CN109103528A - 基于数学模型的动力电池检测方法和设备 - Google Patents

基于数学模型的动力电池检测方法和设备 Download PDF

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严晓
徐敏
黄碧雄
王影
黄赛杰
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Abstract

本发明涉及一种基于数学模型的动力电池检测方法和设备，其中方法包括：基础模式：根据导入的工步文件对电池进行不同倍率的充放电，同时采集电池包的基本参数信息进行电池充放电性能的检测；精选模式：根据测试方向确定与该测试方向相对应的工步文件和数学模型，并基于与测试方向相对应的工步文件对电池进行充放电，获取电池CAN报文并解析翻译报文，得到存储单体电池的基本参数信息以及获取电池包的基本参数信息；开发模式：接收测试条件以及输入自定义数学模型，根据测试条件以及输入的自定义数学模型确定自定义工步文件，并基于自定义工步文件对电池进行充放电，获取电池CAN报文并解析翻译报文，得到存储单体电池的基本参数信息以及获取电池包的基本参数信息。与现有技术相比，本发明具有扩展性好等优点。

Description

基于数学模型的动力电池检测方法和设备
技术领域
本发明涉及一种电池技术，尤其是涉及一种基于数学模型的动力电池检测方法和设备。
背景技术
随着很多国家发布禁售传统燃油车的时间表，以及国际汽车巨头及零部件公司快速转向新能源汽车，电动汽车的发展态势势不可挡，这意味着市场将迎来汽车的一个重大消费转型。从全产业链思维角度来看，电动汽车动力电池后市场的服务保障体系，例行检测以及梯次利用也成为一个热点，其检测诊断是一个必要的技术问题。
现有的技术大多是：比如Arbin测试设备价格上百万，其数据显示需要另外一个Data Watcher软件来支持，显示方式支持4个多坐标，这样的显示复杂，不适合只具备基础电池知识的操作者使用。虽然它支持的坐标参数众多，但不能支持自定义坐标参数。比如蓝电测试设备，其数据图形处理功能虽然支持个性化数据显示以及个性化曲线图显示，但也不能够支持自定义坐标显示。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于数学模型的动力电池检测方法和设备。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于数学模型的动力电池包检测方法，包括：
基础模式：根据导入的工步文件对电池包进行不同倍率的充放电，同时采集电池包的基本参数信息进行电池包充放电性能的检测，其中，所述电池包的基本参数信息至少包括电流值和电池包的电压值；
精选模式：根据测试方向确定与该测试方向相对应的工步文件和数学模型，并基于与测试方向相对应的工步文件对电池包进行充放电，获取电池包CAN报文并同时解析翻译报文，得到存储单体电池的基本参数信息以及电池包的参数信息，其中，所述存储单体电池的基本参数信息至少包括电压值、温度值和电池包的SOC 值，通过采集模块得到电池包的电流与电压值；
开发模式：接收测试条件以及输入自定义数学模型，根据测试条件以及输入的自定义数学模型确定自定义工步文件，并基于自定义工步文件对电池包进行充放电，获取电池包CAN报文并解析翻译报文，得到存储单体电池的基本参数信息，通过采集模块得到电池包的电流与电压值。
所述精选模式下，在测试结束后，利用存储单体电池的基本参数信息或电池包的基本信息，基于根据测试方向确定的数学模型进行显示。
所述自定义数学模型包括自定义参数、系数、电池包参数值和数学逻辑符号。
所述精选模式用于容量标定时，包括：
设定测试方向为容量标定；
依据相对应的的工步文件以设定倍率将电池包放电至截止电压，再以设定倍率对电池包进行充电；
并同时获取电池包CAN报文并解析翻译报文，得到存储单体电池以及电池包的基本参数信息，利用电池包电压值、电流值并基于安时积分算法进行容量计算。
一种设备，包括：
测试模块，与电池包连接，用于对电池包进行充放电；
采集模块，与电池包连接，用于采集电池包的状态数据；
上位机，分别与测试模块和采集模块连接，用于向测试模块发送工步文件以控制测试模块工作以及测试模块的状态信息反馈至上位机，以及用于向采集模块发出采集指令以控制采集模块工作，并获取电池包的CAN报文。
测试模块的状态信息被反馈至上位机。
所述测试模块为储能双向逆变器，将电网的交流电输入转换为直流电输出，供电池包充电；当电池包放电时，将电池包的直流电输入转换为交流电输出，逆变器输将其交流电输送进电网。
所述上位机通过工业通信协议Mobus/TCP将工步文件的操作指令发送给测试模块。
所述采集模块与电池包之间的通信是以CAN协议通信。
所述上位机会一份导入安全参数文件，当电池包的电压值、电池包的电流值、超过电压、电流安全参数范围时，以及电池包的温度达到安全参数的上限值时，上位机控制逆变器停止工作。
所述
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)提供三种检测模式，可以提供定向检测服务，高效便捷。
2)提供一体化的精选模式，只要确定检测类型即可进行相应测试，对于检测操作者来说简易友好。
3)提供一种开发模式，可新建数学模型进行诊断，对于工程师来说，再研究出的电池表征参数、SOC矫正以及其他数学模型可满足电池的多类型诊断需求，有良好的拓展性。
4)测试模块的主体是双向逆变器，可代替昂贵的充电机实现电池的检测，降低电池检测成本，易于电池检测站的建立。
5)测试设备是双向逆变器，电池放电过程中的电能可回馈到电网中供其他使用。
6)新建的工步文件可以支持循环工步测试，以及工况循环测试，能够满足多类型下的检测数据，以满足更多类型的诊断分析。
7)提供的开发模式，其数据处理特点在于将不同类型的数据分类存储，如充电电压、放电电压、开路电压等数据，方便于在自定义输入模型时，可追踪到并获取到电池基本参数。
8)提供的开发模式，其数据处理特点在于将不同类型的数据分类存储，如充电电压、放电电压、开路电压等数据，同时也方便于其他诊断时的数据筛选，减少了大量数据筛选工作。
9)提供的开发模式，其支持自定义数学模型，将对多个数据计算的过程简洁明了化，只需要在可视化界面输入数学模型，对于检测操作者更为简易，而且对于数学模型处理的数据进行图示，对于电池检测需求者更有直观感性的认识，也为电池修理提供一定指导意义。
附图说明
图1为基础模式下的检测方法流程图；
图2为精选模式下的检测方法流程图；
图3为开发模式下的检测方法流程图；
图4为动力电池检测设备的结构框图；
图5为精选模式下，单体电池的直流内阻直方图及正态分布图；
图6为精选模式下，单体电池的开路电压及正态分布图；
图7为开发模式下，输入自定义数学模型的操作图；
图8为开发模式下，输入自定义数学模型的操作流程图；
图9为新建工步文件的结构框图。
其中：1、测试模块，2、电池包，3、采集模块，4、上位机，41、翻译模块， 42、显示模块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
一种基于数学模型的动力电池2检测方法，包括有三种模式：基础模式、精选模式和开发模式，在基础模式下是通过采集模块3检测到电池包的总电压与电流值，满足电池2充放电性能测试等基本需求。在精选模型以及开发模型下，是通过解析 CAN报文获取单体电池层面的参数信息，满足更多、更深入的检测需求。
基础模式：根据导入的工步文件对电池2进行不同倍率的充放电，同时采集电池包的基本参数信息进行电池2充放电性能的检测，其中，电池包的基本参数信息至少包括电流值和电压值，
具体的，如图1所示为用于充放电性能测试的操作流程图，根据工步文件控制运行检测设备，采集模块3采集电池2数据，上位机4显示模块42图示数学模型。
在基础模式下通过工业通信协议Mobus/TCP将工步文件的操作指令发送给检测设备，检测设备对电池2进行不同倍率的充放电，同时上位机4对采集模块3 发出采集指令，获取电池包基本参数信息(电流、电压值)，然后图示电池包参数值关于测试时间的曲线，进行电池2充放电性能的检测。
精选模式：根据测试方向确定与该测试方向相对应的工步文件和数学模型，并基于与测试方向相对应的工步文件对电池2进行充放电，获取电池CAN报文并解析报文，得到存储单体电池的基本参数信息以及电池包的基本参数信息，其中，存储单体电池的基本参数信息至少包括电压值、电流值、温度值和电池包的SOC值，通过采集模块得到电池包的基本参数信息；
具体的，如图2所示是用于定向测试的操作流程图，根据工步文件控制运行检测设备，上位机4翻译模块41对BMS的CAN报文进行解析，显示模块42图示对应的数学模型。在精选模式下是确定测试方向，上位机4自动导入与测试方向相对应的工步文件以及数学模型。通过工业通信协议Mobus/TCP将与工步文件的操作指令发送给检测设备，检测设备对电池2进行充放电，上位机4获取电池CAN 报文并解析报文，获取与存储单体电池基本参数信息(电压、电流、温度)以及电池包的SOC值。测试结束后图示数学模型，进行定量的检测；在精选模式下，选择测试方向后，自动导入与测试方向相对应的测试工步文件以及与测试方向相对应的数学模型公式，提供简洁方便的操作方式。
开发模式：接收测试条件以及输入自定义数学模型，根据测试条件以及输入的自定义数学模型确定自定义工步文件，并基于自定义工步文件对电池2进行充放电，获取电池CAN报文并解析报文，得到存储单体电池的基本参数信息；
具体的：如图3所示是用于开发测试的操作流程图，新建或导入工步文件，其中新建工步文件，首先需要进行工步文件的文件名以及文件地址进行创建，然后主控参数的设置，其次转工步约束的设置，最后采样约束的设置。
主控参数的设置包括工步序列号的命名、运行控制类型的设置、主控量和下一步工步序列号的选择。工步序列号的命名以stepA，stepA1，stepA2……stepB，stepB1，stepB2，stepC，stepD，stepE……方式进行排序；运行控制类型包括静置、恒流充电、恒流放电、恒压充电、恒压放电、工况运行、循环运行；下一步工步序列号是选择已创建的工步序列号。
转工步约束包括两组约束，每组包含约束类型和被控量数值，一组中的约束类型包括电流、电压、循环次数和无约束类型，另一组的约束类型包括单个工步运行时间、SOC和无约束类型。
采样约束类型包括两组约束，一组为电压变化频率、电流变化频率、无约束类型，另一组为时间、无约束类型。
当运行控制类型为循环运行类型时，主控量数值为循环次数，下一步序列号为Next_step。循环的工步是从当前的工步序列号依次到下一步序列号。
当运行控制类型为工况运行类型时，主控量数值无，下一步序列号为Next_step，转工步约束、采样约束类型都为无约束类型，选择工况地址，导入工况运行文件。工况文件为txt形式，文本内容包括纯数字的电流值大小以及时间值。
新建工步文件的时候支持删除工步和替换工步，以及最后工步文件的安全检测。检测方式为图形显示，X轴为工步序列号和循环工步，Y主轴为电流值，Y副轴为电压值，线型表示约束类型及主控制数值，几何型表示转工步约束的被控量数值。
新建或导入工步文件之后，输入自定义数学模型。自定义的数学模型分为4 个部分，自定义参数的输入、电池基本参数的选择、通过数学逻辑符号的选择以及系数的输入，由这几个部分组成一个数学模型。电池基本参数包括充电开始时间t 充1，充电结束时间t充2，放电开始时间t放1，放电结束时间t放2，充电电压 Uc，放电电压Udis，充电电流I充，放电电流I放，电池包电压U，电池包电流I等参数；数学逻辑符号包括加减乘除，次方，对充电电压的时间积分，对放电电压的时间积分，对充电电流的时间积分，对充电电流的时间积分等。
之后根据工步文件控制运行检测设备，上位机4翻译模块41对BMS的CAN 报文进行解析，显示模块42图示自定义数学模型。模型为自定义参数与单体电流、电压、温度或测试时间的数学关系。通过工业通信协议将工步文件的操作指令发送给检测设备(双向逆变器)，检测设备对电池2进行充放电，同时上位机获取电池 CAN报文并解析翻译报文，获取与存储单体电池基本参数信息(电压、电流、温度、时间等)和整包的SOC值，显示单体电池的自定义参数信息；在开发模式下，支持电池2自定义参数，自定义参数与电池2电压、电流、测试时间或温度建立单一关系或多面关系，为将来出现新的数学模型，如电池健康状态SOH的计算提供一个计算接口。
一种设备，如图4所示，包括：
测试模块1，为双向逆变器，与电池2连接，用于对电池2进行充放电；
采集模块3，与电池2连接，用于采集电池2的状态数据；
上位机4，分别与测试模块1和采集模块3连接，用于向测试模块1发送工步文件以控制测试模块1工作以及获取测试模块反馈的状态数，并向采集模块3发出采集指令以控制采集模块3工作以及获取电池的CAN报文。
上位机4通过工业通信协议Mobus/TCP将工步文件的操作指令发送给测试模块1，对逆变器进行控制，其中采集模块3是上位机4通过工业通信协议向采集设备发出采集指令，采集设备将采集到的模拟量发送给上位机4，上位机4将模拟量转换成数字信号；翻译模块41是将接收到的BMS的CAN，在上位机4进行解析，并存储电池2参数信息；显示模块42，根据获取到的电池2参数信息，上位机4 根据数学模型进行处理，绘制图形。
图4中的上位机4(显示模块42和翻译模块41)、测试模块1、采集模块3 组成动力电池2检测设备。上位机4根据工步文件通过Mobus/TCP将控制命令发送给逆变器，逆变器工作。电池2BMS(电池2管理***)的CAN报文通过 CAN-TO-LAN发送至上位机4进行翻译并将翻译数据根数数学模型显示。采集模块3的数据一方面作为充放电性能测试的测试数据，一方面用于检测设备工作过程中的安全警戒值。
图5是单体电池直流内阻的直方图以及正态分布图，从直方图可获知直流内阻的分布情况以及一致性，判读电池2有无异常，对问题单体进行修复或更换。
图6是单体开路电压的直方图以及正态分布图，从直方图可获知开路电压的分布情况以及一致性，判读电池2有无异常，对问题单体进行修复或更换。
图7和图8用于输入自定义模型。自定义模型由自定义参数、电池基本参数、常数、数学逻辑符号组成。
图9用于新建工步文件或打开并导入已有工步文件。工步文件主要由主控参数、转工步约束、采样约束组成。
基于本申请应用于对动力电池2进行充放电测试，获取单体电池的直流内阻值，该方法包括如下步骤：
(1)确定检测模式和检测方向，选择精选模式，检测方向为电池包的单体电池直流内阻参数值。确定检测模式和检测方向后，自动导入测试工步文件。其测试条件为：电池2静置2h后，第一个工步为静置运行控制类型；第二个工步为以一定倍率电流对电池2进行恒流放电10s，每秒采集一次。第一个工步采集到的是开路电压，将其电压记为U0，第二个工步是采集闭路电压，将采集到的电压记为U2，数学模型为R放＝(U2-U0)/I放。
(2)测试模块1进行工作，上位机4将工步指令通过Mobus/TCP协议发送给逆变器，逆变器对电池2进行充放电，由图4中的测试模块1进行工作，解析CAN 报文，由图4中的翻译模块41执行，存储单体电池的电流、电压值，形式如下：
时间 组数N N+1电压 N+2电压 N+3电压 N+4电压 电流
列名组数N是指从CAN报文中解析出的第N组电池2，列名N+1电压是指第N组中第一个单体电压值。
测试结束后，对存储的数据在数学模型的基础上进行统计分析，如图5、图6 所示，单体电池直流内阻的直方分布图、正态分布图以及开路电压U0的直方分布图、正态分布图。
另外，对动力电池2进行充放电测试，进行电池2容量标定，该方法包括如下步骤：
(1)确定检测模式和检测方向，选择精选模式，检测方向为量标定。确定检测模式和检测方向后，自动导入测试工步文件。其测试条件为：以一定倍率将电池 2放到截止电压，再以一定倍率对电池2进行充电。
(2)通过工业通信协议将与测试类型对应的工步文件的操作指令发送给检测设备(双向逆变器)，对电池2进行测试，采集模块采集电池包以及存储单体电池的基本参数信息，上位机4解析电池2的CAN报文，存储单体电池的电压、电流和温度参数值，以及测试时间与基于数学模型得到的电池包容量参数值。
(3)测试结束后，利用充电过程中的数据，根据安时积分算法重新定义电池 2的容量，与BMS的容量值进行比较，以消除长期使用导致不断累积扩大的测量误差。
对动力电池2进行充放电测试，进行电池的自定义参数的数学模型的检测，如微循环测试进行电池SOH的检测，该方法包括如下步骤：
(1)新建或导入测试工步文件，新建工步文件的操作界面如图9所示。首先进行主控参数的设置，然后进行转工步约束的设置，最后进行采样约束的设置。新建的测试条件为：
a.将电池静置30min，时间约束作为转工步约束，时间类型作为采集约束以采集电池包的电池基本参数；
b.下一步将电池以0.2C倍率对电池进行充电10min，时间约束作为转工步约束，时间类型作为采集约束以采集电池包的电池基本参数；
c.下一步将电池以0.2C倍率对电池进行放电10min，时间约束作为转工步约束，时间类型作为采集约束以采集电池包的电池基本参数；
输入自定义参数的数学模型。输入自定义数学模型的操作界面如图7，首先确定自定义参数，作为Y轴，再输入数学模型的系数、选择电池2参数以及选择数学符号或函数，电池2参数与存储的电池2数据一一对应相关联，最终确定数学模型。数学模型为：
(2)通过工业通信协议将与测试类型对应的工步文件的操作指令发送给检测设备(双向逆变器)，对电池2进行测试，上位机4解析电池2的CAN报文，存储单体电池的电压、电流、温度、时间等参数值。
(3)测试结束后，上位机4根据新建数学模型显示曲线图，其中包括对采集数据的分类存储，如电流为负时的情况下，电压存储为放电电压；电流为零时的情况下，电压存储为开路电压；在电流发生正负改变时，存储开始充放电和截止充放电的时间等分类存储方式。还包括自定义参数的图形显示，其X轴为单体个数，Y 轴为自定义参数。将多类型的数据进行有效分类，并以一种自定义参数对电池进行直观的评估。

Claims (10)

1.一种基于数学模型的动力电池包检测方法，其特征在于，包括：
基础模式：根据导入的工步文件对电池包进行不同倍率的充放电，同时采集电池包的基本参数信息进行电池包充放电性能的检测，其中，所述电池包的基本参数信息至少包括电流值和电池包的电压值；
精选模式：根据测试方向确定与该测试方向相对应的工步文件和数学模型，并基于与测试方向相对应的工步文件对电池包进行充放电，获取电池包CAN报文并同时解析翻译报文，得到存储单体电池的基本参数信息以及电池包的参数信息，其中，所述存储单体电池的基本参数信息至少包括电压值、温度值和电池包的SOC值，通过采集模块得到电池包的电流与电压值；
开发模式：接收测试条件以及输入自定义数学模型，根据测试条件以及输入的自定义数学模型确定自定义工步文件，并基于自定义工步文件对电池包进行充放电，获取电池包CAN报文并解析翻译报文，得到存储单体电池的基本参数信息，通过采集模块得到电池包的电流与电压值。
2.根据权利要求1所述的一种基于数学模型的动力电池包检测方法，其特征在于，所述精选模式下，在测试结束后，利用存储单体电池的基本参数信息或电池包的基本信息，基于根据测试方向确定的数学模型进行显示。
3.根据权利要求1所述的一种基于数学模型的动力电池包检测方法，其特征在于，所述自定义数学模型包括自定义参数、系数、电池包参数值和数学逻辑符号。
4.根据权利要求1所述的一种基于数学模型的动力电池包检测方法，其特征在于，所述精选模式用于容量标定时，包括：
设定测试方向为容量标定；
依据相对应的的工步文件以设定倍率将电池包放电至截止电压，再以设定倍率对电池包进行充电；
并同时获取电池包CAN报文并解析翻译报文，得到存储单体电池以及电池包的基本参数信息，利用电池包电压值、电流值并基于安时积分算法进行容量计算。
5.一种实现权利要求1～4所述的方法的设备，其特征在于，包括：
测试模块，与电池包连接，用于对电池包进行充放电；
采集模块，与电池包连接，用于采集电池包的状态数据；
上位机，分别与测试模块和采集模块连接，用于向测试模块发送工步文件以控制测试模块工作以及测试模块的状态信息反馈至上位机，以及用于向采集模块发出采集指令以控制采集模块工作，并获取电池包的CAN报文。
6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，测试模块的状态信息被反馈至上位机。
7.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述测试模块为储能双向逆变器，将电网的交流电输入转换为直流电输出，供电池包充电；当电池包放电时，将电池包的直流电输入转换为交流电输出，逆变器输将其交流电输送进电网。
8.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述上位机通过工业通信协议Mobus/TCP将工步文件的操作指令发送给测试模块。
9.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述采集模块与电池包之间的通信是以CAN协议通信。
10.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述上位机会一份导入安全参数文件，当电池包的电压值、电池包的电流值、超过电压、电流安全参数范围时，以及电池包的温度达到安全参数的上限值时，上位机控制逆变器停止工作。
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