CN114649854A - 电池储能网络、平衡电池间剩余电量的方法、系统及装置 - Google Patents

电池储能网络、平衡电池间剩余电量的方法、系统及装置 Download PDF

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CN114649854A CN202210337925.XA CN202210337925A CN114649854A CN 114649854 A CN114649854 A CN 114649854A CN 202210337925 A CN202210337925 A CN 202210337925A CN 114649854 A CN114649854 A CN 114649854A
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Abstract

本申请提供电池储能网络、平衡电池单体间剩余电量的方法，首先确定构建的电池储能网络中的电池单体的剩余电量及剩余电量均值；然后，构建电池网络拓扑无向图，转化为矩阵，根据矩阵确定电池分组；针对每个分组，分别用剩余电量高的电池单体为剩余电量低的电池单体进行充电，当有电池单体的剩余电量达到剩余电量均值时，断开其阴极或阳极连接的开关元件，当每对中至少一个剩余电量达到目标电量范围，则停止本轮充放电；并继续执行重新分组、充电的过程，直至所有电池单体的剩余电量达到剩余电量均值，或无法继续充放电。本申请，构建的多个电池组中，可以实现电池单体电量的同时转移，因此，有效减少剩余电量均衡过程中能量损耗，减小平衡时间。

Description

电池储能网络、平衡电池间剩余电量的方法、系统及装置
技术领域
本申请涉及电池储能网络、平衡电池间剩余电量的方法、系统及装置，属于电池储能网络单体间剩余电量均衡技术领域。
背景技术
可再生能源将在未来的新型电力系统中占据重要地位，不过其大规模介入电网会降低电网的可靠性以及稳定性。目前，可再生能源配套大规模储能系统被认为是未来电力系统的主流趋势，其中电池储能是最主要的储能方式。目前而言，电池储能系统大致分为传统的不可重构的电池储能网络和引入了柔性电力电子开关阵列的可重构电池储能网络。无论哪种电池储能系统，往往均由海量电池单体构成，由于电池单体的电压和容量较低，需要将多个电池单体通过串联和并联的方式连接进而达到负荷侧电压和功率需求。
而电池储能网络中每个电池单体都有其上限工作电压和下限工作电压，由此限定其剩余电量SOC值使用区间。电池单体间剩余电量SOC的差异将导致各自充放电时间和速率的不同。当电池储能网络中充放电电路拓扑结构确定之后，电池储能网络中充放电容量的上限将有剩余电量SOC最小的电池单体决定，使得电池组能量不能被完全利用，影响储能系统的调节能力，因此电池模组当中单体间剩余电量(SOC)的均衡程度是其可靠性的重要指标。在电池网络中引入柔性电力电子开关阵列之后，可以相应的改变电池模组或单体间的连接拓扑结构，网络内开关器件密度越高，系统灵活性和可靠性越高，但是随之而来的是管理复杂性指数上升以及成本的增加。如何调节可靠性和成本之间的矛盾，成为可重构电池储能技术应用的关键问题。
目前，可重构电池网络的SOC平衡策略主要采用功率分配策略或者主动均衡策略，都是通过电池管理系统(BMS)做出改变拓扑结构的决策。功率分配策略是指，当系统中电池单体间剩余电量SOC不一致时，首先针对储能电池单体的运行工况进行处理,将处理后的功率和电量信息引入目标函数,在功率约束以及电池出力上下限约束下进行在线优化,求解得到各电池功率目标值。具体的，在满足负载要求的电压和功率下，电池管理系统BMS可以将剩余电量SOC较小的电池进行并联，再与剩余电量SOC较大的电池串联，从而使得剩余电量SOC较大的电池快速放电，实现与其他电池单体剩余电量SOC的一致性，此后电池管理系统BMS可以根据负载对电压和功率的需求再次改变电路拓扑，实现电池容量的高效利用。在充电时，将SOC值较高且相同的电池单体进行并联，再与剩余电量SOC较小的电池单体进行串联，可以使剩余电量SOC较小的电池单体以更大的电流充电，快速达到系统内电池的平均电压。功率分配策略必须在储能系统供能时间内实现电池单体间剩余电量SOC平衡，无法让其在孤立状态下实现；主动均衡策略是指将剩余电量SOC较高的电池单体部分电量转移给剩余电量SOC较小的电池单体，实现分流。BMS采集各个电池电压数据后判断电池单体的状态，当电池单体的电压超出平均电压水平后，导通和该电池单体并联的分流电路，实现分流。最终所有的电池单体的电压在均衡电路作用下向平均电池单体电压(剩余电量均值)靠拢。目前主流的主动均衡策略采用电容、电感作为储能原件，利用常见的电能变换电路作为拓扑基础，采取集中式或者分散式的结构。具体的，可以通过双向隔离Cuk均衡器实现，也可以采用双向开关和多绕组变压器的均衡电路，此拓扑可在任意两个单体之间构建通道从而快速转移能量。由于能量损失较少，因此转移后能量利用率可以得到显著提升。开关电容法用开关控制电容两端连接状态，实现能量在电池间的转移。虽然容易控制，结构也比较简单，能量基本无损耗，然而，无法实现多个电池单体同时转移能量，导致调整的速度太慢，不太适用于大电流快速调整的场合，对于电池异常的适应性较差。而通过DC-DC变化器实现的均衡策略，能量传递速度较快，不过其平衡电路储能器件所占体积较大，且成本较高。
因此，现有功率分配策略和借助储能电感或电容实现的主动平衡策略都有很多缺陷，实际运行较为困难，无法满足电网需求。
发明内容
本申请提供了一种电池储能网络、平衡电池单体间剩余电量方法、系统及装置，以解决“现有功率分配策略和借助储能电感或电容实现的主动平衡策略都有很多缺陷，实际运行较为困难，无法满足电网需求”的技术问题。
第一方面，根据本申请实施例提供一种电池储能网络，包括：
2N个电池单体，其中2个电池单体构成一个电池组，相邻两个电池组并联连接；N为自然数；
4N+6(N-1)+N*N个开关元件，其中：
其中的N个开关元件中，每个第一开关元件串联在对应电池组的第一电池单体的阴极与第二电池单体的阳极之间；
其中的再N个开关元件中，每个第二开关元件与对应的一个电池组的第一电池单体并联；
其中的再N-1个开关元件中，每个第三开关元件连接在相邻两个电池组的两个第一电池单体的阳极之间；
其中的再N个开关元件中，每个第四开关元件连接在相邻两个电池组的两个第二电池单体的阴极之间；
其中的再N-1个开关元件中，每个第五开关元件连接在相邻两个电池组中前一个电池组的第一电池单体的阴极与后一个电池组的第一电池单体的阳极之间；
其中的再N-1个开关元件中，每个第六开关元件连接在相邻两个电池组中前一个电池组的第二电池单体的阴极与后一个电池组的第二电池单体的阳极之间；
其中的再N个开关元件中，每个第七开关元件连接在火线与每个电池组的第一电池单体的阳极之间；
其中的再N个开关元件中，每个第八开关元件连接在零线与每个电池组的第二电池单体的阴极之间；
其中的再(N-1)个开关元件，每个第九开关元件连接在相邻两个电池组的第一电池单体的阴极之间；
其中的再(N-1)个开关元件，每个第十开关元件连接在相邻两个电池组的第二电池单体的阳极之间；
N个电阻，每个电阻与一个第二开关在串联后并联在对应的电池组的第一电池单体的阴极与阳极之间；
其中的再N*N个第开关，每个第十一开关连接在相应的电阻与对应的电池组中的第一电池单体的阴极之间。
在一个实施例中，所述电阻的阻值与电池单体的二阶模型相关。
第二方面，根据本申请实施例提供一种平衡电池单体间剩余电量的方法，采用所述任一项所述的电池储能网络平衡电池单体的剩余电量，其中，所述方法，包括：
针对电池储能网络中的每个电池单体，采用预设数学模型确定每个电池单体的剩余电量(SOC)，及所述电池储能网络中包括的电池单体的剩余电量均值；
将每个电池单体的阳极、阴极分别设为一个节点，将电池单体本身、电池单体间的连接线及电子开关元件均设为线构建电池网络拓扑无向图，并将电池网络拓扑无向图转化为矩阵；其中，矩阵的元素表征对应节点之间是不是由开关相连接或者电池相连接；
对于剩余电量(SOC)低于剩余电量均值的目标电池单体，分别从另外的电池单体选定一个为其中一个目标电池单体进行充电，当有其中一个电池单体的剩余电量(SOC)达到目标电量范围时，则断开达到目标电量范围的电池单体阴极或阳极连接的开关元件，当配对的每个电池单体组中均包括一个剩余电量(SOC)达到目标电量范围时，则停止本轮充放电；
重复执行上一步骤，直至所有电池单体的剩余电量均达到预设目标电量范围的要求，或再无充电路径可用。
在一个实施例中，所述方法，还包括：
计算每轮充放电过程所需要消耗的时间；以及
计算整个充放电过程结束所需要消耗的总时间；
其中，当电池储能网络中包括的所有电池单体的剩余电量均达到剩余电量均值或者储能网络中再无可充电的电池组时，整个充放电过程结束。
在一个实施例中，所述方法，还包括：
针对电池单体，按照剩余电量由少到多的原则对电池单体进行编号；
每次执行一轮充放电过程之后，均按照剩余电量由少到多的原则对电池单体进行编号。
在一个实施例中，所述方法，还包括：
两个节点之间通过开关相连接，则电池网络拓扑无向图中当前元素的值设为1；
如果两个节点之间不相邻，则电池网络拓扑无向图中当前元素的值设为0；
如果两个节点之间由电池相连，则电池网络拓扑无向图中该元素的值为该两个电池单体的剩余电量均值。
第三方面，根据本申请实施例提供一种平衡电池单体间剩余电量的系统，采用权利要求所述任一项所述的电池储能网络平衡电池单体的剩余电量，其中，所述系统，包括：
剩余电量计算模块，用于针对电池储能网络中的每个电池单体，采用预设数学模型确定每个电池单体的剩余电量(SOC)，及所述电池储能网络中包括的电池单体的剩余电量均值；
转化模块，用于将每个电池单体的阳极、阴极分别设为一个节点，将电池单体本身、电池单体间的连接线及电子开关元件均设为线构建电池网络拓扑无向图，并将电池网络拓扑无向图转化为矩阵；其中，矩阵的元素表征对应节点之间是不是由开关相连接或者电池相连接；
充放电模块，用于对于剩余电量(SOC)低于剩余电量均值的目标电池单体，分别从另外的电池单体选定一个为其中一个目标电池单体进行充电，当有其中一个电池单体的剩余电量(SOC)达到目标电量范围时，则断开达到目标电量范围的电池单体阴极或阳极连接的开关元件，当配对的每个电池单体组中均包括一个剩余电量(SOC)达到目标电量范围时，则停止本轮充放电；
终止模块，用于重复执行上一步骤，直至所有电池单体的剩余电量均达到预设目标电量范围的要求，或再无充电路径可用。
在一个实施例中，所述系统，还包括：
耗时计算模块，用于计算每轮充放电过程所需要消耗的时间；以及计算整个充放电过程结束所需要消耗的总时间；
其中，当电池储能网络中包括的所有电池单体的剩余电量均达到剩余电量均值或者储能网络中再无可充电的电池组时，整个充放电过程结束。
第四方面，根据本申请实施例提供一种平衡电池单体间剩余电量的装置，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其中，所述计算机程序由所述处理器加载并执行，以实现上述任一项所述平衡电池单体间剩余电量的方法。
第五方面，根据本申请实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时用于实现上述任一项所述平衡电池单体间剩余电量的方法。
本申请的有益效果在于：
本申请实施例提供的电池储能网络、平衡电池单体间剩余电量的方法，首先确定构建的电池储能网络中的电池单体的剩余电量，以及确定剩余电量均值。然后，基于电池储能网络中的电池单体、电池单体的阴阳极、电子开关元件、电池单体间的连接线构建电池网络拓扑无向图，并将电池网络拓扑无向图转化为矩阵，并根据电池网络拓扑无向图转化为矩阵确定电池分组；针对每个电池分组，对于剩余电量(SOC)低于剩余电量均值的目标电池单体，分别从另外的电池单体选定一个为其中一个目标电池单体进行充电，当有其中一个电池单体的剩余电量(SOC)达到目标电量范围时，则断开达到目标电量范围的电池单体阴极或阳极连接的开关元件，当配对的每个电池单体组中均包括一个剩余电量(SOC)达到目标电量范围时，则停止本轮充放电；而在每轮充电完之后，继续执行重新分组、充电的过程，直至所有电池单体的剩余电量达到剩余电量均值，或者是一部分电池电梯的剩余电量均值为剩余电量均值，而另外一部分电池单体的剩余电量低于剩余电量均值。本申请实施例提供的方法，构建的多个电池组中，可以实现电池单体电量的同时转移，因此，可以有效减少SOC平衡过程中能量损耗，减小平衡时间。
上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本申请的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1为本申请实施例提供的电池储能网络的示意图；
图2为本申请一个实施例提供的平衡电池单体间剩余电量的方法的流程图；
图3、图4分别为本申请再一个实施例提供的平衡电池单体间剩余电量的方法的流程图；
图5为本申请一个具体实施例构建的可重构电池网络拓扑结构无向图示意图；
图6为本申请一个实施例提供的平衡电池单体间剩余电量的系统的示意图；
图7为本申请一个实施例提供的平衡电池单体间剩余电量的装置的框图。
具体实施方式
下实施例用于说明本申请，但不用来限制本申请的范围。
本申请实施例提供一种电池储能网络，进而可便于均衡其中包含的电池单体的剩余电量，可有效避免其中部分电池单体的剩余电量较低，进而可确保整个系统的电能输出电量较高，如下，对本申请实施例提供的电池储能网络及采用该电池储能网络平衡电池单体的剩余电量做详细阐述。
实施例1参见图1所示，本申请实施例提供一种电池储能网络，可用来对电池储能网络中每个电池单体的剩余电量(SOC)进行平衡，参见图1所示，所述电池储能网络，包括：
2N个电池单体，分别为电池单体n1、电池单体n2、电池单体n3，……，电池单体n2N，其中，每2个电池单体构成一个电池组，相邻两个电池组并联连接；N为自然数；如图中，电池单体n1与电池单体nn+1构成第一电池组，电池单体n2与电池单体nn+2构成第二电池组，……，电池单体nN与电池单体n2N构成第N电池组。
4N+6(N-1)+N*N个开关元件，其中：
其中的N个开关元件中，每个第一开关元件串联在对应电池组的第一电池单体的阴极与第二电池单体的阳极之间；如图中，第一开关元件O1串联在电池单体n1的阴极与电池单体nn+1的阳极之间，第一开关元件O2串联在电池单体n1的阴极与电池单体nn+2的阳极之间，……，第一开关元件On电池单体nN的阴极与电池单体n2N的阳极之间。
其中的再N个开关元件中，每个第二开关元件与对应的一个电池组的第一电池单体并联；参见图中所示，第二开关元件P1与第一组电池组中的电池单体n1并联，第二开关元件P2与第二组电池组中的电池单体n2并联，……，第二开关元件PN与第N组电池组中的电池单体nN并联；
其中的再N-1个开关元件中，每个第三开关元件连接在相邻两个电池组的两个第一电池单体的阳极之间；参见图中所示，第一个第三开关元件Q1连接在第一个电池组的第一电池单体n1的阳极与第二个电池组的第一电池单体n2的阳极之间，第二个第三开关元件Q2连接在第二个电池组的第一电池单体n2的阳极与第三个电池组的第一电池单体n3的阳极之间，……，第(N-1)个第三开关元件QN-1连接在第(N-1)个电池组的第一电池单体nN-1的阳极与第N个电池组的第一电池单体nN的阳极之间。
其中的再N-1个开关元件中，每个第四开关元件连接在相邻两个电池组的两个第二电池单体的阴极之间，如图中所示，第一个电池组的第二电池单体的阴极与第二个电池组的第二电池单体的阴极之间连接有第四开关元件M1，第二个电池组的第二电池单体的阴极与第三个电池组的第二电池单体的阴极之间连接有第四开关元件M2，……，第(N-1)个电池组的第二电池单体的阴极与第N个电池组的第二电池单体的阴极之间连接有第四开关元件MN-1。
其中的再N-1个开关元件中，每个第五开关元件连接在相邻两个电池组中前一个电池组的第一电池单体的阴极与后一个电池组的第一电池单体的阳极之间；参见图中，第五开关元件V1连接在第一个电池组的第一电池单体的阴极与第二电池组的第一电池单体的阳极之间，第五开关元件V2连接在第二个电池组的第一电池单体的阴极与第三电池组的第一电池单体的阳极之间，……，第五开关元件VN-1连接在第(N-1)个电池组的第一电池单体的阴极与第N个电池组的第一电池单体的阳极之间；
其中的再N-1个开关元件中，每个第六开关元件连接在相邻两个电池组中前一个电池组的第二电池单体的阴极与后一个电池组的第二电池单体的阳极之间；参见图中，第六开关元件Z1连接在第一电池组的第二电池单体的阴极与第二电池组的第二电池单体的阳极之间，第六开关元件Z2连接在第二电池组的第二电池单体的阴极与第三电池组的第二电池单体的阳极之间，……，第六开关元件ZN-1连接在第(N-1)电池组的第二电池单体的阴极与第N电池组的第二电池单体的阳极之间。
其中的再N个开关元件中，每个第七开关元件连接在火线与每个电池组的第一电池单体的阳极之间；参见图中，第七开关元件D1连接在火线与第一个电池组的第一电池单体的阳极之间，第七开关元件D2连接在火线与第二个电池组的第一电池单体的阳极之间，……，第七开关元件DN连接在火线与第N个电池组的第一电池单体的阳极之间。
其中的再N个开关元件中，每个第八开关元件连接在零线与每个电池组的第二电池单体的阴极之间；参见图中，第八开关元件E1连接在零线与第一个电池组的第二电池单体的阴极之间，第八开关元件E2连接在零线与第二个电池组的第二电池单体的阴极之间，……，第八开关元件EN连接在零线与第N个电池组的第二电池单体的阴极之间；
其中的再(N-1)个开关元件，每个第九开关元件连接在相邻两个电池组的第一电池单体的阴极之间，如参见图中，第九开关元件F1连接在相邻第一电池组的第一电池单体阴极与第二电池组的第一电池单体阴极之间，第九开关元件F2连接在相邻第二电池组的第一电池单体阴极与第三电池组的第一电池单体阴极之间，……，第九开关元件FN连接在相邻第(N-1)电池组的第一电池单体阴极与第N电池组的第一电池单体阴极之间。
其中的再(N-1)个开关元件，每个第十开关元件连接在相邻两个电池组的第二电池单体的阳极之间，如参见图中，第十开关元件G1连接在相邻第一电池组的第二电池单体阳极与第二电池组的第二电池单体阳极之间，第十开关元件G2连接在第二电池组的第二电池单体的阳极与第三电池组的第二电池单体的阳极之间，……，第十开关元件GN连接在第(N-1)电池组的第二电池单体的阳极与第N电池组的第二电池单体的阳极之间；
N*N个第十一开关，每个第十一开关连接在相应的电阻与对应的电池组中的第一电池单体的阴极之间；如图中，第十一开关H11连接在电阻R1与第一个电池组的第一电池单体的阴极之间，第十一开关H12连接在电阻R1与第二个电池组的第一电池单体的阴极之间，……第十一开关H1N连接在电阻R1与第N个电池组的第一电池单体的阴极之间；同时，第十一开关H21连接在电阻R2与第一个电池组的第一电池单体的阴极之间，第十一开关H22连接在电阻R2与第二个电池组的第一电池单体的阴极之间，……，第十一开关H2N连接在电阻R2与第N个电池组的第一电池单体的阴极之间；……第十一开关HN1连接在电阻Rn与第一个电池组的第一电池单体的阴极之间，第十一开关HN2连接在电阻Rn与第二个电池组的第一电池单体的阴极之间，……，第十一开关HNN连接在电阻Rn与第N个电池组的第一电池单体的阴极之间。
N个电阻，每个电阻与一个第二开关在串联后并联在对应的电池组的第一电池单体的阴极与阳极之间，参见图中，电阻R1在与第二开关元件P1串联后并联在第二电池单体的阴极与阳极之间，电阻R2在与第二开关元件P2串联后并联在第二电池组的第一电池单体的阴极与阳极之间。
在本申请实施例中，电阻的阻值与电池单体的二阶模型相关，具体的相关性表示为：电阻的阻值大小取决于电池种类，针对每个电池种类的电池而言：每次平衡状态损耗决定电阻阻值范围的上限，流经电池的电流上限决定其电阻阻值的下限。
本申请实施例提供的电池储能网络，设置有多个开关元件、电池单体及电阻，可以将电池单体划分成若干个分组，达到多个分组同时充放电的效果，同时，在电池单体的周围设置开关元件，当有电池单体组充放电完成之后，基于确定的矩阵断开相应的开关元件，同时不耽误其他电池分组的电池单体间充放电，因此，本方案提高的电池储能网络，可以有效降低电量均衡过程中的能量损耗，同时提高了充放电的效率。
实施例2
本申请实施例还提供一种平衡电池单体间剩余电量的方法，采用上一实施例中提供的电池储能网络，参见图2所示，所述方法，包括：
步骤S22、针对电池储能网络中的每个电池单体，采用预设数学模型确定每个电池单体的剩余电量(SOC)，及所述电池储能网络中包括的电池单体的剩余电量均值；
在本申请实施例中，电池管理系统(BMS)能够实时通过电压和电流传感器结合来确定电池单体的剩余电量(SOC)值，在此指出，通过电压和电流传感器结合来确定电池单体的剩余电量(SOC)值的具体方法为：实时监测单体SOC，可以通过单体的等效电路模型算出或者是借助数据驱动的方法。与此同时，采用预设数学模型确定电池储能网络中包括的电池单体的剩余电量均值，具体的，预设数学模型为：
Figure BDA0003575077040000131
其中，si为第i个电池单体的剩余电量，
Figure BDA0003575077040000132
为电池储能网络中包括的电池单体的剩余电量均值。
步骤S24、将每个电池单体的阳极、阴极分别设为一个节点，将电池单体本身、电池单体间的连接线及电子开关元件均设为线构建电池网络拓扑无向图，并将电池网络拓扑无向图转化为矩阵；其中，矩阵的元素表征对应节点之间是不是由开关相连接或者电池相连接；在此指出，将无向图转化程矩阵是为了进行路径搜索。单体分组过程：低于平均SOC的电池为第一组，高于平均SOC的为第二组，从第一组合第二组中任选一个即是一种可行的配对，但是是否允许取决于后续路径矩阵的筛选。
在本申请实施例中，在确定出每个电池单体的剩余电量，以及计算出电池储能网络中包括的电池单体的剩余电量均值
Figure BDA0003575077040000143
之后，基于上一实施例构建的电池储能网络，将电池单体设为线，将电池单体的阴极、阳极分别设为一个节点，并将电池单体的连接线以及电子开关设为线构建电池网络拓扑无向图。
在构建完电池网络拓扑无向图之后，继续电池网络拓扑无向图转化为矩阵，具体的转化原则是：针对电池网络拓扑无向图中的元素ai,j，如果节点i与节点j不相邻，则ai,j的值设为0，如果节点i与节点j不相邻通过开关相连接，则ai,j的值设为1；如果节点i与节点j之间由电池相连，则ai,j的值为对应的电池单体编号为
Figure BDA0003575077040000141
的电池单体的剩余电量SOC，即
Figure BDA0003575077040000142
步骤S26、对于剩余电量(SOC)低于剩余电量均值的目标电池单体，分别从另外的电池单体选定一个为其中一个目标电池单体进行充电，当有其中一个电池单体的剩余电量(SOC)达到目标电量范围时，则断开达到目标电量范围的电池单体阴极或阳极连接的开关元件，当配对的每个电池单体组中均包括一个剩余电量(SOC)达到目标电量范围时，则停止本轮充放电；
在本申请实施例中，在构建电池网络拓扑无向图之后，继续将电池网络拓扑无向图转化为矩阵，在每一次平衡过程中，都是从转化成的矩阵B中找出最大向量子集，从而确定最终的电池配对。在此指出，确定的电池组中有一个电池单体的剩余电量低于剩余电量均值，而另外一个电池单体的剩余电量高于剩余电量均值。
在确定好电池单体的分组之后，执行每组中的剩余电量高的电池单体为该组中剩余电量低的电池单体充电的过程，作为一个具体实施例，可以当每组电池组中其中一个电池单体的剩余电量达到剩余电量均值时，该组电池组停止充电过程。
步骤S28、重复执行步骤S26，直至所有电池单体的剩余电量均达到预设目标电量范围的要求。
在本申请实施例中，当分成的每组电池组均停止充电之后，会有至少k块电池
Figure BDA0003575077040000151
的剩余电量SOC处于
Figure BDA0003575077040000152
(σ可为
Figure BDA0003575077040000153
)范围内，还有剩余电池电量不处于该区间的电池需进行下一轮充电。已经达到要求的电池首先不进行剔除，在下一轮从W找出最大子集W*时加入额外筛选条件：已达到剩余电量均值要求的电池单体的正负极节点不能继续同时出现在W*中，具体实现方式为：
Figure BDA0003575077040000154
Figure BDA0003575077040000155
Figure BDA0003575077040000156
在本申请实施例中，参见图3所示，所述方法，还包括：
步骤S27、计算每次执行步骤S26所需要的时间；以及
步骤S29、计算所有电池单体的剩余电量均达到剩余电量均值所需要的总时间。
在本申请实施例中，针对分组形成的电池组，执行完本次划分的每个分组的充电过程之后，进一步计算本次充电所需要的时间；同理，当本系统中左右电池单体在执行多次充电过程之后，进一步计算整个充电过程所需要消耗的时间。
在本申请实施例中，参见图4所示，所述方法，还包括：
步骤S25、针对电池单体，按照剩余电量由少到多的原则对电池单体进行编号；
步骤S261、每次执行步骤S26之后，均按照剩余电量由少到多的原则对电池单体进行编号。
在本申请实施例中，在每次对电池单体进行分组之前，先将电池单体按照剩余电量由少到多的顺序对电池单体进行编号，进而便于后续分组、充电过程。
如下，列举一个具体实施例进行阐述：
首先，电池管理系统BMS实时通过电压和电流传感器结合电池单体的模型评估所有单体的剩余电量SOC值。对2N个电池单体编号为n1,n2,…,n2N，相应的SOC值为s1,s2,…,s2N，剩余电量SOC均值
Figure BDA0003575077040000161
为：
Figure BDA0003575077040000162
在此指出，作为一个具体实施例，在每一次剩余电量SOC平衡过程中根据单体的SOC从小到大的顺序对电池排序为
n′1,n′2,n′m,…,n′m+1,n′2N(电池编号组成的新数列),相应的有s′2,s′2,…,s′m,
Figure BDA0003575077040000171
s′m+1,…,s′2N。
其中有
Figure BDA0003575077040000172
然后，对m个低于平均SOC的电池单体进行充电路径搜寻。基于串联电池组的输出容量局限于剩余电量SOC最低的一个电池单体，因此每一步充电过程都是针对剩余电量SOC较低的部分电池单体展开。在上一实施例所示的由2N个电池单体组成的网络图中，每块电池单体的两极均为一个节点，共有4N个关键节点需要考虑，按照1图中的规律命名为p1,p2,…,p4N。为方便计算机进行路径决策，采用无向图表达电池网络拓扑，则无向图中4N个正负极为节点，电池或者电力电子开关作为无向线段。
无向图中起始节点为p1,p3,…,p4N-1，终止节点为p2,p4,…,P4N。一种包含6个电池单体的可重构电池网络拓扑结构无向图示意图如图5。
继续，将无向图中的连接关系转化为矩阵，包含N个单体的电池网络拓扑矩阵A的维度为4N维，每个元素表达该行该列对应节点的连接关系。
Figure BDA0003575077040000173
其中，
Figure BDA0003575077040000181
Figure BDA0003575077040000182
为编号为(i+j+1)/2的电池单体的剩余电量。
对于n′1,n′2,n′m,…,n′2N，m节低于剩余电量均值的电池单体可以选择任一高于剩余电量均值的单体进行配对，因此最多可以有m×(N-m)种充电路径W，用二维数组B进行表示。B中每一行代表一种可行充电路径，数组内的元素代表该路径是否经过所在列数所对应的节点。数组B的搭建依靠矩阵A的搜索，对于维度不高的矩阵A可以通过遍布式搜索算法得到每一条路径，对于较高维度的矩阵可以采取宽度优先算法搜索。路经的搜索过程中，要求一条完整的路径始末端必须均为电池的正极或负极，保证其与电阻组成电量平衡网络。
Figure BDA0003575077040000183
Figure BDA0003575077040000184
为了缩短SOC平衡时间，在每一轮充电时尽可能多的对单体进行一一配对，需要从W找出最大子集W*
Figure BDA0003575077040000191
Figure BDA0003575077040000192
继续，针对挑选出的配对组合W*＝{w1,w2,···,wk}，控制相应电力电子开关的导通状态，实现多线路SOC平衡。由于SOC平衡过程中有电能损耗，因此对于每一条充电路径，当任意一块路径中的电池单体SOC处于
Figure BDA0003575077040000193
σ(σ＝0.05s)范围内时，关断该平衡电路电阻两侧开关。
可以设定每条路径中SOC较高的电池为Ui,1,较低的为Ui,(i＝1,2,···,k)
每条电池平衡路径SOC平衡时间ti与损耗lossi均不相同,平衡时间和损耗与电池SOC不均匀程度以及电阻大小有关，电阻的选取需要参照电池单体的二阶模型进行合理选取，电阻越小损耗越大，平衡时间越短；电阻越大，损耗越小，平衡时间越长。具体的计算公式为：
Figure BDA0003575077040000194
继续，经过上一步骤的一轮充放电结束后，会有至少k块电池
Figure BDA0003575077040000195
Figure BDA0003575077040000196
SOC处于
Figure BDA0003575077040000197
范围内，还有剩余电池不处于该区间时进行下一轮充电。在此指出，在进行下一轮充电时，对已经达到剩余电量均值要求的电池首先不进行剔除，在下一轮从W找出最大子集W*时加入额外筛选条件：已达到要求的电池两个正负极节点不能同时出现在W*中，构建的具体数学模型可为：
Figure BDA0003575077040000201
Figure BDA0003575077040000202
Figure BDA0003575077040000203
反复上面两个步骤，直到所有电池单体的剩余电量SOC均处于
Figure BDA0003575077040000204
σ(σ＝0.05s)范围内，或没有新的充放电路径可以选择，SOC平衡过程结束，则总用时T和总损耗Loss为
Figure BDA0003575077040000205
本申请实施例提供的平衡电池单体间剩余电量的方法，首先确定构建的电池储能网络中的电池单体的剩余电量，以及确定剩余电量均值。然后，基于电池储能网络中的电池单体、电池单体的阴阳极、电子开关元件、电池单体间的连接线构建电池网络拓扑无向图，并将电池网络拓扑无向图转化为矩阵，并根据电池网络拓扑无向图转化为矩阵确定电池分组；针对每个电池分组，对于剩余电量(SOC)低于剩余电量均值的目标电池单体，分别从另外的电池单体选定一个为其中一个目标电池单体进行充电，当有其中一个电池单体的剩余电量(SOC)达到目标电量范围时，则断开达到目标电量范围的电池单体阴极或阳极连接的开关元件，当配对的每个电池单体组中均包括一个剩余电量(SOC)达到目标电量范围时，则停止本轮充放电；而在每轮充电完之后，继续执行重新分组、充电的过程，直至所有电池单体的剩余电量达到剩余电量均值，或者是一部分电池电梯的剩余电量均值为剩余电量均值，而另外一部分电池单体的剩余电量低于剩余电量均值。本申请实施例提供的方法，构建的多个电池组中，可以实现电池单体电量的同时转移，因此，可以有效减少SOC平衡过程中能量损耗，减小平衡时间。
实施例3
本申请实施例还提供一种平衡电池单体间剩余电量的系统，采用权利要求1-2任一项所述的电池储能网络平衡电池单体的剩余电量，参见图6所示，所述系统，包括：
剩余电量计算模块61，用于针对电池储能网络中的每个电池单体，采用预设数学模型确定每个电池单体的剩余电量(SOC)，及所述电池储能网络中包括的电池单体的剩余电量均值；
转化模块62，用于将每个电池单体的阳极、阴极分别设为一个节点，将电池单体本身、电池单体间的连接线及电子开关元件均设为线构建电池网络拓扑无向图，并将电池网络拓扑无向图转化为矩阵；其中，矩阵的元素表征对应节点之间是不是由开关相连接或者电池相连接；
充放电模块63，用于对于剩余电量(SOC)低于剩余电量均值的目标电池单体，分别从另外的电池单体选定一个为其中一个目标电池单体进行充电，当有其中一个电池单体的剩余电量(SOC)达到目标电量范围时，则断开达到目标电量范围的电池单体阴极或阳极连接的开关元件，当配对的每个电池单体组中均包括一个剩余电量(SOC)达到目标电量范围时，则停止本轮充放电；
终止模块64，用于重复执行上一步骤，直至所有电池单体的剩余电量均达到预设目标电量范围的要求，或再无充电路径可用。
首先剩余电量计算模块计算构建的电池储能网络中的电池单体的剩余电量，以及确定剩余电量均值。然后，转化模块基于电池储能网络中的电池单体、电池单体的阴阳极、电子开关元件、电池单体间的连接线构建电池网络拓扑无向图，并将电池网络拓扑无向图转化为矩阵，并根据电池网络拓扑无向图转化为矩阵确定电池分组；针对每个电池分组，充放电模块对于剩余电量(SOC)低于剩余电量均值的目标电池单体，分别从另外的电池单体选定一个为其中一个目标电池单体进行充电，当有其中一个电池单体的剩余电量(SOC)达到目标电量范围时，则断开达到目标电量范围的电池单体阴极或阳极连接的开关元件，当配对的每个电池单体组中均包括一个剩余电量(SOC)达到目标电量范围时，则停止本轮充放电；而在每轮充电完之后，继续执行重新分组、充电的过程，最后，终止模块重复执行上一步骤，直至所有电池单体的剩余电量达到剩余电量均值，或者是一部分电池电梯的剩余电量为剩余电量均值，而另外一部分电池单体的剩余电量低于剩余电量均值。本申请实施例提供的方法，构建的多个电池组中，可以实现电池单体电量的同时转移，因此，可以有效减少SOC平衡过程中能量损耗，减小平衡时间。
需要说明的是：本申请实施例提供的平衡电池单体间剩余电量的系统系统与实施例2中提供的平衡电池单体间剩余电量的系统方法属于同一个发明构思，同理，本申请实施例提供的平衡电池单体间剩余电量的系统及平衡电池单体间剩余电量的系统方法是基于实施例1中提供的电池储能网络。
图7是本申请一个实施例提供的平衡电池单体间剩余电量的装置的框图，本实施例所述平衡电池单体间剩余电量的装置可以是桌上小型计算机、笔记本电脑、掌上电脑以及云端服务器等计算设备，该装置可以包括，但不限于，处理器和存储器。本实施例所述平衡电池单体间剩余电量的装置至少包括处理器和存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序可在所述处理器上运行，所述处理器执行所述计算机程序时，实现实施例2中的平衡电池单体间剩余电量的方法的步骤，或者，所述处理器执行所述计算机程序时，实现上述实施例3中的平衡电池单体间剩余电量的系统实施例中各模块的功能。
示例性的，所述计算机程序可以被分割成一个或多个模块，所述一个或多个模块被存储在所述存储器中，并由处理器执行，以完成本发明。所述一个或多个模块可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序在所述平衡电池单体间剩余电量的系统中的执行过程。例如，所述计算机程序可以被分割成剩余电量计算模块、转化模块、充放电模块和终止模块，各模块的具体功能如下：
剩余电量计算模块，用于针对电池储能网络中的每个电池单体，采用预设数学模型确定每个电池单体的剩余电量(SOC)，及所述电池储能网络中包括的电池单体的剩余电量均值；
转化模块，用于将每个电池单体的阳极、阴极分别设为一个节点，将电池单体本身、电池单体间的连接线及电子开关元件均设为线构建电池网络拓扑无向图，并将电池网络拓扑无向图转化为矩阵；其中，矩阵的元素表征对应节点之间是不是由开关相连接或者电池相连接；
充放电模块，用于对于剩余电量(SOC)低于剩余电量均值的目标电池单体，分别从另外的电池单体选定一个为其中一个目标电池单体进行充电，当有其中一个电池单体的剩余电量(SOC)达到目标电量范围时，则断开达到目标电量范围的电池单体阴极或阳极连接的开关元件，当配对的每个电池单体组中均包括一个剩余电量(SOC)达到目标电量范围时，则停止本轮充放电；
终止模块，用于重复执行上一步骤，直至所有电池单体的剩余电量均达到预设目标电量范围的要求，或再无充电路径可用。
处理器可以包括一个或多个处理核心，比如：4核心处理器、6核心处理器等。处理器可以采用DSP(Digital Signal Processing，数字信号处理)、FPGA(Field－Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)、PLA(Programmable Logic Array，可编程逻辑阵列)中的至少一种硬件形式来实现。处理器也可以包括主处理器和协处理器，主处理器是用于对在唤醒状态下的数据进行处理的处理器，也称CPU(Central Processing Unit，中央处理器)；协处理器是用于对在待机状态下的数据进行处理的低功耗处理器。一些实施例中，处理器还可以包括AI(Artificial Intelligence，人工智能)处理器，该AI处理器用于处理有关机器学习的计算操作。所述处理器是平衡电池单体间剩余电量的装置的控制中心，利用各种接口和线路连接整平衡电池单体间剩余电量的装置的各个部分。
所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述平衡电池单体间剩余电量的装置的各种功能。所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序等；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据(比如音频数据、电话本等)等。此外，存储器可以包括高速随机存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡、闪存卡(Flash Card)、至少一个磁盘存储器件、内存器件、或其他易失性固态存储器件。
本领域技术人员可以理解，本实施例所述的装置仅仅是平衡电池单体间剩余电量的装置的示例，并不构成对平衡电池单体间剩余电量的装置的限定，其他实施方式中，还可以包括更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同部件，例如平衡电池单体间剩余电量的装置还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。处理器、存储器和外围设备接口之间可以通过总线或信号线相连。各个外围设备可以通过总线、信号线或电路板与外围设备接口相连。示意性地，外围设备包括但不限于：射频电路、触摸显示屏、音频电路、和电源等。
当然，平衡电池单体间剩余电量的装置还可以包括更少或更多的组件，本实施例对此不作限定。
可选地，本申请还提供有一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时用于实现上平衡电池单体间剩余电量的方法的步骤。
可选地，本申请还提供有一种计算机产品，该计算机产品包括计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有程序，所述程序由处理器加载并执行以实现上述平衡电池单体间剩余电量的方法实施例的步骤。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种电池储能网络，其特征在于，包括：
2N个电池单体，其中2个电池单体构成一个电池组，相邻两个电池组并联连接；N为自然数；
4N+6(N-1)+N*N个开关元件，其中：
其中的N个开关元件中，每个第一开关元件串联在对应电池组的第一电池单体的阴极与第二电池单体的阳极之间；
其中的再N个开关元件中，每个第二开关元件与对应的一个电池组的第一电池单体并联；
其中的再N-1个开关元件中，每个第三开关元件连接在相邻两个电池组的两个第一电池单体的阳极之间；
其中的再N个开关元件中，每个第四开关元件连接在相邻两个电池组的两个第二电池单体的阴极之间；
其中的再N-1个开关元件中，每个第五开关元件连接在相邻两个电池组中前一个电池组的第一电池单体的阴极与后一个电池组的第一电池单体的阳极之间；
其中的再N-1个开关元件中，每个第六开关元件连接在相邻两个电池组中前一个电池组的第二电池单体的阴极与后一个电池组的第二电池单体的阳极之间；
其中的再N个开关元件中，每个第七开关元件连接在火线与每个电池组的第一电池单体的阳极之间；
其中的再N个开关元件中，每个第八开关元件连接在零线与每个电池组的第二电池单体的阴极之间；
其中的再(N-1)个开关元件，每个第九开关元件连接在相邻两个电池组的第一电池单体的阴极之间；
其中的再(N-1)个开关元件，每个第十开关元件连接在相邻两个电池组的第二电池单体的阳极之间；
N个电阻，每个电阻与一个第二开关在串联后并联在对应的电池组的第一电池单体的阴极与阳极之间；
其中的再N*N个第开关，每个第十一开关连接在相应的电阻与对应的电池组中的第一电池单体的阴极之间。
2.根据权利要求1所述的电池储能网络，其特征在于，所述电阻的阻值与电池单体的二阶模型相关。
3.一种平衡电池间剩余电量的方法，采用权利要求1-2任一项所述的电池储能网络平衡电池单体的剩余电量，其特征在于，所述方法，包括：
针对电池储能网络中的每个电池单体，采用预设数学模型确定每个电池单体的剩余电量，及所述电池储能网络中包括的电池单体的剩余电量均值；
将每个电池单体的阳极、阴极分别设为一个节点，将电池单体本身、电池单体间的连接线及电子开关元件均设为线构建电池网络拓扑无向图，并将电池网络拓扑无向图转化为矩阵；其中，矩阵的元素表征对应节点之间是不是由开关相连接或者电池相连接；
对于剩余电量低于剩余电量均值的目标电池单体，分别从另外的电池单体选定一个为其中一个目标电池单体进行充电，当有其中一个电池单体的剩余电量(SOC)达到目标电量范围时，则断开达到目标电量范围的电池单体阴极或阳极连接的开关元件，当配对的每个电池单体组中均包括一个剩余电量(SOC)达到目标电量范围时，则停止本轮充放电；
重复执行上一步骤，直至所有电池单体的剩余电量均达到预设目标电量范围的要求，或再无充电路径可用。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法，还包括：
计算每轮充放电过程所需要消耗的时间；以及
计算整个充放电过程结束所需要消耗的总时间；
其中，当电池储能网络中包括的所有电池单体的剩余电量均达到剩余电量均值或者储能网络中再无可充电的电池组时，整个充放电过程结束。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法，还包括：
针对电池单体，按照剩余电量由少到多的原则对电池单体进行编号；
每次执行一轮充放电过程之后，均按照剩余电量由少到多的原则对电池单体进行编号。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括：
两个节点之间通过开关相连接，则电池网络拓扑无向图中当前元素的值设为1；
如果两个节点之间不相邻，则电池网络拓扑无向图中当前元素的值设为0；
如果两个节点之间由电池相连，则电池网络拓扑无向图中该元素的值为该两个电池单体的剩余电量均值。
7.平衡电池间剩余电量的系统，采用权利要求1-2任一项所述的电池储能网络平衡电池单体的剩余电量，其特征在于，所述系统，包括：
剩余电量计算模块，用于针对电池储能网络中的每个电池单体，采用预设数学模型确定每个电池单体的剩余电量(SOC)，及所述电池储能网络中包括的电池单体的剩余电量均值；
转化模块，用于将每个电池单体的阳极、阴极分别设为一个节点，将电池单体本身、电池单体间的连接线及电子开关元件均设为线构建电池网络拓扑无向图，并将电池网络拓扑无向图转化为矩阵；其中，矩阵的元素表征对应节点之间是不是由开关相连接或者电池相连接；
充放电模块，用于对于剩余电量低于剩余电量均值的目标电池单体，分别从另外的电池单体选定一个为其中一个目标电池单体进行充电，当有其中一个电池单体的剩余电量达到目标电量范围时，则断开达到目标电量范围的电池单体阴极或阳极连接的开关元件，当配对的每个电池单体组中均有一个电池单体的剩余电量达到剩余电量均值时，则停止本轮充放电；
终止模块，用于重复执行上一步骤，直至所有电池单体的剩余电量均达到预设目标电量范围的要求，或再无充电路径可用。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，还包括：
耗时计算模块，用于计算每轮充放电过程所需要消耗的时间；以及计算整个充放电过程结束所需要消耗的总时间；
其中，当电池储能网络中包括的所有电池单体的剩余电量均达到剩余电量均值或者储能网络中再无可充电的电池组时，整个充放电过程结束。
9.一种平衡电池间剩余电量的装置，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述计算机程序由所述处理器加载并执行，以实现如权利要求3-6任一项所述平衡电池间剩余电量的方法。
10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时用于实现如权利要求3-6任一项所述平衡电池间剩余电量的方法。
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