[论文解读] Centralized Recursive Optimal Scheduling of Parallel Buck Regulated Battery Modules

Yunfeng Jiang, Abdulelah H. Habib+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 11, 2017

Advanced Battery Technologies Research参考文献 17被引用 3

一句话总结

本文提出一种集中式递归最优调度方法，用于并联连接的电池模块（具有不同的开路电压和内阻），通过降压转换器与PWM控制实现模块电流均衡。该方法利用递归线性规划实时计算最优电压调节，实验验证了在时变负载下三个模块的电流均衡，从而最小化杂散电流并最大化总母线电流，且无需事先掌握模块参数的精确信息。

ABSTRACT

This paper presents a centralized recursive optimal scheduling method for a battery system that consists of parallel connected battery modules with different open circuit voltages and battery impedance characteristics. Examples of such a battery system can be found in second-life, exchangeable or repurposed battery systems in which batteries with different charge or age characteristics are combined to create a larger storage capacity. The proposed method in this paper takes advantage of the availability of buck regulators in the battery management system (BMS) to compute the optimal voltage adjustment of the individual modules to minimize the effect of stray currents between the parallel connected battery modules. Our proposed method recursively computes the optimal current scheduling that balances (equals) each module current and maximize total bus current without violating any of the battery modules operating constraints. Recursive implementation guarantees robust operation as the battery modules operating parameters change as the battery pack (dis)charges or ages. In order to demonstrate the capability of this method in real battery system, an experimental setup of 3 parallel placed battery modules is built. The experimental results validate the feasibility and show the advantages of this current scheduling method in a real battery application, despite the fact that each module may have different impedance, open circuit voltage and charge parameters.

研究动机与目标

• 解决因老化或制造差异导致的并联电池模块之间因荷电状态、内阻和开路电压不同而引起的电流不平衡问题。
• 开发一种控制策略，通过最优调节各电池模块电压（利用降压转换器），最小化模块间的杂散电流。
• 实现二手、可更换或再利用电池系统中电池组的高效、安全与高性能运行。
• 设计一种递归算法，可在充放电或老化过程中适应电池参数的变化，确保长期鲁棒性。

提出的方法

• 采用线性规划构建集中式递归最优调度算法，用于计算每个电池模块降压转换器的最优PWM占空比。
• 该方法通过计算电压调节量，在满足各模块约束的前提下实现模块电流均衡并最大化总母线电流。
• 算法采用递归形式，实时估计模块参数，无需事先明确掌握开路电压或内阻信息。
• 采用PWM驱动MOSFET的降压转换器调节每个电池模块的输出电压，实现理想的电流均衡。
• 系统使用Arduino Uno通过模拟引脚实时采集电压与电流数据，并与运行MATLAB的上位机进行通信，完成调度计算与数据记录。
• 递归形式使算法能够适应运行过程中电池参数的动态变化，确保长期运行的鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何实现实时最小化具有不同电气特性的并联电池模块之间的电流不平衡？
• RQ2 何种控制策略可在不依赖各模块参数精确信息的前提下，实现电池模块间的最优电流均衡？
• RQ3 递归优化方法是否能在外部负载时变及电池状态变化条件下维持电流平衡？
• RQ4 集中式递归调度在包含三个电池模块的实际实验装置中，对模块电流均衡的有效性如何？

主要发现

• 所提方法成功实现了在时变外部负载下，三个具有不同内阻（3 Ω、4.5 Ω 和 6 Ω）的并联电池模块之间的电流均衡。
• 在整个700秒实验过程中，各模块电流始终保持高度匹配，即使负载在10 Ω至100 Ω之间变化，偏差也极小。
• 内阻最高的模块（6 Ω）的PWM占空比被固定在100%，表明其需要最大电压降低以实现电流均衡。
• 递归算法实时适应负载变化，通过5秒的PWM逐步上升过程，防止系统应力，维持了电流平衡。
• 实验结果证实了集中式递归调度方法在最小化杂散电流和最大化总母线电流方面的可行性与有效性。
• 该方法对参数变化和老化效应表现出鲁棒性，支持其在二手及可更换电池系统中的应用。