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基于5G云计算平台的电池智能化充放电管理系统及方法

2021-02-02 19:59:01

基于5G云计算平台的电池智能化充放电管理系统及方法

  技术领域

  本发明涉及动力电池管理系统技术领域,特别涉及以5G通信为载体,结合片上系统、边缘计算以及云端状态估算和充放电决策的电池主动安全充放电管理系统。

  背景技术

  随着新能源汽车的快速发展,动力电池的需求呈井喷之势。动力电池系统由于单体电池的大型化和成组化使用,给其安全问题带来了很大的挑战。为了实现动力锂电池的安全、高效管理,研发先进的锂电池管理系统(Battery Management System,BMS)是目前遍受关注的热点和难点问题。

  (1)国外BMS研究现状。国外在电动汽车领域起步较早,BMS研究主要集中于汽车企业中。近年来,一些大型汽车生产制造商针对各类电池进行了深入的探索与研究,取得了一系列研究成果,并成功商业化生产了一系列BMS,如:德国BADICHEQ系统及BATTMAN系统;日本丰田汽车生产的Prius混动汽车上使用的BMS;以及美国特斯拉公司生产的纯电动汽车上使用的BMS等。

  (2)国内BMS研究现状。国内电动汽车领域起步较晚,但产业发展迅速。国内致力于BMS研究工作的高校与研究所也有很多,如北京交通大学与惠州亿能合作开发的奥运纯电动大巴BMS;哈尔滨工业大学和北京理工大学联合成立的哈尔滨冠拓公司研发的BMS等。

  由于许多关键技术和瓶颈还没有突破,使得当前已装车运行的BMS与整车以及所使用的电池之间匹配度不高,并且传统的BMS基于实验数据对电池进行匹配和标定,难以满足电动汽车高准确性、高安全性的需求。伴随5G高速信息化时代的到来,大规模多输入多输出通信、微基站以及波束赋形等技术的发展,为实时云端电池参数与状态估算以及云端辅助电池充放电管理提供了基础。

  发明内容

  本发明的目的是提供一种基于5G通信技术的电池智能充放电管理系统,它可以将片上系统与云计算平台技术相结合,通过边缘计算、云端参数估计与修正、云端辅助充放电决策,实现电池的主动高效充放电管理,为动力电池的健康管理和安全运行奠定理论和技术基础。

  为解决上述技术问题,本发明所采用的技术方案是:一种基于5G云计算平台的电池智能化充放电管理系统,包括:

  基于双CPU架构的电池管理片上系统、5G通信单元、数据库服务器、云计算平台、web服务器以及可视化终端;

  其中所述双CPU架构的电池管理片上系统用于实现对各个电池组的运行状态数据采集,以及基于电池数据信息实现电池的SOC估计、SOH估计、故障诊断、充放电控制,所述电池包中包括多个电池;

  所述5G通信单元连接到所述双CPU架构的电池管理系统,用于实时传输电池组的运行状态信息以及位置信息至云计算平台,并接收来自云计算平台传送的控制参数与信号;

  所述云计算平台用于实现对电池运行数据以及定位信息进行存储、分析与传输,实现多维度电池参数提取、BMS控制策略以及电池组的多状态综合估计,同时利用电池状态信息制定智能充放电控制策略,实现云端辅助电池管理系统协同控制;

  所述可视化终端实现网页浏览器接入,依托搜索引擎和数据引擎实现数据检索、分析、可视化展示以及用户的偏好设置。

  进一步的,所述的双CPU架构的电池管理片上系统采用主从架构模式,包括主机单元和从机单元,从机单元负责采集各个电池包的单体电压、电流、温度数据信息,主机单元依据传输的电池数据信息实现电池的SOC估计、SOH估计、故障诊断、充放电控制。

  进一步的,主机单元包括电源稳压滤波电路、主机CAN通讯接口,电压与电流检测电路,继电控制电路,主机单元CPU芯片;

  所述电源稳压滤波电路包括3.3V、5V与12V稳压电路,负责供电,连接到主机单元CPU芯片、主机CAN通讯接口、高压与电流检测电路以及5G通信单元和从机单元;

  所述主机CAN通讯接口包括主机内CAN接口和主机外CAN接口;

  从机单元包括CPU芯片,以及电压检测电路ADC、温度检测电路、从机内CAN接口以及均衡电路。

  进一步的,所述的5G通信单元包括单片机最小系统、通信模组以及定位模组;单片机最小系统包括ARM内核处理器以及外围电路,进行数据计算以及数据传输功能;通信模组利用5G通信技术,实现电池组运行状态数据传输、远程参数标定、充放电控制信号接收;定位模组依赖GPS/北斗双卫星导航系统实现实时定位功能。

  进一步的,所述5G通信单元包括内核处理器STM32芯片,以及电源稳压滤波电路、5G芯片通信电路、GPS/BD定位电路以及外CAN接口,电源稳压电路负责为内核处理器芯片、5G芯片通信电路以及GPS/BD定位电路提供稳定电源。5G通信单元的外CAN接口与主机单元的外CAN接口相连,进行电池运行数据与外部控制信号的实时传输。

  进一步的,所述云计算平台基于电池管理片上系统采集的电池包运行状态数据进行边缘计算,执行BMS算法以及控制策略,同时将云端控制指令返回片上系统进行辅助协同控制;

  对电池运行数据的统一存储,并将数据统一化与标准化;

  云计算平台部署大数据算法以及电池充放电控制算法,大数据算法基于实时/历史充放电数据进行多维度电池参数提取、综合状态估计以及故障诊断,电池充放电控制算法通过估算的电池状态信息以及应用层输入的用户充电偏好信息,进行智能化充放电控制决策;

  通过网页浏览器的接入,实现数据的检索、分析、可视化展示以及用户偏好设置。

  进一步的,所述可视化终端基于网页浏览器发送请求,接收云端服务器的电池数据和车辆信息,并进行可视化处理,包括登录界面、主界面、电池数据信息可视化界面以及车辆位置信息界面;同时,为了解决不同用户以及相同用户在不同环境下对充电需求不同的问题,在电池数据信息可视化界面下,用户可以根据自身的实际需求以及云端提供的电池状态信息,自行设定充电偏好,决定充电速度与电池使用寿命优先级,同时将偏好参数返回云端辅助电池智能充放电决策。

  根据本发明的另一方面,提出一种基于5G云计算平台的电池智能化充放电管理方法,包括如下步骤:

  步骤1、双CPU架构的电池管理片上系统(1)上电并初始化,从机利用AD采样芯片采集电池电压、温度信息,利用CAN通信实现与主机的信息交互;主机基于从机采集的电池运行数据,实现电池的SOC估计、SOH估计、故障诊断以及充放电控制,并通过CAN将执行命令下发给从机,同时将电池数据通过CAN发送至通信单元;

  步骤2、通信单元接收来自主机的电池运行数据,并利用定位模组进行北斗/GPS双卫星导航系统定位,将电池运行数据与位置信息打包,利用5G无线通信上传至云计算平台,同时接收来自云计算平台的电池充放电及协同控制指令下传至片上系统;

  步骤3、云计算平台接收通信单元上传的电池运行数据,利用边缘计算服务器执行BMS估算算法以及控制策略,并将云端协同控制指令返回片上系统,提供实时的BMS算法辅助计算;同时对边缘数据进行采集、加工、聚合后上传云服务器;

  步骤4、将所有电池运行数据统一存储,将原始数据转换为可用于报告、可视化、分析和机器学习任务的转换数据,并存储于MYSQL数据库或SQL sever上,形成统一化、标准化的电池管理系统时空数据库;

  步骤5、通过部署于云计算平台上的5G智能云计算平台大数据算法,基于实时/历史充放电数据进行多维度电池参数提取、综合状态估计;

  步骤6、部署于云计算平台上的电池智能充放电算法,基于精确估算的电池荷电状态信息SOC与健康信息SOH以及可视化终端输入的用户偏好设置信息,制定电池充放电策略;

  步骤7、将云计算平台的电池参数与状态综合估计的结果以及制定的充放电策略返回片上系统,实现远程参数与状态校正以及云计算平台辅助电池充放电管理;

  步骤8、可视化终端基于网页浏览器向云计算平台服务器发送请求并接收来自服务器的电池数据和车辆信息,并进行可视化处理,在网页上进行显示,同时,显示用户接入端口,辅助用户根据自身需求进行充放电偏好设置。

  进一步的,所述步骤8具体包括:利用云计算平台给出的SOC估计,通过比较电池组中最高SOC与最低SOC电池单元之间的SOC差值,来判定电池组的平衡状态;若电池组的高低SOC电池单元差值超过设定的阈值,即SOCmax-SOCmin>10%,则进行主动均衡管理,通过将最高SOC电池单元主动放电给电池组,最低SOC电池单元进行主动充电,改善电池单元的不一致性。

  进一步的,所述步骤6进一步包括,部署于云计算平台的充放电控制算法,基于用户反馈的充电偏好进行充电控制,基于实时评估的电池SOC与SOH状态进行放电控制:

  在电池的运行管理过程中,首先判断电池的充放电状态,若电池处于充电过程,通过采集用户预先设定的充电偏好,包括充电速度的需求、电池寿命的需求,利用NSGA2多目标优化算法控制电池组的充电电流,在满足电池安全约束的条件下,寻找最优帕累托前沿,此时在考虑客户需求下,制定相应的充电策略;若电池处于放电过程,通过事实计算电池单元的SOC与SOH状态,在满足用户用电需求的条件下,优先安排高SOC与高SOH电池单元进行放电,在放电过程中调整电池的不一致性。

  与现有技术相比,本发明的有益效果是:

  1.本发明采用双CPU架构的电池管理片上系统,主机和从机独立工作,并采用CAN通信进行交互,支持功能安全等级C,且具有很好的灵活性。

  2.本发明可基于大数据实现云端辅助电池管理系统协同控制,利用云端实时/历史数据进行电池模型参数与状态的联合估计。

  3.本发明可实现电池组云端辅助均衡管理,基于云端大数据精确计算各电池单体的剩余容量,进而精确预测各单体需要的均衡时间,制定均衡控制策略,有效改善电池组的不一致性。

  4.本发明基于云计算平台实现电池组的主动安全管理,通过对环境温度以及路况等条件的分析,提前对电池启动热管理策略,并且根据用户设定的充放电偏好,制定安全高效的充放电策略,提高电池的使用效率。

  附图说明

  图1为本发明智能电池充放电管理系统框图;

  图2为本发明主从机及通信单元硬件结构框图;

  图3为本发明采用的云计算平台架构框图;

  图4为本发明的工作流程图;

  图5为本发明的智能充放电策略流程图。

  具体实施方式

  下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述,显然,所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例,基于本发明中的实施例,本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明的保护范围。

  本发明公开了一种基于5G云计算平台的电池智能化充放电管理系统,包括基于双CPU架构的片上电池管理系统,5G通信单元,云计算平台以及可视化终端。其中基于双CPU架构的电池管理系统采用主从架构模式,从机负责采集各个电池包的单体电压、电流、温度等信息,主机依据电池的数据信息实现电池的荷电状态(State of Charge,SOC)估计、健康状态(State of Health,SOH)估计、故障诊断、热管理控制以及充放电控制等,主机和从机之间通过控制器局域网络(Controller Area Network,CAN)通信进行交互;通信单元利用5G通信模组以及定位模组,实现电池数据实时传送以及GPS/北斗双卫星导航系统实时定位并接收来自云计算平台的远程参数以及控制信息;云计算平台对电池运行数据以及定位信息的存储、分析与传输,实现多维度电池参数提取、BMS控制策略以及电池组的多状态综合估计,同时利用电池状态信息制定智能充放电控制策略,实现云端辅助电池管理系统协同控制;可视化终端实现网页浏览器接入,依托搜索引擎和数据引擎实现数据检索、分析、可视化展示以及用户的偏好设置。

  根据本发明的一个实施例,基于5G云计算平台的智能电池充放电管理系统,其结构框图如图1所示,包括:基于双CPU架构的电池管理片上系统、5G通信单元、数据库服务器、云计算平台、web服务器以及可视化终端。

  所述采用双CPU架构的电池管理片上系统,采用主从架构模式,可实现电池运行数据采集、电池综合状态估计、充放电控制以及故障诊断等。

  具体来说,主CPU主要负责CAN通讯、BMS策略算法、充放电控制以及与通信单元交互等;从CPU主要负责电压信号以及温度信号采集。采用主从架构模式能够有效避免采样信号与控制信号的冲突,提高片上系统的运行效率。

  进一步,如图2所示,主机单元包含电源稳压滤波电路,主机CAN通讯接口,高压与电流检测电路,继电控制电路,主机CPU芯片S32K;

  所述电源稳压滤波电路包括3.3V、5V与12V稳压电路,负责供电,连接到主机CPU芯片、主机CAN通讯接口、高压与电流检测电路以及5G通信单元和从机单元;

  所述主机CAN通讯接口包括主机内CAN接口和主机外CAN接口;

  高压与电流检测电路能够检测:如高压检测(电压范围:3.8V-4V),低压检测(电压范围:2V-2.5V),过流检测(电流范围:1.05C-1.2C)等。

  从机单元包括CPU芯片MC9S08DZ60,以及电压检测电路(ADC)、温度检测电路(包括温度传感器)、从机内CAN接口以及均衡电路。

  所述主机单元的CPU中部署了BMS策略算法,基于从机单元的CPU的采集信号能够实现电池状态预测、故障诊断以及充放电控制等。

  具体来说,从机单元的CPU将采集到的电压、电流以及温度信号利用从机内CAN通讯传输至主机单元的CPU。主机单元CPU利用采集信号进行故障诊断,如高压检测(电压范围:3.8V-4V),低压检测(电压范围:2V-2.5V),过流检测(电流范围:1.05C-1.2C)等;主机单元CPU还可进一步利用采集信号进行电池状态预测,如电池SOC预测:利用传统的安时积分方法,通过记录电池充放电电流以及时间,计算电池的SOC。

  所述的5G通信单元用于实现片上系统与云计算平台的双向数据传输及实时定位。

  具体来说,5G通信单元的单片机最小系统包括高性能ARM内核处理器以及外围电路,保证了高效计算以及数据传输功能;通信模组利用5G通信技术,实现大规模,高速率的电池组运行状态数据传输、远程参数标定、充放电控制信号接收等;定位模组依赖GPS/北斗双卫星导航系统实现实时定位功能。

  进一步,如图2所示,所述5G通信单元包括内核处理器STM32芯片,以及电源稳压滤波电路、5G芯片通信电路、GPS/BD定位电路以及外CAN接口,电源稳压电路负责为内核处理器芯片、5G芯片通信电路以及GPS/BD定位电路提供稳定电源。5G通信单元的外CAN接口与主机单元的外CAN接口相连,进行电池运行数据与外部控制信号的实时传输。

  所述的云计算平台实现数据存储,提供实时BMS算法辅助计算以及电池充放电辅助管理。

  具体来说,如图3所示,所述云计算平台包含设施层、数据层、平台层以及应用层。设施层基于片上系统采集的电池包运行状态数据进行边缘计算,执行BMS算法以及控制策略;数据层实现对电池运行数据的统一存储,并将数据统一化与标准化;平台层中部署大数据算法以及电池充放电控制算法,大数据算法基于云端实时/历史数据实现电池模型参数与状态联合估计,电池充放电控制算法通过估算的电池状态信息以及应用层输入的用户充电偏好信息,进行智能化充放电控制决策;应用层通过网页浏览器的接入,实现数据的检索、分析、可视化展示以及用户偏好设置等。

  所述部署于云计算平台的均衡控制算法,基于云计算平台实现的SOC估计,实现电池组的主动均衡管理。

  具体来说,如图4所示,利用云计算平台给出的精确SOC估计,通过比较电池组中最高SOC与最低SOC电池单元之间的SOC差值,来判定电池组的平衡状态。若电池组的高低SOC电池单元差值超过设定的阈值(SOCmax-SOCmin>10%),则进行主动均衡管理,通过将最高SOC电池单元主动放电给电池组,最低SOC电池单元进行主动充电,有效改善电池单元的不一致性。相比于传统BMS利用电池端电压信号进行主动均衡控制,本发明基于高精度云端SOC估计数据来进行主动均衡管理,有效避免利用端电压无法真实客观反映电池内部状态的缺陷。

  所述部署于云计算平台的充放电控制算法,基于用户反馈的充电偏好进行充电控制,基于实时评估的电池SOC与SOH状态进行放电控制。

  具体来说,如图5所示,在电池的运行管理过程中,首先判断电池的充放电状态。若电池处于充电过程,通过采集用户预先设定的充电偏好(如充电速度的需求、电池寿命的需求等),利用先进的NSGA2多目标优化算法控制电池组的充电电流,在满足电池安全约束(如充电电流<1.05C)的条件下,寻找最优帕累托前沿,此时在考虑客户需求下,制定相应的充电策略;若电池处于放电过程,为了尽可能避免电池组的不一致性,通过事实计算电池单元的SOC与SOH等状态,在满足用户用电需求的条件下,优先安排高SOC与高SOH电池单元进行放电,进一步在放电过程中调整电池的不一致性。

  所述的可视化终端,用于对电池数据和车辆信息的检索、分析、可视化展示以及用户偏好设置等。

  具体来说,所述可视化终端包含登录界面、主界面、电池数据信息可视化界面以及车辆位置信息界面。为了解决不同用户以及相同用户在不同环境下对充电需求不同的问题,在电池数据信息可视化界面下,用户可以根据自身的实际需求以及云端提供的电池状态信息,自行设定充电偏好,决定充电速度与电池使用寿命优先级,同时将偏好参数返回云端辅助电池智能充放电决策。

  基于本发明的系统,其智能化充放电管理方法,包括如下步骤:

  ①双CPU架构的电池管理片上系统上电并初始化,从机单元利用AD采样芯片采集电池电压、温度信息,利用CAN通信实现与主机的信息交互;主机单元基于从机单元采集的电池运行数据,实现电池的SOC估计、SOH估计、故障诊断以及充放电控制,并通过CAN将执行命令下发给从机单元,同时将电池数据通过CAN发送至通信单元;

  ②通信单元接收来自主机的电池运行数据,并利用定位模组(S1216F8-BD)进行北斗/GPS双卫星导航系统定位,将电池运行数据与位置信息打包,利用5G无线通信上传至云计算平台,同时接收来自云计算平台的电池充放电及协同控制指令下传至片上系统;

  ③云计算平台接收通信单元上传的电池运行数据,利用边缘计算服务器执行BMS估算算法以及控制策略,并将云端协同控制指令返回片上系统,提供实时的BMS算法辅助计算;同时对边缘数据进行采集、加工、聚合后上传云服务器;

  ④将所有电池运行数据统一存储,将原始数据转换为可用于报告、可视化、分析和机器学习等任务的转换数据,并存储于MYSQL数据库或SQL sever上,形成统一化、标准化的电池管理系统时空数据库;

  ⑤通过部署于云计算平台上的5G智能云计算平台大数据算法,基于实时/历史充放电数据进行多维度电池参数提取、综合状态估计等;

  ⑥部署于云计算平台上的电池智能充放电算法,基于精确估算的电池SOC与SOH等信息以及应用层输入的用户偏好设置信息,制定最佳的电池充放电策略;

  ⑦将云计算平台的电池参数与状态综合估计的结果以及制定的充放电策略返回片上系统,实现远程参数与状态校正以及云计算平台辅助电池充放电管理;

  ⑧可视化终端基于网页浏览器向云计算平台服务器发送请求并接收来自服务器的电池数据和车辆信息,并进行可视化处理,在网页上进行显示。同时,显示用户接入端口,辅助用户根据自身需求进行充放电偏好设置。

  尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述,以便于本技术领域的技术人员理解本发明,且应该清楚,本发明不限于具体实施方式的范围,对本技术领域的普通技术人员来讲,只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内,这些变化是显而易见的,一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

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