Non-Isolated Bidirectional Half-Bridge Architecture for Hybrid Energy Storage System in Photovoltaic Microgrids: Evaluation in PSIM
Keywords:
electrical converters, electric power, electronic equipmentAbstract
This paper describes how the power electronics software PSIM was used to design and simulate a bidirectional full-bridge DC–DC converter. The goal is integrating hybrid storage system into a photovoltaic microgrid. The objective is to manage power flow between sources and storage devices in order to smooth transients, reduce current stress on the battery, and maintain appropriate voltage levels on the DC bus. Due to the limitations of the evaluation version of the circuit simulation program, equivalent elements were employed to reproduce the quasi-stationary behavior of the photovoltaic array, the battery bank, and the super capacitor module. Seven representative operating scenarios were analyzed (charging/discharging in both directions, super capacitor support, and power transfer from/to generation), evaluating key voltages and currents. The results demonstrate effective bidirectionality and high-frequency power decoupling capability provided by the supercapacitor, with positive implications for battery lifetime. In addition, a prototype-level cost estimation is included, and limitations and future work focused on dynamic control and experimental validation are discussed.Downloads
References
Ardi, H., Ahrabi, R.R., & Ravadanegh, S.N. (2014). Non-isolated bidirectional DC–DC converter: Analysis and implementation. IET Power Electronics, 7(12), 3033–3044. https://doi.org/10.1049/iet-pel.2013.0898
Ardi, H., Ahrabi, R.R., & Ravadanegh, S.N. (2014). Non-isolated bidirectional DC–DC converter: Analysis and implementation. IET Power Electronics, 7(12), 3033–3044. https://doi.org/10.1049/iet-pel.2013.0898
Erickson, R.W., & Maksimović, D. (2020). Fundamentals of power electronics. Springer. https://doi.org/10.1007/978-3-030-43881-4
Faisal, M., Hannan, M.A., Ker, P.J., Hussain, A., Mansor, M.B., & Blaabjerg, F. (2018). Review of energy storage system technologies in microgrid applications: Issues and challenges. IEEE Access, 6, 35143–35164. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2018.2841407
Infineon Technologies. (2017). AN-978: HV floating MOS-gate driver ICs (Application note). Infineon Technologies AG. https://www.infineon.com/dgdl/an-978.pdf
Jing, W., Lai, C., Wong, W.S. & Wong, M.L. (2017). Battery-supercapacitor hybrid energy storage system in standalone DC microgrids: a review. IET Renewable Power Generation, 11(4), 461–469. https://doi.org/10.1049/iet-rpg.2016.0500
Lai, C.M., Lin, Y.C., & Lee, D. (2015). Study and implementation of a two-phase interleaved bidirectional DC/DC converter for vehicle and DC-microgrid systems. Energies, 8(9), 9969–9991. https://doi.org/10.3390/en8099969
Lin, C.C., Yang, L.S., & Wu, G.W. (2013). Study of a non-isolated bidirectional DC–DC converter. IET Power Electronics, 6(1), 30–37. https://doi.org/10.1049/iet-pel.2012.0338
Liu, K.B., Yang, C.H., & Chang, E.C. (2016). Analysis and controller design of a universal bidirectional DC–DC converter. Energies, 9(7), 501. https://doi.org/10.3390/en9070501
Mohan, N., Undeland, T.M., & Robbins, W.P. (2003). Power electronics: Converters, applications, and design. Wiley.
Pérez-Aballe, O., Ruiz-Chavarría, G., Vázquez-Seis Dedos, L., & Columbié-Navarro, Ángel O. (2025). Diseño de convertidor DC/DC bidireccional dual para gestión de almacenamiento híbrido de energía en microrredes. Minería y Geología, 41(1), 83–101. Recuperado a partir de https://revista.ismm.edu.cu/index.php/revistamg/article/view/2701
Powersim. (2022). PSIM 2022 R2 user manual. Powersim Inc. https://powersimtech.com/resources/documentation/psim-user-manual/
Ramos, E., Del-Valle, Y., Santos-Canepa, R., & Loncoche-Cobarrubias, F. (2022). Hybrid energy storage systems: A review of filter-based methods for energy management. Electronics, 11(22), 3661. https://doi.org/10.3390/electronics11223661
Sutikno, T., Memon, A.A., Yusoff, A.M., & Jidin, A. (2023). Application of non-isolated bidirectional DC–DC converters. A review. Clean Energy, 7(2), 293–314. https://doi.org/10.1093/ce/zkad011
Tremblay, O., Dessaint, L A., & Dekkiche, A I. (2007). September). A generic battery model for the dynamic simulation of hybrid electric vehicles. In 2007 IEEE vehicle power and propulsion conference (pp. 284-289). Ieee. https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/4544139/
Tremblay, O., & Dessaint, L.A. (2009). Experimental validation of a battery dynamic model for EV applications. World Electric Vehicle Journal, 3(2), 289–298. https://doi.org/10.3390/wevj3020289
Tshiani, C.T., & Umenne, P. (2022). The characterization of the electric double-layer capacitor (EDLC) using a Python/MATLAB/Simulink hybrid model. Energies, 15(14), 5193. https://doi.org/10.3390/en15145193
Tuluhong, A., Furqan, M., Ni, K., Liu, Z., Yu, Y., & Xie, X. (2025). Recent developments in bidirectional DC-DC converters: A comprehensive review. Electronics, 14(18), 3816. https://doi.org/10.3390/electronics14183816
Wang, J., Lin, Y., He, C., Zhang, T., & Li, H. (2022). Review of bidirectional DC–DC converter topologies for hybrid energy storage system of new energy vehicles. Green Energy & Intelligent Transportation, 1, 100010. https://doi.org/10.1016/j.geits.2022.100010
Winston Battery. (2024). LiFePO4 LFP40AHA cell: Datasheet. Winston Battery Ltd. https://en.winston-battery.com/index.php/product/proshow-120.html
Zhang, C., Li, K., Deng, J., & Song, S. (2017). A comparative study of RC equivalent circuit models for Li-ion batteries. Applied Sciences, 7(10), 990. https://doi.org/10.3390/app7100990
Zubieta, L., & Bonert, R. (2000). Characterization of double-layer capacitors for power electronics applications. IEEE Transactions on Industry Applications, 36(1), 199–205. https://doi.org/10.1109/28.821816
Published
How to Cite
Issue
Section
Copyright (c) 2026 The authors retain all rights to the work.
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.
Esta obra está bajo una Licencia Creative Commons Reconocimiento-NoComercial 4.0 Internacional
La Revista Ciencia & Futuro es una revista de acceso abierto, todo el contenido está disponible gratuitamente sin cargo para el usuario o su institución. Los usuarios pueden leer, descargar, copiar, distribuir, imprimir, buscar o vincular los textos completos de los artículos, o utilizarlos para cualquier otro fin lícito, sin pedir permiso previo al editor o al autor. Todo lo anterior, de acuerdo con la definición de BOAI de acceso abierto.
Los autores que publican en esta revista están de acuerdo con los siguientes términos: Licencia Creative Commons Atribución-NoComercial permite que el beneficiario de la licencia tenga el derecho de copiar, distribuir, exhibir y representar la obra y hacer obras derivadas para fines no comerciales siempre y cuando reconozca y cite la obra de la forma especificada por el autor o el licenciante. Los autores pueden establecer por separado acuerdos adicionales para la distribución no exclusiva de la versión de la obra publicada en la revista (por ejemplo, situarlo en un repositorio institucional o publicarlo en un libro), con un reconocimiento de su publicación inicial en esta revista. Se permite y se anima a los autores a difundir sus trabajos electrónicamente (por ejemplo, en repositorios institucionales o en su propio sitio web) antes y durante el proceso de envío, ya que puede dar lugar a intercambios productivos, así como a una citación más temprana y mayor de los trabajos publicados (Véase The Effect of Open Access) (en inglés). Lo anterior debe realizarse siempre sobre el artículo ya publicado por Ciencia & Futuro.
Los autores mantienen el control sobre la integridad de sus trabajos y el derecho a ser adecuadamente reconocidos y citados.
A los editores se les otorgan derechos no exclusivos para publicar y distribuir.
