一种面向并联动力电池组的智能调度系统及其调度方法与流程

本发明涉及电池组调度领域，具体涉及一种面向并联动力电池组的智能调度系统及其调度方法。

背景技术：

现有的动力电池组供电方式中，有串联、并联和混联，而在一些大功率的供电应用场景中，为了提供更大的容量，往往需要进行将电池并联来达到大容量的目的。实际生产中，每个电池之间性能会存在一定的差异，特别是对于一些“先串后并”的电池组，电池组之间的差异会随着每个电池组中串联电池的个数增加而增大，在使用过程中导致各个并联电池组之间的电量出现不均衡现象，导致动力电池组性能下降、寿命减少的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种面向并联动力电池组的智能调度系统及其调度方法，以解决现有技术各个并联动力电池组之间的电量不均衡，导致动力电池组性能下降、寿命减少的问题。

为了实现上述的目的，采用如下的技术方案。一种面向并联动力电池组的智能调度系统，连接在并联动力电池组与外负载之间，包括控制系统、数据采集模块、电气隔离模块、开关模块和电路保护模块，所述并联动力电池组包括两个或两个以上并联的动力电池组，所述开关模块、电路保护模块的数量与所述动力电池组的数量相同，每个动力电池组与一个开关模块、一个电路保护模块串联，与外负载形成电气回路，所述控制系统与数据采集模块相连形成控制回路，所述电气隔离模块设置在所述电气回路与所述控制回路之间，所述控制系统通过所述电气隔离模块与所述开关模块连接，所述数据采集模块通过所述电气隔离模块与所述电气回路连接。

本发明通过数据采集模块，实时采集并计算电池状态参数、负载状态参数和环境状态参数，传入控制系统中，由控制系统中的相关算法对进行智能判断，得出一组下一时刻最优的开关状态，再通过开关模块对电路结构进行控制。电气隔离模块将每一个动力电池组的电气回路和控制回路隔离。数据采集模块与电气隔离模块电性连接，采集每个动力电池组电气回路的参数。控制系统连接数据采集模块，同时通过电气隔离模块和开关模块与电气回路线路相连。开关模块和电路保护模块串联接入各电气回路中。当电气回路的参数异常时，电路保护模块会切断动力电池组与负载的连接，保护动力电池组和负载的安全。

所述控制系统为微处理器，所述控制系统包括数据处理模块、数据储存模块、逻辑判断模块、算法优化模块和通信模块，可以实现数据处理、均衡电量、数据共享、自我优化的功能。数据处理模块对数据采集模块采集得到的实时的动力电池组的状态参数、系统的负载状态参数、动力电池组的环境状态参数，在控制系统中的逻辑判断模块中进行判断，从而调用相关算法得出下一个时刻开关状态的数据编码。数据储存模块保存某时刻的动力电池组状态参数、系统的负载状态参数、动力电池组的环境状态参数。通信模块实现整个系统与外设（如上位机）的数据共享、更新功能，例如可以通过将储存的数据传输到上位机，上位机运用系统数据对算法进行优化，再通过通信模块写入算法优化模块。控制系统的算法优化模块除了通过通信模块更新算法优化模块的算法外，也可直接在算法优化模块中利用数据储存模块中的数据对算法进行修正，如对数据处理模块中的电量估计算法进行修正，使更精确地估算正在使用的N组动力电池组的电量；对逻辑控制模块中的开关通断算法进行修正，得到更符合负载特性的逻辑控制算法。

所述通信模块设置有通信端口，控制系统可以通过通信端口与上位机或其他设备进行实时通信，将数据同步共享。通信端口为RS232、RS485或CANBUS。

所述并联动力电池组通过输出总线与外负载连接，所述输出总线上设置有控制开关。在危险情况下，通过控制开关的关断强制地切断外负载与系统的连接。

一种面向并联动力电池组的智能调度系统的调度方法，在考虑当前电池状态参数、负载状态参数和工作环境状态参数的多输入参数下，对并联动力电池组进行智能调度。包括以下步骤：

S100、采集数据，计算参数

通过数据采集模块采集实时电压、实时电流、实时温度、开关状态和电池的振动、形变、湿度的参数，并计算分析电池状态参数、负载状态参数和工作环境状态参数；所述电池状态参数包括剩余电量SOC和健康状态SOH，所述负载状态参数包括电气回路中的总输出功率P和并联动力电池组总输出功率的变化量△P，所述工作环境状态参数包括温度、振动、形变和湿度；

S101、安全状态分析

通过控制系统中的逻辑判断模块对工作环境状态参数分析，评估各个动力电池组的安全状态；

S102、模式判断

判断当前需要的智能调度模式，即电量均衡模式或快速放电模式；

S103、调用对应模式优化程序

在控制系统中的逻辑判断模块调用对应的模式优化程序，对当前电池状态和负载状态参数分析得出开关模块的下一状态量；

S104、开关模块执行优化结果

控制系统将智能调度输出结果传给开关模块，开关模块执行优化结果。

步骤S101具体方式如下：

以形变极限、湿度极限、最大安全电流、最大安全电压、最小安全电压、温度极限参数划分出多维封闭空间，称之为电池状态安全区；只要当某一个动力电池组的形变极限或湿度极限参数在电池状态安全区以外，对整个智能调度系统进行全部切断处理，发出警报；当全部动力电池组的形变极限和湿度极限参数都在电池状态安全区以内，且在某一个动力电池组的最大安全电流参数、最大安全电压参数、最小安全电压参数、温度极限参数中任意一个参数不在电池状态安全区以内时，对该动力电池组进行切断停机处理，并发出警报。

步骤S102中，

所述电量均衡模式为：在各动力电池组剩余电量差异过大时开启均衡模式，在满足负载功率和电路安全的前提下尽可能少的开启开关模块的开关，且优先开启当前剩余电量较多的动力电池组的电路开关；

所述快速放电模式为：在满足负载功率和电路安全的前提下尽可能少的开启开关模块的开关，且优先开启当前剩余电量较少的动力电池组的电路开关。

步骤S103具体方式如下：

在电量均衡模式下，当全部动力电池组工作在电池状态安全区以内时，对当前电池状态参数和负载状态参数分析得出开关模块的下一状态量，具体如下：S103a1、首先由N个动力电池组的剩余电量（SOC）和温度T决定N个动力电池组的放电优级，其中，K=f₁（SOC，T），K越大，优先级越高，函数关系式f₁由工程经验所得；S103a2、由负载总功率和N个动力电池组的最大安全输出电流决定此刻至少需要M(1≤M≤N)组动力电池组进行供电；S103a3、在满足负载要求和安全放电的前提下，按照高优先级先放电原则进行对动力电池组放电进行调度；

在快速放电模块下，当全部动力电池组工作在电池状态安全区以内时，对当前电池状态参数和负载状态参数分析得出开关模块的下一状态量，具体如下：S103b1、首先由N个动力电池组的剩余电量（SOC）和温度T决定N个动力电池组的放电优先级，其中，K=f₂（SOC，T），K越大，优先级越高，函数关系式f₂由工程经验所得；S103b2、由负载总功率和N个动力电池组的最大安全输出电流决定此刻至少需要M(1≤M≤N)组动力电池组进行供电；S103b3、在满足负载要求和安全放电的前提下，按照高优先级先放电原则进行对动力电池组放电进行调度。

与现有技术相比，本发明能够根据当前时刻各个动力电池组电池状态参数，结合系统的负载状态参数、动力电池组的环境状态参数，通过控制系统中的相关算法得出最优的动力电池组调度方案，并通过开关模块对电路结构进行控制，实现动力电池组的智能调度，从而保障并联动力电池组的性能，延长动力电池组的使用寿命。本发明可操作性较强，具有高效率、控制简单、均衡快速和高度开放性的特点。

附图说明

图1为本发明的电路结构示意图；

图2为本发明的模块关系示意图；

图3为本发明的控制系统内模块关系示意图；

图4为本发明的方法流程图；

图5为本发明的方法中电池状态安全示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

本发明的结构如图1、图2所示，智能调度系统2连接在并联动力电池组与外负载3之间，包括控制系统5、数据采集模块4、电气隔离模块6、开关模块7和电路保护模块8。并联动力电池组包括两个或两个以上并联的动力电池组1，开关模块7、电路保护模块8的数量与动力电池组1的数量相同，每个动力电池组1与一个开关模块7、一个电路保护模块8串联，与外负载3形成电气回路。控制系统5与数据采集模块4相连形成控制回路，电气隔离模块6设置在电气回路与控制回路之间，控制系统5通过电气隔离模块6与开关模块7连接，数据采集模块4通过电气隔离模块6与电气回路连接。

电气回路具体为：智能调度系统2与N组动力电池组1电性连接，与外负载3电性连接。其中每一组动力电池组1的正极性端与一个开关模块7串联，再与一个电路保护模块8串联，再接入正极输出总线11，正极输出总线11与外负载3的正极性端电性连接。每一组动力电池组1的负极性端与负极输出总线12连接，负极输出总线12与外负载3的负极性端电性连接。正极输出总线11上串联了控制开关10。在智能调度系统2中，由电气隔离模块6将电气回路和控制回路隔离。控制回路具体为：数据采集模块4与电气隔离模块6连接，控制系统5分别与数据采集模块4、电气隔离模块6连接，同时控制系统5可扩展若干通信端口9，电气隔离模块6还与开关模块7相连。

数据采集模块4通过电气隔离模块6电路相连，采集N条动力电池组1供电支路的数据，同时通过数据线将采集的数据传输给控制系统5。数据采集模块4实时采集各供电支路的电压、电流相关参数以及各个动力电池组1、智能调度系统2内部的温度、开关模块7开关关断状态、动力电池组1的温度、振动、形变、湿度状态，数据传输给控制系统5。

控制系统5可附带若干个通信端口9，实现与其他设备实时通信。控制系统5将数据采集模块4传输来的数据进行处理、逻辑判断，得出下一时刻开关的状态编码，经过电气隔离模块6传输给开关模块7。控制系统5通过分析采集动力电池组1的温度、振动、形变、湿度状态，在某些危险情况下的做出相应的决策。

开关模块7串联接入电气回路中，同时控制端经过电气隔离模块6与控制系统5相连。开关模块7主要包括开关及其驱动电路。

电路保护模块8与开关模块7相连，另一端接入正极输出总线11。当电气回路的参数异常时，电路保护模块8会切断动力电池组1与外负载3的连接，起保护外负载及动力电池组1作用，同时具有减小由于外负载变动对动力电池组1的影响作用。

当控制开关10开启后，智能调度系统2通过数据采集模块4采集电气回路中的实时数据，传入控制系统5中，由控制系统5中逻辑判断模块的相关算法对动力电池组1、外负载3的状态进行判断，得出一组下一时刻最优的开关状态，再通过开关模块7对电路结构进行控制，从而对N组并联的动力电池组1的电量进行智能调度。与此同时，控制系统5实时监控各个动力电池组1的温度、振动、形变、湿度状态，当参数异常时，电路保护模块8会切断动力电池组1与外负载3的连接，保护动力电池组1和外负载3的安全。智能调度系统2的控制系统5通过通信端口9与其他设备进行实时通信，将数据同步共享。在危险情况下，通过控制开关10的关断强制地切断智能调度系统2的开启状态。

控制系统5采用微处理器（MCU）进行控制，主要包含数据处理模块、数据储存模块、逻辑判断模块、算法优化模块、通讯模块，可以实现数据处理、均衡放电或快速放电、数据共享、自我优化的功能。

如图3所示，控制系统5中，数据采集模块采集实时电压、实时电流、实时温度、开关状态和电池的振动、形变、湿度的参数，传入数据处理模块进行处理，通过相应的算法得到各个动力电池组1该时刻的电池状态参数（包括剩余电量SOC和健康状态SOH）、负载状态参数（电气回路中的总输出功率P、并联动力电池组总输出功率的变化量△P）和工作环境状态参数（温度、振动、形变、湿度），再将这三个状态量作为输入参数传入控制系统5中的逻辑判断模块中，调用相应的模式，选择（均衡放电模式或快速放电模式）相关算法得出下一个时刻开关状态的相关数据编码，同时在某些危险情况下的做出相应的保护决策。数据储存模块保存某时刻的剩余电量、电压、电流、电流变化速率、温度、开关状态，和计算后的下一个时刻开关状态数据。控制系统5通信模块实现整个智能调度系统2与外设的数据共享、更新功能，例如可以通过将储存的数据传输到上位机，上位机运用系统数据对算法进行优化，再通过通信模块写入算法优化模块。控制系统5的算法优化模块除了通过通信模块更新算法优化模块的算法外，也可直接在算法优化模块中利用数据储存模块中的数据对算法进行修正，如对数据处理模块中的电量估计算法进行修正，使更精确地估算正在使用的N组动力电池组1的电量；对逻辑控制模块中的开关通断算法进行修正，得到更符合负载特性的逻辑控制算法。

智能调度系统2的调度方法如图4所示。

步骤S100采集数据，计算参数

通过数据采集模块4采集实时电压、实时电流、实时温度、开关状态和电池的振动、形变、湿度的参数，并计算分析电池状态参数（包括剩余电量SOC和健康状态SOH）、负载状态参数（电气回路中的总输出功率P、并联动力电池组总输出功率的变化量△P）和工作环境状态参数（温度、振动、形变）三大参数。

步骤S101安全状态分析

通过控制系统5中的逻辑模块对当前工作环境状态参数分析，评估各个动力电池组1的安全状态。如图5所示，具体方式如下：以形变极限、湿度极限、最大安全电流、最大安全电压、最小安全电压、温度极限参数划分出多维封闭空间，称之为电池状态安全区；只要当某一个动力电池组1的形变极限或湿度极限参数在电池状态安全区以外，对整个智能调度系统2进行全部切断处理，发出警报；当全部动力电池组1的形变极限和湿度极限参数都在电池状态安全区以内，且在某一个动力电池组1的最大安全电流参数、最大安全电压参数、最小安全电压参数、温度极限参数中任意一个参数不在电池状态安全区以内时，对该动力电池组1进行切断停机处理，并发出警报。

步骤S102模式判断

判断当前需要的智能调度模式，即电量均衡模式或快速放电模块。电量均衡模式为：在各动力电池组1剩余电量差异过大时开启均衡模式，在满足负载功率和电路安全的前提下尽可能少的开启开关模块7的开关，且优先开启当前剩余电量较多的动力电池组1的电路开关；快速放电模式为：在满足负载功率和电路安全的前提下尽可能少的开启开关模块7的开关，且优先开启当前剩余电量较少的动力电池组1的电路开关。

步骤S103a调用电量均衡模式优化程序

在控制系统5中的逻辑模块调用电量均衡模式优化程序。在电量均衡模式下，当全部动力电池组1工作在电池状态安全区以内时，对当前电池状态参数和负载状态参数分析得出开关模块的下一状态量，具体如下：S103a1、首先由N个动力电池组1的剩余电量（SOC）和温度T决定N个动力电池组1的放电优级，其中，K=f₁（SOC，T），K越大，优先级越高，函数关系式f₁由工程经验所得；S103a2、由负载总功率和N个动力电池组1的最大安全输出电流决定此刻至少需要M(1≤M≤N)组动力电池组1进行供电；S103a3、在满足负载要求和安全放电的前提下，按照高优先级先放电原则进行对动力电池组1放电进行调度。

步骤S103b调用快速放电模式优化程序

在控制系统5中的逻辑模块调用快速放电模式优化程序。在快速放电模块下，当全部动力电池组1工作在电池状态安全区以内时，对当前电池状态参数和负载状态参数分析得出开关模块的下一状态量，具体如下：S103b1、首先由N个动力电池组1的剩余电量（SOC）和温度T决定N个动力电池组1的放电优先级，其中，K=f₂（SOC，T），K越大，优先级越高，函数关系式f₂由工程经验所得；S103b2、由负载总功率和N个动力电池组1的最大安全输出电流决定此刻至少需要M(1≤M≤N)组动力电池组1进行供电；S103b3、在满足负载要求和安全放电的前提下，按照高优先级先放电原则进行对动力电池组1放电进行调度。

步骤S104开关模块执行优化结果

控制系统5将智能调度输出结果传给开关模块7，开关模块7执行优化结果，实现并联动力电池组的智能调度。