鋰離子電池均衡控制（Equalization Control for Lithium-Ion Batteries）

Contents 1 Introduction .................................................. 1 1.1 Applications of Lithium-Ion Batteries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1.1 The Crucial Role of Batteries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1.2 Comparisons of Different Batteries . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.2 Battery Inconsistency Phenomenon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.3 Crucial Role of Cell Equalization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.3.1 Voltage-Based Equalization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.3.2 SOC-Based Equalization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2 Overview of Cell Equalization Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.1 Classification and Comparisons of Cell Equalization Systems . . . 13 2.1.1 Passive Cell Equalization Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.1.2 Active Cell Equalization Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.1.3 Comparisons of Cell Equalization Systems . . . . . . . . . . . 16 2.2 Commercial Equalizers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.2.1 Bidirectional Buck-Boost Converters . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.2.2 Bidirectional Modified C？uk Converters . . . . . . . . . . . . . . 19 2.3 Overview of Equalization Algorithms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.3.1 Cell-to-Cell Equalization Algorithms . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.3.2 Cell-to-Pack-to-Cell Equalization Algorithms . . . . . . . . . 23 2.3.3 Charging Equalization Algorithms . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3 Active Cell Equalization Topology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.1 Commonly Used Active Cell Equalization Topology . . . . . . . . . . 29 3.1.1 Adjacent-Based Topology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.1.2 Non-adjacent-Based Topology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.1.3 Direct Cell-Cell Topology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.1.4 Mixed Topology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.2 Active Cell Equalization Topology Comparison . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.2.1 Performance Comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.2.2 Economic Comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 3.2.3 Discussions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4 Optimal Active Cell Equalizing Topology Design . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 4.1 Cell Equalizing System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 4.1.1 Equalizing System Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 4.1.2 Consensus-Based Cell Equalizing Algorithm Design . . . 57 4.2 Design of the Optimal Equalizing Topology . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 4.2.1 Equalizing Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 4.2.2 Traditional Cell Equalizing Topology . . . . . . . . . . . . . . . . 61 4.2.3 Position Identification of the Added ICEs for Reducing the Equalizing Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.3 Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 4.4 Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 5 Neural Network-Based SOC Observer Design for Batteries . . . . . . . 73 5.1 Battery Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 5.2 RBF Neural Network Observer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 5.2.1 Neural Network Based Nonlinear Observer Design . . . . 75 5.2.2 Convergence Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 5.3 Experiments and Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 5.3.1 Experiment for Parameter Extraction . . . . . . . . . . . . . . . . 79 5.3.2 Experiment for SOC Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 6 Active Cell-to-Cell Equalization Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 6.1 Cell Equalizing System Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 6.1.1 Battery Cell Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 6.1.2 Bidirectional Modified C？uk Converter Model . . . . . . . . . 92 6.1.3 Cell Equalizing System Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 6.2 Objective and Constraints of the Cell Equalizing Process . . . . . . . 95 6.2.1 Cell Equalizing Objective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 6.2.2 Cell Equalizing Constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 6.3 SOC Estimation Based Quasi-Sliding Mode Control for Cell Equalization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 6.3.1 Adaptive Quasi-sliding Mode Observer Design for Cells’ SOC Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 6.3.2 Quasi-Sliding Mode-Based Cell Equalizing Control . . . 99 6.4 Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 6.4.1 Experimental Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 6.4.2 Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1077 Module-Based Cell-to-Cell Equalization Control . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 7.1 Module-Based Cell-to-Cell Equalization Systems . . . . . . . . . . . . . 109 7.1.1 Equalizing Currents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 7.1.2 Cell Equalizing System Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 7.1.3 Cell Equalizing Constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 7.2 Hierarchical Optimal Control Strategy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 7.2.1 Cell Equalizing Task Formulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 7.2.2 Top Layer: Module-Level Equalizing Control . . . . . . . . . 116 7.2.3 Bottom Layer: Cell-Level Equalizing Control . . . . . . . . . 118 7.3 Results and Discussions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 7.3.1 Cell Equalizing Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 7.3.2 Tests of Different Weight Selections . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 7.3.3 Comparison With Decentralized Equalizing Control . . . 123 7.3.4 Tests for Different Cells’ Initial SOCs . . . . . . . . . . . . . . . 124 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 8 Module-Based Cell-to-Pack Equalization Control . . . . . . . . . . . . . . . . 127 8.1 Improved Module-Based CPC Equalization System . . . . . . . . . . . 127 8.1.1 Equalizing Current Formulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 8.1.2 Improved Module-Based CPC Equalization System Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 8.2 Two-Layer Model Predictive Control Strategy . . . . . . . . . . . . . . . . 132 8.2.1 Cost Function Formulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 8.2.2 Constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 8.2.3 Centralized MPC Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 8.3 Two-Layer MPC for Cell Equalization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 8.3.1 Top-layer MPC: ML Equalizing Current Control . . . . . . 135 8.3.2 Bottom-Layer MPC: CMC Equalizing Current Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 8.3.3 Computational Complexity Comparison With Centralized MPC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 8.4 Results and Discussions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 8.4.1 Equalization Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 8.4.2 Comparison With the Centralized MPC . . . . . . . . . . . . . . 140 8.4.3 Comparison With a Commercial CPC-Based Equalization Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 8.4.4 Tests of Different Cells’ Initial SOC Vectors . . . . . . . . . . 142 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 9 Optimal Hierarchical Charging Equalization for Battery Packs . . . . 147 9.1 Charging System Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 9.1.1 Battery Pack Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 9.1.2 Multi-module Charger Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 9.1.3 Charging System Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 9.2 Hierarchical Control for the Charging Equalization System . . . . . 150 9.2.1 Charging Equalization Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1519.2.2 Charging Constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 9.2.3 Top-Layer Control: Optimal Charging Current Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 9.2.4 Bottom-Layer Control: Charging Current Tracking . . . . 156 9.3 Simulation and Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 9.3.1 Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 9.3.2 Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 10 Simultaneous Charging Equalization Strategy for Battery Packs . . . 167 10.1 Charging Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 10.1.1 Battery Pack Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 10.1.2 Charging Objective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 10.1.3 Charging Constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 10.2 Simultaneous Charging Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 10.3 Simulation and Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 10.3.1 Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 10.3.2 Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181