CN117728054B - 一种飞行汽车动力电池管理方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种飞行汽车动力电池管理方法及系统，属于飞行汽车能源动力系统技术领域，解决了现有技术中电池系统线束重量大、固定频率通讯的问题。本发明的飞行汽车动力电池管理方法及系统，通过融合电化学阻抗谱的飞行汽车动力电池电化学阻抗谱异常诊断算法实现变频率的主控板和从属板的数据传输，提高对缺陷飞行汽车动力电池的性能跟踪能力；通过无线数据传输减少主控板和从属板间的连接线束，实现飞行汽车动力电池管理系统的减重。
Description
技术领域
本发明涉及飞行汽车能源动力系统技术领域，具体涉及一种飞行汽车动力电池管理方法及系统。
背景技术
飞行汽车是面向低空智能交通和立体智慧交通的载运工具，是我国低空立体交通的重要组成。
飞行汽车整机重量有限，需要尽可能提高电池系统的比能量密度，减少电池系统重量。传统电池系统中，电压采集线束重量占7~10%左右，线束多而冗长，不仅增大了电池系统重量，也带来了额外的安全风险，如线束虚焊、短路等。
现有的电池管理方法和系统依赖于线束，通过线束连接主、从板以进行通讯、数据传输，线束无法被替代，致使电池系统能量密度低、存在小风险。此外，主从板通讯以CAN协议通讯时按固定频率收发数据，无法获取特定电池的高频数据，不利于获取故障电池的更多信息。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提供了一种飞行汽车动力电池管理方法及系统，解决了现有技术中电池系统线束重量大、固定频率通讯的问题。
本发明提供了一种飞行汽车动力电池管理系统，包括主控板和从属板；其中，从属板用于对与所述飞行汽车动力电池管理系统连接的飞行汽车动力电池的电压、电流和温度数据进行监测并发送至主控板；主控板用于基于与所述飞行汽车动力电池管理系统连接的飞行汽车动力电池的电压、电流和温度数据，采集得到飞行汽车动力电池的电化学阻抗谱；
主控板包括供电电路、板载通讯电路、无线通讯电路、采样电路、隔离电路、绝缘诊断电路、电化学阻抗谱采集电路；其中，供电电路连接其他所有电路并用于供电；板载通讯电路连接供电电路、无线通讯电路、采样电路、绝缘诊断电路、电化学阻抗谱采集电路，通过SPI或CAN通讯在各个电路间传输信号；无线通讯电路负责收、发无线信号，与子板进行无线通讯；采样电路负责完成系统母线电流、总电压采样，传输至主控芯片；隔离电路负责对高压部分进行隔离、滤波；电化学阻抗谱采集电路负责采集电池电化学阻抗谱，并传输至主控芯片；主控芯片电路负责接收各子模块发送的信号，输出控制指令；在飞行汽车动力电池管理系统内部采用CAN网络通讯，对外采用LIN网络或以太网通讯，采用蓝牙或WIFI实现主控板和从属板之间的无线通讯传输。
本发明还提供了一种飞行汽车动力电池管理方法，包括如下步骤：
步骤S1.获取存在故障的飞行汽车动力电池，用于开展电化学阻抗谱实验测试，获取存在故障的飞行汽车动力电池的电化学阻抗谱的测量数据；
步骤S2.建立飞行汽车动力电池管理系统；
步骤S3.构建蝙蝠回声算法-随机决策森林算法融合的飞行汽车动力电池电化学阻抗谱异常诊断算法，并将其部署在飞行汽车动力电池管理系统的主控板上，得到初始飞行汽车动力电池电化学阻抗谱异常诊断算法模型；再获取不存在故障的飞行汽车动力电池的电化学阻抗谱的测量数据，结合步骤S1的存在故障的飞行汽车动力电池的电化学阻抗谱的测量数据对初始飞行汽车动力电池电化学阻抗谱异常诊断算法模型进行训练，得到训练好的飞行汽车动力电池电化学阻抗谱异常诊断算法模型；
步骤S4.将待管理的飞行汽车动力电池与经过步骤S3处理的飞行汽车动力电池管理系统进行连接，主控板以预设接收频率实时监测待管理的飞行汽车动力电池；当待管理的飞行汽车动力电池出现故障，且获取到的电化学阻抗谱异常诊断结果的持续时间超过预设异常诊断结果时间阈值时，主控板增大接收频率实时监测待管理的飞行汽车动力电池；否则主控板继续以预设接收频率实时监测待管理的飞行汽车动力电池。
进一步地，步骤S1中所述存在故障的飞行汽车动力电池包括生产制造时人为添加扰动或异物的飞行汽车动力电池，还包括生产制造完成后人为造成挤压、刺穿、短路或漏液的飞行汽车动力电池，还包括装车运行后从电池系统中拆卸的飞行汽车动力电池。
进一步地，步骤S1中所述电化学阻抗谱的测量数据包括电化学阻抗谱低频段与横轴截距、电化学阻抗谱中频段拟合的半圆的半径、电化学阻抗谱高频段拟合直线的斜率以及电化学阻抗与飞行汽车动力电池外接电压呈函数关系的特定频率；其中，所述低频段的范围是[0.01,1)Hz，中频段的范围是[1,1000)Hz，高频段的范围是[1000,10000]Hz。
进一步地，步骤S3中所述获取不存在故障的飞行汽车动力电池的电化学阻抗谱的测量数据，结合步骤S1的存在故障的飞行汽车动力电池的电化学阻抗谱的测量数据对初始飞行汽车动力电池电化学阻抗谱异常诊断算法模型进行训练，具体包括：
获取不存在故障的飞行汽车动力电池的电化学阻抗谱的测量数据，结合步骤S1的存在故障的飞行汽车动力电池的电化学阻抗谱的测量数据共同建立训练集和测试集，以电化学阻抗谱的测量数据为输入，以电池正常或存在故障类型为输出，建立随机决策森林算法，采用蝙蝠回声优化算法对随机决策森林算法的超参数进行调优；其中，所述的超参数包括迭代次数、学习率、单次训练长度和目标残差值。
进一步地，步骤S3中所述蝙蝠回声优化算法采用变参数寻优方法，对蝙蝠回声优化算法中的学习率参数、飞行速度参数和惯性权重参数按迭代次数利用动态调整函数进行调整，动态调整函数包括Sigmoid函数、指数函数和线性函数。
进一步地，步骤S3中将飞行汽车动力电池电化学阻抗谱异常诊断算法部署在飞行汽车动力电池管理系统的主控板上，具体指电池管理系统软件采用分层式架构，包括软件底层、软件中间层和软件应用层；其中，飞行汽车动力电池电化学阻抗谱异常诊断算法部署在飞行汽车动力电池管理系统的软件应用层中，采用隔离式方法对软件应用层中各功能的输入/输出进行分离。
与现有技术相比，本发明至少具有现如下有益效果：
（1）本发明的飞行汽车动力电池管理方法及系统，通过融合电化学阻抗谱的飞行汽车动力电池电化学阻抗谱异常诊断算法实现变频率的主控板和从属板的数据传输，提高对缺陷飞行汽车动力电池的性能跟踪能力。
（2）本发明的飞行汽车动力电池管理方法及系统，通过无线数据传输减少主控板和从属板间的连接线束，实现飞行汽车动力电池管理系统的减重。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制。
图1为本发明飞行汽车动力电池管理方法的流程图；
图2为本发明飞行汽车动力电池管理系统中主控板的架构图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。另外，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
本发明提供了一种飞行汽车动力电池管理系统，包括主控板和从属板；其中，从属板用于对与所述飞行汽车动力电池管理系统连接的飞行汽车动力电池的电压、电流和温度数据进行监测并发送至主控板；主控板用于基于与所述飞行汽车动力电池管理系统连接的飞行汽车动力电池的电压、电流和温度数据，采集得到飞行汽车动力电池的电化学阻抗谱；
如图2所示，主控板包括供电电路、板载通讯电路、无线通讯电路、采样电路、隔离电路、绝缘诊断电路、电化学阻抗谱采集电路；其中，供电电路连接其他所有电路并用于供电，输入按需求为24V或12V电源，输出一般为5V；板载通讯电路连接供电电路、无线通讯电路、采样电路、绝缘诊断电路、电化学阻抗谱采集电路，通过SPI或CAN通讯在各个电路间传输信号；无线通讯电路负责收、发无线信号，与子板进行无线通讯；采样电路负责完成系统母线电流、总电压采样，传输至主控芯片；隔离电路负责对高压部分进行隔离、滤波；电化学阻抗谱采集电路负责采集电池电化学阻抗谱，并传输至主控芯片；主控芯片电路负责接收各子模块发送的信号，输出控制指令；在飞行汽车动力电池管理系统内部采用CAN网络通讯，对外采用LIN网络或以太网通讯，采用蓝牙或WIFI实现主控板和从属板之间的无线通讯传输。
本发明还提供了一种飞行汽车动力电池管理方法，如图1所示，包括如下步骤：
步骤S1.获取存在故障的飞行汽车动力电池，用于开展电化学阻抗谱实验测试，获取存在故障的飞行汽车动力电池的电化学阻抗谱的测量数据。
具体来说，存在故障的飞行汽车动力电池包括生产制造时人为添加扰动或异物的飞行汽车动力电池，还包括生产制造完成后人为造成挤压、刺穿、短路或漏液的飞行汽车动力电池，还包括装车运行后从电池系统中拆卸的飞行汽车动力电池。
电化学阻抗谱的测量数据包括电化学阻抗谱低频段与横轴截距、电化学阻抗谱中频段拟合的半圆的半径、电化学阻抗谱高频段拟合直线的斜率以及电化学阻抗与飞行汽车动力电池外接电压呈函数关系的特定频率；其中，所述低频段的范围是[0.01,1)Hz，中频段的范围是[1,1000)Hz，高频段的范围是[1000,10000]Hz
步骤S2.建立飞行汽车动力电池管理系统。
设计能够带有电化学阻抗谱采集功能和无线通讯传输功能的飞行汽车动力电池管理系统，主控板和从属板通过无线通讯方式进行数据传输。
飞行汽车动力电池管理系统的硬件层面，基于无线通信的分布式新型BMS硬件的具体内容如下：
使用TI公司的CC2642R-Q1芯片以实现主控板和从属板间的无线通讯，该CC2642R-Q1芯片是基于Arm Cortex-M4设计的，片上集成了丰富的模拟外设和一个射频子系统；其中，射频子系统为无线通讯模块，用于向外发送信息和接受指令；模拟外设包括电源模块、看门狗、PWM波发生器等，电源模块用于供电，看门狗用于复位，PWM波发生器用于输出控制指令。芯片中集成了双核结构，其中副核用于运行无线网络协议。CC2642R-Q1芯片中集成了2.4GHz频段（2402-2480MHz）的专用无线BMS协议栈。此外，一个内置的TI-RTOS被部署在CC2642R-Q1芯片内部，以支持主控板和从属板之间的快速联网。并在以提高通讯稳定性为目的的基础上，单独设计了一个天线模块。
在设计无线通信的电源模块时，考虑到主控板和从属板之间没有连接，从属板的电源将由电源模块提供。因此，无线通信模块的功耗对于24/7操作或待机来说应该是非常有限的。所选通信芯片的静态功耗小于100μA。此外，考虑到电池组未来的可扩展性，系列号可变，该电路具有广泛的供电能力，但由于外部电压的影响，模块的效率可能会有所不同。
除了上述无线通信模块、无线通讯电源模块外，还需要对包括模拟量前端模块、电池电压采集和均衡模块、温度采集模块、高电压采集模块、模组绝缘检测模块、高压互锁检测模块、电源模块、以及CAN通信模块进行设计。
飞行汽车动力电池管理系统的软件层面，使用AUTOSAR采用分层设计结构对BMS软件进行分层设计，其中应用层中用于部署功能算法逻辑，RTE层则是提供基本的通信服务，以支持软件组件内部以及从软件组件到BSW（包括程序调用和与ECU的总线通信）。BSW层可以被细分为服务层、ECU抽象层、微控制器抽象层和复杂的驱动层。BSW的每一层都保护着不同的功能模块。无线模块间的通讯连接协议设计采用蓝牙低能耗（BLE），协议栈包含底层核心协议以及应用层协议。根据BLE核心协议内容制定以下主控板和从属板间蓝牙通信连接应用层协议的连接步骤：
A1.从属板上电，并始终向外广播其地址。
A2.在收到从属板的地址后，主控板向从属板发送第一条信息以建立连接。
A3.当主控板和从属板第一次通信时，从属板会优先检查是否与主控板建立了连接，若未建立连接则执行步骤A4。
A4.主控板会向从属板发送一个PIN码进行验证，然后从属板再向主控板发送一个PIN码。验证后，主控板会记录下主控板的地址，用于后续的通信。
A5.计时器记录蓝牙连接过程时长，若连接过程时长超出600ms则返回步骤A2。
步骤S3.构建蝙蝠回声算法-随机决策森林算法融合的飞行汽车动力电池电化学阻抗谱异常诊断算法，并将其部署在飞行汽车动力电池管理系统的主控板上，得到初始飞行汽车动力电池电化学阻抗谱异常诊断算法模型；再获取不存在故障的飞行汽车动力电池的电化学阻抗谱的测量数据，结合步骤S1的存在故障的飞行汽车动力电池的电化学阻抗谱的测量数据对初始飞行汽车动力电池电化学阻抗谱异常诊断算法模型进行训练，得到训练好的飞行汽车动力电池电化学阻抗谱异常诊断算法模型。
具体来说，获取不存在故障的飞行汽车动力电池的电化学阻抗谱的测量数据，结合步骤S1的存在故障的飞行汽车动力电池的电化学阻抗谱的测量数据共同建立训练集和测试集，以电化学阻抗谱的测量数据为输入，以电池正常或存在故障类型为输出，建立随机决策森林算法，采用蝙蝠回声优化算法对随机决策森林算法的超参数进行调优；其中，步骤S1的存在故障的飞行汽车动力电池的故障类型为随机决策森林算法的标签，电化学阻抗谱的测量数据为特征；超参数包括迭代次数、学习率、单次训练长度和目标残差值。
蝙蝠回声优化算法采用变参数寻优方法，对蝙蝠回声优化算法中的学习率参数、飞行速度参数和惯性权重参数按迭代次数利用动态调整函数进行调整，动态调整函数包括Sigmoid函数、指数函数和线性函数。
通过蝙蝠回声算法确定随机森林学习超参数的最优值，蝙蝠回声算法仿生蝙蝠这一哺乳动物的定位技术，蝙蝠以具有一定发射率的脉冲形式发射一定频率的超声波，超声波在传输过程中遇到空间中的物体时会以回波形式返回。蝙蝠通过接收和处理自己的回声，不仅可以检测运动物体与自己之间的距离和飞行方向，还可以判断它们的运动速度、大小、形状和结构，以避开障碍物。蝙蝠寻找目标时，在x位置和速度v处随机飞行，静态频率f min，波长和振幅不同。频率从f min到f max变化，振幅从A 0到A min变化。通过如下规则更新蝙蝠寻找猎物时的速度、位置和幅度。
蝙蝠发出频率：
；
更新速度：
；
更新位置：
；
更新振幅和频率：
；
决定性条件：
；
其中，f是发出频率；β是[0,1]中的均匀分布随机数；x *表示当前种群中的全局最优解，A是振幅，r是脉冲发射率，α和γ是常数，0<α<1，γ>0，i是迭代次数，t表示某一迭代期间的计算次数，是第i次迭代的脉冲发射率初值。
这一部分算法部署在BMS主控板系统，利用步骤2所述过程进行无线模块间的连接。
步骤S4.将待管理的飞行汽车动力电池与经过步骤S3处理的飞行汽车动力电池管理系统进行连接，主控板以预设接收频率实时监测待管理的飞行汽车动力电池；当待管理的飞行汽车动力电池出现故障，且获取到的电化学阻抗谱异常诊断结果的持续时间超过预设异常诊断结果时间阈值时，主控板增大接收频率实时监测待管理的飞行汽车动力电池；否则主控板继续以预设接收频率实时监测待管理的飞行汽车动力电池。
主控板通过电化学阻抗谱异常诊断结果，对存在异常的飞行汽车动力电池对应的飞行汽车动力电池管理系统主控板增大数据接收频率，提高对存在异常的飞行汽车动力电池的性能跟踪能力。当BMS主控板接收到从属板发送的飞行汽车动力电池异常检测值时，主控板会请求从属板进行高频电池信息发送，以实现对于电池系统的高频监测。变频检测实时逻辑如下所示：
B1.从属板以150HZ频率对电池电压、电流、温度数据进行监测。
B2.从属板将电池监测数据以150HZ频率进行发送。
B3.主控板以50HZ频率接受从属板发送的电池监测数据，并判断电池监测数据中是否存在异常值，若存在则执行步骤B4，若不存在则直接执行步骤B6。
B4.主控板检测从属板发送的电池监测数据中异常值持续时间是否超过200ms，若是则执行步骤B5，若不是则直接执行步骤B6。
B5.主控板发出故障代码，并从低频接收模式转变为频率为150HZ的高频接收模式。
B6.主控板发出下一帧数据请求。
与现有技术相比，本发明的飞行汽车动力电池管理方法及系统，通过融合电化学阻抗谱的飞行汽车动力电池电化学阻抗谱异常诊断算法实现变频率的主控板和从属板的数据传输，提高对缺陷飞行汽车动力电池的性能跟踪能力；通过无线数据传输减少主控板和从属板间的连接线束，实现飞行汽车动力电池管理系统的减重。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于飞行汽车动力电池管理系统实现的飞行汽车动力电池管理方法，所述飞行汽车动力电池管理系统包括主控板和从属板；其中，从属板用于对与所述飞行汽车动力电池管理系统连接的飞行汽车动力电池的电压、电流和温度数据进行监测并发送至主控板；主控板用于基于与所述飞行汽车动力电池管理系统连接的飞行汽车动力电池的电压、电流和温度数据，采集得到飞行汽车动力电池的电化学阻抗谱；
主控板包括供电电路、板载通讯电路、无线通讯电路、采样电路、隔离电路、绝缘诊断电路、电化学阻抗谱采集电路和主控芯片电路；其中，供电电路连接其他所有电路并用于供电；板载通讯电路连接供电电路、无线通讯电路、采样电路、绝缘诊断电路、电化学阻抗谱采集电路，通过SPI或CAN通讯在各个电路间传输信号；无线通讯电路负责收、发无线信号，与子板进行无线通讯；采样电路负责完成系统母线电流、总电压采样，传输至主控芯片；隔离电路负责对高压部分进行隔离、滤波；电化学阻抗谱采集电路负责采集电池电化学阻抗谱，并传输至主控芯片；主控芯片电路负责接收各子模块发送的信号，输出控制指令；在飞行汽车动力电池管理系统内部采用CAN网络通讯，对外采用LIN网络或以太网通讯，采用蓝牙或WIFI实现主控板和从属板之间的无线通讯传输；
其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1.获取存在故障的飞行汽车动力电池，用于开展电化学阻抗谱实验测试，获取存在故障的飞行汽车动力电池的电化学阻抗谱的测量数据；
步骤S2.建立飞行汽车动力电池管理系统；
步骤S3.构建蝙蝠回声算法-随机决策森林算法融合的飞行汽车动力电池电化学阻抗谱异常诊断算法，并将其部署在飞行汽车动力电池管理系统的主控板上，得到初始飞行汽车动力电池电化学阻抗谱异常诊断算法模型；再获取不存在故障的飞行汽车动力电池的电化学阻抗谱的测量数据，结合步骤S1的存在故障的飞行汽车动力电池的电化学阻抗谱的测量数据对初始飞行汽车动力电池电化学阻抗谱异常诊断算法模型进行训练，得到训练好的飞行汽车动力电池电化学阻抗谱异常诊断算法模型；
步骤S4.将待管理的飞行汽车动力电池与经过步骤S3处理的飞行汽车动力电池管理系统进行连接，主控板以预设接收频率实时监测待管理的飞行汽车动力电池；当待管理的飞行汽车动力电池出现故障，且获取到的电化学阻抗谱异常诊断结果的持续时间超过预设异常诊断结果时间阈值时，主控板增大接收频率实时监测待管理的飞行汽车动力电池；否则主控板继续以预设接收频率实时监测待管理的飞行汽车动力电池。
2.根据权利要求1所述的飞行汽车动力电池管理方法，其特征在于，步骤S1中所述存在故障的飞行汽车动力电池包括生产制造时人为添加扰动或异物的飞行汽车动力电池，还包括生产制造完成后人为造成挤压、刺穿、短路或漏液的飞行汽车动力电池，还包括装车运行后从电池系统中拆卸的飞行汽车动力电池。
3.根据权利要求2所述的飞行汽车动力电池管理方法，其特征在于，步骤S1中所述电化学阻抗谱的测量数据包括电化学阻抗谱低频段与横轴截距、电化学阻抗谱中频段拟合的半圆的半径、电化学阻抗谱高频段拟合直线的斜率以及电化学阻抗与飞行汽车动力电池外接电压呈函数关系的特定频率；其中，所述低频段的范围是[0.01,1)Hz，中频段的范围是[1,1000)Hz，高频段的范围是[1000,10000]Hz。
4.根据权利要求3所述的飞行汽车动力电池管理方法，其特征在于，步骤S3中所述获取不存在故障的飞行汽车动力电池的电化学阻抗谱的测量数据，结合步骤S1的存在故障的飞行汽车动力电池的电化学阻抗谱的测量数据对初始飞行汽车动力电池电化学阻抗谱异常诊断算法模型进行训练，具体包括：
获取不存在故障的飞行汽车动力电池的电化学阻抗谱的测量数据，结合步骤S1的存在故障的飞行汽车动力电池的电化学阻抗谱的测量数据共同建立训练集和测试集，以电化学阻抗谱的测量数据为输入，以电池正常或存在故障类型为输出，建立随机决策森林算法，采用蝙蝠回声优化算法对随机决策森林算法的超参数进行调优；其中，所述的超参数包括迭代次数、学习率、单次训练长度和目标残差值。
5.根据权利要求4所述的飞行汽车动力电池管理方法，其特征在于，步骤S3中所述蝙蝠回声优化算法采用变参数寻优方法，对蝙蝠回声优化算法中的学习率参数、飞行速度参数和惯性权重参数按迭代次数利用动态调整函数进行调整，动态调整函数包括Sigmoid函数、指数函数和线性函数。
6.根据权利要求5所述的飞行汽车动力电池管理方法，其特征在于，步骤S3中将飞行汽车动力电池电化学阻抗谱异常诊断算法部署在飞行汽车动力电池管理系统的主控板上，具体指电池管理系统软件采用分层式架构，包括软件底层、软件中间层和软件应用层；其中，飞行汽车动力电池电化学阻抗谱异常诊断算法部署在飞行汽车动力电池管理系统的软件应用层中，采用隔离式方法对软件应用层中各功能的输入/输出进行分离。
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