基于DAB变换器的开关矩阵式电池主动均衡系统及方法

本发明属于电池管理与电池主动均衡，具体涉及一种基于dab变换器的开关矩阵式电池主动均衡系统及方法。

背景技术：

1、随着动力电池和储能电池组的广泛应用，串联电池组中各单体电池因制造差异、老化程度不同及工作环境不一致，容易出现容量、内阻和soc不一致的问题，进而导致电池组可用容量下降、循环寿命缩短，甚至引发过充、过放和过热等安全风险。因此，开展电池主动均衡对于提升电池组一致性、安全性和使用寿命具有重要意义。现有均衡方法主要包括被动均衡和主动均衡。被动均衡结构简单，但存在能量浪费大、均衡效率低的问题；主动均衡虽能实现能量转移、效率较高，但部分方案存在器件数量多、控制复杂、扩展性差及均衡速度有限等不足。

2、双有源桥（dab）变换器是一种典型的隔离型双向dc/dc变换器，具有双向能量流动、易于软开关、功率密度高和适合中大功率场合等优势，近年来被广泛应用于储能接口和电池能量管理领域。但如果直接将dab用于多串单体电池均衡，仍需解决如何在多个单体之间灵活选通目标电池、如何降低硬件冗余、如何在保证安全性的同时兼顾均衡速度和效率等问题。

3、基于上述背景，亟需一种既能充分发挥dab双向隔离传能优势，又能减少功率器件数量、便于模块化扩展，并可实现对任意目标单体进行快速主动均衡的新型均衡装置及控制策略。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中电池主动均衡系统存在的均衡效率不高、器件数量较多、控制复杂、扩展性较差，以及难以兼顾大容量电池组快速均衡与安全稳定运行的问题，提供一种基于dab变换器的开关矩阵式电池主动均衡系统及方法，使单个dab变换器能够在开关矩阵的配合下，按需选通任一目标单体电池，并通过直流母线实现目标单体与系统之间的隔离型双向能量传输，从而实现高soc单体向母线回灌放电、母线向低soc单体补能充电的主动均衡。

2、为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种基于dab变换器的开关矩阵式电池主动均衡系统，包括通过导线连接的电池组、均衡模组、开关矩阵、dab变换器、直流母线、电池管理从控单元bmu、主控mcu和开关矩阵驱动模块；其中，所述电池组包括若干串联的单体电池；

4、所述dab变换器的一侧连接直流母线，通过相移调制实现隔离型双向能量传输，完成高soc单体至直流母线的回灌放电均衡，以及直流母线至低soc单体的补能充电均衡；另一侧通过开关矩阵与均衡模组内被选通的目标单体电池连接；

5、所述电池管理从控单元bmu，用于采集各单体电池的电压、温度及电流信息；

6、所述主控mcu，用于接收电池管理从控单元bmu采集的信息，基于采集的信息控制dab变换器执行均衡控制，以及通过开关矩阵驱动模块选通工作的单体电池。

7、所述开关矩阵包括电芯单体选择开关组与变换器极性选择开关组，所述电芯单体选择开关组，用于将均衡模组内任一单体电池的正负极端引出至极性选择端；所述变换器极性选择开关组，用于将所述极性选择端的正负极分别对应连接至dab变换器电池侧的正负极端口。

8、所述电池组中每一个单体电池的正极开关与负极开关均连接一组电芯单体选择开关，每组电芯单体选择开关由两个mosfet背靠背连接构成双向阻断开关，且背靠背的两个mosfet由同一开关矩阵驱动信号同步驱动。

9、所述变换器极性选择开关组包括四个功率开关，用于在不同目标单体电池被选通时，将所述目标单体电池的正负极准确映射至dab变换器电池侧正负极端口。

10、所述dab变换器包括第一全桥、隔离变压器及第二全桥，主控mcu通过相移调制对第一全桥与第二全桥的相位差进行调节以连续控制传输功率；当所述目标单体电池soc低于均衡目标时，dab变换器工作于充电模式将直流母线能量传输至目标单体电池；当所述目标单体电池soc高于均衡目标时，dab变换器工作于放电模式以将目标单体电池能量回灌至直流母线。

11、第二方面，本发明提供一种基于dab变换器的开关矩阵式电池主动均衡方法，包括如下步骤：

12、s1：采集各单体电池电压、温度与电流，通过主控mcu计算或获取各单体电池的soc，并计算电池组平均soc及各单体电池的soc偏差；

13、s2：计算电池组中最大单体电池的soc与最小单体电池的soc之差

δsoc，当

δsoc大于启动阈值时进入均衡，当δsoc小于停止阈值时退出均衡；

14、s3：对电池组中所有单体电池的soc进行排序，选择soc最大的单体电池作为放电均衡目标单体，选择soc最小的单体电池作为充电均衡目标单体；

15、s4：依据所述放电均衡目标单体与充电均衡目标单体相对平均soc的偏差幅值分别计算放电均衡电流与充电均衡电流，并将所述均衡电流限幅为不超过装置允许的最大均衡电流；

16、s5：依据目标单体电池需要转移的电量以及所述放电均衡电流与充电均衡电流，计算放电均衡时间与充电均衡时间；

17、s6：通过开关矩阵选通所述放电均衡目标单体电池并控制dab工作于放电模式，持续时长为所述放电均衡时间；通过开关矩阵选通所述充电均衡目标单体电池并控制dab工作于充电模式，持续时长为所述充电均衡时间；在一个均衡周期内按顺序先执行放电均衡、再执行充电均衡；均衡周期结束后返回步骤s2继续判断直至满足停止条件。

18、所述s2中还包括：仅当各单体电池电压处于允许电压窗口且温度处于允许温度窗口时允许执行均衡，否则暂停均衡，所述允许电压窗口为：

19、

20、其中，为单体电池电压，为放电截止电压，为充电截止电压，为电压裕量。

21、所述步骤s5中的均衡电流给定满足与soc偏差幅值单调相关的函数关系，并包含偏差阈值，当时均衡电流为0或维持最小值，当时按比例系数

ki计算均衡电流并进行限幅。

22、所述步骤s6的均衡执行通过深度强化学习策略网络的输出执行，具体方法如下：

23、获取当前决策时刻电池组中各单体的soc偏差，作为执行马尔可夫决策过程的当前状态；

24、将所述当前状态输入深度强化学习策略网络，通过所述深度强化学习策略网络输出当前决策时刻的均衡控制动作，所述均衡控制动作至少包括：目标单体电池的选择、能量传输方向以及均衡电流给定或dab变化器相移量给定；

25、根据所述均衡控制动作控制dab变化器执行相应的能量传输操作，并在该操作完成后重新采集电池组中各单体的更新后soc偏差；

26、将所述更新后soc偏差作为所述马尔可夫决策过程的下一状态，并将所述下一状态重新输入至所述深度强化学习策略网络进行训练更新，输出下一时刻的均衡控制动作，从而实现迭代闭环；

27、其中，所述深度强化学习策略网络采用信赖域策略优化方法进行训练更新，训练时以替代优势函数为优化目标，并以新旧策略动作分布的平均kl散度不超过预设阈值δ作为约束，以限制策略更新幅度并提升训练稳定性。

28、所述信赖域策略优化方法采用二阶近似与共轭梯度法求解自然梯度方向，并采用回溯线搜索调节步长直至满足kl散度约束。

29、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

30、本发明提供一种基于dab变换器的开关矩阵式电池主动均衡系统及方法，采用dab变换器作为能量转换核心，实现了单体电池与直流母线之间的隔离型双向能量传输。dab变换器具备高效率、高功率密度和宽范围软开关特性，有效降低了均衡过程中的能量损耗；同时电气隔离设计确保了系统安全，避免了因电池侧故障影响高压母线。通过开关矩阵驱动模块控制电芯单体选择开关组和变换器极性选择开关组，能够在任意时刻选通均衡模组内的任一单体电池，并自动完成极性匹配。

31、进一步的，电芯单体选择开关采用双mosfet背靠背结构，由同一驱动信号同步驱动，彻底抑制了寄生二极管误导通风险，并从根本上防止了电池组短路事故，极大提升了系统可靠性。

32、进一步的，均衡装置以均衡模组为基本单元，每个模组可独立管理m个串联单体电池，通过增加模组数量即可适配不同串数的电池组，具有良好的通用性和可扩展性，适用于电动汽车、储能电站等多种应用场景。

33、进一步的，主控mcu基于soc偏差、电压、温度等多维信息，结合安全约束判断，实现精准的均衡触发、目标选择和电流给定。特别是采用“先放电、后充电”的均衡周期顺序，使直流母线在一个周期内发出的能量与吸收的能量趋于平衡，显著降低了母线电压波动，减少了开关切换次数，延长了器件寿命。

34、进一步的，引入基于信赖域策略优化算法的深度强化学习框架，将均衡决策建模为马尔可夫决策过程，通过策略网络自动输出最优动作（目标单体、能量流向、电流大小）。信赖域策略优化方法算法通过kl散度约束和二阶近似优化，保证了训练稳定性和收敛性，使系统能够适应复杂多变的工况，实现端到端的智能均衡控制，均衡速度和精度优于传统规则方法。

35、进一步的，系统设置了母线电压检测与保护逻辑、允许电压窗口和温度窗口约束，当任意参数越限时自动降低均衡电流或暂停均衡，全方位保障电池组和电路的安全运行。