[發明專利]一種蓄電池組相鄰型均衡系統及其預測控制方法

有效

• 申請號: 201910634595.9
• 申請日: 2019-07-15
• 公開（公告）號: CN110297452B
• 公開（公告）日: 2021-11-02
• 發明（設計）人: 王亞雄;鐘浩;陳錦洲;陳家瑄
• 申請（專利權）人: 福州大學
• 主分類號: G05B19/042
• 分類號: G05B19/042;H01M10/42;H02M3/158
• 代理公司: 福州元創專利商標代理有限公司 35100
• 代理人: 錢莉;蔡學俊

本發明涉及一種蓄電池組相鄰型均衡系統及其預測控制方法，以蓄電池組相鄰型均衡拓撲為基礎，主要設計了蓄電池組相鄰型均衡拓撲主電路、蓄電池組電壓采集電路、雙向升壓變換器電流檢測模塊、MPC?FPGA控制器以及功率管浮動驅動電路；并根據均衡系統能量轉移關系設計預測均衡控制策略，完成均衡電流分配；最終應用雙向升壓變換器自適應控制方法，實現均衡電流追蹤的控制過程。

技術領域

本發明涉及電池儲能技術領域，特別是一種蓄電池組相鄰型均衡系統及其預測控制方法。

背景技術

隨著化石能源的日益消耗以及環境污染問題解決的緊迫，亟待開發一種清潔高效的可持續能源。目前蓄電池特別是鋰離子電池具有高能量密度、低自放電率與較高單體電壓特性，越來越多地被應用到工業及生活中，如移動設備、電動汽車、發電站儲能系統等，因此具有重要的研究價值。

當蓄電池被應用到純電動汽車或者大型儲能系統中，常常需要將多個蓄電池單體串并聯以組成一個具有高壓高能量的巨型電池，但是由于電池在制造過程與使用過程中的各方面差異性，導致單體電池之間存在容量、內阻和伏安特性曲線等不一致性，這將造成電池壽命、可用容量等性能呈指數型遞減。為防止電池單體不一致性在過度使用下所造成的過壓/欠壓現象，改善過壓/欠壓所帶來的電池壽命縮減與安全隱患發生現象，電池管理系統被應用于大型蓄電池組的一致性及其安全管理工作，以提高電池組的有效容量，保持各個單體電池處于預先定義的安全工作區域。

發明內容

有鑒于此，本發明的目的是提出一種蓄電池組相鄰型均衡系統及其預測控制方法，能夠使蓄電池組各單體電池高效、快速地達到均衡狀態。

本發明采用以下方案實現：一種蓄電池組相鄰型均衡系統，包括蓄電池組、信號采集處理模塊、MPC-FPGA控制器、自適應控制器、雙向升壓變換器式均衡電路、驅動電路；

所述蓄電池組相鄰的每兩個最小串聯單體之間連接有一個雙向升壓變換器，用以控制各單體電池能量的相互轉移；

所述信號采集處理模塊采集并處理蓄電池組的電壓、電流、溫度信號以及雙向升壓變換器的電流變化情況，將其轉換為MPC-FPGA控制器與自適應控制器可以識別的信號；

所述MPC-FPGA控制器對蓄電池組整體狀態進行預判后產生最優的控制量，所述自適應控制器分別采用參數自適應律以及控制律估計系統參數并產生控制信號u，進而通過驅動電路控制雙向升壓變換器實現蓄電池組各單體電池間的能量轉移，實現蓄電池組均衡過程。

進一步地，所述MPC-FPGA控制器對蓄電池組整體狀態進行預判后產生最優的控制量，具體為：建立均衡系統狀態空間模型；構建目標函數，使其蓄電池組各單體電池之間的荷電狀態偏差最小，并求解目標函數最小值時所對應的控制量；將所求得的控制量轉換后作用于被控系統，在下一個采樣周期，將采集到的新的狀態量等信息重新加載到約束優化問題中，并進行新一輪的求解。

進一步地，所述自適應控制器分別采用參數自適應律以及控制律估計系統參數并產生控制信號u，進而通過驅動電路控制雙向升壓變換器實現蓄電池組各單體電池間的能量轉移，實現蓄電池組均衡過程具體為：首先建立雙向升壓變換器的數學模型，獲取雙向升壓變換器的狀態方程；然后引入系統自適應參數，并將上述狀態方程矩陣化，進而結合追蹤控制誤差與系統狀態量設計滑模面與李雅普諾夫函數；最終分別消除李雅普諾夫函數的導數中系統參數的估計誤差與控制偏差，得到參數自適應律以及控制律。

本發明還提供了一種基于上文所述的蓄電池組相鄰型均衡系統的控制方法，包括以下步驟：

步驟S1：考慮蓄電池組所有單體電池荷電狀態變化，得到均衡系統的狀態空間模型并將其離散化，如下：