CN111152687A - 一种电动汽车电池均衡充电控制方法 - Google Patents

一种电动汽车电池均衡充电控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电动汽车电池均衡充电控制方法，在充电均衡过程中，利用模糊控制算法调节电池组中每个单体电池的充电量实现均衡，具体包括：设置模糊控制器的语言变量；将设置的语言变量模糊化；确定模糊控制规则，将控制规则制作成模糊状态表；采用加权平均进行反模糊化得到每个单体电池的PWM占空比信号u，对每个单体电池的充电量进行控制。与现有技术相比，本发明提高了对偏差的控制作用，进而提高系统灵敏度；同时设计双输入单输出模糊控制器，通过对模糊集合论域的不断调节，找到可调节范围广的隶属度函数，提高系统稳定性。

Description

一种电动汽车电池均衡充电控制方法
技术领域
本发明涉及电池均衡技术领域，尤其是涉及一种电动汽车电池均衡充电控制方法。
背景技术
纯电动汽车以其在行驶过程中零排放的特性和高能量利用率的优势逐渐成为汽车行业可持续发展的重要组成部分。作为电动汽车主要驱动能源的锂电池组，各单体电池多采用串联方式连接，其状态的好坏直接影响到整车使用的性能。目前电池组在使用前通过匹配能减少一些不均衡性的影响，但是仍不能根本解决均衡性的问题。锂电池组在循环充放电的使用过程中，会使各单体电池能量的不一致性越发凸显，不可避免。由于电池组不一致性问题的存在，造成电池组在可用容量和使用寿命等方面远不及单体电池，并且加大了对电池进行管理和控制的困难程度。目前基于智能算法的电动汽车电池均衡研究多集中于模糊控制方法，如公开号为CN109617169A的中国专利申请公开了一种基于模糊控制的锂离子电池均衡方法，该发明在基于电池电压与SOC的混合均衡方法基础上结合模糊控制，设计出基于电池电压与SOC的双模糊逻辑均衡控制方法，均衡电流可随电池状态的变化而变化，但是，该方法侧重于模糊控制方法的应用效果研究，对于模糊控制器内部的模糊规则设定、模糊集合设计不够完善，导致模糊控制器稳定性和灵敏性较差，系统振荡现象加重。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种电动汽车电池均衡充电控制方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种电动汽车电池均衡充电控制方法，在充电均衡过程中，利用模糊控制算法调节电池组中每个单体电池的充电量实现均衡，具体包括：
S1、设置模糊控制器的语言变量：采用双输入单输出模糊控制器，两个输入值分别为电压差值e和电压差值变化率ec，输出值为PWM占空比信号u；在在模糊控制器中，e的实际变化范围为误差的基本论域，其语言变量为E；ec的实际变化范围为误差变化率的基本论域，其语言变量为EC；u为最终精确结果，其语言变量为U；电压差值e和电压差值变化率ec的量化因子分别为Ke和Kec；比例因子为Ku；
S2、将设置的语言变量模糊化：根据电池组的工作电压区间设定电压差值e的基本论域，并获取电压差值e的量化因子Ke；语言变量E选取多个语言值，在确定语言值的模糊子集隶属于函数μ的基础上，建立语言变量E的赋值表；同理可获取语言变量EC和语言变量U的赋值表；
S3、确定模糊控制规则，将控制规则制作成模糊状态表；
S4、采用加权平均进行反模糊化得到每个单体电池的PWM占空比信号u，对每个单体电池的充电量进行控制。
进一步地，所述的步骤S1中，电压差值e和电压差值变化率ec的表达式分别为：
e＝Uave-Ui
ec＝Δe＝ej-ei
式中，Uave为整个电池组的平均电压；Ui为电池组中某个单体电池电压；ei和ej分别表示单体锂离子电池i和的电压偏差值。
进一步地，所述的步骤S1中，设电压差值e经量化后的论域为(-n，-n+1，...，0，...，n-1，n)，电压差值变化率ec经量化后的论域为(-m，-m+1，...，0，...，m-1，m)，因此，量化因子Ke和Kec的表达式为：
Ke＝n/xe
Kec＝m/xec
Ku＝m/n
式中，xe和xec分别为电压差值e和电压差值变化率ec的实际变化范围。
进一步地，所述的步骤S2中，设定电压偏差值e的基本论域为-4～4V，选定论域为X＝{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，语言变量E选取7个语言值，分别PB，PM，PS，O，NS，NM和NB，在确定语言值的模糊子集{PB，PM，PS，O，NS，NM，NB}隶属于函数μ的基础上，建立语言变量E的赋值表。
进一步地，所述的步骤S3中，模糊控制器的控制规则采用以下形式：
If E and EC then U。
进一步地，所述的步骤S4中，加权平均法的计算表达式为：
Figure BDA0002394324780000031
式中，μU1(ui)为输出电压的隶属度；μ0为模糊集合求解结果。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、针对常规模糊优化控制下侧重于模糊控制方法的应用效果研究，存在模糊控制器自身灵敏性差的问题，本发明通过缩小电压偏差的基本论域，提高了对偏差的控制作用，进而提高系统灵敏度；而对于系统稳定性降低，系统振荡加重的问题，本发明设计双输入单输出模糊控制器，通过对模糊集合论域的不断调节，找到可调节范围广的隶属度函数，提高系统稳定性。
2、本发明为了适应大电流方式下和满足充电速度很快的环境，选取工作电压作为充电时的均衡变量，首先电压可以实时测量，数据来源及时，且略去了传统基于SOC法估算容量的时间。同时，电压值可直观判断电池是否达到充电最高限值，避免过充现象对电池造成不必要的伤害。
3、本发明在研究容量均衡方式的基础上，以各单体电池电压为控制变量，提出基于模糊控制的锂电池组充电均衡控制方法，在充电均衡过程中，利用模糊控制方法调节PWM的占空比，使得电池组能够较好地完成各单体电池间的能量均衡。
附图说明
图1为模糊逻辑控制系统框图。
图2为实施例的仿真实验图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本实施例提供了一种电动汽车电池均衡充电控制方法，针对串联锂电池组中因单体电池性能差异造成的能量不一致问题，首先将电池组中单体电池的电压作为电池组均衡充电中的判断依据。同时，在充电过程中，提出了利用模糊控制算法调节PWM的占空比，使充电过程中充电量得到调节，实现对锂电池组的各单体电池均衡充电，并有效提高充电均衡的效率，使电池组容量得到充分利用，有利于电池组延长使用寿命。
本实施例具体包括以下步骤：
步骤S1、设置模糊控制器的语言变量。
模糊控制器的工作过程可以描述为：对精确量进行模糊化，制定合适的模糊控制算法，最后对系统产生的模糊结果进行模糊推理，产生精确结果。本实施例中采用双输入单输出模糊控制器，其结构框图如图1所示。
在模糊控制器中，e的实际变化范围称为误差基本论域，输入语言变量为E；ec的实际变化范围为误差变化率的基本论域，其语言变量为EC；输出信号u为最终精确结果，其语言变量为U。
在电池组的均衡电路模糊控制系统中，两个输入值分别为电压差值e和电压差值变化率ec。
e＝ΔU＝Uave-Ui
ec＝Δe＝ej-ei
式中，Uave为整个电池组的平均电压；Ui为电池组中某个单体锂离子电池电压；ei和ej分别表示单体锂离子电池i和j的电压偏差值。
Ke和K∞分别是电压差值e和电压差值变化率ec的量化因子。设电压差值e经量化后的论域为(-n，-n+1，...，0，...，n-1，n)，电压差值变化率ec经量化后的论域为(-m，-m+1，...，0，...，m-1，m)，因此，量化因子Ke和Kec的表达式为：
Ke＝n/xe
Kec＝m/xec
式中，xe和xec分别为电压差值e和电压差值变化率ec的实际变化范围。
Ku是输出信号e的比例因子，其表达式为：
K＝m/n。
Ku＝m/n
从图1中可以看出，电压差值e和电压差值变化率ec从系统结构的左端进入，而PWM占空比信号u代表系统输出的最终精确结果，从右端输出。前面的模糊化和后面的去模糊化相互作用，有利于保证系统的稳定，减少响应的超调量以及削减振荡现象，使模糊控制器系统的性能得到改善。
步骤S2、将设置的语言变量模糊化。
本实施例中锂电池电池组的工作区间为2.6～4.0V，设定误差范围不大于0.2V。为提高系统的灵敏度，设电压偏差e的基本论域为-4～4V。
设定电压偏差值e的基本论域为-4～4V，选定语言变量E的论域为X＝{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，则量化因子Ke由公式可确定为1.5。语言变量E选取7个语言值，分别PB，PM，PS，O，NS，NM和NB，在确定语言值的模糊子集{PB，PM，PS，O，NS，NM，NB}隶属于函数μ的基础上，建立语言变量E的赋值表，如表1所示。
表1 语言变量E赋值表
Figure BDA0002394324780000051
同理，可以获得电压差值变化率EC和输出语言变量U的赋值表。
步骤S3、确定模糊控制规则。
有步骤S1和S2可以得到49条模糊语句。对于双输入(E和EC)单输出(U)的模糊控制器采用以下形式：
If E and EC then U
将以上形式的49条控制规则制作成模糊状态表，如表2所示。表2反映了锂电池组充电均衡系统进行控制规则的模糊关系。
表2 模糊控制状态表
Figure BDA0002394324780000061
步骤S4、输出量反模糊化。
由于实际控制过程中，需要的变量必须为清晰的精确量，故为得到充电均衡控制系统中的PWM占空比信号u，根据表2的控制规则采用加权平均法解模糊化，即将模糊控制量中的各模糊变量元素和其对应的隶属度，加权求平均值，计算公式如下所示，μ0即为应用加权平均法后，反模糊化得到的精确值。
Figure BDA0002394324780000062
式中，μU1(ui)为输出电压的隶属度；μ0为模糊集合求解结果。
本实施例的仿真验证：
为验证模糊控制算法在锂电池组充电均衡过程中所能达到的效果，依据实验室现有资源，对一款奇瑞QQ车型的锂电池组进行均衡充电试验。利用MATLB/SIMULINK建立由6节单体电池串联构成的电池组模型，6节单体电池的初始电压分别为：UB1＝3.7V，UB2＝3.5V，UB3＝3.2V，UB4＝3.1V，UB5＝2.8V，UB6＝2.6V。
由图2可以看出，虽然各单体电池初始电压值相差很大，但利用模糊控制算法进行均衡控制后，各个电压在允许的误差范围内趋于相等，均衡效果明显。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种电动汽车电池均衡充电控制方法，其特征在于，在充电均衡过程中，利用模糊控制算法调节电池组中每个单体电池的充电量实现均衡，具体包括：
S1、设置模糊控制器的语言变量：采用双输入单输出模糊控制器，两个输入值分别为电压差值e和电压差值变化率ec，输出值为PWM占空比信号u；在在模糊控制器中，e的实际变化范围为误差的基本论域，其语言变量为E；ec的实际变化范围为误差变化率的基本论域，其语言变量为EC；u为最终精确结果，其语言变量为U；电压差值e和电压差值变化率ec的量化因子分别为Ke和Kec；比例因子为Ku；
S2、将设置的语言变量模糊化：根据电池组的工作电压区间设定电压差值e的基本论域，并获取电压差值e的量化因子Ke；语言变量E选取多个语言值，在确定语言值的模糊子集隶属于函数μ的基础上，建立语言变量E的赋值表；同理可获取语言变量EC和语言变量U的赋值表；
S3、确定模糊控制规则，将控制规则制作成模糊状态表；
S4、采用加权平均进行反模糊化得到每个单体电池的PWM占空比信号u，对每个单体电池的充电量进行控制。
2.根据权利要求1所述的一种电动汽车电池均衡充电控制方法，其特征在于，所述的步骤S1中，电压差值e和电压差值变化率ec的表达式分别为：
e＝Uave-Ui
ec＝Δe＝ej-ei
式中，Uave为整个电池组的平均电压；Ui为电池组中某个单体电池电压；ei和ej分别表示单体锂离子电池i和j的电压偏差值。
3.根据权利要求1所述的一种电动汽车电池均衡充电控制方法，其特征在于，所述的步骤S1中，设电压差值e经量化后的论域为(-n，-n+1，...，0，...，n-1，n)，电压差值变化率ec经量化后的论域为(-m，-m+1，...，0，...，m-1，m)，因此，量化因子Ke和Kec，以及比例因子Ku的表达式为：
Ke＝n/xe
Kec＝m/xec
Ku＝m/n
式中，xe和xec分别为电压差值e和电压差值变化率ec的实际变化范围。
4.根据权利要求1所述的一种电动汽车电池均衡充电控制方法，其特征在于，所述的步骤S2中，设定电压偏差值e的基本论域为-4～4V，选定论域为X＝{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，语言变量E选取7个语言值，分别PB，PM，PS，O，NS，NM和NB，在确定语言值的模糊子集{PB，PM，PS，O，NS，NM，NB}隶属于函数μ的基础上，建立语言变量E的赋值表。
5.根据权利要求4所述的一种电动汽车电池均衡充电控制方法，其特征在于，所述的步骤S3中，模糊控制器的控制规则采用以下形式：
If E and EC then U。
6.根据权利要求1所述的一种电动汽车电池均衡充电控制方法，其特征在于，所述的步骤S4中，加权平均法的计算表达式为：
Figure FDA0002394324770000021
式中，
Figure FDA0002394324770000022
为输出电压的隶属度；μ0为模糊集合求解结果。
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