CN114330226A - 一种基于图论的电池管控方法、装置、设备及介质 - Google Patents

Abstract

本发明属于电池管理技术领域，具体公开了一种基于图论的电池管控方法、装置、设备及介质。包括以下步骤：S1、基于图论方法，对目标电池系统中各电池单元的连接关系及其能量路径特性进行数学抽象，建立电池模型；S2、根据电池模型，获取顶点集合和边集；顶点集合为每个具有独立控制功能的电池单元；边集为从同独立控制逻辑下构成的电池单元的连接关系，即初始电池单元到终端电池单元的能量路径；S3、根据顶点集合和边集，采用电池能量路径优化算法对边集中每条能量路径的权重进行计算，获得权重；S4、对权重中权重值进行排序，从而获得最优的能量路径。本发明通过采用图论方法将将电池系统视为一个能量路径网络同时实现了电池的安全高效使用。

Description

一种基于图论的电池管控方法、装置、设备及介质

技术领域

本发明属于电池管理技术领域，具体涉及一种基于图论的电池管控方法、装置、设备及介质。

背景技术

随着储能电池材料技术的突破，新能源应用迎来了大发展，储能电池系统是新能源应用的重要部分，作为储能系统核心部件，电池是整个储能系统的主要检测对象和管控目标。电池主要的电气性能指标和管控依据为电压、电流以及剩余能量，三者的大小会随充放电状态浮动变化并有着相关性。在充电时，整个过程中电压和剩余能量会持续增加，某个瞬间的电压与电流成正比例；在放电时，整个过程中电压和剩余能量会持续减少，某个瞬间的电压与电流成反比例；充放电电压或电流与电池剩余能量没有直接的数学计算关系。

传统电池管理系统，将各个电池单体或模组进行固定连接，并假定各个电池单体或模组的剩余能量是一致的或相近的，传统电池管理系统通过检测和控制直流电压的来实现充电或放电的电流。但在实际使用中，因各个电池单体或模组的电化学差异，其剩余能量是存在不一致性。尤其在若干充放电使用循环后，剩余能量的差异将初步扩大。另一方面，传统电池能量算法是以电压为条件进行逻辑判断的，因此在多个电池单体或模组固定串并联的系统中，必然会出现因部分电池单体或模组电压过压或欠压导致的整个电池系统的保护，此时其他电池单体或模组尚有大量剩余能量未能使用。这就是传统电池管理系统和能量算法不灵活和能量管理效率低的具体问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于图论的电池管控方法、装置、设备及介质，以解决传统电池管理方法在电池单体/模组存在较大差异时，难以使所有电池单体/模组充满电的技术问题。

第一方面，一种基于图论的电池管控方法，包括以下步骤：

S1、基于图论方法，对目标电池系统中各电池单元的连接关系及其能量路径特性进行数学抽象，建立电池模型G＝(P，ε，ω)；

S2、根据电池模型G＝(P，ε，ω)，获取顶点集合P＝{n₁,n₂,n₃…n_n}和边集ε＝{ε₁,ε₂,ε₃…ε_m}；

顶点集合P＝{n₁,n₂,n₃…n_n}为每个具有独立控制功能的电池单元；

边集ε＝{ε₁,ε₂,ε₃…ε_m}为从同独立控制逻辑下构成的电池单元的连接关系，即初始电池单元到终端电池单元的能量路径；

S3、根据顶点集合P＝{n₁,n₂,n₃…n_n}和边集ε＝{ε₁,ε₂,ε₃…ε_m}，采用电池能量路径优化算法对边集ε＝{ε₁,ε₂,ε₃…ε_m}中每条能量路径的权重进行计算，获得权重ω＝{ε₁,ε₂,ε₃…ε_m}；

S4、对权重ω＝{ε₁,ε₂,ε₃…ε_m}中权重值进行排序，从而获得最优的能量路径。

本发明的进一步改进在于：所述电池单元为能量路径节点上的电池单体或模组，其性能特征包括剩余容量、最大容量、充放电截止电压和充放电限制电流。

本发明的进一步改进在于：所述边集ε＝{ε₁,ε₂,ε₃…ε_m}和权重ω＝{ε₁,ε₂,ε₃…ε_m}中m表示穷尽搜索可行剩余能量转换路径的总数。

本发明的进一步改进在于：所述电池能量路径优化算法包括剩余容量管控边界条件和基于基尔霍夫定律的电气条件。

本发明的进一步改进在于：所述剩余容量管控边界条件是指各电池单元剩余容量的总能量期望和一致性期望，包括以下步骤：

选择总能量大于用电系统负载所需能量的所有能量路径；

判断每条总能量大于用电系统负载所需能量的能量路径上的所有电池单元的剩余容量管控关系，每个电池单元的剩余能量均满足剩余容量管控关系的能量路径再通过基于基尔霍夫定律的电气条件进行筛选。

本发明的进一步改进在于：所述基于基尔霍夫定律的电气条件即电池单元电压和电流的安全工作范围受充放电截止条件的限制；

满足剩余容量管控关系的能量路径中各节点电流之和等于零且回路电压之和等于零的能量路径符合基于基尔霍夫定律的电气条件。

本发明的进一步改进在于：根据：

每个电池单元剩余能量≥该能量路径上所有电池单元剩余容量平均值±预设的能量一致性修正值，判断每条总能量大于用电系统负载所需能量的能量路径上的所有电池单元的剩余容量管控关系。

第二方面，一种基于图论的电池管控装置，包括：

电池模型建立模块：用于基于图论方法，对目标电池系统中各电池单元的连接关系及其能量路径特性进行数学抽象，建立电池模型；

顶点集合和边集获取模块：用于根据电池模型获取顶点集合和边集；

权重计算模块：用于根据顶点集合和边集，采用电池能量路径优化算法对边集中每条能量路径的权重进行计算，获得权重；

最优能量路径获取模块：用于对权重进行排序，从而获得最优的能量路径。

第三方面，一种计算机设备，包括存储器、处理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，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的一种基于图论的电池管控方法。

第四方面，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实现上述的一种基于图论的电池管控方法。

与现有技术相比，本发明至少包括以下有益效果：

1、本发明通过将原有的统一管理、固定控制的电池组，是为由一个个电池单体构成的一个个能量点，电池单体的差异表现为每个能量点的大小。将正极、能量点、负极的电气连接视为可以变化的路径，不同路径的上的电池能量、电压的加和作为图形的结果，与传统技术方案中能量路径固定、路径经过的电池的能量点的数量也是固定的，无法进行电池的组内优化。实现灵活的控制电池系统中各电池单元，提高能量管理效率；

2、本发明通过剩余容量管控边界条件控制能量路径进行变化的，路径的变化与选择将根据外部能量需求(电压、电流、功率、持续时间)等作为边界条件，计算出必要的路径最短的、途径能量点之和最小的、能量点之间差异最小的能量路径，即将按照每个电池单体的状态的差异，进行启用或停用的内部优化，最终达到先使用能力强的电池、后使用能力弱的电池的效果，消除电池差异对电池组运行的影响。

3、本发明摈弃了传统电池管理通过充放电电压、电流对电池状态的粗略判断，将电池系统视为一个能量路径网络，从瞬态系统的角度进行各电池剩余能量的构成的能量路径进行穷尽计算分析，通过管控限制条件对能量路径计算结果进行可行性和安全性约束，实现了安全、稳定满足系统能量需求的同时，对各个电池单元进行动态能量均衡的功能，最终实现了目标电池系统能量的最大化利用。使电池储能系统的能量供给稳定性、持续性，与电池一致性解耦，延长电池系统寿命。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明一种基于图论的电池管控方法的模型构建示意图；

图2为本发明一种基于图论的电池管控方法的流程图；

图3为本发明一种基于图论的电池管控装置的系统框图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本发明所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。

实施例1

如图1-2所示，一种基于图论的电池管控方法，包括以下步骤：

S1、基于图论方法，对目标电池系统中各电池单元的连接关系及其能量路径特性进行数学抽象，建立电池模型G＝(P，ε，ω)，本算法图论算法由顶点、边集、权重构成。顶点是含有每个独立控制功能的电池单体或电池模组；边集代表了在不同独立控制逻辑下构成的电池单元的连接关系；权重则是每个边集方案下电池系统的可行性；

建立电池模型的目的在于以获得更高频度和分辨率的信息，同时对能量潮流进行表示；

S2、根据电池模型G＝(P，ε，ω)，获取顶点集合P＝{n₁,n₂,n₃…n_n}和边集ε＝{ε₁,ε₂,ε₃…ε_m}；

顶点集合P＝{n₁,n₂,n₃…n_n}为各个电池单元的剩余能量，电池单元是能量路径节点上的电池单体或模组，它们的性能特征如剩余容量、最大容量、充放电截止电压、充放电限制电流等为已知参数；

边集ε＝{ε₁,ε₂,ε₃…ε_m}为从初始电池单元到终端电池单元的连接路径，连接路径上的电池单元构成了用于支撑能量输出电池系统，用来表征剩余能量配置的灵活性，m表示穷尽搜索可行剩余能量转换路径的总数；

根据顶点集合P＝{n₁,n₂,n₃…n_n}计算边集ε＝{ε₁,ε₂,ε₃…ε_m}中每条能量路径的可行权重，m条能量路径的权重集合为权重ω＝{ε₁,ε₂,ε₃…ε_m}，权重ω＝{ε₁,ε₂,ε₃…ε_m}表示对应边集的剩余能量、电压、电流管控值的安全运行性；

S3、通过电池能量路径优化算法对每条能量路径进行计算，获得每条能量路径对应的权重值；

电池能量路径优化算法包括剩余容量管控边界条件和基于基尔霍夫定律的电气条件；

剩余容量管控边界条件是指各电池单元剩余容量的总能量期望和一致性期望；

基于基尔霍夫定律的电气条件是指各电池单元电压工作范围受截止电压和满电压的限制条件；

剩余容量管控边界条件包括总能量和电池单元能量一致性；根据目标电池系统的充放电能量需求，可以不同能量路径方案下的路径上所有电池单元的能量总和应满足外部能量的瞬态需求。例如，用电系统负载需要1000W能量需求，目标电池系统中某可能的能量路径上有4个电池单元，则总能量ΣP_n应大于等于1000W，其中，(n＝1,2,3,4)。电池单元能量一致性用于多个可能的能量路径之间的电池能量均能选择问题。目标电池系统可能存在多个满足总能量ΣP_mn≥1000W，(m＝1,2,3,4；n＝1,2,3,4)等能量路径，需判断不同的P_1n、P_2n、P_3n等能量路径上的四个电池单元的剩余容量管控关系，每个电池单元的剩余能量需满足所有四个电池单元剩余容量数学平均值±能量一致性修正值的要求。通过电池单元剩余容量管控边界分析，可得出满足外部用电条件下的最优电池均衡组合可能路径。

基于基尔霍夫定律的电气条件即电池单元电压、电流的安全工作范围受充放电截止条件的限制；在较低频率的电性拓扑下，电路中涉及静态的供电电压和电流需要满足基尔霍夫定律，即节点电流之和等于零、回路电压之和等于零；此外，当顶点中的独立开关按照适当占空比动态运行时，需要考虑这些开关能够承受的高频范围，以及电感和超级电容作为能量缓冲器的最大储能限制；

S4、根据权重ω＝{ε₁,ε₂,ε₃…ε_m}中每个权重值的大小，对每个权重值对应的能量路径进行排序，获得最优的能量路径。

实施例2

如图3所示，一种基于图论的电池管控装置，基于实施例1中的一种基于图论的电池管控方法，包括：

电池模型建立模块：用于基于图论方法，对目标电池系统中各电池单元的连接关系及其能量路径特性进行数学抽象，建立电池模型；

顶点集合和边集获取模块：用于根据电池模型获取顶点集合和边集；

权重计算模块：用于根据顶点集合和边集，采用电池能量路径优化算法对边集中每条能量路径的权重进行计算，获得权重；

最优能量路径获取模块：用于对权重进行排序，从而获得最优的能量路径。

实施例3

本发明还提供一种计算机设备，包括存储器、处理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，所述处理器执行所述计算机程序时实现实施例1中的一种基于图论的电池管控方法。

实施例4

本发明还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，所述计算机程序被处理器执行时实现实施例1中的一种基于图论的电池管控方法。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于图论的电池管控方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、基于图论方法，对目标电池系统中各电池单元的连接关系及其能量路径特性进行数学抽象，建立电池模型G＝(P，ε，ω)；

S2、根据电池模型G＝(P，ε，ω)，获取顶点集合P＝{n₁,n₂,n₃…n_n}和边集ε＝{ε₁,ε₂,ε₃…ε_m}；

顶点集合P＝{n₁,n₂,n₃…n_n}为每个具有独立控制功能的电池单元；

边集ε＝{ε₁,ε₂,ε₃…ε_m}为从同独立控制逻辑下构成的电池单元的连接关系，即初始电池单元到终端电池单元的能量路径；

S3、根据顶点集合P＝{n₁,n₂,n₃…n_n}和边集ε＝{ε₁,ε₂,ε₃…ε_m}，采用电池能量路径优化算法对边集ε＝{ε₁,ε₂,ε₃…ε_m}中每条能量路径的权重进行计算，获得权重ω＝{ε₁,ε₂,ε₃…ε_m}；

S4、对权重ω＝{ε₁,ε₂,ε₃…ε_m}中权重值进行排序，从而获得最优的能量路径。

2.根据权利要求1所述的一种基于图论的电池管控方法，其特征在于，所述电池单元为能量路径节点上的电池单体或模组，其性能特征包括剩余容量、最大容量、充放电截止电压和充放电限制电流。

3.根据权利要求1所述的一种基于图论的电池管控方法，其特征在于，所述边集ε＝{ε₁,ε₂,ε₃…ε_m}和权重ω＝{ε₁,ε₂,ε₃…ε_m}中m表示穷尽搜索可行剩余能量转换路径的总数。

4.根据权利要求1所述的一种基于图论的电池管控方法，其特征在于，所述电池能量路径优化算法包括剩余容量管控边界条件和基于基尔霍夫定律的电气条件。

5.根据权利要求4所述的一种基于图论的电池管控方法，其特征在于，所述剩余容量管控边界条件是指各电池单元剩余容量的总能量期望和一致性期望，包括以下步骤：

选择总能量大于用电系统负载所需能量的所有能量路径；

判断每条总能量大于用电系统负载所需能量的能量路径上的所有电池单元的剩余容量管控关系，每个电池单元的剩余能量均满足剩余容量管控关系的能量路径再通过基于基尔霍夫定律的电气条件进行筛选。

6.根据权利要求5所述的一种基于图论的电池管控方法，其特征在于，所述基于基尔霍夫定律的电气条件即电池单元电压和电流的安全工作范围受充放电截止条件的限制；

满足剩余容量管控关系的能量路径中各节点电流之和等于零且回路电压之和等于零的能量路径符合基于基尔霍夫定律的电气条件。

7.根据权利要求5所述的一种基于图论的电池管控方法，其特征在于，根据：

每个电池单元剩余能量≥该能量路径上所有电池单元剩余容量平均值±预设的能量一致性修正值，判断每条总能量大于用电系统负载所需能量的能量路径上的所有电池单元的剩余容量管控关系。

8.一种基于图论的电池管控装置，其特征在于，包括：

电池模型建立模块：用于基于图论方法，对目标电池系统中各电池单元的连接关系及其能量路径特性进行数学抽象，建立电池模型；

顶点集合和边集获取模块：用于根据电池模型获取顶点集合和边集；

权重计算模块：用于根据顶点集合和边集，采用电池能量路径优化算法对边集中每条能量路径的权重进行计算，获得权重；

最优能量路径获取模块：用于对权重进行排序，从而获得最优的能量路径。

9.一种计算机设备，包括存储器、处理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，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-7任一项所述基于图论的电池管控方法。

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实现权利要求1-7任一项所述基于图论的电池管控方法。

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