CN107351701A - 基于老化均衡的多目标自适应控制方法 - Google Patents

基于老化均衡的多目标自适应控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于老化均衡的多目标自适应控制方法，建立电池等效电路模型、电池老化模型、温度模型、SOC模型，引入单体老化衰减率、SOC不均衡度、温度不均衡度以及电池单体电池总的不均衡度来建立四个模型之间的耦合关系，得到最佳的电池均衡线路。本发明以电池老化为主要均衡目标，同时兼顾SOC均衡与温度均衡；实现了单体电池在不同工况下老化程度达到一致，通过SOC与温度的均衡进一步避免了单体电池不一致性的扩大，最大限度的发挥动力电池性能，并延长了其寿命；极大地提高电池老化和温度的一致性，使得电池不一致性从根本上得到改善，且能实现与SOC均衡方法相当的电量均衡效果。

Description

基于老化均衡的多目标自适应控制方法
技术领域
本发明涉及汽车电池管理，特别涉及基于老化均衡的多目标自适应控制方法。
背景技术
近年来，随着空气质量的日益恶化以及石油资源的渐趋匮乏，新能源汽车，尤其是纯电动汽车成为当今世界各大汽车公司的开发热点。动力电池组作为电动汽车的关键部件，对整车动力性、经济性和安全性都有重大影响。动力电池组在经过多个充放电循环后，各电池单体的剩余容量的分布大致将会出现高低不一的情况，若不加以均衡将容易出现过充和过放现象。如此一来，在实际使用中，将严重影响电池组使用寿命，甚至存在过热起火的安全隐患。针对上述情况，为了改善电池组的不一致性问题，提高电池组的整体性能，则需要采用均衡控制。
对于均衡控制策略的研究主要是建立电池组一致性的评价标准，并根据该评价标准来实现均衡目的。目前电池组均衡控制策略可分为单目标均衡控制策略和多目标均衡控制策略。
(1)单目标均衡控制策略是在电池组均衡过程中，通过监测单个参数来判断是否实现均衡目标，主要有电压均衡法、SOC均衡法、容量均衡法和化学均衡法。
电压均衡法是根据各单体电池两端的电压高低来控制均衡过程，最终实现所有电池的电压趋于一致。在充放电状态下，单体电池的开路电压和SOC几乎呈线性关系，因此电压可以作为SOC的表征量，并且随着电压测量精度的不断改进，利用精确的电压均衡是可以替代SOC均衡的，加上其易于实现的特点，电压均衡法在现阶段应用最为广泛。
SOC均衡法是通过实时估算各单体电池的SOC，当检测到SOC不一致时，利用均衡电路使所有电池的SOC达到一致。利用SOC均衡在一定程度上可以保证均衡精度，但就SOC估算方法本身来说，存在着预估不精确、模型复杂、控制器计算能力要求高等缺点。
容量均衡法的目标是使各单体电池的实际可用容量最终达到一致。因为该方法同样需要准确的SOC估算，且电池的最大可用容量不能在线测定，目前已很少使用。
化学均衡法是通过电池内部化学反应提高抗过充能力，使得电压较低的电池持续充电时，电压较高的电池不会出现过充现象，最终实现电池组充电均衡。该方法距实际应用仍有一段距离。
(2)多目标均衡控制策略是在电池组使用过程中，导致电池组不一致性扩大的原因有电池内部电化学系统复杂的相互作用、充放电倍率、放电深度、环境温度和老化衰减速度等。而电池组表现出来的差异就是电池可用容量、内阻、自放电率、电压和SOC等的不同。为了使电池组实现均衡，多目标均衡控制策略则是以多个参数作为控制目标，即不仅考虑单体电池的电压、SOC或容量，也会加入环境温度和老化衰减率等外部因素，利用这些参数之间的关系建立均衡模型，以此控制均衡电路实现均衡目的。
针对动力电池组的不一致性问题，国内外研究人员现已提出各种不同的均衡拓扑和控制方法。目前国内外主要的均衡方法都追求单一目标均衡，比如电压均衡、SOC(Stateof Charge)均衡、容量均衡等。单一目标均衡方法忽略了各因素之间的相互影响，忽视了温度与电池老化程度对电池不一致性造成的影响，其均衡效果只是仅仅解决了暂时了电量均衡问题，并未从根本上解决电池老化带来的不一致性问题。在东莞市引进创新科研团队计划资助(项目编号：2014607119)，中研究解决了电池老化带来的不一致性问题并得到本次申请的技术方案，项目的英文翻译如下：Supported by DongGuan Innovative Researchteam Program(NO：2014607119)。
发明内容
本发明的目的在于根据电池组产生不一致性的根本原因，结合电池内、外部影响因素的耦合关系，提出了基于老化均衡的多目标自适应均衡控制方法，该方法实现电池老化、温度、SOC三者同时均衡，使得电池的不一致性从根源上得到改善，最大限度地发挥动力电池的性能，并延长其使用寿命。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案为：基于老化均衡的多目标自适应控制方法，包括以下步骤，
步骤一，使用Rint等效电路模型作为电池等效电路模型；
步骤二，根据温度T、放电倍率Idischar、充电倍率Ichar和充电截止电压Vup，建立电池老化模型εc＝A(Idischar，Ichar，Vup，T)Qz+B(Idischar，Ichar，Vup，T)，计算出老化衰减率εc；
步骤三，建立温度模型，其中m为电池质量，cp为电池比热容，Ta为环境温度，hc为电池热量交换系数，R为电池内阻，S为电池外表面面积；
步骤四，利用安时计量法建立SOC模型，其中SOCinit为SOC的初始值，CE为电池的额定容量，η为库伦效率为，放电时电流为正值，充电时电流为负值；
步骤五，根据步骤二的老化衰减率εc计算单体电池的老化衰减率不均衡度D(εci)＝εci-εcmin，根据步骤三的温度模型计算单体电池的温度不均衡度D(Ti)＝Ti-Tmin，根据步骤四的SOC模型计算SOC不均衡度D(pi)＝pi-pmin，其中pi为各单体电池的SOC；其中i＝1，2，…n；
步骤六，根据步骤五中的老化衰减率、温度、SOC不均衡度计算单体电池总不平衡度其中Ye＝D(εci)/εcmin，Yp＝D(pi)/pmax，YT＝D(Ti)/Tmin，w1+w2+w3＝1，T为充放电时间；
步骤七，根据步骤六的单体电池总不平衡度Di和约束条件计算出电池均衡开关决策其中(i＝1，2，…，n)；并计算开关占空比Ds。
进一步阐述方案，所述步骤二中的老化衰减率εc满足以下条件，
进一步阐述方案，所述步骤七中的约束条件为，Ibalmin≤Iibal(t)≤Ibalmax，Iib(t)＝Iic(t)+Iibal(t)；其中Iibal(t)为电池Bi(i＝1，2，…，n)在t时刻的均衡电流，Ibalmin为均衡电流最小值，Ibalmax为均衡电流最大值，Iic(t)为电池Bi充放电电流，Iib(t)为流过电池Bi的总电流。
进一步阐述方案，步骤七中的开关占空比其中∑Vis为提供均衡能量的电池电压和，∑Vir为吸收均衡能量的电池电压和。
本发明有益效果在于，其一从电池组产生不一致问题的根源入手，以电池老化为主要均衡目标，同时兼顾SOC均衡与温度均衡；实现了单体电池在不同工况下老化程度达到一致，通过SOC与温度的均衡进一步避免了单体电池不一致性的扩大，最大限度的发挥动力电池性能，并延长了其寿命；极大地提高电池老化和温度的一致性，使得电池不一致性从根本上得到改善，且能实现与SOC均衡方法相当的电量均衡效果；
其二，通过控制老化速度快的电池进行适当的充放电，减小与其他电池老化速度的差异，与此同时，保证电池组SOC均衡并控制各电池的发热量，防止出现过充过放现象，并将电池间的温差控制在合适的范围内，最终，完成三者均衡的目标，提高电池一致性，实现真正意义上的均衡控制。
附图说明
图1是本发明的等效电路模型。
具体实施方式
参照附图1介绍本发明的具体实施方式。
基于老化均衡的多目标自适应控制方法，包括以下步骤，
步骤一，如图1所示的，使用Rint等效电路模型作为电池等效电路模型；OCV为电池开路电压，是电池荷电状态SOC的函数；R为电池内阻，同样受SOC影响；Uo为电池端电压。
步骤二，根据温度T、放电倍率Idischar、充电倍率Ichar和充电截止电压Vup，建立电池老化模型εc＝A(Idischar，Ichar，Vup，T)Qz+B(Idischar，Ichar，Vup，T)，进一步得到计算出老化衰减率其中Q为累积充放的电量，Ea为电池内部发生副反应的活化能，Ea＝-16.2kj/mol，R为理想气体常数，R＝8.314472J·mol-1·K-1，待定系数a1＝0.1605E-03，a2＝0.3988E-03，b1＝0.1979E-03，b2＝0.325E-03，c1＝0.002627，c2＝-0.01058。；最后老化衰减率εc满足以下条件
步骤三，建立温度模型，电池温度的改变是由内阻产热和周围环境热量交换决定的，根据热量守恒建立其中m为电池质量(batterymass)，cp为电池比热容(specific heat of the cell)，Ta为环境温度(ambienttemperature)，hc为电池热量交换系数(heat transfer coefficient)，R为电池内阻(battery internal resistance)，S为电池外表面面积(battery external surfacearea)。
步骤四，利用安时计量法建立SOC模型，其中SOCinit为SOC的初始值，CE为电池的额定容量，η为库伦效率为，放电时电流为正值，充电时电流为负值；
步骤五，根据步骤二的老化衰减率εc计算单体电池的老化衰减率不均衡度D(εci)＝εci-εcmin，根据步骤三的温度模型计算单体电池的温度不均衡度D(Ti)＝Ti-Tmin，根据步骤四的SOC模型计算SOC不均衡度D(pi)＝pi-pmin，其中pi为各单体电池的SOC；其中n节单体电池串联组成的电池组，分别记为B1，B2，…，Bn；i＝1，2，…n；各单体电池对应的老化衰减率分别记为εc1，εc2，…εcn，其中的最小值记为εcmin；SOC分别记为p1，p2，…，pn，其中的最小值记为pmin，最大值记为pmax；温度分别记为T1，T2，…，Tn，其中的最小值记为Tmin。
由D(εci)、D(pi)和D(Ti)构成了n维向量X，简化电池组均衡问题，并在约束条件下，求得一条最佳路径，这条最佳路径决定了均衡电流从某一单体电池到另一单体电池之间的转移。
步骤六，根据步骤五中的老化衰减率、温度、SOC不均衡度计算单体电池总不平衡度其中Ye＝D(εci)/εcmin，Yp＝D(pi)/pmax，YT＝D(Ti)/Tmin，w1+w2+w3＝1，T为充放电时间；
步骤七，为求Di的最大值Dmax与最小值Dmin，取约束条件为，Ibalmin≤Iibal(t)≤Ibalmax，Iib(t)＝Iic(t)+Iibal(t)；其中Iibal(t)为电池Bi(i＝1，2，…，n)在t时刻的均衡电流，Ibalmin为均衡电流最小值，Ibalmax为均衡电流最大值，Iic(t)为电池Bi充放电电流，Iib(t)为流过电池Bi的总电流。
根据步骤六的单体电池总不平衡度Di和约束条件计算出电池均衡开关决策其中(i＝1，2，…，n)；其中signi＝1时表示电池Bi提供均衡能量，就是控制开关导通电池Bi的放电回路给电感充电，signi＝0时表示电池Bi不做其他处理，signi＝-1时表示电池Bi吸收均衡能量，也就是控制开关导通电池Bi的充电回路，使电感给电池充电。
计算出开关占空比其中∑Vis为提供均衡能量的电池电压和，∑Vir为吸收均衡能量的电池电压和。
当输入电池初始SOC及容量值参数后，就输出针对每个单体的放电、充电和静置三种状态的均衡开关决策组合，求得一条最佳路径，这条最佳路径决定了均衡电流从某一单体电池到另一单体电池之间的转移，实现电池组内部的均衡，实现了单体电池在不同工况下老化程度达到一致，极大地提高电池老化和温度的一致性，使得电池不一致性从根本上得到改善，最大限度的发挥动力电池性能，并延长寿命。
以上所述并非对本发明的技术范围作任何限制，凡依据本发明技术实质，对以上的实施例所作的任何修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (4)

1.基于老化均衡的多目标自适应控制方法，其特征在于，包括以下步骤，
步骤一，使用Rint等效电路模型作为电池等效电路模型；
步骤二，根据温度T、放电倍率Idischar、充电倍率Ichar和充电截止电压Vup，建立电池老化模型εc＝A(Idischar，Ichar，Vup，T)Q2+B(Idischar，Ichar，Vup，T)，计算出老化衰减率εc；
步骤三，建立温度模型，其中m为电池质量，cp为电池比热容，Ta为环境温度，hc为电池热量交换系数，R为电池内阻，S为电池外表面面积；
步骤四，利用安时计量法建立SOC模型，其中SOCinit为SOC的初始值，CE为电池的额定容量，η为库伦效率为，放电时电流为正值，充电时电流为负值；
步骤五，根据步骤二的老化衰减率εc计算单体电池的老化衰减率不均衡度D(εci)＝εci-εcmin，根据步骤三的温度模型计算单体电池的温度不均衡度D(Ti)＝Ti-Tmin，根据步骤四的SOC模型计算SOC不均衡度D(pi)＝pi-pmin，其中pi为各单体电池的SOC；其中i＝1，2，…n；
步骤六，根据步骤五中的老化衰减率、温度、SOC不均衡度计算单体电池总不平衡度其中Ye＝D(εci)/εcmin，Yp＝D(pi)/pmax，YT＝D(Ti)/Tmin，w1+w2+w3＝1，T为充放电时间；
步骤七，根据步骤六的单体电池总不平衡度Di和约束条件计算出电池均衡开关决策其中(i＝1，2，…，n)；并计算开关占空比Ds。
2.根据权利要求1所述的基于老化均衡的多目标自适应控制方法，其特征在于，所述步骤二中的老化衰减率εc满足以下条件，
3.根据权利要求1所述的基于老化均衡的多目标自适应控制方法，其特征在于，所述步骤七中的约束条件为，Ibalmin≤Iibal(t)≤Ibalmax，Iib(t)＝Iic(t)+Iibal(t)；其中Iibal(t)为电池Bi(i＝1，2，…，n)在t时刻的均衡电流，Ibalmin为均衡电流最小值，Ibalmax为均衡电流最大值，Iic(t)为电池Bi充放电电流，Iib(t)为流过电池Bi的总电流。
4.根据权利要求1所述的基于老化均衡的多目标自适应控制方法，其特征在于，步骤七中的开关占空比其中∑Vis为提供均衡能量的电池电压和，∑Vir为吸收均衡能量的电池电压和。
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