CN108382556B - 一种基于模糊控制理论的混合动力船舶电池组均衡管理方法 - Google Patents

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Abstract

针对混合动力船舶并联电池组均衡效果不佳的问题，本发明采用模糊控制理论的思路，提出了一种基于模糊控制理论的混合动力船舶电池组均衡管理方法。基于模糊控制理论控制混合动力船舶并联电池组中的单个电池的充放电，对电池组进行均衡管理，较传统电池组均衡管理电路简单，不需要对整个电池组建立精确的数学模型，控制思路清晰，能有效提升动力电池组的均衡程度，提高混合动力船舶并联电池组整体性能，能适用于混合动力船舶并联电池组均衡管理。

Description

一种基于模糊控制理论的混合动力船舶电池组均衡管理方法
技术领域：
本发明涉及电池管理技术领域，具体涉及一种基于模糊控制理论的混合动力船舶电池组均衡管理方法。
背景技术：
随着全球经济的发展，煤炭、石油等传统能源的消耗量日益增多，传统能源在燃烧过程中，不可避免的会产生硫化物，氮氧化物，烟尘等污染物，而且碳排放量高，会导致温室效应，其在开采过程中，土地、海洋和地下水资源也会遭到破坏，危害生态环境。2016年到2017年初，我国多次出现大范围雾霾天气，严重危及到人们的健康和交通出行安全。
中国作为全球第二大经济体，国家的经济建设会消耗大量的能源，随着对能源需求的不断提高，加重了中国能源短缺的问题。传统能源的有限性与其严重的污染性等缺点让我们渐渐地明白新能源的重要性。从国家安全与经济角度看，新能源的利用和新能源的稳定供应已经逐渐成为国家关注的重点。
目前，越来越多的国家加大了对节能减排的相关技术研究的投入，其中就包括混合动力船舶相关技术的研发，因为在航运是货物运输的一种重要途径，其每年都会消耗大量的传统能源。
混合动力船舶一般有6种工作模式，具体分别为：动力电池组单独供电模式、柴电机组单独供电模式、混合供电模式、岸电模式、太阳能充电模式以及再生制动模式。在所有模式中，动力电池组装置一般都处在工作状态，动力电池组会进行不停的充放电，此时，动力电池组的均衡管理就显得非常重要。通过动力电池组均衡管理实现对动力电池的均衡控制，能够极大提升动力电池组的整体性能，对整个船舶的混合动力系统都是至关重要的。
均衡变量的选择是研究均衡管理策略的基础，目前比较常见的均衡管理策略的均衡变量主要包括外电压、容量和SOC。由于动力电池的外电压容易获取，而且在一定程度上可以表征动力电池的SOC，因此，目前应用最为广泛的是基于外电压的均衡策略。其以动力电池的外电压作为电池组一致性的评判标准，通过均衡管理系统的均衡控制，降低各单体电池间外电压的差异，以改善动力电池组的不均衡问题。其中，差值比较法和平均值法是应用最为普遍的控制策略。然而，当动力电池间存在严重的不一致性问题时，动力电池的SOC就难以由动力电池的外电压进行准确反映，导致对动力电池组的均衡效果不稳定，而且可能导致动力电池的过充和过放。
发明内容：
本发明的目的在于一种基于模糊控制理论的混合动力船舶电池组均衡管理方法，可以通过控制单个电池的充放电对电池组进行均衡管理，控制灵活，能有效提升混合动力船舶并联电池组整体性能；
为了达到上述目标，本发明提出一个技术方案如下：
本发明提出一种混合动力船舶并联电池组均衡管理方法，所述的电池均衡管理方法包括以下步骤：
步骤一、获取混合动力船舶的并联电池组的需求功率PE；
串联式混合动力船舶包括两种动力源，分别为柴油发电机组和动力电池组；混合动力船舶所需的推进动力由柴油发电机组和动力电池组提供，电池组的需求功率PE由串联式混合动力船舶能量管理器进行分配；
步骤二、电池参数识别，获取各单体电池SOC，并记录SOC最大值与最小值；
使用一阶戴维宁等效电路模型对电池进行建模，运用Matlab的Simulink中的Lookup Table模块对电池进行参数辨识仿真，满足电池仿真中时刻要更新电池参数的要求；
步骤三、运用模糊控制策略对并联电池组进行均衡管理；
根据各单体电池的SOC及各单体电池间SOC的偏差，采用模糊控制理论对并联电池组各单体电池上的控制开关进行控制，降低各单体电池间外电压的差异，以改善动力电池组的不均衡问题；
本发明具有如下效果和优点：
基于模糊控制理论的混合动力船舶电池组均衡管理在电池参数识别的基础上，将电池的SOC作为均衡管理的目标，在并联电池组各单体电池支路上串联控制开关，运用模糊控制策略对控制开关进行控制，降低并联电池组内单体电池间SOC的偏差，减少并联电池间的能量流动带来的损耗，提高了并联电池组的工作效率。模糊控制策略应用于并联电池组的均衡控制，对并联电池组各单体电池支路上的控制开关产生控制信号，不需要建立并联电池组的精确的数学模型，使得控制机理和策略易于接受与理解，设计简单，便于应用，对混合动力船舶并联电池组均衡管理具有很好的适用性。
附图说明：
图1是本发明中典型串联式混合动力船舶结构示意图；
图2是本发明中对电池进行建模的戴维宁等效电路模型；
图3是本发明中对电池组进行均衡管理的模糊控制示意图；
图4是本发明中无均衡管理时各单体电池放电时的SOC曲线；
图5是本发明中有均衡管理时各单体电池放电时的SOC曲线；
图6是本发明中无均衡管理时各单体电池充电时的SOC曲线；
图7是本发明中有均衡管理时各单体电池充电时的SOC曲线；
具体实施方式：
以下结合附图，对本发明做进一步阐述；
步骤一、获取混合动力船舶的并联电池组的需求功率PE；
典型串联式混合动力船舶结构示意图如图1所示，其包括两种动力源，分别为柴油发电机组和动力电池组；混合动力船舶所需的推进动力由柴油发电机组和动力电池组提供，动力系统的运行模式主要可分三种：电池组单独供电模式、柴油发电机组单独供电模式和混合供电模式；电池组通过双向DC/DC变换器连接直流母线，向船舶单独供电；柴油发电机组通过AC/DC变换器连接直流母线，向船舶单独供电，多余能量通过双向DC/DC变换器给电池组充电；动力电池组与柴油发电机组同时供能；并联电池组的需求功率PE由混合动力船舶能量管理器进行分配，PE可以有正负之分，当PE为负时，表示电池组在放电，当PE为正时，表示电池组在充电；
步骤二、电池参数识别，获取各单体电池SOC，并记录SOC最大值与最小值；
使用一阶戴维宁等效电路模型对电池进行建模，模型如图2所示，电池端电压Vt由Voc、内阻上的电压和RC对上的电压Vp相加得到，如式(1)所示，
Vt＝Voc+Rdicell+Vp (1)
Vp和SOC分别由微分方程式(2)和(3)表示：
将电池系统写成状态空间形式，如式(4)所示，
运用Simulink中User-Define Function模块库中的S-Function模块来对锂电池的状态空间模型进行求解，来满足仿真实验时要求刻更新电池参数的要求；；
步骤三、运用模糊控制策略对并联电池组进行均衡管理；
采用在并联电池组的各条支路上串联一个控制开关，运用控制算法对并联在电池组上的控制开关来对电池组进行均衡管理；
当某个单体电池的SOC与其他单体电池相比过高或者过低时，通过控制信号对控制开关进行控制，实现该条支路的关断，从而避免单体电池间的SOC产生过大的差值，降低单体电池经历大电流的风险，同时减少了并联电池间的循环电流，提高单体电池间的一致性；
模糊控制示意图如图3所示，选择任意时刻单体电池的SOC值SOCi(t)和单体电池间SOC的偏差E作为模糊控制的两个输入，其中偏差E如式(5)所示：
对SOCi(t)与E两个输入进行模糊化后得到偏差e与偏差变化率ec，运用e与ec两个变量进行近似推理，经过近似推理得到取值范围为[0,1]的输出变量uc，它的取值代表了单体电池间不一致性的程度，且取值越大则不一致性就越小，取值越小则不一致性就越大；对输出变量uc进行反模糊化后得到控制信号，用于控制并联电池组各单体电池上的控制开关；
为了使本发明的技术方案更加清楚明白，对本发明进一步详细说明：
(1)分别采集电池1，电池2，……，电池n的SOC，分别得到SOC1，SOC2，……，SOCn；
(2)找出SOC1，SOC2，……，SOCn中的最大值，令其为SOCmax，并用SOC1，SOC2，……，SOCn分别与SOCmax作差，得到C1，C2，……，Cn；
(3)当充电时，如C1最小，模糊控制器产生控制信号，使得开关S1处于断开状态；当放电时，如Cn最大，模糊控制器产生控制信号，使得开关Sn断开状态；
在Matlab/Simulink中设置电池组的电流激励为-25A，并设置好各单体电池的具体参数，以10节电池为例，且各电池组的初始SOC各不相同，并在有无均衡管理控制两种情况下进行仿真实验，最后将仿真实验数据导入工作空间，从而得到各单体电池的SOC随时间变化的曲线图；图4为引入均衡策略前并联电池组各电池放电情况，各单体电池的初始SOC存在差异，放电过程中不能均衡放电，放电结束后，各单体电池SOC差异较大；图5为引入均衡策略后并联电池组各电池放电情况，各单体电池初始SOC同图4，放电过程中可以均衡放电，放电结束后，各单体电池SOC相同；图6为引入均衡策略前并联电池组各电池充电情况，各单体电池的初始SOC存在差异，充电过程中不能均衡充电，充电结束后，各单体电池SOC差异较大；图7为引入均衡策略后并联电池组各电池充电情况，各单体电池初始SOC同图6，充电过程中可以均衡充电，充电结束后，各单体电池SOC相同。

Claims (1)

1.一种基于模糊控制理论的混合动力船舶电池组均衡管理方法，所述的混合动力船舶电池组为串联式混合动力船舶两组动力源之一，电池组采用并联方式连接，另一组动力源为柴油发电机组，均衡管理方法主要应用于并联电池组放电过程与充电过程；其特征在于所述基于模糊控制理论的混合动力船舶电池组均衡管理方法包括以下步骤：
步骤一、获取混合动力船舶的并联电池组的需求功率PE；
串联式混合动力船舶包括两种动力源，分别为柴油发电机组和动力电池组；混合动力船舶所需的推进动力由柴油发电机组和动力电池组提供，动力系统的运行模式主要可分三种：电池组单独供电模式、柴油发电机组单独供电模式和混合供电模式；电池组通过双向DC/DC变换器连接直流母线，向船舶单独供电；柴油发电机组通过AC/DC变换器连接直流母线，向船舶单独供电，多余能量通过双向DC/DC变换器给电池组充电；动力电池组与柴油发电机组同时供能；并联电池组的需求功率PE由混合动力船舶能量管理器进行分配，PE可以有正负之分，当PE为负时，表示电池组在放电，当PE为正时，表示电池组在充电；
步骤二、电池参数识别，获取各单体电池SOC，并记录SOC最大值与最小值；
使用一阶戴维宁等效电路模型对电池进行建模，电池端电压Vt由Voc、内阻上的电压和RC对上的电压Vp相加得到，如式(1)所示：
Vt＝Voc+Rdicell+Vp (1)
Vp和SOC分别由微分方程式(2)和(3)表示：
将电池系统写成状态空间形式，如式(4)所示：
运用Simulink中User-Define Function模块库中的S-Function模块来对锂电池的状态空间模型进行求解，来满足仿真实验时要求刻更新电池参数的要求；
步骤三、运用模糊控制策略对并联电池组进行均衡管理；
采用在并联电池组的各条支路上串联一个控制开关，运用控制算法对并联在电池组上的控制开关来对电池组进行均衡管理；
当某个单体电池的SOC与其他单体电池相比过高或者过低时，通过控制信号对控制开关进行控制，实现该条支路的关断，从而避免单体电池间的SOC产生过大的差值，降低单体电池经历大电流的风险，同时减少了并联电池间的循环电流，提高单体电池间的一致性；
选择任意时刻单体电池的SOC值SOCi(t)和单体电池间SOC的偏差E作为模糊控制的两个输入，其中偏差E如式(5)所示：
对SOCi(t)与E两个输入进行模糊化后得到偏差e与偏差变化率ec，运用e与ec两个变量进行近似推理，经过近似推理得到取值范围为[0,1]的输出变量uc，它的取值代表了单体电池间不一致性的程度，且取值越大则不一致性就越小，取值越小则不一致性就越大；对输出变量uc进行反模糊化后得到控制信号，用于控制并联电池组各单体电池上的控制开关。
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