技术领域
[0001] 本
发明涉及直流电技术领域，特别涉及一种直流电源蓄
电池组的管理控制方法及装置。
背景技术
[0002] 直流电源
蓄电池组状态参数需要在线检测和精准估算包括
单体电池的
电压、
电流、
温度、SOC、SOH等数据，其中电压、电流、温度等监测数据相对较为容易，关键信息的荷电容量(SOC：State of Charge)估算是进行电池组在线精准管控中的最大技术难点，要想精准地估算SOC则难度更大。首先，从原理上讲，电池的充放电过程是一种很复杂的电化学过程，严格地说，电池的每个充放电循环都会影响到电池的性能及其内部状态。其次，从外部特性讲，电池工作特性呈一种高度非线性，SOC是不可直接测量的，只能通过对电池的外特性如端电压、工作电流、温度等状态的检测对SOC进行估计。再次，从SOC计算的
角度讲，一般需要建立对应的等效模型，而要建立准确的电池模型也是比较困难的。一方面，大部分抽象出的理想模型本身和电池实际特性之间都会存在一定误差，比如一些常见的电池模型在电池工作状态切换时都会产生较大的瞬时误差，这就导致SOC难以准确估计；另一方面，模型参数的不
稳定性也是SOC估算的一大障碍，以典型的Thevenin和PNGV蓄电池模型为例，在电池工作过程中，其模型等效参数会随着电池的工作电流、温度、以及电池的SOC和SOH状态的改变而发生变化，要定量地辨识出各种工作条件下的电池参数也是一项比较复杂的工作。
发明内容
[0003] 针对上述
现有技术中存在的问题，本发明提供一种直流电源蓄电池组的管理控制方法及装置，其目的是为实现对直流电池的控制。
[0004] 基于上述发明目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：
[0005] 一种直流电源蓄电池组的管理控制方法，包括以下步骤：
[0006] 获取蓄电池组基本信息，根据所述基本信息得到所述蓄电池组的电池等效
电路；
[0007] 根据蓄电池组的电池等效电路识别电池网络串并联关系，根据串并联关系生成串并联调整方案，再根据调整后的串并联关系实现拓扑的重构；
[0008] 通过拓扑的改变调整需要涓流充电或低电流放电的电池单体的电流实现各电池单体的平衡；
[0009] 根据电池单体的串并联关系控制电池单体的充放电；
[0010] 采用可控
开关组成的开关矩阵将蓄电池组中的电池单体连接成可重构电池网络；
[0011] 根据所述可重构电池网络确定最优电池方案系统控制开关阵列。
[0012] 所述根据基本信息得到所述蓄电池组的电池等效电路，包括：
[0013] 步骤201，根据蓄电池组中的单体电池模型建立N电池
串联与M电池并联模型，N与M分别为串联和并联电池数目，将N电池串联与M电池并联模型电路分别等效为单体电池模型；
[0014] 步骤202，经过一次等效后，原有电池网络被简化为由串并联电路等效后的等效单体电池组成的新网络，再次执行二次等效，在一次等效后的新网络中将直观串并联电路等效为单体电池；
[0015] 重复步骤201和步骤202，直至所给电池网络最终等效为一个单体电池模型，则完成了对任意拓扑的电池网络的建模。
[0016] 所述根据拓扑结构识别电池网络整体串并联关系，根据所述串并联关系生成串并联调整方案，再根据调整后的所述串并联关系实现拓扑的重构包括以下步骤：
[0017] 步骤301，以与总线具有直接连通关系的各单体簇为一级起点，通过根据拓扑关系进行事先设定的优选法在该簇的邻接单体簇中搜索与该簇具有两条直接通路的单体簇，将这些单体簇划分为同一个一级簇；将与已经属于同一级簇中的单体簇相邻且具有两条通路的单体簇也划分经该簇中；将与任意一级簇中任一单体簇相邻且仅有一条通路并正极与正极相连的单体簇也作为一级起点，按照上述方法搜索组成相应一级簇；所述该簇的邻接单体簇即与该簇直接连通的单体簇；所述两条直接通路的单体簇代表两节单体电池间正极与正极相连，负极与负极相连的单体簇；
[0018] 步骤302，基于上述一级簇，搜索与任意一级簇中单体簇相邻且只有一条通路且负极与正极相连的单体簇作为二级起点，并按照前述一级簇的搜索方式，构建二级簇；其中，同一个簇内的单体电池为并联关系，同一级簇之间呈并联关系，直接相连两簇之间呈串联关系；
[0019] 步骤303，不断确定下级起点，反复执行上述步骤构建各级簇直至最后一级簇中的单体负极直接与负极总线相连；
[0020] 步骤304，根据生成的各级簇以及簇与簇之间的连接关系，以总线为根
节点，生成电池网络串并联的
树形结构；
[0021] 步骤305，对树形结构进行优化，得到整个电池网络任意拓扑的串并联关系的树形结构表示。
[0022] 所述通过拓扑的改变调整需要涓流充电或低电流放电的电池单体的电流实现各电池单体的平衡，包括以下步骤：
[0023] 根据各电池单体的测量数据搜索邻里通路流量最小的簇，将最小的簇假设为第二二级簇，通过拓扑变化将需要降低电流的电池并联到所述第二二级簇中。
[0024] 所述根据所述电池单体的串并联关系控制所述电池单体的充放电，包括如下步骤：
[0025] 步骤501，在单体电池设置并联开关；
[0026] 步骤502，若所需隔离单体所处簇包含的电池数大于1，则通过断开进行隔离；
[0027] 步骤503，若所需隔离单体所处簇仅包含该单体电池，则通过并联开关的闭合实现隔离。
[0028] 所述采用可控开关组成的开关矩阵将蓄电池组中的电池单体连接成可重构电池网络；包括以下步骤：
[0029] 把一组电池网络抽象为函数Φ＝{E,S,D}，其中数组E表示
传感器{E1,E2,...,En}，每个传感器测量对应电池单元的电流和温度数据，n是电池网络中电池单元的数量，数组S表示开关状态，数组D表示电池网络{D1,D2,...,Dn}；
[0030] 将电池网络的连接关系表示为一个n维向量，Di的状态包括SB，SS，SP，分别对应旁路、串联、并联三种连接方式。
[0031] 所述一组电池网络的充放电运行周期为d，把d细分为N个适应区间，每个区间长度T＝d/N；在每个区间的开始，电池网络重构
进程将被触发，系统首先将根据当前工况选择出一个最优电池结构方案在后续区间获得最大可用容量，然后系统控制开关阵列来重构电池拓扑；其中K为含n个电池单元的电池网络可构成的电池拓扑结构数量，由每个电池单元所连接的开关数量L决定；N是适应间隔的数量，由预期的单周期运行时间和系统动
力学性能i决定，每个状态C(i∈{1,...,K})分别对应一种电池拓扑结构。
[0032] 所述根据当前工况选择最优电池方案系统控制开关阵列包括：
[0033] 每个状态Ci(i∈{1,...,K})分别对应一种电池拓扑结构，电池网络拓扑状态Ci为一个L×N矩阵：
[0034] 其中
[0035] 上式中： 表示在第m区间内电池网络从拓扑Ci重构为拓扑Cj(i,j∈{1,..,K})后的预计使用容量；
[0036] 定义 表示N个区间中分别
选定的拓扑结构组合，将拓扑优化问题转换为寻找最优π使得值函数J(π)最小，当值函数为电池网络系统容量使用量时有：
[0037]
[0038] 约束条件为
[0039] 其中， 为第j个区间的电池网络SOC，γj为使用容量， 为电池网络电压值，为电池网络电流值，h为电池网络SOH，Vr、Ir分别为系统负载电压、电流需求值，值函数J(π)求解得到的答案π即为d区间最理想的电池网络拓扑结构配置方案。
[0040] 一种直流电源蓄电池组的管理控制装置，包括：
[0041] 模型构建模
块，用于获取蓄电池组基本信息，根据所述基本信息构建所述蓄电池组的电池等效电路；
[0042] 拓扑重构模块，用于根据蓄电池组的电池等效电路识别电池网络整体串并联关系，根据所述串并联关系生成串并联调整方案，再根据调整后的所述串并联关系实现拓扑的重构；
[0043] 平衡模块，用于通过拓扑的改变调整需要涓流充电或低电流放电的电池单体的电流实现各电池单体的平衡；
[0044] 充放电控
制模块，用于根据所述电池单体的串并联关系控制所述电池单体的充放电；
[0045] 电池网络重构模块，用于采用可控开关组成的开关矩阵将蓄电池组中的电池单体连接成可重构电池网络；
[0046]
控制模块，用于根据所述可重构电池网络确定最优电池方案系统控制开关阵列。
[0047] 所述模型构建模块还用于实现：根据单体电池模型建立N电池串联与M电池并联模型，N与M分别为串联和并联电池数目，将串并联电路分别等效为单体电池模型，将给电池网络中的直观串联与并联电路用单体电池代替；
[0048] 经过一次等效后，原有电池网络被简化为由串并联电路等效后的等效单体电池组成的新网络，再次执行二次等效，即采用一次等效相似的方法，在一次等效后的新网络中将直观串并联电路等效为单体电池；
[0049] 重复上述步骤，直至所给电池网络最终等效为一个单体电池模型；
[0050] 所述拓扑重构模块还用于实现：以与总线具有直接连通关系的各单体簇为一级起点，通过路径搜索方法在该簇的邻接单体簇中搜索与该簇具有两条直接通路的单体簇，将这些单体簇划分为同一个一级簇；将与已经属于同一级簇中的单体簇相邻且具有两条通路的单体簇也划分经该簇中；将与任意一级簇中任一单体簇相邻且仅有一条通路并正极与正极相连的单体簇也作为一级起点，按照上述方法搜索组成相应一级簇；
[0051] 基于上述一级簇，搜索与任意一级簇中单体簇相邻且只有一条通路且负极与正极相连的单体簇作为二级起点，并按照前述一级簇的搜索方式，构建二级簇；
[0052] 不断确定下级起点，反复执行上述步骤构建各级簇直至最后一级簇中的单体负极直接与负极总线相连；
[0053] 根据生成的各级簇以及簇与簇之间的连接关系，以总线为根节点，生成电池网络串并联的树形结构表示图；
[0054] 对树形结构进行优化，得到整个电池网络任意拓扑的串并联关系的树形结构表示。
[0055] 本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益技术效果：
[0056] 本发明提供的一种直流电源蓄电池组的管理控制方法及装置，基于
能源互联网及动态可重构电池管理技术，从电池状态监测和
能量控制两个方面对电池进行管理；一方面，电池能量交换系统采集电池电压、温度、充放电电流等状态数据，根据所采集数据和逻辑
算法，估算电池SOC；另一方面，电池能量交换系统会根据单体电池状态、系统充放电状态，动态调整电池组网络的拓扑结构，从而可以选择最优电池结构方案系统控制开关阵列；该方法简单高效，精确度高。
附图说明
[0057] 图1为本发明一种直流电源蓄电池组的管理控制方法
流程图；
[0058] 图2为本发明一级簇示意图；
[0059] 图3为本发明一种直流电源蓄电池组的管理控制装置结构示意图。
具体实施方式
[0060] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体
实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
[0061] 需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。
[0062] 参照图1所示，图1是本发明实施例提供一种直流电源蓄电池组的管理控制方法，包括以下步骤：
[0063] 步骤101，获取蓄电池组基本信息，根据所述基本信息构建所述蓄电池组的电池等效电路。
[0064] 步骤102，根据蓄电池组的电池等效电路识别电池网络整体串并联关系，根据所述串并联关系生成串并联调整方案，再根据调整后的所述串并联关系实现拓扑的重构。
[0065] 步骤103，通过拓扑的改变调整减小需要涓流充电或低电流放电的电池单体的电流实现各电池单体的平衡。
[0066] 步骤104，根据所述电池单体的串并联关系控制所述电池单体的充放电。
[0067] 步骤105，采用可控开关组成的开关矩阵将蓄电池组中的大量单体电池单体连接成可重构电池网络。
[0068] 步骤106，根据可重构电池网络确定最优电池方案系统控制开关阵列。
[0069] 所述步骤101中，根据所述基本信息构建电池等效电路模型包括：
[0070] 步骤201，根据蓄电池组中的单体电池模型建立N电池串联与M电池并联模型，N与M分别为串联和并联电池数目，将串并联电路分别等效为单体电池模型，设为f(N)和g(M)，进而将给电池网络中的直观串联与并联电路用f(N0)和g(M0)代表的单体电池代替，其中N0和M0为直观串并电路的单体电池数；
[0071] 步骤202，经过一次等效后，原有电池网络被简化为由串并联电路等效后的等效单体电池组成的新网络，再次执行二次等效，即采用与前一次同等的方法，在一次等效后的新网络中将直观串并联电路等效为单体电池，相应模型为f(f(N01)，...，f(N0N1))和g(g(M01)，...，g(M0M1))，其中N1和M1为二次等效时串并联电路的电池数目；
[0072] 步骤203，重复步骤201和步骤202，直至所给电池网络最终等效为一个单体电池模型，则完成了对任意拓扑的电池网络的建模。
[0073] 电池网络拓扑的动态重构，首先需要根据拓扑结构识别电池网络整体串并联关系，然后根据串并联关系给出串并联调整方案，进而再根据调整后的串并联关系实现拓扑的重构，即一次重构过程包含了两次电池网络拓扑与串并联关系间的映射过程。
[0074] 本发明引入图论路由搜索及生成树理论方法，实现电池网络拓扑与串并联关系间的映射。一般来说，直观的电池网络抽象方法是将各单体电池看作为
顶点，单体电池间的开关通路看作边，则整个电池网络可以抽象为一个图。然而，由于电池间的串并联关系不仅与各单体电池间的连通关系有关，指单体电池节点间是否有直接通路，同时依赖于单体电池正负极的连接顺序。因此，上述直接抽象成图的方法不能充分反映电池网络的连接特性。
[0075] 针对上述问题，本发明将每节单体电池拆分为两个顶点，分别对应单体电池的正负极，属于同一个单体的两个顶点直接相连并构成一个顶底簇，称为单体簇，则构成了表示电池网络连接关系的图表示形式。
[0076] 根据上述电池网络的图表示形式，所述步骤102中，所述根据拓扑结构识别电池网络整体串并联关系，根据所述串并联关系生成串并联调整方案，再根据调整后的所述串并联关系实现拓扑的重构包括以下步骤：
[0077] 步骤301，先以与总线具有直接连通关系的各单体簇为一级起点，通过路径搜索方法在该簇的邻接单体簇中搜索与该簇具有两条直接通路的单体簇，将这些单体簇划分为同一个一级簇，如图2所示的一级簇2所示；按照上述方法，将与已经属于同一级簇中的单体簇相邻且具有两条通路的单体簇也划分经该簇中，如图2所示的一级簇1所示；将与任意一级簇中任一单体簇相邻且仅有一条通路并正极与正极相连的单体簇也作为一级起点，按照上述方法搜索组成相应一级簇。所述该簇的邻接单体簇即与该簇直接连通的单体簇。
[0078] 所述两条直接通路的单体簇代表两节单体电池间正极与正极相连，负极与负极相连的单体簇。
[0079] 步骤302，基于上述一级簇，搜索与任意一级簇中单体簇相邻且只有一条通路且负极与正极相连的单体簇作为二级起点，并按照前述一级簇的搜索方式，构建二级簇；其中，同一个簇内的单体电池为并联关系，同一级簇之间呈并联关系，直接相连两簇之间呈串联关系。
[0080] 步骤303，根据上述方法不断确定下级起点，反复执行上述步骤构建各级簇直至最后一级簇中的单体负极直接与负极总线相连。
[0081] 步骤304，根据生成的各级簇以及簇与簇之间的连接关系，以总线为根节点，生成电池网络串并联的树形结构；
[0082] 步骤305，对树形结构进行优化，得到整个电池网络任意拓扑的串并联关系的树形结构表示。
[0083] 所述步骤103中，通过拓扑的改变减小需要涓流充电或低电流放电的电池单体的电流实现各电池单体的平衡，包括以下步骤：
[0084] 根据各电池单体的测量数据搜索通路流量较小的簇，将最小的簇假设为第二二级簇，通过拓扑变化将需要降低电流的电池并联到所述第二二级簇中。
[0085] 当电池单体接近过充或过放状态时，需要将相应单体与电池网络隔离。现有电池系统中每个电池单体基本处于与多个单体的串联连接状态，因此只需通过闭合与该单体并联的开关达到隔离的作用。本发明所采用动态拓扑电池网络，某些单体会处于与其他单体并联状态，这时不能采用现有隔离方式，而需将其与其它单体的连接断开来达到隔离效果。基于电池网络拓扑动态重构的单体电池充放电控制，需要识别各单体的串并联状态使用不同的隔离方法。
[0086] 所述步骤104中，根据所述电池单体的串并联关系控制所述电池单体的充放电，包括如下步骤：
[0087] 步骤401，在单体电池设置并联开关；
[0088] 步骤402，若所需隔离单体所处簇包含的电池数大于1，则通过断开进行隔离；
[0089] 步骤403，若所需隔离单体所处簇仅包含该单体电池，则通过并联开关的闭合实现隔离。
[0090] 为了提高电池模组的灵活性，采用一系列可控开关组成的开关矩阵将大量单体电池连接成可重构电池网络，通过控制电池所连开关的状态，改变电池的连接方式，调整电池网络的电路拓扑，进而调节电池组的输出功率。可重构开关网络的核心在于电池能量调度算法。通过操作开关网络中的状态开关，调整电池连接方式，改变电池电流大小，进而改变能量输出状态。
[0091] 所述步骤105中，采用可控开关组成的开关矩阵将蓄电池组中的大量单体电池连接成可重构电池网络，包括以下步骤：
[0092] 步骤501，把一组电池网络抽象为函数Φ＝{E,S,D}，其中数组E表示传感器{E1,E2,...,En}，每个传感器测量对应电池单元的电流和温度数据，n是电池网络中电池单元的数量，数组S表示开关状态，数组D表示电池网络{D1,D2,...,Dn}；
[0093] 步骤502，将电池网络的连接关系表示为一个n维向量，Di的状态包括SB，SS，SP，分别对应旁路、串联、并联三种连接方式。
[0094] 可选的，假设一组电池网络的充放电运行周期为d，可以把d细分为N个适应区间，每个区间长度T＝d/N。在每个区间的开始，电池网络重构进程将被触发，系统首先将根据当前工况选择出一个最优电池结构方案以便在后续区间获得最大可用容量，然后系统控制开关阵列来重构电池拓扑。其中K为含n个电池单元的电池网络可构成的电池拓扑结构数量，由每个电池单元所连接的开关数量L决定。N是适应间隔的数量，由预期的单周期运行时间和系统动力学性能决定。每个状态Ci(i∈{1,...,K})分别对应一种电池拓扑结构。
[0095] 所述步骤106中，根据当前工况选择最优电池结构方案系统控制开关阵列，包括：
[0096] 将一组电池网络(如中等规模可重构电池模块)抽象为函数Φ＝{E,S,D}。其中数组E表示传感器{E1,E2,...,En}，每个传感器测量对应电池单元的电流和温度数据；n是电池网络中电池单元的数量，数组S表示开关状态，数组D表示电池网络{D1,D2,...,Dn}，电池网络的连接关系即可表示为一个n维向量；Di的状态可能是SB，SS，SP，分别对应旁路、串联、并联三种连接方式；
[0097] 假设一组电池网络的充放电运行周期为d，可以把d细分为N个适应区间，每个区间长度T＝d/N。K为含n个电池单元的电池网络可构成的电池拓扑结构数量，由每个电池单元所连接的开关数量L决定。N是适应间隔的数量，由预期的单周期运行时间和系统动力学性能决定。每个状态Ci(i∈{1,...,K})分别对应一种电池拓扑结构，电池网络拓扑状态Ci为一个L×N矩阵：
[0098] 其中
[0099] 上式中： 表示在第m区间内电池网络从拓扑Ci重构为拓扑Cj(i,j∈{1,..,K})后的预计使用容量；
[0100] 定义 表示N个区间中分别选定的拓扑结构组合，将拓扑优化问题转换为寻找最优π使得值函数J(π)最小，当值函数为电池网络系统容量使用量时有：
[0101]
[0102] 约束条件为
[0103] 其中， 为第j个区间的电池网络SOC，γj为使用容量， 为电池网络电压值，为电池网络电流值，h为电池网络SOH，Vr、Ir分别为系统负载电压、电流需求值，值函数J(π)求解得到的答案π即为d区间最理想的电池网络拓扑结构配置方案；求解J(π)得到的答案π即为d区间最理想的电池网络拓扑结构配置方案。
[0104] 本发明还提供一种直流电源蓄电池组的管理控制装置，参照图3所示，包括：
[0105] 模型构建模块11，用于获取蓄电池组基本信息，根据所述基本信息构建电池等效电路模型；
[0106] 拓扑重构模块12，用于根据拓扑结构识别电池网络整体串并联关系，根据所述串并联关系生成串并联调整方案，再根据调整后的所述串并联关系实现拓扑的重构；
[0107] 平衡模块13，用于通过拓扑的改变减小需要涓流充电或低电流放电的电池单体的电流实现各电池单体的平衡；
[0108] 充放电控制模块14，用于根据所述电池单体的串并联关系控制所述电池单体的充放电；
[0109] 电池网络重构模块15，用于采用可控开关组成的开关矩阵将蓄电池组中的大量单体电池连接成可重构电池网络；
[0110] 控制模块16，用于根据当前工况选择最优电池结构方案系统控制开关阵列。
[0111] 可选的，所述模型构建模块11还用于实现：根据单体电池模型建立N电池串联与M电池并联模型，N与M分别为串联和并联电池数目，将串并联电路分别等效为单体电池模型，将给电池网络中的直观串联与并联电路用单体电池代替；
[0112] 经过一次等效后，原有电池网络被简化为由串并联电路等效后的等效单体电池组成的新网络，再次执行二次等效，即采用一次等效相似的方法，在一次等效后的新网络中将直观串并联电路等效为单体电池；
[0113] 重复上述步骤，直至所给电池网络最终等效为一个单体电池模型。
[0114] 可选的，所述拓扑重构模块12还用于实现：
[0115] 以与总线具有直接连通关系的各单体簇为一级起点，通过路径搜索方法在该簇的邻接单体簇中搜索与该簇具有两条直接通路的单体簇，将这些单体簇划分为同一个一级簇；将与已经属于同一级簇中的单体簇相邻且具有两条通路的单体簇也划分经该簇中；将与任意一级簇中任一单体簇相邻且仅有一条通路并正极与正极相连的单体簇也作为一级起点，按照上述方法搜索组成相应一级簇；
[0116] 基于上述一级簇，搜索与任意一级簇中单体簇相邻且只有一条通路且负极与正极相连的单体簇作为二级起点，并按照前述一级簇的搜索方式，构建二级簇；
[0117] 不断确定下级起点，反复执行上述步骤构建各级簇直至最后一级簇中的单体负极直接与负极总线相连；
[0118] 根据生成的各级簇以及簇与簇之间的连接关系，以总线为根节点，生成电池网络串并联的树形结构表示图；
[0119] 对树形结构进行优化，得到整个电池网络任意拓扑的串并联关系的树形结构表示。
[0120] 所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围，包括
权利要求，被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
[0121] 本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、
修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
