基于滑动窗口离群检测的电池均衡控制方法及系统与流程

本发明属于电池均衡控制，具体地说，是涉及一种基于滑动窗口离群检测的电池均衡控制方法及系统。

背景技术：

1、电池包由多个单体电芯串联组成，由于生产工艺差异和使用环境差异，各单体电芯之间必然存在不一致性，表现为电压、容量、内阻等参数的差异。这种不一致性会导致电池包整体可用容量受限于容量最小的电芯（"木桶效应"），循环寿命缩短，严重时可能引发个别电芯过充或过放等安全问题。因此，电池管理系统（bms）需要通过均衡控制来消除或减小电芯间的不一致性。

2、电池均衡分为被动均衡（通过电阻耗散多余能量）和主动均衡（通过能量转移电路在电芯间转移能量）两种方式，被动均衡由于其均衡电流比较小，均衡效果不明显，被逐渐淘汰。

3、基于固定电压阈值的主动均衡方法，将每个电芯电压与全局平均值偏差大于固定阈值的电芯筛选出来，选择偏差最大的电芯作为均衡对象，电压高于全局平均值则放电均衡，低于则充电均衡，当偏差小于退出阈值时停止均衡并重新调度。该方法的优点是算法实现简单，仅需基本的加减法和比较运算，计算量小，适合资源受限的嵌入式bms系统。缺点是全局平均电压容易受到极端异常值的影响，导致均衡参考基准偏移；同时采用固定阈值无法适应充电、放电、静止等不同工况的均衡需求，容易导致误均衡或漏均衡。

4、基于soc估算的主动均衡方法，将每个电芯soc与全局平均soc偏差大于固定阈值的电芯筛选出来，选择偏差最大的电芯作为均衡对象，soc高于平均值则放电均衡，低于则充电均衡，当偏差小于退出阈值时停止均衡并重新调度。该方法的优点是以soc作为均衡判断依据，能够直接反映电芯间能量状态的差异，不受ocv-soc曲线陡峭区电压变化剧烈的影响，均衡判断更加全面。缺点是soc估算存在累积误差，零漂和量化误差随时间累积导致估算越来越不准确；在ocv-soc曲线平坦区，电压变化很小但soc变化很大，通过电压反推soc的精度极低，导致均衡判断不准确；此外soc估算算法（如卡尔曼滤波）计算复杂度高，需要大量浮点运算，不适合stm32f103等资源受限的嵌入式bms系统。

5、基于代价函数寻优的主动均衡方法，通过电压映射出soc值，然后计算各电芯的当前容量，采用代价函数寻优确定最优目标容量，将各电芯容量与最优目标容量相减得到容量差，根据容量差计算均衡时间，最后选择容量差最大的电芯作为均衡对象，容量大于最优目标容量则放电均衡，小于则充电均衡，按计算的均衡时间执行均衡。该方法的优点是能够直接以容量作为均衡依据，物理意义明确，可以精确计算每个电芯需要的均衡时间，避免均衡不足或过度均衡。缺点是代价函数的设计依赖先验知识和电池模型参数，需要精确的额定容量和电压-soc映射关系，参数不准确时寻优结果不可靠；容量估算本身依赖soc估算精度，存在误差传递问题，在ocv-soc曲线平坦区soc估算误差大会导致容量计算不准确，进而影响寻优结果；此外该方法未考虑不同工况下的均衡优先级差异，在充电、放电、静止工况下采用相同的均衡策略，无法适应实际使用场景的需求。

6、还有使用基于全局均值的均衡方法，以所有电芯的全局均值作为参考，容易受到极端异常值的影响，导致参考基准偏移，均衡效果下降。还有部分先进算法（如卡尔曼滤波、神经网络），这些方法计算复杂度高，对计算资源需求高，不适合资源受限的嵌入式bms系统。

7、本背景技术所公开的上述信息仅仅用于增加对本技术背景技术的理解，因此，其可能包括不构成本领域普通技术人员已知的现有技术。

技术实现思路

1、针对上述现有技术的不足，本发明提出了一种基于滑动窗口离群检测的电池均衡控制方法及系统，通过滑动窗口离群检测、动态均衡阈值计算、加权优先级计算等方法结合，能够在资源受限的bms系统中，实现准确、高效、自适应的电池主动均衡控制。

2、为实现上述发明/设计目的，本发明采用下述技术方案予以实现：

3、一种基于滑动窗口离群检测的电池均衡控制方法，所述方法包括：

4、获取电池包中所有电芯的电压；

5、采用滑动窗口算法对电芯电压进行离群检测，识别主群电芯和离群电芯：将所有电芯电压排序；以排序后的每个电芯电压计算窗口起点和终点电压，以所述电芯电压减去预设窗口宽度作为窗口起点电压，所述电芯电压值加上预设窗口宽度作为窗口终点电压，统计每个窗口内包含的电芯数量；选择包含电芯数量最多的窗口作为主群窗口；位于主群窗口之内的电芯为主群电芯，位于主群窗口之外的电芯为离群电芯；

6、获取当前工况，根据当前工况确定基础阈值，根据所述基础阈值和每个所述离群电芯电压所在区间确定每个所述离群电芯的动态均衡阈值；

7、计算主群电芯电压的平均值作为主群电压均值，计算所述离群电芯与所述主群电压均值的电压偏差绝对值，对所述电压偏差绝对值高于其动态均衡阈值的离群电芯分别计算均衡关联参数的综合优先级得分；

8、选择优先级得分最高的离群电芯作为当前均衡电芯进行均衡控制；

9、在满足均衡退出条件时，控制所述当前均衡电芯停止均衡。

10、如上所述的基于滑动窗口离群检测的电池均衡控制方法，当存在多个窗口包含电芯数量相同时，选择窗口内电压范围最小的窗口作为主群窗口。

11、如上所述的基于滑动窗口离群检测的电池均衡控制方法，所述当前工况包括充电工况、放电工况和静止工况，所述充电工况、放电工况和静止工况分别对应不同的基础阈值；判断所述离群电芯电压在预设的平坦区时，将基础阈值乘以预设倍数作为动态均衡阈值，否则，以基础阈值作为动态均衡阈值。

12、如上所述的基于滑动窗口离群检测的电池均衡控制方法，所述预设的平坦区为电池ocv-soc曲线中电压变化率小于预设斜率阈值的电压区间。

13、如上所述的基于滑动窗口离群检测的电池均衡控制方法，所述均衡关联参数包括：电压偏差、计算等待时间、soc偏差和soh补偿因子；所述综合优先级得分的计算方法包括：计算电压偏差得分：在充电工况下，电压高于主群电压均值的离群电芯的电压偏差得分=电压偏差绝对值×第一电压权重；电压低于主群电压均值的离群电芯的电压偏差得分等于电压偏差绝对值×第二电压权重；在放电工况下，电压高于主群电压均值的离群电芯的电压偏差得分=电压偏差绝对值×第二电压权重；电压低于主群电压均值的离群电芯的电压偏差得分等于电压偏差绝对值×第一电压权重；在静止工况下，电压偏差得分=电压偏差绝对值×第三电压权重；其中，第一电压权重>第三电压权重>第二电压权重；计算等待时间得分：获取所述离群电芯距上次均衡完成的周期数，将所述周期数与预设时间权重系数的乘积作为等待时间得分；当所述周期数超过预设最大时间阈值时，将所述最大时间阈值与时间权重系数的乘积作为等待时间得分；计算soc偏差得分：计算所述离群电芯的soc值与所有电芯soc平均值的偏差绝对值，将所述偏差绝对值与预设soc权重系数的乘积作为soc偏差得分；计算soh补偿因子：根据所述离群电芯的soh值计算补偿因子，其中，soh值越低补偿因子越大；计算综合优先级得分：综合优先级得分为电压偏差得分、等待时间得分、soc偏差得分的和与soh补偿因子的乘积。

14、如上所述的基于滑动窗口离群检测的电池均衡控制方法，计算等待时间得分时，每经过一个周期，所述离群电芯的等待时间计数加1；当所述离群电芯均衡完成或均衡被中断时，所述离群电芯的等待时间计数清零；所述离群电芯等待时间计数超过预设最大时间阈值时，不再继续累加；当工况切换或故障发生时，当前均衡离群电芯的等待时间计数清零。

15、如上所述的基于滑动窗口离群检测的电池均衡控制方法，所述均衡控制过程中：锁定主群电芯，使用锁定主群电芯的实时电压计算主群电压实时均值；

16、在所述离群电芯电压高于所述主群电压实时均值时，采用放电均衡方法；

17、在所述离群电芯电压低于所述主群电压实时均值时，采用充电均衡方法。

18、如上所述的基于滑动窗口离群检测的电池均衡控制方法，所述当前均衡电芯的均衡退出条件包括：

19、当前均衡电芯的电压值与实时计算的主群电压实时均值的偏差绝对值小于预设退出阈值；

20、当前均衡电芯的均衡持续时间超过预设最大均衡时间；

21、当检测到工况发生变化时；

22、电池包中除当前均衡电芯外的其他离群电芯中，存在电压值与主群电压实时均值的偏差绝对值大于预设紧急均衡阈值的电芯。

23、如上所述的基于滑动窗口离群检测的电池均衡控制方法，在检测到系统故障时，立即停止均衡操作，将均衡状态清零，持续等待故障清除，所述系统故障包括但不限于电芯过压、电芯欠压、电芯温度过高、均衡电路故障、通讯故障中的至少之一。

24、一种基于滑动窗口离群检测的电池均衡控制系统，包括：

25、电压获取模块，用于获取电池包中所有电芯的电压；

26、工况获取模块，用于获取当前工况；

27、控制模块，用于按照上述的均衡控制方法进行均衡控制；

28、所述控制模块包括：

29、离群检测模块，用于采用滑动窗口算法对电芯电压进行离群检测，识别主群电芯和离群电芯：将所有电芯电压排序；以排序后的每个电芯电压计算窗口起点和终点电压，以所述电芯电压减去预设窗口宽度作为窗口起点电压，所述电芯电压值加上预设窗口宽度作为窗口终点电压，统计每个窗口内包含的电芯数量；选择包含电芯数量最多的窗口作为主群窗口；位于主群窗口之内的电芯为主群电芯，位于主群窗口之外的电芯为离群电芯；

30、主群电压均值计算模块，用于计算主群电芯电压的平均值作为主群电压均值；

31、动态均衡阈值计算模块，用于根据当前工况确定基础阈值，根据所述基础阈值和每个所述离群电芯电压确定每个所述离群电芯的动态均衡阈值；

32、优先级计算模块，计算所述离群电芯与所述主群电压均值的电压偏差绝对值，对所述电压偏差绝对值高于其动态均衡阈值的离群电芯分别计算均衡关联参数的综合优先级得分；

33、均衡执行模块，用于选择优先级得分最高的离群电芯作为当前均衡电芯进行均衡控制，并在均衡过程中实时监测均衡退出条件，在满足均衡退出条件时，控制所述当前均衡电芯停止均衡。

34、与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：基于滑动窗口离群检测的电池均衡控制方法，获取电池包中所有电芯的电压；采用滑动窗口算法对电芯电压进行离群检测，识别主群电芯和离群电芯；获取当前工况，根据当前工况确定基础阈值，根据基础阈值和每个离群电芯电压确定每个离群电芯的动态均衡阈值；计算主群电芯电压的平均值作为主群电压均值，计算离群电芯与主群电压均值的电压偏差绝对值，对电压偏差绝对值高于其动态均衡阈值的离群电芯分别计算若干均衡关联参数的综合优先级得分；选择优先级得分最高的离群电芯作为当前均衡电芯进行均衡控制；在满足均衡退出条件时，控制当前均衡电芯停止均衡。本发明采用滑动窗口离群检测，自动识别主群，不受极端异常值影响，无需预设全局均值，鲁棒性强；根据充电、放电、静止不同工况，采用不同的动态均衡阈值和优先级策略，符合实际使用场景需求；考虑均衡关联参数，避免均衡偏差；设定均衡退出条件，确保均衡安全可靠。

35、结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。