CN113752843B - 一种基于赛博物理系统的动力电池热失控预警装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种基于赛博物理系统的动力电池热失控预警装置及方法，在赛博虚拟空间内建立数字化动力电池系统，该系统主要负责在全生命周期内逼近实体系统，且随着实体系统演化从而实现在未来时空内的动力电池性能预测，从而分析动力电池安全边界，完成热失控的预警及匹配策略制定；在实体空间建立实体动力电池系统与电动汽车，负责收集动力电池、电动汽车与周边环境等多种信息传输至，并根据虚拟空间内的数字化动力电池系统制定的热失控预警信息与热失控管理策略等实现动力电池控制；建立信息传输系统在虚拟空间与实体空间内完成信息数据传输，综合考虑信息安全设计与功能安全设计方案，提高信息传输过程安全性与可靠性。

Description

一种基于赛博物理系统的动力电池热失控预警装置及方法
技术领域
本发明涉及动力电池管理系统领域，特别涉及动力电池热失控及预警。
背景技术
随着汽车强国战略推进，纯电动汽车作为新能源汽车的重要代表产品，虽然在国内汽车总量的占比逐年升高，但以动力电池为基础的纯电动汽车在动力电池管理方面仍存在着诸多难题。采用串联或并联形式连接的动力电池组在实际运行时难以管理，在各种复杂工况下动力电池老化问题、极端工况与安全边界问题等制约着纯电动汽车的推广应用。
随着国内新能源汽车保有量逐年上升，逐渐多发的起火事件也备受社会各界关注。2019年，仅公开的新能源汽车起火事故就达128起。电动汽车起火可以在泊车、行车、充电时发生，难以预测，从数据角度分析，车载的BMS数据在事故前无明显异常，云端监控数据无明显异常，后台数据无明显异常，在事故前直观数据预测不出起火。因此动力电池的热失控预警极为困难。
赛博物理系统是以云端计算、网络传输和物理实体控制的复杂系统，通过计算、通讯、控制技术的有机融合与深度协作，在赛博物理系统中可以使赛博空间以远程、可靠、实时、安全、协作和智能化的方式操控物理实体。赛博物理系统在多个领域均有应用，尤其是其与汽车领域的相容性，提高了赛博物理系统应用于电动汽车电池热失控预警的可能性。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提出一种基于赛博物理系统的动力电池热失控预警装置，该装置在赛博虚拟空间建立数字化动力电池系统，在实体空间建立实体动力电池系统，并根据数字化动力电池系统制定的热失控预警信息与热失控管理策略等实现实体动力电池系统的控制，具体技术方案如下：
一种基于赛博物理系统的动力电池热失控预警装置，包括：
实体电池系统，该系统建立在实体空间内，用于收集电动汽车、动力电池、周边环境的信息和数据，并根据数字化动力电池系统制定的热失控预警信息与热失控管理策略实现动力电池控制；
信息传输系统，该系统实现赛博虚拟空间与实体空间之间的数据传输，将实体电池系统收集的信息和数据传输给数字化动力电池系统，并将数字化动力电池系统提供的热失控预警信息与管理策传输给实体电池系统；
数字化动力电池系统，该系统建立在赛博虚拟空间内，并与实体动力电池系统匹配，在全生命周期内逼近实体电池系统，性能随实体电池系统进行演化，实现在未来时空内预测动力电池系统性能和安全边界，完成热失控的预警。
进一步的，所述实体电池系统包括：硬件电池管理模块、CAN总线通讯模块或车载以太网模块、热管理模块和车端模型模块。
进一步的，所述车端模型模块实现电动汽车充放电、外设器件通讯、安全保护、可视化监控的控制，并通过远程OTA方式实现车端模型的更新与刷写。
进一步的，所述车端模型模块实现基础控制，包括：热管理系统控制、均衡系统控制、充电控制和可视化监控控制。
进一步的，所述信息传输系统遵循功能安全设计准则与信息安全设计准则。
进一步的，所述信息传输系统通过T-BOX和基站实现数据的传递。
进一步的，所述数字化动力电池系统在物理结构、几何结构方面与实体动力电池系统相同，在内部电化学反应机理、产热传热机理与实体动力电池系统相同，所述数字化动力电池系统在宏观和微观特性层次上均与实体动力电池系统相匹配。
进一步的，所述宏观特性层次包括电压特性、温度特性、机械特性；所述宏观特性层次包括电化学机理、产热传热机理、安全演化机理。
进一步的，所述电压特性包括电压值、压降、驰豫恢复；温度特性包括温度表征，热交换，生热传热；机械特性包括环境压力、紧固结构压力、电流应力；电化学原理包括容量衰退机理、热失控机理、容量跳水机理、电化学过程；产热传热机理包括区别化产热机理、各向异性的传热、各类热交换机理；安全演化机理包括热失控机理、热失控特征、安全评价方法。
一种基于赛博物理系统的动力电池热失控预警方法，包括以下步骤：
S1 建立实体电池系统、信息传输系统和数字化动力电池系统；
S2 信息传输系统将实体电池系统收集的电动汽车、动力电池、周边环境的信息和数据传输给数字化动力电池系统；
S3 数字化动力电池系统根据来自实体电池系统数据建立模型，该模型首先对数据进行清洗与修复，得到降噪且平滑后的数据，然后采用数据挖掘的方法提取隐含在数据中的特征，并基于提取的特征进行梯度分析、安全评估和动力电池全生命周期模组与热失控模型建立，预测在当前条件下电池故障与热失控的可能性，并得到趋势参数、统计参数与机理参数，而后通过离群检测、安全评价与孪生模型演化结合的方式对存在故障的电池进行辨识，提出热失控预警和管理策略；
S4信息传输系统将数字化动力电池系统得出的热失控预警信息和管理策略传输给实体电池系统；
S5 实体电池系统根据接收到的热失控预警信息和管理策略，对动力电池实现安全管理。
进一步的，S3中所述特征为：最低电压分布、温度分布云图、充放电深度与快充频率、自放电率；所述S3中的数据处理、计算采用云端大数据平台执行。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1. 本发明提供的基于赛博物理系统的动力电池热失控预警装置及方法，通过建立与实体动力电池系统等效的数字化系统模型从而实现在全生命周期下的逼近与演化，从而实现短期预警与长期安全预测。
2. 本发明提供的基于赛博物理系统的动力电池热失控预警装置及方法，主要的决策规划与安全边界预测等功能依托于云端的大数据平台数据存储与计算能力，采用庞大的计算能力从而实现最优动力电池决策与安全规划，提高了在全生命周期下的安全管理能力。
附图说明
图1为本发明的基于赛博物理系统的动力电池热失控预警方法示意图；
图2为热失控预警得出的电池系统的IC曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是作为例示，并非用于限制本发明。
本发明提供了一种基于赛博物理系统的动力电池热失控预警装置，该装置建立与实体动力电池系统匹配的数字化动力电池系统，在全生命周期内无限逼近实体系统同时性能随实体系统进行演化，实现在未来时空内预测系统性能与安全边界，完成热失控预警；采用信息传输系统在物理空间的实体电池系统中与赛博空间内数字化电池系统中传输数据、信息、决策、安全预警情况等；在实体电池系统中采集动力电池当前信息、数据，以及电动汽车信息、数据，周围环境、交通信息数据等，将信息数据传输上传用于数字化动力电池系统演化与反馈驱动，同时执行数字化系统分析计算得到的实时动力电池安全边界与热失控预警信息。
其中，数字化动力电池系统利用充足的计算能力逼近、演化实体电池组，从而实现未来安全边界规划与安全预警功能；实体动力电池系统主要负责收集数据需求，在车端建立基础模型完成电动汽车运行要求，同时接收数字化动力电池系统提供的高效决策、长期预警，从而实现高效动力电池管理与安全预警功能。
图1为本发明所提出的基于赛博物理系统的动力电池热失控预警方法示意图。在数字化电池系统建模过程中，所需求的数据主要来自由实体动力电池管理系统所收集的动力电池数据与行车数据；数据经由传输系统上传至云端大数据平台中进行计算。在平台中，数字化的动力电池模型首先对原始数据进行清洗与修复，得到降噪且平滑后的数据；而后采用数据挖掘方法（包括降维学习等）提取隐含在数据中的特征，主要包括：最低电压分布，温度分布云图，充放电深度与快充频率，自放电率等；而后根据提取的安全特征进行梯度分析或安全评估或根据电化学原理建立动力电池全生命周期模组与热失控模型，预测在当前条件下电池故障与热失控预警可能，并得到趋势参数、统计参数与机理参数等，而后进行离群检测、安全评价与孪生模型演化结合的方式对存在故障的电池进行辨识，并提出热失控预警。
实施例1
采用上述基于赛博物理系统的动力电池热失控预警装置，对热失控预警的过程具体包括：
（1）数据采集与上传：车载电池管理系统（BMS）采集实时采集电池系统电压、电流、温度数据，并通过CAN总线通讯方式传输至T-BOX系统，再由T-BOX系统通过5G通讯方式产生报文并至基站中，再由基站转发至云端数据平台，完成实时数据获取；
（2）云端数据处理，针对原始采集的报文数据进行解码转换，实现原始有效数据获取，并进行清洗与修复。
（3）热失控预警算法处理，将原始获取的数据输入至云端电池模型与热失控预警算法中，实时处理并分析热失控预警特征。在实施例中，通过计算电池系统的IC曲线，IC= DV/DQ=(V 2-V 1)/At，曲线出现了明显异常数据，如图2所示，基于算法判断存在热失控行为。
（4）热失控预警反馈与处理：基于判断的热失控行为产生预警信号，由云端平台生成报文并反馈至车端进行处理，由车端开启驾驶员报警、电池热失控应急处理等功能，实现闭环反馈控制。
以上所述之实施例仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出更多可能的变动和润饰，或修改均为本发明的等效实施例。故凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明之思路所作的等同等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于赛博物理系统的动力电池热失控预警装置，其特征在于，包括：
实体电池系统，该系统建立在实体空间内，用于收集电动汽车、动力电池、周边环境的信息和数据，并根据数字化动力电池系统制定的热失控预警信息与热失控管理策略实现动力电池控制；
信息传输系统，该系统实现赛博虚拟空间与实体空间之间的数据传输，将实体电池系统收集的信息和数据传输给数字化动力电池系统，并将数字化动力电池系统提供的热失控预警信息与管理策传输给实体电池系统；
数字化动力电池系统，该系统建立在赛博虚拟空间内，并与实体动力电池系统匹配，在全生命周期内逼近实体电池系统，性能随实体电池系统进行演化，实现在未来时空内预测动力电池系统性能和安全边界，完成热失控的预警；
所述实体电池系统包括：硬件电池管理模块、CAN总线通讯模块或车载以太网模块、热管理模块和车端模型模块；
所述车端模型模块实现基础控制，包括：热管理系统控制、均衡系统控制、充电控制和可视化监控控制；
所述数字化动力电池系统在物理结构、几何结构方面与实体动力电池系统相同，在内部电化学反应机理、产热传热机理与实体动力电池系统相同，所述数字化动力电池系统在宏观和微观特性层次上均与实体动力电池系统相匹配；
所述宏观特性层次包括电压特性、温度特性、机械特性；所述微观特性层次包括电化学机理、产热传热机理、安全演化机理；
所述电压特性包括电压值、压降、驰豫恢复；温度特性包括温度表征，热交换，生热传热；机械特性包括环境压力、紧固结构压力、电流应力；电化学原理包括容量衰退机理、热失控机理、容量跳水机理、电化学过程；产热传热机理包括区别化产热机理、各向异性的传热、各类热交换机理；安全演化机理包括热失控机理、热失控特征、安全评价方法。
2.根据权利要求1所述的基于赛博物理系统的动力电池热失控预警装置，其特征在于，所述车端模型模块实现电动汽车充放电、外设器件通讯、安全保护、可视化监控的控制，并通过远程OTA方式实现车端模型的更新与刷写。
3.根据权利要求1所述的基于赛博物理系统的动力电池热失控预警装置，其特征在于，所述信息传输系统遵循功能安全设计准则与信息安全设计准则，通过T-BOX和基站实现数据的传递。
4.一种基于权利要求1所述动力电池热失控预警装置的失控预警方法，包括以下步骤：
S1 建立实体电池系统、信息传输系统和数字化动力电池系统；
S2 信息传输系统将实体电池系统收集的电动汽车、动力电池、周边环境的信息和数据传输给数字化动力电池系统；
S3 数字化动力电池系统根据来自实体电池系统数据建立模型，该模型首先对数据进行清洗与修复，得到降噪且平滑后的数据，然后采用数据挖掘的方法提取隐含在数据中的特征，并基于提取的特征进行梯度分析、安全评估和动力电池全生命周期模组与热失控模型建立，预测在当前条件下电池故障与热失控的可能性，并得到趋势参数、统计参数与机理参数，而后通过离群检测、安全评价与孪生模型演化结合的方式对存在故障的电池进行辨识，提出热失控预警和管理策略；
S4信息传输系统将数字化动力电池系统得出的热失控预警信息和管理策略传输给实体电池系统；
S5 实体电池系统根据接收到的热失控预警信息和管理策略，对动力电池实现安全管理。
5.根据权利要求4所述的失控预警方法，其特征在于，S3中所述特征为：最低电压分布、温度分布云图、充放电深度与快充频率、自放电率；S3中的数据处理、计算采用云端大数据平台执行。
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