CN111123134A - 一种基于多层级温度监测与内阻测算的船用锂电池健康管理系统 - Google Patents

一种基于多层级温度监测与内阻测算的船用锂电池健康管理系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于多层级温度监测与内阻测算的船用锂电池健康管理系统，其特征在于：包括设置在每一个电池包内的从系统模块，各个从模块与主系统模块进行通信；所述的从系统模板由模拟前端、均衡电路、通信电路、保护驱动电路、处理单元以及电源单元组成；所述的模拟前端用于对单体电压、电流、温度进行采集；所述的处理单元用于估算电池荷电状态、控制单体均衡、测算电池内阻；所述的均衡电路用于控制电池单体的放电均衡；所述的保护驱动电路与处理单元连接，用于电池的充放电保护；所述的电源单元用于给系统供电。通过主控系统和从控系统之间的两级分布式架构，实现整个BMS系统锂电池的动态均衡控制。

Description

一种基于多层级温度监测与内阻测算的船用锂电池健康管理 系统
技术领域
本发明涉及多层级温度监测与内阻测算的船用锂电池健康管理系统，属于电池技术领域。
背景技术
船运行业作为经济全球化的主要载体，为世界范围内经济贸易做出了巨大贡献。然而目前主要依靠船用柴油机提供动力的船舶航行，加剧了资源枯竭及生态恶化。绿色船舶已经成为未来船舶发展的方向。作为以磷酸铁锂电池为唯一动力源的纯电动船，锂电池组技术状态的好坏对于船舶的正常运行有极其重要的影响。若船员能实时掌握锂电池组的实际工况，并以此为依据实现对锂电池组的科学使用及合理维护，可有效保证锂电池组工作的可靠性和安全性。然而目前船用锂电池模组检测装置的可靠性低，在涉及到大规模模拟量传输时，速率较低，实时性较差。此外，对于温度的采集也不能满足船级社相关规定，未能达成全单体电芯温度测量的目的；现有的充放电保护措施对温升的变化率考虑不足；通过内阻测算结合温升检测、荷电状态（SOC）估算对锂电池健康状态（SOH）估算的研究也不够充分。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于多层级温度监测与内阻测算的船用锂电池健康管理系统。
为达到上述目的，本发明采用的方法是：一种基于多层级温度监测与内阻测算的船用锂电池健康管理系统，其特征在于：包括设置在每一个电池包内的从系统模块，各个从模块与主系统模块进行通信；所述的从系统模板由模拟前端、均衡电路、通信电路、保护驱动电路、处理单元以及电源单元组成；所述的模拟前端用于对单体电压、电流、温度进行采集；所述的处理单元用于估算电池荷电状态、控制单体均衡、测算电池内阻；所述的均衡电路用于控制电池单体的放电均衡；所述的保护驱动电路与处理单元连接，用于电池的充放电保护；所述的电源单元用于给系统供电。
作为本发明的一种改进，所述的均衡电路采用被动均衡，通过开关闭合断开达到对电池单体的放电均衡。
作为本发明的一种改进，所述的数据处理单元，基于模拟前端中获得电芯端电压及电流值，利用突变电流法测算电芯内阻，并结合采集的电芯温度实现电池健康状态的评估。
作为本发明的一种改进，各个从模块通过CANFD与主系统模块进行通信。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
利用单体电芯温度检测与内阻测算完成对电池健康状态的评估；利用上述中获得的电芯温度和测算的内阻完成对电池荷电状态（SOC）估算；达到了全单体电芯温度的测量；利用单体电芯SOC估算及温升变化率、内阻变化率检测进行电池健康状态评估；设计电芯及模组温度上升速率阈值的充放电安全防护方法；采用CANFD通信传输，解决了巨量模拟量传输是实时传输问题，并且提高了传输的可靠性。
附图说明
图1为主从两级系统结构；
图2为从系统的内部单元；
图3为从系统的软件框架；
图4为温升率控制软件框架；
图5为CAN与CANFD数据帧结构对比；
图6为CANFD总线传输模型。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1为主从两级系统结构。每个电池包中含有12块单体电芯，16个电池包串联成一个电池模组。每个电池包分别有一个从系统模块进行管理监控，16个从系统模块通过CANFD总线与主系统a进行信息交互。不同的电池模组之间并联在一起组建更上一层的系统平台，进行更高一层的信息传输，这里不再赘述。
图2为从系统的内部单元。每个电池包里单体电芯的物理信息通过从系统进行监控、采集、处理。每一个从系统内部包括MCU核心单片机，负责整个系统的运转，利用5V电源进行供电。模拟前端对电池包12个单体电池进行电压、温度的采集，达到电压温度1：1的采集比例。由于纯电动船需要较高电压来满足功率需求，经常将成百上千的锂电池串联成组使用。即使锂电池性能优越，也不可避免地由于生产工艺的差别导致单体容量以及自放电率的不一致。电池组充电过程中，为了防止容量最低的过充而提前停止充电。长此以往形成恶性循环，对整个电池组的性能及寿命都有较大影响。本专利采用均衡模块进行控制。均衡电路采用被动均衡方式，利用开关闭合断开达到对电池单体的放电均衡。通过两级的均衡管理模式，每个从机通过接收上层主机的均衡信号来达到单体均衡的目的。
图3为从系统的软件框架。主要包括数据采集、SOC的估算、内阻测算、均衡及保护控制、信息交互。通过模拟芯片对每一个电池包进行定时采集电压、温度等模拟量，单片机将获得的数据进行汇总处理。通过HPPC实验得到OCV-SOC曲线。尽管磷酸铁锂电池在不同温度下，其OCV-SOC曲线会存在一定的差异，COV和SOC整体仍呈现正相关。OCV-SOC曲线在电压较低，较高的时候相关性比较大，电压的变化较为明显，利于使用开路电压来去判断SOC的大小；开路电压在中间部分呈现出较小的变化，属于平坦区，使用开路电压判断精度不高。故而使用两端部分开路电压法中间部分安时积分法的方式来去对锂电池荷电状态（SOC）进行估算。通过安时积分法和开路电压查表法来达到对SOC的稳定跟踪计算。当电池充满时，单片机发出指令，驱动继电器动作，断开充电开关。采集瞬时的电压和电流突变值，利用突变电流法获得当前的内阻值，并通过数字滤波的方式求出内阻的平均值作为当前电池的内阻估计值。利用单体电芯SOC估算及温升变化率、内阻变化率检测来进行电池健康状态评估。对于均衡保护及控制，本专利采用被动均衡。底层控制检测系统将采集到的电芯电压最大值传送给上层BMS管理单元，管理单元通过运算比较大小，然后向下层电芯电压最大值的控制检测系统发送均衡命令。相应地底层控制检测系统接到上层命令，开始进行闭合对应电芯开关，进行耗能放电均衡。
图4为温升率控制软件框架。对于模拟前端采集的温度信息进行处理，存储。比较前后几次的温升的差值，一次作为温升的变化率，然后通过对比温度变化率的差异来判断当前电池的充放电状态。这样对于防止过度充电产生事故有参考价值。当温升率超过了设定的阈值时发出报警信号，提示当前电池可能存在过充获损坏情况；当温升率在允许范围内，则持续进行温度以及温度变化率的监控。整个系统采用两级温度监测模式，配合内阻的测算来达到对于电池健康状态的评估。
图5为CAN与CANFD数据帧结构对比。传统CAN通信可以传输8个字节，而CANFD可以传输多达64个字节，使得每一帧的有效的比特占比更高。CAN总线的传输速率最大为1M/s,而CANFD理论上可到10M/s，这是通过BRS位在仲裁之后加速传输实现的。CANFD通信的CRC校验功能比CAN通信有更高性能，降低未检测到错误的风险。CANFD具有延迟时间更短，更好的实时性能，更高的带宽等性能。相对更少的系统开销也就意味着更好的数据吞吐量，发送较大数据对象时，软件更加简单高效。这一点对于传输巨量模拟量的电池管理系统来说尤为有益，当系统越大时，CANFD的优越性也就越明显。
图6为CANFD总线传输模型。每一个从模块系统相当于一个节点。16个节点连接在以120欧姆为终端电阻的CANFD总线上。节点a充当图1中的主系统a。主系统a收集从系统模块传输的模拟数据进行处理，反馈给对应的下层节点。下层节点收到信号之后，进行相应的均衡动作。另一方面，主系统a和其他同级的主系统将数据向更上一层监控平台上传处理。
整体的思路总结如下：这里设计的是一个自顶向下的多层级温度监测与内阻测算的船用锂电池健康管理系统。通过从系统的单片机控制模拟前端定时采集每一个电池包电压、温度、电流。特别实现了对于每一个单体电芯温度的采集。从系统单片机对于所采集到的模拟数据进行处理，采用开路电压法和安时积分法相结合对锂电池的SOC进行估算。利用突变电流法获得当前的内阻值，并通过数字滤波的方式求出内阻的平均值作为当前电池的内阻测算值。利用单体电芯SOC估算及温升变化率、内阻变化率检测来进行电池健康状态评估。在充放电时，从系统单片机依据当前温升率和SOC状态发出驱动信号，驱动继电器动作，确保系统充放电安全性。从系统通过CANFD通信将采集的数据、SOC状态、开关量等数据传输给上层主系统。主系统接收下层的数据，处理之后，给每一个从系统发出均衡动作信号，并和更高一层系统进行信息交互。从系统收到主系统命令后进行相应被动均衡开关的开通闭合动作。

Claims (5)

1.一种基于多层级温度监测与内阻测算的船用锂电池健康管理系统，其特征在于：包括设置在每一个电池包内的从系统模块，各个从模块与主系统模块进行通信；所述的从系统模板由模拟前端、均衡电路、通信电路、保护驱动电路、处理单元以及电源单元组成；所述的模拟前端用于对单体电压、电流、温度进行采集；所述的处理单元用于估算电池荷电状态、控制单体均衡、测算电池内阻；所述的均衡电路用于控制电池单体的放电均衡；所述的保护驱动电路与处理单元连接，用于电池的充放电保护；所述的电源单元用于给系统供电。
2.根据权利要求1所述的基于多层级温度监测与内阻测算的船用锂电池健康管理系统，其特征在于：所述的均衡电路采用被动均衡，通过开关闭合断开达到对电池单体的放电均衡。
3.根据权利要求1所述的基于多层级温度监测与内阻测算的船用锂电池健康管理系统，其特征在于：所述的数据处理单元，基于模拟前端中获得电芯端电压及电流值，利用突变电流法测算电芯内阻，并结合采集的电芯温度实现电池健康状态的评估。
4.根据权利要求1所述的基于多层级温度监测与内阻测算的船用锂电池健康管理系统，其特征在于：各个从模块通过CANFD与主系统模块进行通信。
5.根据权利要求1所述的基于多层级温度监测与内阻测算的船用锂电池健康管理系统，其特征在于：所述的处理单元采用以恩智浦的S32K144位核心单片机。
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