[发明专利]一种全局优化控制的串联锂电池组SOC均衡控制方法

摘要

本发明公开了一种全局优化控制的串联锂电池组SOC均衡控制方法。根据串联电池组的不均衡情况设计均衡拓扑结构及电池间的均衡电路，针对电池、串联电池组和均衡电路建立数理模型，结合数理模型用全局优化控制的均衡控制方法进行均衡控制，实现串联电池组中各节电池之间的均衡处理。本发明方法考虑电池组整体的均衡电流，对进行全局优化控制，可比对控制器进行单独控制更好地实现电池均衡，缩短均衡时间，提高均衡效率，有效节约能源，提高电池寿命。

主权项

1.一种全局优化控制的串联锂电池组SOC均衡控制方法，其特征在于：根据串联电池组的不均衡情况设计均衡拓扑结构及电池间的均衡电路，针对电池、串联电池组和均衡电路建立数理模型，结合数理模型用全局优化控制的均衡控制方法进行均衡控制，实现串联电池组中各节电池之间的均衡处理；在串联电池组的两个相邻电池之间连接有作为均衡电路的双向Cuk变换器电路，并且每个均衡电路均连接一个控制器，由相邻电池之间的均衡电路及其各自的控制器构成了电池均衡拓扑结构；以第i节电池和第i+1节电池之间的所述双向Cuk变换器作为第i个双向Cuk变换器，其中1≤i≤n‑1，具体电路结构为：包括第一电感L_i1、第二电感L_i2、能量传递电容器C_i、第一MOSFET管Q_i1、第二MOSFET管Q_i2、第一体二极管d_i1和第二体二极管d_i2，第一MOSFET管Q_i1和第一体二极管d_i1并联后组成第一开关管，第一开关管和第一电感L_i1一起串联在第i节电池的两端，第二MOSFET管Q_i2和第二体二极管d_i2并联后组成第二开关管，第二开关管和第二电感L_i2一起串联在第i+1节电池的两端，能量传递电容器C_i两端串联在第一电感L_i1和第二电感L_i2之间；由此使得n节电池串联的电池组之间共有n‑1个双向Cuk变换器在其中相连，并且电路用PWM信号驱动控制两个MOSFET管的开通与关断来控制两节电池之间的充放电，以实现两节电池之间的电压平衡；所述的电池、串联电池组和均衡电路建立数理模型具体如下：(1)所述电池的数理模型包括：第i节电池模型为电容串联电阻组成，电池端电压表示为：其中，和分别表示第i节电池的端电压和开路电压，是第i节电池的内阻，是第i节电池的电流；第i节电池的开路电压采用以下公式计算：其中，f(·)是非线性单调递增函数，SOC_i(k)是第i节电池在第k时刻的SOC，k表示时刻；T是采样时间，η是充放电效率，Q_i是第i节电池的额定容量，表示在第k时刻第i节电池的电流；(2)所述均衡电路的数理模型表示为以下公式：其中，表示k时刻经过第一电感L_i1的均衡电流，表示k时刻经过第二电感L_i2的均衡电流，i表示双向Cuk变换器的序数；D_i1(k)和D_i2(k)分别表示第i个双向Cuk变换器的第一MOSFET管Q_i1和第二MOSFET管Q_i2在第k时刻的驱动PWM占空比，p_i()和p'_i()分别表示第i+1节电池对第i节电池充电和第i节电池对第i+1节电池充电的能量转移效率函数；f_i1()和f_i2()分别表示占空比D_i1(k)和D_i2(k)的对应均衡电流函数；占空比D_i1(k)和D_i2(k)对应均衡电流函数f_i1()和f_i2()采用以下公式计算：其中，表示在k时刻第i个双向Cuk变换器中电容C_i的平均电压，T_s表示开关周期，表示在k时刻第i节电池的电压；(3)对于n个单体电池组成的串联电池组的数理模型表示为：其中，x(k)表示n节电池在k时刻的SOC列向量，E表示采样修正参数矩阵，b(k)表示在k时刻n节电池的外部电流列向量，和分别表示n个均衡电路中第一电感和第二电感的均衡电流列向量，B₁(k)和B₂(k)分别表示n个双向Cuk变换器能量转移第一效率矩阵和第二效率矩阵；上述n节电池的SOC列向量x(k)表示为：其中，是n阶实数域，SOC_i(k)(1≤i≤n)代表第i节电池在k时刻的SOC，T表示转置；上述均衡电流列向量和表示为：其中，是n‑1阶实数域；上述电池外部电流列向量b(k)表示为：其中，I_s(k)表示在k时刻每个电池的外部电流；采样修正参数E表示为：其中，η表示充放电效率，T_s表示控制采样的时间，Q₁……Q_n表示第1块锂电池到第n块锂电池的容量，表示n×n阶实数域；第一效率矩阵B₁(k)和第二效率矩阵B₂(k)表示为：