一种动力电池均衡管理系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种动力电池均衡管理系统及方法，利用数字孪生技术建立基于云端控制的动力电池均衡管理系统，同时汇集了实际运行数据与模拟运行数据用于分析计算，能够有效削弱当前电池系统的不一致性与减轻未来电池系统不一致性的扰动，以达到管理动力电池电量不一致性并控制未来不一致性发展方向的目的。

A power battery balance management system and method

The invention relates to a power battery balance management system and method, which uses digital twin technology to establish a power battery balance management system based on cloud control, and at the same time collects the actual operation data and analog operation data for analysis and calculation, which can effectively weaken the inconsistency of current battery system and reduce the disturbance of inconsistency of future battery system, so as to manage power electricity The purpose of inconsistency of pool power and control of future development direction of inconsistency.

【技术实现步骤摘要】
一种动力电池均衡管理系统及方法
本专利技术涉及动力电池管理
，尤其涉及一种动力电池均衡管理系统及方法。
技术介绍
电动汽车通常使用锂离子电池作为储能元件，单体电池按一定的串并联数组合形成动力电池组，为驱动电机与其他高压电气系统提供能量。电池出厂时其内部材料及细微结构等存在差异，导致单体电池间存在电压、容量及内阻等的不一致性。这种不一致性会在电池组充放电循环过程中，影响电池充放电速率及静置时的自放电率，导致电池间的不一致性逐渐扩大，不仅加速电池老化进程，导致电动汽车运行时出现单体过充、过放现象，还可能引发热失控风险。为优化电池组不一致性，提高电池组可用充放电容量及电池寿命等，研究人员提出电池单体间电量平衡方法，通过对特定单体电池进行小电流充放电操作，消除单体电池间电压及容量状态的不一致性，该方法称为均衡管理。但是传统的均衡管理难以实时更新控制策略以匹配实时变化的电池单体容量变化，难以适应实际使用工况。
技术实现思路
为解决现有技术的不足，本专利技术提出一种动力电池均衡管理系统及方法，利用数字孪生技术建立基于云端控制的动力电池均衡管理系统，通过在云端实时分析电池电量不一致性及其未来发展趋势，并以此制定合理的控制策略并传输回实体电池中的电池管理系统上用于控制实体电池，以达到管理动力电池电量不一致性并控制未来不一致性发展方向的目的。为实现以上目的，本专利技术所采用的技术方案包括：一种动力电池均衡管理系统，包括实体电池模块、数字电池模块、数字孪生模块、云端分析模块，所述实体电池模块和数字电池模块分别通过有线方法或无线方法与数字孪生模块进行数据传输，所述数字孪生模块通过有线方法或无线方法与云端分析模块进行数据传输，所述云端分析模块通过有线方法或无线方法与实体电池模块和数字电池模块进行数据传输；所述实体电池模块为需要进行电池均衡管理的物理目标实体，所述物理目标实体包括电池组及模组的串并联结构、电池管理系统及其线束和紧固件、均衡系统架构、安全保护系统和/或冷却系统；所述数字电池模块为对应物理目标实体所建立的虚拟仿真模型；所述虚拟仿真模型的模型特征与物理目标实体特征一致，所述模型特征包括几何模型、宏观物理规律、微观物理规律、动态响应和/或历史数据；所述数字孪生模块接收并耦合实体电池模块与数字电池模块传输的基本数据，并根据基本数据辨识系统参数、估算标定实时状态以及对系统进行性能演化，得到数字孪生数据并将基本数据与数字孪生数据发送至云端分析模块；所述云端分析模块包括云端资源综合管理子系统和接口服务子系统；所述接口服务子系统接收来自数字孪生模块的数字孪生数据和基本数据，所述云端资源综合管理子系统依据数字孪生数据设计未来有限时域内系统均衡控制策略，并通过接口服务子系统将所述系统均衡控制策略发送至实体电池模块和数字电池模块。进一步地，所述实体电池模块中的均衡系统架构由电池组均衡系统所需的均衡元器件组成，所述均衡元器件包括被动均衡电阻、主动均衡用变压器结构、DC/DC结构；所述安全保护系统包括电池组的高压保护子系统、绝缘保护子系统、防水隔尘子系统。进一步地，所述数字电池模块中的几何模型为物理目标实体在三维空间内的几何结构及连接、紧固结构的数字模型；所述宏观物理规律包括物理目标实体所遵循的流体力学方法、传热学方法、电化学原理和/或电路原理；所述微观物理规律包括分子动力学；所述动态响应为物理目标实体在施加响应后所表现的机械状态、热状态、电状态的动态响应；所述历史数据包括物理目标实体历史数据以及基于物理目标实体历史数据进行的数据挖掘。进一步地，所述数字孪生模块中涉及的系统参数包括电池模型参数；所述实时状态包括电池剩余电量百分比、电池剩余能量、电池健康度和/或电池功能状态；所述性能演化为电池参数由于电池老化程度加剧而发生的变化，包括OCV-SOC曲线飘移与压缩、欧姆内阻增大。进一步地，所述云端资源综合管理子系统依据获得的基本数据与数字孪生数据利用均衡控制策略方法和最优化策略算法计算得到未来有限时域内系统均衡控制策略；所述均衡控制策略方法包括模型预测控制方法、广义预测控制方法、滑模变控制方法和/或PID控制方法；所述最优化策略算法包括牛顿算法、高斯-牛顿算法、拟牛顿算法、L-M算法、退火算法、遗传优化算法和/或粒子群优化算法。进一步地，所述系统均衡控制策略包括单体-单体均衡策略、模组-模组均衡策略、系统-系统均衡策略；所述单体-单体均衡策略为同一模组内的不同电池单体之间的均衡策略；所述模组-模组均衡策略为同一电池组内的不同模组之间的均衡策略；所述系统-系统均衡策略为不同电池组之间的均衡策略。一种动力电池均衡管理方法，包括以下步骤：A、确定需要进行均衡管理的物理目标实体，作为实体电池模块；B、根据物理目标实体特征建立针对该实体的虚拟仿真模型，作为数字电池模块；C、实体电池模块与数字电池模块工作过程中产生基本数据并将基本数据传输至数字孪生模块；D、数字孪生模块接收到实体电池模块与数字电池模块传输的基本数据，根据基本数据分析得到数字孪生数据并将基本数据与数字孪生数据发送至云端分析模块；E、云端分析模块接收数字孪生数据和基本数据，利用均衡控制策略方法和最优化策略算法计算得到未来有限时域内系统均衡控制策略并将所述系统均衡控制策略分别发送至实体电池模块和数字电池模块；F、实体电池模块与数字电池模块接收到系统均衡控制策略，实体电池模块依照控制策略进行均衡控制操作，数字电池模块依照控制策略更新系统状态演化，完成一次优化过程；G、重复步骤C至F，实现动力电池均衡管理滚动优化。进一步地，所述步骤A包括确定物理目标实体特征；所述物理目标实体特征包括几何模型、宏观物理规律、微观物理规律、动态响应和/或历史数据。进一步地，所述步骤B包括以下分步骤：B1、建立电池组及模组的物理与几何模型，对电池组及模组的生热、传热过程进行有限元分析；B2、使用锂电池分数阶等效电路模型或电化学模型对电池动态特性建模，使用博纳蒂公式或多尺度的电池生热方程对电池生热特性建模，使用电池多节点模型对电池传热特性建模；B3、使用串联电池组的等效电路模型对电池系统的均衡特性建模，依据基尔霍夫电压定律，基尔霍夫电流定律对电池系统均衡架构建模。进一步地，所述步骤E中系统均衡控制策略包括单体-单体均衡策略、模组-模组均衡策略、系统-系统均衡策略。本专利技术的有益效果为：采用本专利技术所述动力电池均衡管理系统及方法对电动汽车动力电池进行均衡管理能够实现对动力电池组全生命周期的均衡管理；在云端建立与实体电池模块相匹配的数字电池模块的虚拟仿真模型(简称虚拟模型)，也就是说，通过物理实体与虚拟模型互相耦合形成数字孪生系统，同时汇集了实际运行数据与模拟运行数据用于分析计算，云端分析模块在云端实时分析电池系统电量不一致性及其未来发展趋势，并以此制定合理的控制策略并传输回实体电池系统中的BMS上用于控制实体电池系统，能够有效削弱当前电池系统的不一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种动力电池均衡管理系统，包括实体电池模块、数字电池模块、数字孪生模块、云端分析模块，所述实体电池模块和数字电池模块分别通过有线方法或无线方法与数字孪生模块进行数据传输，所述数字孪生模块通过有线方法或无线方法与云端分析模块进行数据传输，所述云端分析模块通过有线方法或无线方法与实体电池模块和数字电池模块进行数据传输；/n所述实体电池模块为需要进行电池均衡管理的物理目标实体，所述物理目标实体包括电池组及模组的串并联结构、电池管理系统及其线束和紧固件、均衡系统架构、安全保护系统和/或冷却系统；/n所述数字电池模块为对应物理目标实体所建立的虚拟仿真模型；所述虚拟仿真模型的模型特征与物理目标实体特征一致，所述模型特征包括几何模型、宏观物理规律、微观物理规律、动态响应和/或历史数据；/n所述数字孪生模块接收并耦合实体电池模块与数字电池模块传输的基本数据，并根据基本数据辨识系统参数、估算标定实时状态以及对系统进行性能演化，得到数字孪生数据并将基本数据与数字孪生数据发送至云端分析模块；/n所述云端分析模块包括云端资源综合管理子系统和接口服务子系统；所述接口服务子系统接收来自数字孪生模块的数字孪生数据和基本数据，所述云端资源综合管理子系统依据数字孪生数据设计未来有限时域内系统均衡控制策略，并通过接口服务子系统将所述系统均衡控制策略发送至实体电池模块和数字电池模块。/n...

【技术特征摘要】
1.一种动力电池均衡管理系统，包括实体电池模块、数字电池模块、数字孪生模块、云端分析模块，所述实体电池模块和数字电池模块分别通过有线方法或无线方法与数字孪生模块进行数据传输，所述数字孪生模块通过有线方法或无线方法与云端分析模块进行数据传输，所述云端分析模块通过有线方法或无线方法与实体电池模块和数字电池模块进行数据传输；
所述实体电池模块为需要进行电池均衡管理的物理目标实体，所述物理目标实体包括电池组及模组的串并联结构、电池管理系统及其线束和紧固件、均衡系统架构、安全保护系统和/或冷却系统；
所述数字电池模块为对应物理目标实体所建立的虚拟仿真模型；所述虚拟仿真模型的模型特征与物理目标实体特征一致，所述模型特征包括几何模型、宏观物理规律、微观物理规律、动态响应和/或历史数据；
所述数字孪生模块接收并耦合实体电池模块与数字电池模块传输的基本数据，并根据基本数据辨识系统参数、估算标定实时状态以及对系统进行性能演化，得到数字孪生数据并将基本数据与数字孪生数据发送至云端分析模块；
所述云端分析模块包括云端资源综合管理子系统和接口服务子系统；所述接口服务子系统接收来自数字孪生模块的数字孪生数据和基本数据，所述云端资源综合管理子系统依据数字孪生数据设计未来有限时域内系统均衡控制策略，并通过接口服务子系统将所述系统均衡控制策略发送至实体电池模块和数字电池模块。


2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述实体电池模块中的均衡系统架构由电池组均衡系统所需的均衡元器件组成，所述均衡元器件包括被动均衡电阻、主动均衡用变压器结构、DC/DC结构；所述安全保护系统包括电池组的高压保护子系统、绝缘保护子系统、防水隔尘子系统。


3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数字电池模块中的几何模型为物理目标实体在三维空间内的几何结构及连接、紧固结构的数字模型；所述宏观物理规律包括物理目标实体所遵循的流体力学方法、传热学方法、电化学原理和/或电路原理；所述微观物理规律包括分子动力学；所述动态响应为物理目标实体在施加响应后所表现的机械状态、热状态、电状态的动态响应；所述历史数据包括物理目标实体历史数据以及基于物理目标实体历史数据进行的数据挖掘。


4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数字孪生模块中涉及的系统参数包括电池模型参数；所述实时状态包括电池剩余电量百分比、电池剩余能量、电池健康度和/或电池功能状态；所述性能演化为电池参数由于电池老化程度加剧而发生的变化，包括OCV-SOC曲线飘移与压缩、欧姆内阻增大。


5.如权利要求1至4之一所述的系统，其特征在于，所述云端资源综合管理子系统依据获得的基本数据与...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨世春，周新岸，华旸，周思达，郭斌，闫啸宇，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11