双冗余锂电池管理系统及方法与流程

1.本发明涉及电池管理系统技术领域，特别是一种双冗余锂电池管理系统及方法。


背景技术：

2.在如今新能源技术发展的过程中，包含电动汽车、电动工具、智能家电等很多与人们生活息息相关的产品都开始采用锂电池作为动力来源。电池管理系统(简称bms)，是电池系统的重要组成部分，电池管理系统即可以检测收集并计算电池运行实时状态参数，根据使用需求控制供电回路的通断和电池系统工作状态，又可以将采集计算的电池关键数据上报给整机控制器，接收控制器指令，与整机其他系统协同工作。
3.因此，电池管理系统需要具备安全性、耐久性、稳定性。所谓安全性，就是要保护电池免受损坏，防止出现安全事故；耐久性，就是需要使电池在设计的安全范围内工作，延长电池的使用寿命；稳定性，就是在保障电池安全运行的同时，保持电池管理系统自身运行的稳定，否则一旦电池管理系统自身发生故障，轻则影响系统运行，重则引发严重的安全事故。


技术实现要素：

4.为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种双冗余锂电池管理系统及方法，本发明易于实施，可提升系统运行稳定性，保障电池系统安全运行。
5.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种双冗余锂电池管理系统，包括主系统，所述主系统包括电池组、与所述电池组连接的传感器、以及与所述传感器连接的mcu；还包括冗余系统，所述冗余系统包括硬件冗余系统、软件冗余系统和冗余控制系统，所述硬件冗余系统包括冗余传感器、冗余通信以及备用mcu，所述冗余传感器分别与所述传感器和冗余控制系统连接，用于监测传感器工作状态，并在传感器发生故障时替代传感器监测系统运行状态，实现系统数据采集功能，所述冗余通信作为备用通信，当电池管理系统发生通信故障时，启动备用通信，完成数据传输，所述备用mcu与所述冗余控制系统连接，用于当主系统的mcu停止工作时接替主系统的mcu工作，保障系统运行稳定性；所述软件冗余系统用于实现软件功能，以及通过实现与主系统方法不同但精度相当的电池荷电状态、电池健康状态算法；所述冗余控制系统，用于通过硬件冗余系统及软件冗余系统的融合判断、响应，维持系统正常运行。
6.作为一种优选的实施方式，所述冗余通信具体采用can或zigbee作为备用通信。
7.作为另一种优选的实施方式，所述软件冗余系统具体用于实现与主系统相同的软件功能，在软件出现故障时，替代进行工作，同时，软件冗余系统在电池荷电状态、电池健康状态的检测计算中，采用与主系统精度相当的其他算法，当系统正常工作时，软件冗余系统所含电池荷电状态、电池健康状态算法可以对主系统电池荷电状态、电池健康状态算法互相印证，提升算法准确率；当主系统软件发生异常时，启用软件冗余系统进行替代工作。
8.作为另一种优选的实施方式，所述冗余控制系统具体用于综合系统软、硬件信息，
判断系统故障，并向冗余软件系统、冗余硬件系统发送启动、停止的指令，在主系统故障时，指挥冗余系统启动，当主系统恢复正常时，指挥冗余系统退回至备份状态。
9.本发明还提供一种双冗余锂电池管理方法，采用如上所述的双冗余锂电池管理系统，所述的管理方法包括如下步骤：
10.步骤1、当系统工作时，冗余控制系统接收主系统工作状态信息；
11.步骤2、冗余系统通过接收到的状态数据，判断主系统工作状态是否发生故障以及故障所属位置；
12.步骤3、若判断故障属于硬件系统，则冗余控制系统向硬件冗余系统对应组件发送启动指令，冗余传感器、冗余通信以及备用mcu接到对应指令后，替代主系统进行工作，并接通相关信息传输通道；若判断故障数据软件系统，则启动软件冗余系统，关闭电池荷电状态、电池健康状态校正，将软件冗余系统的输出作为主系统软件运行结果。
13.作为一种优选的实施方式，在步骤2中，利用c4.5、svm、adaboost算法对系统工作状态进行判断。
14.作为另一种优选的实施方式，所述的工作状态包括电压、电流、温度、运行时间、通信状态、mcu工作状态、电流传感器状态、电压传感器状态八维数据；其中电压、电流、温度、运行时间使用实测值表示，并按数值大小区间进行分类，通信状态、mcu工作状态、电流传感器状态、电压传感器状态使用0表示正常，1表示异常。
15.作为另一种优选的实施方式，在步骤2中，判断主系统工作状态是否发生故障以及故障所属位置具体如下：
16.使用八维数据中的某一项作为样本集d进行划分，则可得样本期望信息熵为：以属性划分样本集d所得的期望信息熵：其中pi为样本集d中第i类样本所占的比例，m表示本次计算的属性可以将样本集d分为m个类，dj表示样本集中属于j类样本的子集；
17.则该属性的信息增益：gain(a)＝info(d)-e(a)；
18.为了减少信息增益带来的偏差，使用信息增益率作为判断标准：gainratio(a)＝gain(a)/rateinfo(a)，信息增益率越高，说明选择该属性进行分类达到的效果越好；
19.取信息增益率最高的一维数据对系统数据进行划分，进而判断是否发生故障以及故障所属位置。
20.本发明的有益效果是：
21.本发明在传统电池管理系统的基础上，增加硬件冗余系统及软件冗余系统，使得电池管理系统在运行过程中发生故障时，可以使用冗余系统继续完成当前工作，维持系统稳定运行，解决了电池管理系统自身发生故障导致系统运行安全的问题，极大地提升了电池管理系统的安全性与稳定性。
附图说明
22.图1为本发明实施例中管理系统的系统架构图。
具体实施方式
23.下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
24.实施例
25.如图1所示，一种双冗余电池管理系统，包括如下部分：
26.a、硬件冗余系统，包含冗余传感器、冗余通信以及备用mcu；
27.b、软件冗余系统，一方面实现系统软件功能，另一方面通过实现与主系统方法不同但精度相当的电池荷电状态(soc，state of charge)、电池健康状态(soh，state of charge)算法；
28.c、冗余控制系统，通过硬件冗余系统及软件冗余系统的融合判断、响应，维持系统正常运行；
29.a中所述硬件冗余系统，包含冗余传感器、冗余通信以及备用mcu。其中，冗余传感器常规状态下用于监测传感器工作状态，并在传感器发生故障时替代传感器监测系统运行状态，实现系统数据采集功能；冗余通信可采用备用can或zigbee等作为备用通信，当电池管理系统发生通信故障时，启动备用通信，完成数据传输；备用mcu用于接替系统mcu工作，当系统因过热、故障等原因导致主mcu停止工作时，备用mcu接替主mcu工作，保障系统运行稳定性。
30.b中所述软件冗余系统，实现与主系统相同的软件功能，在软件出现故障时，可替代进行工作，同时，软件冗余系统在电池荷电状态(soc)、电池健康状态的检测计算中(soh)，采用与主系统精度相当的其他算法，当系统正常工作时，软件冗余系统所含soc、soh算法可以对主系统soc、soh算法互相印证，提升算法准确率；当主系统软件发生异常时，启用软件冗余系统进行替代工作。
31.c中所述冗余控制系统，即综合系统软、硬件信息，判断系统故障，并向冗余软、硬件系统发送启动、停止的指令，在系统故障时，指挥冗余系统启动，当系统恢复正常时，指挥冗余系统退回至备份状态。
32.本实施例还提供一种双冗余电池管理方法，包括硬件冗余以及软件冗余，通过冗余系统控制，实现电池管理系统故障应急响应，具体包括：
33.s1.当系统工作时，冗余控制系统接收主系统软、硬件工作状态信息，包含主系统电流、电压、温度、电流传感器工作状态、电压传感器工作状态、mcu工作状态等。
34.s2.冗余系统通过接受到的状态数据，判断主系统工作状态，可通过模式识别方式对系统进行判断，如c4.5、svm、adaboost等算法。例如，使用c4.5算法对系统工作状态进行判断：系统输入为电压、电流、温度、运行时间、通信状态、mcu工作状态、电流传感器状态、电压传感器状态八维数据。其中电压、电流、温度、运行时间使用实测值表示，并按数值大小区间进行分类，通信状态、mcu工作状态、电流传感器状态、电压传感器状态使用0表示正常，1表示异常，共两类。
35.若使用八维数据中的某一项作为样本集d进行划分，则可得样本期望信息熵为：
其中pi为样本集d中第i类样本所占的比例。以该属性划分样本集d所得的期望信息熵：
36.则该属性的信息增益：gain(a)＝info(d)-e(a)。
37.为了减少信息增益带来的偏差，使用信息增益率作为判断标准：gainratio(a)＝gain(a)/rateinfo(a)，信息增益率越高，说明选择该属性进行分类达到的效果越好。
38.经过上述计算，取信息增益率最高的一维数据对系统数据进行划分，进而判断是否发生故障以及故障所属位置。
39.s3.若判断故障属于硬件系统，则冗余控制系统向硬件冗余系统对应组件发送启动指令，冗余传感器、冗余通信以及备用mcu接到对应指令后，替代主系统进行工作，并接通相关信息传输通道。
40.s4.若判断故障数据软件系统，则启动软件冗余系统，关闭soc、soh校正，将软件冗余系统的输出作为主系统软件运行结果。
41.s5.步骤s4中所述soc、soh校正，在系统无故障运行时，软件冗余系统中soc、soh计算使用于主系统不同的算法，例如，主系统中使用扩展卡尔曼滤波对soc、soh进行计算，冗余系统则使用安时积分计算soc，使用循环计数计算soh，主系统中的soc、soh值与冗余系统值进行平均计算，进而减小误差。当主系统发生软件故障时，冗余系统中的soc、soh计算值直接进行输出，维持系统有效运行。
42.以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。