面向热安全的锂离子电池组分层主动均衡控制方法及系统

本发明涉及锂离子电池管理系统、电池主动均衡控制以及电池热安全管理，具体涉及一种面向热安全的锂离子电池组分层主动均衡控制方法及系统。

背景技术：

1、锂离子电池因具有能量密度高、循环寿命长和自放电率低等优点，已广泛应用于电动汽车、储能系统、便携式电源及无人装备等领域。在实际应用中，单体电池通常需要通过串联、并联或串并联方式组成电池组，以满足高电压、大容量和高功率输出需求。然而，由于制造差异、容量衰减、内阻变化、连接电阻差异、散热条件不均匀、环境温度变化以及老化速率差异等因素，电池组内部不可避免地存在荷电状态、电压和温度不一致问题。荷电状态不一致会降低电池组可用容量，使整组充放电能力受限于最先达到充电截止或放电截止条件的单体；温度不一致则会进一步影响单体内阻、反应速率和老化速率，使电池组内部不一致性持续扩大。

2、现有电池均衡技术主要包括被动均衡和主动均衡。被动均衡通常通过旁路电阻消耗高荷电状态单体的多余能量，结构简单，但存在能量浪费和局部发热问题；主动均衡则通过电容、电感、变压器或直流变换器在单体之间或模块之间转移能量，相比被动均衡具有更高的能量利用率。对于包含较多串联单体的电池组，单层主动均衡结构容易存在能量传输路径长、开关数量多、均衡效率降低以及控制复杂度增加等问题，因此分层主动均衡结构逐渐受到关注。分层主动均衡通常包括组内均衡和组间均衡两部分，其中组内均衡用于实现同一电池子组内部单体之间的局部能量调节，组间均衡用于实现不同电池子组之间的能量协调。

3、现有主动均衡控制方法大多以荷电状态快速一致、电压一致或均衡效率提升为主要目标，对均衡过程中产生的温度分布差异、局部热集中以及组间传能路径热风险考虑不足。尤其在组间主动均衡过程中，若某一温度较高的电池子组持续作为源组或目标组参与较大电流传能，则可能导致该子组继续承担较大热负担，使温度不一致进一步加剧。此外，模型预测控制虽然能够在约束条件下滚动优化均衡输入，但在实际均衡系统中，优化器输出的理想均衡输入还需要经过脉宽调制映射、组间传能路径选择、电流限幅和执行层分配等环节，实际执行输入与优化层输入之间可能存在偏差。如果预测控制器仍以理想输入进行下一采样周期预测，则会降低模型预测过程与实际执行过程的一致性。

4、因此，有必要提出一种面向热安全的锂离子电池组分层主动均衡控制方法及系统，在实现荷电状态收敛的基础上，综合考虑单体温度状态、组间传能路径热风险和实际执行偏差，以抑制局部热集中、降低温差累积并改善电池组温度一致性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种面向热安全的锂离子电池组分层主动均衡控制方法及系统，用于解决现有主动均衡方法主要关注荷电状态快速一致、对温度不一致和组间传能路径热风险考虑不足，以及优化输入与实际执行输入之间存在偏差的问题。

2、为了实现上述目的，第一方面，本发明提供一种面向热安全的锂离子电池组分层主动均衡控制方法，包括：

3、s1、基于各单体荷电状态（soc）与温度构造当前采样周期的零均值电-热状态向量；

4、s2、引入组级soc与温度等效扰动，构成扰动向量；将扰动向量与零均值电-热状态向量组合为增广状态，构建增广预测模型；

5、s3、确定动态温度权重，基于增广预测模型、增广状态和动态温度权重求解分层模型预测控制优化问题，确定组内均衡请求和组间均衡请求；基于组间均衡请求确定当前组间传能路径、当前源组和当前目标组，并将当前组间传能路径对应的候选路径热风险确定为当前路径热风险；

6、s4、引入模糊热安全监督器，得到组间电流缩放系数并对当前组间传能路径对应的原始组间请求电流进行降额，生成组内执行指令和组间执行指令；

7、s5、对组内执行指令和组间执行指令进行约束处理，并在组内执行指令和组间执行指令实际执行后，结合增广预测模型，得到下一个采样周期的零均值电-热状态向量；

8、s6、重复s1至s5实现主动均衡控制。

9、根据本发明提供的一种面向热安全的锂离子电池组分层主动均衡控制方法，所述s1具体包括：

10、在第k个采样周期获取锂离子电池组中各单体soc与温度，根据各单体soc与温度确定电池组平均soc、电池组平均温度、各电池子组平均soc、各电池子组平均温度、soc极差和全局温差，并构造零均值电-热状态向量；

11、电池组平均soc和电池组平均温度分别表示为：

12、

13、各电池子组平均soc和各电池子组平均温度分别表示为：

14、

15、soc极差和全局温差分别表示为：

16、

17、零均值电-热状态向量表示为：

18、

19、其中，表示第个采样周期的零均值电-热状态向量；为采样周期索引；为单体索引；和分别为第个采样周期第节单体的soc和温度；和分别为由节单体的soc和温度组成的列向量；为单体总数；为电池子组索引；为第个电池子组的单体索引集合，为单体索引集合中的单体数量；为维全1列向量。

20、根据本发明提供的一种面向热安全的锂离子电池组分层主动均衡控制方法，所述s2具体包括：

21、在第k个采样周期为初始采样周期的情况下，将各电池子组的组级soc等效扰动和组级温度等效扰动初始化为零；在第k个采样周期为非初始采样周期的情况下，获取上一个采样周期根据实际执行的组内执行指令和实际执行的组间执行指令重构等效执行输入后生成的执行感知预测状态，根据零均值电-热状态向量与执行感知预测状态之间的状态预测误差，更新各电池子组的组级soc等效扰动和组级温度等效扰动；根据第k个采样周期获取的电池组平均soc、电池组平均温度和soc极差，自适应修正soc输入增益和等效热响应增益，并根据修正后的soc输入增益和等效热响应增益更新电-热耦合输入矩阵；将零均值电-热状态向量与当前采样周期确定的组级soc等效扰动和组级温度等效扰动组合为增广状态，根据增广状态和更新后的电-热耦合输入矩阵构建增广预测模型；

22、其中，在非初始采样周期，上一个采样周期的执行感知预测状态表示为：

23、

24、

25、零均值电-热状态向量与执行感知预测状态之间的状态预测误差表示为：

26、

27、第个电池子组的soc预测误差和温度预测误差分别表示为：

28、

29、组级soc等效扰动和组级温度等效扰动分别按照下式递推更新：

30、

31、

32、由各电池子组的组级soc等效扰动和组级温度等效扰动组成扰动向量：

33、

34、其中，m为电池子组数量；为物理状态提取矩阵；为维度为的执行感知增广预测状态；为从执行感知增广预测状态中提取的、维度为的零均值电-热状态向量，并作为执行感知预测状态；为状态预测误差向量；和分别为第节单体对应的soc预测误差分量和温度预测误差分量；和分别为第个电池子组的soc预测误差和温度预测误差；和分别为第个电池子组的组级soc等效扰动和组级温度等效扰动；和分别为组级soc扰动估计与组级温度扰动估计的指数平滑系数，二者均大于0且小于1。

35、根据本发明提供的一种面向热安全的锂离子电池组分层主动均衡控制方法，所述soc输入增益表示为：

36、

37、所述等效热响应增益表示为：

38、

39、其中，和分别为第个采样周期的soc输入增益和等效热响应增益；为根据当前电池组平均soc和平均温度确定的均衡效率修正系数；和分别为标称soc输入增益和标称等效热响应增益；为参考温度；为平均温度对等效热响应增益的修正系数，为soc极差对等效热响应增益的修正系数；

40、所述增广状态表示为：

41、

42、所述增广预测模型表示为：

43、

44、其中，为增广状态转移矩阵；为包含电-热耦合输入矩阵的增广输入矩阵；为正负分解后的非负控制输入。

45、根据本发明提供的一种面向热安全的锂离子电池组分层主动均衡控制方法，所述s3具体包括：

46、根据所述soc极差确定动态温度权重；基于所述增广预测模型、所述增广状态和所述动态温度权重求解分层模型预测控制优化问题，得到最优控制输入序列，从所述最优控制输入序列中提取当前采样周期的首个控制输入，并根据所述首个控制输入确定组内主动均衡电路中各组内均衡支路对应的组内均衡请求以及组间主动均衡电路对应的组间均衡请求，其中，各组内均衡支路对应的组内均衡请求在所述分层模型预测控制优化问题的求解过程中，根据soc偏差、温度偏差和由所述增广预测模型得到的温度状态预测结果共同确定；

47、根据所述组间均衡请求所表征的能量输出方向和能量接收方向确定候选源组、候选目标组和候选组间传能路径，根据所述候选源组平均温度、所述候选目标组平均温度、所述电池组平均温度和所述全局温差确定各候选组间传能路径的候选路径热风险，根据各候选组间传能路径对应的组间均衡请求和所述候选路径热风险确定候选路径评分；根据各候选组间传能路径的候选路径评分，从可行候选组间传能路径中确定当前组间传能路径、当前源组和当前目标组，并将所述当前组间传能路径对应的候选路径热风险确定为当前路径热风险；

48、其中，所述动态温度权重表示为：

49、

50、所述分层模型预测控制优化问题的目标函数由预测时域内的阶段代价和终端代价组成：

51、

52、其中，所述增广预测模型在第个预测步预测得到的零均值电-热状态向量用于计算阶段代价，所述阶段代价表示为：

53、

54、所述终端代价表示为：

55、

56、所述控制输入满足：

57、

58、

59、

60、通过求解所述分层模型预测控制优化问题得到所述最优控制输入序列：

61、

62、其中，为基础温度权重；为预测时域；为预测步索引；为在第个采样周期预测得到的第个采样周期的零均值电-热状态向量；为第个预测步的阶段代价；为终端代价；为包括soc偏差权重、动态温度偏差权重和组间平均soc差异权重的状态权重矩阵；为控制输入权重矩阵；为终端权重矩阵；和分别为控制输入下限和控制输入上限；为组内支路耦合不等式约束的系数矩阵，为对应的不等式约束上界向量；为组间能量协调等式约束的系数矩阵，为对应的等式约束目标向量；为由预测时域内各预测步的正负分解控制输入依次组成的候选控制输入序列；为第个采样周期求解得到的最优控制输入序列；各组内等效均衡输入通过所述电-热耦合输入矩阵同时作用于soc子系统和温度子系统，使各组内均衡支路对应的控制输入在同一次优化中根据soc偏差、温度偏差和由所述增广预测模型得到的温度状态预测结果共同确定；从中提取并仅执行当前采样周期的首个控制输入，将所述首个控制输入中的各组内等效均衡输入直接确定为对应组内均衡支路的组内均衡请求，将所述首个控制输入中的组间等效均衡输入确定为所述组间均衡请求。

63、根据本发明提供的一种面向热安全的锂离子电池组分层主动均衡控制方法，第个电池子组为候选源组且第个电池子组为候选目标组时，候选组间传能路径的候选路径热风险表示为：

64、

65、所述候选路径评分表示为：

66、

67、根据各候选组间传能路径的候选路径评分，从可行候选组间传能路径中确定当前组间传能路径，并优先选择候选路径评分较高的组间传能路径；将所述当前组间传能路径对应的候选路径热风险确定为当前路径热风险；其中，和分别为候选源组索引和候选目标组索引；和分别为候选源组平均温度和候选目标组平均温度；为电池组平均温度；为全局温差；为用于防止分母过小的正数；为从第个电池子组向第个电池子组传能的候选路径热风险；为对应候选组间传能路径的非负组间均衡请求幅值；为预设的非负温度惩罚系数；为候选路径评分；所述当前组间传能路径对应的候选源组和候选目标组分别为当前源组和当前目标组；所述当前路径热风险记为。

68、根据本发明提供的一种面向热安全的锂离子电池组分层主动均衡控制方法，所述s4具体包括：

69、根据所述当前组间传能路径是否经过平均温度最高的电池子组确定最热组标志量，并根据各电池子组平均soc确定用于表征不同电池子组之间平均soc不一致程度的组间soc差异指标；将所述全局温差、所述当前路径热风险、所述最热组标志量和所述组间soc差异指标输入模糊热安全监督器，得到组间电流缩放系数，并根据所述组间电流缩放系数和组间电流上限对所述当前组间传能路径对应的原始组间请求电流进行降额，得到降额后的组间执行请求电流；根据各组内均衡支路对应的组内均衡请求生成组内执行指令，并根据所述当前组间传能路径、所述当前源组、所述当前目标组和所述降额后的组间执行请求电流生成组间执行指令；

70、所述最热组标志量在所述当前组间传能路径经过平均温度最高的电池子组时取1，否则取0；所述组间soc差异指标表示为：

71、

72、所述模糊热安全监督器输出的组间电流缩放系数表示为：

73、

74、所述降额后的组间执行请求电流表示为：

75、

76、其中，为各电池子组平均soc的最大值与最小值之差；为所述当前组间传能路径所对应的候选路径热风险；为最热组标志量；为所述模糊热安全监督器所对应的模糊推理映射；为组间电流缩放系数，其取值大于0且不大于1；为当前组间传能路径对应的原始组间请求电流，所述原始组间请求电流根据该当前组间传能路径对应的非负组间均衡请求幅值确定；为组间电流上限；为降额后的组间执行请求电流；将各组内均衡支路对应的组内均衡请求分别映射为对应支路的组内执行指令，将所述降额后的组间执行请求电流映射为所述组间主动均衡电路的执行控制量，并根据所述当前组间传能路径、所述当前源组、所述当前目标组和所述执行控制量生成组间执行指令；在所述组间主动均衡电路为隔离型cuk均衡电路的情况下，所述执行控制量包括cuk主开关占空比。

77、根据本发明提供的一种面向热安全的锂离子电池组分层主动均衡控制方法，所述s5具体包括：

78、根据所述组内主动均衡电路和所述组间主动均衡电路的允许控制边界，对所述组内执行指令和所述组间执行指令进行约束处理，得到执行层约束处理结果；在所述组内执行指令和所述组间执行指令实际执行后，根据实际执行的组内执行指令、实际执行的组间执行指令以及所述执行层约束处理结果进行执行感知等效输入重构，得到等效执行输入；将所述等效执行输入代入所述增广预测模型，得到第k+1个采样周期的执行感知增广预测状态，并从所述执行感知增广预测状态中提取零均值电-热状态向量，作为第k+1个采样周期的执行感知预测状态；

79、其中，所述等效执行输入为：

80、

81、将所述等效执行输入代入所述增广预测模型，所述第个采样周期的执行感知增广预测状态表示为：

82、

83、其中，为由实际执行的组内执行指令、实际执行的组间执行指令以及执行层约束处理结果组成的执行信息；为将所述执行信息映射为等效执行输入的执行感知映射；为按照与相同的正负分解结构重构得到的等效执行输入，其维度与相同；为执行感知增广预测状态；通过所述物理状态提取矩阵从所述执行感知增广预测状态中提取零均值电-热状态向量，作为执行感知预测状态；在第个采样周期，根据实测零均值电-热状态向量与所述执行感知预测状态之间的状态预测误差，更新各电池子组的组级soc等效扰动和组级温度等效扰动；根据第个采样周期重新采集的各单体soc和温度所确定的电池组平均soc、电池组平均温度和soc极差，重新计算soc输入增益和等效热响应增益。

84、第二方面，本发明提供一种面向热安全的锂离子电池组分层主动均衡控制系统，包括电池组、组内主动均衡电路、组间主动均衡电路、状态采集模块及控制器；所述电池组包括多个电池子组，每个电池子组包括多个串联的单体；所述组内主动均衡电路设置于各所述电池子组内部并包括多个组内均衡支路；所述组间主动均衡电路连接于不同所述电池子组之间，并能够在不同所述电池子组之间形成多个可选组间传能路径；

85、所述状态采集模块用于在每个采样周期采集电池组中各单体荷电状态（soc）与温度；所述状态采集模块、所述组内主动均衡电路和所述组间主动均衡电路均与所述控制器连接；所述控制器用于实现第一方面的方法。

86、根据本发明提供的一种面向热安全的锂离子电池组分层主动均衡控制系统，所述组内主动均衡电路为设置于各所述电池子组内部的组内改进型buck-boost均衡电路，所述组间主动均衡电路为通过选通矩阵连接于不同所述电池子组之间的隔离型cuk均衡电路；所述组内执行指令包括与各组内改进型buck-boost均衡支路对应的脉冲宽度调制指令，所述组间执行指令包括用于控制所述选通矩阵和所述隔离型cuk均衡电路的当前源组标识、当前目标组标识及cuk主开关占空比。

87、与现有技术相比，本发明至少具备以下技术效果：

88、1、本发明采用组内改进型buck-boost均衡电路和组间选通矩阵式隔离型cuk均衡电路相结合的分层主动均衡结构，能够兼顾单体级局部均衡和组级能量协调。

89、2、本发明在均衡控制中引入电-热耦合预测模型，使控制器在预测soc收敛过程的同时考虑温度变化，有助于改善仅依据soc差异进行均衡控制时对温度影响考虑不足的问题。

90、3、本发明通过候选组间传能路径热风险评价和模糊热安全监督机制，对组间cuk均衡请求进行热安全调节，能够降低高温子组或高热风险路径继续承担较强组间传能动作的概率，从而抑制局部热集中。

91、4、本发明通过cuk电流缩放和降额机制，在组间soc差异调节与温度抑制之间形成动态折中，有助于降低温差累积并改善电池组温度一致性。

92、5、本发明通过执行感知输入重构，将实际下发的pwm指令和cuk执行指令转换为等效执行输入并反馈至下一个采样周期，有助于减小优化输入与实际执行输入之间的偏差，提高预测控制过程与实际均衡过程的一致性。