锂离子电池组能量均衡系统建模与协调控制

Lithium ion batteries are currently the most promising power cell. But its characteristics when used in series, there must be a balanced circuit to balance the energy between batteries, in order to extend battery life. So far there is not a model method to visually describe the nonlinear behavior of internal energy flow, and create great difficulties for the balance control system analysis and design for lithium-ion battery pack energy balancing system. Meanwhile, the existing control algorithms be of slow balancing speed, low efficiency, and the lack of effective coordination mechanisms for many balancing circuits at the same time, likely to cause damage to the circuit and the batteries. Therefore, this project will carry out the modeling and coordination control research for lithium-ion battery pack energy balancing system in order to improve balancing speed and balance efficiency and to ensure the stability and security of the system. The project will propose an energy flow modeling method to intuitive describe the steady-state and transient process of energy storage and transmission in system, provide a new solution to coordinate control of energy balance processes, and propose a multiple sliding surface adaptive high order sliding mode control method, using dynamic programming, to achieve harmonious operation of balanced circuits in the system and ensure rapid and stability of the balancing circuit network.

锂离子电池是目前最具发展前景的动力电池。但其特性决定了它在串联使用时，必须采用均衡电路对各电池能量进行均衡，以延长电池的使用寿命。对于锂离子电池组能量均衡系统，目前没有一种模型能够直观地描述其内部能量流的非线性行为，为均衡控制系统的分析与设计带来极大的困难。同时，现有的控制算法主要存在均衡速度慢、效率低等缺点，而且缺乏对多个均衡电路同时工作的有效协调机制，容易造成电路和电池的损坏。因此，本项目将开展锂离子电池组能量均衡系统建模与协调控制方法研究，以提高系统均衡速度和均衡效率，保证系统运行的稳定性和安全性。本项目将提出一种能量流建模方法，直观地描述系统中，能量存储与传输的稳态和瞬态过程，为协调控制系统能量均衡过程提供新地解决途径；运用动态规划思想，提出一种多滑模面自适应高阶滑模控制方法，实现系统内部多个均衡电路的协调运行，保证整个均衡电路网络的快速性和稳定性。

锂离子电池是非常最具发展前景的动力电池。但其特性决定了它在串联使用时，必须采用均衡电路对各电池能量进行均衡，以延长电池组使用寿命。由于锂离子电池组能量均衡系统结构复杂，能量流路径繁多，本项目针对其建模与控制方法进行研究。主要包括：针对电池组均衡系统建立了能量流模型，直观地描述了均衡系统内部能量流的非线性行为，以及能量存储与传输的稳态和瞬态过程，为均衡控制器的分析与设计提供了途径。提出了一种新型的交错并联直流升压变换器，作为电池组均衡系统的高效率输出级电路。变换器在占空比为0.5以上可以获得很高的电压增益。而且，输入电压在较宽范围内变化时，变换器均具有优良的性能。中间储能电容为两相电路分压，减小了开关管和二极管的电压应力。变换器可以选择更低电压等级、更小导通电阻的开关管和二极管，使得开关和导通损耗减小，从而进一步提高效率。输出级电路可在相同输出电压条件下，减少了电池组单体数量，降低了电池组均衡控制难度。提出了一种基于有限状态机的高阶滑模控制方法对均衡电路进行控制，不但进行了详细的理论分析，而且获得了完整的实验数据。与其它现有的DC-DC变换器控制算法相比，在减少测量元件的同时，提高了DC-DC变换器的鲁棒性。不但能够有效地克服电路中各种元器件参数的不确定性，以及功率开关所引入的强非线性和开关噪声等问题，实现了DC-DC变换器的快速调节，使变换器输出特性接近最优动态效果，而且控制器结构简单，调节速度快，过渡过程仅仅需要1-2个开关周期即可完成，有利于提高均衡速度和均衡效率。针对电池组均衡网络系统结构，建立了分布式系统模型。将电池组单个电池和均衡电路看作智能体，将整个均衡网络看作为一个多智能体系统，将电池组的均衡问题转换为多智能体系统的一致性问题。以电池组均衡为目标，以虚拟平均电量电池为leader，其它电池为follower，建立了多滑模面的多智能体系统动态，提出了一种基于二阶super-twisting滑模控制的多智能体协调跟踪控制算法，保证了智能体与leader在有限时间内的一致，从而提高了整个均衡系统的快速性和稳定性，保证了多个均衡电路的协调优化运行，实现了电池组内各个单体电池的能量均衡。