一种基于滑模控制的电池组均衡方法与流程

本发明涉及了一种电池算法，尤其是涉及了一种基于滑模控制的电池组均衡方法。

背景技术：

节能与环保已经成为当今中国以至于全世界努力的目标。其中，电池组的广泛应用成为了时代的一种标致。

电池不均衡在电池系统中很常见，也是电池系统寿命的一个重要问题。它是由两个主要的类别引起，它们分别是：物理体积的制造方差组成的内部电源，即内部阻抗的方差和自放电率差异；外部电源，例如包装的热区别。均衡技术的电池系统在锂电池中特别重要，因为没有它的话会使电池过充，充电不足，甚至过放。

电池组不均衡会造成如下危害：由于过电压引起的电池过早退化；过充电电池的安全隐患；充电停止过早导致的容量降低；放电过早终止。

所以对串联的锂电池组进行电池均衡意义重大：能够有效维持电池能量平衡、延长寿命、提高放电效率。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种锂电池组均衡方法，本发明提出设计了电池均衡系统模型。电池均衡系统模型包括双向cuk变换器电路作为均衡电路，能够实现串联电池组两两电池之间的电流传输。同时分别对锂电池和均衡电路进行建模，再结合模型得到系统整体的模型，能够对整节电池均衡方法的稳定性和汇聚性进行相应的分析和评估。最后提出基于soc的滑模控制算法，能够有效地针对非连续电流模式，对电池均衡过程进行控制。

本发明的技术方案包括以下步骤：

1)根据串联电池组的不均衡情况设计特殊的电池均衡拓扑结构，具体实施是以双向cuk变换器构成电池均衡拓扑结构；

2)对电池均衡拓扑结构建立数理模型，并建立电池均衡拓扑结构和串联电池组共同组成的电池均衡系统数理模型；

3)结合电池均衡系统数理模型用滑模控制器进行均衡控制，实现串联电池组中各节电池之间的均衡处理。

本发明的技术方案主要由电池均衡系统模型和控制方法组成。电池均衡系统模型是根据串联锂电池特点，设计均衡电路，并针对锂电池的均衡电路以及锂电池和均衡电路形成的整体进行建模，为控制算法提供数理基础。控制方法是基于soc(荷电状态)的滑模控制，包括限定条件与均衡目标、用于soc监测的改进滑模观测器、受饱和均衡电流限制的电池均衡滑模控制器。

所述的电池为锂电池。

所述的步骤1)中，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。这种结构能提高均衡效率，减少能量的浪费。

锂电池组中锂电池是一般是串联单体电池组的形式，锂电池组不断对外充电或者放电。根据这个情况，设锂电池组由n个单体锂电池串联而成，本发明提出使用电池均衡系统如图1。

本发明采用双向cuk变换器作为电池到电池的均衡电路，如图2，该方法有着速度快，消耗能量少，易于操作与控制，效率相对较高等优点。如果电池组中的电池数量增加或者减少了，只需要增加或者减少相同数量的变换器，而不是为电池组调整均衡系统的整体结构。

本发明在相邻两节电池串联之间用均衡电路连接，均衡电路实现电池之间的能量传递，在均衡电路连接一个单独的控制器对均衡电路进行控制，实现了简单而迅速的智能均衡效果。

以第i节电池和第i+1节电池(1≤i≤n-1)之间的所述双向cuk变换器作为第i个双向cuk变换器，具体电路结构为：包括电感li1、电感li2、能量传递电容器ci、mosfet管qi1、mosfet管qi2、体二极管di1和体二极管di2，mosfet管qi1和体二极管di1并联后和电感li1一起串联在第i节电池的两端，mosfet管qi2和体二极管di2并联后和电感li2一起串联在第i+1节电池的两端，能量传递电容器ci两端串联在电感li1和电感li2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。pwm信号的占空比作为电池均衡的控制变量，分别为di1，di2，通过选择合适的占空比可以减少mosfet的开关损耗。例如首先，mosfet管qi1开通且mosfet管qi2关闭时，使得第i节电池先向能量传递电容器ci充电；然后，mosfet管qi2开通且mosfet管qi1关闭时，使得能量传递电容器ci向第i+1节电池充电。

本发明均衡电路构成的电池均衡拓扑结构有以下特点：

1、使用双向均衡电路，使得能量可以从一节电池传递到任意另一节电池中，解决能量分配不均的问题。例如，初始一节电池通过均衡电路向下一节串联的电池充电，下一节串联的电池充电再通过均衡电路向下下一节串联的电池充电，从而使得初始一节电池经中间多节串联的电池向任意一节电池实现充电，完成能量的任意传递。

2、在串联电池的基础上通过设计外部电路模块，对串联电池组本身的电流影响不大，可以应对混合动力的复杂环境，在电池工作时也可以实现均衡。

3、电池和均衡电路可以看作一个整体，均衡系统针对n个串联电池，则使用n-1个双向的均衡电路，拓展性良好。

4、相对来说模块化明显，可以将均衡电路抽象出来，进行建模分析。系统的移植性非常良好，便于应用不同电池管理的场合中。

所述的步骤2)中，对电池均衡拓扑结构进行建模，再结合电池均衡拓扑结构的模型构建电池均衡系统数理模型，能够对整节电池均衡方法的稳定性和汇聚性进行相应的分析和评估。

所述的步骤2)中，电池均衡拓扑结构的数理模型具体为：

如图1所示，编号为i(1≤i≤n-1)的变换器的结构对称，可以将能量在第i节电池和第i+1节电池间双向传递。因此忽略一般的损耗，能量从第i节电池传递至第i+1节电池，同时根据第i个双向cuk电路的电路，双电路由pwm信号驱动，控制mosfet的开通与关断。pwm信号的占空比作为电池均衡的控制变量，得到所述第i个双向cuk变换器中的均衡电流的计算公式如下：

其中，ili1和ili2分别代表经过电感li1和li2的均衡电流，电流量大小决定充电得多少，li1表示第i个双向cuk变换器中连接到第i节电池的电感，li2表示第i个双向cuk变换器中连接到第i+1节电池的电感，pi代表第i个双向cuk变换器中第i节电池向第i+1节电池充电时的电流传输效率，pi′代表表第i个双向cuk变换器中第i+1节电池向第i节电池充电时的电流传输效率，ts为采样时间，和分别是第i和第i+1节电池的端电压，是电容平均电压，di1表示mosfet管qi1上pwm信号的占空比控制量，di2表示mosfet管qi2上pwm信号的占空比控制量；

上述公式变形得到两个mosfet管各自对应的占空比控制量di1和di2的计算公式如下：

根据上述公式，在已知电路中各个变量的前提下，将均衡电流ili2代入其中能够计算获得两个mosfet管各自对应的占空比控制量di1和di2的值，用占空比控制量di1和di2控制均衡电路的两个mosfet管来实现电池的均衡。

所述的步骤2)中，电池均衡系统数理模型具体为：

针对n节电池来说，第一节电池和最后一节电池分别单独只和一个均衡电路相连，其他都和两个均衡电路相连。

针对两个mosfet管的占空比控制量di1和di2构建各自的开关变量γi和γ′i，表示为：

di1(k)di2(k)＝0

因为两个mosfet管无法同时开启，所以di1(k)di2(k)＝0。

记是第i(2≤i≤n-1)节电池k时刻的单体均衡电流，为第1节电池k时刻的单体均衡电流，为第n节电池k时刻的单体均衡电流；

各个单体均衡电流计算公式如下：

其中，k表示采样时间的序号，γi和γ′i(1≤i≤n)分别是针对占空比控制量di1和di2的开关变量，pi表示第i块电池对第i+1块电池电流传输效率，fi1(di1(k)和fi2(di2(k))(1≤i≤n)代表两个mosfet管的传输电流和pwm信号的占空比关系，fi1(di1(k))表示第i块均衡电路k时刻的占空比控制量di1和传输电流之间的关系，fi2(di2(k))表示k时刻的占空比控制量di2和传输电流之间的关系，传输电流是指第i个电池对第i+1个电池传输的电流；wi1(k)和wi2(k)(1≤i≤n-1)分别代表单体均衡电流经过第i个双向cuk变换器的模型误差；

将第i节电池k时刻的单体均衡电流简化为：

为便于针对锂电池组进行均衡，本发明针对锂电池的soc进行设定，n节电池串联的电池组的电池均衡系统数理模型表示为：

z(k+1)＝z(k)+db1(k)(u1(k)+w1(k))+db2(k)(u2(k)+w2(k))-b(k)

其中，u1(k)和u2(k)分别表示双向cuk变换器向输入侧和输出侧的两节单体电池输出的均衡电流，wi1(k)和wi2(k)分别表示为第一、第二误差外部电流，b1(k)表示位于输入侧的所有mosfet管的各个效率，b2(k)表示位于输出侧的所有mosfet管的各个效率，b(k)表示外部电流影响参数；z(k+1)代表k+1时刻各节电池的荷电状态，z(k)代表k时刻各节电池的荷电状态；

上述公式中，z(k)、u1(k)、u2(k)、b1(k)、b2(k)和b(k)表示为：

z(k)＝[z1(k)，z2(k)，……zn(k)]

u1(k)＝[f11(d11(k)).……，f(n-1)1(d(n-1)1(k))]^t

u2(k)＝[f12(d12(k))，……，f(n-1)2(d(n-1)2(k))]^t

b(k)＝[dis(k)…dis(k)]^t

其中，γi和γ′i分别是针对占空比控制量di1和di2的开关变量，pi表示第i块电池对第i+1块电池电流传输效率，pi’表示第i+1块电池对第i块电池电流传输效率，is(k)表示外部电流；d表示辅助变量，t是控制采样时间区间，cb表示电池容量；f(n-1)1(d(n-1)1(k))表示第n-1块均衡电路k时刻的占空比控制量d(n-1)1和传输电流之间的关系，f(n-1)2(d(n-1)2(k))表示第n-1块均衡电路k时刻的占空比控制量d(n-1)2和传输电流之间的关系，zn(k)表示第n节电池在k时刻的荷电状态。

由相关文献知道电池容量cb＝3600安倍时，d是一个非常小的常量。

所述的步骤3)中，针对步骤2)构建的电池均衡拓扑结构的数理模型和电池均衡系统数理模型，采用滑模控制算法进行进行均衡控制，计算获得两个mosfet管各自对应的占空比控制量di1和di2。

所述的滑模控制算法中，建立以下电池限定条件与电池均衡目标：

电池限定条件：第i个均衡电路中被控制的均衡电流u1(k)和u2(k)满足：

其中，是双向cuk变换器中最大允许的均衡电流电池电流限制，因为双向cuk变换器用于在dicm状态下工作，过充和过放的电流对电池有害，所以第i节电池的电流要被保持在范围内。代表双向cuk变换器中电池允许通过的最大电流，is(k)表示外部电流；

并且同时满足以下公式：

由上式可见，ui(k)随着外部的电流的变化而变化，并非常数。

电池均衡目标：电池均衡的目标是使得锂电池的soc收敛于一个限度，两节电池之间的荷电状态满足如下公式：

其中，zi(k)是第i节电池在k时刻的荷电状态，对所有的初始值zi(0)和zj(0)满足1≤i，j≤n，i≠j，ε是电池之间能接受的最大荷电状态偏差，k表示时刻，τ是电池的平衡时间。

本发明通过以上电池限定条件与电池均衡目标建立受饱和均衡电流限制的电池均衡滑模控制器，能够使得均衡电流尽可能高，来提高平衡速度。

在通过滑模控制算法计算获得分别向输入侧和输出侧的两节单体电池输出的均衡电流u1(k)、u2(k)，再利用以下公式计算获得两个mosfet管的传输电流和pwm信号的占空比关系fi1(di1(k))和fi2(di2(k))：

u1(k)＝[f11(d11(k)).......，f(n-1)1(d(n-1)1(k))]^t

u2(k)＝[f12(d12(k))，……，f(n-1)2(d(n-1)2(k))]^t

3.2)再利用占空比关系fi1(di1(k))和fi2(di2(k))采用以下公式进行相反计算获得占空比控制量di1和di2控制每个均衡电路：

本发明是在串联电池组中，电池与电池两两之间采用双向cuk变换器电路作为均衡电路，电池组和均衡电路构成了电池到电池均衡拓扑结构，该方式能提高均衡效率，减少能量的浪费。分别对锂电池和均衡电路进行建模，再结合模型得到系统整体的模型，能够对整节电池均衡方法的稳定性和汇聚性进行相应的分析和评估。

本发明的有益效果是：

本发明采用滑模控制方法后并限定范围，使得平衡补偿的最大允许电流随外部电流变化而非固定常数值，这样能防止电池电流超过其限制。

本发明通过带有饱和均衡电流限制的电池均衡滑模控制器来进行离散滑模控制，这样对于未知的干扰有非常好的鲁棒性，而且通过仿真证明，电池组中电池的soc能够比其他方法更加迅速良好的收敛。

本发明方法最后经过使用李雅普诺夫分析的数学证明，n个串联单体电池之间的soc差距能收敛到一个很小的范围。与以往单独仅均衡两个单体电池不同，本算法可以应用与两个以上的电池均衡，并拥有着很好的均衡效果。

经仿真和实验证明，本发明设计能够迅速对电池进行均衡，有效节约能源，提高电池寿命。

附图说明

图1是有均衡电路串联电池组示意图；

图2是本发明的双向cuk变换器结构图；

图3是双向cuk变换器的电感电流曲线图；

图4是本实施里的滑模控制的结果图，(a)图是各节电池的soc值，(b)图是滑模控制下的pwm占空比变化。

具体实施方式

下面用一个实例来证明本发明提出的锂电池均衡方法的有效性。

1、实验设备

1)电池：

使用由四个ncr18650(mh12210-3400mah)锂电池组成的电池组进行实验，如图2所示。经过几轮充放电实验，得到这些电池的电容量大概是3.1ah和cb＝3.1×3600。和是可以计算得到为3.23和0.8948.模型的相关参数分别为：

r0i＝0.206ω，rsi＝0.0158ω，

csi＝12340f，rfi＝0.01509ω，andcfi＝1584f.

2)双向cuk变换器：

如图1所示，一个4元序列的电池组需要一个包含3个双向cuk变换器。选择相关配件参数如下：

li1＝li2＝100μh，c＝470μf

ntd6416an-1g型号的mosfet管受到7khz频率的pwm波信号的驱动。

进行相关实验来确定双向cuk变换器的表现。相邻电池的最终电压分别是vb1＝3.93vandvb2＝3.62v。pwm波的占空比被设置为0.3。电感的电流曲线如图3。

电池的最大允许电流为ibmax＝3a。在dicm模式下最大的均衡电流设定为idmax＝0.9a。控制时间为t＝1s。电池组各节电池的初始soc分别为：

soc1(0)＝74％，soc2(0)＝82％，soc3(0)＝71％，andso4(0)＝80％

通过滑模控制设定，当电池之间的soc差比2％小，电池均衡的过程将会停止。

对于滑模控制控制算法，设定增益为η＝0.01，设定ξ＝3

2、实验结果

滑模控制的结果如图4。均衡所需要时间为1138s，比以前提出的滑模控制大大缩短。其相应的pwm波占空比在图4中显示。

由此可见，本发明方法具有很好的均衡效果，能有效防止电池电流超过其限制，对于未知的干扰有非常好的鲁棒性，实现了能够迅速对电池进行均衡、有效节约能源和提高电池寿命，具有其突出显著的技术效果。