CN107003357B - 基于无线网络的电池管理*** - Google Patents

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Abstract

提供了一种包括非车载子***和车载子***的基于无线网络的电池管理***，非车载子***包括用于存储车载电池***的历史数据和其它电池***的数据的非车载数据存储装置，和非车载数据处理装置，其用于分析和处理所存储的数据并且建立和验证非车载电池模型、将精确且复杂的非车载电池模型映射成简单的非车载电池模型、以及产生所述简单的非车载电池模型的参数，车载子***选择与简单的非车载电池模式对应的简单车载电池模式，用简单的非车载电池模式的参数更新所述简单车载电池模式的参数，并且计算所述车载电池***的电池状态。还提供了一种使用上述基于无线网络的电池管理***的方法。

Description

基于无线网络的电池管理***
技术领域
本发明涉及基于无线网络的电池管理***(BMS)，特别是用于混合动力车辆(HEV)或电动车辆(EV)的电池管理***。
背景技术
电动车辆，作为降低车辆温室气体排放的解决方案之一，由于它们的提高的能效而越来越受欢迎。为电动车辆供电的电源主要是可再充电的化学电源，包括二次电池。
电池管理***是管理可再充电电池、特别是二次电池组的电子***，该电子***用于估算电池的精确荷电状态(SOC)、动态地监控电池的工作状态、以及平衡单个电池单元之间的能量，其比如通过监控电池的状态、计算数据、报告这些数据、保护电池、控制器其温度、和/或平衡该温度来实现这些功能。
电池管理***包括中央控制器。中央控制器是BMS的核心并且管理整个电池组，其负责信息处理和做决定。
除中央控制器之外，还提供了用于BMS板的所谓的本地ECU(本地电子控制单元，LECU)或从属(slave)单元。LECU被连接到中央控制器并且用于电池管理***中的电池单元监控。LECU的功能主要包括：电池单元电压测量、模块温度测量、电池单元的平衡、以及与BMS控制器通信等。这些功能通常由ASIC(专用集成芯片)和MCU(微控制单元)来完成。
上述这些功能通过，基于离线测试数据或本地数据，在电池管理***的服务器上计算复杂电池模型的参数而实现。在多数***中，电池模型的参数是固定的。一些先进的算法，例如卡尔曼滤波器算法，被用于在线改变参数以适应电池状态的变化。这些算法非常复杂、需要强大的IC芯片并且只依赖于本地数据进行计算。
然而，由于数据存储能力有限，不能使用目标电池***的历史数据和其它电池***的可参考数据，并且由于车载(on-board)控制芯片的计算能力有限，使BMS的性能受到限制。
需要解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于无线网络的电池管理***，在该***中，能够存储和完整地利用历史数据和来自其它电池的数据，能够通过提供非车载(off-board)子***建立精确且复杂的电池模型并且进行验证(validate)，然后通过基于无线网络的电池管理***的车载BMS能够估算SOC，SOH(健康状态)以及甚至电池寿命。
为此目的，根据本发明的第一方面，提供了一种包括非车载子***和车载子***的基于无线网络的电池管理***，其中所述非车载子***包括非车载数据存储装置和非车载数据处理装置，所述非车载数据存储装置用于存储目标车载电池***的历史数据和其它电池***的数据，所述非车载数据处理装置用于分析和处理所存储的数据并且建立和验证精确且复杂的非车载电池模型，将所述非车载电池模型映射成简单的非车载电池模型，以及产生所述简单的非车载电池模型的参数，并且其中所述车载子***选择与所述简单的非车载电池模型对应的简单车载电池模型，用所述简单的非车载电池模型的参数更新所述简单车载电池模型的参数，并且计算所述车载电池***的电池状态。
根据可行实施例，所述非车载数据存储装置是基于网络的数据存储装置。
根据可行实施例，所述电池状态是SOC，SOH和寿命估算中的一个或多个。
根据可行实施例，所述车载子***测量车载电池***的电池变量并且经由无线通信传输到非车载数据存储装置。
根据可行实施例，所述简单的非车载电池模型的参数被经由无线通信传输到车载子***。
根据可行实施例，所述简单车载电池模型是内阻等效模型或一阶RC模型。
根据可行实施例，所述精确且复杂的非车载电池模型的最佳参数通过近似法计算得到。
根据可行实施例，所述近似法是最小二乘法。
根据可行实施例，所述车载子***布置在目标车辆中，而非车载子***远离目标车辆布置。
根据本发明的第二方面，提供了一种使用上述基于无线网络的电池管理***的方法，其中，所述方法包括：通过车载子***实时测量车载电池***的电池变量，并将所述电池变量传输至非车载子***的非车载数据存储装置；通过非车载子***的非车载数据处理装置分析和处理存储在非车载数据存储装置中的数据，并且建立和验证非车载电池模型；获取实时测量的电池变量作为非车载电池模型的参数，并且计算非车载电池模型；将非车载电池模型映射成简单的非车载电池模型并且产生所述简单的非车载电池模型的参数；选择车载子***上的简单车载电池模型，并且用从非车载子***传输来的简单车载电池模型的参数计算车载电池***的电池状态。
通过提供包括具有强大数据存储能力和强大计算能力的非车载子***和车载BMS的基于无线网络的电池管理***，目标车载电池***的历史数据和来自其它电池的数据能够被存储并且得到完整利用，通过非车载子***能够建立和验证精确且复杂的电池模型，然后通过基于无线网络的电池管理***的车载BMS能够实现对SOC、SOH(健康状态)甚至寿命的估算。以这种方式，车载BMS的车载BMS芯片的成本能够得以降低，因为只有简单的算法在此车载BMS上进行计算。因为历史数据能够得到共享并且能够与目标车载电池***的实时变量一起使用，所以能够减少为进行电池测试和参数化所需的努力。
附图说明
本发明的其它目的、特征和优势在下面的详细描述中并且结合附图将变得显而易见。应理解附图仅仅是示意性的，并未按比例绘制。
图1是根据本发明的基于无线网络的电池管理***的示意图。
图2是在根据本发明的基于无线网络的电池管理***的非车载子***中建立的复杂非车载电池模型的一个例子，其是锂电池的电化学电池模型。
图3是从上述复杂非车载电池模型映射得到的简单车载电池模型的一个例子。
图4是典型的SOC-OCV曲线，其中虚线表示具有电阻损耗的C/25放电曲线。
图5是实施根据本发明的基于无线网络的电池管理***的方法。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的实施例。这里的实施例仅用于说明本发明的基本原理，而不限制本发明的范围。
根据本发明的基于无线网络的电池管理***被设计用于管理车载电池***，例如装载在HEV或EV上的车载电池***，以防止单个车载电池过度充电或过度放电，延长使用寿命，以及监控单个电池的操作状态。在本发明的描述中，车载电池***可包括一个或多个电池组。术语“车载”是指物体被安装或布置在目标设备上，具体地在本申请中为物体被安装或布置在安装着上述电池的目标车辆上，术语“非车载”是指物体被远离目标设备安装或布置，具体地在本申请中为物体被远离目标车辆安装或布置。
例如，基于无线网络的电池管理***用于测量单个电池的端子电压，测量电池组的总电压，测量电池组的总电流，计算SOC，动态监控供供电电池的操作状态，显示所测量的实时数据，记录和分析这些数据，以及平衡单个电池之间的能量等。
图1是根据本发明的基于无线网络的电池管理***100的示意图，其主要包括非车载子***10和车载子***20。
有利地，非车载子***10包括强大的非车载数据存储装置12。非车载数据存储装置12可配置为基于网络的数据存储装置，并且因此具有比车载子***20的车载数据存储装置22大得多的数据存储能力。
在非车载数据存储装置12中，能够存储车载电池***20的历史数据以及来自其它电池***的数据，它们分别用子集A1、子集A2、子集A3等表示。另外，通过基于无线网络的电池管理***100实时测量的车载电池***20的数据，在图1中用A表示，可选地也可以存储在所述非车载数据存储装置12中。数据A可经由无线通信L1(如图1所示)传输到非车载数据存储装置12，例如。
非车载子***10可进一步包括强大的非车载数据处理装置14。非车载数据处理装置14可配置为一个或多个强大的非车载计算机或本领域内技术人员已知的任何其它数据处理装置。可选地，非车载数据处理装置14可包括其自己的存储装置，作为非车载数据存储装置12的一部分，比如非车载计算机的存储器。
非车载数据处理装置14被配置用于分析和处理存储在非车载数据存储装置12中的数据，并且基于这大量的数据建立和验证精确且复杂的非车载电池模型M11。
所述精确且复杂的非车载电池模型M11的参数可用车载子***20的监控装置实时测量的最新数据A更新，对应的参数能够通过非车载数据处理装置14、依照非车载电池模型M11、基于各种算法计算出来。一些近似法，例如最小二乘法，可被用于寻找满足预期精确度的最佳参数。
优选地，与所有电池***的大量历史数据相结合，一些先进的估算、例如对寿命的估算能够在服务器上被计算出来，然后被传输到车载子***20的车载BMS 24，其将利用更新后的参数对SOC、SOH、剩余寿命等进行计算。车载子***20的输出，在图1中用30表示，包括SOC、SOH、以及剩余寿命，但不限制于这些。SOC是存储在电池中的能量相对于能够存储的最大能量的量度，并且表示为百分数。SOH是电池组的状态与其理想状态相比的品质因数，并且SOH的单位是百分点(100％＝电池的状态与电池规格相匹配)。
近似法的一个例子是SOC-OCV曲线的近似，其可以通过二次多项式近似：y＝a2x2+a1x+a0来实现。
另一个例子是车载电池***的寿命估算。有关类似电池***的实际寿命的大量数据信息可以存储在非车载数据存储装置12中并且在非车载数据处理装置14中进行分析，例如，剩余寿命和充电/放电电流之间的关系，剩余寿命和充电/放电循环之间的关系，以及剩余寿命和温度之间的关系等。这些关系可用来估算相似电池***的寿命。精确的寿命估算可以在车载子***20的车载BMS 24的车载计算机上进行。
接着，非车载数据处理装置14将精确且复杂的非车载电池模型M11映射成简单的非车载电池模型M12，所述简单的非车载电池模型M12的参数被传输到车载子***20。
下面参考图2给出了将非车载电池模型M11映射成简单的非车载电池模型M12的进一步细节。图2给出了非车载电池模型M11的一个例子，即SOC-OCV曲线。在图2中，“LS”指固相锂，“LE”指电解质相锂，“ND”指负电极域，“SD”指分离域，“PD”指正电极域，“E”是电极，而“S”是电极中的固体颗粒。
在给定50mV准确度的情况下，SOC-OCV曲线可由非车载电池模型M11产生。整个SOC-OCV曲线可被分成N段，每一段可被描述为y＝an2x2+an1x+an0，其中，y＝OCV，x＝SOC。所有参数[a02，a01，a00]，[a12，a11，a10]…[a(N-1)2，a(N-1)1，a(N-1)0]可在非车载数据处理装置14上计算得到。以这种方式，复杂的非车载电池模型M11可被映射成简单的非车载电池模型M12。这些参数也被传递至车载子***20。
由于非车载数据处理装置14的计算能力强大，一些先进的和复杂的算法、例如卡尔曼滤波器法可被用于在线改变参数，以适应电池状态的变化。由于非车载数据存储装置12的较大数据存储能力，大量的离线数据和在线数据可被用于计算电池状态。
如图1中所示，基于无线网络的电池管理***100的车载子***20主要包括车载电池管理***(车载BMS)24和能够作为其一部分而集成在车载BMS 24中的车载数据存储装置22。
同多数传统的BMS一样，车载BMS 24可包括中央控制器、功率电子模块、功率线、通信线、一个或多个本地控制器、如上述的监控装置、车载数据存储装置22、一个或多个充电/放电模块、以及其它部件。
车载BMS 24监控车载电池***并且测量车载电池***的实时电池变量，包括电压、电流、温度等。所测量的电池变量被直接存储在车载数据存储装置22中并且经由无线通信L1传输到非车载数据存储装置12。
在非车载子***10中将非车载电池模型M11映射得到简单的非车载电池模型M12之后，车载BMS 24选择与所述简单的非车载电池模型M12对应的简单车载电池模型M22。然后，车载BMS 24接收简单的非车载电池模型M12的参数作为简单车载电池模型M22的参数，然后计算实时电池状态，比如SOC、SOH、剩余寿命等。根据实施例，简单车载电池模型M22的参数被经由无线通信L2从简单的非车载电池模型M12传输而来。
根据一实施例，简单的非车载电池模型M12以及相对应的简单车载电池模型M22可以是在图3中示出的内阻等效模型，内阻等效模型的内阻的变量参数将根据服务器上的精确模型进行更新。根据另一实施例，简单车载电池模型M22可以是一阶RC(电阻-电容)模型，其参数包括等效内阻、等效极化电阻、和等效电容。
在下面的实施方式中建议了一种使用基于无线网络的电池管理***100的方法，所述包括下述步骤：
在步骤S1中，通过车载子***20的车载BMS 24的监控装置实时测量车载电池***的电池变量A；
在步骤S2中，将电池变量A存储在车载数据存储装置22中并且经由无线通信传输到非车载子***10的非车载数据存储装置12并且存储在非车载数据存储装置12中；
在步骤S3中，存储在非车载子***10的非车载数据存储装置12中的数据(包括A1，A2，A3…)通过非车载子***10的非车载数据处理装置14进行分析和处理；
在步骤S4中，通过非车载子***10的非车载数据处理装置14、基于存储在非车载子***10的非车载数据存储装置12中的数据建立和验证非车载电池模型M11；
在步骤S5中，用实时测量的数据A更新非车载电池模型M11的参数；
在步骤S6中，在非车载子***10中将非车载电池模型M11映射成简单的非车载电池模型M12，并且产生简单的非车载电池模型M12的参数；
在步骤S7中，在车载子***20中选择与简单的非车载电池模型M12对应的简单车载电池模型M22；
在步骤S8中，用所述简单的非车载电池模型M12的参数更新简单车载电池模型M22的参数，其中所述简单的非车载电池模型M12的参数也经由无线通信传输到车载子***20；和
在步骤S9中，依照简单车载电池模型M22计算车载电池***的电池状态。
利用包括非车载子***和车载BMS的基于无线网络的电池管理***，通过为该非车载子***提供具有比传统的BMS大得多的数据存储能力的非车载数据存储装置和比传统的BMS大得多的数据处理能力的非车载数据处理装置，目标车载电池***的历史数据和来自其它电池的数据能够被存储并且得到完整利用，能够建立和验证精确且复杂的非车载电池模型，并且所述精确且复杂的非车载电池模型可被映射成简单的非车载电池模型；并且通过为车载BMS配置传统BMS的几乎所有功能，可以通过基于无线网络的电池管理***的车载BMS、依照与简单的非车载电池模型对应的简单车载电池模型实现SOC、SOH、甚至寿命的精确估算。
另外，大量的历史数据存储在非车载数据存储装置中，因此能够减小车载(或本地)数据存储装置。复杂的算法在非车载数据处理装置上执行，仅仅简单的算法通过车载子***的车载控制单元进行计算，所以控制芯片可以便宜很多。因为历史数据能够得到共享并且能够与目标车载电池***的实时变量一起使用，所以能够减少为进行电池测试和参数化所需的努力。
上面公开的内容仅仅是本发明的优选实施例。应理解本领域内的技术人员在不偏离本发明的技术原理的情况下可以进行多种开发和替换，并且这些开发和替换应被认为落在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种包括非车载子***和车载子***的基于无线网络的电池管理***，
其中所述车载子***是车载电池***，所述非车载子***包括非车载数据存储装置和非车载数据处理装置，所述非车载数据存储装置用于存储所述车载子***的历史数据和其它电池***的数据，所述非车载数据处理装置用于分析和处理所存储的数据并且建立和验证精确且复杂的非车载电池模型，将所述非车载电池模型映射成简单的非车载电池模型，以及产生所述简单的非车载电池模型的参数，其中所述简单的非车载电池模型的参数被经由无线通信传输到车载子***，并且
其中所述车载子***选择与所述简单的非车载电池模型对应的简单车载电池模型，用所述简单的非车载电池模型的参数更新所述简单车载电池模型的参数，并且计算所述车载子***的电池状态。
2.根据权利要求1所述的基于无线网络的电池管理***，其中，所述非车载数据存储装置是基于网络的数据存储装置。
3.根据权利要求1所述的基于无线网络的电池管理***，其中，所述电池状态是SOC，SOH和寿命估算中的一个或多个。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的基于无线网络的电池管理***，其中，所述车载子***测量车载子***的电池变量并且经由无线通信传输到非车载数据存储装置。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的基于无线网络的电池管理***，其中，所述简单车载电池模型是内阻等效模型或一阶RC模型。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的基于无线网络的电池管理***，其中，所述精确且复杂的非车载电池模型的最佳参数通过近似法计算得到。
7.根据权利要求6所述的基于无线网络的电池管理***，其中，所述近似法是最小二乘法。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的基于无线网络的电池管理***，其中，所述车载子***布置在目标车辆中，而非车载子***远离目标车辆布置。
9.一种使用根据权利要求1至8中任一项所述的基于无线网络的电池管理***的方法，其中，所述方法包括：
通过车载子***实时测量车载子***的电池变量，并将所述电池变量传输至非车载子***的非车载数据存储装置；
通过非车载子***的非车载数据处理装置分析和处理存储在非车载数据存储装置中的数据，并且建立和验证非车载电池模型；
获取实时测量的电池变量作为非车载电池模型的参数，并且计算非车载电池模型；
将非车载电池模型映射成简单的非车载电池模型并且产生所述简单的非车载电池模型的参数；
选择车载子***上的简单车载电池模型，并且用从非车载子***传输来的简单车载电池模型的参数计算车载子***的电池状态。
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