一種基于soc的動(dòng)力電池組均衡充放電控制方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電池組均衡控制技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及一種基于SOC的動(dòng)力電池組 均衡充放電控制方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于鋰動(dòng)力電池具有能量密度高、自放電率低、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng) 用于儲(chǔ)能領(lǐng)域。在動(dòng)力電池使用過(guò)程中，需要將多節(jié)單體電池通過(guò)串聯(lián)后為負(fù)載提供能量。 此時(shí)單體電池性能的差異會(huì)導(dǎo)致電池組出現(xiàn)不一致性現(xiàn)象，而電池組的不一致性會(huì)造成電 池組使用性能的下降，導(dǎo)致電池組的可用容量和使用壽命衰減，從而降低純電動(dòng)汽車的續(xù) 駛里程，增加使用成本。因此對(duì)于均衡技術(shù)進(jìn)行研究，可以有效改善電池組的不一致性帶來(lái) 的不利影響，避免在使用過(guò)程中電池組不一致性的惡化，增加電池的使用壽命，降低使用成 本，提升電池的存儲(chǔ)性能。
[0003] 根據(jù)對(duì)所傳遞的能量的處理方式不同，均衡電路可以分為被動(dòng)型和主動(dòng)型。被動(dòng) 型電路主要通過(guò)令電池組中能量較高的電池利用其旁路電阻進(jìn)行放電的方式損耗部分能 量，以期達(dá)到電池組能量狀態(tài)的一致。這種方法容易實(shí)現(xiàn)，但是造成了大量的能量損耗，且 散熱問(wèn)題難以解決。主動(dòng)型電路本質(zhì)上是利用儲(chǔ)能元件和均衡旁路構(gòu)建能量傳遞通道，將 其從能量較高電池直接或間接轉(zhuǎn)移至能量較低的電池。例如，高速開(kāi)關(guān)電容技術(shù)利用一組 電容器在串聯(lián)儲(chǔ)能電源組相鄰儲(chǔ)能單體之間傳遞能量，效率高，控制簡(jiǎn)單，但是當(dāng)單體間能 量差距較小時(shí)，均衡所需時(shí)間較長(zhǎng)。雙向Buck-Boost變換器均衡結(jié)構(gòu)的能量轉(zhuǎn)移路徑是雙 向的，能夠在相鄰兩個(gè)電池單體間進(jìn)行能量傳遞，但是當(dāng)組內(nèi)電池單體較多時(shí)，難以實(shí)現(xiàn)跨 越式的能量傳遞，均衡效率降低。隔離式DC/DC變換器分布式均衡技術(shù)采用隔離式變換器 結(jié)構(gòu)，最常見(jiàn)的為反激式結(jié)構(gòu)。該方法效率較高，控制電路簡(jiǎn)單，但是電路中變壓器數(shù)量較 多，構(gòu)建的均衡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。
[0004] 為了滿足電動(dòng)汽車的功率、電壓的要求，需要將多節(jié)單體電池構(gòu)成電池組為其供 能。電池成組的方式有串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)三種，其中串聯(lián)方式是目前大多數(shù)電動(dòng)車采用的成 組方法。當(dāng)電池?cái)?shù)量較多時(shí)，單一一層均衡拓?fù)溆捎谧陨黼娐返南拗?，很難設(shè)計(jì)出具有良好 性能的均衡系統(tǒng)。
[0005] 均衡變量是均衡系統(tǒng)通過(guò)控制均衡電路使之達(dá)到一致的電池特征參數(shù)，可以表征 電池的不一致性狀態(tài)，并具有實(shí)時(shí)性、高精度等特點(diǎn)。按照均衡變量的不同，均衡方法可以 分為容量均衡法、化學(xué)均衡法、電壓均衡法、S0C(state of charge，荷電狀態(tài)）均衡法。早 期采用容量均衡法，這種方法以電池實(shí)際容量趨于一致為目的，采用浮充電壓對(duì)電池組續(xù) 充電，但由于該方法導(dǎo)致電池處于過(guò)充電狀態(tài)，縮短了電池壽命，目前已很少使用?；瘜W(xué)均 衡法是通過(guò)電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)達(dá)到均衡效果，在鋰電池電解液中添加一定比例氧化-還原 電對(duì)的方法，抑制電池正極電位升高，避免電極材料和電解液氧化，提高電池抗過(guò)充能力。 此方法還處于理論研究階段，距實(shí)際應(yīng)用上有一段距離。目前很多均衡研究以電壓作為均 衡變量，在鉛酸電池、鎳氫電池中應(yīng)用效果較好，但由于磷酸鐵鋰電池的自身特點(diǎn)，電壓并 不能真實(shí)反映電池組容量狀態(tài)的一致性，且受電池內(nèi)部多種因素影響，均衡效果不穩(wěn)定，很 容易波動(dòng)。
[0006] SOC表征當(dāng)前電池剩余容量占最大可用容量的比例，以SOC作為均衡變量時(shí)，可 以忽略電池組內(nèi)單體電池間最大可用容量的差異，使所有單體電池同時(shí)達(dá)到充放電截止電 壓，使得電池組容量得到有效利用。同時(shí)，當(dāng)電池的SOC保持一致時(shí)，意味著所有單體均工 作于相同的放電深度，避免由于放電深度不同導(dǎo)致的電池老化速度的差異。但是基于SOC 的均衡方法需要快速準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)單體電池的荷電狀態(tài)，現(xiàn)有技術(shù)很難實(shí)時(shí)跟蹤鋰電池復(fù)雜 快速的內(nèi)部反應(yīng)。若SOC的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性得不到保證，均衡的可靠性會(huì)大大降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中不能快速準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)電池組SOC變化的缺陷，根據(jù) 本發(fā)明的一個(gè)方面，提出一種基于SOC的動(dòng)力電池組均衡充放電控制方法。
[0008] 本發(fā)明實(shí)施例提供的一種基于SOC的動(dòng)力電池組均衡充放電控制方法，包括：
[0009] 獲取動(dòng)力電池的充放電數(shù)據(jù)，充放電數(shù)據(jù)包括動(dòng)力電池的端電壓、電流和溫度；動(dòng) 力電池包括電池單體；
[0010] 基于ELM方法建立計(jì)算動(dòng)力電池 SOC的數(shù)學(xué)模型，將充放電數(shù)據(jù)作為數(shù)學(xué)模型的 輸入，并根據(jù)數(shù)學(xué)模型的輸出確定動(dòng)力電池 SOC數(shù)據(jù)；
[0011] 根據(jù)動(dòng)力電池 SOC數(shù)據(jù)對(duì)動(dòng)力電池組進(jìn)行一致性分析，在動(dòng)力電池組存在不一致 時(shí)根據(jù)均衡控制策略控制均衡電路的開(kāi)關(guān)管的通斷狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池能量轉(zhuǎn)移。
[0012] 在上述技術(shù)方案中，基于ELM方法建立計(jì)算動(dòng)力電池 SOC的數(shù)學(xué)模型，包括：
[0013] 數(shù)學(xué)模型的輸入向量為Xj= [X x_j2,…，x_jn]Te R n，輸出向量為tj = [tn, tj2,...，tjm]Te Rm，其中m, η分別表示輸入輸出的維數(shù)，Rn代表了 η維空間，Rm代表m 維空間，j = 1，...，N，N為樣本數(shù)；
[0014] 數(shù)學(xué)模型為：Ηβ =T，式中，H為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱層輸出矩陣：
[0017] 其中，隱層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為#、激勵(lì)函數(shù)為g(x)，O1= [CO11, ωι2，...，ω J是連接第 i個(gè)隱含層節(jié)點(diǎn)和輸入節(jié)點(diǎn)的權(quán)值向量；β F [β n，β 12, . . .，β lnJT是連接第i個(gè)隱層節(jié) 點(diǎn)和輸出節(jié)點(diǎn)的權(quán)值向量也為第i個(gè)隱層節(jié)點(diǎn)的閾值。
[0018] 在上述技術(shù)方案中，根據(jù)數(shù)學(xué)模型的輸出確定動(dòng)力電池 SOC數(shù)據(jù)，包括：
[0019] 另輸入向量\為[1]〇〇，1〇〇，(：〇〇]，輸出向量、為50(：〇〇=^其中，1^表示采 集到的第k組訓(xùn)練數(shù)據(jù)的標(biāo)號(hào)，U、I、C分別表示動(dòng)力電池的端電壓、電流以及溫度；數(shù)學(xué)模 型的訓(xùn)練集為{(x.j, tj) IxjG Rn, tjG Rm, j = 1，…，N} (n = 3，m = 1);
[0020] 根據(jù)訓(xùn)練集訓(xùn)練SLFN等價(jià)于確定線性系統(tǒng)H β = T的最小二乘解#
，其中，H+為矩陣H的Moore-Penrose廣義逆；
[0022] 在得到最小二乘解#后，根據(jù)最小二乘解#確定動(dòng)力電池 SOC數(shù)據(jù)。
[0023] 在上述技術(shù)方案中，均衡電路包括頂層電路和底層電路；均衡控制策略包括頂層 控制策略和底層控制策略，分別用于控制頂層電路和底層電路。
[0024] 在上述技術(shù)方案中，動(dòng)力電池還包括電池模塊，電池模塊由多個(gè)電池單體組成；
[0025] 根據(jù)均衡控制策略控制均衡電路的開(kāi)關(guān)管的通斷狀態(tài)，包括：
[0026] 獲取均衡變量，均衡變量包括組內(nèi)電池單體SOC的均方差、相鄰兩電池單體之間 荷電狀態(tài)的差值、某個(gè)電池模塊的荷電狀態(tài)與電池模塊荷電狀態(tài)平均值的差值；
[0027] 當(dāng)組內(nèi)電池單體SOC的均方差不小于第一預(yù)設(shè)閾值時(shí)，滿足均衡控制開(kāi)啟條件；
[0028] 當(dāng)相鄰兩電池單體之間荷電狀態(tài)的差值大于第二預(yù)設(shè)閾值時(shí)，根據(jù)底層控制策略 控制底層電路；
[0029] 當(dāng)某個(gè)電池模塊的荷電狀態(tài)與電池模塊荷電狀態(tài)平均值的差值大于第三預(yù)設(shè)閾 值時(shí)，根據(jù)頂層控制策略控制頂層電路。
[0030] 在上述技術(shù)方案中，獲取均衡變量，包括：
[0031] 設(shè)電池組內(nèi)共含有η個(gè)電池單體，分為m個(gè)電池模塊，根據(jù)以下公式確定均衡變 量：
[0037] 其中，為組內(nèi)電池單體荷電狀態(tài)的平均值、ε為組內(nèi)電池單體SOC的均方 差、ASOC為相鄰兩電池單體之間荷電狀態(tài)的差值、為電池模塊荷電狀態(tài)的平均值、 A SOC'為某個(gè)電池模塊的荷電狀態(tài)與電池模塊荷電狀態(tài)平均值的差值。
[0038] 本發(fā)明實(shí)施例提供的基于SOC的動(dòng)力電池組均衡充放電控制方法，與傳統(tǒng)的神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、學(xué)習(xí)速度快、參數(shù)容易調(diào)整且不易陷入局部最小等優(yōu)點(diǎn)，具有逼 近多輸入輸出參數(shù)函數(shù)、高度的非線性、魯棒性和容錯(cuò)性等特點(diǎn)。ELM的參數(shù)設(shè)定更為簡(jiǎn)單， 運(yùn)算量小，具有學(xué)習(xí)速度快且泛化性能好的優(yōu)勢(shì)。因此，將基于ELM的SOC估算方法應(yīng)用于 本發(fā)明實(shí)施例中，可以更加準(zhǔn)確、快速地預(yù)測(cè)電池當(dāng)前的荷電狀態(tài)，有效提高了均衡精度和 均衡效率。同時(shí)將電池組分為若干個(gè)小的電池模塊，組間均衡時(shí)可將一個(gè)模塊看作一節(jié)單 體，采用雙層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)均衡?；赟OC的雙層主動(dòng)均衡系統(tǒng)，分別控制頂層和底層電路 中的開(kāi)關(guān)管，可以實(shí)現(xiàn)電池組內(nèi)能量的雙向傳遞，快速、高效地實(shí)現(xiàn)電池組的均衡控制。
[0039] 本發(fā)明實(shí)施例還提供一種基于SOC的動(dòng)力電池組均