一种工程车辆锂电池库仑计测量系统的制作方法

1.本发明属于工程机械设备领域，具体是一种工程车辆锂电池库仑计测量系统。


背景技术：

2.随着新能源汽车及锂电池技术的发展，车辆及工程设备的电动化形成了一种必然的发展趋势，锂电池在车辆上得到了广泛的应用，其中锂离子电池容量计量即soc估算是必不可少的。
3.现有技术中普遍使用安时积分法或开环电压法来估算锂电池的soc，安时积分法受锂电池初始soc值的影响较大，容易产生累积误差，虽便于在硬件中实现，由于安时积分法是从外特性来分析soc状态，在控制中属于开环检测，开环检测虽能够高精度的估计锂电池的soc，但难以实现对锂电池soc的在线动态估计，且存在计算过程复杂、运算效率低等问题。因此，如何设计能够实现动态估算锂电池soc的估算方法是业界亟待解决的技术问题。
4.为此，本发明提出一种工程车辆锂电池库仑计测量系统。


技术实现要素：

5.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种工程车辆锂电池库仑计测量系统，该系统通过测试单位时间内回路流经的电流大小，将测到的电流进行积分系统的剩余电荷量。
6.为实现上述目的，根据本发明的第一方面的实施例提出一种工程车辆锂电池库仑计测量系统，包括电池pack、采样电阻、信号采集单元、信号处理单元，控制单元、输出单元、存储单元和通讯接口；
7.所述电池pack为工程车辆所使用的电池包，由一个或多个电池箱体串联而成；
8.所述采样电阻为金属条电池分流电阻，所述采样电阻的两端分别连接到电池pack的负端与车辆动力电池的负端之间，当车辆动力系统工作，产生放电或充电电流时，在采样电阻的两端会产生一个负载电压；
9.所述信号采集单元由信号调理电路及adc采样单元组成，所述信号调理电路由一个高业度斩波稳零运算放大器对输入的电压信号进行降噪和放大后，通过一人带通和低通滤波器将电压送入到adc采样单元；
10.adc采样单元由一个使用逐次逼近型架构16位adc采样单元，对放大器输入的电压信号进行采样；
11.所述的信号处理单元通过spi接口，对信号采集单元的采样结果进行接收，并进行计算，最终得到计算结果。
12.优选的，电池pack的正端连接于控制单元的输入端，电池pack的负端通过采样电阻,并通过采样电阻连接到车辆动力电源的输出地端，与车辆负载构成供电回路。并由电池pack为车辆提供动力电源。
13.优选的，所述的信号处理单元还与控制单元、通讯接口相连接，并与整车系统进行
通讯、参数标定、控制整车供电系统的通断；当控制单元接通时，电池包的电源正端通过控制单元、输出单元，给整车负载供电。
14.优选的，该系统的检测方法包括如下步骤：
15.步骤一：整车系统通过通讯接口与库仑计测量系统进行通讯，进行电池有效容量设定，包括满容量电压、零容量电压、零电流校准、输出关断电压值校准和修正；
16.步骤二：当整车系统工作时，有充放电电流流过采样电阻，在采样电阻上产生一个电压信号，该信号随充电放电电流大小成比例变化；
17.步骤三：流经检测电阻的电流信号，经过信号采集单元的信号调理电路进行放大，低通滤波之后,得到一个低噪声的电压信号，并送入到一个高精度的16位adc采样单元，进行adc转换之后，得到一个16位精度的采样结果；
18.步骤四：信号处理单元通过spi接口，对信号采集单元的采样结果进行接收，并进行计算，得到当前系统电池组的电压、电流、功率、真实容量，剩余使用时间等。并将该电池组容量相关参数值通过通讯接口传送给整车系统；
19.步骤五：当信号处理单元检测到当前的实际容量值低于保护关断的容量值时，为了保护电池，信号处理单元输出一个控制信号给控制单元，由控制单元断开回路，输出单元断电。
20.优选的，所述的存储单元与信号处理单元交互式连接，用于保存系统设置的参数，系统断电容量记忆。所述存储器中至少保存有如下的基本电池信息：
21.电池的初始容量(mah),即额定容量,一个电池完全充放后得到的容量；
22.电池的当前容量(mah),即处于使用状态时的电池容量；
23.当前流经的电流(ma),即系统的电流损耗。
24.优选的，所述的信号处理单元在进行高精度的电量计量的同时，会根据系统的循环周期、调整算法,即根据电池循环次数调整其实际容量，当使用环境温度发变化时，会根据环境温度进行相应的算法调整系统的额定容量。
25.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
26.本发明采用了一个电流采样器进行高精度电流采集，通过测量电池电流和时间的累积量，来计算电池的剩余电量，能准确的检测电池电压、电流、功率、真实容量、剩余时间等，随时准确了解电池的工作状态，测量值既可本地直接显示，又可通过通讯接口与系统相连，组成测控系统。系统还带有可任意设定报警或关断值的设置，对soc的上限和下限进行报警或关断输出。适用于不同电压等级的锂电池、磷酸铁锂、铅酸、镍氢电池组。可广泛应用于使用电池设备的电动车辆、应急电源、储能电源、测量设备、医疗设备、各种电子仪器仪表等产品。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1为系统的结构示意图；
29.图2为常用系统的电流采样示意图；
30.图3为本系统的电流采样示意图；
31.图4为本系统的工作原理示意图。
具体实施方式
32.下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
33.如图1所示，一种工程车辆锂电池库仑计测量系统，包括电池pack、采样电阻、信号采集单元、信号处理单元，控制单元、输出单元、存储单元和通讯接口；
34.所述电池pack为工程车辆所使用的电池包，由一个或多个电池箱体串联而成；
35.所述电池pack的正端连接于车辆控制单元的输入端，电池pack的负端连接着一个采样电阻,并通过采样电阻连接到车辆动力电源系统的地端，与车辆负载构成供电回路，所述电池pack用于为车辆提供动力电源。
36.在本技术中，所述采样电阻为金属条电池分流电阻，其阻值为10毫欧，所述采样电阻的两端分别连接到电池pack的负端与车辆动力电池输出地端之间，当车辆动力系统工作，产生放电或充电电流时，在采样电阻的两端会产生一个随电流变化的电压。
37.其中，常规的电流采样电路如附图2所示，在电池的充电或放电过程中，当有电流流过采样电阻上时，会在r采样电阻上产生一个毫伏级的电压，该电压被送入到adc采样单元，由计算单元控制采样单元进行定期采样，并返回adc采样结果。通过读取adc采样值，就可以知道电流的多少，当流过采样电阻上的电流较小时，采样电阻上产生的电压较低，如果检测电阻上的电压与系统地电压相差很远，检测就会变得比较困难。为了克服上述限制，本方案中电流检测电路采用了一个斩波稳定运算放大器，通过将输入信号和开关型方波信号耦合，再经同步解调和低通滤波后得到的非线性的小信号，其优点是不仅可以消除放大器因失调电压造成的非线性，而且能有效的抑制器件的噪声，能达到高分辨率和低漂移的放大功能。
38.如附图3所示，图中u1、r1～r5组成一个算放大器的电路，r6,c2构成一个低通滤波器，rs为采样电阻，在rs上产生微弱的电压时，该电压信号通过斩波放大、低通滤波之后，送入到后级adc采样电路进行采样，从而实现测量非常小的压降而不会丧失检测精度，也避免了受失调电压和低频噪声的影响。
39.adc采样单元是一个使用逐次逼近型架构16位adc采样单元，对放大器输入的电压信号进行采样。
40.如图4所示，系统中信号处理单元通过spi通讯接口与信号采样单元进行通讯，定时采集流过采样电阻rs上的电流和电池包的电压，作为库仑计的计算参数。
41.如附图1所示，有一个存储单元与信号处理单元交互式连接，用于保存系统设置的参数，系统断电容量记忆。所述存储器中至少保存有如下的基本电池信息：
42.电池的初始容量(mah),即额定容量,一个电池完全充放后得到的容量；
43.电池的当前容量(mah),即处于使用状态时的电池容量；
44.当前流经的电流(ma),即系统的电流损耗；
45.当系统处理静态时，由于系统的物理误差，有时会造成静态时(0电流)有一定的偏差，当这个偏差存在时，在库仑计测量系统工作时，其累积误差会影响测量结果，因此，当系统处于静态0电流时，而检测电路又检测到有电流信号时，需要对这个静态偏差进行校准，并将其保存在内部存储单元中作为运算修正参数；
46.上述参数可以通过通讯接口来进行参数标定，并将标定后的参数保存在存储单元中。
47.系统在运行过程中，电池的实际容量会随着循环的进行,可用容量会逐渐的衰减。如果库仑计里面保存的初始容量一成不变,会导致容量显示的误差增大。因此，存储器中还保存有当前系统电池的循环次数，库仑计的里面会依据这个循环次数，对系统的容量的算法上进行调整,该算法会根据电池循环次数调整其实际容量。同时，电池的实际容量还与环境温度相关，如在室温情况下，电池可以得到几乎100％的可用容量，当温度下降到冰点温度时，电池只能放出80％左右的可用容量，因此，在采样电路中，增加了一个温度检测电路，信号采样单元实时采集环境温度，并将其传送给信号处理单元，信号处理单元里面有一个容量对温度调整的算法，会根据环境温度的变化及电池的实际温度进行可用容量调整，最终计算出系统的最真实的额定容量。
48.信号处理单元为一个32位信号处理器，信号处理单元是锂电池库仑计测量系统的核心单元，可以实时进行电池的充放电电流、电压、温度进行实时采样，并通过通讯接口接收外部的标定信息，实时通讯信息，完成计算，最终得到当前系统电池组的电压、电流、功率、真实容量，剩余使用时间等。并将该电池组容量相关参数值通过通讯接口传送给整车系统。当信号处理单元检测到当前的实际容量值低于保护关断的容量值时，为了保护电池，信号处理单元输出一个控制信号给控制单元，由控制单元断开回路，输出单元断电。
49.一种工程车辆锂电池库仑计测量系统，该系统的检测方法包括如下步骤：
50.步骤一：整车系统通过通讯接口与库仑计测量系统进行通讯，进行电池有效容量设定，包括满容量电压、零容量电压、零电流校准、输出关断电压值校准和修正。
51.步骤二：当整车系统工作时，有充放电电流流过采样电阻，在采样电阻上产生一个电压信号，该信号随充电放电电流大小成比例变化。
52.步骤三：流经检测电阻的电流信号，经过信号采集单元的信号调理电路进行放大，低通滤波之后,得到一个低噪声的电压信号，并送入到一个高精度的16位adc采样单元，进行adc转换之后，得到一个16位精度的采样结果。
53.步骤四：信号处理单元通过spi接口，对信号采集单元的采样结果进行接收，并进行计算，得到当前系统电池组的电压、电流、功率、真实容量，剩余使用时间等。并将该电池组容量相关参数值通过通讯接口传送给整车系统。
54.步骤五：当信号处理单元检测到当前的实际容量值低于保护关断的容量值时，为了保护电池，信号处理单元输出一个控制信号给控制单元，由控制单元断开回路，输出单元断电。
55.上述公式均是去除量纲取其数值计算，公式是由采集大量数据进行软件模拟得到最接近真实情况的一个公式，公式中的预设参数和预设阈值由本领域的技术人员根据实际情况设定或者大量数据模拟获得。
56.以上实施例仅用以说明本发明的技术方法而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方法进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方法的精神和范围。