[发明专利]一种蓄电池组相邻型均衡系统及其预测控制方法

权利要求书

1.一种蓄电池组相邻型均衡系统，其特征在于，包括蓄电池组、信号采集处理模块、MPC-FPGA控制器、自适应控制器、双向升压变换器式均衡电路、驱动电路；

所述蓄电池组相邻的每两个最小串联单体之间连接有一个双向升压变换器，用以控制各单体电池能量的相互转移；

所述信号采集处理模块采集并处理蓄电池组的电压、电流、温度信号以及双向升压变换器的电流变化情况，将其转换为MPC-FPGA控制器与自适应控制器可以识别的信号；

所述MPC-FPGA控制器对蓄电池组整体状态进行预判后产生最优的控制量，所述自适应控制器分别采用均衡控制策略得到参数自适应律以及控制律估计系统参数并产生控制信号u，进而通过控制驱动电路控制双向升压变换器实现蓄电池组各单体电池间的能量转移，实现蓄电池组均衡过程；

其中，包括以下步骤：

步骤S1：考虑蓄电池组所有单体电池荷电状态变化，得到均衡系统的状态空间模型并将其离散化，如下：

式中，A_C和C都是一单位阵，u表示系统控制变量，T_s为控制系统采样步长，C_Q、I_C是对角矩阵，分别表示蓄电池组各个单体电池容量、相邻型均衡系统最大工作电流，T代表相邻型均衡拓扑结构关系，A_C、C和T分别如下所示：

所述均衡系统状态空间模型中各个变量满足以下限制条件：

0≤x(k)≤1；

-1≤u(k)≤1；

步骤S2：设预测时域与控制时域分别为N_P、N_C；并且满足控制时域之外控制量不变，即Δu(k+i)＝0，i＝N_C，N_C+1，…，N_P-1；因此对均衡系统预测时域内的输出由下式得到：

式中，Δx(k)＝x(k)-x(k-1)表示k时刻系统的状态增量，ΔU(k)为系统的控制增量，另外，s_x，Γ，S_u分别如下所示：

步骤S3：构建如下目标函数，使蓄电池组各单体电池之间的荷电状态偏差最小：

式中，R_i(i＝1，2，…N_P)为误差权重矩阵；y(k)为k时刻所预测的蓄电池荷电状态矩阵，y_ref为给定的被控制量轨迹的参考值，设定y(k)-y_ref目标值能够降低蓄电池组荷电状态波动；通过约束最优求解方法计算k时刻下该目标函数在预测时域内的最优控制量矩阵U^*(k)，并选择该矩阵中k时刻所对应的u(k)作为控制量控制双向升压变换器中开关管的导通时间；在下一个采样周期，将采集到的新的状态量重新加载到约束优化问题中，并进行新一轮的求解，因此，均衡系统的预测控制策略定义为：

Δu(k)＝[I_N-1×I_N-1 0 … 0]ΔU^*(k)；

还包括步骤：

步骤S4：建立双向升压变换器的数学模型，获取双向升压变换器的状态方程；

步骤S5：引入系统自适应参数，并将双向升压变换器状态方程矩阵化，进而结合追踪控制误差与系统状态量设计滑模面与李雅普诺夫函数；

步骤S6：分别消除李雅普诺夫函数的导数中系统参数的估计误差与控制偏差，得到参数自适应律以及控制律 。

2.根据权利要求1所述的一种蓄电池组相邻型均衡系统，其特征在于，所述MPC-FPGA控制器对蓄电池组整体状态进行预判后产生最优的控制量，具体为：建立均衡系统状态空间模型；构建目标函数，使其蓄电池组各单体电池之间的荷电状态偏差最小，并求解目标函数最小值时所对应的控制量；将所求得的控制量转换后作用于被控系统，在下一个采样周期，将采集到的新的状态量信息重新加载到约束优化问题中，并进行新一轮的求解。

3.根据权利要求1所述的一种蓄电池组相邻型均衡系统，其特征在于，所述自适应控制器分别采用参数自适应律以及控制律估计系统参数并产生控制信号u，进而通过驱动电路控制双向升压变换器实现蓄电池组各单体电池间的能量转移，实现蓄电池组均衡过程具体为：首先建立双向升压变换器的数学模型，获取双向升压变换器的状态方程；然后引入系统自适应参数，并将上述状态方程矩阵化，进而结合追踪控制误差与系统状态量设计滑模面与李雅普诺夫函数；最终分别消除李雅普诺夫函数的导数中系统参数的估计误差与控制偏差，得到参数自适应律以及控制律。