锂电池系统在线主动动态标定装置、方法及存储介质与流程

1.本发明涉及锂电池系统容量标定技术领域，尤其是涉及一种锂电池系统在线主动动态标定装置、方法及存储介质。


背景技术：

2.电池系统在线运行中由于工艺、老化等原因，单体差异逐渐增加。现有面向电池系统的充放电策略往往以最大和最小截止电压来控制充放电周期的结束，而不一致性问题导致部分单体在电池系统的运行周期内无法达到最大电池容量，荷电状态无法准确估计。同时，电池系统实际运行时其充放电模式与标准充放电模式往往存在差异，因此基于充电电量和放电电量测算的电池容量估计与真实的电池容量存在差异。此外，系统荷电状态的估计方法因累计误差问题，随老化过程，估计误差逐渐增大，可靠性无法保证。这些因素共同导致在线运行的电池系统无法获取其真实状态，难以为基于数据驱动的智能评估方法提供带有标定的可学习数据集，大大限制了数据模型在电池系统中的推广和应用。
3.电池的健康状态可由特定充放条件下的电压曲线来衡量。但实际运行系统往往无法提供固定的充放条件，如恒流、恒温。同时由于电池系统的不一致性，充放电过程中电池单体的电压范围不一致，使得大部分电池单体的电压曲线不完整。因此在线系统无法获得每个单体的能够用来直接衡量电池健康状态的充放电过程。
4.针对上述问题，获取电池系统中单体的近似标准的运行曲线可以实现电池的在线标定。现有一类通过外接电池容量检测电路来检测电池容量的方法。包括升压电路、检测电路、电压控制电路与容量测量电路，每个电路由相应的具体支路组成。可以检测待检电池的输出电流，并将输出电流转化为输出电压发送至电压控制电路。电压控制电路接收输出电压，并判断输出电压是否小于预设电压，若输出电压小于预设电压，则生成升压控制信号并发送至升压电路，升压电路根据升压控制信号提高待检测电池的输出电压，电压吸收支路保证待检测电池维持恒定的电流输出。容量测量电路计算待检测电池的放电时间，并根据输出电流和放电时间计算待检测电池的容量，实现对蓄电池的化学能的直接测量，同时可以通过电压控制电路对输入电压有较宽的适应范围，对放电电流有较强的控制能力，可以适应多种蓄电池放电要求，即一种电池容量检测电路的设计解决方式。
5.另一类方法采用算法近似的方式，对电池单体或组串的soc等系统状态进行估算和误差补偿，虽然采用了各种策略来提升算法的近似能力，但本质上无法获取真实的系统状态。


技术实现要素：

6.本发明的目的就是为了提供一种锂电池系统在线主动动态标定装置、方法及存储介质。
7.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
8.一种锂电池系统在线主动动态标定装置，包括：
9.电源变换模块、电流控制模块和开关阵列，所述电源变换模块的一端连接至标定装置电源，另一端连接至开关阵列，所述开关阵列分别连接至电池包的各电池单元，所述电流控制模块设于电源变换模块和开关阵列之间以控制电源变换模块和开关阵列之间的电流，其中所述电池单元为电池串或单体电池；
10.电压采集模块，分别连接至电池包的各电池单元；
11.控制器，分别与电流控制模块、开关阵列和电压采集模块连接，被配置为执行以下步骤：
12.根据目标充放电电池单元控制开关阵列中各开关的通断；
13.获取电池单元的当前电压值、充电截止电压和放电截止电压，并记录当前电压值为初始电压值；
14.判断电池单元的当前电压值和充电截止电压之比与1的差的绝对值是否小于预配置的充电标定阈值参数η
end
，以及判断当前电压值和充电截止电压之比与1的差的绝对值是否大于预配置的充电标定阈值参数η
end
和允许的充电过程标定范围参数δ
in
之差，若均为是，则执行尾部标定步骤；
15.判断电池单元的当前电压值和放电截止电压之比与1的差的绝对值是否小于预配置的放电标定阈值参数η
start
的参数含义，以及判断当前电压值和放电截止电压之比与1的差的绝对值是否大于预配置和η
start
和允许的放电过程标定范围参数δ
out
之差，若均为是，则执行头部标定步骤；
16.尾部标定步骤：如果电池电压低于预配置的第一设定阈值，对电池单元充电至预配置的第一设定阈值，等待第一设定时间间隔后，对该电池单元充电至充电截止电压，并记录充电至充电截止电压过程中该电池单元的电压和电流数据；如果电池电压高于预配置的第一设定阈值，对电池单元放电至预配置的第一设定阈值，等待第一设定时间间隔后，对该电池单元充电至充电截止电压，并记录充电至充电截止电压过程中该电池单元的电压和电流数据；
17.头部标定步骤：如果电池电压高于预配置的第二设定阈值，对电池单元放电至预配置的第二设定阈值，等待第二设定时间间隔后，对该电池单元充电至第三设定阈值，并记录充电至第三设定阈值过程中该电池单元的电压和电流数据；如果电池电压低于预配置的第二设定阈值，对电池单元充电至预配置的第二设定阈值，等待第二设定时间间隔后，对该电池单元充电至第三设定阈值，并记录充电至第三设定阈值过程中该电池单元的电压和电流数据；
18.基于获取的电池单元的电压和电流数据完成标定。
19.进一步的，所述对电池单元充电至预配置的第一设定阈值的过程中，采用恒流充电模式，所述对电池单元放电至预配置的第一设定阈值的过程中，采用恒流放电模式，所述对电池单元放电至预配置的第二设定阈值的过程中，采用恒流放电模式，所述对电池单元充电至预配置的第二设定阈值的过程中，采用恒流充电模式。
20.所述第一设定阈值为充电截止电压和充电标定阈值参数η
end
的乘积。
21.所述第二设定阈值为放电截止电压。
22.如此，以保证能够获取充电尾部过程充电至最大截止电压整个过程中的特征点和其他完整关键信息，提高准确性。
23.进一步的，所述装置还包括温度传感器，所述温度传感器连接所述控制器；
24.所述尾部标定步骤还包括：记录充电至充电截止电压过程中该电池单元的温度数据；
25.所述头部标定步骤还包括：记录充电至第三设定阈值过程中该电池单元的温度数据。
26.本发明的另一方面提供了一种锂电池系统在线主动动态标定方法，包括：
27.电源变换模块、电流控制模块和开关阵列，所述电源变换模块的一端连接至标定装置电源，另一端连接至开关阵列，所述开关阵列分别连接至电池包的各电池单元，所述电流控制模块设于电源变换模块和开关阵列之间以控制电源变换模块和开关阵列之间的电流，其中所述电池单元为电池串或单体电池；
28.电压采集模块，分别连接至电池包的各电池单元；
29.控制器，分别与电流控制模块、开关阵列和电压采集模块连接，被配置为执行以实现上述方法：
30.本发明的又一方面提供了一种存储介质，其上存储有程序，所述程序被执行时实现如上述的方法。
31.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
32.1、通过标定电源和开关阵列可以对单个电池串或单体电池进行，针对充放电灵活、按需的获取电池系统的尾部特征区间和头部特征区间的所有循环参数，不影响或较小影响电池系统的正常运行，可以获得足够的训练集数据用于电池健康度预测模型训练。
33.2、第一设定阈值为充电截止电压和充电标定阈值参数η
end
的乘积，以保证能够获取充电尾部过程充电至最大截止电压整个过程中的特征点和其他完整关键信息，为基于关键特征的soc、soh、rul等综合评价方法提供充电条件可控统一的标准外特性数据。
34.3、第二设定阈值为放电截止电压，以保证能够获取从最小截止电压起始的充电头部过程整个过程中的特征点和其他的完整关键信息，为基于关键特征的soc、soh、rul等综合评价方法提供充电条件可控统一的标准外特性数据。
35.4、标定过程在线主动完成，人工参与度低，可以提高数据采集的效率。
附图说明
36.图1为本发明实施例中硬件架构的结构示意图；
37.图2为尾部动态标定过程的u-t曲线示意图；
38.图3为头部动态标定过程u-t曲线示意图；
39.其中：1、电池系统，2、bms系统，3、控制器；，4、充放电控制指令。
具体实施方式
40.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
41.本技术利用嵌入到电池系统1中的带有标定装置电源和开关阵列控制的动态充放电的架构，在电池系统1工作状态间的静置阶段，按照特定策略对指定单体进行小电流充电
或放电，达到设定测量区间后，高频监测固定条件下的短时充放电过程中的电流、电压参数。测量结束后，反向放电或充电使单体恢复静置前电压状态。基于短时充放电过程中的电流、电压数据，计算充放电电量，作为电池单体健康状态相关的在线测量值，用以估计电池单体的健康状态。
42.为了对电池系统1在线检测其循环中的关键过程，本发明基于带有电源和开关控制的动态标定装置，设计了多种标定策略，实现对某一个电池包中的某一电池串在不物理脱离所在电池系统1情况下的在线动态标定，提供不同循环周期电池单体的关键特征曲线，为系统的状态评估提供可靠依据。
43.具体的，一种锂电池系统1在线主动动态标定装置，如图1所示，包括：
44.电源变换模块、电流控制模块和开关阵列，电源变换模块的一端连接至标定装置电源，另一端连接至开关阵列，开关阵列分别连接至电池包的各电池单元，电流控制模块设于电源变换模块和开关阵列之间以控制电源变换模块和开关阵列之间的电流，其中电池单元为电池串或单体电池；
45.电压采集模块，分别连接至电池包的各电池单元；
46.控制器3，分别与电流控制模块、开关阵列和电压采集模块连接。
47.其中，标定装置电源可以为交流电源或者直流电源，如果是交流电源，则电源变换模块需要包含整流模块，输出设定电压的直流电，如果是直流电源，则电源变换模块采用dc/dc模块，当然在某些实施例中，也可以另外设置一些稳压模块。
48.开关阵列可以采用mosfet器件或者继电器阵列，其中，在本实施例中，采用了二级继电器阵列的形式，从而可以实现对单个电池串或单体电池进行充放电，在本实施例中，具体为对单体电池进行充放电。
49.本技术利用嵌入到电池系统1中的带有电源和开关控制的动态充放电装置，在电池系统1工作状态间的静置阶段，按照特定策略对指定单体进行小电流充电或放电，达到设定测量区间后，高频监测固定条件下的短时充放电过程中的电流、电压参数。测量结束后，反向放电或充电使单体恢复静置前电压状态。基于短时充放电过程中的电流、电压数据，计算充放电电量，作为电池单体健康状态相关的在线测量值，用以估计电池单体的健康状态。
50.为了对电池系统1在线检测其循环中的关键过程，本发明基于带有电源和开关控制的动态标定装置，设计了多种标定策略，实现对某一个电池包中的某一电池串在不物理脱离所在电池系统1情况下的在线动态标定，提供不同循环周期电池单体的关键特征曲线，为系统的状态评估提供可靠依据。
51.具体的，控制器3被配置为执行以下步骤：
52.根据目标充放电电池单元控制开关阵列中各开关的通断；
53.获取电池单元的当前电压值、充电截止电压和放电截止电压，并记录当前电压值为初始电压值；
54.判断电池单元的当前电压值和充电截止电压之比与1的差的绝对值是否小于预配置的充电标定阈值参数η
end
，以及判断当前电压值和充电截止电压之比与1的差的绝对值是否大于预配置的充电标定阈值参数η
end
和允许的充电过程标定范围参数δ
in
之差，若均为是，则执行尾部标定步骤；
55.判断电池单元的当前电压值和放电截止电压之比与1的差的绝对值是否小于预配
置的放电标定阈值参数η
start
的参数含义，以及判断当前电压值和放电截止电压之比与1的差的绝对值是否大于预配置和η
start
和允许的放电过程标定范围参数δ
out
之差，若均为是，则执行头部标定步骤；如图2所示，
56.尾部标定步骤：如果电池电压低于预配置的第一设定阈值，对电池单元充电至预配置的第一设定阈值，等待第一设定时间间隔后，对该电池单元充电至充电截止电压，并记录充电至充电截止电压过程中该电池单元的电压和电流数据；如果电池电压高于预配置的第一设定阈值，对电池单元放电至预配置的第一设定阈值，等待第一设定时间间隔后，对该电池单元充电至充电截止电压，并记录充电至充电截止电压过程中该电池单元的电压和电流数据；
57.如图3所示：
58.头部标定步骤：如果电池电压高于预配置的第二设定阈值，对电池单元放电至预配置的第二设定阈值，等待第二设定时间间隔后，对该电池单元充电至第三设定阈值，并记录充电至第三设定阈值过程中该电池单元的电压和电流数据；如果电池电压低于预配置的第二设定阈值，对电池单元充电至预配置的第二设定阈值，等待第二设定时间间隔后，对该电池单元充电至第三设定阈值，并记录充电至第三设定阈值过程中该电池单元的电压和电流数据；
59.基于获取的电池单元的电压和电流数据完成标定。
60.等待第一设定时间或第二设定时间的过程目的是执行一下静置过程，使电池处于稳定状态，只要满足最小静置时间即可，一般30分钟到两小时，在一些实施例中，第一设定时间和第二设定时间可以有不同的取值，从而以针对性的提高检测数据的准确性，当然在其他实施例中，也是可以采用两个相同的取值。
61.本实施例中，对电池单元充电至预配置的第一设定阈值的过程中，采用恒流充电模式，对电池单元放电至预配置的第一设定阈值的过程中，采用恒流放电模式，对电池单元放电至预配置的第二设定阈值的过程中，采用恒流放电模式，对电池单元充电至预配置的第二设定阈值的过程中，采用恒流充电模式。
62.本实施例中，第一设定阈值为充电截止电压和充电标定阈值参数η
end
的乘积，第二设定阈值为放电截止电压。
63.本实施例中，根据状态评估任务的需求设计了轮询式主动标定和指令驱动的动态标定相结合的电池系统1在线主动标定策略。轮询式主动标定按照特定的循环周期对电池系统1进行标定，循环的周期采用累计dod方法来进行计算，即其中dodi＝soc
i,t-soc
i,0
,即第i次充电时的充电深度。k为系统当前的充电循环次数。当时，k为人工设定的轮询周期，系统启动主动标定，按照自动设定或人工制定的单体/组串标定次序p＝p1p2…
pn，其中pi代表待标定组串在电池系统1中的id，在多个连续的可标定时段启动组串标定设备，直到系统中所有组串完成标定操作。
64.本实施例中，装置还包括温度传感器，温度传感器连接控制器3；尾部标定步骤还包括：记录充电至充电截止电压过程中该电池单元的温度数据，头部标定步骤还包括：记录充电至第三设定阈值过程中该电池单元的温度数据，可以获得温度这一维度的数据，从而提供更为有效的训练集数据，构建更加准确的预测模型。
65.上述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。