一种基于网络拓扑表示方法的电池组参数计算方法
【专利摘要】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。
【专利说明】
-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
[0001] 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】
[0002] 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设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W更为优化电池组设计，保证产品性能。
[0003] 经过检索，相近技术领域的现有已公开专利：
[0004] -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W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、溫度并记录时间戳;各本 地控制器后对各单体电池的电压、电流和溫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 S0C;中央控制器计算串联电池 组的荷电状态S0C。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。
[0005] 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W相应的第一概率Pli被电禪合到电池组，且分别W相应的第二概率 P2i与电池组电去禪，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禪合到电池组，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P1 i和相应的第二概率P2 i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.
[0006] 一种基于S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，S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，S组蓄电池的控制单元分别为邸SSI、邸SSII、BESSIII，保证S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。且每组邸SS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%。
[0007] 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 W及技术方案均不同。
【发明内容】
[0008] 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。
[0009] 本发明解决其技术问题是采取W下技术方案实现的：
[0010] -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W及电容参数。 [00川而且，表达式中的抽象操作符包括并联"I I"、串联"0"、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。
[001 ^ 而且，将表达式田平A傳由灿领的内阻参数时，抽象操作数B为R型，
[0013] 并联电池的内凹 ，串联电池的内巧
[0014] 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，记作化M化(t)，
[0015] 并联电池的电压化M化（°°)=min(Ui，U2)，串联电池的电压 扫
[0016] 而且，两电池并联时，初态Ull |U2(0+) = (RiU2+R2Ui)/(Ri+R2)。
[0017] 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，
[001引并联电池的电容Cil |C2 = Ci+C2,串联电池的电3
。
[0019] 本发明的优点和积极效果是：
[0020] 1、本发明将电池组视为一个由电池支路构成的网络，W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。
[0021] 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】
[0022] 图1为裡聚合物电池典型的放电电压曲线；
[0023] 图2为两种3 X 2电池组拓扑结构；
[0024] 图3为图2的拓扑二叉树结构；
[0025] 图4为初态电压示意图；
[0026] 图5为放电曲线示意图；
[0027]图6为电池并联的稳态电压；
[002引图7为电池并联的容量；
[0029] 图8为两串联电池放电曲线；
【具体实施方式】
[0030] 下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，W下实施例只是描述性 的，不是限定性的，不能W此限定本发明的保护范围。
[0031] -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，
[0032] 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。
[0033] 电池组:若单支电池的电动势E = eV容量为Y = IimAh,则欲构成电压为址容量为mY 的电池组需要m ? n支电池。
[0034] 电池组拓扑具有两个重要特征：
[0035] (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；
[0036] (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。
[0037] 如图2的（a)、（b)所示均为3 X 2电池组，分析可知，3 X 2电池组可能有4种结构，设 定每支电池可W由一个数组唯一表示，例如(3,2)表示第=行第二列的电池。
[0038] 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：
[0039] 令"I I"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W被赋予不同的具体运算。例如可W是求电压或容量的运算，规定"I I"优先级高 于"4V，。
[0040] 令"B"表示抽象操作数，与电池一一对应，与操作数类似，运里"抽象"的含义是可 W被赋予不同的电池属性。例如可W是电压、内阻、容量等。
[0041] 括号"0"内的表达式必须先求值再参与括号外的运算。
[0042] 综上所述，
[0043] 图2(a)的表达式为：
[0044] 图2(b)的表达式为：
[0045] 为了便于计算机处理和存储，W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：I I、一、（、）、#。
[0046] 任意两个运算符目谢目2之间的优先级大小关系可能有目1>目2、目1 =目沸目1<目己种， 由表1严格规定。表明相遇的两个运算符之间求值完毕，而7"出现说明表达式中有语 法错误。
[0047] 表1运算符优先级
[004引
[0049]在电池组的表示中"I I"和"分'都是抽象运算符，而"B"是抽象操作数，可W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W说明。
[00加](-)内阻计算
[0化1 ] ①定义操作数为R型，巧^巧
[0052]②定义操作符I
[0053； 掛
[0054:
[0化5: 锁
[0056] ④计算(每个电池的内阻通常不同，因此WR(i,"表示电池组中位于第i行第j列的 电池内阻）
[0057] 图 2(a)拓扑：
[0化引
[0059]图 2(b)拓扑：
[0060]
[0061] 仁)电压计算
[0062] ①定义操作数为U型，'9 ^。。
[0063] ②定义操作符II。
[0064] 电池并联后，可能相互充电，电压是时间t的函数，记作化M化(t)。因此需要对初态 化M化(0+)和稳态化M化（-O分别进行讨论。
[0065] 两电池并联后（图4)可W根据电路理论计算出
[0066] Uil |U2(〇+) = (RiU2+R如 1)/(化+R2) (3)
[0067]化I I化（OO)则与电池充放电曲线有关。
[0068] 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。化<化，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。
[0069] 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的纵坐标化即为稳态 电压。
[0070] 工程中，若电池一致性较好，可采用如下估计方法。
[0071] Uil |U2(w)=min(Ui，U2) (4)
[0072] ③定义操作符O。
[0073]
域
[0074] ④计算，使用工程方法计算并联电压。
[00巧]图2(a)拓扑
[0076]
[0077] 阁2化）拓朴 [007引
[00巧](H)容量计算
[0080]容量是电池组稳态参数，在恒流放电曲线图中，容量可W用放电时间表示。
[0081 ]①定义操作数为C型，应枉:C。
[0082] ②定义操作符II。
[0083] 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W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Um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ti'-t3,2号电池容量为t2'-t3,总容量为二者之和tl'+t2'-2t3。
[0084] 由图6作图法可知ti+t2 = 2t3,因此总容量为(如-11) +化'-*2)，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。
[00化]综上可知
[0086] 打 ||C2 = Ci+C2 (6)
[0087] ③定义操作符^。
[008引水平移动图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Um与 量曲线交于点1'和2'，其横坐标为ti'和t2'。图8中串联的两电池从t'开始放电，至t2'时2号 电池达到Um,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Um。
[0089] 综上可知
[0090] (.1 一 (;: =niin(r,，r:)斯
[0091] 实施例2,采用二叉树表示电池组拓扑结构
[0092] 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。
[0093] 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、捜索、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。
[0094] 中序遍历化DR)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。
[0095] 实测验证：
[0096] 计算图2(a)中9个电池的参数如表2所示。
[0097] 表2电池参数
[009引
[0100] 根据(I)~(7)式W及表2数据计算出图2(a)拓扑电池组参数如下。[0101] 表3电池组参数计算值
[0099]
[0102]
[0103]
[0104]
[0105] 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W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。
[0106] 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。
[0107] 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W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。
【主权项】
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"I I"、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， 并联电池的内匪，串联电池的内阻尽^馬=尽+尽。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，记作山| |U2(t)， 并联电池的电压Ui| |U2(°°)=min(Ui，U2)，串联电池的电压巧。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，初态山| | U2 (0+) = () / (Ri+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&| |C2 = &+C2,串联电池的电容(.]=min(C、C'/) Q7. 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。
【文档编号】G06F17/50GK105956280SQ201610292531
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年5月5日
【发明人】郭景涛, 张萌, 张一萌, 周海亮
【申请人】天津市计量监督检测科学研究院