本發(fā)明屬于鋰離子電池，具體涉及一種面向脈沖充電法的充電負(fù)荷管理方法。

背景技術(shù)：

1、鋰離子電池已廣泛地應(yīng)用在各類電子產(chǎn)品和電動(dòng)汽車上。近年來(lái)，隨著電動(dòng)汽車的市場(chǎng)滲透率不斷提高，鋰離子電池的充電需求也越來(lái)越大。傳統(tǒng)的鋰離子電池充電方法有恒流充電法、恒壓充電法、恒壓-恒流充電法。恒流充電法采用恒定電流進(jìn)行充電，充電速度較快但可能造成過(guò)充；恒壓充電法雖然能避免電池過(guò)充，但是充電速度較慢；恒壓-恒流充電法則結(jié)合前面兩者的優(yōu)點(diǎn)，在避免過(guò)充的前提下提升了充電速度。除了傳統(tǒng)的充電方法，脈沖充電法是快讀和高效的充電方法，它采用間歇的方式給電池充電，在一個(gè)周期t內(nèi)先以大電流給電池充電，充電時(shí)長(zhǎng)ton，然后停止充電，停止時(shí)長(zhǎng)toff，如圖1所示。相較于傳統(tǒng)的充電方法，該方法可以減小電池的極化效應(yīng)，延長(zhǎng)電池的使用壽命，提高充電效率，適用于大功率充電的應(yīng)用場(chǎng)景。

2、隨著電動(dòng)汽車保有量快速增加，電動(dòng)汽車單車充電功率不斷提高，電動(dòng)汽車的充電需求也在快速增長(zhǎng)。脈沖充電法因其間歇性，無(wú)論是采用脈沖電流還是脈沖電壓，都會(huì)造成充電電流、充電功率甚至電網(wǎng)電壓的波動(dòng)，對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定性帶來(lái)壓力。因此，在對(duì)多輛電動(dòng)汽車采用脈沖充電法進(jìn)行大功率充電的時(shí)候，有必要協(xié)調(diào)這些充電負(fù)荷以減小其波動(dòng)性對(duì)電網(wǎng)造成的影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種面向脈沖充電法的充電負(fù)荷管理方法。

2、本發(fā)明為解決技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案如下：

3、本發(fā)明提供的一種面向脈沖充電法的充電負(fù)荷管理方法，包括一種不同充電脈沖錯(cuò)開(kāi)排序方法，所述充電脈沖為脈沖電流時(shí)，脈沖電流在每個(gè)周期t內(nèi)的toff時(shí)段內(nèi)為低電平，電流值為零；假設(shè)脈沖電流1在一個(gè)周期t內(nèi)的低電平區(qū)間為toff,1，脈沖電流2，3，…，n在一個(gè)周期t內(nèi)的高電平區(qū)間分別為ton,2，ton,3，…，ton,n；當(dāng)式(1)成立時(shí)，將這些脈沖電流的高電平安排在低電平區(qū)間toff,1內(nèi)依次出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)n個(gè)脈沖電流在時(shí)間上互不重疊，降低這n個(gè)脈沖電流的總電流峰值；

4、其中n∈[1,+∞)#(1)。

5、進(jìn)一步的，所述充電脈沖為脈沖電壓時(shí)，脈沖電壓在每個(gè)周期t內(nèi)的toff時(shí)段內(nèi)為低電平，電壓值為零；假設(shè)脈沖電壓1在一個(gè)周期t內(nèi)的低電平區(qū)間為toff,1，脈沖電壓2，3，…，n在一個(gè)周期t內(nèi)的高電平區(qū)間分別為ton,2，ton,3，…，ton,n；當(dāng)式(1)成立時(shí)，將這些脈沖電壓的高電平安排在低電平區(qū)間toff,1內(nèi)依次出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)n個(gè)脈沖電壓在時(shí)間上互不重疊，降低這n個(gè)脈沖電壓的總電壓峰值。

6、進(jìn)一步的，本發(fā)明提供的一種面向脈沖充電法的充電負(fù)荷管理方法，還包括一種脈沖電流波形調(diào)整方法，若其余單個(gè)充電脈沖均不滿足式(1)，則無(wú)法實(shí)現(xiàn)充電脈沖錯(cuò)開(kāi)排序，因此通過(guò)調(diào)整脈沖電流的占空比和幅值改變其波形，同時(shí)保持其在一個(gè)周期內(nèi)的平均充電功率不變；調(diào)整前，脈沖電流幅值為im，周期為t，一個(gè)周期t內(nèi)高電平區(qū)間為ton，低電平區(qū)間為toff，占空比為該脈沖電流的平均充電功率的計(jì)算公式為：

7、

8、其中u為充電電壓，通過(guò)改變充電電壓、充電電流或者占空比來(lái)改變一個(gè)周期t內(nèi)的平均充電功率；調(diào)整后，周期不變，一個(gè)周期t內(nèi)高電平區(qū)間為t'on，低電平區(qū)間為t'off，占空比為充電電壓和充電電流分別調(diào)整為u'和i'；要保持前后平均充電功率不變，只需確保等式(3)成立：

9、

10、通過(guò)調(diào)整其余n個(gè)脈沖電流波形，使其至少有一個(gè)滿足條件式(1)，就可采用所述一種不同充電脈沖錯(cuò)開(kāi)排序法實(shí)現(xiàn)不同充電脈沖的高電平相互錯(cuò)開(kāi)。

11、進(jìn)一步的，本發(fā)明提供的一種面向脈沖充電法的充電負(fù)荷管理方法，還包括一種對(duì)一系列周期相等的脈沖分組和錯(cuò)開(kāi)排序的方法，若有nc個(gè)充電負(fù)荷同時(shí)充電，每個(gè)負(fù)荷均采用脈沖充電法進(jìn)行充電，所有充電脈沖電流的周期都等于t，但占空比與幅值不全相等，則這nc個(gè)充電負(fù)荷的瞬時(shí)充電電流峰值imax為所有脈沖電流之和；若充電負(fù)荷i的充電電壓為ui，則所有充電負(fù)荷的瞬時(shí)充電功率峰值pmax為所有脈沖瞬時(shí)功率之和；假設(shè)一個(gè)周期t內(nèi)脈沖a的高電平區(qū)間ton,a小于或等于另一個(gè)脈沖b的低電平區(qū)間toff,b，a,b∈[1,nc]且ton,a,toff,b∈[0,t]，則可安排脈沖b在脈沖a的關(guān)斷時(shí)段中導(dǎo)通，通過(guò)在時(shí)間上錯(cuò)開(kāi)脈沖a和脈沖b的導(dǎo)通來(lái)減小總電流峰值，降低充電總功率峰值，此時(shí)瞬時(shí)充電總電流為ia和ib的較大者而非ia與ib之和。

12、進(jìn)一步的，所述一種對(duì)一系列周期相等的脈沖分組和錯(cuò)開(kāi)排序的方法的具體操作步驟如下：

13、假設(shè)一個(gè)周期內(nèi)第i個(gè)負(fù)荷所用的脈沖的高電平區(qū)間長(zhǎng)度為ton,i，低電平區(qū)間長(zhǎng)度為toff,i；用xi表示是否在脈沖i的低電平區(qū)間toff,i內(nèi)對(duì)其他負(fù)荷充電，xi＝1表示是，xi＝0表示否；當(dāng)xi＝1時(shí)，脈沖i被視為一個(gè)脈沖的“容器”；用yij表示是否在toff,i區(qū)間對(duì)第j個(gè)負(fù)荷充電，yij＝1表示是，yij＝0表示否；當(dāng)yij＝1時(shí)，脈沖j被視為一個(gè)待裝載到其他“容器”的“物品”；將所有充電脈沖分成s組，s∈[1,nc]，每組內(nèi)的脈沖依次出現(xiàn)高電平且不發(fā)生重疊，要使所有充電負(fù)荷的充電總電流峰值盡可能減小，則應(yīng)使s的值盡可能小，即讓“容器”數(shù)量盡可能地少，該目標(biāo)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

14、

15、其約束條件的數(shù)學(xué)表示如下：

16、1)對(duì)任意i∈[1,nc]，有:

17、2)對(duì)任意j∈[1,nc]，有:

18、不等式約束條件1)保證任意一個(gè)周期內(nèi)，當(dāng)脈沖i作為“容器”時(shí)，所有裝載在該“容器”的其他脈沖的高電平區(qū)間之和不超過(guò)“容器”的容量，即各個(gè)脈沖的高電平在時(shí)間上不發(fā)生重疊；當(dāng)脈沖j被安排在toff,i導(dǎo)通，yij＝1，此時(shí)ton,j被計(jì)入不等式左端部分；若脈沖j也是一個(gè)“容器”，則其不與脈沖i分在同一組，此時(shí)為避免將脈沖j的導(dǎo)通時(shí)段ton,j也計(jì)算在內(nèi)，不等式左端包含因子(1-xj)，此時(shí)xj＝1，1-xj＝0，ton,j不被計(jì)入不等式左端部分；不等式右邊包含因子xi，當(dāng)且僅當(dāng)脈沖i是“容器”時(shí)，xi＝1，其容量toff,i才被計(jì)入，否則不等式右端為零，表明脈沖i是一個(gè)待裝載的脈沖；

19、等式約束條件2)保證任意一個(gè)周期內(nèi)，脈沖j存在且唯一；對(duì)任意j∈[1,nc]，等式左端遍歷當(dāng)i從1到nc時(shí)所有的yij并對(duì)其求和；當(dāng)脈沖j是“容器”時(shí)，該和為0，意味著脈沖j不會(huì)被當(dāng)作“物品”裝載在其他“容器”中；否則，該和為1，表明脈沖j會(huì)被當(dāng)作“物品”裝載在其他某一個(gè)“容器”中。特別地，若脈沖j不與其他任何一個(gè)脈沖分為一組時(shí)，將脈沖j視為“容器”，即xj＝1；

20、通過(guò)求解式(6)至式(8)獲得所有xi和yij的解，即脈沖的分組結(jié)果；xi的值表明哪些脈沖是其他脈沖的“容器”，所有xi之和即為分組總數(shù)s；將所有具有相同i值且yij＝1的脈沖j歸入一組，其中j∈[1,nc]；對(duì)同一組內(nèi)的脈沖，安排其在時(shí)間上依次出現(xiàn)高電平。

21、進(jìn)一步的，本發(fā)明提供的一種面向脈沖充電法的充電負(fù)荷管理方法，還包括一種對(duì)一系列周期不相等的脈沖分組和錯(cuò)開(kāi)排序的方法，采用脈沖充電法對(duì)nc個(gè)充電負(fù)荷同時(shí)充電，而充電脈沖電流的周期不全一致，且占空比與幅值也不全相等，若其中任意一個(gè)脈沖的頻率都不是其他某一個(gè)脈沖頻率的整數(shù)倍，則這些脈沖不存在采用分組并將高電平錯(cuò)開(kāi)的可能；若脈沖中至少有一個(gè)脈沖的頻率為另一個(gè)脈沖頻率的整數(shù)倍，且一個(gè)周期內(nèi)頻率較低的脈沖的高電平區(qū)間不長(zhǎng)于頻率較高的另一個(gè)脈沖的低電平區(qū)間，則可對(duì)這些脈沖分組并將組內(nèi)各脈沖的高電平區(qū)間錯(cuò)開(kāi)進(jìn)行充電，以減小所有充電負(fù)荷的瞬時(shí)充電總電流和瞬時(shí)充電總功率，同時(shí)不減小任何一個(gè)充電負(fù)荷的充電電流和充電功率。

22、進(jìn)一步的，所述一種對(duì)一系列周期不相等的脈沖分組和錯(cuò)開(kāi)排序的方法的具體操作步驟如下：

23、首先對(duì)所有充電脈沖進(jìn)行分組并分別進(jìn)行分組排序；若有nc個(gè)負(fù)荷同時(shí)采用脈沖充電法充電，一個(gè)周期內(nèi)第i個(gè)脈沖的高電平區(qū)間長(zhǎng)度記為ton,i，低電平區(qū)間長(zhǎng)度記為toff,i；用xi表示是否在脈沖i的低電平區(qū)間toff,i內(nèi)對(duì)其他負(fù)荷充電，xi＝1表示是，xi＝0表示否；當(dāng)xi＝1時(shí)，一個(gè)周期內(nèi)脈沖i的低電平區(qū)間被視為另一個(gè)脈沖高電平的“容器”，則可利用此區(qū)間給其他充電負(fù)荷進(jìn)行充電以降低總的瞬時(shí)電流峰值；用yij表示是否在脈沖i的toff,i區(qū)間安排第j個(gè)脈沖的高電平區(qū)間，yij＝1表示是，yij＝0表示否；當(dāng)yij＝1時(shí)，脈沖j的高電平區(qū)間被視為一個(gè)待裝載到其他“容器”的“物品”；

24、假設(shè)所有的脈沖周期均為頻率最高脈沖周期的整數(shù)倍，考慮時(shí)間段t，其大小為所有脈沖周期的最小公倍數(shù)，t時(shí)段涵蓋了脈沖i的ni個(gè)低電平區(qū)間，相當(dāng)于在t時(shí)段存在ni個(gè)“容器”，在這些“容器”內(nèi)安置其他符合條件的脈沖的高電平區(qū)間；使用變量k對(duì)這些低電平區(qū)間進(jìn)行編號(hào)，同時(shí)引入一個(gè)變量zijk來(lái)表示是否將脈沖j的高電平區(qū)間安排在脈沖i的第k個(gè)低電平區(qū)間，zijk＝1表示是，zijk＝0表示否；

25、將所有充電脈沖分成s組，s∈[1,nc]，且每組內(nèi)的脈沖依次出現(xiàn)高電平且在時(shí)間上不發(fā)生重疊；要使所有充電負(fù)荷的充電總電流峰值盡可能減小，則應(yīng)使s的值盡可能小，即讓“容器”數(shù)量盡可能地少，該目標(biāo)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

26、

27、其約束條件的數(shù)學(xué)表示如下：

28、1)對(duì)任意k∈[1,ni]和任意i∈[1,nc]，有：

29、

30、2)對(duì)任意k∈[1,ni]和任意i,j∈[1,nc]且滿足ni＝nijnj，有：

31、

32、其中nij為正整數(shù)；

33、3)對(duì)任意j∈[1,nc]有：

34、

35、不等式約束條件1)限制一個(gè)周期內(nèi)，在第i個(gè)脈沖的第k個(gè)低電平區(qū)間內(nèi)的所有其他脈沖的高電平區(qū)間長(zhǎng)度之和不超過(guò)toff,i；不等式左邊的因子(1-xj)能避免將作為“容器”的脈沖j納入計(jì)算，此時(shí)xj＝1，因此1-xj＝0；不等式右邊的因子xi，當(dāng)且僅當(dāng)脈沖i是“容器”時(shí)，即xi＝1時(shí)，其寬度toff,i才被計(jì)入，否則不等式右端為零，表明脈沖i是一個(gè)待裝載的脈沖；

36、等式約束條件2)確保脈沖j的周期等于tj；該約束條件遍歷脈沖i的所有低電平區(qū)間，并要求任意區(qū)間連續(xù)的nij個(gè)低電平區(qū)間內(nèi)的zijk之和為1，這樣在脈沖i的任意連續(xù)nij個(gè)低電平區(qū)間中有且僅有一個(gè)j脈沖的高電平區(qū)間，以保證j脈沖的周期為i脈沖的nij倍；

37、等式約束條件3)限制一個(gè)周期內(nèi)，若任意一個(gè)脈沖不是“容器”，則其必須且僅與其他唯一一個(gè)脈沖分在一組；若某一個(gè)脈沖j不與其他任何一個(gè)脈沖分為一組，則將脈沖j視為“容器”，即xj＝1；對(duì)任意j∈[1,nc]，等式左端遍歷當(dāng)i從1到nc時(shí)所有的yij并對(duì)其求和；當(dāng)脈沖j是“容器”時(shí)，xj＝1，1-xj＝0，該和為0，意味著脈沖j不會(huì)被當(dāng)作“物品”裝載在其他“容器”中；否則，該和為1，表明脈沖j會(huì)被當(dāng)作“物品”裝載在其他某一個(gè)“容器”中；

38、通過(guò)求解式(9)至式(12)獲得所有的xi、tij和zijk的值，即脈沖的分組結(jié)果；xi表明了哪些脈沖是其他脈沖的“容器”，xi之和為分組總數(shù)s；yij表明了分組安排，所有具有相同i值且yij＝1的脈沖j歸入一組，i,j∈[1,nc]；zijk表明了區(qū)間的具體安排：zijk＝1表明將脈沖j的高電平區(qū)間安排在脈沖i的第k個(gè)低電平區(qū)間；zijk＝0則表明不能這么安排；對(duì)同一“容器”內(nèi)的所有脈沖的高電平，安排其在時(shí)間上依次出現(xiàn)，同時(shí)保證其在其他“容器”中位置一致；將脈沖j的第一個(gè)高電平區(qū)間安排在脈沖i的第k個(gè)低電平區(qū)間，通過(guò)在時(shí)間軸上移動(dòng)脈沖j，即改變脈沖j的初相位來(lái)實(shí)現(xiàn)。

39、進(jìn)一步的，所述對(duì)所有充電脈沖進(jìn)行分組并分別進(jìn)行分組排序的方法流程如下：

40、1)初始化正整數(shù)變量n，令n＝1；

41、2)找出當(dāng)前所有未分組充電脈沖中頻率最高的脈沖，記為in(fn)；

42、3)將所有頻率為fn整數(shù)倍x的脈沖分為一組，記為inx(fnx)，x為正整數(shù)；

43、4)對(duì)組內(nèi)所有脈沖采用所述一種對(duì)一系列周期不相等的脈沖分組和錯(cuò)開(kāi)排序的方法分組并進(jìn)行有序控制；

44、5)若還有脈沖未分組，令n＝n+1，重復(fù)上述流程直至所有脈沖分組和安排完畢。

45、進(jìn)一步的，本發(fā)明提供的一種面向脈沖充電法的充電負(fù)荷管理方法，還包括一種充電脈沖導(dǎo)通時(shí)序的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)方法，先根據(jù)脈沖的頻率確定采用何種分組和排序方法；若所有的充電脈沖頻率一致，則采用所述一種對(duì)周期相等的脈沖分組和錯(cuò)開(kāi)排序的方法對(duì)所有的充電脈沖進(jìn)行分組和排序；若并非所有的充電脈沖頻率都相等，則需采用所述一種對(duì)一系列周期不相等的脈沖分組和錯(cuò)開(kāi)排序的方法對(duì)所有的充電脈沖進(jìn)行分組和排序。

46、進(jìn)一步的，確定完分組和排序后，計(jì)算所有負(fù)荷的充電總功率pσ；若所有負(fù)荷的充電總功率存在上限pmax，則根據(jù)pmax與pσ的大小關(guān)系決定是否對(duì)所有的負(fù)荷同時(shí)進(jìn)行充電；

47、若pσ≥pmax，則按照充電計(jì)劃將所有汽車進(jìn)行分組，將汽車根據(jù)其充電計(jì)劃是否可以推遲分為不可推遲組和可推遲組；首先計(jì)算不可推遲組內(nèi)所有汽車的充電總功率pσ，若pσ>pmax，則需限制組內(nèi)所有負(fù)荷的充電總功率；在充電電壓不變的情況下，通過(guò)減小所有汽車的充電電流ii來(lái)減小充電總功率pσ，降低后的電流的計(jì)算公式為：

48、

49、在不改變各汽車充電電流幅值的情況下，通過(guò)減小各脈沖占空比di來(lái)減小充電總功率pσ，降低后的占空比的計(jì)算公式為：

50、

51、若采用減小占空比的方法來(lái)減小充電總功率pσ，在計(jì)算完占空比后，再采用所述一種對(duì)一系列周期相等的脈沖分組和錯(cuò)開(kāi)排序的方法或所述一種對(duì)一系列周期不相等的脈沖分組和錯(cuò)開(kāi)排序的方法重新安排汽車充電脈沖的順序從而進(jìn)行有序充電；

52、若pσ<pmax，充電站選取可推遲組內(nèi)的部分汽車進(jìn)行充電；對(duì)于可推遲組，根據(jù)汽車充電優(yōu)先級(jí)ci進(jìn)行排序，ci∈[0,1]，其值越大表示優(yōu)先級(jí)越高；若不能滿足對(duì)可推遲組內(nèi)的所有汽車進(jìn)行充電，則先對(duì)組內(nèi)優(yōu)先級(jí)較高的m輛車進(jìn)行充電，其中m應(yīng)滿足式(15)：

53、

54、其中，pi表示第i個(gè)負(fù)荷的充電功率；對(duì)于優(yōu)先級(jí)較低的汽車，在pmax增大或有其他汽車減小充電功率前暫停充電。

55、本發(fā)明的有益效果是：

56、采用脈沖充電法對(duì)鋰離子電池充電，可以減小電池的極化效應(yīng)，延長(zhǎng)電池的使用壽命，適用于大功率充電的應(yīng)用場(chǎng)景。針對(duì)這種脈沖充電法，本發(fā)明提出了一種對(duì)不同脈沖進(jìn)行分組和在時(shí)間上進(jìn)行排序的方法，可以在不降低單個(gè)充電負(fù)荷的前提下降低所有負(fù)荷的充電總電流，并減小其波動(dòng)幅度。其次，本發(fā)明還提出了一種根據(jù)功率上限統(tǒng)籌安排所有負(fù)荷充電順序的方法。若將本發(fā)明的方法應(yīng)用到由多個(gè)電芯組成的電池組中，可以平抑電池組總體的充電功率波動(dòng)；若將本發(fā)明的方法應(yīng)用到多輛電動(dòng)汽車上，可以平抑電動(dòng)汽車充電站的充電功率波動(dòng)，協(xié)助汽車充電站參與電網(wǎng)需求側(cè)響應(yīng)，有利于提升電網(wǎng)穩(wěn)定性。