CN108736093B - 基于动力电池的电流与温度解耦控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

基于动力电池的电流与温度解耦控制系统，包括BMS、电池包、冷却水泵及电机控制器；还包括降温系统控制器，与BMS的控温输出端以及前馈补偿器的第一输入端电连接；电机功率系统控制器，与BMS的功率控制输出端以及前馈补偿器的第二输入端电连接；前馈补偿器，输入端与降温系统控制器以及电机功率系统控制器电连接，输出端与水泵阀调节器以及电机功率调节器电连接；与电机功率调节器耦合的水泵阀调节器，与前馈补偿器输出端以及冷却水泵信号输入端电连接；与水泵阀调节器耦合的电机功率调节器，输入端与前馈补偿器输出端以及电机控制器电连接。解耦器计算出需要采取的动作量，使电池维持最佳的温度，提高了电池的寿命以及输出功率。

Description

基于动力电池的电流与温度解耦控制系统及方法

技术领域

本发明涉及动力电池控制技术领域，具体涉及基于动力电池的电流与温度解耦控制系统及方法。

背景技术

电动汽车能够长期安全稳定的运行，与动力电池本身的电化学性能、良好的电池管理和控制系统性能息息相关，一个好的电池管理系统可以增强锂离子电池的供电性能、延长动力电池循环寿命，提高整车的动力性、经济性和安全性。电动汽车动力电池组由数百节单体电池通过串并联方式组合而成，总电压高达几百伏，充电电流达几百安，成本昂贵，设法提高动力电池的使用安全性和循环充电寿命具有重要价值。此外，电池在充放电过程中的电压、电流和温度要保持在合理范围之内，并避免过充和过放，对于保证电池的安全和寿命十分重要。一旦电池出现一定程度的过充或过放等不合理操作，将会对电池的使用寿命带来严重影响，极易引发安全隐患。现有的技术中对于动力电池输出的电流与温度都是采取阈值管控的方式，即在电流输出达到最大允许功率的情况下对输出电流进行限制，或者在电池温度到达正常运行状况的阈值时开启降温或者升温措施。中国公开专利号CN104979594B，公开日2018年02月09日，发明名称动力电池的控制方法及系统公开了一种动力电池的控制方法，其特征在于，所述动力电池包括多个电池模块，每个所述电池模块包括多个单体电池，所述方法包括以下步骤：采集单体电池温度中的最高温度和最低温度、电池模块的正极和/或负极的温度以及单体电池的电芯温度；判断所述电池模块的正极和/或负极的温度是否位于第一温度区间且所述单体电池的电芯温度是否位于第二温度区间；如果是，则根据所述最高温度和最低温度对所述动力电池进行管理，否则根据所述电池模块的正极和/或负极的温度判定所述电池模块和与所述电池模块相连的电池模块之间的连接故障，和/或根据所述单体电池的电芯温度判定所述单体电池的电芯故障，并阻止对所述动力电池的充/放电操作。

公开专利号207089031U，公开日 2018年03月13日专利名称一种锂动力电池控制系统，公开了一种锂动力电池控制系统，所述控制系统为基于双CAN通讯网络的电池管理系统，包括中央控制单元(CMCU)和多个本地控制单元(LSCU)，所述本地控制单元由本地控制器控制，包括采集电路、时钟电路、均衡电路和保护电路，所述采集电路主要实现对动力电池单体的电压和温度的检测采集，所述时钟电路实现对动力电池历史运行数据的采集保存并加盖时间戳，所述均衡电路通过能量转移实现电池单体之间的电量均衡，所述保护电路实现对电池单体的过压、欠压保护；所述本地控制单元通过CAN1总线实现与中央控制单元之间的信息和数据传输；所述中央控制单元实现电池组电压电流采集、数据的处理、显示、存储、逻辑判断和相应的充放电控制，并通过RS232串口连接PC上位机，通过GPRS与远程数据监控系统相连；所述中央控制单元通过CAN2总线与整机控制器、充电机和电机控制器相连。

但是其不足之处是动力电池的电流输出控制方式与温度控制方式采用了传统的阈值控制方式，使用阈值控制方式会使得对电池的控制产生滞后性，在最短的时间内完成电流变化需要改变的温度值的计算，其对当前时刻的温度已经产生滞后。

发明内容

本发明是针对现有阈值电流与温度管控方式具有一定滞后性的特点，如我需要在电流上升的a时刻就对电池温度进行降温，但是由于温度在a时刻还未到达阈值，所以对于温度的控制在a+5甚至是在a+10时刻后才会生效；其次，这种技术方案对阈值设置的要求就非常高，若阈值设置到刚刚对电池寿命不产生影响的温度，当刚到达阈值时，此时电流使电池温度上升的速率比刚打开降温设施的降温速率快，这便会导致温度仍会有一定程度的上升，这会导致电池寿命的衰减；而如果把阈值设置到比影响寿命的临界点低一点的温度，会导致对电流的功率输出限制相应的下降，导致能量输出达不到最高的输出能力，影响电池的性能，这两个问题而设计了一种基于动力电池的电流与温度解耦控制系统及方法。

基于动力电池的电流与温度解耦控制系统，包括：BMS、电池包、冷却水泵、电机控制器降温系统控制器，输入端与BMS的控温输出端电连接，输出端与前馈补偿器的第一输入端电连接；电机功率系统控制器，输入端与BMS的功率控制输出端电连接，输出端与前馈补偿器的第二输入端电连接；前馈补偿器，第一输入端与降温系统控制器的输出端电连接，第二输入端与电机功率系统控制器输出端电连接，第一输出端与水泵阀调节器电连接，第二输出端与电机功率调节器电连接；与电机功率调节器耦合的水泵阀调节器，输入端与前馈补偿器第一输出端电连接，输出端与冷却水泵信号输入端电连接；与水泵阀调节器耦合的电机功率调节器，输入端与前馈补偿器第二输出端电连接，输出端与电机控制器电连接。

作为优选，所述的前馈补偿器，包括：温度因素对功率前馈补偿单元，输入端与降温系统控制器输出端电连接，输出端与电机控制器的输出信号叠加并与水泵阀调节器输入端电连接；功率对温度因素前馈补偿单元，输入端与电机功率系统控制器输出端电连接，输出端与降温控制系统的信号叠加并与电机功率调节器的输入端电连接。

基于动力电池的电流与温度解耦控制方法，包括以下步骤：

M1，降温系统控制器与电机功率系统控制器耦合，设定降温系统控制器对电机功率系统控制器的耦合影响为扰动，电机功率系统控制器对降温系统控制器的耦合影响为扰动；

M2，设定系统控制器的传递函数为Gc（s），前馈补偿器的传递函数为Gp（S），被控耦合系统电机功率调节器与水泵阀调节器的传递函数为G（S），其中系统控制器包括降温系统控制器与电机功率系统控制器；

M3，BMS输入信号与反馈信号信号作差后，分别输入至降温系统控制器与电机功率系统控制器，传递函数为Gc1以及 Gc2；

M4，系统控制器输出信号U1（s）输入至前馈补偿器第一输入端，系统控制器输出信号U2（s）输入至前馈补偿器的第二输入端；

M5，对系统控制器输出信号U1（s）进行前馈补偿操作得到前馈补偿输出解耦信号Uc1（s），U2（s）进行前馈补偿操作得到前馈补偿输出解耦信号Uc2（s），

M6 ，Uc1（s）输入至水泵阀调节器得到输出Y1（s），Uc2（s）输入至电机功率调节器，得到输出Y2（s）；

M7，设G11是当前设定温度所需阀门开度的传递函数，G21是设定温度对电机功率影响的传递函数，G22是设定电流对功率的传递函数，G12是设定电流对阀门开度影响的传递函数；

M8，通过保持U1（s）不变，动作U2（s）以及保持U2（s）不变，动作U1（s），以此分别得到G11，G12，G21，G22的解耦表达式；

M9，将得到的系数加入至冷却水泵和电机控制器完成电流与温度解耦。

作为优选，所述的步骤M4，包括以下步骤：

A1，计算U1（s）对Y2（s）的影响得到Y2（s）=U1G21+U1Gp21G22=U1（G21+Gp21G22）；

A2，使G21+Gp21G22=0，解除U1（s）对Y2（s）的影响，使G12+Gp12G11=0，解除U2（s）对Y1（s）的影响；

A3，结算得到Gp21=-G21/G22以及Gp12=-G12/G11。

该解耦方式为前馈补偿的方式，Gp12与Gp21为解耦环节的传递函数，前馈补偿解耦的基本思想是将U1（s）对Y2（s）的影响，U2（s）对Y1（s）的影响视为扰动，并按前馈补偿的方法消除扰动影响；U1（s）对被控参数Y2（s）的影响为：Y2（s）=U1G21+U1Gp21G22=U1（G21+Gp21G22），如果要求U1（s）对被控参数Y2（s）没有影响，则G21+Gp21G22=0，则有Gp21=-G21/G22，同样的有Gp12=-G12/G11，对于G11，G12，G21，G22可以通过保持U1（s）不变，动作U2（s）以及保持U2（s）不变，动作U1（s），以此分别得到G11，G12，G21，G22，求得解耦控制器的表达式。得到两个前馈解耦补偿器的表达式后，将得到的系数在输入后加在执行机构之前即可实现解耦。

本发明的实质性效果在于使用本系统可以电流改变的同时，计算出需要同时对降温设施采取的动作量，使电池在电流变化期间仍能维持在最佳的温度状态下放电，这样的方案既保证了电池的寿命，也使功率输出不受较大的限制。

附图说明

图1 动力电池的电流与温度解耦控制系统框图；

图中： 1、BMS，2、系统控制器，3、前馈补偿器，4、被控耦合系统，5、降温系统控制器，6、电机功率系统控制器，7、温度因素对功率前馈补偿单元，8、功率对温度因素前馈补偿单元，9、第一加法器，10、第二加法器，11、水泵阀调节器，12、电机功率调节器，13、冷却水泵，14、电机控制器，15、电池包。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。

实施例1

如图1所示，所述的基于动力电池的电流与温度解耦控制系统，包括：BMS1、电池包15、冷却水泵13、电机控制器14以及降温系统控制器5，输入端与BMS1的控温输出端电连接，输出端与前馈补偿器3的第一输入端电连接；电机功率系统控制器6，输入端与BMS1的功率控制输出端电连接，输出端与前馈补偿器3的第二输入端电连接；前馈补偿器3，第一输入端与降温系统控制器5的输出端电连接，第二输入端与电机功率系统控制器6输出端电连接，第一输出端与水泵阀调节器11电连接，第二输出端与电机功率调节器12电连接；与电机功率调节器12耦合的水泵阀调节器11，输入端与前馈补偿器3第一输出端电连接，输出端与冷却水泵13信号输入端电连接；与水泵阀调节器11耦合的电机功率调节器12，输入端与前馈补偿器3第二输出端电连接，输出端与电机控制器14电连接。

所述的前馈补偿器3，包括：温度因素对功率前馈补偿单元7，输入端与降温系统控制器5输出端电连接，输出端与电机控制器14的输出信号叠加并与水泵阀调节器11输入端电连接；功率对温度因素前馈补偿单元8，输入端与电机功率系统控制器6输出端电连接，输出端与降温控制系统的信号叠加并与电机功率调节器12的输入端电连接。

其中温度因素对功率前馈补偿单元7的输出信号与输入信号U2（s）在第二加法器10进行信号叠加得到输出信号Uc2(s)，功率对温度因素前馈补偿单元8的输出信号与输入信号U1（s）在第一加法器9进行信号叠加得到输出Uc1(s)。

基于动力电池的电流与温度解耦控制方法，包括以下步骤：

M1，降温系统控制器5与电机功率系统控制器6耦合，设定降温系统控制器5对电机功率系统控制器6的耦合影响为扰动，电机功率系统控制器6对降温系统控制器5的耦合影响为扰动；

M2，设定系统控制器的传递函数为Gc（s），前馈补偿器3的传递函数为Gp（S），被控耦合系统4电机功率调节器12与水泵阀调节器11的传递函数为G（S），其中系统控制器包括降温系统控制器5与电机功率系统控制器6；

M3，BMS1输入信号与反馈信号信号作差后，分别输入至降温系统控制器5与电机功率系统控制器6，传递函数为Gc1以及 Gc2；

M4，系统控制器输出信号U1（s）输入至前馈补偿器3第一输入端，系统控制器输出信号U2（s）输入至前馈补偿器3的第二输入端；

M5，对系统控制器输出信号U1（s）进行前馈补偿操作得到前馈补偿输出解耦信号Uc1（s），U2（s）进行前馈补偿操作得到前馈补偿输出解耦信号Uc2（s），

M6 ，Uc1（s）输入至水泵阀调节器11得到输出Y1（s），Uc2（s）输入至电机功率调节器12，得到输出Y2（s）；

M7，设G11是当前设定温度所需阀门开度的传递函数，G21是设定温度对电机功率影响的传递函数，G22是设定电流对功率的传递函数，G12是设定电流对阀门开度影响的传递函数；

M8，通过保持U1（s）不变，动作U2（s）以及保持U2（s）不变，动作U1（s），以此分别得到G11，G12，G21，G22的解耦表达式；

M9，将得到的系数加入至冷却水泵13和电机控制器14完成电流与温度解耦。

所述的步骤M4，包括以下步骤：

A1，计算U1（s）对Y2（s）的影响得到Y2（s）=U1G21+U1Gp21G22=U1（G21+Gp21G22）；

A2，使G21+Gp21G22=0，解除U1（s）对Y2（s）的影响，使G12+Gp12G11=0，解除U2（s）对Y1（s）的影响；

A3，结算得到Gp21=-G21/G22以及Gp12=-G12/G11。

该解耦方式为前馈补偿的方式，图中Gp12与Gp21为解耦环节的传递函数。前馈补偿解耦的基本思想是将U1（s）对Y2（s）的影响，U2（s）对Y1（s）的影响视为扰动，并按前馈补偿的方法消除扰动影响；U1（s）对被控参数Y2（s）的影响为：Y2（s）=U1G21+U1Gp21G22=U1（G21+Gp21G22），如果要求U1（s）对被控参数Y2（s）没有影响，则G21+Gp21G22=0，则有Gp21=-G21/G22，同样的有Gp12=-G12/G11，对于G11，G12，G21，G22可以通过保持U1（s）不变，动作U2（s）以及保持U2（s）不变，动作U1（s），以此分别得到G11，G12，G21，G22，求得解耦控制器的表达式。得到两个前馈解耦补偿器的表达式后，将得到的系数在输入后加在执行机构之前即可实现解耦。

Claims (3)

1.基于动力电池的电流与温度解耦控制系统，包括：BMS、电池包、冷却水泵以及电机控制器，其特征在于，还包括：

降温系统控制器，输入端与BMS的控温输出端电连接，输出端与前馈补偿器的第一输入端电连接；

电机功率系统控制器，输入端与BMS的功率控制输出端电连接，输出端与前馈补偿器的第二输入端电连接；

前馈补偿器，第一输入端与降温系统控制器的输出端电连接，第二输入端与电机功率系统控制器输出端电连接，第一输出端与水泵阀调节器电连接，第二输出端与电机功率调节器电连接；

与电机功率调节器耦合的水泵阀调节器，输入端与前馈补偿器第一输出端电连接，输出端与冷却水泵信号输入端电连接；

与水泵阀调节器耦合的电机功率调节器，输入端与前馈补偿器第二输出端电连接，输出端与电机控制器电连接。

2.根据权利要求1所述的基于动力电池的电流与温度解耦控制系统，其特征在于，所述的前馈补偿器，包括：

温度因素对功率前馈补偿单元，输入端与降温系统控制器输出端电连接，输出端与电机控制器的输出信号叠加并与水泵阀调节器输入端电连接；

功率对温度因素前馈补偿单元，输入端与电机功率系统控制器输出端电连接，输出端与降温控制系统的信号叠加并与电机功率调节器的输入端电连接。

3.基于动力电池的电流与温度解耦控制方法，适用于权利要求1所述的基于动力电池的电流与温度解耦控制系统，其特征在于，包括以下步骤：

M1，降温系统控制器与电机功率系统控制器耦合，设定降温系统控制器对电机功率系统控制器的耦合影响为扰动，电机功率系统控制器对降温系统控制器的耦合影响为扰动；

M2，设定系统控制器的传递函数为Gc（s），前馈补偿器的传递函数为Gp（S），电机功率调节器与水泵阀调节器的传递函数为G（S），其中系统控制器包括降温系统控制器与电机功率系统控制器；

M3，BMS输入信号与反馈信号信号作差后，分别输入至降温系统控制器与电机功率系统控制器，传递函数为Gc1以及 Gc2；

M4，系统控制器输出信号U1（s）输入至前馈补偿器第一输入端，系统控制器输出信号U2（s）输入至前馈补偿器的第二输入端；

M5，对系统控制器输出信号U1（s）进行前馈补偿操作得到前馈补偿输出解耦信号Uc1（s），U2（s）进行前馈补偿操作得到前馈补偿输出解耦信号Uc2（s），

M6 ，Uc1（s）输入至水泵阀调节器得到输出Y1（s），Uc2（s）输入至电机功率调节器，得到输出Y2（s）；

M7，设G11是当前设定温度所需阀门开度的传递函数，G21是设定温度对电机功率影响的传递函数，G22是设定电流对功率的传递函数，G12是设定电流对阀门开度影响的传递函数；

M8，通过保持U1（s）不变，动作U2（s）以及保持U2（s）不变，动作U1（s），以此分别得到G11，G12，G21，G22的解耦表达式；

M9，将得到的系数加入至冷却水泵和电机控制器完成电流与温度解耦。

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