一种汽车电池电量检测装置及汽车控制系统的制作方法

本实用新型涉及计算机技术领域，尤其涉及一种汽车电池电量检测装置及汽车控制系统。

背景技术：

目前，由于能源与环境的压力不断增大，节能、环保已成为汽车产业关注的焦点，同时随着电池技术的不断突破，发展纯电动汽车已被行业列为新能源汽车的一项重要战略。电动汽车是以电池为动力源的运输工具，驾驶员需要随时掌握电池的剩余电量，并估算这些电量还能继续行驶的里程，以满足用户出行的便利。从而使得研究汽车电池在放电过程中任意时刻所具有的剩余电量的计算方法，对电动汽车的发展有着非常重要的意义。

因此，如何实现汽车电池电量的准确检测，为用户的便利出行提供及时信息，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本实用新型实施例提供了一种汽车电池电量检测装置及汽车控制系统，用以解决现有技术中存在的汽车电池电量检测误差较大的问题。

本实用新型实施例提供了一种汽车电池电量检测装置，包括：电流检测模块、模数转换模块、温度检测模块和处理模块；其中，

所述电流检测模块用于检测汽车电机的工作电流，并生成表征所述工作电流变化的模拟信号输出到所述模数转换模块；

所述模数转换模块用于将所述模拟信号进行模数转换，并将转换后的数字信号输出到所述处理模块；

所述温度检测模块用于检测汽车电池的工作温度，并生成表征所述工作温度变化的模拟信号，且将所述模拟信号转换为对应的数字信号输出到所述处理模块；

所述处理模块用于根据所述模数转换模块输出的数字信号计算出当前汽车电池的输出总电量并记录，且根据所述输出总电量以及所述温度检测模块输出的数字信号计算出当前汽车电池的剩余电量。

在一种可能的实施方式中，本实用新型实施例提供的上述汽车电池电量检测装置中，所述处理模块，具体包括：第一计算模块和第二计算模块；

所述第一计算模块用于根据所述模数转换模块输出的数字信号，每隔第一预设时间段计算一次汽车电池的输出电量并累加，得出当前汽车电池的输出总电量并存储；

所述第二计算模块用于根据所述温度检测模块输出的数字信号以及当前汽车电池的输出总电量，每隔第二预设时间段计算一次当前汽车电池的剩余电量；

其中，所述第二预设时间段等于n倍的所述第一预设时间段，n为整数。

在一种可能的实施方式中，本实用新型实施例提供的上述汽车电池电量检测装置中，所述第一计算模块采用如下计算公式计算当前汽车电池的输出总电量：

其中，Δt为第一预设时间段，i(t)汽车电池的瞬时输出电量，q(t)为输出总电量。

在一种可能的实施方式中，本实用新型实施例提供的上述汽车电池电量检测装置中，所述第二计算模块采用如下计算公式计算汽车电池的剩余电量：

其中，q_余(t)为剩余电量，Q_f为汽车电池的额定总电量，k为与电池工作温度变化相关的比例系数。

在一种可能的实施方式中，本实用新型实施例提供的上述汽车电池电量检测装置中，所述电流检测模块，具体包括：闭环霍尔电流传感器；

所述闭环霍尔电流传感器用于检测汽车电机的工作电流，并生成表征所述工作电流变化的模拟信号输出到所述模数转换模块。

在一种可能的实施方式中，本实用新型实施例提供的上述汽车电池电量检测装置中，所述温度检测模块，具体包括：温度传感器；

所述温度传感器用于检测所述汽车电池的工作温度，生成表征所述工作温度变化的模拟信号，并将所述模拟信号转化成对应的数字信号输出到所述处理模块。

在一种可能的实施方式中，本实用新型实施例提供的上述汽车电池电量检测装置中，还包括：电压检测模块；

所述电压检测模块用于检测汽车电池的工作电压，生成表征所述工作电压的模拟信号，并将所述模拟信号转换为对应的数字信号输出到所述处理模块。

在一种可能的实施方式中，本实用新型实施例提供的上述汽车电池电量检测装置中，所述电压检测模块，具体包括：电阻、光电耦合器件和运算放大器；其中，

所述第电阻的一端与汽车电池的正极相连，另一端与所述光电耦合器件的第一输入端相连；

所述光电耦合器件的第二输入端与所述汽车电池的负极相连，输出端与所述运算放大器的输入端相连；

所述运算放大器的输出端用于向所述处理模块输入所述汽车电池的工作电压信号。

本实用新型实施例提供了一种汽车控制系统，包括本实用新型实施例提供的上述汽车电池电量检测装置。

在一种可能的实施方式中，本实用新型实施例提供的上述汽车控制系统中，还包括：中央处理器；

所述中央处理器用于通过数据总线与所述汽车电池电量检测装置进行数据通信，显示所述汽车电池的剩余电量，且在所述剩余电量小于预设阈值时进行警告提醒。

本实用新型实施例的有益效果包括：

本实用新型实施例提供了一种汽车电池电量检测装置及汽车控制系统，该汽车电池电量检测装置包括：电流检测模块、模数转换模块、温度检测模块和处理模块；其中，电流检测模块用于检测汽车电机的工作电流，并生成表征工作电流变化的模拟信号输出到模数转换模块；模数转换模块用于将模拟信号进行模数转换，并将转换后的数字信号输出到处理模块；温度检测模块用于检测汽车电池的工作温度，并生成表征工作温度变化的模拟信号，且将模拟信号转换为对应的数字信号输出到处理模块；处理模块用于根据模数转换模块输出的数字信号计算出当前汽车电池的输出总电量并记录，且根据输出总电量以及温度检测模块输出的数字信号计算出当前汽车电池的剩余电量。这样根据检测出的电机工作电流，计算当前汽车电池的输出总电量并记录，进而根据输出总电量以及温度检测模块输出的数字信号，计算出当前汽车电池的剩余电量，实现对汽车电池电量的长时间记录和监测，供用户参考估算汽车的行驶距离，方便用户提前寻找充电站，为用户的出行提供便利。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的汽车电池电量检测装置的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的汽车电池电量检测装置的具体结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的汽车电池工作电流变化曲线示意图；

图4为本实用新型实施例提供的汽车电池工作电流抽样曲线示意图；

图5为本实用新型实施例提供的电流检测模块的结构示意图；

图6为本实用新型实施例提供的温度检测模块的结构示意图；

图7为本实用新型实施例提供的电压检测模块的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型实施例提供的汽车电池电量检测装置及汽车控制系统的具体实施方式进行详细的说明。

本实用新型实施例提供了一种汽车电池电量检测装置，如图1所示，可以包括：电流检测模块01、模数转换模块02、温度检测模块03和处理模块04；其中，

电流检测模块01用于检测汽车电机的工作电流，并生成表征工作电流变化的模拟信号输出到模数转换模块02；

模数转换模块02用于将模拟信号进行模数转换，并将转换后的数字信号输出到处理模块04；

温度检测模块03用于检测汽车电池的工作温度，并生成表征工作温度变化的模拟信号，且将模拟信号转换为对应的数字信号输出到处理模块04；

处理模块04用于根据模数转换模块02输出的数字信号计算出当前汽车电池的输出总电量并记录，且根据输出总电量以及温度检测模块03输出的数字信号计算出当前汽车电池的剩余电量。

本实用新型实施例提供的上述汽车电池电量检测装置，根据检测出的电机工作电流，计算当前汽车电池的输出总电量并记录，进而根据输出总电量以及温度检测模块输出的数字信号，计算出当前汽车电池的剩余电量，实现对汽车电池电量的长时间记录和监测，供用户参考估算汽车的行驶距离，方便用户提前寻找充电站，为用户的出行提供便利。

具体地，现有技术中主要采用以下几种方式实现汽车电池电量的检测：

1、开路电压法：即通过检测开路电压来估算剩余电量的多少。汽车电池为铅酸电池，因为铅酸电池的剩余电量与它的开路电压有一定的正比关系。故而，可通过检测开路电压估算剩余电量的多少。但由于汽车电池的额定容量的绝对值是随着温度、电池退化等因素变化的，因此采用该方法进行汽车电池电量检测误差较大。

2、恒流电压法：即检测铅酸电池在恒流放电时的端电压。这种方法比较准确，但电动汽车在行驶时负载是不断变化的，铅酸电池的放电电流不是恒定的。因此，采用这种方法进行汽车电池电量检测误差较大。

3、内阻法：即通过计算铅酸电池的内阻来推算剩余容量。内阻的计算需要考虑电动势的大小、端电压和放电电流值。然而，在电动汽车在实际行驶时，电流变化非常快，且在放电的初期，内阻随放电率的变化并不明显，所以采用内阻法进行汽车电池电量检测误差较大。

综上可以看出，现有技术中进行的汽车电池电量检测，存在误差较大的问题，无法为用户提供准确的信息，从而影响用户对汽车的行驶里程的评估，为用户的出行带来困扰。本实用新型实施例提供的上述汽车电池电量检测装置，检测汽车电机的工作电流，且根据该检测的电流计算出当前汽车电池的输出总电量并记录，实现对汽车电池的长时间记录和监测，从而能够准确获得汽车电池任意时间的剩余电量，为用户及时提供准确的当前汽车电池电量信息，方便用户出行。

在具体实施时，本实用新型实施例提供的上述汽车电池电量检测装置中，如图2所示，处理模块04可以具体包括：第一计算模块041和第二计算模块042；

第一计算模块041用于根据模数转换模块02输出的数字信号，每隔第一预设时间段计算一次汽车电池的输出电量并累加，得出当前汽车电池的输出总电量并存储；

第二计算模块042用于根据温度检测模块03输出的数字信号以及当前的汽车电池的输出总电量，每隔第二预设时间段计算一次当前汽车电池的剩余电量；

其中，第二预设时间段等于n倍的第一预设时间段，n为整数。

具体地，为了能够计算出汽车电池的剩余电量(或剩余容量)，一般先要计算出电池的充电状态S_SOC。设汽车电池经过t时间段放出的电量为Q，汽车电池的实际总容量为C，则S_SOC被定义为S_SOC＝1-(Q/C)，式中的电池总容量C(也就是有效容量)通常不是一个常数，它随电池放电率的变化而变化。S_SOC可以描述电池的充电状态，比如当电池充满电时，Q为0，S_SOC等于1。当然用S_SOC的百分比也可以表述电池的放电情况，例如，S_SOC＝50％，说明汽车电池输出了50％的电量。因此，为了计算当前汽车电池的剩余电量，需要先计算出当前汽车电池输出的电量。其中第一计算模块可以每隔第一预设时间段，根据模数转换模块输出的数字信号计算一次汽车电池的输出电量并累加，且存储累加的汽车电池输出电量结果；第二计算模块可以每隔第二预设时间段，根据温度检测模块输出的数字信号以及当前汽车电池输出总电量，计算汽车电池当前的剩余电量。

具体地，第一计算模块用于计算汽车电池当前输出总电量，具体的计算方式为采用如下计算公式计算汽车电池的输出电量：

其中，Δt为第一预设时间段，i(t)为汽车电池的瞬时输出电量，q(t)为输出的电量。

本实用新型实施例提供的上述汽车电池电量检测装置，基于能量守恒基本原理实现当前汽车电池剩余电量的计算。具体地，根据电学原理，通过一导体的瞬时电流等于流过导体的电量增量与时间增量之比，即i(t)＝Δq/Δt＝dq/dt；因此,电量就是电流的积分：

对于蓄电池而言，根据能量守恒定律，理想情况下电池放电时输出的电量应该等于充电时充入电池的电量，因此，理论上只要测得电池的充电电流和充电时间就可知道电池的实际容量或电量，再测得电池的放电电流和放电时间就可得到电池输出的电量，用实际容量减去放电电量就可算出电池剩余电量。为此，首先需要掌握汽车电池工作电流的变化规律，具体的汽车电池的工作电流变化如下：车辆在起步、加速、爬坡时所需电流比较大，且变化比较慢；在匀速时电流基本保持一个定值；当减速时电流基本为0，但变化较快(相对于起步和加速时)；另外，在市区有时需要频繁地停车、起步，电池基本上是间歇式供电，而在高速公路上电池则经常处于持续大电流长时间放电状态。

可见，汽车电池工作电流的特点是变化范围比较大，变化次数比较频繁，变化速度较慢(这是由于“油门”踏板是靠人为控制)。根据上述电流变化特性,汽车电池工作电流i(t)是一个随机信号，直接利用上述电流积分公式计算电量难以实现,但i(t)变化速度相对较慢的特点提供了一个可以计算电量的途径。

假设汽车电池放电从0时刻开始，把上述电流积分公式用积分定义式来表示：

通过在电动试验汽车上的实际测试，发现在加速和减速时，电流i(t)基本上是线性变化，加速时i(t)斜率较小，减速时斜率较大。根据实验数据可以得出一个i(t)在加速、匀速和减速变化过程中的典型变化曲线图，如图3所示。需要说明的是，t1～t2段的电流是恒定的，但车速却不一定恒定；t2～t3段电流衰减，但车速却不一定随之降低，这是因为惯性的作用使车速的变化滞后电流的变化。

为了便于测量计算，需要对图3的模拟信号进行模数转换，也就是对模拟信号i(t)进行抽样变成离散信号，如图4所示。模拟信号离散化的关键是选取合适的抽样间隔(即抽样频率)。从图3中可以看出，i(t)的变化率在减速时最大，因为松开油门踏板的时间最短(相对于踩下油门踏板的时间)，根据实测，t2～t3段的最小值一般在200ms左右。根据抽样定理选取Δt≤100ms即可以保证图4中的离散信号携带图3中的原始信号的全部信息。由于i(t)的变化近似为直线,所以取样间隔不必太小，同时考虑到模数转换模块(即模数转换器)的转换速率，可以取Δt＝100ms。这样：

公式可以变为其中Δt＝0.1s。

具体地，可以每隔100ms对i(t)进行一次检测，并将样值保存起来，然后每隔一段时间(比如1s或10s)进行一次累加，从而可以求出在这一段时间内流出汽车电池的电量。如果设汽车电池的实际容量为100％，那么随着汽车电池工作时间的延长，电池所具有的电量就会从100％开始逐渐减少直至为0，即S_SOC从1变为0。

第一计算模块可以通过上述计算方式计算出汽车电池的输出电量，进而第二计算模块可以每隔第二预设时间段，根据温度检测模块输出的数字信号以及第一计算模块当前累加的汽车电池输出电量结果，计算汽车电池当前的剩余电量。

具体地，电池额定容量的单位是安时(Ah)，通常用C表示。可以认为理想情况下电池的额定总电量(以C为单位)Qf＝3600C(即在3600s内所能释放出的库仑数)。如果已知汽车电池的额定总电量Q_f，则根据第一计算模块得出的当前电池的输出电量，就可以得到当前时刻电池已经释放的电量q(t)，从而电池的剩余电量就可以采用如下计算公式计算获得：

其中，q_余(t)为剩余电量，Q_f为汽车电池的额定总电量，k为与电池工作温度变化相关的比例系数。该计算公式表示剩余电量占总电量的百分比。式中的k的大小与电池放电率、电池温度、电池的新旧程度、记忆效应、充电效率等因素有关。电池的实际容量kQf不是个常数，它随电池的放电率等因素的不同而变化。上述公式还可以表示为q_余(t)＝100Ssoc％。

综上可知，本实用新型实施例提供的上述汽车电池电量检测装置，通过电流检测模块将电机工作电流检测出来，由模数转换器变成数字信号输出给处理模块处理，处理模块经过计算可以获得当前汽车电池的剩余电量，提供给用户参考。具体地，可以每100ms计算一次电池输出电量并累加，每1s计算一次剩余电量，实现对电池的电量进行长时间的记录和监测，从而能够给出电池任意时刻的剩余电量。本实用新型实施例提供的上述汽车电池电量检测装置，实现起来较简单，受电池本身情况的限制小，宜于发挥微机监测的优点，比较适合汽车蓄电池的电量检测，其中处理模块可以通过微处理器实现。

在具体实施时，本实用新型实施例提供的上述汽车电池电量检测装置中，电流检测模块可以具体包括：闭环霍尔电流传感器；闭环霍尔电流传感器用于检测汽车电机的工作电流，并生成表征工作电流变化的模拟信号输出到模数转换模块(闭环霍尔电流传感器可以实时检测汽车电机的工作电流，也可以预设检测周期，进行周期性检测)。具体地，常规测试电池电流的方法是分流器(标准电阻)和霍尔感应式技术。霍尔技术的原理是霍尔元件感应在导流排或线束周围的磁场，从而标定电流强度。霍尔技术又可分为开环技术与闭环技术。一般而言，基于分流器技术的电流测试器的成本比霍尔式的低，但是其能耗较高，容易引起发热及静态放电现象，难以满足某些苛刻的节能使用条件。此外，分流器技术是把测试设备串连在电池电路中，可能会引起电路噪声和信息失真。

本实用新型实施例提供的上述汽车电池电量检测装置中，采用闭环霍尔电流传感器实现电流的检测，闭环霍尔电流传感器的电流应用范围很宽，从几毫安到几千安培都可以测试。这种方法的优势是传感器与被测系统隔离，不会对被测系统产生噪声影响，而且不会在被测系统中引起能量损失。开环霍尔电流传感器也具有这个特点，但是系统精度和反应速度不及闭环霍尔电流传感器。具体地，闭环霍尔电流传感器的工作原理如图5所示，它的原边电流In所产生的磁场，可通过一个副边线圈的电流Im所产生的磁场进行补偿，从而使霍尔器件始终处于检测零磁通的工作状态。当原、副边补偿电流产生的磁场在磁芯中达到平衡时，可以得到N*In＝M*Im，其中，In为原边电流；N为原边线圈的匝数；Im为副边补偿电流；M为副边线圈的匝数。由上式可以看出，在已知霍尔传感器的原边和副边线圈匝数时，通过测量副边补偿电流Im的大小，即可推算出原边电流In的值，从而实现原边电流的隔离测量。本实用新型实施例中采用的霍尔电流传感器原、副线圈匝数比可以为N：M＝1:1250。另外图5中还包括放大器AMP及测量电阻Rm，放大器与测量电阻的连接方式如图5所示，其结构与工作原理与现有技术相同，在此不作详述。

在具体实施时，本实用新型实施例提供的上述汽车电池电量检测装置中，温度检测模块可以具体包括：温度传感器；温度传感器用于检测汽车电池的工作温度(温度传感器可以实时检测或周期性检测汽车电池的工作温度)，生成表征工作温度变化的模拟信号，并将模拟信号转化成对应的数字信号输出到处理模块。具体地，电池温度对电池的容量、电压、内阻、充放电效率、使用寿命、安全性和电池一致性等方面都有较大的影响，所以电池在使用中必须进行温度监测。本实用新型实施例提供的上述汽车电池电量检测装置中，温度传感器可以采用单总线数字传感器DS18B20。DS18B20采用独特的单总线接口，仅需一条总线即可测量多点的温度。同时由于其为全数字量输出，可以方便的与单片机进行接口，并具有较强的抗干扰的能力。DS18B20芯片具有如下特性：温度测量范围为-55℃～125℃；测量精度为0.5℃(当温度在-10℃～85℃之间时)；具有片内模数转换功能；可以实现9～12位温度数字输出量。具体的温度检测模块的电路结构如图6所示，其中除温度传感器DS18B20外，还包括上拉电阻Ru，温度检测模块的电路连接关系如图6所示，温度传感器可以将检测到的汽车电池的工作温度转化成对应的电信号，通过I/O口输出。

在具体实施时，本实用新型实施例提供的上述汽车电池电量检测装置中，如图2所示，还可以包括：电压检测模块05；电压检测模块05用于检测汽车电池的工作电压，生成表征工作电压的模拟信号，并将模拟信号转换为对应的数字信号输出到处理模块。具体地，由于电池经过逆变器或者斩波器为电机供电，电磁干扰比较严重，因此应采用抗干扰能力强的数据采集电路。由于光电耦合器件组成的电压数据采集电路方案费用低、体积小、精度满足系统要求并具有很强的抗干扰能力。因此，本实用新型实施例提供的上述汽车电池电量检测装置中，如图7所示，电压检测模块可以具体包括：电阻Rs、光电耦合器件G和运算放大器Y；其中，电阻Rs的一端与汽车电池的正极相连，另一端与光电耦合器件G的第一输入端相连；光电耦合器件G的第二输入端与汽车电池的负极相连，输出端与运算放大器Y的输入端相连；运算放大器Y的输出端用于向处理模块输入汽车电池的工作电压信号。

基于同一发明构思，本实用新型实施例提供了一种汽车控制系统，包括本实用新型实施例提供的上述汽车电池电量检测装置。由于该汽车控制系统解决问题的原理与汽车电池电量检测装置相似，因此该汽车控制系统的实施可以参见上述汽车电池电量检测装置的实施，重复之处不再赘述。

在具体实施时，本实用新型实施例提供的上述汽车控制系统中，还可以包括：中央处理器；中央处理器用于通过数据总线与汽车电池电量检测装置进行数据通信，显示汽车电池的剩余电量，且在剩余电量小于预设阈值时进行警告提醒。具体地，本实用新型实施例提供的上述汽车控制系统中，可以通过中央处理模块将汽车电池电量检测装置得出的汽车电池剩余电量进行显示，将信息及时且直观的提供给用户，方便用户及时处理相关事宜；同时在电池剩余电量过低时，即小于预设阈值时，及时发出警告提醒，提示用户及时寻找充电站，或采取其他措施保证汽车的安全行驶，避免因为用户的疏忽造成汽车危险行驶。

本实用新型实施例提供了一种汽车电池电量检测装置及汽车控制系统，该汽车电池电量检测装置包括：电流检测模块、模数转换模块、温度检测模块和处理模块；其中，电流检测模块用于检测汽车电机的工作电流，并生成表征工作电流变化的模拟信号输出到模数转换模块；模数转换模块用于将模拟信号进行模数转换，并将转换后的数字信号输出到处理模块；温度检测模块用于检测汽车电池的工作温度，并生成表征工作温度变化的模拟信号，且将模拟信号转换为对应的数字信号输出到处理模块；处理模块用于根据模数转换模块输出的数字信号计算出当前汽车电池的输出总电量并记录，且根据输出总电量以及温度检测模块输出的数字信号计算出当前汽车电池的剩余电量。这样根据检测出的电机工作电流，计算汽车电池的输出总电量并记录，进而根据输出总电量以及温度检测模块输出的数字信号，计算出当前汽车电池的剩余电量，实现对汽车电池电量的长时间记录和监测，供用户参考估算汽车的行驶距离，方便用户提前寻找充电站，为用户的出行提供便利。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。