[发明专利]基于模型预测控制的锂电池组主动均衡控制方法

权利要求书

1.一种基于模型预测控制的锂电池组主动均衡控制方法，所述锂电池组中包含多个单体电池，每个单体电池并联一个由双向反击电路构成的DC/DC转换器，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：建立主动均衡器的状态空间模型：

其中x(k)表示k时刻的系统状态变量，x＝[SoC₁SoC₂…SoC_S]^T，SoC_i表示第i节电池的荷电状态，S表示电堆单体电池的数目；K为常量，其中，Δt为DC/DC转换器传输电荷的周期，I₀为单周期内DC/DC转移的电荷，C为单个电池的容量；u为均衡器的控制变量矩阵u＝[u₁u₂…u_S]^T，其中u_i为第i节电池的DC/DC转换器的控制变量，定义为：

y(k)为均衡器输出，即输出为所有电池均衡后的荷电状态；

步骤二：确定均衡器的控制目标函数：

s.t.u_i(k)∈{-1，0，1}，i＝1，2，...S (3)

其中N表示模型预测控制的预测步长，为S个组成的S×1向量，表示二范数的平方；λ为权重系数，Δu(l|k)＝u(l|k)-u(l-1|k)；

步骤三：将原问题化为最小二乘问题；取U(k)＝[u^T(k)…u^T(k+N-1)]^T，由公式(1)第一个式子可以得到：

x(l+1)＝x(k)+[K*B…K*B…0]*U(k) (5)

0为S×S的零矩阵；

将上式带入公式(1)的第二个式子得到：

Y(k)＝Γx(k)+γU(k) (6)

Γ包含N个S×S的单位矩阵I，即Y(k)＝[y^T(l+1)…y^T(l+N)]^T，控制目标函数可以化为：

式中Y^*为Y对应的参考输出；将目标函数进一步写成紧凑形式：

式中θ(k)、Θ(k)为中间变量，

Θ(k)＝((Γx(k)-Y^*(k))^Tγ-λ^T(Eu(k-1))^TS)^T

Q＝γ^Tγ+λS^TS

将公式(8)写成平方形式：

J＝(U(k)+Q^-1Θ(k))^TQ(U(k)+Q^-1Θ(k))+const(k) (9)

const(k)为与U(k)无关的部分；不考虑约束条件(3)(4)，上述目标函数得到的无约束解为：

U_unc(k)＝-Q^-1Θ(k) (10)

由定义可知Q为对称正定矩阵，可以使用Cholesky分解Q＝H^TH，取可得到：

所以最优控制序列U_opt(k)可表示为：

步骤四：使用分支界定法搜索最优控制序列；引入球半径ρ(k)＞0和球心U_unc(k)，使得：

当U(k)满足在超球面内且满足约束条件(3)(4)时即是可行解，并在球半径内的可行解中搜索使得控制目标函数J最小的开关序列作为U_opt(k)；

步骤五：利用步骤四U_opt(k)对各个双向DC/DC转换器实施控制。