本发明属于锂离子电池，具体涉及一种面向脉冲充电法的充电负荷管理方法。
背景技术：
1、锂离子电池已广泛地应用在各类电子产品和电动汽车上。近年来，随着电动汽车的市场渗透率不断提高，锂离子电池的充电需求也越来越大。传统的锂离子电池充电方法有恒流充电法、恒压充电法、恒压-恒流充电法。恒流充电法采用恒定电流进行充电，充电速度较快但可能造成过充；恒压充电法虽然能避免电池过充，但是充电速度较慢；恒压-恒流充电法则结合前面两者的优点，在避免过充的前提下提升了充电速度。除了传统的充电方法，脉冲充电法是快读和高效的充电方法，它采用间歇的方式给电池充电，在一个周期t内先以大电流给电池充电，充电时长ton，然后停止充电，停止时长toff，如图1所示。相较于传统的充电方法，该方法可以减小电池的极化效应，延长电池的使用寿命，提高充电效率，适用于大功率充电的应用场景。
2、随着电动汽车保有量快速增加，电动汽车单车充电功率不断提高，电动汽车的充电需求也在快速增长。脉冲充电法因其间歇性，无论是采用脉冲电流还是脉冲电压，都会造成充电电流、充电功率甚至电网电压的波动，对电网的稳定性带来压力。因此，在对多辆电动汽车采用脉冲充电法进行大功率充电的时候，有必要协调这些充电负荷以减小其波动性对电网造成的影响。
技术实现思路
1、为解决现有技术存在的问题，本发明提供一种面向脉冲充电法的充电负荷管理方法。
2、本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：
3、本发明提供的一种面向脉冲充电法的充电负荷管理方法，包括一种不同充电脉冲错开排序方法，所述充电脉冲为脉冲电流时，脉冲电流在每个周期t内的toff时段内为低电平，电流值为零；假设脉冲电流1在一个周期t内的低电平区间为toff,1，脉冲电流2，3，…，n在一个周期t内的高电平区间分别为ton,2，ton,3，…，ton,n；当式(1)成立时，将这些脉冲电流的高电平安排在低电平区间toff,1内依次出现，实现n个脉冲电流在时间上互不重叠，降低这n个脉冲电流的总电流峰值；
4、其中n∈[1,+∞)#(1)。
5、进一步的，所述充电脉冲为脉冲电压时，脉冲电压在每个周期t内的toff时段内为低电平，电压值为零；假设脉冲电压1在一个周期t内的低电平区间为toff,1，脉冲电压2，3，…，n在一个周期t内的高电平区间分别为ton,2，ton,3，…，ton,n；当式(1)成立时，将这些脉冲电压的高电平安排在低电平区间toff,1内依次出现，实现n个脉冲电压在时间上互不重叠，降低这n个脉冲电压的总电压峰值。
6、进一步的，本发明提供的一种面向脉冲充电法的充电负荷管理方法，还包括一种脉冲电流波形调整方法，若其余单个充电脉冲均不满足式(1)，则无法实现充电脉冲错开排序，因此通过调整脉冲电流的占空比和幅值改变其波形，同时保持其在一个周期内的平均充电功率不变；调整前，脉冲电流幅值为im，周期为t，一个周期t内高电平区间为ton，低电平区间为toff，占空比为该脉冲电流的平均充电功率的计算公式为：
7、
8、其中u为充电电压，通过改变充电电压、充电电流或者占空比来改变一个周期t内的平均充电功率；调整后，周期不变，一个周期t内高电平区间为t'on，低电平区间为t'off，占空比为充电电压和充电电流分别调整为u'和i'；要保持前后平均充电功率不变，只需确保等式(3)成立：
9、
10、通过调整其余n个脉冲电流波形，使其至少有一个满足条件式(1)，就可采用所述一种不同充电脉冲错开排序法实现不同充电脉冲的高电平相互错开。
11、进一步的，本发明提供的一种面向脉冲充电法的充电负荷管理方法，还包括一种对一系列周期相等的脉冲分组和错开排序的方法，若有nc个充电负荷同时充电，每个负荷均采用脉冲充电法进行充电，所有充电脉冲电流的周期都等于t，但占空比与幅值不全相等，则这nc个充电负荷的瞬时充电电流峰值imax为所有脉冲电流之和；若充电负荷i的充电电压为ui，则所有充电负荷的瞬时充电功率峰值pmax为所有脉冲瞬时功率之和；假设一个周期t内脉冲a的高电平区间ton,a小于或等于另一个脉冲b的低电平区间toff,b，a,b∈[1,nc]且ton,a,toff,b∈[0,t]，则可安排脉冲b在脉冲a的关断时段中导通，通过在时间上错开脉冲a和脉冲b的导通来减小总电流峰值，降低充电总功率峰值，此时瞬时充电总电流为ia和ib的较大者而非ia与ib之和。
12、进一步的，所述一种对一系列周期相等的脉冲分组和错开排序的方法的具体操作步骤如下：
13、假设一个周期内第i个负荷所用的脉冲的高电平区间长度为ton,i，低电平区间长度为toff,i；用xi表示是否在脉冲i的低电平区间toff,i内对其他负荷充电，xi＝1表示是，xi＝0表示否；当xi＝1时，脉冲i被视为一个脉冲的“容器”；用yij表示是否在toff,i区间对第j个负荷充电，yij＝1表示是，yij＝0表示否；当yij＝1时，脉冲j被视为一个待装载到其他“容器”的“物品”；将所有充电脉冲分成s组，s∈[1,nc]，每组内的脉冲依次出现高电平且不发生重叠，要使所有充电负荷的充电总电流峰值尽可能减小，则应使s的值尽可能小，即让“容器”数量尽可能地少，该目标的数学表达式为：
14、
15、其约束条件的数学表示如下：
16、1)对任意i∈[1,nc]，有:
17、2)对任意j∈[1,nc]，有:
18、不等式约束条件1)保证任意一个周期内，当脉冲i作为“容器”时，所有装载在该“容器”的其他脉冲的高电平区间之和不超过“容器”的容量，即各个脉冲的高电平在时间上不发生重叠；当脉冲j被安排在toff,i导通，yij＝1，此时ton,j被计入不等式左端部分；若脉冲j也是一个“容器”，则其不与脉冲i分在同一组，此时为避免将脉冲j的导通时段ton,j也计算在内，不等式左端包含因子(1-xj)，此时xj＝1，1-xj＝0，ton,j不被计入不等式左端部分；不等式右边包含因子xi，当且仅当脉冲i是“容器”时，xi＝1，其容量toff,i才被计入，否则不等式右端为零，表明脉冲i是一个待装载的脉冲；
19、等式约束条件2)保证任意一个周期内，脉冲j存在且唯一；对任意j∈[1,nc]，等式左端遍历当i从1到nc时所有的yij并对其求和；当脉冲j是“容器”时，该和为0，意味着脉冲j不会被当作“物品”装载在其他“容器”中；否则，该和为1，表明脉冲j会被当作“物品”装载在其他某一个“容器”中。特别地，若脉冲j不与其他任何一个脉冲分为一组时，将脉冲j视为“容器”，即xj＝1；
20、通过求解式(6)至式(8)获得所有xi和yij的解，即脉冲的分组结果；xi的值表明哪些脉冲是其他脉冲的“容器”，所有xi之和即为分组总数s；将所有具有相同i值且yij＝1的脉冲j归入一组，其中j∈[1,nc]；对同一组内的脉冲，安排其在时间上依次出现高电平。
21、进一步的，本发明提供的一种面向脉冲充电法的充电负荷管理方法，还包括一种对一系列周期不相等的脉冲分组和错开排序的方法，采用脉冲充电法对nc个充电负荷同时充电，而充电脉冲电流的周期不全一致，且占空比与幅值也不全相等，若其中任意一个脉冲的频率都不是其他某一个脉冲频率的整数倍，则这些脉冲不存在采用分组并将高电平错开的可能；若脉冲中至少有一个脉冲的频率为另一个脉冲频率的整数倍，且一个周期内频率较低的脉冲的高电平区间不长于频率较高的另一个脉冲的低电平区间，则可对这些脉冲分组并将组内各脉冲的高电平区间错开进行充电，以减小所有充电负荷的瞬时充电总电流和瞬时充电总功率，同时不减小任何一个充电负荷的充电电流和充电功率。
22、进一步的，所述一种对一系列周期不相等的脉冲分组和错开排序的方法的具体操作步骤如下：
23、首先对所有充电脉冲进行分组并分别进行分组排序；若有nc个负荷同时采用脉冲充电法充电，一个周期内第i个脉冲的高电平区间长度记为ton,i，低电平区间长度记为toff,i；用xi表示是否在脉冲i的低电平区间toff,i内对其他负荷充电，xi＝1表示是，xi＝0表示否；当xi＝1时，一个周期内脉冲i的低电平区间被视为另一个脉冲高电平的“容器”，则可利用此区间给其他充电负荷进行充电以降低总的瞬时电流峰值；用yij表示是否在脉冲i的toff,i区间安排第j个脉冲的高电平区间，yij＝1表示是，yij＝0表示否；当yij＝1时，脉冲j的高电平区间被视为一个待装载到其他“容器”的“物品”；
24、假设所有的脉冲周期均为频率最高脉冲周期的整数倍，考虑时间段t，其大小为所有脉冲周期的最小公倍数，t时段涵盖了脉冲i的ni个低电平区间，相当于在t时段存在ni个“容器”，在这些“容器”内安置其他符合条件的脉冲的高电平区间；使用变量k对这些低电平区间进行编号，同时引入一个变量zijk来表示是否将脉冲j的高电平区间安排在脉冲i的第k个低电平区间，zijk＝1表示是，zijk＝0表示否；
25、将所有充电脉冲分成s组，s∈[1,nc]，且每组内的脉冲依次出现高电平且在时间上不发生重叠；要使所有充电负荷的充电总电流峰值尽可能减小，则应使s的值尽可能小，即让“容器”数量尽可能地少，该目标的数学表达式为：
26、
27、其约束条件的数学表示如下：
28、1)对任意k∈[1,ni]和任意i∈[1,nc]，有：
29、
30、2)对任意k∈[1,ni]和任意i,j∈[1,nc]且满足ni＝nijnj，有：
31、
32、其中nij为正整数；
33、3)对任意j∈[1,nc]有：
34、
35、不等式约束条件1)限制一个周期内，在第i个脉冲的第k个低电平区间内的所有其他脉冲的高电平区间长度之和不超过toff,i；不等式左边的因子(1-xj)能避免将作为“容器”的脉冲j纳入计算，此时xj＝1，因此1-xj＝0；不等式右边的因子xi，当且仅当脉冲i是“容器”时，即xi＝1时，其宽度toff,i才被计入，否则不等式右端为零，表明脉冲i是一个待装载的脉冲；
36、等式约束条件2)确保脉冲j的周期等于tj；该约束条件遍历脉冲i的所有低电平区间，并要求任意区间连续的nij个低电平区间内的zijk之和为1，这样在脉冲i的任意连续nij个低电平区间中有且仅有一个j脉冲的高电平区间，以保证j脉冲的周期为i脉冲的nij倍；
37、等式约束条件3)限制一个周期内，若任意一个脉冲不是“容器”，则其必须且仅与其他唯一一个脉冲分在一组；若某一个脉冲j不与其他任何一个脉冲分为一组，则将脉冲j视为“容器”，即xj＝1；对任意j∈[1,nc]，等式左端遍历当i从1到nc时所有的yij并对其求和；当脉冲j是“容器”时，xj＝1，1-xj＝0，该和为0，意味着脉冲j不会被当作“物品”装载在其他“容器”中；否则，该和为1，表明脉冲j会被当作“物品”装载在其他某一个“容器”中；
38、通过求解式(9)至式(12)获得所有的xi、tij和zijk的值，即脉冲的分组结果；xi表明了哪些脉冲是其他脉冲的“容器”，xi之和为分组总数s；yij表明了分组安排，所有具有相同i值且yij＝1的脉冲j归入一组，i,j∈[1,nc]；zijk表明了区间的具体安排：zijk＝1表明将脉冲j的高电平区间安排在脉冲i的第k个低电平区间；zijk＝0则表明不能这么安排；对同一“容器”内的所有脉冲的高电平，安排其在时间上依次出现，同时保证其在其他“容器”中位置一致；将脉冲j的第一个高电平区间安排在脉冲i的第k个低电平区间，通过在时间轴上移动脉冲j，即改变脉冲j的初相位来实现。
39、进一步的，所述对所有充电脉冲进行分组并分别进行分组排序的方法流程如下：
40、1)初始化正整数变量n，令n＝1；
41、2)找出当前所有未分组充电脉冲中频率最高的脉冲，记为in(fn)；
42、3)将所有频率为fn整数倍x的脉冲分为一组，记为inx(fnx)，x为正整数；
43、4)对组内所有脉冲采用所述一种对一系列周期不相等的脉冲分组和错开排序的方法分组并进行有序控制；
44、5)若还有脉冲未分组，令n＝n+1，重复上述流程直至所有脉冲分组和安排完毕。
45、进一步的，本发明提供的一种面向脉冲充电法的充电负荷管理方法，还包括一种充电脉冲导通时序的统筹协调方法，先根据脉冲的频率确定采用何种分组和排序方法；若所有的充电脉冲频率一致，则采用所述一种对周期相等的脉冲分组和错开排序的方法对所有的充电脉冲进行分组和排序；若并非所有的充电脉冲频率都相等，则需采用所述一种对一系列周期不相等的脉冲分组和错开排序的方法对所有的充电脉冲进行分组和排序。
46、进一步的，确定完分组和排序后，计算所有负荷的充电总功率pσ；若所有负荷的充电总功率存在上限pmax，则根据pmax与pσ的大小关系决定是否对所有的负荷同时进行充电；
47、若pσ≥pmax，则按照充电计划将所有汽车进行分组，将汽车根据其充电计划是否可以推迟分为不可推迟组和可推迟组；首先计算不可推迟组内所有汽车的充电总功率pσ，若pσ>pmax，则需限制组内所有负荷的充电总功率；在充电电压不变的情况下，通过减小所有汽车的充电电流ii来减小充电总功率pσ，降低后的电流的计算公式为：
48、
49、在不改变各汽车充电电流幅值的情况下，通过减小各脉冲占空比di来减小充电总功率pσ，降低后的占空比的计算公式为：
50、
51、若采用减小占空比的方法来减小充电总功率pσ，在计算完占空比后，再采用所述一种对一系列周期相等的脉冲分组和错开排序的方法或所述一种对一系列周期不相等的脉冲分组和错开排序的方法重新安排汽车充电脉冲的顺序从而进行有序充电；
52、若pσ<pmax，充电站选取可推迟组内的部分汽车进行充电；对于可推迟组，根据汽车充电优先级ci进行排序，ci∈[0,1]，其值越大表示优先级越高；若不能满足对可推迟组内的所有汽车进行充电，则先对组内优先级较高的m辆车进行充电，其中m应满足式(15)：
53、
54、其中，pi表示第i个负荷的充电功率；对于优先级较低的汽车，在pmax增大或有其他汽车减小充电功率前暂停充电。
55、本发明的有益效果是：
56、采用脉冲充电法对锂离子电池充电，可以减小电池的极化效应，延长电池的使用寿命，适用于大功率充电的应用场景。针对这种脉冲充电法，本发明提出了一种对不同脉冲进行分组和在时间上进行排序的方法，可以在不降低单个充电负荷的前提下降低所有负荷的充电总电流，并减小其波动幅度。其次，本发明还提出了一种根据功率上限统筹安排所有负荷充电顺序的方法。若将本发明的方法应用到由多个电芯组成的电池组中，可以平抑电池组总体的充电功率波动；若将本发明的方法应用到多辆电动汽车上，可以平抑电动汽车充电站的充电功率波动，协助汽车充电站参与电网需求侧响应，有利于提升电网稳定性。
1.一种面向脉冲充电法的充电负荷管理方法，其特征在于，包括一种不同充电脉冲错开排序方法，所述充电脉冲为脉冲电流时，脉冲电流在每个周期t内的toff时段内为低电平，电流值为零；假设脉冲电流1在一个周期t内的低电平区间为toff,1，脉冲电流2，3，…，n在一个周期t内的高电平区间分别为ton,2，ton,3，…，ton,n；当式(1)成立时，将这些脉冲电流的高电平安排在低电平区间toff,1内依次出现，实现n个脉冲电流在时间上互不重叠，降低这n个脉冲电流的总电流峰值；
2.根据权利要求1所述的一种面向脉冲充电法的充电负荷管理方法，其特征在于，所述充电脉冲为脉冲电压时，脉冲电压在每个周期t内的toff时段内为低电平，电压值为零；假设脉冲电压1在一个周期t内的低电平区间为toff,1，脉冲电压2，3，…，n在一个周期t内的高电平区间分别为ton,2，ton,3，…，ton,n；当式(1)成立时，将这些脉冲电压的高电平安排在低电平区间toff,1内依次出现，实现n个脉冲电压在时间上互不重叠，降低这n个脉冲电压的总电压峰值。
3.根据权利要求1所述的一种面向脉冲充电法的充电负荷管理方法，其特征在于，还包括一种脉冲电流波形调整方法，若其余单个充电脉冲均不满足式(1)，则无法实现充电脉冲错开排序，因此通过调整脉冲电流的占空比和幅值改变其波形，同时保持其在一个周期内的平均充电功率不变；调整前，脉冲电流幅值为im，周期为t，一个周期t内高电平区间为ton，低电平区间为toff，占空比为该脉冲电流的平均充电功率的计算公式为：
4.根据权利要求1所述的一种面向脉冲充电法的充电负荷管理方法，其特征在于，还包括一种对一系列周期相等的脉冲分组和错开排序的方法，若有nc个充电负荷同时充电，每个负荷均采用脉冲充电法进行充电，所有充电脉冲电流的周期都等于t，但占空比与幅值不全相等，则这nc个充电负荷的瞬时充电电流峰值imax为所有脉冲电流之和；若充电负荷i的充电电压为ui，则所有充电负荷的瞬时充电功率峰值pmax为所有脉冲瞬时功率之和；假设一个周期t内脉冲a的高电平区间ton,a小于或等于另一个脉冲b的低电平区间toff,b，a,b∈[1,nc]且ton,a,toff,b∈[0,t]，则可安排脉冲b在脉冲a的关断时段中导通，通过在时间上错开脉冲a和脉冲b的导通来减小总电流峰值，降低充电总功率峰值，此时瞬时充电总电流为ia和ib的较大者而非ia与ib之和。
5.根据权利要求4所述的一种面向脉冲充电法的充电负荷管理方法，其特征在于，所述一种对一系列周期相等的脉冲分组和错开排序的方法的具体操作步骤如下：
6.根据权利要求4所述的一种面向脉冲充电法的充电负荷管理方法，其特征在于，还包括一种对一系列周期不相等的脉冲分组和错开排序的方法，采用脉冲充电法对nc个充电负荷同时充电，而充电脉冲电流的周期不全一致，且占空比与幅值也不全相等，若其中任意一个脉冲的频率都不是其他某一个脉冲频率的整数倍，则这些脉冲不存在采用分组并将高电平错开的可能；若脉冲中至少有一个脉冲的频率为另一个脉冲频率的整数倍，且一个周期内频率较低的脉冲的高电平区间不长于频率较高的另一个脉冲的低电平区间，则可对这些脉冲分组并将组内各脉冲的高电平区间错开进行充电，以减小所有充电负荷的瞬时充电总电流和瞬时充电总功率，同时不减小任何一个充电负荷的充电电流和充电功率。
7.根据权利要求6所述的一种面向脉冲充电法的充电负荷管理方法，其特征在于，所述一种对一系列周期不相等的脉冲分组和错开排序的方法的具体操作步骤如下：
8.根据权利要求7所述的一种面向脉冲充电法的充电负荷管理方法，其特征在于，所述对所有充电脉冲进行分组并分别进行分组排序的方法流程如下：
9.根据权利要求6所述的一种面向脉冲充电法的充电负荷管理方法，其特征在于，还包括一种充电脉冲导通时序的统筹协调方法，先根据脉冲的频率确定采用何种分组和排序方法；若所有的充电脉冲频率一致，则采用所述一种对周期相等的脉冲分组和错开排序的方法对所有的充电脉冲进行分组和排序；若并非所有的充电脉冲频率都相等，则需采用所述一种对一系列周期不相等的脉冲分组和错开排序的方法对所有的充电脉冲进行分组和排序。
10.根据权利要求9所述的一种面向脉冲充电法的充电负荷管理方法，其特征在于，确定完分组和排序后，计算所有负荷的充电总功率pσ；若所有负荷的充电总功率存在上限pmax，则根据pmax与pσ的大小关系决定是否对所有的负荷同时进行充电；
