本發(fā)明涉及自動化控制領域，尤其涉及一種總線式鋰電池組均衡系統(tǒng)預測控制方法。

背景技術：

單個電池能夠提供的能量有限，電池往往都是成組使用。但是由于生產工藝水平的制約，電池在初始的最大容量、內阻等方面存在一定差異。在長期的充放電使用過程中，由于外部環(huán)境、自身的充放電能力、電池性能衰減速度等差異，電池組內各電池在最大容量、內阻等方面差距將越來越大。這些不一致性會造成電池成組使用時性能下降，如會出現電池組中單體電池的過充過放，電池組存儲容量未被充分利用等現象。因此電池組在使用的過程中需要加入電池管理器及均衡系統(tǒng)對其進行優(yōu)化管理。均衡控制策略是均衡系統(tǒng)的核心，雖然現有的技術中已經有一些有效的均衡控制方法，但是這些算法大多只考慮了均衡速度而不考慮能量轉移的效率問題。在均衡控制算法中引入均衡效率因素以從算法上提高均衡效率尚屬空白，這就亟需本領域技術人員解決相應的技術問題。

技術實現要素：

本發(fā)明旨在至少解決現有技術中存在的技術問題，特別創(chuàng)新地提出了一種總線式鋰電池組均衡系統(tǒng)預測控制方法。

為了實現本發(fā)明的上述目的，本發(fā)明提供了一種基于狀態(tài)空間的均衡系統(tǒng)模型。采用預測控制對該模型中電池的剩余電量進行預測控制。采用傳統(tǒng)pi控制對單個電池的均衡電流和總線電壓進行控制。

一種總線式鋰電池組均衡系統(tǒng)預測控制方法，包括如下步驟：

s1，建立鋰電池組均衡系統(tǒng)的被控對象狀態(tài)空間模型；

s2，外環(huán)控制器采用預測控制方法，同時考慮均衡速度和均衡效率，對電池組中單體電池的電量進行預測，生成最優(yōu)電量變化曲線以及對應的均衡電流大??；

s3，內環(huán)控制器采用pi控制器的形式，通過控制單體電池的均衡電流和能量總線電壓實現電池的剩余電量按照預測控制器設定的軌跡變化。

所述的總線式鋰電池組均衡系統(tǒng)預測控制方法，優(yōu)選的，所述s1包括：

建立單個鋰電池的電量變化模型

結合均衡器的效率

以及新建的控制變量

得出考慮均衡器效率的單個鋰電池電量變化模型

考慮所有電池的電量變化，得出均衡系統(tǒng)整體的狀態(tài)空間模型并將其離散化得到

x(k)＝(in×n+at0)x(k-1)+b(k-1)t0u(k-1)

其中

a＝-τin×n

u(k)＝[u1,1(k),u1,2(k),u2,1(k),u2,2(k),...un,1(k),un,2(k)]^t

為了保證系統(tǒng)安全可靠地運行，均衡系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型應當滿足均衡末態(tài)約束條件，

x1(k)＝x2(k)＝…＝xn(k)

總線電壓穩(wěn)定條件

同時控制作用應當滿足

uj,1(k)uj,2(k)＝0,k＝1,...,k,j＝1,...,n

所述的總線式鋰電池組均衡系統(tǒng)預測控制方法，優(yōu)選的，所述s2包括：

均衡系統(tǒng)從均衡開始到結束的損耗在離散模型中可以描述為

其中

f(k)＝[1-h[u1,1(k)],1-f[u1,2(k)],1-h[u2,1(k)],1-f[u2,2(k)]...,1-h[un,1(k)],1-f[un,2(k)]]

v＝[vbus,v1,vbus,v2,...,vbus,vn]^t

均衡完成的時間指標在離散模型中可以描述為

其中m(i)＝[m1(i),m2(i),...,mn(i)]。

依據離散化之后的狀態(tài)空間模型可以寫出系統(tǒng)的狀態(tài)變量預測

預測控制的控制作用應當使均衡系統(tǒng)的損耗和均衡完成時間指標的和最

小，即

其中，

u(k)＝[u(k|k),u(k+1|k),...,u(k+n-1|k)]^t，

x(k+1)＝[x(k+1|k),x(k+2|k),...,x(k+n-1|k),x(k+n|k)]^t，

求解上述目標函數的最小值是一個帶約束條件的非線性規(guī)劃問題，約束條件為

0≤u(k)≤i^m

x^l≤x(k+1)≤x^u

x1(k+n|k)＝x2(k+n|k)＝…＝xn(k+n|k)

uj,1(h|k)uj,2(h|k)＝0,h＝k,...,k+n-1,j＝1,...,n。

所述的總線式鋰電池組均衡系統(tǒng)預測控制方法，優(yōu)選的，所述s3包括：

設電池組包含n節(jié)串聯的鋰電池，每個電池并聯的均衡器都由獨立的pi控制器控制，共有n個pi控制器。其中與n-1節(jié)鋰電池并聯的均衡器在pi控制器的作用下實現均衡電流的控制，剩余的一個均衡器實現總線電壓的控制。

假設第j個電池的剩余電量最接近平均值，那么第j個pi控制器控制第j個均衡器的輸出電壓。總線電壓的設定值由不同總線電壓下的均衡器效率曲線決定，取效率在較大的均衡電流范圍內都較高的電壓值?？刂破鞯妮斎霝榭偩€電壓設定值和實際測量值之差。

第h個pi控制器控制第h個均衡器的輸入電流(h≠j)。均衡電流的參考值來自外環(huán)控制器輸出的u(k)。電流控制器的輸入是均衡電流的參考值和實際均衡電流測量值之差；

第j個均衡器的均衡電流由其余的均衡器決定。由于在外環(huán)控制器在設計時已經考慮了總線電壓的穩(wěn)定條件，當所有進行電流控制的均衡器都實現了電流無靜差控制，第j個電池并聯的均衡器也能夠實現均衡電流達到設定值。

綜上所述，由于采用了上述技術方案，本發(fā)明的有益效果是：

1.均衡系統(tǒng)的建模過程不受具體均衡器的形式影響，適用于任一總線式均衡網絡，具有一般性。

2.與現有的均衡技術相比，由于在求解最優(yōu)控制量過程中考慮了均衡器能量傳遞的效率，能夠從算法上提升均衡系統(tǒng)整體的效率。

3.采用預測控制算法，每一步的預測控制問題都可以轉化為非線性規(guī)劃問題?？梢杂锰幚硪话愕囊?guī)劃問題的方法得到最優(yōu)的控制器的輸出和電池組剩余電量變化曲線。

4.采用pi控制器控制單個電池的均衡電流和均衡系統(tǒng)的總線電壓，二者的控制相互獨立，具有較強的魯棒性和抗擾動性。

本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。

附圖說明

本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點從結合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：

圖1均衡系統(tǒng)所采用的控制算法整體過程示意圖；

圖2是總線式均衡網絡的結構示意圖；

圖3是均衡器的近似效率曲線圖；

圖4為電池電量在均衡系統(tǒng)中的變化曲線；

圖5是總線電壓控制原理圖；

圖6是均衡電流控制原理圖；

具體實施方式

下面詳細描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。

在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術語“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”“內”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。

在本發(fā)明的描述中，除非另有規(guī)定和限定，需要說明的是，術語“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是機械連接或電連接，也可以是兩個元件內部的連通，可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，對于本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語的具體含義。

本發(fā)明提出了一種總線式鋰電池組均衡系統(tǒng)預測控制方法，圖1為控制算法整體過程的示意圖?？刂葡到y(tǒng)采用雙閉環(huán)結構，外環(huán)控制器是一致性控制器，采用預測控制的形式，用于決定當前的每一塊電池應該輸入或輸出的電流大小。外環(huán)控制器用于保證各個電池在均衡之后的剩余電量是一致的，其輸入是當前所有電池的荷電狀態(tài)，用于估算每個電池的剩余電量。輸出即為每個電池應當輸入的參考電流。內環(huán)控制器采用pi控制的形式，通過控制均衡器的開關動作，實現外環(huán)預測控制器輸出的參考電流以及總線電壓的穩(wěn)定。圖1中的均衡器形式為雙向隔離型cuk變換器，實際可以采用其他形式的變換器。假設當前有n個電池串聯，那么應當有n個pi控制器分別控制n個均衡器，其中一個內環(huán)控制器用于控制總線電壓，剩余n-1個控制器用于控制對應電池的均衡電流大小。

鋰電池組均衡系統(tǒng)狀態(tài)空間模型建立以及預測控制方法

圖2為總線式均衡網絡的結構示意圖，各個物理量的參考方向均已在圖中標出。其中xj表示第j個電池的剩余電量，vj表示第j個電池兩端的電壓，表示第j個電池的均衡電流，表示能量總線輸入到與該電池并聯的均衡器的電流，二者符號相同。j＝1,2,...,n代表串聯電池組序號，電池組包含n個串聯電池。τ＞0為電池的自放電率，vbus為能量總線上的電壓。根據剩余電量和均衡電流的關系，可以寫出第j節(jié)電池剩余電量的變化方程。

(1)只與串連電池組的充放電過程有關而與均衡器的具體結構無關，具有一般性，描述了當均衡電流大于零時電池剩余電量隨時間增加的過程。

當均衡系統(tǒng)在運行時，應當滿足以下的約束條件。

在均衡系統(tǒng)完成均衡時，各個電池的剩余電量應當保持一致。假設均衡完成的時間是teq，那么均衡完成條件可以描述為(2)。

x1(teq)＝x2(teq)＝…＝xn(teq)(2)

同時為了保持系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的運行，輸入到總線上的電流應當等于總線輸出的電流，如(3)所示。

考慮到均衡器存在能量傳輸效率，且能量在某一時刻只能單向傳遞。對于與第j節(jié)電池并聯的均衡器，假設能量從電池傳遞到能量總線的效率是從總線傳遞到電池的效率是那么有式(4)，(5)成立。

當均衡器不工作時，同時

效率和是關于均衡器的輸入電流和輸入輸出電壓的非線性函數。如圖3所示為當vj和vbus都是定值時，與或與的近似曲線關系。盡管(1)不與具體的均衡器結構有關，但是效率是和具體的均衡器形式有關的，在應用本發(fā)明方法求解控制量的過程中，應當根據具體的均衡器結構確定效率。

均衡器在不同輸入電流下的效率曲線可以通過專用的設備測量得到?？梢允褂脤I(yè)的數據分析軟件對測量得到的效率曲線進行擬合，進而得到近似的效率模型。

考慮能量從電池傳遞到能量總線，此時均衡器的輸入電流是第j個電池的輸入電壓當vj，能量總線的輸出電壓是vbus。當vj和vbus都是定值時，只與有關，記為(6)

同理，當能量從能量總線傳遞到電池，此時均衡器的輸入電流是輸入電壓是當vbus，輸出電壓是vj。當vj和vbus都是定值時，只與有關，記為(7)

將均衡器的效率考慮進電池剩余電量的變化方程(1)，在此定義兩個滿足約束條件(8)的變量(9)，(10)，用于描述系統(tǒng)的控制作用。

uj,1uj,2＝0(8)

當且僅當時，此時變量uj,1和uj,2均為0。

聯立(1)，(4)，(5)，(9)，(10)。代入uj,1和uj,2到電池電量的變化方程，此時第j節(jié)電池的剩余電量變化表示為(11)。

聯立(6)，(7)，(9)，(10)。第j節(jié)電池并聯的均衡器的效率用uj,1和uj,2表示為

第j節(jié)電池在均衡過程中的損耗為(14)。

將n節(jié)電池的剩余電量變化方程描述在一起就得到均衡系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型(15)，

其中x＝[x1,x2,...,xn]^t表示電池組中所有電池的剩余電量，為n維的狀態(tài)向量。u＝[u1,1,u1,2,u2,1,u2,2,…un,1,un,2]^t為所有電池的控制作用，滿足uj,1uj,2＝0。a和b是分別是n×n和n×2n的矩陣，取值如(16)，(17)所示。

a＝-τin×n(16)

對(15)進行離散化，可以得到鋰電池系統(tǒng)狀態(tài)空間的離散模型(18)。其中k是離散時間序列，t0是連續(xù)狀態(tài)空間模型到離散狀態(tài)空間模型的采樣周期。in×n為n階單位矩陣

x(k)＝(in×n+at0)x(k-1)+b(k-1)t0u(k-1)(18)

其中u(k)＝[u1,1(k),u1,2(k),u2,1(k),u2,2(k),...un,1(k),un,2(k)]^t，b變?yōu)殡x散形式b(k)，

對于離散化的狀態(tài)空間模型(18)，假設均衡完成的時刻是k，其中k為大于1的正整數。均衡末態(tài)約束條件(2)，總線電壓穩(wěn)定條件(3)在離散模型中可以表示為(20)，(21)。同時控制作用應當滿足(22)。

x1(k)＝x2(k)＝…＝xn(k)(20)

uj,1(k)uj,2(k)＝0,k＝1,...,k,j＝1,...,n(22)

對于離散時間序列的第k步，輸入u(k)為恒定值，均衡系統(tǒng)的損耗(14)在離散模型中可以描述為(23)，

其中

f(k)＝[1-h[u1,1(k)],1-f[u1,2(k)],1-h[u2,1(k)],1-f[u2,2(k)]...,1-h[un,1(k)],1-f[un,2(k)]](24)

v＝[vbus,v1,vbus,v2,...,vbus,vn]^t(25)

其中f(k)表示第k步時候各個均衡器的效率。

如圖4所示為一般電池電量在均衡系統(tǒng)中的變化曲線。其中電池b1的初始電量高于平均值，電池b2的初始電量低于平均值。p點表示均衡完成的時間是teq。當p點左移時，均衡完成時間縮短，同時電池b1的電量變化曲線所包圍的面積減少，電池b2的電量變化曲線所包圍的面積增大。因此，均衡完成時間可以通過電量變化曲線所包圍的面積間接描述，要令電量高于平均值的電池的電量變化曲線面積最小，電量低于平均值的電池的電量變化曲線面積最大。定義均衡完成時間指標為et，從均衡開始時刻到均衡完成et取值如(26)所示。

其中β為權重系數，滿足m(i)＝[m1(i),m2(i),...,mn(i)]。

采用預測控制對均衡系統(tǒng)進行控制，首先可以依據(18)列出均衡系統(tǒng)的預測狀態(tài)(28)，設預測控制的步長為n，當前的時刻為k。

為了方便描述，這里重新定義

u(k)＝[u(k|k),u(k+1|k),...,u(k+n-1|k)]^t，

x(k+1)＝[x(k+1|k),x(k+2|k),...,x(k+n-1|k),x(k+n|k)]^t，

同時考慮均衡速度和均衡效率，那么預測控制的控制作用應當使(23)，(26)的和最小，如(29)所示。均衡完成時間指標從第k時刻開始計算。

依據(20)，(21)，(22)以及狀態(tài)變量和控制變量的范圍，約束條件包含等式和不等式約束以及非線性約束，如式(30)～(34)所示

0≤u(k)≤i^m(30)

x^l≤x(k+1)≤x^u(31)

x1(k+n|k)＝x2(k+n|k)＝…＝xn(k+n|k)(33)

uj,1(h|k)uj,2(h|k)＝0,h＝k,...,k+n-1,j＝1,...,n(34)

其中i^m為最大電流向量，x^l和x^u為最小最大允許的電池電量。

由于均衡器的效率函數f和h是非線性的，預測控制問題轉換為了非線性規(guī)劃問題，輸出結果可以通過非線性規(guī)劃方法求解，得到均衡時間和均衡效率最優(yōu)的控制律u(k)，以及可以得到在最優(yōu)控制律下的各個電池剩余電量變化曲線x(k+1)。

均衡電流以及總線電壓控制方法

設電池組包含n節(jié)串聯的鋰電池，每個電池并聯的均衡器都由獨立的pi控制器控制，共有n個pi控制器。其中與n-1節(jié)鋰電池并聯的均衡器在pi控制器的作用下實現均衡電流的控制，剩余的一個均衡器實現總線電壓的控制。記并聯于第i個電池兩端的是第i個均衡器且被第i個pi控制器控制，i＝1,2,…n。

圖5是均衡器輸出電壓控制原理圖；均衡器的輸出電壓即總線電壓。假設第j個電池的剩余電量最接近平均值，那么第j個pi控制器控制第j個均衡器的輸出電壓?？偩€電壓的設定值是固定的，由不同總線電壓下的均衡器效率曲線(6)決定。總線電壓的設定值取效率在較大的均衡電流范圍內都較高的電壓值?？刂破鞯妮斎霝榭偩€電壓設定值和實際測量值之差，輸出為pwm控制信號，經過驅動電路放大之后用于控制均衡器中mosfet的通斷，進而實現總線電壓的控制。

圖6是均衡器電流控制原理圖；均衡器的輸入電流即電池的均衡電流。第h個pi控制器控制第h個均衡器的輸入電流(h≠j)。均衡電流的參考值來自外環(huán)控制器輸出的u(k)。電流控制器的輸入是均衡電流的參考值和實際均衡電流測量值之差，輸出為pwm控制信號，用于控制mosfet的通斷，實現均衡電流的控制。

第j個均衡器的均衡電流由其余的均衡器決定。由于在外環(huán)控制器在設計時已經考慮了總線電壓的穩(wěn)定條件，當所有進行電流控制的均衡器都實現了電流無靜差控制，第j個電池并聯的均衡器也能夠實現均衡電流達到設定值。

上述技術方案的有益效果為：

上述建立狀態(tài)空間模型的過程沒有引入具體均衡器的形式，對任意總線式均衡網絡的都適用，具有一般性。

與現有的均衡技術相比，由于在求解最優(yōu)控制量過程中考慮了均衡器能量傳遞的效率，能夠從算法上提升均衡系統(tǒng)整體的效率。

采用預測控制算法，每一步的預測控制問題都可以轉化為非線性規(guī)劃問題?？梢杂锰幚硪话愕囊?guī)劃問題的方法得到最優(yōu)的控制器的輸出和電池組剩余電量變化曲線。

采用pi控制器控制單個電池的均衡電流和均衡系統(tǒng)的總線電壓，二者的控制相互獨立，具有較強的魯棒性和抗擾動性。

本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。

在本說明書的描述中，參考術語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特征、結構、材料或者特點包含于本發(fā)明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。

盡管已經示出和描述了本發(fā)明的實施例，本領域的普通技術人員可以理解：在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由權利要求及其等同物限定。