基于深度优先搜索算法的动力电池组主动均衡控制策略制造技术

本发明专利技术公开了一种基于深度优先搜索算法的动力电池组主动均衡控制策略。它包括以下步骤：首先通过脉冲放电实验辨识电池单体等效内阻并建立电池单体内阻模型；再检测各电池单体端电压并计算动力电池组整体均衡度，判断是否启动均衡；若需要启动均衡则以端电压值为节点建立无环路带权有向图；采用带“回溯”功能的深度优先搜索算法进行路径穷举寻优，找到能量转移效率最高的均衡路径；最后根据搜索结果进行均衡。本发明专利技术针对目前动力电池组主动均衡中忽略能量转移效率的问题，不仅能搜索能量转移效率最高的均衡路径，减少均衡损耗，且在均衡的过程中保证动力电池组内每一个电池单体参与均衡，有利于动力电池组保持较好的一致性。

Active equalization control strategy of power battery based on depth first search algorithm

The invention discloses an active equalization control strategy of a power battery set based on a depth first search algorithm. It includes the following steps: firstly, through the experimental identification of pulse discharge cell equivalent resistance and the establishment of the single battery internal resistance model; then the detection of single end voltage of each battery and power battery overall balance calculation, to determine whether the starting balance; if need to start with balanced terminal voltage value for the node establishes a loop free weighted directed figure; with \backtracking\ function of the depth first search algorithm to path enumeration optimization, find the energy transfer efficiency of the equilibrium path of the highest; finally, according to the results of a search equilibrium. The invention aims at power battery active equalization ignore efficiency of energy transfer, the energy transfer efficiency can not only search the equilibrium path of the highest, reduce equilibrium loss, and ensure the power battery within each cell in equilibrium in equilibrium in the process of power battery is beneficial to keep good consistency.

【技术实现步骤摘要】
基于深度优先搜索算法的动力电池组主动均衡控制策略
本专利技术属于车用锂电池均衡控制领域，具体涉及一种基于深度优先搜索算法的动力电池组主动均衡控制策略。
技术介绍
电池管理技术是电动汽车关键技术，主要包括电池状态检测、电池状态估计、电池安全保护和能量控制管理等，这些功能都是通过电池管理系统BMS实现的，而电池组均衡控制技术是电池管理系统的核心技术之一。为了达到电动汽车驱动系统的电压需求，需要将几节甚至几十节动力电池单体串联组成动力电池组，再将几十块动力电池组串联组成供电系统。动力电池成组后，有以下三方面因素会造成单体电池间差异：(1)电池制作工艺的限制，使不同电池的各项参数出现不一致；(2)动力电池组中电池单体的自放电率不一致；(3)动力电池组使用过程中，温度、放电效率、保护电路对动力电池组的影响会导致差异的放大。电池单体性能的不一致严重影响了动力电池组的使用效果，减少了动力电池组的使用寿命，电池均衡控制就是采取一定的措施来降低电池各单体之问的不一致性，以达到整个电池组充放电效能的优化，延长动力电池组的使用寿命，因此均衡系统是动力电池组管理系统的关键技术之一。根据均衡系统的工作特点可将电池均衡技术分为被动均衡技术和主动均衡技术。被动均衡技术是指电池管理系统在检测到动力电池组内电池单体出现不一致时通过合理的消耗掉端电压较高的电池单体的能量来达到均衡的目的；主动均衡技术是指电池管理系统在检测到动力电池组内电池单体出现不一致时通过均衡电路使高压电池单体能量适量的转移到低压电池单体中，从而达到动力电池组内各电池单体的均衡，理论上主动均衡时没有能量损耗，但是由于电池自身的内阻以及导线和均衡元件的等效电阻的存在，在不同的能量转移路径上存在不同的能量损耗。均衡控制的依据参数主要有以下几种：以开路电压作为均衡依据；以端电压作为均衡依据；以剩余电量SOC作为均衡依据；以剩余可用能量作为均衡依据。开路电压能较好的反映电池的均衡度，但是以开路电压作为均衡依据使得均衡系统只能工作于电池组搁置状态，降低系统工作效率；以端电压作为均衡依据可以弥补开路电压作为均衡依据的不足，在任何时候做出是否均衡的判断，其缺点在于电动汽车在实际运行工况下的端电压可能会出现剧烈波动，使得均衡系统启闭频繁开关损耗增加；以剩余电量作为均衡依据能较好的反映各电池的一致性，但是SOC的精确估算难度较大，剩余电量SOC的估算误差对均衡系统的工作造成较大的影响；以剩余可用能量作为均衡依据也可以较好的反映电池单体的一致性，但是随着电池的使用寿命的增加，各电池的容量会出现不同的衰减，均衡系统会出现无能为力的情况甚至不能正常工作。综合以上分析，以端电压作为均衡依据能较好的保证电池组的一致性，这也是本专利技术专利所采用的均衡依据。目前对动力电池组均衡技术的研究主要集中在硬件均衡电路的设计，均衡控制策略的研究较少。大多数的主动均衡控制策略采用的方法有如下两种：通过硬件均衡电路将动力电池组内端电压最高的电池单体的电量转移到端电压最低的电池单体中，这忽略了不同转移路径的效率和能量利用率；另一种是将动力电池组内串联的相邻两电池单体之间进行能量从高压单体到低压单体的转移。如专利技术专利申请《新型电池均衡电路及其调节方法》(CN102111003A)和《一种电动汽车动力电池组均衡控制方法》(CN104617623A)。其中，中国专利技术专利申请公开说明书(CN102111003A)于2011年06月29日公开的《新型电池均衡电路及其调节方法》，它首先设计了基于单电感的均衡拓扑电路；再对电池模块内各电池单体的电压进行检测并通过电压最大差值判断是否需要启动均衡；如果需要启动均衡系统再通过BMS主控模块控制相关MOS管的开闭将电压最高的电池单体或电池组的能量转移到电压最低的电池单体或电池组中，实现锂离子电池组的均衡。但是该方法存在以下不足：1)该均衡控制方法中每次均衡都是将能量从电压最高的电池单体或电池组的能量转移到电压最低的电池单体或电池组中，能量转移路径是固定的，没有考虑寻找能量利用率最高的路径；2)该均衡系统只有一条均衡路径，电池组内电池单体较多时均衡速度无法保证；中国专利技术专利申请公开说明书(CN104617623A)于2015年05月13日公开的《一种电动汽车动力电池组均衡控制方法》，首先建立电池等效电路模型；对电池单体进行充放电实验，记录充放电安时数并计算剩余电量SOC理论值；根据实验得到的参数，基于无迹卡尔曼滤波算法对电池SOC进行估计；最后根据剩余电量SOC最优估计值进行电池组均衡控制，具体控制方法为将剩余电量SOC最大的电池单体的能量适量的转移到与之相邻的电池单体中。其存在的不足为：1)该均衡系统使用了新型SOC估计算法，目前该算法应用于SOC估计尚处于试验研究阶段，实用性和稳定性还需进一步的实车验证；2)该均衡系统工作可靠性完全依赖于SOC估计的准确性，当SOC估计误差较大时均衡系统将不能正常工作，甚至加大各电池单体的不均衡程度。3)该均衡控制策略是将SOC最大的电池单体的能量适量的转移到与之相邻的电池单体中，能量只能在两相邻的电池单体之间流动，造成的能量损耗相对较大，均衡速度较慢。
技术实现思路
为了克服上述现有的技术不足，本专利技术提出一种基于深度优先搜索算法的动力电池组主动均衡控制策略。该方法不仅能自动搜索能量转移效率最高的路径，减少均衡损耗，且在均衡的过程中不只是对电压最高和最低的电池单体进行均衡，而是使电池组内每一个电池单体都参与均衡，有利于电池组保持较好的一致性和均衡度。为解决本专利技术的技术问题，本专利技术提供了一种基于深度优先搜索算法的动力电池组主动均衡控制策略，该控制策略涉及的动力电池组为N个电池单体串联之后组成的电池模块，N取6-18之间的整数；该控制策略包括对电池单体端电压的采集，其特征在于，主要步骤如下：步骤1，通过脉冲放电实验辨识电池单体等效内阻，根据等效内阻辨识结果建立电池单体内阻模型，并在此基础上确定均衡路径的总阻值，其过程包括：步骤1.1，实验室条件下首先将电池单体充电至剩余电量SOC＝1，将电池单体静置2至4小时后检测电池单体端电压，并记为Va，即Va是静置足够长时间后的电池单体端电压，然后进行脉冲放电实验，采集放电过程中不同时刻电池单体的端电压，并辨识电池单体等效内阻，其中电池单体等效内阻R0的计算公式为：其中，I是加载的脉冲电流值；Va是静置足够长时间后的电池单体端电压；Vb是电池单体两端加载脉冲电流I后瞬间的电池单体端电压；Vc是停止加载脉冲电流I前的瞬间的电池单体端电压；Vd是停止加载脉冲电流I后的瞬间的电池单体端电压；步骤1.2，根据步骤1.1中等效内阻辨识结果建立电池单体内阻模型，所述电池单体内阻模型以开路电压OCV为电压源，串联一个直流内阻构成，其表达式如下：V＝OCV-I(t)R0(2)其中，V为电池单体的端电压，R0为电池单体的等效内阻，I(t)为t瞬间流过电池单体的工作电流，OCV为电池单体的开路电压；步骤1.3，在步骤1.2的基础上，使用电阻测量仪表测得外部与电池单体相连的导线与均衡器件的直流阻抗Re，则均衡路径的总阻值R＝R0+Re，其中R0为电池单体的等效内阻；步骤2，根据动力电池组内各个电池单体端电压计算得到的动力电池组整体均本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于深度优先搜索算法的动力电池组主动均衡控制策略，该控制策略涉及的动力电池组为N个电池单体串联之后组成的电池模块，N取6‑18之间的整数；该控制策略包括对电池单体端电压的采集，其特征在于，主要步骤如下：步骤1，通过脉冲放电实验辨识电池单体等效内阻，根据等效内阻辨识结果建立电池单体内阻模型，并在此基础上确定均衡路径的总阻值，其过程包括：步骤1.1，实验室条件下首先将电池单体充电至剩余电量SOC＝1，将电池单体静置2至4小时后检测电池单体端电压，并记为V

【技术特征摘要】
1.一种基于深度优先搜索算法的动力电池组主动均衡控制策略，该控制策略涉及的动力电池组为N个电池单体串联之后组成的电池模块，N取6-18之间的整数；该控制策略包括对电池单体端电压的采集，其特征在于，主要步骤如下：步骤1，通过脉冲放电实验辨识电池单体等效内阻，根据等效内阻辨识结果建立电池单体内阻模型，并在此基础上确定均衡路径的总阻值，其过程包括：步骤1.1，实验室条件下首先将电池单体充电至剩余电量SOC＝1，将电池单体静置2至4小时后检测电池单体端电压，并记为Va，即Va是静置足够长时间后的电池单体端电压，然后进行脉冲放电实验，采集放电过程中不同时刻电池单体的端电压，并辨识电池单体等效内阻，其中电池单体等效内阻R0的计算公式为：其中，I是加载的脉冲电流值；Va是静置足够长时间后的电池单体端电压；Vb是电池单体两端加载脉冲电流I后瞬间的电池单体端电压；Vc是停止加载脉冲电流I前的瞬间的电池单体端电压；Vd是停止加载脉冲电流I后的瞬间的电池单体端电压；步骤1.2，根据步骤1.1中等效内阻辨识结果建立电池单体内阻模型，所述电池单体内阻模型以开路电压OCV为电压源，串联一个直流内阻构成，其表达式如下：V＝OCV-I(t)R0(2)其中，V为电池单体的端电压，R0为电池单体的等效内阻，I(t)为t瞬间流过电池单体的工作电流，OCV为电池单体的开路电压；步骤1.3，在步骤1.2的基础上，使用电阻测量仪表测得外部与电池单体连接的导线与均衡器件的直流阻抗Re，则均衡路径的总阻值R＝R0+Re，其中R0为电池单体的等效内阻；步骤2，根据动力电池组内各个电池单体端电压计算得到的动力电池组整体均衡度，判断是否启动均衡系统，其过程包括：步骤2.1，电池管理系统BMS首先检测本动力电池组内各个电池单体端电压，并记为Vi，其中i为电池单体的序号，i＝1,2,3……N，然后对所采集到的所有电池单体端电压按照从高到低的顺序进行排序，并在建立的存储表中保存电池单体端电压Vi及对应的电池单体序号；步骤2.2，计算动力电池组的整体均衡度，其计算公式为：其中，ε为动力电池组整体均衡度，N为动力电池组内电池单体数，i为电池单体的序号，i＝1,2,3……N，表示动力电池组内所有电池单体的平均端电压值；步骤2.3，判断动力电池组整体均衡度ε是否≤a％，其中a为经验常数值，其范围为4-12；当ε≤a％时，无需启动均衡系统，返回步骤2.1；当ε>a％时，启动均衡系统，执行步骤3；步骤3，以步骤2中采集的端电压Vi的数值作为无环路带权有向图的节点，硬件均衡电路中的导线、均衡元件、开关器件组成了均衡路径并抽象为无环路带权有向图的边；根据步骤1中辨识得到的电池单体等效内阻R0、导线与均衡器件的直流阻抗Re计算各边权值，建立无环路带权有向图，并以邻接矩阵的形式保存，其过程包括：步骤3.1，根据步骤1中辨识得到的电池单体等效内阻R0、导线与均衡器件的直流阻抗Re和步骤2中最终保存的电池单体的端电压Vi，计算出任意两电池单体间均衡一次消耗的能量和任意两电池单体间均衡一次传递的能量，作为图的各边权值，建立无环路带权有向图；设Wxy为端电压为Vx和Vy的两电池单体间均衡一次消耗的能量，并命名为能耗权值；设Exy为端电压为Vx和Vy的两电池单体间均衡一次传递的能量，并命名为能量传递权值，则计算公式分别为：该主动均衡策略用于单电感均衡电路时，该主动均衡策略用于单电容均衡电路时，其中，Vx为高压电池单体端电压值，Vy为低压电池单体端电压值，x为高压电池单体序号，y为低压电池单体序号，L为均衡电感值，C为均衡电容值，R为均衡路径的总阻值；步骤3.2，建立邻接矩阵1和2；该主动均衡策略应用于单电感均衡电路时以式(4)计算得到的值作为权值建立并保存邻接矩阵1，以式(5)计算得到的值作为权值建立并保存邻接矩阵2；该主动均衡策略应用于单电容均衡电路时以式(6)计算得到的值作为权值建立并保存邻接矩阵1，以式(7)计算得到的值作为权值建立并保存邻接矩阵2；步骤4，基于步骤3中建立的无环路带权有向图，先使用“深度优先搜索”算法搜索得到其中一条完整的均衡路径，在此基础上再利用“回溯法”搜索得到所有的均衡路径，进而搜索出能量转移效率最高的均衡路径，此过程包括；步骤4.1，做如下定义：设置工作栈，用于均衡路径搜索的内存工作区间，并保存临时搜索路径的节点值，所述的节点为无环路带权有向图的节点，其数值为步骤2中保留下来的端电压的数值；设置节点访问状态标志一维数组Vertex[N]，N为动力电池组内电池单体数，当节点未进工作栈时对应的状态为0，当节点已经出工作栈时对应的状态为1；设置边的访问状态标志二维数组Arc[N][N]，N为动力电池组内电池单体数，当且仅当边的两个节点都在工作栈内时表示该边已被搜索，该边的访问标志状态为1，边...

【专利技术属性】
技术研发人员：孔慧芳，张国路，张晓雪，张憧，姜凯文，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34