基于时序预测的换电柜电池集群均衡充电管理系统的制作方法

本发明涉及换电柜充电管理，具体为基于时序预测的换电柜电池集群均衡充电管理系统。

背景技术：

1、换电柜作为微型电动车的能源补给设备，内部布置有多个物理仓位，通过电源转换模块为仓内电池补充电量，现有的换电柜在执行集群充电任务时，普遍依据单一电池当前的荷电状态以及系统设定的业务优先级来分配充电功率，以保证低电量电池能够优先获得能量补充。

2、现有的充电管理控制算法在处理多仓位并发充电业务时存在技术局限性，控制系统将各个电池视为独立的控制节点，未结合物理结构评估相邻仓位之间存在的空间传热叠加效应，当多个仓位同时执行大功率充电时，机柜内部会产生严重的热量聚集，并且，现有系统在输出充电电流时没有结合电池内部的电化学极化状态进行互斥管控，部分电池在未完成静置去极化的情况下被持续施加电流激励，引发电池单体内部的极化损伤。

3、同时，在环境温度过高的工况下，现有算法会因为温度约束与业务需求的冲突导致计算失效，系统缺乏底层运算逻辑的容错与降级控制机制。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了基于时序预测的换电柜电池集群均衡充电管理系统，解决了现有换电柜并发充电时未考虑空间热耦合效应与电化学极化状态，导致局部热量聚集与电池极化损伤的问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：基于时序预测的换电柜电池集群均衡充电管理系统，系统包括：

3、数据评估模块，用于读取荷电状态数据、端电压数据与表面温度数据，接收预期换出时间戳计算换电紧迫度指数；

4、热辨识模块，用于接收所述表面温度数据，提取有效温升数据并更新空间热耦合阻抗矩阵；

5、极化约束模块，用于接收所述空间热耦合阻抗矩阵与所述端电压数据，提取交叉极化松弛度并在达到基于静置特性限定的平稳斜率阈值前生成充电锁相约束标志位；

6、决策执行模块，用于汇集所述换电紧迫度指数、所述空间热耦合阻抗矩阵与所述充电锁相约束标志位求解混合整数二次规划模型，输出最优离散控制向量驱动直流电源转换设备。

7、系统通过建立换电紧迫度与空间热耦合阻抗模型，结合交叉极化松弛度状态，将物理与电化学约束纳入混合整数二次规划模型中进行全局寻优，在保证换电业务连续性的前提下，实现对电池集群温升与极化损伤的抑制。

8、进一步地，所述数据评估模块将基于充放电安全区间规范限定的目标满充荷电状态阈值与当前实际荷电状态数据相减得到电量缺口值，将所述预期换出时间戳与系统实时时间的差值作为物理剩余时间窗，所述数据评估模块对所述电量缺口值与所述物理剩余时间窗执行除法运算得到所述换电紧迫度指数。

9、通过量化单位时间窗内需要补充的电量缺口，构建时间与充电需求的映射关系，为决策模型提供业务优先级的数值输入。

10、进一步地，所述数据评估模块在判定未能接收到云端下发的预期换出时间序列导致缺少所述预期换出时间戳时，调用本地预存固定参考时长与所述系统实时时间相加得到所述预期换出时间戳，并在所述系统实时时间大于或等于所述预期换出时间戳导致所述物理剩余时间窗小于或等于零时执行跳跃指令拦截除法运算逻辑，将所述换电紧迫度指数赋予硬件支持的最大浮点常数峰值点。

11、配置用于处理通信中断或时间戳倒挂异常，通过极值替代与逻辑拦截，防止微处理器产生除零溢出错误，维持系统运算连续性。

12、进一步地，所述热辨识模块将所述决策执行模块下发的脉冲充电指令设定为触发条件，记录物理仓位充电脉冲起始时刻的基准温度，启动包含物理滞后常数的异步热观测时间窗，在所述异步热观测时间窗内持续遍历输入端数据流提取所述表面温度的峰值数据，将所述峰值数据与所述基准温度相减得到所述有效温升数据。

13、结合热传导的物理迟滞特性，系统采用异步时间窗捕获热响应峰值，剔除环境温度波动的背景干扰，获取反映内部发热状态的有效温升数据。

14、进一步地，所述热辨识模块提取所述异步热观测时间窗内的充电脉冲激励功率作为输入向量数据，提取对应的所述有效温升数据作为标签输出数据，将所述输入向量数据与所述标签输出数据在系统内存中累加形成具有时间序列相关性的历史观测数据集，将所述历史观测数据集连续代入增益矩阵与协方差矩阵中进行迭代反馈运算得到新的所述空间热耦合阻抗矩阵元素。

15、配置利用输入激励与输出响应的闭环反馈进行在线参数辨识，使阻抗矩阵动态跟踪环境变化或设备老化带来的传热特性偏移。

16、进一步地，所述极化约束模块遍历所述空间热耦合阻抗矩阵内各个元素并将提取的元素值与结合换电柜硬件结构设定的强耦合物理阈值进行比对，当任意两个物理仓位间的所述元素值大于或等于所述强耦合物理阈值时判定所述两个物理仓位间存在强耦合关系，针对判定存在强耦合关系且处于充电间歇期的休眠电池连续读取所述端电压数据并按照时间先后顺序存入先进先出存储队列中构建滑动采样窗口。

17、通过量化相邻物理仓位间的传热阻抗，识别具有传热风险的节点，并对关联休眠电池进行状态监控，为极化分析提供基础数据。

18、进一步地，所述极化约束模块在判定所述滑动采样窗口填满所述端电压数据后，读取离散时间采样点与对应的所述端电压数据作为二维坐标系中的基础原始数据节点，调用一元线性回归算法提取拟合生成直线的斜率数值充当所述交叉极化松弛度，在所述交叉极化松弛度绝对值大于或等于所述平稳斜率阈值时将所述充电锁相约束标志位置为逻辑高电平。

19、利用电压回落斜率表征电化学极化的消除速率，通过设置锁相约束限制未完成去极化电池的再次充电，防止连续充放电引发的电池损伤。

20、进一步地，所述决策执行模块将所述空间热耦合阻抗矩阵映射为所述混合整数二次规划模型中惩罚并发热叠加效应的基础热惩罚项参数，所述混合整数二次规划模型的目标函数由表征业务需求优先级的紧迫度一次项与表征物理温升风险的空间热耦合二次惩罚项相减构成，在内部微处理器中调用预置的数学解析库建立针对离散控制变量的数学寻优空间。

21、将多目标管理问题转化为数学解析模型，通过一次项保证充电进度，通过二次惩罚项抑制相邻仓位并发大功率充电产生的热量聚集。

22、进一步地，所述决策执行模块将各个运行物理仓位的充电功率总和强制约束在配电变压器最大可用馈电功率总额度内，依据电池管理系统读取的节点安全温度降额上限阈值与所述充电锁相约束标志位建立温度预测约束与极化互斥约束压入所述混合整数二次规划模型求解域中，在所述充电锁相约束标志位为逻辑高电平时强制限制物理仓位对应的所述离散控制变量取值为数字零。

23、在求解域中施加物理与电化学边界条件，确保输出的控制策略满足全局电网容量限制，兼顾电池单体的温度与状态安全。

24、进一步地，所述决策执行模块调用分支定界算法在限定运算时间内输出所述最优离散控制向量，在求解器返回无可行解的算法死区问题发生时，调用写入程序内的安全回退指令强制将所有所述离散控制变量赋予数字零执行全局待机降温动作，将所述最优离散控制向量解析转化为通信控制报文控制所述直流电源转换设备。

25、引入死区处理与安全回退机制，确保在数学模型无可行解的边界工况下系统能够降级至待机状态，避免高温环境下的设备损坏风险。

26、本发明提供了基于时序预测的换电柜电池集群均衡充电管理系统。具备以下有益效果：

27、1、本发明通过数据评估模块计算电量缺口与物理剩余时间窗的除法运算结果，客观量化各个物理仓位电池的换电紧迫度，针对通信中断导致预期换出时间戳缺失或系统时间倒挂的异常情况，系统引入极值替代与跳跃指令拦截逻辑，防止底层微处理器发生除零溢出错误，保证充电管理系统在通信异常状态下的运算连续性。

28、2、本发明通过热辨识模块提取有效温升数据更新空间热耦合阻抗矩阵，并由极化约束模块提取交叉极化松弛度生成充电锁相约束标志位，控制策略量化相邻物理仓位间的传热叠加影响，并利用电压回落斜率限制未完成去极化电池的再次充电动作，在调度多仓位并发充电业务的同时，抑制电池集群内部的局部热量聚集与电化学极化损伤。

29、3、本发明通过决策执行模块将紧迫度指数、热耦合阻抗与锁相约束标志位引入混合整数二次规划模型，在总馈电功率额度和节点安全温度的边界条件下输出离散控制向量，同时系统配置安全回退指令，在工况导致求解器进入无可行解的死区状态时，强制执行全局待机降温，避免系统在算法失效状态下持续运行带来的设备热失控风险。