CN105956280A - 一种基于网络拓扑表示方法的电池组参数计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于网络拓扑表示方法的电池组参数计算方法，采用表达式表示电池组成的电池支路网络拓扑结构，表达式由抽象操作数和抽象操作符组成，将表达式中的抽象操作数和抽象操作符赋值，用于计算电池组的内阻参数、电压参数以及电容参数。本发明将电池组视为一个由电池支路构成的网络，以数据结构的观点，分析和探讨该网络拓扑的表示方法、网络拓扑与诸表示方法之间的转换规则、串并联拓扑之下的抽象运算法则，提升计算效率和准确性，该方法用于电池组参数的估计效果较为理想，特别是对于电压参数的计算准确度高。

Description

一种基于网络拓扑表示方法的电池组参数计算方法

技术领域

本发明属于电池特性领域，尤其是一种基于网络拓扑表示方法的电池组参数计算方法。

背景技术

目前，单个电池的特性已经得到了较为充分的研究，其标识是人们已经找到了能够较为全面地反映电池属性的各种参数：容量、标称电压、内阻、充放电终止电压、充放电电流等。在此基础上，对电池组的研究也取得了较大进展。经过分析，单个电池的特性参数估计电池组的相应参数涉及到两个层次的问题，首先是电池组网络拓扑的表示方法即网络模型，其次是电池串并联后特性参数的运算法则。电池组的特性并不完全等同于单个电池直接叠加，电池组的特性会影响到实际使用寿命、稳定性、容量等多个方面，如何从单个电池的特性参数过度到电池组的特性参数，仍然是一个尚未完全解决的问题，准确对电池组进行计算可以更为优化电池组设计，保证产品性能。

经过检索，相近技术领域的现有已公开专利：

一种基于单体电池的串联电池组荷电状态SOC在线估计方法(CN105449739A)，包括以下步骤：中央控制器发送时间基准和软同步采样时间间隔给所有本地控制器；中央控制器采样电流并记录时间戳；各本地控制器采样单体电池的电压、温度并记录时间戳；各本地控制器后对各单体电池的电压、电流和温度进行时间戳软同步；各本地控制器递推在线辨识各单体电池参数；各本地控制器自适应估计各单体电池SOC；中央控制器计算串联电池组的荷电状态SOC。本发明实现了对串联电池组中各单体电池的荷电状态SOC的在线估计和基于此的串联电池组SOC在线估计，具有SOC估计精度高、对串联电池组的不同使用环境条件、运行工况在其全寿命周期内自适应的特点。

切换构造为电化学能量存储器的电池组的多个电池组电池的方法(105490325A)，其中电池组电池分别以相应的第一概率P1i被电耦合到电池组，且分别以相应的第二概率P2i与电池组电去耦，并且其中电池组电池能彼此串联。在该方法中，对于每个电池组电池，作为在与相应的电池组电池的充电状态LZi尤其线性相关的函数和第二函数之间的总和计算品质因子Gi，其中第二函数与在电流的电流值和相应的电池组电池的内阻之间的乘积尤其线性相关，其中如果相应的电池组电池电耦合到电池组，则所述电流流过相应的电池组电池。对于每个电池组电池，相应的第一概率P1i和相应的第二概率P2i还分别根据相应的电池组电池的所计算的品质因子Gi被确定.

一种基于三电池拓扑结构蓄电池储能系统的风功率平抑方法(105429162A)，风力发电机组并入电网，其特征在于，三组蓄电池分别通过对应的双向DC/DC变换装置接入网侧变流器后并入电网，三组蓄电池的控制单元分别为BESSI、BESSII、BESSIII，保证三组蓄电池，一组处于充电状态，一组处于放电状态，另一组处于备用状态循环工作。且每组BESS可在其目标限制充放电深度内各自经历完整的充放电循环周期，从而有效避免了电池因经历不完整充放电周期所导致的寿命损耗，将蓄电池使用效率提高至几乎100％。

对比分析可知，现有已公开专利技术与本专利申请的技术方案所解决的技术问题以及技术方案均不同。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种基于网络拓扑表示方法的电池组参数计算方法。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种基于网络拓扑表示方法的电池组参数计算方法，其特征在于：采用表达式表示电池组成的电池支路网络拓扑结构，表达式由抽象操作数和抽象操作符组成，将表达式中的抽象操作数和抽象操作符赋值，用于计算电池组的内阻参数、电压参数以及电容参数。

而且，表达式中的抽象操作符包括并联“||”、串联“”、抽象的操作数“B”、括号“(”、括号“)”，抽象的操作数B与电池一一对应，括号“(”、“)”内的表达式先求值再进行括号外的运算。

而且，将表达式用于计算电池组的内阻参数时，抽象操作数B为R型，

并联电池的内阻串联电池的内阻

而且，将表达式用于计算电池组的电压参数时，抽象操作数B为U型，电池并联后，电压是时间t的函数，记作U₁||U₂(t),

并联电池的电压U₁||U₂(∞)＝min(U₁,U₂)，串联电池的电压

而且，两电池并联时，初态U₁||U₂(0⁺)＝(R₁U₂+R₂U₁)/(R₁+R₂)。

而且，将表达式用于计算电池组的电容参数时，抽象操作数B为C型，

并联电池的电容C₁||C₂＝C₁+C₂，串联电池的电容

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明将电池组视为一个由电池支路构成的网络，以数据结构的观点，分析和探讨该网络拓扑的表示方法、网络拓扑与诸表示方法之间的转换规则、串并联拓扑之下的抽象运算法则，提升计算效率和准确性，该方法用于电池组参数的估计效果较为理想，特别是对于电压参数的计算准确度高。

2、本方法使用抽象操作符和抽象操作数，使得模型能够适用于所有特性参数的求值，其次本方法给出了电池串并联后参数的计算方法，特别是对电压、容量的计算，基于图解分析给出了工程实用的计算公式。实例验证表明，模型能够适用于复杂混联电池组参数的计算，从而更准确的应用于电池组设计。

附图说明

图1为锂聚合物电池典型的放电电压曲线；

图2为两种3×2电池组拓扑结构；

图3为图2的拓扑二叉树结构；

图4为初态电压示意图；

图5为放电曲线示意图；

图6为电池并联的稳态电压；

图7为电池并联的容量；

图8为两串联电池放电曲线；

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种基于网络拓扑表示方法的电池组参数计算方法，将电池组视为一个由电池支路构成的网络，

单个电池：充电电池的主要参数有：等效串联电阻，安时容量，充放电电压曲线等。其中安时容量是电池能提供的总电荷量大小，如图1所示。

电池组：若单支电池的电动势E＝εV容量为Y＝ηmAh，则欲构成电压为nE容量为mY的电池组需要m·n支电池。

电池组拓扑具有两个重要特征：

(1)并联的各支路电动势相等，否则将在并联支路内部出现电流；

(2)串联的各支路容量相等，否则整体容量将受限于容量较小的支路，容量较大的支路无法充分放电。

如图2的(a)、(b)所示均为3×2电池组，分析可知，3×2电池组可能有4种结构，设定每支电池可以由一个数组唯一表示，例如(3,2)表示第三行第二列的电池。

实施例1，采用表达式表示电池组拓扑结构，便于存储和求值：

令“||”为表示并联的二元中缀抽象运算符。类似地，“”表示串联。所谓抽象运算符，意为可以被赋予不同的具体运算。例如可以是求电压或容量的运算，规定“||”优先级高于“”。

令“B”表示抽象操作数，与电池一一对应，与操作数类似，这里“抽象”的含义是可以被赋予不同的电池属性。例如可以是电压、内阻、容量等。

括号“()”内的表达式必须先求值再参与括号外的运算。

综上所述，

图2(a)的表达式为：

图2(b)的表达式为：

为了便于计算机处理和存储，以算符“#”做为表达式的结尾。因此在电池组表达式中可能出现的运算符共有五个：||、、(、)、#。

任意两个运算符θ₁和θ₂之间的优先级大小关系可能有θ₁＞θ₂、θ₁＝θ₂和θ₁＜θ₂三种，由表1严格规定。“＝”表明相遇的两个运算符之间求值完毕，而“/”出现说明表达式中有语法错误。

表1运算符优先级

在电池组的表示中“||”和“”都是抽象运算符，而“B”是抽象操作数，可以根据所要计算的参数赋予其不同的类型，常用的有：内阻型(R)，标称电压型(U)，容量(C)型。下面针对图2(a)和(b)分别予以说明。

㈠内阻计算

①定义操作数为R型，

②定义操作符||

$R_1\left|\right|R_2=\frac{R_1{R}_2}{R_1+R_2}---\left(1\right)$

③定义操作符

$R_1\↔R_2=R_1+R_2---\left(2\right)$

④计算(每个电池的内阻通常不同，因此以R_(i,j)表示电池组中位于第i行第j列的电池内阻)

图2(a)拓扑：

$\begin{array}{c}(B\↔B\↔B)\left|\right|\left(B\right||B\↔(B\↔B\left)\right|\left|\right(B\↔B\left)\right)\\ =(R_{(1,1)}\↔R_{(2,1)}\↔R_{(3,1)})\left|\right|\\ \left(R_{(1,2)}\right||R_{(1,3)}\↔(R_{(2,2)}\↔R_{(3,2)}\left)\right|\left|\right(R_{(2,3)}\↔R_{(3,3)}\left)\right)\\ (R_{(1,1)}+R_{(2,1)}+R_{(3,1)})\\ =\frac{(\frac{(R_{(2,2)}+R_{(3,2)})(R_{(2,3)}+R_{(3,3)})}{R_{(2,2)}+R_{(3,2)}+R_{(2,3)}+R_{(3,3)}}+\frac{R_{(1,2)}{R}_{(1,3)}}{R_{(1,2)}+R_{(1,3)}})}{R_{(1,1)}+R_{(2,1)}+R_{(3,1)}+\frac{(R_{(2,2)}+R_{(3,2)})(R_{(2,3)}+R_{(3,3)})}{R_{(2,2)}+R_{(3,2)}+R_{(2,3)}+R_{(3,3)}}}\\ +\frac{R_{(1,2)}{R}_{(1,3)}}{R_{(1,2)}+R_{(1,3)}}\end{array}$

图2(b)拓扑：

$\begin{array}{c}B\left|\right|B\left|\right|B\↔(B\↔B)\left|\right|\left(B\right||B\↔B|\left|B\right)\\ =R_{(1,1)}\left|\right|R_{(1,2)}\left|\right|R_{(1,3)}\↔\\ (R_{(2,1)}\↔R_{(3,1)})\left|\right|\left(R_{(2,2)}\right||R_{(2,3)}\↔R_{(3,2)}|\left|R_{(3,3)}\right)\\ =\frac{R_{(1,1)}{R}_{(1,2)}{R}_{(1,3)}}{R_{(1,1)}{R}_{(1,2)}+R_{(1,2)}{R}_{(1,3)}+R_{(1,1)}{R}_{(1,3)}}\\ +\frac{\left(R_{(2,1)}{R}_{(3,1)}\right)(\frac{R_{(2,2)}{R}_{(2,3)}}{R_{(2,2)}+R_{(2,3)}}+\frac{R_{(3,2)}{R}_{(3,3)}}{R_{(3,2)}+R_{(3,3)}})}{R_{(2,1)}+R_{(3,1)}+\frac{R_{(2,2)}{R}_{(2,3)}}{R_{(2,2)}+R_{(2,3)}}+\frac{R_{(3,2)}{R}_{(3,3)}}{R_{(3,2)}+R_{(3,3)}}}\end{array}$

㈡电压计算

①定义操作数为U型，

②定义操作符||。

电池并联后，可能相互充电，电压是时间t的函数，记作U₁||U₂(t)。因此需要对初态U₁||U₂(0⁺)和稳态U₁||U₂(∞)分别进行讨论。

两电池并联后(图4)可以根据电路理论计算出

U₁||U₂(0⁺)＝(R₁U₂+R₂U₁)/(R₁+R₂) (3)

U₁||U₂(∞)则与电池充放电曲线有关。

例如图5中黑色曲线和灰色曲线分别为1号电池和2号电池的放电曲线。点1和2的纵坐标分别为两电池的当前电压。U₁＜U₂，因此1号电池被充电，2号电池放电。可用作图法确定并联后电池组的电压。

参见图6所示，方法如下：(1)将1号电池放电曲线做镜像翻转，得到充电曲线；(2)水平移动充电曲线，使点1与点2的横坐标对齐；(3)两条曲线的交点3的纵坐标U₃即为稳态电压。

工程中，若电池一致性较好，可采用如下估计方法。

U₁||U₂(∞)＝min(U₁,U₂) (4)

③定义操作符。

$U_1\↔U_2=U_1+U_2---\left(5\right)$

④计算，使用工程方法计算并联电压。

图2(a)拓扑

$\begin{array}{c}(B\↔B\↔B)\left|\right|\left(B\right||B\↔(B\↔B\left)\right|\left|\right(B\↔B\left)\right)\\ =(U_{(1,1)}\↔U_{(2,1)}\↔U_{(3,1)})\left|\right|\\ \left(U_{(1,2)}\right||U_{(1,3)}\↔(U_{(2,2)}\↔U_{(3,2)}\left)\right|\left|\right(U_{(2,3)}\↔U_{(3,3)}\left)\right)\\ =\min \left(\begin{array}{c}{U}_{(1,1)}+U_{(2,1)}+U_{(3,1)},\\ \min (U_{(1,2)},U_{(1,3)})+\min (U_{(2,2)}+U_{(3,2)},U_{(2,3)}+U_{(3,3)})\end{array}\right)\end{array}$

图2(b)拓扑

㈢容量计算

容量是电池组稳态参数，在恒流放电曲线图中，容量可以用放电时间表示。

①定义操作数为C型，

②定义操作符||。

电压不同的两电池并联后的相互充放电使得一个电池容量增加，另一个电池容量减小。可以从放电曲线精确得到并联后容量。将图6中的黑色曲线关于交点3的做左右镜像翻转得到图7，水平虚线U_m为允许的电池最低电压，与两曲线的交点分别为1’和2’。因此并联稳态后1号电池容量为t_1'-t₃，2号电池容量为t_2'-t₃，总容量为二者之和t_1'+t_2'-2t₃。

由图6作图法可知t₁+t₂＝2t₃，因此总容量为(t_1'-t₁)+(t_2'-t₂)，上式第一项为并联前1号电池容量，第二项为2号电池容量。

综上可知

C₁||C₂＝C₁+C₂ (6)

③定义操作符。

水平移动图5中黑色曲线，使点1横坐标与点2对齐，得到图8。最小允许电压线U_m与量曲线交于点1’和2’，其横坐标为t_1'和t_2'。图8中串联的两电池从t’开始放电，至t_2'时2号电池达到U_m，必须停止放电，否则损害电池。尽管此时1号电池电压仍高于U_m。

综上可知

$C_1\↔C_2=min(C_1,C_2)---\left(7\right)$

实施例2，采用二叉树表示电池组拓扑结构

对二叉树进行中序遍历操作得到对应的表达式，将二叉树转化为表达式之后，电池组参数的计算方法同实施例1。

反之，从表达式也可得到对应的二叉树，较为直观便于进行建模、搜索、求值等操作，参见附图3所示为对应图2电池组的二叉树结构。

中序遍历(LDR)是二叉树遍历的一种，中序遍历首先遍历左子树，然后访问根结点，最后遍历右子树。在遍历左、右子树时，仍然先遍历左子树，再访问根结点，最后遍历右子树。

实测验证：

计算图2(a)中9个电池的参数如表2所示。

表2电池参数

根据(1)～(7)式以及表2数据计算出图2(a)拓扑电池组参数如下。

表3电池组参数计算值

表4电池组参数实测值

无论二叉树还是表达式，都能够无误地表示出电池组的拓扑结构。将抽象操作数和抽象操作符赋值，可以计算出电池组参数。图2(a)拓扑电池组的计算结果表明，与实测值相比内阻误差为1.7％，电压初始值误差为0.018％，电压稳态值误差为0.054％，容量稳态值误差为2.0％。该方法用于电池组参数的估计效果较为理想，特别是电压参数的估计。

实例验证表明，本方法能够适用于复杂混联电池组参数的计算。

尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (7)

1.一种基于网络拓扑表示方法的电池组参数计算方法，其特征在于：采用表达式表示电池组成的电池支路网络拓扑结构，表达式由抽象操作数和抽象操作符组成，将表达式中的抽象操作数和抽象操作符赋值，用于计算电池组的内阻参数、电压参数以及电容参数。

2.根据权利要求1所述的基于网络拓扑表示方法的电池组参数计算方法，其特征在于：表达式中的抽象操作符包括并联“||”、串联抽象的操作数“B”、括号“(”、括号“)”，抽象的操作数B与电池一一对应，括号“(”、“)”内的表达式先求值再进行括号外的运算。

3.根据权利要求2所述的基于网络拓扑表示方法的电池组参数计算方法，其特征在于：将表达式用于计算电池组的内阻参数时，抽象操作数B为R型，

并联电池的内阻串联电池的内阻

4.根据权利要求2所述的基于网络拓扑表示方法的电池组参数计算方法，其特征在于：将表达式用于计算电池组的电压参数时，抽象操作数B为U型，电池并联后，电压是时间t的函数，记作U₁||U₂(t),

并联电池的电压U₁||U₂(∞)＝min(U₁,U₂)，串联电池的电压

5.根据权利要求4所述的基于网络拓扑表示方法的电池组参数计算方法，其特征在于：两电池并联时，初态U₁||U₂(0⁺)＝(R₁U₂+R₂U₁)/(R₁+R₂)。

6.根据权利要求2所述的基于网络拓扑表示方法的电池组参数计算方法，其特征在于：将表达式用于计算电池组的电容参数时，抽象操作数B为C型，

并联电池的电容C₁||C₂＝C₁+C₂，串联电池的电容

7.根据权利要求1所述的基于网络拓扑表示方法的电池组参数计算方法，其特征在于：所述表达式与二叉树相互导出。