一种基于主动阻抗测试的动力电池管理方法

本发明涉及锂离子电池的电池管理，具体涉及一种基于主动阻抗测试的动力电池管理方法。

背景技术：

1、作为电池组的大脑，电池管理系统（bms）承担着在一定性能约束下管理电池单元的功能。通常，电池管理系统的功能包括监测电池状态、管理电池性能、电池均衡和保障电池安全。

2、早期的电池管理系统一般是主从式的，由从控板收集电池模块的电压和温度等信号，然后传输到主控板，再对电池状态进行计算、分析和诊断。然而，传统的车载电池管理系统受到算法能力、存储空间和通信能力不足的限制，无法在其上进一步应用先进的方法。此外，传统的车载电池管理系统信息有限，而电池内部是复杂的电化学反应过程，有限的电压、电流、温度数据无法表征内部反应过程，进而无法实现提前预警。

3、目前，新能源卡车和大型商用新能源汽车，车辆上总是有多个电池组，这使得传统的基于主从式系统的相关电池组之间的通信更加困难。例如，中国专利cn110018422a、cn112630675a和cn115389960a。

4、由于电气系统的快速发展和新功能的增加，电池内线束的重量和长度迅速增加，占到整车重量的7%以上。沉重的线束不利于整车的轻量化，而且在可靠性和安全性方面也会出现问题。因此基于以上问题，本发明提出了一种在保证通信质量前提下，采用动态阻抗谱实现了电池管理系统主从控板间通信效率的提升以及通信线束减少的新型bms架构。

技术实现思路

1、鉴于上述问题，本发明提供了一种基于主动阻抗测试的动力电池管理方法，通过外部特定频率正弦激励信号测定电池阻抗，对电池内温进行预测，并提供电池报警策略。

2、本发明提供了一种基于主动阻抗测试的动力电池管理方法，包括：

3、步骤一：基于高频动态阻抗测量技术和无线通信技术，设计电池管理系统硬件，获得无线电池管理的硬件系统；

4、优选的，所述无线电池管理的硬件系统用于采集电池动态阻抗；

5、步骤一所述无线电池管理的硬件系统包括：初始主控板和初始从控板；

6、所述初始主控板包括：主控芯片、采样模块、无线通信模块、绝缘诊断模块、can通讯模块、驱动控制模块、电源模块、可编程增益放大器和高位数隔离型模数转换芯片；

7、所述初始从控板包括电源模块、信号采集模块和无线通信模块。

8、进一步的，所述主控芯片用于实现软件功能；

9、所述无线通信模块用于蓝牙联网，实现主控板和从控板之间的信号传输；

10、所述绝缘诊断模块用于主控板的安全保护的功能，防止电击事故；

11、所述can通讯模块用于与外界通讯，包括车辆控制单元或车载t-box通信；

12、所述驱动控制模块通过输出外部信号，用于控制正和/或负继电器、热管理系统；

13、所述电源模块用于向主控芯片供电，电能来自车辆的低压电源。

14、所述可编程增益放大器，用于增大电压放大倍数以满足采集芯片量程；

15、所述高位数隔离型模数转换芯片，用于采集激励电压。

16、所述采集激励电压的方式为奇数位和偶数位电池间隔采样方式；

17、所述高位数隔离型模数转换芯片通过双绞线与电池进行连接。

18、更进一步，电池信息主要从从控板上采样，采样内容包括单体电池电压、温度、特定频率范围内的阻抗信息等，而系统信息则从主控板上采样，包括系统电压、系统电流等。

19、本发明通过设计可编程增益放大器将电压进行放大，进一步降低大容量电池阻抗过低致使电压信号幅值较低的影响；通过奇数位和偶数位电池间隔采样方式，避免了在动态阻抗时相邻电池发生串扰；采用双绞线的形式与电池进行连接为了避免线束过长致使高频电流产生磁场波动以对电压信号造成影响。

20、更进一步，所述主控芯片中集成了双核结构、协议栈和天线模块；所述双核结构包括主核和副核；所述副核用于运行无线网络协议；所述协议栈为2.4ghz频段（2402-2480mhz）的专用无线bms协议栈；所述主核为实时多任务内核ti-rtos，用于快速联网；所述天线模块用于提高通讯稳定性；

21、所述主控芯片为cc2642r-q1芯片，以实现主从板间的无线通讯；所述主控芯片基于arm cortex-m4设计，集成了多个模拟外设和一个射频子系统。

22、所述无线通信模块的通信芯片的静态功耗小于100μa。

23、优选的，所述无线电池管理的硬件系统的主要功能包括电池单元的状态监测、通信监测和诊断；

24、所述电池单元的状态监测，包括对电池片电压和温度，以及电池组的总电压和电流进行采样。

25、本发明所述采用模块化对硬件进行设计，实现了动态阻抗采集电路、分布式无线的采样电路、主控制器电路、供电电路、板载无线通讯电路以及从板无线通讯供电电路的设计。

26、步骤二：获取高频电流信号发生器输出的特定频率电流信号，将所述特定频率电流信号输入至步骤一所述无线电池管理的硬件系统中，输出对应频率的电压信号；

27、基于所述对应频率的电压信号获得对应频率的动态阻抗；

28、将所述对应频率的动态阻抗通过无线通讯方式传输回所述无线电池管理的硬件系统中，获得更新无线电池管理系统；

29、优选的，所述的特定频率电流信号，是指以固定幅值、特定频率的正弦波信号；所述幅值的选择随电池容量发生改变。

30、进一步的，所述的特定频率电流信号为1a幅值，10hz~100hz频率范围的正弦电流信号。

31、优选的，所述对应频率的电压信号在无线电池管理的硬件系统无负载电流输入，在所述无线电池管理的硬件系统的从控板采集。

32、优选的，所述高频电流信号发生器为通过电源模块独立设计的元件或对车载充电器进行改进。

33、步骤三：采用分层设计结构对步骤二所述更新无线电池管理系统进行软件设计，获得分布式无线电池管理系统；

34、优选的，所述分布式无线电池管理系统包括应用层、实时运行环境层和基础软件层。

35、进一步的，所述应用层用于分布式无线电池管理系统的功能算法；所述功能算法包括动力电池状态估计算法、动力电池物理模型、动力电池动态阻抗逼近算法、动力电池内温预测算法和动力电池故障诊断算法。

36、更进一步，所述动力电池动态阻抗逼近算法为：以更新无线电池管理系统中对应频率的动态阻抗作为输入，以电化学工作站在相同条件测得的电化学阻抗为输出，建立训练集、测试集和验证集，基于训练集、测试集和验证集对极限学习机算法进行训练获得动力电池动态阻抗逼近算法，所述算法输出为阻抗，阻抗用于逼近电化学工作站测试阻抗的精度；

37、更进一步，所述动力电池内温预测算法为：

38、建立特定频率电流信号对应的动态阻抗与动力电池内温的函数关系；所述函数关系为特定频率电流信号对应的动态阻抗与动力电池内温的线性或非线性关系；

39、对所述函数关系进行拟合获得动力电池中对应频率的动态阻抗或相位值与电池内温的预测函数；所述拟合的方式包括指数函数、线性函数或分段插值函数；

40、采集更新无线电池管理系统从控板对应频率的动态阻抗或相位值，输入所述预测函数，进行反向求解获得动力电池内温；

41、更进一步，所述动态阻抗与动力电池内温的函数关系，表达式为：

42、其中，tn为动力电池电流信号频率 n对应的动力电池内温； n为动力电池电流信号频率；a为分子标定参数，b为分母标定参数；是为动力电池电流信号频率 n对应的动态阻抗。

43、更进一步，所述动力电池故障诊断算法为：使用基于密度的聚类算法对更新无线电池管理系统内多个动力电池内温进行聚类分析，判定离群点，再通过阈值检测的方式对热失控进行判定，获得动力电池故障诊断结果；

44、所述的阈值检测采用固定阈值，也可以是关于电池容量或电压或荷电状态的函数。

45、进一步的，所述实时运行环境层用来提供基本的通信服务，支持软件组件内部以及软件组件到基础软件层之间的通讯；

46、所述基础软件层通过功能继续划分为服务层、电控单元抽象层、微控制器抽象层和复杂的驱动层，不同层实现对不同功能模块的保护。

47、步骤四：设计分布式无线电池管理系统的主控板和从控板之间的通讯连接逻辑架构和电池状态变频检测逻辑架构；

48、优选的，所述通讯连接逻辑架构具体为：

49、预设蓝牙联网过程时长；分布式无线电池管理系统的从控板上电；通过无线通信模块的蓝牙联网通讯向外广播从控板通讯地址；

50、分布式无线电池管理系统的主控板检测是否收到从控板通讯地址；

51、当主控板接收到从控板通讯地址时，主控板向从控板发送第一条连接信息以表示建立连接；

52、当主控板和从控板第一次通信时，从控板通过验证是否有连接信息来检查是否与主控板建立了连接；同时，记录蓝牙联网过程时长；

53、若验证结果显示建立连接，则主控板和从控板之间连接成功；

54、若验证结果显示未建立连接，主控板向从控板发送验证码，从控板向主控板发送回复验证码，验证后，主控板记录主控板通讯地址；

55、若从控板在蓝牙联网过程时长范围内检测到主控板和从控板之间连接建立，则主控板和从控板之间通讯连接成功；

56、若超出蓝牙联网过程时长，则主控板和从控板之间重新连接。

57、进一步的，所述蓝牙联网过程时长为600ms。

58、进一步的，所述通讯连接逻辑为无线模块间的通讯连接协议，采用蓝牙低能耗（ble）进行设计，协议栈包含底层核心协议以及应用层协议；

59、根据ble底层核心协议制定主控板和从控板之间蓝牙通信连接应用层协议的连接，具体步骤包括：

60、步骤a预设一个蓝牙联网过程时长为600ms；分布式无线电池管理系统中从控板上电后会一直通过无线通信模块的蓝牙联网通讯向外广播从控板通讯地址；

61、步骤b在主控板接收到从控板的通讯地址后，主控板向从控板发送第一条建立连接信息以建立连接；

62、步骤c当主控板和从控板第一次通信时，从控板优先检查是否与主控板建立了连接，若未建立连接则执行d；若建立连接，则主控板和从控板之间通讯连接成功；

63、步骤d主控板向从控板发送一个pin码进行验证，然后从控板再向主控板发送一个pin码，验证后，主控板记录主控板的地址，用于后续的通信；

64、步骤e，使用计时器记录蓝牙联网过程时长，若从控板在计时范围内检测到主控板和从控板之间连接建立，则主控板和从控板之间通讯连接成功；

65、若连接过程时长超出预设蓝牙联网时长，则返回步骤b。

66、优选的，所述电池状态变频检测逻辑架构，具体为：

67、分布式无线电池管理系统的从控板按照固定频率对电池的电压、电流以及温度信息进行数据采集，获得电池数据集发送给主控板；

68、所述主控板以低频模式接收所述数据集，并判定从控板在进行数据采集时的电池状态是否正常；

69、若判定电池状态正常，主控板向从控板发出下一帧数据发送的申请，从控板接收申请，返回开始步骤重新获得下一时刻的电池数据集；

70、若判定电池状态异常，预设计时范围，主控板开始计时，在计时范围内，判断从控板处传出的电池数据集是否持续反映电池的异常状态；所述异常状态包括电压采样异常，或者存在漏液，析锂以及电解液干涸；

71、若在计时结束后从控板处发出的电池数据集全部反应电池的异常状态，则分布式无线电池管理系统的主控板会从低频接收模式转换为高频接收模式，并向车辆整车控制器vcu输出故障代码，同时，主控板向从控板发出下一帧数据发送的申请。

72、进一步的，电池状态变频检测逻辑具体为：

73、步骤1、从控板以100hz频率对电池电压、电流、温度数据进行监测采集，获得电池数据集；

74、步骤2、从控板将电池数据集以100hz频率发送给主控板；

75、步骤3、 主控板以50hz频率接受从控板发送的电池数据集，并判断电池监测数据中是否存在异常值，若存在则执行步骤4、，若不存在则直接执行步骤6；

76、步骤4、主控板检测从控板发送的电池监测数据中异常值持续时间是否超过500ms，若是则执行步骤5，若不是则直接执行步骤6；

77、步骤5、主控板发出故障代码，并从低频接收模式转变为高频接收模式（100hz）；

78、步骤6、主板发出下一帧数据请求。

79、优选的，步骤四所述通讯连接逻辑架构以及变频监测逻辑架构均使用autosar架构进行部署。

80、步骤五：基于所述分布式无线电池管理系统的主控板和从控板之间的通讯连接逻辑架构和电池状态变频检测逻辑架构进行动力电池管理。

81、与现有技术相比，本发明至少具有现如下有益效果：

82、（1）本发明的提出的一种基于主动阻抗测试的动力电池管理方法，在现有电池管理方法基础上，用于采集每个单体电池在特定频率范围内的阻抗，并通过极限学习机算法进行精度优化、通过内温预测算法对电池温度进行预测、通过离群检测算法判定异常电池，用于在电池热失控早期发现电池内部温度变化，从而提前实现热失控预警。

83、（2）本发明的提出的一种基于主动阻抗测试的动力电池管理方法，通过无线通讯方式实现主控板和从控板的通讯，不仅减少了线束、降低了电池系统重量，也缩短了阻抗采集线束连接长度，降低了串扰和动态频率下磁场干扰，提高了阻抗的采集精度。