[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

摘要

本发明公开了一种基于模型预测控制的锂电池管理系统主动均衡控制方法。每个单体电池并联一个由双向反击电路构成的DC/DC转换器构成的主动均衡器，对该主动均衡器进行建模，并以此模型为基础使用模型预测控制，通过整数规划和分支界定法获得最优的均衡器控制序列，使得均衡器可以实现所有单体电池在同一时刻充电或者放电；由于均衡电流固定，每个均衡器每一时刻有放电、静置或充电其中一种状态，因此将整数规划和分支界定法引入该均衡器控制的设计中，有效减少了模型预测控制的搜索最优控制序列的计算量，相比传统主动均衡器设计，该发明均衡收敛速度快，均衡过程获取最优控制序列计算量大大减少。

主权项

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.ui(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)＝[uT(k) … uT(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‑λT(Eu(k‑1))TS)TQ＝γTΥ+λSTS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：Uunc(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Uopt(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Uunc(k)，使得：当U(k)满足在该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Uopt(k)。步骤五：利用步骤四Uopt(k)对各个双向DC/DC转换器实施控制。