鋰離子電池組能量均衡系統建模與協調控制

《鋰離子電池組能量均衡系統建模與協調控制》是依託重慶大學，由凌睿擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：鋰離子電池組能量均衡系統建模與協調控制
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：凌睿
• 依託單位：重慶大學

中文摘要

鋰離子電池是目前最具發展前景的動力電池。但其特性決定了它在串聯使用時，必須採用均衡電路對各電池能量進行均衡，以延長電池的使用壽命。對於鋰離子電池組能量均衡系統，目前沒有一種模型能夠直觀地描述其內部能量流的非線性行為，為均衡控制系統的分析與設計帶來極大的困難。同時，現有的控制算法主要存在均衡速度慢、效率低等缺點，而且缺乏對多個均衡電路同時工作的有效協調機制，容易造成電路和電池的損壞。因此，本項目將開展鋰離子電池組能量均衡系統建模與協調控制方法研究，以提高系統均衡速度和均衡效率，保證系統運行的穩定性和安全性。本項目將提出一種能量流建模方法，直觀地描述系統中，能量存儲與傳輸的穩態和瞬態過程，為協調控制系統能量均衡過程提供新地解決途徑；運用動態規劃思想，提出一種多滑模面自適應高階滑模控制方法，實現系統內部多個均衡電路的協調運行，保證整個均衡電路網路的快速性和穩定性。

結題摘要

鋰離子電池是非常最具發展前景的動力電池。但其特性決定了它在串聯使用時，必須採用均衡電路對各電池能量進行均衡，以延長電池組使用壽命。由於鋰離子電池組能量均衡系統結構複雜，能量流路徑繁多，本項目針對其建模與控制方法進行研究。主要包括：針對電池組均衡系統建立了能量流模型，直觀地描述了均衡系統內部能量流的非線性行為，以及能量存儲與傳輸的穩態和瞬態過程，為均衡控制器的分析與設計提供了途徑。提出了一種新型的交錯並聯直流升壓變換器，作為電池組均衡系統的高效率輸出級電路。變換器在占空比為0.5以上可以獲得很高的電壓增益。而且，輸入電壓在較寬範圍內變化時，變換器均具有優良的性能。中間儲能電容為兩相電路分壓，減小了開關管和二極體的電壓應力。變換器可以選擇更低電壓等級、更小導通電阻的開關管和二極體，使得開關和導通損耗減小，從而進一步提高效率。輸出級電路可在相同輸出電壓條件下，減少了電池組單體數量，降低了電池組均衡控制難度。提出了一種基於有限狀態機的高階滑模控制方法對均衡電路進行控制，不但進行了詳細的理論分析，而且獲得了完整的實驗數據。與其它現有的DC-DC變換器控制算法相比，在減少測量元件的同時，提高了DC-DC變換器的魯棒性。不但能夠有效地克服電路中各種元器件參數的不確定性，以及功率開關所引入的強非線性和開關噪聲等問題，實現了DC-DC變換器的快速調節，使變換器輸出特性接近最優動態效果，而且控制器結構簡單，調節速度快，過渡過程僅僅需要1-2個開關周期即可完成，有利於提高均衡速度和均衡效率。針對電池組均衡網路系統結構，建立了分散式系統模型。將電池組單個電池和均衡電路看作智慧型體，將整個均衡網路看作為一個多智慧型體系統，將電池組的均衡問題轉換為多智慧型體系統的一致性問題。以電池組均衡為目標，以虛擬平均電量電池為leader，其它電池為follower，建立了多滑模面的多智慧型體系統動態，提出了一種基於二階super-twisting滑模控制的多智慧型體協調跟蹤控制算法，保證了智慧型體與leader在有限時間內的一致，從而提高了整個均衡系統的快速性和穩定性，保證了多個均衡電路的協調最佳化運行，實現了電池組內各個單體電池的能量均衡。