一种基于电池能量状态估计的电池组主动均衡控制系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于电池能量状态估计的电池组主动均衡控制系统，其基于多变压器的均衡电路拓扑可采用多种控制变量，使得均衡充放电过程可直接并行操作，提高了均衡的效率。SOE能更为准确的反映出电池的真实状态，采用电池SOE作为控制变量克服了目前均衡控制策略中单纯以电压或SOC作为均衡控制变量中的不足，提高均衡控制精度，使均衡后的电池能量保持精确一致，最大化电池组的能量利用率。利用双不变嵌入法在线辨识电池参数和实时估计电池状态，能够有效地提高SOE估计精度，进一步确保均衡控制精度，优化均衡效果。

Battery active balancing control system based on battery energy state estimation

The invention discloses a control system of active equalization of battery energy based on state estimation, the equalization circuit topology based on transformer can use a variety of control variables, the equilibrium charge discharge process can be directly parallel operation, improve the efficiency of equalization. SOE can more accurately reflect the true state of the battery, the battery using SOE as control variables to overcome the current balance control strategy is simply to voltage or SOC as variables in the balance control, improve the control precision of the equilibrium, the equilibrium of the battery energy is exactly identical, maximizing the utilization of the battery energy. Using double invariant embedding method to identify cell parameters and estimate battery status online can effectively improve the accuracy of SOE estimation, and further ensure the accuracy of equalization control and optimize the equalization effect.

【技术实现步骤摘要】
一种基于电池能量状态估计的电池组主动均衡控制系统
本专利技术涉及电池组主动均衡
，尤其涉及一种基于电池能量状态估计的电池组主动均衡控制系统。
技术介绍
电池储能系统是智能电网、分布式能源、电动汽车等新能源系统的核心。为了达到一定的电压、功率和能量等级，电池储能系统需要将大量电池单体串并联成组使用。由于电池的制作工艺问题和工作环境的影响，电池组中的单体电池间存在着一定的差异。这种差异使电池组的能量不能得到充分利用，而且随着电池间差异的不断累积将会使个别单体容量迅速衰减，进而限制电池组输出功率，缩短电池组寿命。对电池组进行均衡管理是改善电池组不一致性的重要方法。通过对使用过程中电池组状态参数的实时检测，判断电池组的不一致性状态，当达到均衡功能的执行条件时，通过有效的均衡控制策略控制均衡电路执行相应动作，使电池组中各单体在使用过程中的状态趋于一致。电池组均衡主要有被动均衡和主动均衡两种电路拓扑。主动均衡电路以其能够实现电池间无损能量流动，解决被动均衡中能量损失和产热严重等问题，成为了目前技术研究的热点。常见的主动均衡电路有单体到单体、单体到总体、总体到单体以及单体到总体到单体等拓扑类型。单体到单体拓扑均衡速度慢、控制流程复杂，而单体到总体和总体到单体拓扑能量转移方式单一、灵活性较差，所以这三种拓扑的应用远不及单体到总体到单体拓扑应用广泛。单体到总体到单体的拓扑大多都基于单个反激变压器实现，但这种结构控制策略单一，均衡充放电过程无法并行操作，因此均衡速度较慢，均衡效率较低。目前常用的控制策略主要以电池电压和荷电状态(StateofCharge，SOC)作为控制变量。以电压作为控制变量易于工程实现，但容易受内阻、极化电压、环境温度等影响导致均衡不准确；以SOC作为控制变量可使各单体处于相同的放电深度，控制电池组内单体同时充满、同时放空，但却忽略了电池在使用过程中电压的变化，无法准确地反映出电池的真实状态，判断出电池的充放电能力。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于电池能量状态估计的电池组主动均衡控制系统，可以提高电池组均衡控制精度，最大化电池组的能量利用率。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于电池能量状态估计的电池组主动均衡控制系统，包括：电池信息采集器、电池组、变压器、均衡控制器、主控制器；其中：所述电池组由n个单体电池串联组成；所述电池信息采集器，用于采集每一单体电池的信息，并传输给主控制器；所述主控制器，用于根据采集到的每一单体电池的信息结合双不变嵌入法在线辨识电池模型参数，进而估计各个单体电池的SOE值；再根据所有单体电池的SOE值计算电池组的平均SOE值，并根据每一单体电池的SOE值与平均SOE值的差值大小来下发相应的充电或放电控制信号；所述变压器的数量为n个，每一变压器的初级均单独与一单体电池并联，次级则接入整个电池组的总正和总负之间；所述变压器通过接收均衡控制器的开启或关闭命令对相应的单体电池实行能量流动；所述均衡控制器通过多个引脚信号分别控制每个变压器的初级和次级的开闭状态，根据接收到的所述主控制器下发的充电或放电控制信号来下发开启或关闭命令至相应的变压器。进一步的，该系统还包括：SPI通信模块，用于实现电池信息采集器与主控制器，以及均衡控制器与主控制器之间的信息交互。进一步的，所述根据采集到的每一单体电池的信息结合双不变嵌入法在线辨识电池模型参数，进而估计各个单体电池的电池能量状态SOE值；再根据所有单体电池的SOE值计算电池组的平均SOE值，并根据每一单体电池的SOE值与平均SOE值的差值大小来下发相应的充电或放电控制信号包括：预先设定上下界限值ΔSOE1与ΔSOE2；根据采集到的每一单体电池的信息并通过功率积分法计算电池均衡前的SOE值；建立均衡电池一阶RC网络等效电路模型；在均衡电池一阶RC网络等效电路模型的基础上结合功率积分法，建立相应的数学模型；将该数学模型进行离散化处理，得到单体电池状态估计的空间方程和输出方程，以及单体电池参数估计的空间方程和输出方程；根据所获得的方程，并利用双不变嵌入法结合单体电池的信息辨识单体电池的参数，并估计单体电池的SOE值；根据所有单体电池的SOE值计算电池组的平均SOE值，记为SOEavg；电池组中第i个单体电池的SOE值记为SOEi；当SOEi-SOEavg≤ΔSOE1时，判断该单体电池的能量低于电池组中单体能量平均值，下发充电控制信号，对该单体电池开启充电均衡功能；当SOEi-SOEavg≥ΔSOE2时，判断该单体能量高于电池组中单体能量平均值，下发放电控制信号，对该单体电池开启放电均衡功能；直到所有单体电池的SOE值均满足均衡关闭条件：ΔSOE1≤SOEi-SOEavg≤ΔSOE2。进一步的，根据采集到的每一单体电池的信息并通过功率积分法计算电池均衡前的SOE值的公式包括：其中，z(t)为t时刻的SOE值；z(t0)为电池初始SOE值；EN为电池额定能量；P(t)为电池的充放电功率，其值为t时刻电池端电压v(t)和流过电流i(t)的乘积。进一步的，建立均衡电池一阶RC网络等效电路模型包括：一个理想电压源、一个串联内阻Ro以及一个动态RC网络；其中，串联内阻Ro在充放电情况下的数值分为Rchg与Rdis；动态RC网络的分散电阻、分散电容值分别为RD、CD；IL为流入单体电池的电流，Ut为单体电池的端电压。进一步的，所建立的数学模型为：其中，UD为动态RC网络的端电压，为UD的微分；Uoc为理想电压源的开路电压，其为温度T和SOE的函数，三者间的函数关系式为Uoc(z,T)；该数学模型的参数为θ＝[RdisRchgCDRD]。进一步的，所述将该数学模型进行离散化处理，得到单体电池状态估计的状态空间方程和输出方程，以及单体电池参数估计的状态空间方程和输出方程，包括：单体电池状态估计的空间方程和输出方程为：其中：所有参数的表达式中下标k以及k+1相应的表示k时刻与k+1时刻，Δt为采样时间，α＝exp(-Δt/RDCD)，f、g相应的表示电池单体模型的状态空间方程、输出方程函数；x表示模型状态，即单体电池的两个状态分量zk+1表示k+1时刻单体电池的SOE值，UD,k+1表示k+1时刻单体电池的端电压；y表示模型输出，即单体电池的输出端电压Ut,k，yk表示k时刻单体电池的端电压；u表示模型输入，即单体电池的输入电流IL,k，uk表示k时刻流入单体电池电流；wk、vk分别为服从高斯分布的过程噪声、测量噪声；θk表示k时刻单体电池参数；单体电池参数估计的空间方程和输出方程为：式中，表示对单体电池参数θ的估计；r为白噪声；式中的dk即为k时刻单体电池的端电压Ut,k。进一步的，所述利用双不变嵌入法结合单体电池的信息估计单体电池的参数包括：利用不变嵌入法在线估计k时刻电池参数θk，得出实时电池参数值后，再利用不变嵌入滤波算法和实时参数值估计k时刻电池状态xk；其包括初始化、时间更新、误差产生和测量更新四个步骤：θk，xk是由两个迭代过程估计得到的，分别是时间更新和测量更新测量更新后的值被看做每个k时刻的θk，xk；初始化：初始化单体电池参数θ0以及协方差误差矩阵的初始值：初始化单体电池状态x0以及协方差误差矩阵的初始本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于电池能量状态估计的电池组主动均衡控制系统，其特征在于，包括：电池信息采集器、电池组、变压器、均衡控制器、主控制器；其中：所述电池组由n个单体电池串联组成；所述电池信息采集器，用于采集每一单体电池的信息，并传输给主控制器；所述主控制器，用于根据采集到的每一单体电池的信息结合双不变嵌入法在线辨识电池模型参数，进而估计各个单体电池的SOE值；再根据所有单体电池的SOE值计算电池组的平均SOE值，并根据每一单体电池的SOE值与平均SOE值的差值大小来下发相应的充电或放电控制信号；所述变压器的数量为n个，每一变压器的初级均单独与一单体电池并联，次级则接入整个电池组的总正和总负之间；所述变压器通过接收均衡控制器的开启或关闭命令对相应的单体电池实行能量流动；所述均衡控制器通过多个引脚信号分别控制每个变压器的初级和次级的开闭状态，根据接收到的所述主控制器下发的充电或放电控制信号来下发开启或关闭命令至相应的变压器。

【技术特征摘要】
1.一种基于电池能量状态估计的电池组主动均衡控制系统，其特征在于，包括：电池信息采集器、电池组、变压器、均衡控制器、主控制器；其中：所述电池组由n个单体电池串联组成；所述电池信息采集器，用于采集每一单体电池的信息，并传输给主控制器；所述主控制器，用于根据采集到的每一单体电池的信息结合双不变嵌入法在线辨识电池模型参数，进而估计各个单体电池的SOE值；再根据所有单体电池的SOE值计算电池组的平均SOE值，并根据每一单体电池的SOE值与平均SOE值的差值大小来下发相应的充电或放电控制信号；所述变压器的数量为n个，每一变压器的初级均单独与一单体电池并联，次级则接入整个电池组的总正和总负之间；所述变压器通过接收均衡控制器的开启或关闭命令对相应的单体电池实行能量流动；所述均衡控制器通过多个引脚信号分别控制每个变压器的初级和次级的开闭状态，根据接收到的所述主控制器下发的充电或放电控制信号来下发开启或关闭命令至相应的变压器。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该系统还包括：SPI通信模块，用于实现电池信息采集器与主控制器，以及均衡控制器与主控制器之间的信息交互。3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述根据采集到的每一单体电池的信息结合双不变嵌入法在线辨识电池模型参数，进而估计各个单体电池的电池能量状态SOE值；再根据所有单体电池的SOE值计算电池组的平均SOE值，并根据每一单体电池的SOE值与平均SOE值的差值大小来下发相应的充电或放电控制信号包括：预先设定上下界限值ΔSOE1与ΔSOE2；根据采集到的每一单体电池的信息并通过功率积分法计算电池均衡前的SOE值；建立均衡电池一阶RC网络等效电路模型；在均衡电池一阶RC网络等效电路模型的基础上结合功率积分法，建立相应的数学模型；将该数学模型进行离散化处理，得到单体电池状态估计的空间方程和输出方程，以及单体电池参数估计的空间方程和输出方程；根据所获得的方程，并利用双不变嵌入法结合单体电池的信息辨识单体电池的参数，并估计单体电池的SOE值；根据所有单体电池的SOE值计算电池组的平均SOE值，记为SOEavg；电池组中第i个单体电池的SOE值记为SOEi；当SOEi-SOEavg≤ΔSOE1时，判断该单体电池的能量低于电池组中单体能量平均值，下发充电控制信号，对该单体电池开启充电均衡功能；当SOEi-SOEavg≥ΔSOE2时，判断该单体能量高于电池组中单体能量平均值，下发放电控制信号，对该单体电池开启放电均衡功能；直到所有单体电池的SOE值均满足均衡关闭条件：ΔSOE1≤SOEi-SOEavg≤ΔSOE2。4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，根据采集到的每一单体电池的信息并通过功率积分法计算电池均衡前的SOE值的公式包括：其中，z(t)为t时刻的SOE值；z(t0)为电池初始SOE值；EN为电池额定能量；P(t)为电池的充放电功率，其值为t时刻电池端电压v(t)和流过电流i(t)的乘积。5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，建立均衡电池一阶RC网络等效电路模型包括：一个理想电压源、一个串联内阻Ro以及一个动态RC网络；其中，串联内阻Ro在充放电情况下的数值分为Rchg与Rdis；动态RC网络的分散电阻、分散电容值分别为RD、CD；IL为流入单体电池的电流，Ut为单体电池的端电压。6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所建立的数学模型为：其中，UD为动态RC网络的端电压，为UD的微分；Uoc为理想电压源的开路电压，其为温度T和SOE的函数，三者间的函数关系式为Uoc(z,T)；该数学模型的参数为θ＝[RdisRchgCDRD]。7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述将该数学模型进行离散化处理，得到单体电池状态估计的状态空间方程和输出方程，以及单体电池参数估计的状态空间方程和输出方程，包括：单体电池状态估计的空间方程和输出方程为：其中：所有参数的表达...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈宗海，魏婧雯，董广忠，张陈斌，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34