一种多层级SOC协同的多串电池组主动均衡控制方法及系统与流程

本发明涉及电池均衡，尤其是涉及一种多层级soc协同的多串电池组主动均衡控制方法及系统。

背景技术：

1、在电动汽车、储能系统等应用场景中，锂离子电池通常以多串串联的方式构成电池组，以满足高电压和大容量的需求。然而，由于电池单体在制造工艺、材料一致性、使用环境温度及自放电率等方面存在固有差异，电池组在充放电循环过程中，各单体之间的荷电状态（state of charge, soc）会逐渐产生偏差。这种不一致性会引发“木桶效应”，导致电池组可用容量受限于soc最低的单体，造成容量损失；同时，soc偏高的单体在充电末期易发生过充，soc偏低的单体在放电末期易发生过放，严重影响电池安全性与使用寿命；此外，不一致性还会加速电池组整体的老化退化，增加热失控等安全事故的发生概率。因此，电池均衡技术是电池管理系统（battery management system, bms）的关键组成部分。

2、根据能量转移方式的不同，现有电池均衡技术主要分为被动均衡和主动均衡两大类。被动均衡通过电阻耗散高soc单体的多余能量，电路简单、成本低，但能量利用率低，均衡电流通常仅为50–200ma，适用于充电末期的小幅均衡，且耗散热能显著增加热管理负担。主动均衡则通过能量转换电路将能量从高soc单体转移至低soc单体或从电池组整体进行再分配，具有能量利用率高、均衡电流可达数百毫安至数安培的优势，能够在充放电全过程中实现均衡。常见的主动均衡拓扑包括开关电容法、飞跨电容法、变压器法（如反激变换器、正激变换器、llc谐振变换器等）以及升降压变换器法（buck-boost）等。

3、近年来，国内外已有大量关于bms均衡技术的专利公开。例如，cn201820668340.5提出了一种基于开关电容阵列的主动均衡方案，能够实现相邻单体间的能量转移，但均衡速度受电容充放电时间常数限制，且仅支持相邻单体间的能量传递，在多串串联场景下均衡效率较低。cn111478410b公开了一种采用多绕组变压器的双向主动均衡电路，支持电池单体与电池组之间的能量双向传递，均衡电流较大，但变压器体积和成本较高，且控制策略未充分考虑多串场景下的全局最优均衡问题。部分专利（如阳光电源相关主动均衡电路）采用双向dc/dc模块实现电池包间均衡，适用于模组级均衡，但对单体级的多串（如16串、32串及以上）均衡场景适应性不足。此外，cn117669781a尝试将模型预测控制（modelpredictive control, mpc）引入均衡策略，但计算复杂度较高，未能有效解决多串场景下荷电状态估算精度与均衡实时性之间的矛盾。

4、综上所述，当前bms主动均衡技术仍存在以下不足：

5、1.均衡策略较为单一，多数方案以电压差作为均衡判据，未能充分利用soc信息进行精准决策，在电池平台期（soc约为30%–70%）电压变化平缓，导致均衡精度显著下降；

6、2.缺乏面向大规模多串串联电池组的全局协同均衡策略，现有方案多针对相邻两串或少量串联电池设计，协同能力不足；

7、3.均衡速度与能量效率之间存在矛盾，为追求快速均衡而增大均衡电流会导致能量损耗增加，缺乏对均衡电流的自适应优化控制；

8、4.动态工况适应性较差，在车辆行驶等电流快速变化的动态工况下，电池电压和soc波动剧烈，现有均衡策略难以实时跟踪并做出准确判断；

9、5.均衡拓扑与控制策略多被分开设计，未实现硬件拓扑与控制算法的协同优化，限制了系统整体性能的提升。

10、因此，如何实现基于soc的高精度主动均衡、设计适用于大规模多串场景的分层协同均衡策略、在保证均衡速度的同时降低能量损耗、适应动态工况并实现拓扑与算法的协同优化，是本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明在于提出一种多层级soc协同的多串电池组主动均衡控制方法，能够。

2、根据本发明的多层级soc协同的多串电池组主动均衡控制方法，包括以下步骤：

3、s1、实时采集电池组中各单体的端电压、温度和充放电电流；

4、s2、荷电状态估算与态势评估：利用改进的双扩展卡尔曼滤波算法估算各单体荷电状态，并计算全局荷电状态标准差和全局荷电状态极差；

5、s3、分层触发：根据全局荷电状态标准差和全局荷电状态极差，通过多阈值分层触发机制确定当前均衡等级，所述均衡等级至少包括组内均衡等级和全拓扑协同均衡等级；

6、s4、均衡执行：根据确定的均衡等级，通过组内反激变换器拓扑和/或组间多绕组变压器拓扑执行能量转移；

7、s5、动态预补偿：在动态工况下，预测荷电状态变化趋势并提前启动均衡动作。

8、在本发明的一些实施例中，还包括分组步骤：将串电池单体均匀分为个均衡组，每组包含串电池；分组遵循以下原则中的至少一种：物理相邻原则、一致性初筛原则、热耦合原则。

9、在本发明的一些实施例中，所述步骤s2中改进的双扩展卡尔曼滤波算法包括：

10、同时运行两个扩展卡尔曼滤波器，第一个用于在线辨识电池模型参数，第二个用于荷电状态估计；

11、电池模型采用二阶rc等效电路模型：

12、，

13、，

14、，

15、其中，和分别为两个rc并联环节的极化电压；为电池欧姆内阻；和分别为第一rc并联环节的极化内阻和极化电容；和分别为第二rc并联环节的极化内阻和极化电容；为电池充放电电流，规定放电方向为正；为荷电状态soc对应的开路电压；为电池端电压；

16、所述改进包括以下至少一种：

17、根据单体温度t对开路电压、欧姆内阻以及两个rc并联环节的阻容参数进行温度补偿修正；

18、根据端电压残差、电流变化率和残差协方差在线调整过程噪声协方差矩阵q和观测噪声协方差矩阵r；

19、在预设短时窗口内采用安时积分法计算soc增量，并将所述soc增量与扩展卡尔曼滤波输出进行加权融合校正。

20、在本发明的一些实施例中，所述步骤s2中还计算组级荷电状态表征量：

21、对于每个均衡组，定义：

22、

23、，

24、；

25、其中，为第组的荷电状态平均值，；为组内荷电状态标准差；为全局荷电状态均值。

26、在本发明的一些实施例中，所述步骤s3中多阈值分层触发机制可包括：

27、一级均衡，即监控级均衡：当全局荷电状态标准差小于1%时，仅记录电池状态，不启动均衡动作；

28、二级均衡，即组内微调均衡：当全局荷电状态标准差大于或等于1%且小于3%，同时组内荷电状态标准差大于或等于1.5%时，启动组内均衡；

29、三级均衡，即组内强均衡：当全局荷电状态标准差大于或等于3%且小于5%，或者全局荷电状态极差大于或等于4%时，启动组内均衡并辅以组间辅助均衡；

30、四级均衡，即全局紧急均衡：当全局荷电状态标准差大于或等于5%，或者全局荷电状态极差大于或等于8%时，启动全拓扑协同均衡；

31、触发判断周期为100 ms；当多个等级的触发条件同时满足时，优先执行较高等级的均衡；启动阈值和退出阈值之间设置0.5%的滞回区间。

32、在本发明的一些实施例中，所述步骤s4中组内反激变换器拓扑执行能量转移时，均衡电流满足：

33、，

34、其中，为原边导通占空比，为励磁电感，为开关频率；

35、所述组间多绕组变压器拓扑工作于以下两种模式：

36、模式一：组间直接转移，将能量从高荷电状态组转移至低荷电状态组；

37、模式二：组内再分配，在各组间荷电状态差异低于阈值时辅助组内均衡。

38、在本发明的一些实施例中，所述步骤s4中采用以下路径规划策略：

39、组内路径规划：采用最大差异优先策略，将组内各单体按荷电状态偏差分为供体和受体，采用贪心匹配算法形成均衡能量转移路径；

40、组间路径规划：以最小化全局荷电状态方差为目标函数，建立约束优化问题，采用分层求解策略：先在组级层面采用二次规划确定各组之间的能量转移方向和大小，再在组内层面将分配到的能量进一步分配到具体单体。

41、在本发明的一些实施例中，还包括均衡电流自适应控制步骤：

42、根据荷电状态差异幅度、电池荷电状态区间和温度t，自适应调整均衡电流的大小，最终均衡电流满足：

43、，

44、其中，为电流基准值，，为均衡速率系数，单位为h1，取值范围为0.2 h1至0.5 h1；为荷电状态差异幅度；

45、为荷电状态区间修正系数：当时，；当或时，；

46、为温度修正系数，当时，；当时，；当时，；当t<5℃或t>55℃时，βt=0，暂停均衡。

47、为均衡电路允许的最大电流。

48、在本发明的一些实施例中，所述步骤s5中预测荷电状态变化趋势并提前启动均衡动作包括：

49、状态跟踪：利用双扩展卡尔曼滤波算法实时跟踪并持续更新各单体荷电状态估算值，通过自适应调整过程噪声协方差矩阵和观测噪声协方差矩阵；

50、趋势预测：基于历史荷电状态变化趋势，采用线性外推法预测未来时间窗口内的荷电状态变化：

51、

，

52、其中，为时刻第个单体的荷电状态，为第个单体在时刻的荷电状态变化率；预测窗口根据工况动态性调整：稳态工况下，动态工况下。

53、预补偿控制：若预测到某单体荷电状态将在后超过均衡触发阈值，则提前启动该单体的均衡动作；预补偿强度系数与预测置信度成正比：

54、，

55、其中，为线性外推的决定系数。

56、本发明还提供了一种多层级soc协同的多串电池组主动均衡控制系统，用于执行上述方法，包括：

57、感知层，包括电压采集电路、温度采集电路和电流传感器，用于实时采集各电池单体的端电压、温度和充放电电流；其中，电压采集精度达到±1mv，采样频率不低于100hz；

58、决策层，包括主控mcu及运行于其上的多层级soc协同均衡算法模块，所述算法模块包括soc精确估算模块、均衡需求评估模块、均衡路径规划模块和均衡电流优化模块；所述主控mcu通过can总线或隔离spi与感知层通信；

59、执行层，包括分组到全局的双级均衡拓扑，所述双级均衡拓扑包括组内均衡单元和组间均衡单元；所述组内均衡单元采用反激变换器拓扑，用于实现组内单体间的能量转移；所述组间均衡单元采用多绕组变压器拓扑，用于实现均衡组间的能量再分配；所有均衡开关由主控mcu通过pwm信号独立控制。

60、与现有技术相比，本发明实施例提供的多层级soc协同的多串电池组主动均衡控制方法及系统，具有以下有益效果：

61、第一，本发明采用基于荷电状态（soc）的均衡判据替代传统电压判据，从根本上克服了电池平台期（soc 30%-70%）电压变化平缓导致均衡判据失准的问题。结合改进的双扩展卡尔曼滤波（dekf）算法，实现了±1%以内的soc估算精度。

62、第二，本发明采用分组至全局的双级均衡拓扑配合多阈值分层触发机制，可根据不一致性严重程度自适应选择均衡模式：轻度不均衡时启动组内微调均衡，严重不均衡时启动全拓扑协同均衡。均衡速度相比传统方案提升30%-50%。

63、第三，本发明采用主动均衡拓扑，其中组内反激变换器和组间多绕组变压器的能量转换效率可达85%-92%。相比被动均衡方案通过电阻耗散多余能量的方式，能量利用率提升60%以上，显著降低了均衡过程中的能量损耗。同时，自适应均衡电流控制机制根据soc差异幅度、soc区间和温度动态调节均衡电流，避免了盲目增大电流导致的无效能耗。

64、第四，本发明提出的分组策略和分层优化算法，将大规模多串均衡问题分解为组内均衡和组间均衡两个层级。组内路径规划采用贪心算法，组间路径规划采用二次规划，避免直接构建全局单体两两配对路径，降低了优化问题的求解规模。该设计使系统能够高效处理16串、32串以及更多串联电池的均衡场景。

65、第五，本发明提出的“跟踪-预测-预补偿”三阶段动态均衡策略，使均衡系统能够适应车辆行驶等动态工况。dekf算法通过自适应噪声调整在动态电流下保持高精度soc跟踪，线性外推预测模块根据soc变化趋势提前预测并启动预补偿控制，大电流工况下暂时冻结均衡动作。该策略相比传统电压判据方案，有效避免了动态条件下的均衡滞后和误触发问题。

66、第六，本发明的分组架构使系统具有良好的可扩展性，当需要增加电池串数时，只需增加均衡组数量（即增加反激变换器和多绕组变压器绕组），无需重新设计整个均衡系统。这种模块化设计降低了系统升级和维护成本，适用于不同串数的电池组应用场景。