[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

说明书

本发明涉及一种蓄电池组相邻型均衡系统及其预测控制方法，以蓄电池组相邻型均衡拓扑为基础，主要设计了蓄电池组相邻型均衡拓扑主电路、蓄电池组电压采集电路、双向升压变换器电流检测模块、MPC‑FPGA控制器以及功率管浮动驱动电路；并根据均衡系统能量转移关系设计预测均衡控制策略，完成均衡电流分配；最终应用双向升压变换器自适应控制方法，实现均衡电流追踪的控制过程。

技术领域

本发明涉及电池储能技术领域，特别是一种蓄电池组相邻型均衡系统及其预测控制方法。

背景技术

随着化石能源的日益消耗以及环境污染问题解决的紧迫，亟待开发一种清洁高效的可持续能源。目前蓄电池特别是锂离子电池具有高能量密度、低自放电率与较高单体电压特性，越来越多地被应用到工业及生活中，如移动设备、电动汽车、发电站储能系统等，因此具有重要的研究价值。

当蓄电池被应用到纯电动汽车或者大型储能系统中，常常需要将多个蓄电池单体串并联以组成一个具有高压高能量的巨型电池，但是由于电池在制造过程与使用过程中的各方面差异性，导致单体电池之间存在容量、内阻和伏安特性曲线等不一致性，这将造成电池寿命、可用容量等性能呈指数型递减。为防止电池单体不一致性在过度使用下所造成的过压/欠压现象，改善过压/欠压所带来的电池寿命缩减与安全隐患发生现象，电池管理系统被应用于大型蓄电池组的一致性及其安全管理工作，以提高电池组的有效容量，保持各个单体电池处于预先定义的安全工作区域。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种蓄电池组相邻型均衡系统及其预测控制方法，能够使蓄电池组各单体电池高效、快速地达到均衡状态。

本发明采用以下方案实现：一种蓄电池组相邻型均衡系统，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。

进一步地，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等信息重新加载到约束优化问题中，并进行新一轮的求解。

进一步地，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。

本发明还提供了一种基于上文所述的蓄电池组相邻型均衡系统的控制方法，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：