一种基于多代理技术的模块化电池均衡系统及控制方法

摘要

本发明公开了一种基于多代理技术的模块化电池均衡系统，包括电池模组、电池管理单元、第二级均衡变换器输出母线和电池模组间通信网络；所述电池管理单元包括的第二级均衡变换器用于对应电池模组与其他电池模组间的非耗散、双向均衡控制；控制器为电池模组间通信网络提供对应电池模组内的状态信息；电池管理单元不仅分担传统均衡系统的主机工作压力，同时电池总成模块化更易兼容不同体系电池的均衡系统；本发明也公开了一种基于多代理技术的均衡控制方法，通过所述第二级均衡变换器输出母线协同控制各电池管理单元之间的电能传输，提高了电池模组SoC均衡速度，且以完全分布式的方式实现全局均衡管理，进一步提高了控制策略的可靠性和适应性。

说明书

技术领域

本发明属于电动汽车动力电池技术领域，更具体地，涉及一种基于多代理技术的模块化电池均衡系统及控制方法。

背景技术

传统燃油汽车严重影响能源安全，其排放的尾气和产生的噪声可对城市环境造成严重污染，对生态环境构成了严重威胁。为了节约资源、保护环境，以及社会可持续发展战略的需要，新能源汽车成为了全世界关注焦点。其中纯电动汽车更是成为了世界上各大汽车公司的开发热点，而纯电动汽车在发展中仍有许多问题亟待解决。

从动力电池方面，电池组的不一致问题是一个必须解决的难点问题。电池组中电池单体电压不一致会导致整个电池组不能高效运行，容易出现电池单体的过充过放现象，在一定程度上缩短电池组的使用寿命。因此，电池均衡成为电池管理系统(BatteryManagement System,BMS)的重要功能之一。从拓扑结构来看，电池均衡控制方法包括集中式均衡控制和分布式均衡控制。集中式均衡控制需要复杂、双向、完全连接的通信网络，且中央控制器可能会受到单点故障的影响，并对整个系统的可靠性、可拓展性和灵活性产生不利影响；分布式均衡控制主要是采用分层结构来实现，能够对电池单体很好的进行监控，相对集中式均衡控制，分布式均衡控制更适用于长串电池组均衡系统。但目前分布式均衡控制仍为主从控制方式，各电池模组必须与电池控制单元(Battery Control System,BCU)进行对接并依赖于BCU进行均衡控制。目前BCU仍为集中式，各电池模组与BCU的线束连接多，从而导致系统中电池模组的扩展性较差、可靠性低；而BCU运算量较大且极易达到BCU运算量的上限导致目前的均衡策略只能达到全局渐进均衡状态等弊端，同时若需针对不同种类和型号电池，均衡电路和算法都需要调整，由此带来的匹配和实验工作量较大，系统的转移成本较高，不易扩展，未实现各电池模组完全的分散来适应各种系统故障或变化。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于多代理技术的模块化电池均衡系统及控制方法，旨在解决现有技术中电池的接入与均衡控制均依赖于集中电池控制单元，从而导致集中控制单元的运算量极易达到上限，使电池模组缺乏扩展性的问题。

为实现上述目的，一方面，本发明提供了一种基于多代理技术的模块化电池均衡系统，包括m个电池模组、m个电池管理单元、第二级均衡变换器输出母线和电池模组间通信网络；

所述各电池模组与各电池管理单元一一对应；

所述各电池管理单元的第一端与电池模组内的电池单体电气连接，第二端与对应电池模组电气连接，第三端与第二级均衡变换器输出母线电气连接，信号端与电池模组间通信网络连接；

所述各电池模组为均衡对象，用于为用电设备及各电池管理单元提供电能；

所述电池管理单元采用多代理技术用于对电池模组内电池单体以及各电池模组间的均衡控制，分散传统的BCU的均衡任务,以电池模组为单元进行扩展，克服传统均衡系统的冗余性低的问题；

所述第二级均衡变换器输出母线用于各电池模组之间的能量传输；

所述电池模组间通信网络用于各电池管理单元之间的通信。

优选地，所述各电池模组包括n个串联的电池单体；

所述各电池管理单元均包括控制器、第一级均衡变换器、第二级均衡变换器；

所述第一级均衡变换器的一端与对应电池模组内的各电池单体电气连接，另一端与对应电池模组电气连接；用于对应电池模组内电池单体与该电池模组间的非耗散、双向集中式均衡控制；

所述第二级均衡变换器输入端与对应的电池模组电气连接，输出端与第二级均衡变换器输出母线并联连接；用于对应电池模组与其他电池模组间的非耗散、双向均衡控制；

所述控制器与各电池模组一一对应，输出端与电池模组间通信网络连接，用于为电池模组间通信网络提供对应电池模组内的状态信息。

优选地，所述各控制器可检测的对应电池模组内的状态信息包括电池单体电压、模组电压、模组内均衡电流、模组间均衡电流、温度、SoC。

所述电池模组间通信网络为稀疏通信网络。

本发明的另一目的在于提供了一种基于多代理技术的模块化电池均衡控制方法，包括：

(1)对电池模组i的均衡电流与输出电压进行采样，并做为电池模型的输入，计算电池模组i的SoC_i；

(2)以电池模组i与相连通信网络中的其他电池模组j之间的权重因子、电池模组i对应的SoC_i及相连通信网络中的其他电池模组j对应的SoC_j为输入，采用协同一致性控制方法更新电池模组i对应的二次控制参考电压修正量；

(3)根据电池模组i对应的二次控制参考电压修正量、电池模组i的输出电压、下垂控制参考电压以及下垂系数，计算电池模组i的均衡电流指令值；

(4)根据电池模组i的均衡电流指令值，对低通滤波处理后的电池模组i的均衡电流进行PI控制；

(5)重复步骤(1)～(4)，直至各电池模组对应的SoC与均衡电流一致，并第二级均衡变换器输出母线电压恢复为额定水平。

优选地，所述均衡电流指令值与均衡电流均有上、下限幅，分别对应电池模组最大充、放电均衡电流；

优选地，所述电池模组i的二次控制参考电压修正量、电池模组i的输出电压、下垂控制参考电压以及电池模组i的均衡电流指令值之间的关系为：

U_bat,i＝U_ref,i-d_iI_ref,i+ΔU_i

其中，U_bat,i为电池模组i的输出电压、I_ref,i为控制器i的均衡电流指令值、U_ref,i为控制器i的下垂控制参考电压、d_i为控制器i的下垂系数、ΔU_i为控制器i的二次控制参考电压修正量。

优选地，所述电池模组i对应的二次控制参考电压修正量包括电流矫正项和电压调节项；

所述电流矫正项用于在满足模组间通信网络的拓扑结构的稳定性判据时，实现各电池模组对应SoC均为SoC_avg，且均衡电流均为I_avg；

所述电压调节项用于调节第二级均衡变换器输出母线的电压偏差。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下

有益效果：

(1)本发明将电池总成分为多个电池模组，各电池模组与控制器一一对应，并采用两级均衡结构：通过第一级均衡变换器对电池模组中的电池单体进行电池单体SoC均衡控制、第二级均衡变换器对电池模组间进行电池模组SoC均衡控制；与传统集中式电池均衡系统相比，本发明提出的均衡系统不存在集中控制器，分担了主机的工作压力，同时能够完全将电池模组进行封装、标准化，使得电池总成更易拓展、更好兼容不同体系电池模组。

(2)本发明中各控制器监测其对应的模组均衡电流，采集控制所需要的模组输出电压、均衡电流信息，基于电池模型，在线估计SoC作为多代理系统状态变量，通过通信耦合，各控制器与其他控制器进行SoC信息交互；电池管理单元(BMU)采用多代理系统协同一致性控制方法，为本地控制器的电压下垂外环提供二次控制指令，电压下垂外环为电流内环提供均衡电流指令；相较于传统主从均衡控制方法，本发明提出的均衡控制方法提高了电池模组SoC均衡收敛速度，以完全分布式的方式实现全局协同控制，进一步提高了控制策略的可靠性和适应性。

附图说明

图1是本发明提供的基于多代理技术的模块化电池均衡系统架构；

图2是本发明提供的基于多代理技术的模块化电池均衡系统的均衡控制方法；

图3是本发明提供的一种具体的多代理协同一致性控制框图；

图4(a)是本发明提供的传统主从式均衡控制系统；

图4(b)是本发明提供的基于多代理系统的模块化均衡控制系统示意图；

图5是本发明提供的一种电池模组通信网络变化情况；

图6(a)是本发明提供的变换器输出母线接负载时电池模组的SoC；

图6(b)是本发明提供的变换器输出母线接负载时电池模组的均衡电流。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明提供了一种基于多代理技术的模块化电池均衡系统，包括电池总成1、m个电池管理单元2(BMU；Battery Management Unit)、第二级均衡变换器输出母线3和电池模组间通信网络4；

所述电池总成1包含m个电池模组；

所述各电池模组与各电池管理单元2一一对应；

所述各电池管理单元的第一端与电池模组内的电池单体电气连接，第二端与对应电池模组电气连接，第三端与第二级均衡变换器输出母线电气连接，信号端与电池模组间通信网络连接；

所述各电池模组为均衡对象，用于为用电设备及各电池管理单元提供电能；

所述电池管理单元采用多代理技术(MAC：Multi-agent system)用于对电池模组内电池单体以及各电池模组间的均衡控制，分散传统的BCU的均衡任务,以电池模组为单元进行扩展，克服传统均衡系统的冗余性低的问题；

所述第二级均衡变换器输出母线用于各电池模组之间的能量传输；

所述电池模组间通信网络用于各电池管理单元之间的通信。

优选地，所述各电池模组包括n个串联的电池单体；

所述各电池管理单元2均包括控制器23、第一级均衡变换器21、第二级均衡变换器22；

所述第一级均衡变换器21的一端与对应电池模组11内的各电池单体电气连接，另一端与对应电池模组11电气连接；用于对应电池模组11内电池单体与该电池模组间的非耗散、双向集中式均衡控制；

所述第二级均衡变换器22输入端与对应的电池模组11电气连接，输出端与第二级均衡变换器输出母线3并联连接；用于对应电池模组11与其他电池模组间的非耗散、双向均衡控制；

所述控制器23与各电池模组一一对应，输出端与电池模组间通信网络4连接，用于为电池模组间通信网络4提供对应电池模组11内的状态信息。

优选地，所述各控制器可检测的对应电池模组11内的状态信息包括电池单体电压、模组电压、模组内均衡电流、模组内均衡电流、温度、SoC。

优选地，所述电池模组间通信网络4可为稀疏通信网络，控制器23通过电池模组间通信网络4与其他有通信连接的控制器共享信息，并根据多代理协同一致性控制策略，控制第二级均衡变换器22工作方式。同时，通信网络发生故障或变化时，在满足多代理协同一致性控制方法收敛原则下，即可使电池总成1达到均衡。

优选地，为了提高均衡系统的稳定性，第二级均衡变换器输出母线3可以与负载或者电压源电气连接。

如图2和图3所示，本发明的另一目的在于提供了一种基于多代理技术的模块化电池均衡控制方法，包括：

(1)对电池模组i的均衡电流与输出电压进行采样，以电池模组i的均衡电流与输出电压为电池模型的输入，计算电池模组i的SoC_i，其中SoC_i代表电池模组i对应的荷电状态；

(2)以电池模组i与相连通信网络中的其他电池模组j之间的权重因子、电池模组i对应的SoC_i及相连通信网络中的其他电池模组j对应的SoC_j为输入，采用协同一致性控制方法更新电池模组i对应的二次控制参考电压修正量；

(3)根据电池模组i对应的二次控制参考电压修正量、电池模组i的输出电压、下垂控制参考电压以及下垂系数，计算电池模组i的均衡电流指令值；

(4)根据电池模组i的均衡电流指令值，对低通滤波处理后的电池模组i的均衡电流进行PI控制；

(5)重复步骤(1)～(4)，直至各电池模组对应的SoC(State of Charge，荷电状态)与均衡电流一致，并第二级均衡变换器输出母线电压恢复为额定水平。

优选地，所述电池模组i的二次控制参考电压修正量、电池模组i的输出电压、下垂控制参考电压以及电池模组i的均衡电流指令值之间满足各控制器的下垂曲线，三者之间存在的关系为：

U_bat,i＝U_ref,i-d_iI_ref,i+ΔU_i

其中，U_bat,i为电池模组i的输出电压、I_ref,i为控制器i的均衡电流指令值、U_ref,i为控制器i的下垂控制参考电压、d_i为控制器i的下垂系数、ΔU_i为控制器i的二次控制参考电压修正量。

优选地，所述均衡电流指令值与均衡电流均有上、下限幅，分别对应电池模组最大充、放电均衡电流；

优选地，如图3所示，所述步骤(3)采用了电池模组SoC估计算法，所述步骤(4)采用了多代理系统协同一致性控制方法，步骤(3)与步骤(4)构成系统的二次控制；

优选地，所述步骤(3)采用电池模组SoC估计算法，具体包括：

A、电池模组i对应的控制器i监测对应电池模组i的均衡电流I_i与电池模组i的输出电压U_bat,i作为电池模型的输入，在线估计电池模组i的SoC_i；

B、控制器i与其有通信的控制器j间通过电池模组间通信网络进行SoC信息共享。

优选地，所述步骤(4)采用多代理系统协同一致性方法由函数f(a_ij,SoC_j,SoC_i)决定，其中控制器j为所有与本地控制器i有信息交流的控制器、SoC_j为控制器j共享SoC信息、SoC_i为本地控制器i的SoC信息、a_ij为控制器j与控制器i之间的权重因子，输出作为控制器i的二次控制参考电压修正量ΔU_i。

优选地，如图3所示，函数f(a_ij,SoC_j,SoC_i)为其中h、α、β、γ分别为可调系数，函数sig()为符号函数；j为在模组间通信网络中，与电池模组有连接的电池模组j的编号；N_i为在模组间通信网络中，所有与电池模组i的控制器有连接的模组数目；

优选地，所述电池模组i对应的二次控制参考电压修正量作为一次控制的电压下垂外环的输入，包括电流矫正项和电压调节项；

所述电流矫正项用于在满足模组间通信网络的拓扑结构稳定性判据时，实现各电池模组对应SoC均为SoC_avg，且均衡电流均为I_avg；

所述电压调节项用于调节第二级均衡变换器输出母线的电压偏差。

需要特别指出的是，本发明提出的一种基于多代理的模块化电池均衡系统不需要上级集中控制单元(BCU)均衡系统集中控制，如图4(a)所示，在传统主从均衡控制系统中，需要上级BCU对下级电池管理单元2发出控制、请求指令，下级电池管理单元2将采集的数据和状态信息返回给上级BCU，上级BCU对下级电池管理单元2的第一级均衡变换器21和第二级均衡变换器22完全控制；如图4(b)所示，在基于多代理系统的模块化均衡控制系统中，传统主从控制系统中BCU任务分散到电池管理单元2的控制器23中，各控制器23监测对应电池模组11的均衡信息，通过电池模组间通信网络4与其他控制器23共享均衡信息，本地控制器23结合自身的约束条件，对第二级均衡变换器22进行多代理协同一致性控制。

如图5所示，本发明提供了一种电池模组通信网络变化情况。以控制器1发生故障导致电池模组通信网络发生变化，由于权重因子a_ij反映了通信拓扑，其可根据电池总成模块化规则或电池模组间通信网络的变化而变化，即满足“即插即用”的需求，增强了系统可靠性、冗余性。

如图6所示，本发明提供了一种电池模组的均衡效果，以15组电池模组进行均衡控制为例，每组电池模组的初始SoC分别为50％～64％，电池单本容量为20Ah，电池模组的均衡电流限流20A，选取一定的可调系数。如图6(a)和图6(b)分别为第二级均衡变换器输出母线4接电池总成1时对应电池模组的SoC和电池模组均衡电流，从图6(a)与图6(b)可以看出，最终电池模组均衡效果为电池模组SoC趋于一致、均衡电流趋于一致并为负载供电，为负载供电的大小与控制器i的下垂控制参考电压U_ref,i和第二级均衡变换器输出母线4电压有关。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。