CN112491099B - 一种电池主动均衡控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电池主动均衡控制方法及装置，属于电池均衡技术领域。本发明采用MPC控制规则控制电池的主动均衡过程，MPC控制会根据单体电池SOC与平均值的差距，以一个控制周期内均衡电流绝对值之和最小为目标，计算出在每个控制周期完成均衡需要的均衡电流，按照该方式确定的均衡电流不会出现反复改变方向的情况，避免了均衡过程中单个电池反复充放电，提高了均衡效率，保证了电池的寿命。

Description

一种电池主动均衡控制方法及装置

技术领域

本发明涉及一种电池主动均衡控制方法及装置，属于电池均衡技术领域。

背景技术

相同类型、相同批次的电池，在容量、内阻和电压等方面不可能完全一致。其次，在使用中，由于电池组中电池的温度变化、通风情况、自放电因素、电解液密度等差异的影响，电池的不一致性会增大。当电池单体成组使用，如果某个单体提前出现充满电，或者提前放空，会导致电池组的实际容量因为次单体而受到影响，因此需要采用均衡电路，均衡电路分为主动均衡电路和被动均衡电路。被动均衡是将电池单体多余的能量被旁路电阻消耗掉了，即通过分流电阻，将单体多余的能量通过电阻发热的方式消耗掉，从而实现单体电压的一致性。主动均衡，这种均衡依靠能量转移介质，对电量多的电池单体取电，对电量少的单体充电，主动地将多余的电量重新分配，是一种效率较高的均衡方式。

目前的电池主动均衡的控制原理如图1和图2所示，T1是双向均衡变压器，变压器两侧电路的通断由Mosfet QA1和QB1控制；而这两个Mosfet又是通过LTC3300的G1S和G1P引脚进行控制；变压器中电流的变化情况通过RSA1和RSB1电阻上的电压来判断，采集的电压通过RC滤波器进行了滤波；变压器T1的两边都有滤波和稳压电路；DA1和DB1是保护二极管，起到对Mosfet进行保护的功能；电池侧的sbr10u200ps是超势垒整流器，对变压器输出的充电电压进行整流，起到保护电池的作用。对单体放电的工作原理：以单体电池1为例，当需要对单体电池1放电时，控制开关G1P，闭合电池组线圈，单体电池1开始给DC-DC线圈充电，当充电电流达到最大值时，电感中存储的磁场能量达到最大；此时断开开关G1P，同时打开开关G1S，这时，电感中的能量转移到电池组这一侧的线圈中，并通过开关G1S对电池模组(单体电池1到单体电池12)充电，当充电电流降为0时，关闭G1S，然后同步打开G1P，单体1又开始给DC-DC充电，重复以上的过程，直到单体电池1的电压或者电量恢复到正常水平。对单体充电的原理和上面的过程类似，仍以单体电池1为例，当需要对单体电池1充电时，控制器控制G1S闭合，DC-DC模块首先从电池模组取电，当DC-DC模块中的能量达到最大值时，也就是充电电流最大时，断开G1S，同步闭合G1P，这时DC-DC中的能量开始转变成电能，并对单体电池1充电，但充电电流降为0时，再闭合G1P，同步打开G1S，再次从电池组取电，重复上面的步骤，直到单体电池1的电压达到正常水平。对大于12节的串联电池组进行均衡时，需要时变压器次级接线交错以实现整个电池组的平衡。每个变压器的次级连接至电池组中所处位置比每个LTC3300-1子电池组中电压最低的电池的低端高出12个电池的顶端。对于电池组中最顶端的LTC3300，不可能横跨12节电池来连接变压器的次级，而是将其连接至电池组的顶端，即实际上仅横跨6节电池连接。以这种方式进行交错使得电荷能在整个电池组中的6节子电池组之间转移。

一般的电池主动均衡控制方法以SOC高低作为均衡控制条件，即将每个电池的SOC和平均值进行对比，当电池单体的SOC高于平均值时，对该电池进行放电；当该电池的SOC低于平均值，则需要对该电池进行充电。如果设定均衡控制周期为固定值△T。基于一般控制方法，如果一个电池需要均衡，则在一个周期△T内可能是一直充电，也可能是一直放电。这样就会导致在整个均衡过程中，一个电池单体反复充放电；这不仅降低了均衡的效率，也会对电池的寿命造成影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种电池主动均衡控制方法及装置，以解决目前主动均衡控制过程均衡效率低、影响电池寿命的问题。

本发明为解决上述技术问题而提供一种电池主动均衡控制方法，该主动均衡控制方法包括以下步骤：

1)以电池容量作为状态变量，以均衡电流作为控制变量，建立电池均衡过程的状态控制方程；

2)以一个控制周期内均衡电流绝对值之和最小为目标对电池均衡过程进行MPC控制，确定每个控制周期内电池组中各电池完成均衡所需要的均衡电流，其中所述的状态控制方程为MPC控制的预测模型，均衡电流为MPC控制的控制对象，一个控制周期内均衡电流绝对值之和最小为MPC控制的滚动优化目标函数，单个电池SOC与电池组中所有电池SOC平均值的差值为MPC控制的参考轨迹。

本发明还提供了一种电池主动均衡控制装置，包括存储器和处理器，以及存储在所述存储器上并在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器与所述存储器相耦合，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述电池主动均衡控制方法。

本发明采用MPC控制规则控制电池的主动均衡过程，MPC控制会根据单体电池SOC与平均值的差距，以一个控制周期内均衡电流绝对值之和最小为目标，计算出在每个控制周期完成均衡需要的均衡电流，按照该方式确定的均衡电流不会出现反复改变方向的情况，避免了主动均衡过程中单个电池反复充放电，提高了均衡效率，保证了电池的寿命。

进一步地，所述的状态控制方程为：

其中x(t)为电池在t时刻的SOC值，x(t+1)为电池在t+1时刻的SOC值，u(t)为电池在t时刻的归一化均衡电流，y(t)为t时刻单个电池SOC与所有电池SOC平均值的差值，A为单位矩阵，B为单位时间内电池转移电量矩阵，C为均衡电量转移矩阵。

进一步地，本发明还给出了具体的均衡电量转移矩阵的表达形式，所述的均衡电量转移矩阵C为：

其中n为电池组内单个电池的个数，1为转移的总电量。

进一步地，单位时间内电池转移电量矩阵B为：

B＝CQ_uu(t)Δt

其中，Q_u为电池组中各电池的容量构成的对角矩阵,u(t)为电池组中各电池的均衡电量，Δt＝(t+1)-t为单位时间。

进一步地，为了提高控制效率和精度，所述的滚动优化目标函数采用线性规划进行求解。

进一步地，为了实现对均衡电流的精细控制，提高均衡速度和能力，该方法还包括通过PWM波控制均衡电路在一个控制周期内实现所述的均衡电流。

附图说明

图1是本发明主动均衡原理示意图；

图2是本发明主动均衡控制电路原理示意图；

图3是本发明所采用的MPC控制原理框图；

图4-a是本发明实施例中基于普通控制原则确定的均衡电流波形图；

图4-b是本发明实施例中采用MPC控制得到的均衡电流波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步地说明。

方法实施例

本发明采用一个控制周期内均衡电流绝对值之和最小为目标对电池均衡过程进行MPC控制，确定每个控制周期内电池组中各电池完成均衡所需要的均衡电流，其中所述的状态控制方程为MPC控制的预测模型，均衡电流为MPC控制的控制对象，一个控制周期内均衡电流绝对值之和最小为MPC控制的滚动优化目标函数，单个电池SOC与电池组内所有电池SOC平均值的差值为MPC控制的参考轨迹。MPC控制会根据单体电池SOC与平均值的差距，可以计算出在每个控制周期完成均衡需要的均衡电流，而一般控制方法只能计算出是否需要均衡，不能控制均衡电流的大小。均衡电流大小的控制，可以通过调制PWM来实现，即通过控制均衡开关在一个周期内的闭合时间来实现均衡电流的动态调整。下面以某一具体的电池组均衡过程为例对本发明的主动均衡方法进行详细说明。

本实施例针对的电池组有n个单体电池串联而成，有m组均衡通道，m和n相等，各个电池的额定容量采用一个对角矩阵Q_x表示，每个电池的SOC定义为x(t)，则流过每个电池的电量为Q_x·x(t)。

x(t)＝[x₁ x₂ … x_n]^T

电池的SOC是一个0和1之间数，0代表电池能量耗完，1代表电池刚充满电。如果所有电池之间的SOC相差较大，则需要进行能量转移，电荷在m个通道之间进行传递。如果

表示通道1最大的均衡电流，用其表示该通道的均衡能力；用一个对角矩阵Q_u来表示通道1到通道m的最大均衡电流，用u(t)表示归一化之后的各个通道均衡电流，则实际的均衡电流可以表示为Q_u*u(t)。

1.建立电池均衡过程的状态控制方程。

根据双向均衡原理可知，电压最高的电池放出的电量被转移到了整个电池组，如果转移的总电量是1，则电池组内每个电池(包括放电的电池)得到1/n的电量，放电的电池转移的电量是1/n-1，其他电池是1/n；同理，电压最低的电池得到的电量来自整个电池组，如果转移的总电量是1，则电池组内每个电池(包括充电的电池)都失去1/n的电量，充电的电池转移的电量是1-1/n，其他电池都是-1/n。因此，可采用矩阵C来描述均衡电量在各电池之间的传递。

在单位时间内转移的电量E为：

E＝C*Q_u*u(t)*Δt

其中u(t)＞0表示对该电池进行充电，u(t)＜0表示对该电池放电，均衡的目标是保证在每个电池的SOC和电池所有电池SOC均衡的差值小于门槛值时一个控制周期内均衡电流绝对值之和最小，对于通道1而言，其目标函数是

则所有通道的目标值y(t)为：

y(t)应该接近目标值0。

选择电池SOC值为状态变量，均衡电流作为输入控制变量，单个电池SOC与电池组所有电池SOC平均值的差值作为输出量，则根据均衡过程建立的状态控制方程为：

系统拘束为：u(t)∈{u∈R^m|-1≤u≤1}

其中x(t)为电池在t时刻的SOC值，x(t+1)为电池在t+1时刻的SOC值，u(t)为电池在t时刻的归一化均衡电流，y(t)为t时刻单个电池SOC与电池组所有电池SOC平均值的差值，A为单位矩阵，B为单位时间内电池转移电量矩阵，C为均衡电量转移矩阵。

2.根据状态方程对电池均衡过程进行MPC控制。

模型预测控制(MPC Model Predictive Control)是一类特殊的控制，其本质在于求解一个开环最优控制问题，经典的MPC控制流程如图3所示，包括以下四个方面：(1)预测模型；(2)反馈校正；(3)滚动优化；(4)参考轨迹。本发明是将MPC控制应用到的主动均衡过程中，以一个控制周期内均衡电流绝对值之和最小为目标对电池均衡过程进行MPC控制。状态控制方程为MPC控制的预测模型，均衡电流为MPC控制的控制对象，一个控制周期内均衡电流绝对值之和最小为MPC控制的滚动优化目标函数，单个电池SOC与所有电池SOC平均值的差值为MPC控制的参考轨迹。

如图3所示，本实施例中的控制对象是主动均衡过程中的控制量，也就是均衡电流，因为每个通道的最大均衡能力有差异，统一归一化到[-1,1]之间，便于统一管理；预测模型是对整个均衡的过程进行建模的结果，即为所建立的状态控制方程；预测模型输出y_m是通过模型的状态方程y(t)在上一时刻的控制时间输入下预测时间内的输出，预测模型输出由两部分组成：过去已知的控制量产生的预测模型输出，由现在和未来的控制量产生的预测模型输出。

预测输出y_e为控制对象的实际输出和控制模型的预测输出的差值，是当前控制对象输出值y(相当于本发明的y(t))和预测模型输出值y_m的差异，属于控制系统后反馈。

y_r是当前控制对象输出值y和设定的目标值y_sp的差值，属于控制系统前馈，设定的目标值y_sp在这个控制系统中指的是每个电池的SOC和所有电池SOC的平均值的差值为0，就是期望y(t)＝{0,0,…,0}。

滚动优化的目的是计算出下一时刻最优的控制量，通过目标函数求最优控制量，考虑的因数有：1)过去已知的控制量产生的控制对象模型输出；2)由现在和未来的控制量产生的预测模型输出；3)由现在和未来的控制量产生的控制对象输出值；4)系统的期望(设定)输出，参考轨迹输出。对本实施例而言，滚动优化目标函数minJ(k)为：

minJ(k)＝min(|u₁(t)|+|u₂(t)|+…+|u_n(t)|)

3.对MPC控制中的滚动优化目标函数进行求解。

求解上述目标函数可采用很多种方式计算，本实施例采用线性规划方式求解，性规划问题是运筹学的重要组成部分。线性规划指导人们，在一定的约束条件下，通过数学计算的方法找到一个是成本函数最小的决策方法。使有限的资源发挥最大的作用。因此，线性规划问题应用广泛，比如在路径选择，工业生产分配，商业经营等方面都有应用。

线性规划问题可以分为两种，一种是资源有限，目标函数是产量最大的；另一种是产量一定，如何以最小消耗实现目标；前者是求极大值问题，后者是求极小值问题。本发明将滚动优化目标函数的求解转换成线形规划问题，并采用MATLAB求解线形规划问题。其求解的步骤大致为：首先通过迭代的方法，找到一个可行解，然后判断是否为最优解，如不是，继续迭代，直至找到一个最优解，或者判定为无解。MATLAB规定线形规划的标准形式为：

minz＝f^Tx

相关函数为：[x,fval,exitflag]＝linprog(f,A,b,A_eq,b_eq,lb,ub)

其中lb和ub分别是变量x约束下限和上限，x返回目标函数的最优解，fval返回目标函数最小值，exitflag返回求解的状态，f表示函数系数矩阵，A表示不等式约束的系数矩阵，b表示不等式约束的常数，A_eq表示等式约束的系数矩阵，b_eq表示等式约束的常数。

在采用上述方式对MPC控制中的滚动优化目标函数进行求解时，需要将目标函数转成以下标准形式：

为了将其转换成标准的线形规划问题，令

u_i＝w_i-v_i |u_i|＝w_i+v

其中w_i＞0,v_i＞0

因此，滚动优化目标函数可以表示成：

其中

这样就可以利用MATLAB的linprog()函数进行进行优化求解了，在预测时域内，模型向前进行p个周期的预测，并求解优化问题，使得在预测周期内预测输出y和设定目标r＝0，在时域内误差最小，假设利用linpo()计算出的最优解是控制序列[u(k),u(k+1),…,u(k+c)]，然后控制序列的第一个u(k)作为当前的控制量作用于被控对象(电池)。

为了能够对均衡电流进行精细控制，避免过均衡，提高均衡速度和能量转移效率，本发明采用PWM调制技术控制均衡电流，即通过PWM波控制均衡电路在一个控制周期内的工作时间来实现所需要的均衡电流。

装置实施例

本发明的电池主动均衡控制装置，包括存储器和处理器，以及存储在所述存储器上并在处理器上运行的计算机程序，处理器述存储器相耦合，处理器执行计算机程序实现上述电池主动均衡控制方法，具体的过程已在方法实施例中进行了详细说明，这里不再赘述。

为了证明本发明可行性，下面采用MPC控制和普通控制算法对图1中电池组主控均衡进行仿真试验，以6个电池单体构成电池组为例，结果如图4-a和图4-b所示。采用普通控制规则的均衡电流如图4-a所示，从图中可以发现，基于普通控制规则的均衡方式，在整个均衡过程中，除了单体电池1的均衡电流没有改变方向，其他的5个单体电池的电流都频繁地改变方向，且均衡周期内的电流要么为正的最大值，要么为负的最大值；而基于MPC控制规则的均衡过程，所有的电池的均衡电流都没有改变方向，如图4-b所示，每一路均衡电流在一个控制周期内通过占空比来控制均衡的时间，当需要以最大的均衡能力工作时，占空比被调整为1，如图4-b中单体6的均衡电流所示。经过对比可以发现，同样的初始条件下，图4-a中的均衡时间是1030s；图4-b中的均衡时间是710s；均衡时间减少了31％。

通过对比可以发现，普通控制算法，在一个控制周期内，均衡电路对一串电池要么不均衡，要么就以最大的均衡能力进行均衡，并且当对一个电池进行均衡充电的时候，因为是整个电池组取电，所以会对不需要均衡的电池进行放电，这样就会导致本来不需要均衡的电池因为丢失能量，又变得需要均衡，反之亦然，很容易对电池单体反复充放电，耗费能量，有损电池的寿命，并且均衡时间长。相比之下，通过MPC控制算法，在每一个控制周期内，通过对电池组均衡过程进行解耦，计算出为了达到均衡状态，每一路需要的均衡电流。然后，在通过PWM波控制均衡电路在一个控制周期内的工作时间来实现所需要的均衡电流。这样就避免了对一个电池反复充放电，使电池组尽快地达到均衡状态。

若采用普通控制规则来电池组内部各个电池之间的均衡电流，因为没有对整个均衡的过程进行解耦，就会导致均衡电流的方向会经常改变，这就会电池单体反复充放电，不利于电池的寿命，也会增大均衡所消耗的时间并不可取；而本发明采用基于MPC控制规则的均衡过程，因为是对整个电池组的均衡过程进行整体分析，考虑均衡电池之间的相互影响，实现了对整个均衡过程的解耦，因此，得到均衡电流就不会出现反复改变方向的情况。

Claims (6)

1.一种电池主动均衡控制方法，其特征在于，该主动均衡控制方法包括以下步骤：

1)以电池容量作为状态变量，以均衡电流作为控制变量，建立电池均衡过程的状态控制方程；

2)以一个控制周期内均衡电流绝对值之和最小为目标对电池均衡过程进行MPC控制，确定每个控制周期内电池组中各电池完成均衡所需要的均衡电流，其中所述的状态控制方程为MPC控制的预测模型,所述的状态控制方程为：

其中x(t)为电池在t时刻的SOC值，x(t+1)为电池在t+1时刻的SOC值，u(t)为电池在t时刻的归一化均衡电流，y(t)为t时刻单个电池SOC与所有电池SOC平均值的差值，A为单位矩阵，B为单位时间内电池转移电量矩阵，C为均衡电量转移矩阵；

均衡电流为MPC控制的控制对象，一个控制周期内均衡电流绝对值之和最小为MPC控制的滚动优化目标函数，单个电池SOC与电池组中所有电池SOC平均值的差值为MPC控制的参考轨迹。

2.根据权利要求1所述的电池主动均衡控制方法，其特征在于，所述的均衡电量转移矩阵C为：

其中n为电池组内单个电池的个数，1为转移的总电量。

3.根据权利要求1所述的电池主动均衡控制方法，其特征在于，单位时间内电池转移电量矩阵B为：

B＝CQ_uu(t)△t

其中，Q_u为电池组中各电池的容量构成的对角矩阵,u(t)为电池组中各电池的均衡电量，△t＝(t+1)-t为单位时间，C为均衡电量转移矩阵。

4.根据权利要求1所述的电池主动均衡控制方法，其特征在于，所述的滚动优化目标函数采用线性规划进行求解。

5.根据权利要求1所述的电池主动均衡控制方法，其特征在于，该方法还包括通过PWM波控制均衡电路在一个控制周期内实现所述的均衡电流。

6.一种电池主动均衡控制装置，其特征在于，包括存储器和处理器，以及存储在所述存储器上并在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器与所述存储器相耦合，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-5中任一项所述的电池主动均衡控制方法。

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