[发明专利]基于深度优先搜索算法的动力电池组主动均衡控制策略

摘要

本发明公开了一种基于深度优先搜索算法的动力电池组主动均衡控制策略。它包括以下步骤首先通过脉冲放电实验辨识电池单体等效内阻并建立电池单体内阻模型；再检测各电池单体端电压并计算动力电池组整体均衡度，判断是否启动均衡；若需要启动均衡则以端电压值为节点建立无环路带权有向图；采用带“回溯”功能的深度优先搜索算法进行路径穷举寻优，找到能量转移效率最高的均衡路径；最后根据搜索结果进行均衡。本发明针对目前动力电池组主动均衡中忽略能量转移效率的问题，不仅能搜索能量转移效率最高的均衡路径，减少均衡损耗，且在均衡的过程中保证动力电池组内每一个电池单体参与均衡，有利于动力电池组保持较好的一致性。

主权项

一种基于深度优先搜索算法的动力电池组主动均衡控制策略，该控制策略涉及的动力电池组为N个电池单体串联之后组成的电池模块，N取6‑18之间的整数；该控制策略包括对电池单体端电压的采集，其特征在于，主要步骤如下：步骤1，通过脉冲放电实验辨识电池单体等效内阻，根据等效内阻辨识结果建立电池单体内阻模型，并在此基础上确定均衡路径的总阻值，其过程包括：步骤1.1，实验室条件下首先将电池单体充电至剩余电量SOC＝1，将电池单体静置2至4小时后检测电池单体端电压，并记为Va，即Va是静置足够长时间后的电池单体端电压，然后进行脉冲放电实验，采集放电过程中不同时刻电池单体的端电压，并辨识电池单体等效内阻，其中电池单体等效内阻R0的计算公式为：R0=Vb-VaI=Vd-VcI---(1)]]>其中，I是加载的脉冲电流值；Va是静置足够长时间后的电池单体端电压；Vb是电池单体两端加载脉冲电流I后瞬间的电池单体端电压；Vc是停止加载脉冲电流I前的瞬间的电池单体端电压；Vd是停止加载脉冲电流I后的瞬间的电池单体端电压；步骤1.2，根据步骤1.1中等效内阻辨识结果建立电池单体内阻模型，所述电池单体内阻模型以开路电压OCV为电压源，串联一个直流内阻构成，其表达式如下：V＝OCV‑I(t)R0                 (2)其中，V为电池单体的端电压，R0为电池单体的等效内阻，I(t)为t瞬间流过电池单体的工作电流，OCV为电池单体的开路电压；步骤1.3，在步骤1.2的基础上，使用电阻测量仪表测得外部与电池单体连接的导线与均衡器件的直流阻抗Re，则均衡路径的总阻值R＝R0+Re，其中R0为电池单体的等效内阻；步骤2，根据动力电池组内各个电池单体端电压计算得到的动力电池组整体均衡度，判断是否启动均衡系统，其过程包括：步骤2.1，电池管理系统BMS首先检测本动力电池组内各个电池单体端电压，并记为Vi，其中i为电池单体的序号，i＝1,2,3……N，然后对所采集到的所有电池单体端电压按照从高到低的顺序进行排序，并在建立的存储表中保存电池单体端电压Vi及对应的电池单体序号；步骤2.2，计算动力电池组的整体均衡度，其计算公式为：ϵ=Σi=1N(Vi-V‾)2N-1---(3)]]>其中，ε为动力电池组整体均衡度，N为动力电池组内电池单体数，i为电池单体的序号，i＝1,2,3……N，表示动力电池组内所有电池单体的平均端电压值；步骤2.3，判断动力电池组整体均衡度ε是否≤a％，其中a为经验常数值，其范围为4‑12；当ε≤a％时，无需启动均衡系统，返回步骤2.1；当ε>a％时，启动均衡系统，执行步骤3；步骤3，以步骤2中采集的端电压Vi的数值作为无环路带权有向图的节点，硬件均衡电路中的导线、均衡元件、开关器件组成了均衡路径并抽象为无环路带权有向图的边；根据步骤1中辨识得到的电池单体等效内阻R0、导线与均衡器件的直流阻抗Re计算各边权值，建立无环路带权有向图，并以邻接矩阵的形式保存，其过程包括：步骤3.1，根据步骤1中辨识得到的电池单体等效内阻R0、导线与均衡器件的直流阻抗Re和步骤2中最终保存的电池单体的端电压Vi，计算出任意两电池单体间均衡一次消耗的能量和任意两电池单体间均衡一次传递的能量，作为图的各边权值，建立无环路带权有向图；设Wxy为端电压为Vx和Vy的两电池单体间均衡一次消耗的能量，并命名为能耗权值；设Exy为端电压为Vx和Vy的两电池单体间均衡一次传递的能量，并命名为能量传递权值，则计算公式分别为： 该主动均衡策略用于单电感均衡电路时，Wxy=7VxL2R2+(32-lnVyVx)Vy2LR+Vx2L2R-2VxVyLR---(4)]]>Exy=Vx2L2R2-(32-lnVyVx)Vy2LR-Vx2L2R+2VxVyLR-Vy2L2R2---(5)]]> 该主动均衡策略用于单电容均衡电路时，Wxy=12Vy2C+Vx2C-VxVyC---(6)]]>Exy=VxVyC-Vy2C---(7)]]>其中，Vx为高压电池单体端电压值，Vy为低压电池单体端电压值，x为高压电池单体序号，y为低压电池单体序号，L为均衡电感值，C为均衡电容值，R为均衡路径的总阻值；步骤3.2，建立邻接矩阵1和2；该主动均衡策略应用于单电感均衡电路时以式(4)计算得到的值作为权值建立并保存邻接矩阵1，以式(5)计算得到的值作为权值建立并保存邻接矩阵2；该主动均衡策略应用于单电容均衡电路时以式(6)计算得到的值作为权值建立并保存邻接矩阵1，以式(7)计算得到的值作为权值建立并保存邻接矩阵2；步骤4，基于步骤3中建立的无环路带权有向图，先使用“深度优先搜索”算法搜索得到其中一条完整的均衡路径，在此基础上再利用“回溯法”搜索得到所有的均衡路径，进而搜索出能量转移效率最高的均衡路径，此过程包括；步骤4.1，做如下定义：设置工作栈，用于均衡路径搜索的内存工作区间，并保存临时搜索路径的节点值，所述的节点为无环路带权有向图的节点，其数值为步骤2中保留下来的端电压的数值；设置节点访问状态标志一维数组Vertex[N]，N为动力电池组内电池单体数，当节点未进工作栈时对应的状态为0，当节点已经出工作栈时对应的状态为1；设置边的访问状态标志二维数组Arc[N][N]，N为动力电池组内电池单体数，当且仅当边的两个节点都在工作栈内时表示该边已被搜索，该边的访问标志状态为1，边的两个节点中只要有一个未被压入工作栈中表示该边未被访问，该边的访问标志状态为0；定义均衡能耗累加值变量Waste，用于保存从起始节点到当前搜索节点的能耗权值之和，每次向工作栈压入或弹出一个端电压值时该值更新一次；定义均衡传递能量累加值变量Ener，用于保存从起始节点到当前搜索节点的能量传递权值之和，每次向工作栈压入或弹出一个端电压值时该值更新一次；定义临时均衡效率保存变量η，用于临时保存完整均衡路径上的均衡效率，η＝Ener/(Ener+Waste)，该值在搜索到一条完整均衡路径后更新一次；设置均衡路径保存数组path[N]，用于保存能量转移效率最高的均衡路径，N为动力电池组内电池单体数；设置均衡效率保存变量ef，用于保存能量转移效率最高的均衡路径的均衡效率；步骤4.2，初始化步骤4.1中所定义的工作栈为空栈，置节点访问状态标志一维数组Vertex[N]及所有变量为0，初始化边的访问状态标志二维数组Arc[N][N]为N行N列矩阵，其中，N为动力电池组内电池单体数，N行N列矩阵的表达式为：步骤4.3，把搜索起始节点V1先压入工作栈，并置V1的节点访问状态标志一维数组Vertex[1]＝1，从起始节点V1出发，找到起始节点V1的一个非入栈状态的邻接节点，将该节点入栈，标记为入栈状态，置此两节点之间边的访问状态标志二维数组的相应位Arc[1][t]＝1，t为刚压入工作栈的端电压值所属电池单体的序号；将矩阵1中相应的该边的能耗权值累加至均衡能耗累加值变量Waste中，将矩阵2中相应的该边的能量传递权值累加至均衡传递能量累加值变量Ener中；重复以上步骤，直至搜索到无邻接点的终止节点VN；步骤4.4，经过步骤4.3已搜索到一条均衡路径，输出这条均衡路径并存储在均衡路径保存数组path[N]中，计算该均衡路径相对应的均衡效率，将此第一次搜索得到的均衡效率直接存储在均衡效率保存变量ef中；步骤4.5，检查边的访问状态标志二维数组Arc[N][N]中所有值是否均为1；若二维数组Arc[N][N]中所有值未能均为1，则说明存在未被搜索的边，则弹出工作栈顶的终止节点VN，并标记为非入栈状态，从均衡能耗累加值变量Waste、均衡传递能量累加值变量Ener中减去终止结点VN与工作栈顶节点之间的边的能耗权值与能量传递权值，保持该边的访问状态标志不变，执行步骤4.6；若二维数组Arc[N][N]中所有值均为1，则执行步骤4.7；步骤4.6，判断经过步骤4.5之后的栈顶节点除了刚刚出工作栈的终止节点VN之外是否还有非入栈状态的邻接节点，若不存在这样的节点则重复步骤4.5的操作；若存在这样的节点则将该节点入栈，标记为入栈状态，置相应的边的访问状态标志二维数组相应位为1；将矩阵1中相应的该边的能耗权值累加至均衡能耗累加值变量Waste；将矩阵2中相应的该边的能量传递权值累加至均衡传递能量累加值变量Ener，直到再次搜索到终止节点VN，将暂存在临时均衡效率保存变量η中此路径均衡效率与存储在均衡效率保存变量ef中的上一均衡路径的均衡效率对比，保存二者中效率较高的路径和效率值至均衡路径保存数组path[N]和均衡效率保存变量ef中，此后进入步骤4.5；步骤4.7，经过以上步骤，所有路径都被搜索到，保存能量转移效率最高的均衡路径到均衡路径保存数组path[N]中，保存能量转移效率最高的均衡路径的均衡效率到均衡效率保存变量ef中；步骤5，依据步骤4中搜索得到的能量转移效率最高的均衡路径，电池管理系统通过控制对应的场效应管的开闭时间对动力电池组进行均衡，具体的操作包括控制高压电池单体向均衡元件放电时间和均衡元件向低压电池单体充电时间，从而达到对动力电池组进行均衡的目的。