CN111555387B - 一种可重构电池组的无环流优化控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可重构电池组的无环流优化控制方法，所述方法包括：采集当前时刻可重构电池组中所有电池模组的电压、电流数据；根据电压值和电流值计算当前电池模组的SOC值；根据负载要求的最低电压和电池模组的放电截止电压，计算每个并联电池支路所需电池模组的数量；根据本发明所提出的环流优化目标函数，采用纵横交叉优化算法求解可重构电池组中所有电池模组的最佳状态集合；通过可重构电池组电池的状态计算重构开关的对应状态，将重构开关的对应状态作为控制信号对可重构电池组的连接进行控制。本发明消除了电池模组之间的环流，提高了电能效率，延长了电池寿命。

Description

一种可重构电池组的无环流优化控制方法

技术领域

本发明涉及电池技术领域，更具体地，涉及一种可重构电池组的无环流优化控制方法。

背景技术

电池组在电动汽车、储能电源等场景被广泛使用。由于电池模组之间的差异性，以固定方式串并联的电池组的性能取决于其中最差的电池模组，在使用中容易造成过充或过放。因此，有学者提出可重构电池组来解决此问题。

传统的可重构电池组的控制方法是基于“能者多劳”的原则，即在电池组对外放电时，优先选出荷电状态(State-of-Charge，SOC)较高的一些电池模组，根据电路拓扑，将这些电池模组顺序串联形成支路，然后将多个支路并联对负载供电。“能者多劳”的控制方法，虽然能够优先使用SOC较高的电池模组，从而避免电池模组发生过度放电，但是并没有关注各并联支路的电压差导致的电池组内部环流问题。当多个支路并联时，总电压高的支路可能会对总电压低的支路进行充电，从而形成仅在各电池模组之间闭合的内部环流。可重构电池组内部各电池模组之间的相互充放电，会导致三个方面的不利影响：①增加内阻上的电能损耗，导致电能效率降低；②电池模组之间不必要的相互充放电导致循环寿命损耗；③高电压支路的电流较大，会引发局部过热，影响电池模组寿命。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的电池组配置方法电能效率和电池寿命降低的缺陷，提供一种可重构电池组的无环流优化控制方法。

本发明的首要目的是为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种可重构电池组的无环流优化控制方法，所述方法适用于可动态切换电池模组串并联方式及动态旁路电池模组的可重构电池组，包括以下步骤：

S1：采集当前时刻可重构电池组中所有电池模组的电压、电流数据，分别写入电压向量U_all＝[u₁,u₂,…,u_m]、电流向量I_all＝[i₁,i₂,…,i_m]，其中m为整个电池组中电池模组的数量；

S2：根据采集得到的电压向量和电流向量中的数据，计算当前时刻所有电池模组的SOC，得到SOC向量SOC_all＝[soc₁,soc₂,…,soc_m]；

S3：根据负载要求的最低电压u_min、电池模组的放电截止电压u_off，计算每个并联电池支路所需电池模组的数量p_s；

S4：根据环流优化目标函数F，采用纵横交叉优化算法求解可重构电池组中所有电池模组的最佳状态集合X_best＝[x_g1,x_g2,…,x_gm]；

S5：根据电池模组的最佳状态集合X_best＝[x_g1,x_g2,…,x_gm]，计算可重构电池组中所有重构开关的状态，控制重构开关。

本方案中，步骤S4中的环流优化目标函数F，具体为：

F＝min(α₁f₁+α₂f₂+α₃f₃+α₄f₄)

上式中，α₁、α₂、α₃、α₄为各项优化目标对应的权重系数，各项优化目标如下：

α₁表示第一个优化目标对应的权重系数，第一个优化目标是尽量构建更多的并联电池支路来减小整个可重构电池组的内阻损耗，第一优化目标函数具体设置为并联电池支路数量的倒数，表达式如下：

上式中，Z为并联电池支路的数量；

α₂表示第二个优化目标对应的权重系数，第二个优化目标是尽量减小各条并联电池支路之间的电压差来减小支路间的环流损耗，第二优化目标函数具体设置为各个并联电池支路电压与所有支路平均电压的方差之和，表达式如下：

上式中，

为第z条并联电池支路的总电压，u_j为第j个候选电池模组的电压，u_avg为所有并联电池支路总电压的平均值；

α₃表示第三个优化目标对应的权重系数，第三个优化目标是尽量令电压更高的电池模组投入运行来提高整个可重构电池组的持续供电能力，第三优化目标函数具体设置为负载要求的最低电压除以所有并联电池支路总电压的平均值，表达式如下：

上式中，u_min为维持负载正常运行所需的最低电压；

α₄表示第四个优化目标对应的权重系数，第四个优化目标用于应对随机选出的电池模组数J不等于支路串联电池模组数p_s整数倍的情况，第四优化目标函数具体设置为J个候选电池模组总电压与所有并联电池支路总电压之差除以维持负载正常运行所需的最低电压，表达式如下：

本方案中，步骤S4中采用纵横交叉优化算法求解可重构电池组中所有电池模组的最佳状态集合X_best＝[x_g1,x_g2,…,x_gm]的具体过程为：

S401：设置n个布尔向量X_k＝[x_k，1,x_k，2,…,x_k,m](k＝1,2,...,n)，并将其中全部变量随机初始化为0或1；令布尔向量X_k代表可重构电池组的第k种潜在电池状态集合，令其中的布尔变量x_k,i表示第k种潜在电池状态集合中第i号电池模组是否投入运行，即：

S402：对于布尔向量X_k(k＝1,2,...,n)，如果其中某个变量x_k,i的值为1，则定义该变量所对应的第i个电池模组为候选电池模组，查步骤S1所获得的电压向量U_all和步骤S2所获得的SOC向量SOC_all，将候选电池模组对应的变量u_i和soc_i提取出来，构造候选电池模组集合的电压向量和SOC向量如下：

其中，当候选电池模组的数量J_k不是并联电池支路所需电池模组数p_s的整数倍时，则J_k个电池模组中含有实际上不参与供电的电池模组；

S403：根据环流优化目标函数F，计算所有n个布尔向量的适应度值；

S404：对不符合实际系统运行约束条件的布尔向量X_k(k＝1,2,...,n)的适应度值进行处理如下：如果SOC_sk中有变量的值为0，代表存在供电电池模组的SOC为0的情况，令F_k＝+∞；如果并联电池支路中有支路的总电压u_zk不满足负载电压要求范围，也令F_k＝+∞；

S405：对所有布尔向量X_k＝[x_k，1,x_k，2,…,x_k,m](k＝1,2,...,n)进行迭代和更新，包括横向交叉迭代、纵向交叉迭代；

S406：判断迭代次数是否达到预定次数，没达到预定次数则跳转到步骤S405继续迭代，如果达到预定次数则输出当前的X_best＝[x_g1,x_g2,…,x_gm]。

本方案中，步骤S403所述的根据环流优化目标函数F，计算所有n个布尔向量的适应度值，具体步骤如下：

S403-1：将候选电池模组数J_k除以支路的串联电池模组数p_s，并向下取整，得到并联支路的数量Z_k，并计算第一优化目标函数如下：

S403-2：在候选电池模组集合中，按顺序依次将相邻的p_s个电池模组串联构成一个支路，从而形成Z_k条并联电池支路，剩余的(J_k-p_s·Z_k)个电池模组不投入运行，将每条并联支路的电池模组的电压求和得到u_zk(z＝1,2,...,Z_k)，接着计算所有并联支路总电压的平均值得到u_avgk，并计算第二优化目标函数如下：

S403-3：计算第三优化目标函数如下：

S403-4：计算第四优化目标函数如下：

S403-5：计算环流优化目标函数F的适应度值如下：

F_k＝min(α₁f_1,k+α₂f_2,k+α₃f_3,k+α₄f_4,k)。

本方案中，步骤S405所述的横向交叉迭代、纵向交叉迭代，具体步骤如下：

S405-1：随机选择2个布尔向量X_p和X_q，将它们的第d维变量x_p,d和x_q,d进行横向交叉迭代，计算出新的

和

进而产生新的个体

和

具体表达式为：

上式中，r₁和r₂为[0,1]之间的随机数，round表示四舍五入的取整运算。

S405-2：对于步骤S405-1产生的新个体

和

采用步骤S403计算环流优化目标函数的适应度值，并采用步骤S404对适应度值进行处理，得到新个体的适应度值

和

将新的适应度值分别与原来的适应度值F_p和F_q对比，将其中适应度值最小的个体保留在种群中；

S405-3：随机选择一个布尔向量X_w中的第d₁维和第d₂维变量，进行纵向交叉迭代，对X_w的第d₁维度的值进行更新，从而产生新的个体

具体表达式为：

上式中，r₃为[0,1]之间的随机数。

S405-4：对于步骤S405-3获得的新个体

采用步骤S403计算环流优化目标函数的适应度值，并采用步骤S404对适应度值进行处理，得到新个体的适应度值

将新的适应度值与原来的适应度值F_w对比，将其中适应度值最小的个体保留在种群中；

S405-4：将所有布尔向量中适应度值最小的向量，作为本轮纵横交叉迭代产生的最优解X_best＝[x_g1,x_g2,…,x_gm]。

本方案中，步骤S5中根据电池模组的最佳状态集合X_best＝[x_g1,x_g2,…,x_gm]，计算可重构电池组中所有重构开关的状态，其特征为：

S501：将可重构电池组中的所有重构开关按照其与相应电池模组的位置关系分类，构造重构开关向量如下：

上式中，L为每个电池模组对应的重构开关的数量，每个开关向量S_l(l＝1,2,...,L)中的所有开关变量对应同一类重构开关，即一个开关向量中的所有变量所对应的重构开关与相应的电池模组具有相同的位置关系，因此同一个开关向量对应的重构开关也具有相同的功能；如果具体电路中某些位置的重构开关不存在，可将开关向量中对应位置的变量设置为0；所述开关向量包括有：正端开关向量、负端开关向量、旁路开关向量、串接开关向量，其中，连接电池模组正极与负载正极之间的开关为正端开关，正端开关对应的向量为正端开关向量；连接电池模组负极与负载负极之间的开关为负端开关，负端开关对应的向量为负端开关向量；连接电池模组负极与相邻电池模组正极之间的开关为串接开关，串接开关对应的向量为串接开关向量；连接电池模组正极与相邻电池模组正极之间的开关为旁路开关，旁路开关对应的向量为旁路开关向量；

S502：按顺序依次搜索X_best＝[x_g1,x_g2,…,x_gm]中值为1的布尔变量，每当搜索到p_s个值为1的变量就进行分段，如此可将X_best划分为Z段，其中Z为并联电池支路的数量；

S503：在每一段中，令第一个值为1的布尔变量在正端开关向量中所对应的重构开关闭合，令最后一个值为1的布尔变量在负端开关向量中所对应的重构开关闭合，令每一段中间所有值为1的布尔变量在串接开关向量中所对应的重构开关闭合，令每一段中间所有值为0的布尔变量在旁路开关向量中所对应的重构开关闭合，令剩余重构开关全部断开。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明通过对适应度函数设计并利用纵横交叉算法进行优化处理，减少了电池模组的能量损耗、消除环流、提高了电池模组运行时间，进而提高了能量效率，延长电池寿命。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种可重构电池组的电路原理图。

图2为本发明一种可重构电池组的无环流优化控制方法流程图。

图3为纵横交叉算法流程图。

图4为电池开关编号示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

实施例1

如图1所示，为具体阐述本发明所适用的电池模组，本实施例提供了一种可重构电池组的电路，所述可重构电池组电路包括：负载、若干电池组，分别记为第一电池组、第二电池组…第m电池组，所述负载与电池组均并联连接，每个电池组之间均并联连接，其中每一个电池组中电池的正极通过开关S_1,m连接至回路正极，电池负极通过开关S_4,m连接至回路的负极，第一电池组至第m电池组，前一个电池组的电池负极通过可控开关S_3,m-1连接至后一个电池组的电池正极，每两个电池组的电池正极也通过可控开关S_2,m-1连接，m为正整数。每一个电池组的电池均连接有电流传感器和电压传感器。

在一个具体的实施例中，如图2所示，可重构电池组的无环流优化控制方法，包括以下步骤：

S1：采集当前时刻可重构电池组中所有电池模组的电压、电流数据，分别写入电压向量U_all＝[u₁,u₂,…,u_m]、电流向量I_all＝[i₁,i₂,…,i_m]，其中m为整个电池组中电池模组的数量；

S2：根据采集得到的电压向量和电流向量中的数据，计算当前时刻所有电池模组的SOC，得到SOC向量SOC_all＝[soc₁,soc₂,…,soc_m]；

S3：根据负载要求的最低电压u_min、电池模组的放电截止电压u_off，计算每个并联电池支路所需电池模组的数量p_s；

S4：根据环流优化目标函数F，采用纵横交叉优化算法求解可重构电池组中所有电池模组的最佳状态集合X_best＝[x_g1,x_g2,…,x_gm]；

S5：根据电池模组的最佳状态集合X_best＝[x_g1,x_g2,…,x_gm]，计算可重构电池组中所有重构开关的状态，控制重构开关。

在本方案中，步骤S4中的环流优化目标函数F，具体为：

F＝min(α₁f₁+α₂f₂+α₃f₃+α₄f₄)

上式中，α₁、α₂、α₃、α₄为各项优化目标对应的权重系数，各项优化目标如下：

α₁表示第一个优化目标对应的权重系数，第一个优化目标是尽量构建更多的并联电池支路来减小整个可重构电池组的内阻损耗，第一优化目标函数具体设置为并联电池支路数量的倒数，表达式如下：

上式中，Z为并联电池支路的数量；

α₂表示第二个优化目标对应的权重系数，第二个优化目标是尽量减小各条并联电池支路之间的电压差来减小支路间的环流损耗，第二优化目标函数具体设置为各个并联电池支路电压与所有支路平均电压的方差之和，表达式如下：

上式中，

为第z条并联电池支路的总电压，u_j为第j个候选电池模组的电压，u_avg为所有并联电池支路总电压的平均值；

α₃表示第三个优化目标对应的权重系数，第三个优化目标是尽量令电压更高的电池模组投入运行来提高整个可重构电池组的持续供电能力，第三优化目标函数具体设置为负载要求的最低电压除以所有并联电池支路总电压的平均值，表达式如下：

上式中，u_min为维持负载正常运行所需的最低电压；

α₄表示第四个优化目标对应的权重系数，第四个优化目标用于应对随机选出的电池模组数J不等于支路串联电池模组数p_s整数倍的情况，第四优化目标函数具体设置为J个候选电池模组总电压与所有并联电池支路总电压之差除以维持负载正常运行所需的最低电压，表达式如下：

在本方案中，如图3所示，步骤S4中采用纵横交叉优化算法求解可重构电池组中所有电池模组的最佳状态集合X_best＝[x_g1,x_g2,…,x_gm]的具体过程为：

S401：设置n个布尔向量X_k＝[x_k，1,x_k，2,…,x_k,m](k＝1,2,...,n)，并将其中全部变量随机初始化为0或1；令布尔向量X_k代表可重构电池组的第k种潜在电池状态集合，令其中的布尔变量x_k,i表示第k种潜在电池状态集合中第i号电池模组是否投入运行，即：

S402：对于布尔向量X_k(k＝1,2,...,n)，如果其中某个变量x_k,i的值为1，则定义该变量所对应的第i个电池模组为候选电池模组，查步骤S1所获得的电压向量U_all和步骤S2所获得的SOC向量SOC_all，将候选电池模组对应的变量u_i和soc_i提取出来，构造候选电池模组集合的电压向量和SOC向量如下：

其中，当候选电池模组的数量J_k不是并联电池支路所需电池模组数p_s的整数倍时，则J_k个电池模组中含有实际上不参与供电的电池模组；

S403：根据环流优化目标函数F，计算所有n个布尔向量的适应度值；

具体步骤如下：

S403-1：将候选电池模组数J_k除以支路的串联电池模组数p_s，并向下取整，得到并联支路的数量Z_k，并计算第一优化目标函数如下：

S403-2：在候选电池模组集合中，按顺序依次将相邻的p_s个电池模组串联构成一个支路，从而形成Z_k条并联电池支路，剩余的(J_k-p_s·Z_k)个电池模组不投入运行，将每条并联支路的电池模组的电压求和得到u_zk(z＝1,2,...,Z_k)，接着计算所有并联支路总电压的平均值得到u_avgk，并计算第二优化目标函数如下：

S403-3：计算第三优化目标函数如下：

S403-4：计算第四优化目标函数如下：

S403-5：计算环流优化目标函数F的适应度值如下：

F_k＝min(α₁f_1,k+α₂f_2,k+α₃f_3,k+α₄f_4,k)。

S404：对不符合实际系统运行约束条件的布尔向量X_k(k＝1,2,...,n)的适应度值进行处理如下：如果SOC_sk中有变量的值为0，代表存在供电电池模组的SOC为0的情况，令F_k＝+∞；如果并联电池支路中有支路的总电压u_zk不满足负载电压要求范围，也令F_k＝+∞；

S405：对所有布尔向量X_k＝[x_k，1,x_k，2,…,x_k,m](k＝1,2,...,n)进行迭代和更新，包括横向交叉迭代、纵向交叉迭代；

横向交叉迭代、纵向交叉迭代，具体步骤如下：

S405-1：随机选择2个布尔向量X_p和X_q，将它们的第d维变量x_p,d和x_q,d进行横向交叉迭代，计算出新的

和

进而产生新的个体

和

具体表达式为：

上式中，r₁和r₂为[0,1]之间的随机数，round表示四舍五入的取整运算。

S405-2：对于步骤S405-1产生的新个体

和

采用步骤S403计算环流优化目标函数的适应度值，并采用步骤S404对适应度值进行处理，得到新个体的适应度值

和

将新的适应度值分别与原来的适应度值F_p和F_q对比，将其中适应度值最小的个体保留在种群中；

S405-3：随机选择一个布尔向量X_w中的第d₁维和第d₂维变量，进行纵向交叉迭代，对X_w的第d₁维度的值进行更新，从而产生新的个体

具体表达式为：

上式中，r₃为[0,1]之间的随机数。

S405-4：对于步骤S405-3获得的新个体

采用步骤S403计算环流优化目标函数的适应度值，并采用步骤S404对适应度值进行处理，得到新个体的适应度值

将新的适应度值与原来的适应度值F_w对比，将其中适应度值最小的个体保留在种群中；

S405-4：将所有布尔向量中适应度值最小的向量，作为本轮纵横交叉迭代产生的最优解X_best＝[x_g1,x_g2,…,x_gm]。

S406：判断迭代次数是否达到预定次数，没达到预定次数则跳转到步骤S405继续迭代，如果达到预定次数则输出当前的X_best＝[x_g1,x_g2,…,x_gm]。

本方案中，步骤S5中根据电池模组的最佳状态集合X_best＝[x_g1,x_g2,…,x_gm]，计算可重构电池组中所有重构开关的状态，其特征为：

S501：将可重构电池组中的所有重构开关按照其与相应电池模组的位置关系分类，构造重构开关向量如下：

上式中，L为每个电池模组对应的重构开关的数量，每个开关向量S_l(l＝1,2,...,L)中的所有开关变量对应同一类重构开关，即一个开关向量中的所有变量所对应的重构开关与相应的电池模组具有相同的位置关系，因此同一个开关向量对应的重构开关也具有相同的功能；以L＝4的情况为例：将S₁定义为正端开关向量，将S₂定义为旁路开关向量，将S₃定义为串接开关向量，将S₄定义为负端开关向量；如果具体电路中某些位置的重构开关不存在，可将开关向量中对应位置的变量设置为0；

所述开关向量包括有：正端开关向量、负端开关向量、旁路开关向量、串接开关向量，其中，连接电池模组正极与负载正极之间的开关为正端开关，正端开关对应的向量为正端开关向量；连接电池模组负极与负载负极之间的开关为负端开关，负端开关对应的向量为负端开关向量；连接电池模组负极与相邻电池模组正极之间的开关为串接开关，串接开关对应的向量为串接开关向量；连接电池模组正极与相邻电池模组正极之间的开关为旁路开关，旁路开关对应的向量为旁路开关向量；

在一个具体的实施例中，如图4所示，1号开关为正端开关，4号开关为负端开关，3号开关为串接开关，2号开关旁路开关。

S502：按顺序依次搜索X_best＝[x_g1,x_g2,…,x_gm]中值为1的布尔变量，每当搜索到p_s个值为1的变量就进行分段，如此可将X_best划分为Z段，其中Z为并联电池支路的数量；

S503：在每一段中，令第一个值为1的布尔变量在正端开关向量中所对应的重构开关闭合，令最后一个值为1的布尔变量在负端开关向量中所对应的重构开关闭合，令每一段中间所有值为1的布尔变量在串接开关向量中所对应的重构开关闭合，令每一段中间所有值为0的布尔变量在旁路开关向量中所对应的重构开关闭合，令剩余重构开关全部断开。

下面以L＝4为例进行说明，如图4所示，每个电池对应4个开关。对任一电池模组中电池所对应的可控开关进行分类构建成数组，具体如下：

S1＝[S₁₁,S₁₂,…,S_1,m]

S2＝[0,S₂₂,…,S_2,m-1,0]

S3＝[S₃₁,S₃₂,…,S_3,m-1,0]

S4＝[S₄₁,S₄₂,…,S_4,m]

其中，电池模组中电池所对应的开关数没有4个的，数组中元素则用0代替；

每个数组的大小为1×m，其中S1、S2、S3、S4分别为1/2/3/4号位开关，其对应的开关控制信号如下：

CS＝[CS1CS2CS3CS4]^T

CS1＝[CS₁₁,CS₁₂,…,CS_1,m]

CS2＝[0,CS₂₂,…,CS_2,m-1,0]

CS3＝[CS₃₁,CS₃₂,…,CS_3,m-1,0]

CS1＝[CS₄₁,CS₄₂,…,CS_4,m]

其中，CS_ij表示可控开关S_ij的状态，

将电池最佳状态集合X_best转化为开关状态CS的具体步骤如下:

对电池最佳状态集合X_best分割，分割方法如下：第1个为1的元素到第p_s个为1的元素及其中间的元素为一个数组X_b,1，第p_s+1个为1的元素到第2*p_s元素及其中间的元素为一个数组X_b,2，依次类推，总共有Z个数组，其中Z为正整数；

可知，每个数组的长度不一致，其中为1的元素个数都是p_s；

将数组X_b,i中第一个为1的元素x_i1,闭合其的1号位S_i1,1、3号位开关S_i1,3，所以CS_i1,1＝1、CS_i1,3＝1，2、4号开关断开；将数组X_b,i中最后一个为1的元素x_ips，闭合其4号位开关S_ips,4，即CS_ips,4＝1，其他号位开关断开；将数组中其他为1的元素，闭合其电池对应的3号位开关，其他号位开关断开；将数组中为0的元素，闭合其电池的2号开关，其他号位开关断开；

将X_best中没有被分到数组的元素，其对应的4个开关全部断开。

本发明通过将电池状态对应到开关状态，能够使用最少的开关实现控制系统要求的电池连接方式，从而减少了能量在开关上的损失。

在一个具体实施例中，如p_s＝3，X_best＝[0,1,1,0,1,0,1,1,1,1]则按照上述分段方法具体过程为：

集合X_best中共10个元素分别对应10个电池，根据顺序依次记为1号电池、2号电池、3号电池、4号电池、5号电池、6号电池、7号电池、8号电池、9号电池、10号电池。

①对电池最佳状态集合X_best进行分割得到如下两个数组：

X_b,1＝[x₂,x₃,x₄,x₅]＝[1,1,0,1]

X_b,2＝[x₇,x₈,x₉]＝[1,1,1]

其中10号电池虽然为1，但是不足p_s个，所以实际上不参与供电。

②对于X_b,1中第一个为1的电池，即2号电池，闭合1号位S₂₁、3号位开关S₂₃，所以CS_i1,1＝1、CS_i1,3＝1，2、4号开关断开；对于X_b,1中最后一个为1的电池，即5号电池，闭合其4号位开关S₅₄，即CS₅₄＝1，其他号位开关断开；对于中间为1的电池，即3号电池，闭合其3号位开关S₃₃，所以CS₃₃＝1；对于X_b,1中，其他为0的元素，即4号电池，闭合其2号开关S₄₂，即CS₄₂＝1；闭合上述的开关，X_b,1中电池对应的其它号位开关断开，即可实现2号、3号、5号电池的串联。同理对X_b,2中的电池进行此操作。即可实现7号、8号、9号电池的串联，此时两条路径也并联在一起。

③对于不在数组的其它电池，如1号、6号、10号电池，则其对应的开关全部断开。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种可重构电池组的无环流优化控制方法，所述方法适用于可动态切换电池模组串并联方式及动态旁路电池模组的可重构电池组，其特征在于，包括以下步骤：

S1：采集当前时刻可重构电池组中所有电池模组的电压、电流数据，分别写入电压向量U_all＝[u₁,u₂,…,u_m]、电流向量I_all＝[i₁,i₂,…,i_m]，其中m为整个电池组中电池模组的数量；

S2：根据采集得到的电压向量和电流向量中的数据，计算当前时刻所有电池模组的SOC，得到SOC向量SOC_all＝[soc₁,soc₂,…,soc_m]；

S3：根据负载要求的最低电压u_min、电池模组的放电截止电压u_off，计算每个并联电池支路所需电池模组的数量p_s；

S4：根据环流优化目标函数F，采用纵横交叉优化算法求解可重构电池组中所有电池模组的最佳状态集合X_best＝[x_g1,x_g2,…,x_gm]，步骤S4中的环流优化目标函数F，具体为：

F＝min(α₁f₁+α₂f₂+α₃f₃+α₄f₄)

上式中，α₁、α₂、α₃、α₄为各项优化目标对应的权重系数，各项优化目标如下：

α₁表示第一个优化目标对应的权重系数，第一优化目标函数具体设置为并联电池支路数量的倒数，表达式如下：

上式中，Z为并联电池支路的数量；

α₂表示第二个优化目标对应的权重系数，第二优化目标函数具体设置为各个并联电池支路电压与所有支路平均电压的方差之和，表达式如下：

上式中，

为第z条并联电池支路的总电压，u_j为第j个候选电池模组的电压，u_avg为所有并联电池支路总电压的平均值；

α₃表示第三个优化目标对应的权重系数，第三优化目标函数具体设置为负载要求的最低电压除以所有并联电池支路总电压的平均值，表达式如下：

上式中，u_min为维持负载正常运行所需的最低电压；

α₄表示第四个优化目标对应的权重系数，第四优化目标函数具体设置为J个候选电池模组总电压与所有并联电池支路总电压之差除以维持负载正常运行所需的最低电压，表达式如下：

S5：根据电池模组的最佳状态集合X_best＝[x_g1,x_g2,…,x_gm]，计算可重构电池组中所有重构开关的状态，控制重构开关。

2.根据权利要求1所述的一种可重构电池组的无环流优化控制方法，其特征在于，步骤S4中采用纵横交叉优化算法求解可重构电池组中所有电池模组的最佳状态集合X_best＝[x_g1,x_g2,…,x_gm]的具体过程为：

S401：设置n个布尔向量X_k＝[x_k，1,x_k，2,…,x_k,m](k＝1,2,...,n)，并将其中全部变量随机初始化为0或1；令布尔向量X_k代表可重构电池组的第k种潜在电池状态集合，令其中的布尔变量x_k,i表示第k种潜在电池状态集合中第i号电池模组是否投入运行，即：

S402：对于布尔向量X_k(k＝1,2,...,n)，如果其中某个变量x_k,i的值为1，则定义该变量所对应的第i个电池模组为候选电池模组，查步骤S1所获得的电压向量U_all和步骤S2所获得的SOC向量SOC_all，将候选电池模组对应的变量u_i和soc_i提取出来，构造候选电池模组集合的电压向量和SOC向量如下：

其中，当候选电池模组的数量J_k不是并联电池支路所需电池模组数p_s的整数倍时，则J_k个电池模组中含有实际上不参与供电的电池模组；

S403：根据环流优化目标函数F，计算所有n个布尔向量的适应度值；

S404：对不符合实际系统运行约束条件的布尔向量X_k(k＝1,2,...,n)的适应度值进行处理如下：如果SOC_sk中有变量的值为0，代表存在供电电池模组的SOC为0的情况，令F_k＝+∞；如果并联电池支路中有支路的总电压u_zk不满足负载电压要求范围，也令F_k＝+∞；

S405：对所有布尔向量X_k＝[x_k，1,x_k，2,…,x_k,m](k＝1,2,...,n)进行迭代和更新，包括横向交叉迭代、纵向交叉迭代；

S406：判断迭代次数是否达到预定次数，没达到预定次数则跳转到步骤S405继续迭代，如果达到预定次数则输出当前的X_best＝[x_g1,x_g2,…,x_gm]。

3.根据权利要求2所述的一种可重构电池组的无环流优化控制方法，其特征在于，步骤S403所述的根据环流优化目标函数F，计算所有n个布尔向量的适应度值，具体步骤如下：

S403-1：将候选电池模组数J_k除以支路的串联电池模组数p_s，并向下取整，得到并联支路的数量Z_k，并计算第一优化目标函数如下：

S403-2：在候选电池模组集合中，按顺序依次将相邻的p_s个电池模组串联构成一个支路，从而形成Z_k条并联电池支路，剩余的(J_k-p_s·Z_k)个电池模组不投入运行，将每条并联支路的电池模组的电压求和得到u_zk(z＝1,2,...,Z_k)，接着计算所有并联支路总电压的平均值得到u_avgk，并计算第二优化目标函数如下：

S403-3：计算第三优化目标函数如下：

S403-4：计算第四优化目标函数如下：

S403-5：计算环流优化目标函数F的适应度值如下：

F_k＝min(α₁f_1,k+α₂f_2,k+α₃f_3,k+α₄f_4,k)。

4.根据权利要求2所述的一种可重构电池组的无环流优化控制方法，其特征在于，步骤S405所述的横向交叉迭代、纵向交叉迭代，具体步骤如下：

S405-1：随机选择2个布尔向量X_p和X_q，将它们的第d维变量x_p,d和x_q,d进行横向交叉迭代，计算出新的

和

进而产生新的个体

和

具体表达式为：

上式中，r₁和r₂为[0,1]之间的随机数，round表示四舍五入的取整运算；

S405-2：对于步骤S405-1产生的新个体

和

采用步骤S403计算环流优化目标函数的适应度值，并采用步骤S404对适应度值进行处理，得到新个体的适应度值

和

将新的适应度值分别与原来的适应度值F_p和F_q对比，将其中适应度值最小的个体保留在种群中；

S405-3：随机选择一个布尔向量X_w中的第d₁维和第d₂维变量，进行纵向交叉迭代，对X_w的第d₁维度的值进行更新，从而产生新的个体

具体表达式为：

上式中，r₃为[0,1]之间的随机数；

S405-4：对于步骤S405-3获得的新个体

采用步骤S403计算环流优化目标函数的适应度值，并采用步骤S404对适应度值进行处理，得到新个体的适应度值

将新的适应度值与原来的适应度值F_w对比，将其中适应度值最小的个体保留在种群中；

S405-4：将所有布尔向量中适应度值最小的向量，作为本轮纵横交叉迭代产生的最优解X_best＝[x_g1,x_g2,…,x_gm]。

5.根据权利要求1所述的一种可重构电池组的无环流优化控制方法，其特征在于，步骤S5中根据电池模组的最佳状态集合X_best＝[x_g1,x_g2,…,x_gm]，计算可重构电池组中所有重构开关的状态，其特征为：

S501：将可重构电池组中的所有重构开关按照其与相应电池模组的位置关系分类，构造重构开关向量如下：

上式中，L为每个电池模组对应的重构开关的数量，每个开关向量S_l(l＝1,2,...,L)中的所有开关变量对应同一类重构开关，即一个开关向量中的所有变量所对应的重构开关与相应的电池模组具有相同的位置关系，因此同一个开关向量对应的重构开关也具有相同的功能；如果具体电路中某些位置的重构开关不存在，可将开关向量中对应位置的变量设置为0；所述开关向量包括有：正端开关向量、负端开关向量、旁路开关向量、串接开关向量，其中，连接电池模组正极与负载正极之间的开关为正端开关，正端开关对应的向量为正端开关向量；连接电池模组负极与负载负极之间的开关为负端开关，负端开关对应的向量为负端开关向量；连接电池模组负极与相邻电池模组正极之间的开关为串接开关，串接开关对应的向量为串接开关向量；连接电池模组正极与相邻电池模组正极之间的开关为旁路开关，旁路开关对应的向量为旁路开关向量；

S502：按顺序依次搜索X_best＝[x_g1,x_g2,…,x_gm]中值为1的布尔变量，每当搜索到p_s个值为1的变量就进行分段，如此可将X_best划分为Z段，其中Z为并联电池支路的数量；

S503：在每一段中，令第一个值为1的布尔变量在正端开关向量中所对应的重构开关闭合，令最后一个值为1的布尔变量在负端开关向量中所对应的重构开关闭合，令每一段中间所有值为1的布尔变量在串接开关向量中所对应的重构开关闭合，令每一段中间所有值为0的布尔变量在旁路开关向量中所对应的重构开关闭合，令剩余重构开关全部断开。

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