CN117318212A - 动态重构电池网络的容量和soc确定方法、设备及介质 - Google Patents

动态重构电池网络的容量和soc确定方法、设备及介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种动态重构电池网络的容量和SOC确定方法、设备及介质，涉及新能源数据处理技术领域。本发明考虑电池系统中由于电芯和模组荷电状态不一致造成的容量损失，先基于单体电芯的电压、电流以及温度确定储能系统中每个单体电芯的荷电状态和实际可用容量，接着，确定得到电池模组的实际可用容量和电池模组的荷电状态；然后，基于电池模组的实际可用容量和电池模组的荷电状态确定多个并联电池模组的整体容量和整体荷电状态；最后，根据多个并联电池模组的整体容量和整体SOC确定动态重构电池网络中电池簇的荷电状态和容量，以能够更准确合理的评估出电池系统(即存储系统)中单体电芯、电池模组以及电池簇的容量和SOC。

Description

动态重构电池网络的容量和SOC确定方法、设备及介质
技术领域
本发明涉及新能源数据处理技术领域，特别是涉及一种动态重构电池网络的容量和SOC确定方法、设备及介质。
背景技术
当前，新能源行业蓬勃发展，伴随着新能源发电占比的提高、交通工具电动化的浪潮以及消费电子市场的发展，锂离子电池在储能行业、新能源汽车行业以及无人机等领域中得到广泛应用。
现阶段，储能系统均是串联形式，长期运行会导致电池出现严重的不一致性。串联结构会因为性能较差的电芯拖累整个电池系统的性能，出现明显的“木桶短板效应”，且一旦电芯出现重大故障，无法从电气回路中切除，会造成相邻电芯出现问题。
为此行业内提出动态可重构电池(dynamic reconfigurablebattery，DRB)储能系统，利用高频电力电子开关将电池单元阵列组成，可以在电池单体、模组和簇级别对电池系统进行单独和灵活的操作，使得电池单元之间的连接拓扑结构可以动态重构，从而适应电池特性和系统负载的变化，并且可以实现毫秒级切除故障电芯和模组，提高电池系统的能量使用效率和安全性。
传统储能仅是电池串联结构，不存在并联情况，由于所有电池是串联，通过每个电池单体的电流是相同的，因此在计算电池荷电状态时，直接以整个电池系统为计算对象，对电流进行积分，以及在充放电末端进行校准(“安时积分+校准点”)的方式，即可对电池系统进行荷电状态(State OfCharge，SOC)估计。而DRB系统出现了串并联结构(即存在并联结构)，相比与传统储能结构要复杂。DRB系统中，通过每个电池模组的电流存在差异，并联模组间的容量也不同，且每个电池模组会在动态重构中随时接入和切除主回路，导致通过模组的电流时有时无，因此不能简单的以整个电池系统为计算对象，对实现电池系统的电池荷电状态的估计带来困难和挑战。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种动态重构电池网络的容量和SOC确定方法、设备及介质。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种动态重构电池网络的容量和SOC确定方法，包括：
获取单体电芯的电压、温度以及电流；
根据单体电芯的电压、电流以及温度确定储能系统中每个单体电芯的荷电状态和实际可用容量；
根据单体电芯的荷电状态和实际可用容量确定得到电池模组的实际可用容量和电池模组的荷电状态；
根据电池模组的实际可用容量和电池模组的荷电状态确定多个并联电池模组的整体容量和整体荷电状态；
根据多个并联电池模组的整体容量和整体SOC确定动态重构电池网络中电池簇的荷电状态和容量。
可选地，根据单体电芯的电压、电流以及温度确定储能系统中每个单体电芯的荷电状态和实际可用容量，具体包括：
建立单体电芯荷电状态与单体电芯电压、电流和温度的映射关系；
基于所述映射关系根据单体电芯的电压、电流以及温度确定储能系统中每个单体电芯的荷电状态；
利用单体电芯的荷电状态结合充放电运行数据确定单体电芯的实际可用容量。
可选地，单体电芯的荷电状态的计算公式为：
SOCcell(i)＝f(V(i),I(i),T(i))；
式中，SOCcell(i)为第i个单体电芯的荷电状态，i为储能系统中单体电芯的编号，I(i)为第i个单体电芯的电流，V(i)为第i个单体电芯的电压，T(i)为第i个单体电芯的温度，f(*)为目标函数。
可选地，根据单体电芯的荷电状态和实际可用容量确定得到电池模组的实际可用容量和电池模组的荷电状态，具体包括：
利用电池模组的运行数据确定当前时刻单体电芯的荷电状态的最小值和单体电芯荷电状态的最大值；
基于单体电芯的荷电状态的最小值和单体电芯荷电状态的最大值确定电池模组的荷电状态；
基于电池模组中所有单体电芯的实际可用容量确定电池模组的实际可用容量。
可选地，在充电过程中，电池模组的荷电状态追随单体电芯荷电状态的最大值；放电过程中，电池模组的荷电状态追随单体电芯荷电状态的最小值；其中，电池模组的荷电状态的计算公式为：
式中，SOCmodule为电池模组的荷电状态，SOCcell_max为单体电芯荷电状态的最大值，ΔSOCcell为荷电状态差值，ΔSOCcell＝|SOCcell_max-SOCcell_min|，SOCcell_min为单体电芯荷电状态的最小值。
可选地，根据电池模组的实际可用容量和电池模组的荷电状态确定多个并联电池模组的整体容量和整体荷电状态，具体包括：
获取经过每个电池模组的电流；
基于电池模组的电流和电池模组的实际可用容量确定多个并联电池模组的荷电状态；
将多个并联电池模组的实际可用容量相加得到多个并联电池模组的整体容量。
可选地，并联电池模组的荷状态的计电算公式为：
式中，k为时刻，j为储能系统中并联电池模组的编号，n为并联电池模组的个数，△t为第k时刻所对应时间与k-1时刻所对应时间的差值，SOC(k)为第k时刻并联电池模组的荷状态，I_module(j,k)为第k时刻、第j个并联电池模组的电流，Qmodule(j)为第j个并联电池模组的实际可用容量；
或者，并联电池模组的荷状态是各个并联电池模组的荷电状态的平均值，为：
式中，SOCmodule(j,k)为第k时刻、第j个并联电池模组的荷电状态。
可选地，电池簇的荷电状态的计算公式为：
式中，SOCcluster为电池簇的荷电状态，ΔSOC为并联电池模组电荷状态的差值，ΔSOC＝|SOCmax-SOCmin|，SOCmax为并联电池模组电荷状态的最大值，SOCmin为并联电池模组电荷状态的最小值；
电池簇的容量的计算公式为：
式中，m串联电池模组的个数，n为并联电池模组的个数，Qmodule(m,n)为在m个串联电池模组和n个并联电池模组的电池阵列中的第m个串联电池模组中，第n个并联电池模组对应的电池模组的容量。
一种电子设备，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，与所述存储器连接，用于调取并执行所述计算机程序，以实施上述提供的动态重构电池网络的容量和SOC确定方法。
一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序；所述计算机程序用于实施上述提供的动态重构电池网络的容量和SOC确定方法。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明考虑电池系统中由于电芯和模组荷电状态不一致造成的容量损失，先基于单体电芯的电压、电流以及温度确定储能系统中每个单体电芯的荷电状态和实际可用容量，接着，基于单体电芯的荷电状态和实际可用容量确定得到电池模组的实际可用容量和电池模组的荷电状态；然后，基于电池模组的实际可用容量和电池模组的荷电状态确定多个并联电池模组的整体容量和整体荷电状态；最后，根据多个并联电池模组的整体容量和整体SOC确定动态重构电池网络中电池簇的荷电状态和容量，以能够更准确合理的评估出电池系统(即存储系统)中单体电芯、电池模组以及电池簇的容量和SOC。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的动态重构电池网络的容量和SOC确定方法流程图；
图2为本发明提供的动态重构电池网络结构拓扑示意图；
图3为本发明提供的电子设备示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种动态重构电池网络的容量和SOC确定方法、设备及介质，能够准确计算DRB网络的容量和荷电状态。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明提供的动态重构电池网络的容量和SOC确定方法，包括：
步骤100：获取单体电芯的电压、温度以及电流。
步骤101：根据单体电芯的电压、电流以及温度确定储能系统中每个单体电芯的荷电状态和实际可用容量。
在实际应用过程中，该步骤的实现过程可以是：
步骤1011：建立单体电芯荷电状态与单体电芯电压、电流和温度的映射关系。
步骤1012：基于映射关系根据单体电芯的电压、电流以及温度确定储能系统中每个单体电芯的荷电状态。其中，单体电芯的荷电状态的计算公式为：
SOCcell(i)＝f(V(i),I(i),T(i)) (1)
式中，SOCcell(i)为第i个单体电芯的荷电状态，i为储能系统中单体电芯的编号，I(i)为第i个单体电芯的电流，V(i)为第i个单体电芯的电压，T(i)为第i个单体电芯的温度，f(*)为目标函数。
步骤1013：利用单体电芯的荷电状态结合充放电运行数据确定单体电芯的实际可用容量。
步骤102：根据单体电芯的荷电状态和实际可用容量确定得到电池模组的实际可用容量和电池模组的荷电状态。
在实际应用过程中，该步骤的实现过程可以是：
步骤1021：利用电池模组的运行数据确定当前时刻单体电芯的荷电状态的最小值和单体电芯荷电状态的最大值。
步骤1022：基于单体电芯的荷电状态的最小值和单体电芯荷电状态的最大值确定电池模组的荷电状态。其中，在充电过程中，电池模组的荷电状态追随单体电芯荷电状态的最大值。放电过程中，电池模组的荷电状态追随单体电芯荷电状态的最小值。其中，电池模组的荷电状态的计算公式为：
式中，SOCmodule为电池模组的荷电状态，SOCcell_max为单体电芯荷电状态的最大值，ΔSOCcell为荷电状态差值，ΔSOCcell＝|SOCcell_max-SOCcell_min|，SOCcell_min为单体电芯荷电状态的最小值。
步骤1023：基于电池模组中所有单体电芯的实际可用容量确定电池模组的实际可用容量。
步骤103：根据电池模组的实际可用容量和电池模组的荷电状态确定多个并联电池模组的整体容量和整体荷电状态。
在实际应用过程中，该步骤的实现过程可以是：
步骤1031：获取经过每个电池模组的电流。
步骤1032：基于电池模组的电流和电池模组的实际可用容量确定多个并联电池模组的荷电状态。其中，并联电池模组的荷状态的计电算公式为：
式中，k为时刻，j为储能系统中并联电池模组的编号，n为并联电池模组的个数，△t为第k时刻所对应时间与k-1时刻所对应时间的差值，SOC(k)为第k时刻并联电池模组的荷状态，I_module(j,k)为第k时刻、第j个并联电池模组的电流，Qmodule(j)为第j个并联电池模组的实际可用容量。
或者，并联电池模组的荷状态是各个并联电池模组的荷电状态的平均值，为：
式中，SOCmodule(j,k)为第k时刻、第j个并联电池模组的荷电状态。
步骤1033：将多个并联电池模组的实际可用容量相加得到多个并联电池模组的整体容量。
步骤104：根据多个并联电池模组的整体容量和整体SOC确定动态重构电池网络中电池簇的荷电状态和容量。其中，电池簇的荷电状态的计算公式为：
式中，SOCcluster为电池簇的荷电状态，ΔSOC为并联电池模组电荷状态的差值，ΔSOC＝|SOCmax-SOCmin|，SOCmax为并联电池模组电荷状态的最大值，SOCmin为并联电池模组电荷状态的最小值。
电池簇的容量的计算公式为：
式中，m串联电池模组的个数，n为并联电池模组的个数，Qmodule(m,n)为在m个串联电池模组和n个并联电池模组的电池阵列中的第m个串联电池模组中，第n个并联电池模组对应的电池模组的容量。
下面以确定如图2所示的动态重构电池网络结构拓扑图的容量和SOC为例，本发明提供的上述动态重构电池网络的容量和SOC确定方法的优点进行说明。其中，该实施例采用的动态重构电池网络结构拓扑由若干单体电芯串联成一个电池模组，然后三个电池模组并联形成横向并联电池模块，最后由三个横向并联电池模块再进行串联，形成电池簇。每一个电池模组均可以从回路中断开和接入。图2中，Q*是指与电池模组对应的控制开关编号。基于此，该实施例中，这一动态重构电池网络的容量和SOC的计算过程为：
S1、接受电池管理系统或者电池系统测试设备采集的关于单体电芯的电压、温度、电流的时间序列。
S2、根据时间序列中单体电芯的电压、电流以及温度，确定储能系统中每个单体电芯的荷电状态和实际可用容量Qcell。或者电池管理系统或者电池测试设备，具备单体电芯的SOC和容量计算功能，则可以直接获取，无需计算。
建立电芯SOC与单体电芯电压、电流和温度的映射关系，采用公式(1)得到单体电芯的荷电状态。
利用单体电芯的荷电状态，结合充放电运行数据，充放电运行数据包含电压、电流以及温度等物理信号，计算得到单体电芯的实际可用容量。该实施例中，单体电芯的实际可用容量的计算公式为：
式中，t1为充放电起始时刻，t2为充放电终止时刻，SOC(t1)为单体电芯的充放电起始SOC，SOC(t2)为单体电芯的充放电终止SOC。
S3、根据单体电芯SOC值，结合电芯实际可用容量，计算得到电池模组的实际可用容量和电池模组的SOC。
利用电池的运行数据，计算得到当前时刻的单体电芯SOC的最小值SOCcell_min和单体电芯SOC的最大值SOCcell_max，确定当前时刻电池模组的SOC，在充电过程中，电池模组的SOC追随单体电芯的最大值SOCcell_max，放电过程中，电池模组的SOC追随单体电芯的最小值SOCcell_min。其计算公式参见公式(2)。
电池模组的可用容量是通过结合所有电芯的容量计算得到。其中，若单体电芯一致性较好，则电池模组的可用容量计算公式为：
Qmodule＝Q_rate*(1-SOCcell_max+SOCcell_min) (8)
式中，Qmodule为电池模组的可用容量，Q_rate为所有电芯的容量。
若电芯一致性较差，则电池模组的可用容量计算公式为：
Qmodule＝min(Qcell(i)*SOCcell(i))+min((1-SOCcell(i))*Qcell(i)) (9)
式中，Qcell(i)为第i个单体电芯的可用容量，SOCcell(i)为第i个单体电芯的SOC。
假设新单体电芯的额定容量为100Ah，5颗单体电芯串联组成一个电池模组，容量一致性较好，但是SOC存在差异，若在某时刻SOCcell_max＝10％，SOCcell_min＝5％，则该电池模组的容量为Qmodule＝100*(1-0.1+0.05)＝95Ah；此时电池模组的SOCmodule＝(SOCcell_max-△SOC)/(1-△SOC)≈5.26％。
S4、根据电池模组的实际可用容量和电池模组的SOC，计算得到若干个并联电池模组的整体容量和整体SOC。
获取经过每个电池模组的电流I_module。
将横向并联的各个模组容量相加，即得到并联电池模组的整体容量。并联电池模组的SOC计算公式参见公式(3)。或者，当并联电池模组的SOC为各个电池模组SOC的平均值时，其计算公式参见公式(4)。
在该实施例中，当横向三个并联电池模组的SOC分别为10％、15％和14％时，则横向并联电池模组的SOC为：
(10％+15％+14％)＝13％。
S5、根据横向若干个并联电池模组的整体容量和整体SOC，计算得到整个电池簇的SOC和容量。其中，电池簇的容量的计算公式参见公式(6)。例如，当三个横向电池模块的容量分别是100Ah、95Ah和89Ah时，则整个电池簇的容量为89Ah。
电池簇SOC的计算公式参见公式(5)。例如，当三个横向电池模块的SOC分别为15％、16％和11％时，则整个电池簇的SOC为：
SOCcluster＝(0.16-0.05)/(1-0.05)≈11.6％。
进一步，本发明还提供了一种电子设备，如图3所示，该电子设备包括：存储器和处理器。处理器与所述存储器连接。
存储器用于存储计算机程序；
处理器用于调取并执行所述计算机程序，以实施上述提供的动态重构电池网络的容量和SOC确定方法。
此外，上述的存储器中的计算机程序通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器、随机存取存储器、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的设备而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种动态重构电池网络的容量和SOC确定方法，其特征在于，包括：
获取单体电芯的电压、温度以及电流；
根据单体电芯的电压、电流以及温度确定储能系统中每个单体电芯的荷电状态和实际可用容量；
根据单体电芯的荷电状态和实际可用容量确定得到电池模组的实际可用容量和电池模组的荷电状态；
根据电池模组的实际可用容量和电池模组的荷电状态确定多个并联电池模组的整体容量和整体荷电状态；
根据多个并联电池模组的整体容量和整体SOC确定动态重构电池网络中电池簇的荷电状态和容量。
2.根据权利要求1所述的动态重构电池网络的容量和SOC确定方法，其特征在于，根据单体电芯的电压、电流以及温度确定储能系统中每个单体电芯的荷电状态和实际可用容量，具体包括：
建立单体电芯荷电状态与单体电芯电压、电流和温度的映射关系；
基于所述映射关系根据单体电芯的电压、电流以及温度确定储能系统中每个单体电芯的荷电状态；
利用单体电芯的荷电状态结合充放电运行数据确定单体电芯的实际可用容量。
3.根据权利要求2所述的动态重构电池网络的容量和SOC确定方法，其特征在于，单体电芯的荷电状态的计算公式为：
SOCcell(i)＝f(V(i),I(i),T(i))；
式中，SOCcell(i)为第i个单体电芯的荷电状态，i为储能系统中单体电芯的编号，I(i)为第i个单体电芯的电流，V(i)为第i个单体电芯的电压，T(i)为第i个单体电芯的温度，f(*)为目标函数。
4.根据权利要求1所述的动态重构电池网络的容量和SOC确定方法，其特征在于，根据单体电芯的荷电状态和实际可用容量确定得到电池模组的实际可用容量和电池模组的荷电状态，具体包括：
利用电池模组的运行数据确定当前时刻单体电芯的荷电状态的最小值和单体电芯荷电状态的最大值；
基于单体电芯的荷电状态的最小值和单体电芯荷电状态的最大值确定电池模组的荷电状态；
基于电池模组中所有单体电芯的实际可用容量确定电池模组的实际可用容量。
5.根据权利要求4所述的动态重构电池网络的容量和SOC确定方法，其特征在于，在充电过程中，电池模组的荷电状态追随单体电芯荷电状态的最大值；放电过程中，电池模组的荷电状态追随单体电芯荷电状态的最小值；其中，电池模组的荷电状态的计算公式为：
式中，SOCmodule为电池模组的荷电状态，SOCcell_max为单体电芯荷电状态的最大值，ΔSOCcell为荷电状态差值，ΔSOCcell＝|SOCcell_max-SOCcell_min|，SOCcell_min为单体电芯荷电状态的最小值。
6.根据权利要求1所述的动态重构电池网络的容量和SOC确定方法，其特征在于，根据电池模组的实际可用容量和电池模组的荷电状态确定多个并联电池模组的整体容量和整体荷电状态，具体包括：
获取经过每个电池模组的电流；
基于电池模组的电流和电池模组的实际可用容量确定多个并联电池模组的荷电状态；
将多个并联电池模组的实际可用容量相加得到多个并联电池模组的整体容量。
7.根据权利要求1所述的动态重构电池网络的容量和SOC确定方法，其特征在于，并联电池模组的荷状态的计电算公式为：
式中，k为时刻，j为储能系统中并联电池模组的编号，n为并联电池模组的个数，△t为第k时刻所对应时间与k-1时刻所对应时间的差值，SOC(k)为第k时刻并联电池模组的荷状态，I_module(j,k)为第k时刻、第j个并联电池模组的电流，Qmodule(j)为第j个并联电池模组的实际可用容量；
或者，并联电池模组的荷状态是各个并联电池模组的荷电状态的平均值，为：
式中，SOCmodule(j,k)为第k时刻、第j个并联电池模组的荷电状态。
8.根据权利要求1所述的动态重构电池网络的容量和SOC确定方法，其特征在于，电池簇的荷电状态的计算公式为：
式中，SOCcluster为电池簇的荷电状态，ΔSOC为并联电池模组电荷状态的差值，ΔSOC＝|SOCmax-SOCmin|，SOCmax为并联电池模组电荷状态的最大值，SOCmin为并联电池模组电荷状态的最小值；
电池簇的容量的计算公式为：
式中，m串联电池模组的个数，n为并联电池模组的个数，Qmodule(m,n)为在m个串联电池模组和n个并联电池模组的电池阵列中的第m个串联电池模组中，第n个并联电池模组对应的电池模组的容量。
9.一种电子设备，其特征在于，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，与所述存储器连接，用于调取并执行所述计算机程序，以实施如权利要求1-8任意一项所述的动态重构电池网络的容量和SOC确定方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，存储有计算机程序；所述计算机程序用于实施权利要求1-8任意一项所述的动态重构电池网络的容量和SOC确定方法。
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