CN115765086A - 一种基于时间最优的锂离子电池组主动均衡方法 - Google Patents

一种基于时间最优的锂离子电池组主动均衡方法 Download PDF

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CN115765086A CN202211461252.5A CN202211461252A CN115765086A CN 115765086 A CN115765086 A CN 115765086A CN 202211461252 A CN202211461252 A CN 202211461252A CN 115765086 A CN115765086 A CN 115765086A
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范天娥
杨浩
刘松明
雷浩然
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Abstract

本发明涉及一种基于时间最优的锂离子电池组主动均衡方法，属于锂电池领域。构建模块到模块架构和单元到模块架构的分层主动均衡拓扑结构；建立电池的电荷状态(SOC)和均衡器的脉宽调制(PWM)占空比之间的关系，并使均衡控制器直接作用于均衡器的场效应管；通过减少中间电池充放电之间的微循环周期，保证电池的SOC收敛到一个点；还开发了分层均衡拓扑结构简化电池组结构，减少运算成本。本发明采用了一个时间最优模型预测控制(MPC)策略，设计了一种减小中间电池充放电微循环的时间最优方法，克服了在解决电池组不一致性问题时存在的能量损失大和电池温度上升快的难题，并且提高了系统的鲁棒性。

Description

一种基于时间最优的锂离子电池组主动均衡方法
技术领域
本发明属于锂电池领域，涉及一种基于时间最优的锂离子电池组主动均衡方法。
背景技术
随着对可持续能源需求的增加，储能技术在电动汽车和电力系统中发挥着重要作用，是减少化石燃料使用和降低全球变暖的一种手段。作为先进储能技术的代表，锂离子电池因其高能量密度、低自放电率和长寿命而受到极大关注，并被广泛应用于许多领域。锂离子电池组是由许多电池串联而成的，以满足实际应用中更高的功率和能量要求。然而，由于不同的自放电率、内阻和温度变化导致电池的不一致性和异质性，电池组的性能和电池寿命可能会随着时间的推移而变差，甚至造成安全事故。因此，为了克服这些问题，提高锂离子电池组的性能，开发一个有效的电池均衡系统是非常必要的。
解决电池组的电芯不均衡问题是一个挑战，因为电芯的不一致性是由许多因素造成的。首先，过度充电、过度放电和电池之间的电压不均衡随着时间的推移可能会给电池组带来严重问题。实现电池均衡依赖于所有电池的状态估计，如SOC和电压，对所有电池的精确状态估计对电池管理系统来说是非常耗时的。因此，配备一个高效的电池均衡系统对于锂离子电池组来说是非常必要和迫切的。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于时间最优的锂离子电池组主动均衡方法。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于时间最优的锂离子电池组主动均衡方法，该方法包括以下步骤：
S1：根据电池组的架构分别建立模块到模块和电池到模块的分层主动均衡拓扑结构，设计模块到模块间的双向C′uk型均衡器Mei和电池到模块间的均衡器
Figure BDA0003955463110000011
实现能量相互传递；
S2：联立电池的SOC和均衡器的PWM占空比之间的关系，将均衡控制器直接作用于均衡器的场效应管上，计算出模块间均衡系统和电池对模块架构状态空间表达式，然后建立出模块对模块和电池对模块架构的均衡系统；
S3：基于时间最优模型预测控制算法，设计了一种减小中间电池充放电微循环的时间最优方法；通过求解以下约束线性最优问题，设计出模块对模块和电池对模块架构的时间最优均衡控制器。
可选的，所述S1中，建立由模块到模块和电池到模块架构组成的均衡系统；系统中电池组包括n个电池模块，每个电池模块由m个串联的电池组成；使用n-1个模块对模块均衡器实现电池模块之间的能量均衡，使用m个电池对模块均衡器实现每个模块中电池的SOC均衡；采用改进的双向变换器C′uk实现模块到模块拓扑结构中的能量传递；αi表示均衡器
Figure BDA0003955463110000021
的能量传输效率；
Figure BDA0003955463110000022
表示从所有均衡器传递到模块i的电流，
Figure BDA0003955463110000023
定义为第i个电池模块中所有电池的平均SOC，该均衡器输出的均衡电流定义为
Figure BDA0003955463110000024
每个电池都能够和整个模块进行能量交换，均衡器
Figure BDA0003955463110000025
用于电池i和模块之间的能量交换，1≤i≤m；其中
Figure BDA0003955463110000026
分别为电池/模块侧的均衡电流，电池i总均衡电流记为
Figure BDA0003955463110000027
包括了所以电池侧
Figure BDA0003955463110000028
的和模块侧
Figure BDA0003955463110000029
的均衡电流，表示为
Figure BDA00039554631100000210
可选的，在所述S2中，根据联立模块间的均衡电流和PWM均衡器的关系，确定均衡电流取决于场效应管上的占空比；Lm为C′uk型均衡器的电感值，流入n个电池模块的均衡电流Im(k)与PWM信号占空比Dm的关系表示为：
Figure BDA00039554631100000211
定义状态变量
Figure BDA00039554631100000212
和控制输入向量
Figure BDA00039554631100000213
Figure BDA00039554631100000214
其中
Figure BDA00039554631100000215
为i模块中所有电池的平均额定容量；η为库伦效率，Ts为采样周期；对于模块对模块的均衡系统，模块间均衡系统的状态空间表达式表示为：
xm(k+1)＝xm(k)+Bmum(k)+dmInIMS(k)
其中
Figure BDA00039554631100000216
且
Figure BDA00039554631100000217
Lc为电感，电池的均衡电流
Figure BDA00039554631100000218
与应用在场效应管的PWM占空比Dc之间的关系推导为：
Figure BDA00039554631100000219
状态变量为
Figure BDA00039554631100000220
和控制输入变量为
Figure BDA00039554631100000221
Figure BDA00039554631100000222
因此电池对模块均衡系统的状态空间表示为：
xc(k+1)＝xc(k)+Bcuc(k)+dcImICS(k)。
可选的，所述S3中，基于时间最优模型预测控制算法为，通过求解多个约束线性最优问题，设计出模块对模块和电池对模块架构的时间最优均衡控制器；对于电池均衡模型，最终的均衡SOC表示为：
Figure BDA00039554631100000223
其中
Figure BDA00039554631100000224
是恒定输入；IS是外部电流，
Figure BDA00039554631100000225
和
Figure BDA00039554631100000226
Figure BDA0003955463110000031
为最终均衡SOC；其中
Figure BDA0003955463110000032
0n是有n个列的零向量；电池组所有电池的额定容量大致相同，Ld是一个小一点的值，则约束条件化简为：
Lx(k)+LBu(k)θ+LdInIS(k)θ＝0n
定义一个新的列向量：
Figure BDA0003955463110000033
模块对模块架构的均衡控制，通过求解以下约束线性最优问题，设计出最优控制器：
Figure BDA0003955463110000034
电池对模块结构的均衡控制器以离散时间的K时刻执行，通过求解每个时刻最小时间问题，得到最优PWM占空比
Figure BDA0003955463110000035
类似的通过定义一个新的列向量：
Figure BDA0003955463110000036
通过求解约束线性最优问题，得到电池到模块架构的时间最优均衡控制器：
Figure BDA0003955463110000037
不同模块之间没有耦合，n个控制器的均衡算法并行计算，提高电池均衡算法的计算速度。
本发明的有益效果在于：本发明简化了电池组的结构模型，在抑制电池组温度的上升和实现电池SOC均衡有显著效果。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明的流程图；
图2电池组原理图；(a)为用于电池组的模块对模块和电池对模块均衡系统的体系结构；(b)为双向型均衡器示意图；(c)为双向反激式变压器均衡器示意图；
图3为分层电池均衡控制策略的结构；
图4为电池组的外部工作电流；
图5为电池的初始SOC；
图6为电池SOC的均衡结果；
图7为电池SOC均方根的差值；
图8为电池的温度；
图9为电池电流与控制结果；
图10为电池SOC与电池平均温度均方根的比较结果；(a)为电池SOC均方根；(b)为电池平均温度均方根。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
实施方式一
如图1所示，本实施方式所述一种基于时间最优的锂离子电池组主动均衡方法，包括以下步骤：
步骤一、采用基于隔离双向反激变压器的变换器实现电池到模块拓扑结构中的能量传递；为了防止过大的电流烧坏均衡器应该限制的电流的范围，通过均衡器，保证电池的电荷状态收敛到一个点，减少电池的充放电的微循环；
步骤二、对于由串行连接的电池模块组成的电池组，每个电池模块中的电池单体共享由模块到模块结构的均衡器提供的相同的均衡电流，通过求解约束线性优化问题，可以设计出模块对模块架构的时间最优均衡均衡器，使之作用在电池组之间；
步骤三、均衡控制器可以直接作用于均衡器的场效应管上，而不需要另一个内环控制器来跟踪均衡电流，不同模块之间没有耦合，均衡器的均衡算法可以并行计算，可以大大提高单元均衡算法的计算速度；
步骤四、将步骤三得到均衡器作用在不同电池组不同模块间，通过测量单个电池的SOC和温度的数据，保证锂离子电池组在最短的时间内实现主动均衡；
本实施方式中，首先，构建了模块到模块和单元到模块的分层主动均衡拓扑结构，使庞大的电池组易于维护，降低计算复杂度；其次，建立了单元soc与均衡器PWM占空比之间的关系，使均衡控制器直接作用于均衡器的场效应管上，便于实际实现。在此基础上，设计了一种减小中间电池充放电微循环的时间最优方法，可有效减少中间电池的能量损失，并在电池SOC达到均衡时抑制电池的温升。通过大量的实验结果表明，所提出的时间最优方法在快速均衡时间和保证安全单元电流范围的前提下，具有良好的分层主动均衡性能。
实施方式二
本实施方式是对实施方式一作进一步说明；通过搭建仿真实验平台测试锂离子电池组的SOC，通过仿真数据对本方法的具体实施方式进行详细描述。首先通过MATLAB中的Simulink建立一个有n＝3电池模块，每个模块有m＝4个串联电池的电池组上面仿真；所设计的控制算法的主要参数如表1所示。
表1电池组的外部工作电流
Figure BDA0003955463110000051
图2电池组原理图；(a)为用于电池组的模块对模块和电池对模块均衡系统的体系结构；(b)为双向型均衡器示意图；(c)为双向反激式变压器均衡器示意图；
本发明的实施方式以上面仿真的电池组为对象，其具体诊断流程包括如下步骤：
步骤一：首先在MATLAB仿真平台上搭建电池组模型的虚拟仿真环境；首先通过Simulink建立一个有n＝3电池模块，每个模块有m＝4个串联电池的电池组上面仿真；每个电池的标准容量为1.1Ah，电压为3.2V；建立电池组的均衡模型，电池的SOC范围从0％到100％，为了是转换器在DCM中工作，PWM占空比的最大值被设置为Dmax＝50％。电池电流应该限制在[-4.1A，2.1A]，如图4所示。
步骤二：初始化虚拟仿真环境，选取正确的SOC初始值和误差值σ；用
Figure BDA0003955463110000061
Figure BDA0003955463110000062
表示电池在k时刻的平均SOC，为了有效的避免计算时过多的重复迭代，降低电池组均衡拓扑的能量供给成本，将误差σ设置为0.2％；如图5所示。
步骤三：采用一种基于锂离子电池组的分层主动均衡最优算法，计算出电池SOC的均衡结果、电池SOC的均方根、电池的温度和电池，如图6至9所示。
实施方式三
本实施方式是对实施方式一作进一步说明；为了说明所提出的时间最优方法在电池组分层主动均衡中的优秀性能，本发明中与最小化电池荷电状态差异的均衡控制策略进行了比较。考虑了不同的权重系数来最小化中电池SOC差异的策略。电池SOC与电池平均温度均方根的比较结果如图10(a)和10(b)所示。
综上所述，从搭建的仿真平台和比较中可以得到如下结论：
从图6中可以看出，当均衡时间为1156秒时，所有电池的SOC都可以收敛到相同的值。尤其可以观察到，在1156s后，电池SOC均方根的差值由最初的13.8％迅速收敛到0.2％，如图7所示；同时，在图8中在整个均衡过程中，当电池在环境25℃时，电池的最高温度小于30.9℃，说明所提出的方法可以抑制电池的温升；电池电流可以很好地限制在[-4.1A,2.1A]的安全范围内，如图9所示。所有的结果都表明了我们提出的均衡策略的有效性和良好的性能。由于电池单体的不均衡会影响电池组的性能和寿命，因分层主动均衡锂离子电池组的时间最优方法来解决电池单体不一致的问题。大量的实验结果表明，所提出的时间最优方法在快速均衡时间和保证安全电池电流范围的前提下，具有良好的分层主动均衡性能。
观察到，无论权重系数是多少，我们所提出的方法都能使电池SOC的均方根迅速收敛到一个容忍范围内，并且电池的平均温度都低于最小化电池SOC差异的策略。
相比之下，所提出的均衡策略可以使电池的平均温度在小范围内变化，同时实现电池SOC的最快均衡。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种基于时间最优的锂离子电池组主动均衡方法，该方法包括以下步骤：
S1：根据电池组的架构分别建立模块到模块和电池到模块的分层主动均衡拓扑结构，设计模块到模块间的双向
Figure FDA0003955463100000011
型均衡器Mei和电池到模块间的均衡器
Figure FDA0003955463100000012
实现能量相互传递；
S2：联立电池的SOC和均衡器的PWM占空比之间的关系，将均衡控制器直接作用于均衡器的场效应管上，计算出模块间均衡系统和电池对模块架构状态空间表达式，然后建立出模块对模块和电池对模块架构的均衡系统；
S3：基于时间最优模型预测控制算法，设计了一种减小中间电池充放电微循环的时间最优方法；通过求解以下约束线性最优问题，设计出模块对模块和电池对模块架构的时间最优均衡控制器。
2.根据权利要求1所述的一种基于时间最优的锂离子电池组主动均衡方法，其特征在于：所述S1中，建立由模块到模块和电池到模块架构组成的均衡系统；系统中电池组包括n个电池模块，每个电池模块由m个串联的电池组成；使用n-1个模块对模块均衡器实现电池模块之间的能量均衡，使用m个电池对模块均衡器实现每个模块中电池的SOC均衡；采用改进的双向变换器
Figure FDA0003955463100000013
实现模块到模块拓扑结构中的能量传递；αi表示均衡器
Figure FDA0003955463100000014
的能量传输效率；
Figure FDA0003955463100000015
表示从所有均衡器传递到模块i的电流，
Figure FDA0003955463100000016
定义为第i个电池模块中所有电池的平均SOC，该均衡器输出的均衡电流定义为
Figure FDA0003955463100000017
每个电池都能够和整个模块进行能量交换，均衡器
Figure FDA0003955463100000018
用于电池i和模块之间的能量交换，1≤i≤m；其中
Figure FDA0003955463100000019
分别为电池/模块侧的均衡电流，电池i总均衡电流记为
Figure FDA00039554631000000110
包括了所以电池侧
Figure FDA00039554631000000111
的和模块侧
Figure FDA00039554631000000112
的均衡电流，表示为
Figure FDA00039554631000000113
3.根据权利要求1所述的一种基于时间最优的锂离子电池组主动均衡方法，其特征在于：在所述S2中，根据联立模块间的均衡电流和PWM均衡器的关系，确定均衡电流取决于场效应管上的占空比；Lm为
Figure FDA00039554631000000114
型均衡器的电感值，流入n个电池模块的均衡电流Im(k)与PWM信号占空比Dm的关系表示为：
Figure FDA00039554631000000115
定义状态变量
Figure FDA00039554631000000116
和控制输入向量
Figure FDA00039554631000000117
Figure FDA00039554631000000118
其中
Figure FDA00039554631000000119
Figure FDA00039554631000000120
为i模块中所有电池的平均额定容量；η为库伦效率，Ts为采样周期；对于模块对模块的均衡系统，模块间均衡系统的状态空间表达式表示为：
xm(k+1)＝xm(k)+Bmum(k)+dmInIMS(k)
其中
Figure FDA0003955463100000021
且
Figure FDA0003955463100000022
Lc为电感，电池的均衡电流
Figure FDA0003955463100000023
与应用在场效应管的PWM占空比Dc之间的关系推导为：
Figure FDA0003955463100000024
状态变量为
Figure FDA0003955463100000025
和控制输入变量为
Figure FDA0003955463100000026
Figure FDA0003955463100000027
因此电池对模块均衡系统的状态空间表示为：
xc(k+1)＝xc(k)+Bcuc(k)+dcImICS(k)。
4.根据权利要求1所述的一种基于时间最优的锂离子电池组主动均衡方法，其特征在于：所述S3中，基于时间最优模型预测控制算法为，通过求解多个约束线性最优问题，设计出模块对模块和电池对模块架构的时间最优均衡控制器；对于电池均衡模型，最终的均衡SOC表示为：
Figure FDA0003955463100000028
其中
Figure FDA0003955463100000029
是恒定输入；IS是外部电流，
Figure FDA00039554631000000210
和
Figure FDA00039554631000000211
Figure FDA00039554631000000212
为最终均衡SOC；其中
Figure FDA00039554631000000213
0n是有n个列的零向量；电池组所有电池的额定容量大致相同，Ld是一个小一点的值，则约束条件化简为：
Lx(k)+LBu(k)θ+LdInIS(k)θ＝0n
定义一个新的列向量：
Figure FDA00039554631000000214
模块对模块架构的均衡控制，通过求解以下约束线性最优问题，设计出最优控制器：
Figure FDA00039554631000000215
电池对模块结构的均衡控制器以离散时间的K时刻执行，通过求解每个时刻最小时间问题，得到最优PWM占空比
Figure FDA00039554631000000216
类似的通过定义一个新的列向量：
Figure FDA00039554631000000217
通过求解约束线性最优问题，得到电池到模块架构的时间最优均衡控制器：
Figure FDA00039554631000000218
不同模块之间没有耦合，n个控制器的均衡算法并行计算，提高电池均衡算法的计算速度。
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