CN116365066B - 基于bms模块的电源管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于BMS模块的电源管理系统，涉及电源管理技术领域，包括数据采集模块、数据传输模块、管理中心、安全分析模块和运维管理模块；数据采集模块用于实时采集动力电池数据；数据筛选模块用于对采集的动力电池数据进行数据清洗，从持续的电压电流曲线中，截取出慢充片段作为目标数据并缓存至终端数据库；数据传输模块用于将缓存的目标数据结合目标传输方式传输至管理中心，提高数据传输效率；安全分析模块用于获取动力电池数据并进行电池负荷分析，判断电池充放电是否异常；以提醒管理人员对电池进行检修维护；运维管理模块用于对检修任务进行威胁等级评估，并分配至不同等级的维修人员；实现资源利用最大化；提高检修效率。

Description

基于BMS模块的电源管理系统

技术领域

本发明涉及电源管理技术领域，具体是基于BMS模块的电源管理系统。

背景技术

bms(battery management system)即电池管理系统，电池与用户之间的纽带。bms的主要对象是二次电池，目的是能够提高电池的利用率，防止电池出现过度充电和过度放电的现象，达到延长电池的使用寿命，监控电池状态的目的。电源作为计算机最基本的部件以及计算机稳定与性能的基础，已经走过了几十载的岁月，几十年的发展，虽然从外观上看大同小异，但是电源的内部已经发生了很多实质性的变化，例如，接口种类、数量、线长/风扇尺寸/功率大小/电路板设计/静音设计以及节能设计等都发生了很大变化。如果电源的选择失误，轻则影响性能的发挥，中则影响系统稳定性，重则导致各类硬件提前老化，或者损坏。

目前市场上的电源往往因为电池充放电的使用不规范，导致了电池的使用寿命大大降低；为此，本发明提出基于BMS模块的电源管理系统。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出基于BMS模块的电源管理系统。

为实现上述目的，根据本发明的第一方面的实施例提出基于BMS模块的电源管理系统，包括数据采集模块、数据传输模块、管理中心、传输管理模块、安全分析模块和运维管理模块；

所述数据采集模块用于实时采集动力电池数据，并将采集动力电池数据发送至数据筛选模块；所述数据筛选模块用于对采集的动力电池数据进行数据清洗，从持续的电压电流曲线中，截取出慢充片段作为目标数据并缓存至终端数据库，作为后续数据分析的基础数据；

所述传输管理模块用于实时验证数据传输模块的通信状态，计算得到通信偏离指数Cs，并辅助确定对应的数据传输方式为目标传输方式；

所述数据传输模块用于将缓存的目标数据结合目标传输方式传输至管理中心；所述目标传输方式包括并行传输、串行传输、异步传输、同步传输、单工数据传输、半双工数据传输以及全双工数据传输；

所述安全分析模块与管理中心相连接，用于获取动力电池数据并进行电池负荷分析，判断电池充放电是否异常；若是，则生成安全预警信号至管理中心；所述管理中心接收到安全预警信号后控制电池断电，并驱动控制声光报警器发出警报，以提醒管理人员对电池进行检修维护；

所述管理中心还用于根据安全预警信号生成检修任务至运维管理模块；所述运维管理模块用于对检修任务进行威胁等级WX评估，并根据威胁等级WX将检修任务分配至不同等级的维修人员。

进一步地，所述传输管理模块的具体工作步骤为：

传输管理模块按照预设验证周期发送验证配置消息至数据传输模块的FPGA主控，计算得到信号损耗指数SH；其中验证配置消息中包括第一信号质量门限；建立信号损耗指数SH随时间变化的曲线图；

将信号损耗指数SH与预设损耗阈值相比较；若SH大于预设损耗阈值，则在对应的曲线图中截取对应的曲线段进行标注，记为偏离曲线段；

在预设时间段内，统计偏离曲线段的数量为Pz；将所有的偏离曲线段对时间进行积分得到偏离参考面积M1；利用公式Cs＝Pz×a3+M1×a4计算得到通信偏离指数Cs，其中a3、a4均为系数因子；

根据通信偏离指数Cs辅助确定对应数据传输方式，具体为：

管理中心内存储有通信偏离指数范围与数据传输方式的映射关系表；根据映射关系表，确定与通信偏离指数Cs对应的数据传输方式，并标记为目标传输方式。

进一步地，所述安全分析模块的具体分析步骤为：

获取管理中心接收到的动力电池数据，将电池充放电的实时电流、实时电压和实时温度依次标记为Et、Lt、Wt；利用公式Rt＝Lt×Et×f计算得到电池的负荷功率Rt，其中f为预设均衡因子；

获取两个不同时间点的负荷功率并标记为第一负荷功率WS1和第二负荷功率WS2，利用负荷迁移计算式计算得到负荷迁移值EQ；

建立第一分析数组，第一分析数组包括同一时刻获取的电池负荷迁移值EQ和电池温度Et；其中负荷迁移值EQ和电池温度Et一一对应；

以负荷迁移值EQ为自变量，以电池温度Et为因变量建立电池的负荷迁移曲线；对负荷迁移曲线进行求导获取迁移导数曲线；将迁移导数曲线中导数为0的点标记为驻点；将相邻两个驻点对应的负荷迁移的采集时刻进行时间差计算得到迁驻时长ZT；

将迁驻时长ZT与预设时长阈值相比较；若ZT≥预设时长阈值，且此时的电池温度Et满足(RT-γ)≤Et≤(RT+γ)，则判定此时电池充放电状态正常；否则，判定电池的充放电状态异常；其中RT为电池对应的温度阈值；γ为预设补偿因子。

进一步地，所述运维管理模块的具体分析步骤为：

获取检修任务对应的电池；统计所述电池的运行年限为N1；

在预设时间段内，统计电池的检修次数并标记为检修频次Z1；将最近一次检修时刻与系统当前时刻进行时间差计算得到缓冲时长Ht；

获取所述电池的潜在供电关联数据；所述潜在供电关联数据包括电池供电区域的电路线路长度、供电设备数量以及设备平均用电量；

将供电线路长度、供电设备数量以及设备平均用电量依次标记为L1、HL以及DL；利用公式Gs＝L1×g2+HL×g3+DL×g4计算得到供电指数Gs，其中g2、g3、g4为系数因子；利用公式WX＝(N1×g5+Z1×g6+Gs×g7)/(Ht×g8)计算得到检修任务的威胁等级WX，其中g5、g6、g7、g8为系数因子。

进一步地，根据威胁等级WX将检修任务分配至不同等级的维修人员，具体为：将威胁等级WX与预设威胁阈值相比较；预设威胁阈值包括X1、X2，X1、X2均为预设固定值且X1＜X2；

当WX≤X1时，将对应检修任务分配至低级维修人员；当X1＜WX≤X2时，将对应检修任务分配至中级维修人员；当WX＞X2时，将对应检修任务分配至高级维修人员。

进一步地，其中，负荷迁移计算式具体为：

其中η为预设补偿因子，WS0表示为预设负荷迁移阈值，T0表示为两个不同时间点的时间差。

进一步地，其中，信号损耗指数SH的具体计算步骤为：

响应于接收到由传输管理模块发送的验证配置消息，由数据传输模块的FPGA主控发送第二同步信号至传输管理模块；由传输管理模块确定第二同步信号的信号质量，并将第二同步信号的信号质量与第一信号质量门限进行对比，得到对应的质量差值ZC；

将传输管理模块发送验证配置消息的时刻与传输管理模块再次监听到第二同步信号的时刻进行时间差计算得到响应时长XT；利用公式SH＝ZC×a1+XT×a2计算得到信号损耗指数SH，其中a1、a2均为系数因子。

进一步地，所述数据筛选模块还包括：将采集的动力电池数据中电芯级别的电流、电压标记为原始数据；根据原始数据建立电压电流曲线；所述动力电池数据包括电池充放电的功率，电压，电流以及温度；时间尺度在秒级，空间尺度到每一颗电芯。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明中数据采集模块用于实时采集动力电池数据；数据筛选模块用于对采集的动力电池数据进行数据清洗，从持续的电压电流曲线中，截取出慢充片段作为目标数据并缓存至终端数据库，作为后续数据分析的基础数据；传输管理模块用于实时验证数据传输模块的通信状态，计算得到通信偏离指数Cs，并辅助确定对应的数据传输方式；数据传输模块用于将缓存的目标数据结合目标传输方式传输至管理中心，供相关人员查询研究；提高数据传输效率；

2、本发明中安全分析模块用于获取管理中心接收到的动力电池数据并进行电池负荷分析，判断电池充放电是否异常；建立第一分析数组，第一分析数组包括同一时刻获取的电池负荷迁移值EQ和电池温度Et；若迁驻时长ZT≥预设时长阈值，且此时的电池温度Et满足(RT-γ)≤Et≤(RT+γ)，则判定此时电池充放电状态正常；否则，判定电池的充放电状态异常，生成安全预警信号；以提醒管理人员对电池进行检修维护，提高电池充放电安全；运维管理模块用于对检修任务进行威胁等级评估，并分配至不同等级的维修人员，实现资源利用最大化；提高检修效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于BMS模块的电源管理系统的原理框图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，基于BMS模块的电源管理系统，包括数据采集模块、数据筛选模块、终端数据库、数据传输模块、管理中心、传输管理模块、安全分析模块、声光报警器以及运维管理模块；

数据采集模块用于实时采集动力电池数据；动力电池数据包括电池充放电的功率，电压，电流，温度等；时间尺度在秒级，空间尺度到每一颗电芯；数据筛选模块用于对采集的动力电池数据进行数据清洗，具体为：

将采集的动力电池数据中电芯级别的电流、电压标记为原始数据；根据原始数据建立电压电流曲线；从持续的电压电流曲线中，截取出慢充片段作为目标数据并缓存至终端数据库，作为后续数据分析的基础数据；

其中动力电池数据实际分为三大类数据：运行过程中的充放电数据、快充数据以及慢充数据；

运行过程中的充放电数据：放电属于动力输出，而充电则是动力回收。这个过程中的数据因为电池的极化效应，有高度的随机性，复现性很差，因此作为脏数据被过滤掉；

快充数据，同样因为短时间的容量快速变化，同时受极化效应影响和采样频率的限制，不适宜作为数据分析的基础数据，因此也被舍弃掉。

慢充数据，该过程的电流维持恒定，且持续时间相对较长，比较适合作为数据分析的基础数据。此类型数据，需要剔除短暂充电过程，即SOC变化过小的情形；

数据传输模块用于将缓存的目标数据结合目标传输方式传输至管理中心，供相关人员查询研究；提高数据传输效率；目标传输方式包括并行传输、串行传输、异步传输、同步传输、单工数据传输、半双工数据传输以及全双工数据传输；

其中，传输管理模块用于实时验证数据传输模块的通信状态，计算得到通信偏离指数Cs，并辅助确定对应的数据传输方式；具体工作步骤为：

传输管理模块按照预设验证周期发送验证配置消息至数据传输模块的FPGA主控，其中验证配置消息中包括第一信号质量门限；

响应于接收到由传输管理模块发送的验证配置消息，由数据传输模块的FPGA主控发送第二同步信号至传输管理模块；由传输管理模块确定第二同步信号的信号质量，并将第二同步信号的信号质量与第一信号质量门限进行对比，得到对应的质量差值ZC；

将传输管理模块发送验证配置消息的时刻与传输管理模块再次监听到第二同步信号的时刻进行时间差计算得到响应时长XT；利用公式SH＝ZC×a1+XT×a2计算得到信号损耗指数SH，其中a1、a2均为系数因子

建立信号损耗指数SH随时间变化的曲线图，将信号损耗指数SH与预设损耗阈值相比较；若SH大于预设损耗阈值，则在对应的曲线图中截取对应的曲线段进行标注，记为偏离曲线段；

在预设时间段内，统计偏离曲线段的数量为Pz；将所有的偏离曲线段对时间进行积分得到偏离参考面积M1；利用公式Cs＝Pz×a3+M1×a4计算得到通信偏离指数Cs，其中a3、a4均为系数因子；

根据通信偏离指数Cs辅助确定对应数据传输方式，具体为：

管理中心内存储有通信偏离指数范围与数据传输方式的映射关系表；根据映射关系表，确定与通信偏离指数Cs对应的数据传输方式，并标记为目标传输方式；

安全分析模块与管理中心相连接，用于获取动力电池数据并进行电池负荷分析，判断电池充放电是否异常；具体分析步骤为：

获取管理中心接收到的动力电池数据，将电池充放电的实时电流、实时电压和实时温度依次标记为Et、Lt、Wt；利用公式Rt＝Lt×Et×f计算得到电池的负荷功率Rt，其中f为预设均衡因子；

获取两个不同时间点(即相邻时刻)的负荷功率并标记为第一负荷功率WS1和第二负荷功率WS2，利用负荷迁移计算式计算得到负荷迁移值EQ，具体计算式为：其中η为预设补偿因子，WS0表示为预设负荷迁移阈值，T0表示为两个不同时间点的时间差；

建立第一分析数组，第一分析数组包括同一时刻获取的电池负荷迁移值EQ和电池温度Et；其中负荷迁移值EQ和电池温度Et一一对应；

以负荷迁移值EQ为自变量，以电池温度Et为因变量建立电池的负荷迁移曲线；对负荷迁移曲线进行求导获取迁移导数曲线；

将迁移导数曲线中导数为0的点标记为驻点；将相邻两个驻点对应的负荷迁移的采集时刻进行时间差计算得到迁驻时长ZT；

将迁驻时长ZT与预设时长阈值相比较；若ZT≥预设时长阈值，且此时的电池温度Et满足(RT-γ)≤Et≤(RT+γ)，则判定此时电池充放电状态正常；其中RT为电池对应的温度阈值；γ为预设补偿因子；

否则，判定电池的充放电状态异常，生成安全预警信号至管理中心；管理中心接收到安全预警信号后控制电池断电，并驱动控制声光报警器发出警报，以提醒管理人员对电池进行检修维护，提高电池充放电安全；

管理中心还用于根据安全预警信号生成检修任务至运维管理模块；运维管理模块用于对检修任务进行威胁等级评估，并分配至不同等级的维修人员，实现资源利用最大化；提高检修效率；具体分析步骤为：

获取检修任务对应的电池；统计电池的运行年限为N1；

在预设时间段内，统计电池的检修次数并标记为检修频次Z1；将最近一次检修时刻与系统当前时刻进行时间差计算得到缓冲时长Ht；

获取电池的潜在供电关联数据；潜在供电关联数据包括电池供电区域的电路线路长度、供电设备数量以及设备平均用电量；

将供电线路长度、供电设备数量以及设备平均用电量依次标记为L1、HL以及DL；利用公式Gs＝L1×g2+HL×g3+DL×g4计算得到供电指数Gs，其中g2、g3、g4为系数因子；

将运行年限、检修频次、缓冲时长以及供电指数行归一化处理并取其数值；利用公式WX＝(N1×g5+Z1×g6+Gs×g7)/(Ht×g8)计算得到检修任务的威胁等级WX，其中g5、g6、g7、g8为系数因子；

根据威胁等级WX将检修任务分配至不同等级的维修人员，具体为：

将威胁等级WX与预设威胁阈值相比较；预设威胁阈值包括X1、X2，X1、X2均为预设固定值且X1＜X2；

当WX≤X1时，将对应检修任务分配至低级维修人员；

当X1＜WX≤X2时，将对应检修任务分配至中级维修人员；

当WX＞X2时，将对应检修任务分配至高级维修人员。

上述公式均是去除量纲取其数值计算，公式是由采集大量数据进行软件模拟得到最接近真实情况的一个公式，公式中的预设参数和预设阈值由本领域的技术人员根据实际情况设定或者大量数据模拟获得。

本发明的工作原理：

基于BMS模块的电源管理系统，在工作时，数据采集模块用于实时采集动力电池数据；数据筛选模块用于对采集的动力电池数据进行数据清洗，从持续的电压电流曲线中，截取出慢充片段作为目标数据并缓存至终端数据库，作为后续数据分析的基础数据；传输管理模块用于实时验证数据传输模块的通信状态，计算得到通信偏离指数Cs，并辅助确定对应的数据传输方式；数据传输模块用于将缓存的目标数据结合目标传输方式传输至管理中心，供相关人员查询研究；提高数据传输效率；

安全分析模块用于获取管理中心接收到的动力电池数据并进行电池负荷分析，判断电池充放电是否异常；建立第一分析数组，第一分析数组包括同一时刻获取的电池负荷迁移值EQ和电池温度Et；若迁驻时长ZT≥预设时长阈值，且此时的电池温度Et满足(RT-γ)≤Et≤(RT+γ)，则判定此时电池充放电状态正常；否则，判定电池的充放电状态异常，生成安全预警信号；以提醒管理人员对电池进行检修维护，提高电池充放电安全；运维管理模块用于对检修任务进行威胁等级评估，并分配至不同等级的维修人员，实现资源利用最大化；提高检修效率。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”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。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (3)

1.基于BMS模块的电源管理系统，其特征在于，包括数据采集模块、数据传输模块、管理中心、传输管理模块、安全分析模块和运维管理模块；

所述数据采集模块用于实时采集动力电池数据，并将采集动力电池数据发送至数据筛选模块；所述数据筛选模块用于对采集的动力电池数据进行数据清洗，从持续的电压电流曲线中，截取出慢充片段作为目标数据并缓存至终端数据库，作为后续数据分析的基础数据；

所述传输管理模块用于实时验证数据传输模块的通信状态，计算得到通信偏离指数Cs，并辅助确定对应的数据传输方式为目标传输方式；

所述传输管理模块的具体工作步骤为：

传输管理模块按照预设验证周期发送验证配置消息至数据传输模块的FPGA主控，计算得到信号损耗指数SH；其中验证配置消息中包括第一信号质量门限；建立信号损耗指数SH随时间变化的曲线图；

将信号损耗指数SH与预设损耗阈值相比较；若SH大于预设损耗阈值，则在对应的曲线图中截取对应的曲线段进行标注，记为偏离曲线段；

在预设时间段内，统计偏离曲线段的数量为Pz；将所有的偏离曲线段对时间进行积分得到偏离参考面积M1；利用公式Cs=Pz×a3+M1×a4计算得到通信偏离指数Cs，其中a3、a4均为系数因子；

根据通信偏离指数Cs辅助确定对应数据传输方式，具体为：管理中心内存储有通信偏离指数范围与数据传输方式的映射关系表；根据映射关系表，确定与通信偏离指数Cs对应的数据传输方式，并标记为目标传输方式；

所述数据传输模块用于将缓存的目标数据结合目标传输方式传输至管理中心；所述目标传输方式包括并行传输、串行传输、异步传输、同步传输、单工数据传输、半双工数据传输以及全双工数据传输；

所述安全分析模块与管理中心相连接，用于获取动力电池数据并进行电池负荷分析，判断电池充放电是否异常；若是，则生成安全预警信号至管理中心；具体分析步骤为：

获取管理中心接收到的动力电池数据，将电池充放电的实时电流、实时电压和实时温度依次标记为Et、Lt、Wt；利用公式Rt=Lt×Et׃计算得到电池的负荷功率Rt，其中ƒ为预设均衡因子；

获取两个不同时间点的负荷功率并标记为第一负荷功率WS1和第二负荷功率WS2，利用负荷迁移计算式计算得到负荷迁移值EQ；具体为：

;

其中η为预设补偿因子，WS0表示为预设负荷迁移阈值，T0表示为两个不同时间点的时间差；

建立第一分析数组，第一分析数组包括同一时刻获取的电池负荷迁移值EQ和电池温度Et；其中负荷迁移值EQ和电池温度Et一一对应；

以负荷迁移值EQ为自变量，以电池温度Et为因变量建立电池的负荷迁移曲线；对负荷迁移曲线进行求导获取迁移导数曲线；将迁移导数曲线中导数为0的点标记为驻点；将相邻两个驻点对应的负荷迁移的采集时刻进行时间差计算得到迁驻时长ZT；

将迁驻时长ZT与预设时长阈值相比较；若ZT≥预设时长阈值，且此时的电池温度Et满足(RT-γ)≤Et≤(RT+γ)，则判定此时电池充放电状态正常；否则，判定电池的充放电状态异常；其中RT为电池对应的温度阈值；γ为预设补偿因子；

所述管理中心接收到安全预警信号后控制电池断电，并驱动控制声光报警器发出警报，以提醒管理人员对电池进行检修维护；

所述管理中心还用于根据安全预警信号生成检修任务至运维管理模块；所述运维管理模块用于对检修任务进行威胁等级WX评估，并根据威胁等级WX将检修任务分配至不同等级的维修人员；具体评估步骤为：

获取检修任务对应的电池；统计所述电池的运行年限为N1；

在预设时间段内，统计电池的检修次数并标记为检修频次Z1；将最近一次检修时刻与系统当前时刻进行时间差计算得到缓冲时长Ht；

获取所述电池的潜在供电关联数据；所述潜在供电关联数据包括电池供电区域的电路线路长度、供电设备数量以及设备平均用电量；

将供电线路长度、供电设备数量以及设备平均用电量依次标记为L1、HL以及DL；利用公式Gs=L1×g2+HL×g3+DL×g4计算得到供电指数Gs，其中g2、g3、g4为系数因子；

利用公式WX=(N1×g5+Z1×g6+Gs×g7)/(Ht×g8)计算得到检修任务的威胁等级WX，其中g5、g6、g7、g8为系数因子；

根据威胁等级WX将检修任务分配至不同等级的维修人员，具体为：

将威胁等级WX与预设威胁阈值相比较；预设威胁阈值包括X1、X2，X1、X2均为预设固定值且X1＜X2；

当WX≤X1时，将对应检修任务分配至低级维修人员；

当X1＜WX≤X2时，将对应检修任务分配至中级维修人员；

当WX＞X2时，将对应检修任务分配至高级维修人员。

2.根据权利要求1所述的基于BMS模块的电源管理系统，其特征在于，其中，信号损耗指数SH的具体计算步骤为：

响应于接收到由传输管理模块发送的验证配置消息，由数据传输模块的FPGA主控发送第二同步信号至传输管理模块；由传输管理模块确定第二同步信号的信号质量，并将第二同步信号的信号质量与第一信号质量门限进行对比，得到对应的质量差值ZC；

将传输管理模块发送验证配置消息的时刻与传输管理模块再次监听到第二同步信号的时刻进行时间差计算得到响应时长XT；利用公式SH=ZC×a1+XT×a2计算得到信号损耗指数SH，其中a1、a2均为系数因子。

3.根据权利要求1所述的基于BMS模块的电源管理系统，其特征在于，所述数据筛选模块还包括：将采集的动力电池数据中电芯级别的电流、电压标记为原始数据；根据原始数据建立电压电流曲线；所述动力电池数据包括电池充放电的功率，电压，电流以及温度；时间尺度在秒级，空间尺度到每一颗电芯。