CN106785109B - 电池组存储数据同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电池组存储数据同步方法，在不同延迟修正时间下，线性插值出新的平均电压和电流，进而得到电池差异电压，以所需内阻差异样本个数对记录时间进行递进平均划分后，利用电池差异电压和电流组成的数组进行奇异值分解计算，得到每个划分区域内的电池内阻差异，再对这些内阻差异值进行平均绝对差分计算（MAD）。在预设的延迟修正时间范围内，找出不同延时修正时间下的最小内阻差异MAD值，其所对应的延迟修正时间作为最优的延迟修正时间。通过延迟修正时间对单体电压的记录时间进行校准，校准后的数据可满足电池模型参数辨识、状态估计、故障诊断等研究计算的精度要求。为精准的计算电池内阻差异垫定了基础；提高了评价精准度。

Description

电池组存储数据同步方法

技术领域

本发明涉及一种电动汽车电池管理技术，特别涉及一种电池组存储数据同步方法。

背景技术

为了改善大气环境，保障我国能源安全，提高我国汽车行业竞争力，国家和地方政府都对电动汽车出台了相关扶持政策，电动汽车市场显现出了勃勃生机。电池组作为电动汽车的动力源，一般是由十几个或者几十个电芯组成一个电池模组，十几个电池模组再组成电池组。电池组必须配有电池管理系统(BMS)来保证这些电池的高效和安全的工作，BMS又分为很多种，其中模块式BMS是目前厂家普遍采用的一种形式，如图1所示常见BMS结构图，BMS中的各个组成部分一般用线束连接，之间的信息通讯一般采用CAN总线网络技术。一般有一个主控制器作为控制中心负责整个电池组的管理工作，同时与整车控制器(VCU)进行信息交互。有一个电表负责电池组总电压和电流的采集工作，每个电池模组都有一个子控制器进行管理，进行单体电压的采集等操作，因为电流、总电压的信息比较重要，所以采集的频率要比单体电压要高好几倍(一般情况下是5倍)。还有一个数据记录器不间断的存储各子控制器和电表采集上来的电池状态信息，主要包括各单体电压、总电压、电流以及时间。数据记录器存储的数据将会用来进行电池模型参数辨识、状态估计、故障诊断等研究计算，这些工作对电池组的安全和BMS的高效管理具有重要意义。

在CAN总线网络中，当主控制器发出电流，总电压和单体电压的采集命令后，电表和各子控制器可以同时接收到命令消息。电表会立即采集电池组的总电压和电流，各子控制器也会同时立即采集下属各电池单体的电压。总电压和电流信息较少，可以放在一个CAN消息里面传输，而且因为电流信息较为重要，CAN消息的优先级也较高，故装有总电压和电流的CAN消息可以立即被数据记录器接收并将存储。但是由于下面所述的几种原因，单体电压不能与总电压、电流一起同时被接收存储：

1.由于电池单体数量较大，子控制器采集完所有单体电压也需要一定时间。

2.一个子控制器采集下属所有单体的电压，需要放入多条CAN消息内才能完全传输出去，数据记录器是需要一条条接收的，这会导致单体电压在传递过程中出现延迟。

3.因为BMS中有多个子控制器，数据记录器需要挨个对子控制器的消息进行接收，即每个子控制器的消息需要等待系统的调度才能发出，这样会导致单体电压信息的延迟。

4.如果采用目前兴起的无线(3G或4G)方式的云端存储，主控制器发送命令后云端存储接收的时间可能会有更大的延时。

单体电压信号的延迟导致不能与电流、总电压同时被记录下来，即各单体电压与电流、总电压会产生异步，如图2所示BMS存储数据异步现象示意图，因为电流和总电压可以放在一个CAN消息中，所以是同步的。将总电压除以电池单体个数得到单体电压，观察所有单体电压与平均电压的异步现象可以清晰的体会到单体电压与电流、总电压的异步现象。

异步严重时，甚至会出现某单体在放电时电压却在上升的现象，而实际上电压的上升是由于先前的充电导致的。那么在对电池模型参数辨识、状态估计、故障诊断等研究计算时，单体电压和电流异步则会导致运算出错误的结果。例如，如果各单体电压不同步，单体电压在同一时刻的差异也就不可信，那么单体一致性就无从谈起，BMS也就无法有效实现电池的均衡管理。因此需有一种能够对BMS中存储的数据进行离线同步的方法。

发明内容

本发明是针对在一般的电动汽车电池管理系统中，数据记录器存储的单体电压、电流、总电压会有一定的异步，对后续数据处理产生影响的问题，提出了一种电池组存储数据同步方法，同一电池单体在不同记录时刻的延迟也是有差异的，但是BMS中CAN通信和记录系统稳定后，电流和单体电压的异步就会变得很稳定，即在不同记录时刻的延迟就会变得几乎没有差异。所以找到全局的延时就可以修正异步的数据，提高后续数据评价的精准度。

本发明的技术方案为：一种电池组存储数据同步方法，选定电池管理系统中数据存储器内的同一时间段电流值、总电压值及单体电池电压值，设定不同延迟修正时间，将电池组电流的记录时间都加上延迟修正时间t获得新的记录时间，在新的记录时间上，线性插值出新的电流和平均电压，将单体电压与平均电压相减得到电池单体差异电压，以所需内阻差异样本个数对记录时间进行递进平均划分后，利用电池差异电压和电流组成的数组进行奇异值分解计算，得到每个划分区域内的电池内阻差异，再对这些内阻差异值进行平均绝对差分MAD计算，在预设的延迟修正时间范围内，找出不同延时修正时间下的最小内阻差异MAD值，其所对应的延迟修正时间作为最优的延迟修正时间，通过延迟修正时间对单体电压的记录时间进行校准。

所述电池组存储数据同步方法，计算每个电池单体的内阻差异△R_k具体步骤如下：

1)将记录时间进行递进平均划分：

设定每个样本中记录时间点的数量n，n的取值根据实际情况设定，一般设为50或100；

若记录时间内有x个记录点，将记录时间划分为i＝x-n+1份为，那么划分结果为：1～n，2～n+1，……，x-n～～x-1，x-n+1～x；

2)计算每个划分时间段内的内阻差异值：对由电池单体差异电压u_k和线性插值出的电流A_k构成的数组[A_k u_k]进行奇异值分解如下计算，

[A_k u_k]＝U∑V^*

其中,U是酉矩阵，∑是一个在对角线上都是非负实数的矩阵，V*是酉矩阵的共轭转置，k代表划分后的记录时间段序号，k∈[1,i],kT代表第k次采样时刻，I(kT)是第k次记录的电流，U(kT)是第k次记录的单体电压，ΔU(k)代表第k次记录数据得到的电池单体差异电压，

将获得的数组V的最后一列数v_1,n+1,…,v_n，n+1进行如下求解可得到第k个划分时间段的内阻差异△R_k，开路电压差异△E_k，

所述内阻差异MAD值计算公式如下：

其中，△R为内阻差异，i为记录时间划分数。

本发明的有益效果在于：本发明电池组存储数据同步方法，该方法能够对电池组存储数据进行同步处理，有效降低单体电压与电流、总电压之间的异步。提高BMS的状态估计、故障诊断等功能的准确实现，保障电池组的安全；可以对电池管理系统中的海量存储数据进行操作，能对实车运行的所有单体电压、电流、总电压等数据进行分析计算；由于对记录时间进行了递进平均划分，使得几乎所有记录点的电池差异电压和电流参与到内阻差异的最小二乘估计中，为精准的计算电池内阻差异(单体内阻与平均内阻的差异)垫定了基础；运用了平均绝对差分(MAD)值来评价电池内阻差异的波动，提高了评价精准度；该方法适用于各种电池组的存储数据。

附图说明

图1为常见BMS结构图图；

图2为BMS存储数据异步现象示意图；

图3为本发明平均绝对差分值寻优过程示意图；

图4为本发明一维搜索结果示意图；

图5为本发明某电池组104个电池单体的最优延迟修正时间示意图；

图6为本发明电池管理系统存储数据同步处理后效果图。

具体实施方式

本发明电池组存储数据同步方法：在不同延迟修正时间下，线性插值出新的平均电压和电流，进而得到电池差异电压，以所需内阻差异样本个数对记录时间进行递进平均划分后，利用电池差异电压和电流组成的数组进行奇异值分解计算，得到每个划分区域内的电池内阻差异，再对这些内阻差异值进行平均绝对差分计算(MAD)。在预设的延迟修正时间范围内，找出不同延时修正时间下的最小内阻差异MAD值，其所对应的延迟修正时间作为最优的延迟修正时间。通过延迟修正时间对单体电压的记录时间进行校准，校准后的数据可满足电池模型参数辨识、状态估计、故障诊断等研究计算的精度要求。

当电流和单体电压同步时，用电流和单体电压估计出的电池内阻差异(单体内阻与电池组平均内阻的差异)变化是相对小的，即内阻差异相对稳定；而当单体电压与电流异步时，这时估计出的电池内阻差异是不可信的，并且会因为动态电流的影响变得波动很大。利用这一特点，本发明通过估计并比较不同延迟修正时间下内阻差异的波动性实现单体电压数据与电流的同步，在确定内阻差异的波动性上，采用平均绝对差分值的大小来评估。通过优化算法求取最小的MAD值，从而得到内阻差异最为稳定的延迟修正时间，最终实现数据同步。

对于一个给定的延迟修正时间t，可以通过以下流程来计算电池的内阻差异MAD值：

S1.计算电池差异电压：选定数据存储器内的同一时间段电流值、总电压值及单体电池电压值，将电池组电流的记录时间都加上延迟修正时间t获得新的记录时间，在新的记录时间上线性插值出的新的电流和平均电压(电池组总电压除以电池个数)，将单体电压与平均电压相减得到电池单体差异电压。

S2.计算每个电池单体的内阻差异△R_k，并做记录。

S2.1.首先将记录时间进行递进平均划分：

S2.1.1设定每个样本中记录时间点的数量n，n的取值根据实际情况设定(若记录时间短，就设的小一些；若记录时间长，就设的大一些)，一般设为50或100。

S2.1.2.：若记录时间内有x个记录点，那么将记录时间划分为i＝x-n+1份为，那么划分结果为：

1～n，2～n+1，……，x-n～～x-1，x-n+1～x

S2.2.计算每个划分时间段内的内阻差异值：对由电池单体差异电压u_k和线性插值出的电流A_k构成的数组[A_k u_k]进行奇异值分解如下计算，

[A_k u_k]＝U∑V*

其中,U是酉矩阵，∑是一个在对角线上都是非负实数的矩阵，V*是酉矩阵的共轭转置，k代表划分后的记录时间段序号，k∈[1,i],kT代表第k次采样时刻，I(kT)是第k次记录的电流，U(kT)是第k次记录的单体电压，ΔU(k)代表第k次记录数据在S1步骤中得到的电池单体差异电压，

将获得的数组V的最后一列数v_1,n+1,…,v_n,n+1进行如下求解可得到第k个划分时间段的内阻差异△R_k，开路电压差异△E_k，

S3.计算内阻差异的平均绝对差分值：将得到的i个内阻差异值进行平均绝对差分计算，所谓的平均绝对差分(Mean Absolute Difference,MAD)计算就是分别将后一个内阻差异减去前一个内阻差异后取绝对值，再把这些绝对值加起来求平均。

其中，代表内阻差异的MAD值。

当给电流和总电压的记录时间不同的延迟修正时间，就会得到不同的内阻差异MAD值，在预设的延迟修正时间范围内，获得最小内阻差异MAD值的延迟修正时间就是最优的延迟修正时间。可以使用一维搜索法寻找最优的延迟修正时间：搜索域根据实际情况确定，该范围设置较小时，最优的延迟修正时间可能不在范围内；而当范围设定较大时，可能会导致计算量较大，由实验调试得到比较合适的搜索域为0～300ms；目标函数为内阻差异MAD值最小；由于1ms的精度对于全局延迟来说已经足够了，所以收敛精度一般可以设为0.1ms左右。

最后，原电池单体电压的记录时间减去最优的延迟修正时间后，单体电压与电流就能得到同步。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本实施例中，使用一维搜索法寻找最优的延迟修正时间，目标函数为内阻差异MAD值最小，收敛精度设为0.1ms，搜索域设为0～100ms。寻优过程如图3所示，

其中，计算电池内阻差异MAD值步骤如下：

S1:将电池组电流的记录时间都加上延迟修正时间Δt获得新的记录时间，并线性插值出的新的电流和平均电压(总电压除以电池个数)，将单体电压与平均电压相减得到电池差异电压。

S2.首先将记录时间进行递进平均划分：

S2.1设定每个样本中记录时间点的数量100。

S2.2由于记录时间内有13000个记录点，那么将记录时间划分为12901份为，那么划分结果为

1～100，2～101，……，12900～12999，12901～13000

S3.计算每个划分时间段内的内阻差异值：对由电池单体差异电压和线性插值出的电流构成的数组进行如下计算，

[A_k u_k]＝U∑V^T

其中,k代表划分后的记录时间段序号，k∈[1,12901],

将获得的数组V的最后一列数v_1,101,…,v_100,101进行如下求解可得到第k个划分时间段的内阻差异△R_k，开路电压差异△E_k，

S4.计算内阻差异的平均绝对差分值：将得到的12901个内阻差异值进行平均绝对差分计算，

其中，代表内阻差异的MAD值。

使用一维搜索方法迭代8次即可找到某单体的最优延迟修正时间为0.04s，即40ms，如图4所示一维搜索结果图。

然后对每个单体的数据执行上述相同的操作，得到每个单体的最优延迟修正时间，图5所示为计算出的某电池组104个电池单体的最优延迟修正时间。

最后将所有原电池单体电压的记录时间减去其对应单体的最优延迟修正时间，同时保持原电流和总电压以及它们的记录时间不变，原单体电压与原电流就能得到同步处理。按照本发明所述方法对BMS存储数据处理后，如图6所示，可以观察到单体电压与平均电压相比较图2得到了较为理想的同步，即单体电压与电流、总电压达到了较为理想的同步。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

Claims (3)

1.一种电池组存储数据同步方法，其特征在于，选定电池管理系统中数据存储器内的同一时间段电流值、总电压值及单体电池电压值，设定不同延迟修正时间，将电池组电流的记录时间都加上延迟修正时间t获得新的记录时间，在新的记录时间上，线性插值出新的电流和平均电压，将单体电压与平均电压相减得到电池单体差异电压，以所需内阻差异样本个数对记录时间进行递进平均划分后，利用电池差异电压和电流进行奇异值分解计算，得到每个划分区域内的电池内阻差异，再对这些内阻差异值进行平均绝对差分MAD计算，在预设的延迟修正时间范围内，找出上述设定不同延迟修正时间下的最小内阻差异MAD值，其所对应的延迟修正时间作为最优的延迟修正时间，通过延迟修正时间对单体电压的记录时间进行校准。

2.根据权利要求1所述电池组存储数据同步方法，其特征在于，计算每个电池单体的内阻差异△R_k具体步骤如下：

1)将记录时间进行递进平均划分：

设定每个样本中记录时间点的数量n，n的取值根据实际情况设定，设为50或100；

若记录时间内有x个记录点，将记录时间划分为i＝x-n+1份为，那么划分结果为：1～n，2～n+1，……，x-n～～x-1，x-n+1～x；

2)计算每个划分时间段内的内阻差异值：对由电池单体差异电压u_k和线性插值出的电流A_k构成的数组[A_k u_k]进行奇异值分解如下计算，

[A_k u_k]＝U∑V*

其中,U是酉矩阵，∑是一个在对角线上都是非负实数的矩阵，V*是酉矩阵的共轭转置，k代表划分后的记录时间段序号，k∈[1,i],kT代表第k次采样时刻，I(kT)是第k次记录的电流，U(kT)是第k次记录的单体电压，ΔU(k)代表第k次记录数据得到的电池单体差异电压，

将获得的数组V的最后一列数v_1,n+1,…,v_n,n+1进行如下求解可得到第k个划分时间段的内阻差异△R_k，开路电压差异△E_k，

3.根据权利要求2所述电池组存储数据同步方法，其特征在于，所述内阻差异MAD值计算公式如下：

其中，ΔR为内阻差异，i为记录时间划分数。