一種延長多負(fù)載電池使用壽命的電流均衡方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及電池管理和電池應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，通過均衡分配電池放電電流，從而達(dá) 到延長電池壽命的目的。
【背景技術(shù)】
[0002] 地面機(jī)器人、航天器、無人機(jī)、自主水下航行器等具有自主性的機(jī)器人大多采用電 池作為能源。電池的能量是有限的，隨著機(jī)器人技術(shù)的飛速發(fā)展，尤其是需要長期工作和自 主回收的機(jī)器人，能耗已成為機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要約束。通過有效的能量管理辦法， 使機(jī)器人在有限的電池能量條件下，延長使用壽命具有很重要的科學(xué)意義。
[0003] 電池能量管理技術(shù)首先在嵌入式計(jì)算機(jī)領(lǐng)域得到重視和發(fā)展。基于動(dòng)態(tài)電壓 (DVS:Dynamic Voltage Scaling)/頻率調(diào)節(jié)（DFS:Dynamic Frequency Scaling)技術(shù)和 動(dòng)態(tài)功率管理（DPM:Dynamic Power Management)技術(shù)是目前比較成熟的方法。主要研 究成果表明，如果任務(wù)的執(zhí)行電流固定，則通過使任務(wù)電流按照非遞增順序排列，可以達(dá)到 減少能耗，延長壽命的目的。例如，D. Rakhmatov等人研究了單處理器上的電池感知任務(wù) 調(diào)度算法，采用靜態(tài)優(yōu)先級(jí)設(shè)定方法，調(diào)整任務(wù)電流，參考文獻(xiàn)"RAKHMATOV D，VRUDH ULA S, WALLACH DA. A model for battery lifetime analysis for organizing applications on a pocket computer[J]. IEEE Trans VLSI Syst, 2003 ;11(6) :1019-1030";LU0.J等人研 究了多處理器平臺(tái)上的電池感知任務(wù)調(diào)度算法，參考文獻(xiàn)"LUO J，JHA N K.Battery-awar e static scheduling for distributed real-time embedded systems[C]//Proc Des Autom Conf. Las Veg as, USA, 2001:444-449" ；解玉鳳等人基于D. Rakhmatov的靜態(tài)調(diào)度算法，提 出了基于動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)的電池感知任務(wù)調(diào)度算法，參考文獻(xiàn)"解玉鳳，劉雷波，戴銳，魏少 軍.基于動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)的電池感知任務(wù)調(diào)度算法[J].微電子學(xué)，2008, 38(3) :312-315, 319"。 因此，這些研究中，電池的負(fù)載只有一個(gè)，即處理器。
[0004] 然而，對(duì)于自主機(jī)器人而言，電池需要對(duì)多個(gè)負(fù)載供電，包括機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)（電 機(jī)）、探測(cè)（傳感器）和計(jì)算（嵌入式計(jì)算機(jī)）等負(fù)載。所以，針對(duì)這個(gè)問題，國內(nèi)外學(xué) 者主要是通過建立機(jī)器人運(yùn)動(dòng)、傳感器和嵌入式控制器的能耗模型，如E = KRV2表示機(jī) 器人以速度v運(yùn)動(dòng)R米所需的能量；PS= C sl+Cs(]fs表示傳感器以頻率f 3工作時(shí)所消耗的 能量，對(duì)機(jī)器人任務(wù)進(jìn)行規(guī)劃，采用模糊控制算法等對(duì)電池組管理系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)性功率調(diào) 節(jié)，達(dá)到減少能耗損失的目標(biāo)，參考文獻(xiàn)"Bin Wang，Tianmiao Wang，Hongxing Wei，Meng Wang, Zili Shao. Power-aware Real-time Task Scheduling with Feedback Control for Mobile Robot[C]. IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications, Sin gapore, 1240-1245, 2008. ^Yongguo Mei, Yung-Hsiang Lu,Y. Charlie Hu, and C. S. A Case Study of Mobile Robots Energy Consumption and Conservation Techniques[C]. IEEE Conference on Advanced Robotics. Seattle, WA, 492 - 497, 2005"。然而，現(xiàn)有技術(shù)仍然 是把電池能量消耗過程看成是一個(gè)黑盒子，僅描述一些負(fù)載組件工作參數(shù)與最終能耗的簡 單關(guān)系，沒有說明負(fù)載組件與電池能耗的動(dòng)態(tài)關(guān)系，使機(jī)器人的能量管理是比較粗放和保 守的狀態(tài)，未能使電池能量余度最大化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 要解決的技術(shù)問題
[0006] 基于電池的比率容量效應(yīng)（放電電流越大，電池能量轉(zhuǎn)換效率越低，電池電量下 降越快）和還原效應(yīng)（放電過程中插入適當(dāng)?shù)目臻e時(shí)間會(huì)使電池恢復(fù)一定量的有效電荷）， 可以看出，電池壽命嚴(yán)重依賴于放電電流的分布。然而，對(duì)于一個(gè)多負(fù)載電池供電系統(tǒng)，放 電電流與各負(fù)載工作有直接關(guān)系。因此，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明以機(jī)器人多負(fù)載 電池系統(tǒng)為應(yīng)用背景，考慮各負(fù)載電流的周期性特點(diǎn)，提出了一種均衡放電電流的優(yōu)化方 法，從而延長電池使用壽命。
[0007] 技術(shù)方案
[0008] -種延長多負(fù)載電池使用壽命的電流均衡方法，其特征在于在負(fù)載的可變參數(shù) 1'1、0 1范圍內(nèi)尋找一組最優(yōu)值，使得電池組放電電流最平緩，所述尋找最優(yōu)值的方法 如下：
[0009] 采用遺傳優(yōu)化算法解算min J = min J 11 (t) I dt，得到在0~t時(shí)間段內(nèi)電池組 放電電流I (t)與時(shí)間軸組成的圖形面積J 11 (t) | dt的最小值時(shí)對(duì)應(yīng)的1\、最優(yōu)值：
[0010] 解算的約束條件為：減
1,2.3...
[0011] 其中，Tinun、T_x、Dinu，D iniax是第i個(gè)負(fù)載在滿足任務(wù)執(zhí)行需求的工作周期T滿 啟動(dòng)延遲時(shí)間最大最小值；
1 I, (t)為第i個(gè)負(fù)載的電流時(shí)序模型，用分 段函數(shù)表示：
[0012]
[0013] 分別將第i個(gè)負(fù)載的1\、照最優(yōu)值進(jìn)行設(shè)置。
[0014] 給定0~t為0~5s。
[0015] 有益效果
[0016] 本發(fā)明提出的一種延長多負(fù)載電池使用壽命的電流均衡方法，針對(duì)機(jī)器人的多負(fù) 載電池系統(tǒng)，基于電池的比率容量效應(yīng)和恢復(fù)效應(yīng)，通過分析負(fù)載電流的周期性分布情況， 提出了一種使J |l(t)|dt最小化以達(dá)到平緩放電電流目的的均衡放電電流方法。由于 J |l(t) |dt表示電池放電電流曲線與時(shí)間軸組成的圖形面積，面積越小，表明峰值電流越 小，或者出現(xiàn)峰值電流的時(shí)間越短，放電電流就越平緩。因此，該方法不僅滿足了系統(tǒng)任務(wù) 執(zhí)行需求，而且大大提高了電池的使用效率，延長了電池的使用壽命。
【附圖說明】
[0017] 圖1負(fù)載能耗時(shí)序模型
[0018] 圖2電池組放電過程仿真模型
[0019] 圖3電池組放電電流隨時(shí)間的變化曲線
[0020] 圖4電池組放電電壓隨時(shí)間的變化曲線
[0021] 圖5優(yōu)化后的電池組負(fù)載電流隨時(shí)間的變化曲線
[0022] 圖6優(yōu)化后電池組放電電壓隨時(shí)間的變化曲線
【具體實(shí)施方式】
[0023] 現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例、附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述：
[0024] 在已知充放電循環(huán)次數(shù)、放電深度、操作環(huán)境溫度的情況下，電池的壽命可以表示 為：
[0025] L = a e P 'I(t) (1)
[0026]其中，L表示電池壽命，I (t)表示放電電流，a、0都為正常數(shù)。顯然，電流的分布 與電池壽命有直接關(guān)系。
[0027] 在自主機(jī)器人多負(fù)載電池供電系統(tǒng)中，負(fù)載的工作通常具有周期性，故用四元組 (I，C，T，D)表示電池組不同負(fù)載的能耗時(shí)序模型，其中，I表示負(fù)載工作電流，I hlgjP I lOT分 別負(fù)載組件不同工作狀態(tài)（發(fā)送或接收）所需的工作電流，C表示執(zhí)行時(shí)間，T表示工作周 期，D表示啟動(dòng)延遲時(shí)間。如圖1所示。
[0028] 圖1所示為電池組其中一個(gè)負(fù)載的電流時(shí)序模型，由于每個(gè)負(fù)載的參數(shù)I，C，T，D 不同，故第i個(gè)負(fù)載的電流時(shí)序模型