基于多智能体博弈的电池均衡管理方法及系统

1.本发明涉及优化算法技术领域，具体地，涉及一种基于多智能体博弈的电池均衡管理方法及系统。


背景技术：

2.储能电池和电动汽车动力电池是能源结构转型和推动绿色交通发展的关键设备。储能电池和电动汽车动力电池均通过大规模单体电池的串并联成组来满足较大的容量需求和较高的电压需求。由于“木桶原理”的限制，整个电池组的性能受制于每个单体电池。而单体电池在制造工艺、工作温度、放电深度等方面不可避免的存在一定程度的差异，在充放电过程中产生电压和荷电状态的不一致性问题可能导致电池失火、老化加速等后果，严重影响电池性能。因此单体电池或电池组的状态需要电池管理系统(battery management system，bms)中的电池均衡管理器(batterybalancing system，bbs)进行均衡控制，使电池端压或荷电状态趋于一致，进而提升电池工作性能，延长电池的使用寿命。
3.从能量的耗散和转移角度来看，各种均衡方法可分为两大类：主动均衡和被动均衡。被动均衡是在电池充电过程中，通过单体电池并联电阻或开关器件分流来抑制单体电池电压的上升。它是一种被动的耗能均衡方案，均衡电流小，均衡时间长，均衡过程中由于能量的消耗而产生热量。但由于均衡电路简单易实现，在单体电池不一致程度比较轻的场合选用此均衡方案可以起到一定的均衡效果。主动均衡主要是利用电容、电感或者变压器作为储能或能量传输元件，通过开关器件使能量在单体电池与单体电池之间或单体电池与电池组之间进行能量转移。理想情况下它是一种非能耗的均衡方案，但在实际应用中由于开关器件的开关损耗，因此均衡过程中也有少量的能量损耗在均衡电路中。
4.专利文献cn113394840a公开了一种储能电池电量智能均衡控制方法及系统，包括：计算各储能电池的剩余电量，获得所有储能电池的平均预期剩余电量；将每一个储能电池的剩余电量与平均预期剩余电量相比较，通过纳什均衡方法求得每一个储能电池所采取的最优充放电策略；基于所述最优充放电策略进行电池能量均衡。但该方法将每一个储能电池的剩余电量与平均预期剩余电量相比较，并未能解决单体电池的不一致性对于对整个电池组可用容量的影响的问题。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于多智能体博弈的电池均衡管理方法及系统。
6.根据本发明提供的一种基于多智能体博弈的电池均衡管理方法，包括：
7.步骤1：根据电池组中每个单体电池的衰减数据和当前电量数据，确定每个单体电池的荷电状态数据；
8.步骤2：根据每个单体电池的荷电状态数据与电池组中其余单体电池的荷电状态数据的差值，通过纳什均衡方法得到电池组中每个单体电池的充放电策略；
9.步骤3：根据充放电策略进行电池均衡管理。
10.优选地，步骤1，包括：
11.步骤101：通过每个单体电池的当前状态数据和历史状态数据，得到衰减数据和当前电量数据；
12.步骤102：根据衰减数据和当前电量数据，确定每个单体电池的荷电状态数据。
13.优选地，步骤101，还包括：
14.步骤1011：将当前状态数据和历史状态数据，输入人工神经网络，以得到人工神经网络输出的衰减数据和当前电量数据。
15.优选地，其特征在于，步骤2，包括：
16.步骤201：根据每个单体电池的荷电状态数据与电池组中其余单体电池的荷电状态数据的差值，获得每个单体电池的效用函数；
17.步骤202：通过纳什均衡方法和效用函数，得到电池组中每个单体电池的充放电策略。
18.优选地，步骤202，包括：
19.步骤2021：通过纳什均衡方法，根据预设约束条件对，得到效用函数的纳什均衡解；
20.步骤2022：根据纳什均衡解，得到电池组中每个单体电池的充放电策略。
21.根据本发明提供的一种基于多智能体博弈的电池均衡管理系统，包括：
22.模块m1：根据电池组中每个单体电池的衰减数据和当前电量数据，确定每个单体电池的荷电状态数据；
23.模块m2：根据每个单体电池的荷电状态数据与电池组中其余单体电池的荷电状态数据的差值，通过纳什均衡方法得到电池组中每个单体电池的充放电策略；
24.模块m3：根据充放电策略进行电池均衡管理。
25.优选地，模块m1，包括：
26.子模块m101：通过每个单体电池的当前状态数据和历史状态数据，得到衰减数据和当前电量数据；
27.子模块m102：根据衰减数据和当前电量数据，确定每个单体电池的荷电状态数据。
28.优选地，子模块m101，还包括：
29.单元d1011：将当前状态数据和历史状态数据，输入人工神经网络，以得到人工神经网络输出的衰减数据和当前电量数据。
30.优选地，模块m2，包括：
31.子模块m201：根据每个单体电池的荷电状态数据与电池组中其余单体电池的荷电状态数据的差值，获得每个单体电池的效用函数；
32.子模块m202：通过纳什均衡方法和效用函数，得到电池组中每个单体电池的充放电策略。
33.优选地，子模块m202，包括：
34.单元d2021：通过纳什均衡方法，根据预设约束条件对，得到效用函数的纳什均衡解；
35.单元d2022：根据纳什均衡解，得到电池组中每个单体电池的充放电策略。
36.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
37.1、本发明通过纳什均衡方法对效用函数进行求解，得到每个单体电池的充放电策略，减小了单体电池的不一致性对整个电池组可用容量的影响，提高了能量利用率。
38.2、本发明通过纳什均衡方法实现对电池的有效均衡，减少电池循环次数，从而延长电池寿命。
39.3、本发明在不增加额外功率器件与电路情况下，实现电池电量的均衡同时可以对电池电量与电池健康状态进行在线检测，辅助电池管理系统进行电池均衡操作。
附图说明
40.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
41.图1为本发明的流程示意图；
42.图2为本发明的电池状态估计的结构示意图；
43.图3a为本发明的第一电池均衡管理的示意图；
44.图3b为本发明的第二电池均衡管理的示意图；
45.图4为本发明的电池均衡管理系统的结构示意图。
具体实施方式
46.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
47.图1为本发明的流程示意图，如图1所示，本发明提供了一种基于多智能体博弈的电池均衡管理方法，包括如下步骤：
48.步骤1：根据电池组中每个单体电池的衰减数据和当前电量数据，确定每个单体电池的荷电状态数据。
49.其中，荷电状态(state of charge，soc)，用来反映电池的剩余容量，其数值上定义为剩余容量占电池容量的比值，常用百分数表示。其取值范围为0-1。
50.本发明中根据每个单体电池的衰减数据和当前电量数据，确定每个单体电池的荷电状态数据。
51.其中，衰减数据表征当前电池的总容量衰减情况；当前电量数据表征电池的实际电量。
52.优选地，步骤1，包括：步骤101：通过每个单体电池的当前状态数据和历史状态数据，得到衰减数据和当前电量数据；步骤102：根据衰减数据和当前电量数据，确定每个单体电池的荷电状态数据。
53.其中，当前状态数据包括电池的电压、电流、温度和放电模式等数据；历史状态数据包括充放电电量、循环次数、工作条件等数据。
54.优选地，步骤101，还包括：步骤1011：将当前状态数据和历史状态数据，输入人工神经网络，以得到人工神经网络输出的衰减数据和当前电量数据。
55.图2为本发明的电池状态估计的结构示意图，如图2所示，通过测量获得电池的当前状态数据，包括电压数据、电流数据和温度数据；电池测得的历史状态数据，包括充放电电量，循环次数和工作条件；将历史状态数据输入缓存单元作为电池历史参数，将当前状态数据和电池历史参数输入人工神经网络，从而得到电池的衰减数据和当前电量数据，同时将反应电池当前电量的当前电量数据和人工神经网络的训练参数发送到缓存单元进行保存，用于后续衰减数据和当前电量数据的获取。
56.可以知道的是，准确获得电池状态是进行电池均衡管理的前提。本发明采用基于人工智能的算法，通过测量电池电压、电流、温度和放电模式等参数，综合评估出当前电池的总容量衰减情况以及实际电量。相比现有技术，可以更准确的得到电池的当前状态数据。
57.步骤2：根据每个单体电池的荷电状态数据与电池组中其余单体电池的荷电状态数据的差值，通过纳什均衡方法得到电池组中每个单体电池的充放电策略。
58.具体地，根据每个单体电池与其余单体电池的荷电状态数据的差值，确定每个单体电池与其余单体电池的差异，通过将差异最小化，实现电池均衡管理。
59.优选地，步骤2，包括：步骤201：根据每个单体电池的荷电状态数据与电池组中其余单体电池的荷电状态数据的差值，获得每个单体电池的效用函数；步骤202：通过纳什均衡方法和效用函数，得到电池组中每个单体电池的充放电策略。
60.具体地，基于多智能体的博弈论，对各个单体电池进行电池效用评估。每个单体电池的效用函数定义为，最小化为与相邻的电池的状态差异。分析电池效用评估问题的纳什均衡点，当所有单体电池状态最接近时，电池组达到均衡状态，每个单体电池也实现了其最小效用函数的目标。
61.优选地，步骤202，包括：步骤2021：通过纳什均衡方法，根据预设约束条件对，得到效用函数的纳什均衡解；步骤2022：根据纳什均衡解，得到电池组中每个单体电池的充放电策略。
62.图3a为本发明的第一电池均衡管理的示意图，图3b为本发明的第二电池均衡管理的示意图，如图3a和图3b所示，包括，单体电池#1、单体电池#2、单体电池#3、单体电池#4、单体电池#5、
…
、单体电池#n，其中，n为电池组中单体电池的总数量。设置各个单体电池的初始soc为当前电池组需要提供的功率为p，各个单体电池容量为ci，则对于每个单体电池，其效用函数可以表示为公式(1)：
[0063][0064]
其中，i,k为整数；i表示整数；α表示权重系数，t为正数，表示时间,pi表示第i个电梯电池提供的功率。
[0065]
具体地，公式(1)中的第一部分表示第i个单体电池与其余单体电池的荷电状态数据(soc)差值的相反数，第二部分表示第i个单体电池最大化充放电成本的相反数。
[0066]
进一步地，效用函数需要满足预设约束条件，预设约束条件可以通过公式(2) 和公式(3)表示：
[0067]
∑
i∈i
pi＝p；
ꢀꢀꢀ
(2)
[0068]
[0069]
即电池组中所有单体电池提供的总功率为p，各电池的soc变化与功率相关。
[0070]
可以知道的是，上述公式(1)、公式(2)和公式(3)构成了一个广义斯塔伯格博弈问题，该问题存在纳什均衡解，即各个单体电池达到电量相同的均衡状态。通过迭代的方式求解，即可得到各个单体电池的最优充放电功率，通过主动均衡系统进行调控。在下一时刻，测量电池soc，并由新的所需功率得到新的纳什均衡点，即可依次得到后续每个时刻电池充放电功率，形成稳定的电池电量均衡。最终结果如图3b所示。
[0071]
从图3a和如3b中可以看出，电池的电压数据可分为1.5v、3.0v、3.6v和4.4v，其中，电池正常工作的电压范围是3.0v-3.6v，图3a中各个单体电池的总容量差异很大，这会加速单体电池老化，甚至会引起爆炸和失火的情况发生，图3b为通过本发明的基于多智能体博弈的电池均衡管理方法达到均衡后各个单体电池的工作状态，各个单体电池均衡的工作在电池正常工作的电压范围内，各个单体电池的荷电状态数据差异小。
[0072]
步骤3：根据充放电策略进行电池均衡管理。
[0073]
具体地，根据充放电策略，进行电池充放电管理来实现电池主动均衡。通过优化电池充放电时序，减少电池均衡中的回路损耗。
[0074]
本发明提供了一种基于多智能体博弈的电池均衡管理系统，包括：
[0075]
模块m1：根据电池组中每个单体电池的衰减数据和当前电量数据，确定每个单体电池的荷电状态数据。
[0076]
优选地，模块m1，包括：子模块m101：通过每个单体电池的当前状态数据和历史状态数据，得到衰减数据和当前电量数据；子模块m102：根据衰减数据和当前电量数据，确定每个单体电池的荷电状态数据。
[0077]
优选地，子模块m101，还包括：单元d1011：将当前状态数据和历史状态数据，输入人工神经网络，以得到人工神经网络输出的衰减数据和当前电量数据。
[0078]
模块m2：根据每个单体电池的荷电状态数据与电池组中其余单体电池的荷电状态数据的差值，通过纳什均衡方法得到电池组中每个单体电池的充放电策略。
[0079]
优选地，模块m2，包括：子模块m201：根据每个单体电池的荷电状态数据与电池组中其余单体电池的荷电状态数据的差值，获得每个单体电池的效用函数；子模块m202：通过纳什均衡方法和效用函数，得到电池组中每个单体电池的充放电策略。
[0080]
优选地，子模块m202，包括：单元d2021：通过纳什均衡方法，根据预设约束条件对，得到效用函数的纳什均衡解；单元d2022：根据纳什均衡解，得到电池组中每个单体电池的充放电策略。
[0081]
模块m3：根据充放电策略进行电池均衡管理。
[0082]
图4为本发明的电池均衡管理系统的结构示意图，如图4所示，多智能体博弈的电池均衡管理系统，包括：电池状态估计，电池效用功能评估和电池充放电管理三部分。其中，电池状态估计用于获得电池的荷电状态数据，准确获得电池的荷电状态数据是进行电池均衡管理的前提。本发明采用基于人工智能的算法，通过测量单体电池的电压、电流、温度和放电模式等参数，综合评估出当前单体电池的总容量衰减情况以及实际电量。从单体电池测得的历史状态数据，包括充放电电量，循环次数和工作条件输入缓存单元作为历史参数信息，同时电池的当前状态数据包括电压，电流，温度输入人工神经网络，从而得到单体电池的衰减数据和当前电量数据。电池效用功能评估，基于多智能体的博弈论框架，对各个单
体电池进行电池效用功能建模评估。每个单体电池的效用函数定义最小化为与相邻的单体电池的状态差异。分析此问题的纳什均衡点，当所有单体电池状态最接近时，系统达到均衡状态，每块单体电池也实现了其最小效用函数的目标。电池充放电管理，根据电池效用功能评估结果，进行电池充放电管理来实现电池主动均衡。通过优化电池充放电时序，减少电池均衡中的回路损耗。
[0083]
本发明解决的技术问题是：
[0084]
1、电池组中单体电池的不一致性对整组电池的可用容量会产生重大影响。并且，随着电池组使用时间的积累，不一致性对电池组的影响越来越大。
[0085]
2、电池组中单体电池的不均衡，会增加电池循环次数，降低电池寿命。
[0086]
3、为实现电池均衡管理，需要增加额外功率器件与电路。
[0087]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0088]
1、本发明可以提高能量利用率，减小单体电池的不一致性对整个电池组可用容量的影响。
[0089]
2、本发明可以有效提高电池能量利用率，延长电池寿命，可以实现元器件少，结构可靠，容易控制，电路效率以及高鲁棒性好。
[0090]
3、本发明在不增加额外功率器件与电路情况下，可以实现电池电量的均衡同时可以对电池电量与电池健康状态进行在线检测，辅助电池管理系统进行电池均衡操作。
[0091]
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法子模块m进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
[0092]
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。