constitute the electronic components. The design of a power electronics device is done without any real means of predicting electromagnetic disturbances during the product development phase. This case-by-case development process is repeated until a solution is found that best respects all the electromagnetic compatibility constraints. The purpose is the development of a boost-inverter converter under electromagnetic compatibility constraints. The improvements made to the inverter are mainly in the control, the choice of power switches and the electromagnetic compatibility solutions brought to the device. The quality of the wave is improved by acting on the type of control and the choice of switches. Methods. In the first time, we have highlighted a comparison between two most frequently used power components (MOSFET and IGBT) in the inverter and the boost by simulation using ISIS and LT-spice softwares. The sinusoidal voltage with modulation circuit is greatly simplified by the use of the PIC16F876A microcontroller. In a second step, we validate the obtained results with experimental measurements. We start with the boost, then the inverter. In addition, the circuits made are housed in boxes to avoid accidental contact for people. The equipment is designed to isolate the load from the power supply in case of: over voltages, under voltages, high and low battery level and short circuits. Results. All the simulations were performed using the ISIS and LT-spice softwares. The obtained results are validated by experimental measurements performed in the ICEPS Laboratory at the University of Sidi Bel-Abbes in Algeria. The realization of a single-phase inverter with a pulse width modulation control, associated with a boost chopper and the waveforms of the current and voltage across each static converter its opening are presented. The sources of disturbances in power devices are at the origin of the temporal and frequency characteristics of the signals coming from the hot spots of the power switches and the resonances created during the switching of these elements.Вступ. Статичні перетворювачі відносяться до обладнання, що найбільш широко використовується в декількох застосуваннях, наприклад, для передачі електроенергії, зміни швидкості двигуна, у фотогальванічних панелях, які складають електронні компоненти. Проєкт устрою силової електроніки виконується без будь-яких реальних засобів прогнозування електромагнітних перешкод на етапі розробки продукту. Цей процес індивідуальної розробки повторюється доти, доки знайдено рішення, яке найкраще враховує всі обмеження електромагнітної сумісності. Метою є розробка підвищувально-інверторного перетворювача при обмеженнях за електромагнітною сумісністю. Удосконалення, внесені в інвертор, в основному стосуються управління, вибору силових вимикачів та рішень щодо електромагнітної сумісності, реалізованих у пристрої. Якість хвилі покращується за рахунок впливу на тип керування та вибір перемикачів. Методи. Вперше ми підкреслили порівняння між двома найбільш часто використовуваними силовими компонентами (MOSFET та IGBT) в інверторі та підвищенням шляхом моделювання з використанням програмного забезпечення ISIS та LT-spice. Синусоїдальна напруга зі схемою модуляції значно спрощується за рахунок використання мікроконтролера PIC16F876A. На другому етапі ми підтверджуємо отримані результати експериментальними вимірами. Починаємо з Boost, потім з інвертора. Крім того, виготовлені схеми розміщені в коробках, щоб уникнути випадкового дотику людей. Устаткування призначене для відключення навантаження від джерела живлення у разі: перенапруги, зниженої напруги, високого та низького рівня заряду батареї та короткого замикання. Результати. Усі розрахунки проводилися з використанням програм ISIS та LT-spice. Отримані результати підтверджені експериментальними вимірами, проведеними в лабораторії ICEPS Університету Сіді-Бель-Аббес в Алжирі. Представлено реалізацію однофазного інвертора з керуванням на базі широтно-імпульсної модуляції, пов'язаного з підвищуючим переривником, а також осцилограми струму та напруги на кожному відкритті його статичного перетворювача. Джерелами збурень у силових пристроях є часові та частотні характеристики сигналів, що надходять від гарячих точок силових ключів, та резонанси, що створюються при комутації цих елементів

Power quality enhancement using active power filter five-level cascade H-bridge under unbalanced and distorted grid

Introduction. To improve the power quality of a supply system, the total harmonic distortion (THD) is the most important parameter in the quantification of harmonics caused by nonlinear loads. In practice, it must be less than 5 %. The novelty of the proposed work consists in the use of a cascaded five level active filter, when the converter consisting of six H-bridge pairs, each one includes four transistors. Purpose. To increase the efficiency of this filter, two techniques for quantification of harmonic currents are proposed, first the PQ-theory which is simple but can only be used in case of a balanced grid, and second the synchronous reference frame theory (SFR-theory), which is capable of creating harmonic current not only in an unbalanced grid, but also in an unbalanced and distorted beam. Methods. Using the control techniques, the harmonic current is extracted from load current and considered as a reference. The constructed current should follow this reference. Results. The estimation of the active and reactive powers is based on the measurement of the currents crossing the load and the network voltages, these powers are used to determine the shape of the harmonic (reference) current. Using the PI regulator, the output current of the five-level inverter follows the reference current perfectly. The inverters output current is injected into the grid to eliminate harmonic currents. Practical value. In practice, the harmonic distortion rate THD is the most widely used criterion for criticizing the waveform of the currents and judging the quality of the energy involved. For currents on the source side, the THD is considered acceptable if it is less than 5 %, in our proposal the THD is 0.85 % with the PQ-theory and 2.34 % with SFR-theory, so it is optimal

Search for dark matter produced in association with bottom or top quarks in √s = 13 TeV pp collisions with the ATLAS detector

A search for weakly interacting massive particle dark matter produced in association with bottom or top quarks is presented. Final states containing third-generation quarks and miss- ing transverse momentum are considered. The analysis uses 36.1 fb−1 of proton–proton collision data recorded by the ATLAS experiment at √s = 13 TeV in 2015 and 2016. No significant excess of events above the estimated backgrounds is observed. The results are in- terpreted in the framework of simplified models of spin-0 dark-matter mediators. For colour- neutral spin-0 mediators produced in association with top quarks and decaying into a pair of dark-matter particles, mediator masses below 50 GeV are excluded assuming a dark-matter candidate mass of 1 GeV and unitary couplings. For scalar and pseudoscalar mediators produced in association with bottom quarks, the search sets limits on the production cross- section of 300 times the predicted rate for mediators with masses between 10 and 50 GeV and assuming a dark-matter mass of 1 GeV and unitary coupling. Constraints on colour- charged scalar simplified models are also presented. Assuming a dark-matter particle mass of 35 GeV, mediator particles with mass below 1.1 TeV are excluded for couplings yielding a dark-matter relic density consistent with measurements