CN201177656Y - 汽车动力电池荷电状态的测量系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了汽车动力电池荷电状态的测量系统。旨在克服电池内部参数难以取得、测试建模困难与测量不够准确等问题。它由数据采集部分和数据中央处理与传输部分组成。数据采集部分包括有电压传感器、电流传感器与温度传感器。数据中央处理与传输部分包括有数据处理单元和CAN传输单元。数据处理单元采用嵌入模糊预测算法的数字信号处理器，CAN传输单元包括CAN总线收发器与CAN总线。CAN总线收发器的一端与数字信号处理器的CAN控制器电线连接，CAN总线收发器的另一端与CAN总线电线连接，CAN总线再与汽车的电子控制单元或主控计算机电线连接。本实用新型用于电动汽车、混合动力汽车和其它产品上的电池测试与管理领域。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种应用于电动汽车和混合动力汽车上的电池测试与管理领域的测量系统，更具体地说，它涉及一种汽车动力电池荷电状态的测量系统。
背景技术
燃料汽车排放的尾气作为一种普遍的空气污染物已经逐渐地被人们所关注，为了缓解汽车尾气给空气污染造成的压力，动力电池作为一个重要的组成部分开始成为汽车动力的一个主要来源。对电动汽车和混合动力汽车而言，电池所处状况的判断对于整车的工作而言至关重要。
为了延长电池使用寿命，避免电池因过渡放电而造成不可修复性的损坏，达到使车辆能够安全稳定行驶的目的，我们需要实时的了解电池的荷电状态(State of Charge，简称SOC)，及时的对其进行维护和充放电，从充分发挥电池能力和提高安全性两个角度对电池进行高效管理，以进一步提高整车性能。
目前，传统上测量汽车动力电池荷电状态(SOC)的方法有多种，常用的有Ah(安时)计量法、神经网络法和卡尔曼滤波法等。
1.Ah计量法是最通用的荷电状态估计方法，其原理主要是通过电流积分来累计放电量，从而计算荷电状态，但应用中存在以下主要问题：
(1)电流测量不准确将增大计算误差，长时间的积累将导致计算误差会越来越大；
(2)在高温状态和电流波动很大的情况下计算误差较大，而且需建立充放电效率公式。
2.神经网络法是指利用神经网络的非线性和自学习特性，对外部激励给出相应的输出，能够模拟电池动态特性以预测电池的荷电状态，其缺点是需要大量的参考数据进行训练，估计误差受训练数据和训练方法的影响很大。
3.卡尔曼滤波法是将电池荷电状态作为电池状态空间模型中的一个状态，然后利用卡尔曼滤波方程进行状态估计，该方法适合于电流变化比较剧烈的电池荷电状态的估计，其缺点在于对电池模型准确性和计算能力要求高，测量较为繁琐。
对于动力电池荷电状态的预测方法及测量系统的研究，已经有很多人做了这方面的工作。
经检索得知中国专利公开号CN1945345，公开日2007年4月11日，申请号200510094755.3，发明创造的名称为一种混合动力汽车电池余量检测装置及检测方法。该申请案公开了在CPU中央控制器与电池组之间设有一负载模块，基于电池的电压与电流值可计算电阻值。利用充放电电流的积分得到初步的荷电状态，再根据此时电池组的电压、温度值、以及负载模块的电阻值，利用经验公式对所得的荷电状态值进行修正。这种系统得到的荷电状态值需经过电流积分，即使修正，累计误差也较大；另外，在系统中需接入负载模块并要考虑经验公式对结果的影响，增加了系统复杂度，不方便系统扩展。
经检索得知中国专利公开号CN101098029，公开日2008年1月2日，申请号200710105481.2，发明创造的名称为估计电池充电状态的方法、电池管理系统及其驱动方法。该申请案公开了利用测量模型对电池建立模型，包括传感器、预测器、数据剔除单元和测量单元，利用累计充放电电流来估计电池的荷电状态，测量单元根据测量模型和与误差相关的信息，利用自适应滤波器如卡尔曼滤波器来执行对估计的电池荷电状态的不断校正。这种系统对电池模型准确性和计算能力要求较高，测量较为繁琐，系统实用性不强，只具有局部代表性，另外，这种系统并没有考虑到信号在汽车中的传输问题，不适用于汽车控制。
发明内容
本实用新型所要解决的技术问题是克服电池内部参数难以取得、测试建模困难与测量不够准确等问题，提供一种汽车动力电池荷电状态的测量系统。可以实时反映出动力电池的荷电状态，使汽车动力电池荷电状态的测量更加准确，方便电池的管理，提高电动汽车和混合动力汽车的性能。
为解决上述技术问题，本实用新型是采用如下技术方案实现的：汽车动力电池荷电状态的测量系统由数据采集部分和数据中央处理与传输部分组成。
所述的数据采集部分包括有电压传感器、电流传感器与温度传感器。
每个电压传感器的输入端与单节汽车动力电池电线连接，每个电压传感器的输出端与数字信号处理器的ADC转换接口电线连接。
电流传感器的输入端与汽车动力电池耦合连接，电流传感器的输出端与数字信号处理器的ADC转换接口电线连接。
每个温度传感器与汽车动力电池接触连接，温度传感器的输出端与数字信号处理器的I/O接口电线连接。
所述的数据中央处理与传输部分包括有数据处理单元和CAN传输单元。
数据处理单元采用的是嵌入模糊预测算法的型号为TMS320LF2407的数字信号处理器，CAN传输单元包括有CAN总线收发器与CAN总线。CAN总线收发器的型号为PCA82C250，CAN总线收发器的一端与数字信号处理器的CAN控制器电线连接，CAN总线收发器的另一端与CAN总线电线连接，CAN总线再与汽车的电子控制单元或主控计算机电线连接。
技术方案中所述的每个电压传感器的输出端与数字信号处理器的ADC转换接口电线连接是指每个型号为KV20A/P的电压传感器的M端与型号为CD4067的两个十六路模拟开关中的一引脚X电线连接，两个十六路模拟开关中的地址码输入端与数字信号处理器中的I/O接口电线连接，两个十六路模拟开关中的OUT/IN引脚与数字信号处理器的ADC转换接口电线连接；所述的每个电压传感器的M端与两个十六路模拟开关中的一引脚X电线连接是指16个电压传感器的M端分别与第一个十六路模拟开关中的X0至X15引脚电线连接，另外9个电压传感器的M端分别与第二个十六路模拟开关中的X0至X8引脚电线连接，所述的两个十六路模拟开关中的地址码输入端与数字信号处理器中的I/O接口电线连接是指第一个十六路模拟开关中的地址码引脚A、B、C、D分别与数字信号处理器中的PWM1/IOPA6、PWM2/IOPA7、PWM7/IOPE1和PWM8/IOPE2引脚电线相连，第二个十六路模拟开关中的地址码引脚A、B、C、D分别与数字信号处理器中的PWM9/IOPE3、PWM10/IOPE4、PWM11/IOPE5和PWM12/IOPE6引脚电线相连，所述的两个十六路模拟开关中的OUT/IN引脚与数字信号处理器的ADC转换接口电线连接是指第一个十六路模拟开关中的OUT/IN引脚与数字信号处理器的ADCIN00引脚电线相连，第二个十六路模拟开关中的OUT/IN引脚与数字信号处理器的ADCIN01引脚电线相连；所述的电流传感器的输出端与数字信号处理器的ADC转换接口电连接是指型号为KT75A/P的电流传感器的M端与数字信号处理器的ADCIN02引脚电线相连；所述的每个温度传感器的输出端与数字信号处理器的I/O接口电线连接是指16个型号为DS18B20的数字温度传感器分成4组，每4个数字温度传感器的数字信号输入/输出端DQ连在一根总线上，4根总线分别与数字信号处理器的PWM3/IOPB0、PWM4/IOPB1、PWM5/IOPB2、PWM6/IOPB3引脚电线连接；所述的CAN总线收发器的一端与数字信号处理器中的CAN控制器相连接，CAN总线收发器的另一端与CAN总线电线连接是指CAN总线收发器的TXD引脚通过二极管D1与数字信号处理器的CANTX/IOPC6引脚电线连接，CAN总线收发器的RXD引脚通过电阻R5与数字信号处理器的CANRX/IOPC7引脚电线连接，CAN总线收发器的CANH、CANL引脚与CAN总线电线连接。
与现有技术相比本实用新型的有益效果是：
1.汽车动力电池荷电状态的测量系统采用模糊预测的算法，这种方法能克服传统测量汽车动力电池荷电状态方法的诸多不足之处，对系统硬件要求较低，只需读取电池的外部工作参数，建模简单，预测准确，误差小。
2.汽车动力电池荷电状态的测量系统采用的数字信号处理器，运算速度快，可将对应的模糊预测算法应用程序写入其中，利用采集得到的相应信号量即可实现汽车动力电池荷电状态的预测，处理数据准确、迅速。
3.汽车动力电池荷电状态的测量系统采用CAN通信方式，抗干扰能力强，传输距离远，速度快，在汽车控制中应用极其广泛。
附图说明
下面结合附图对本实用新型作进一步的说明：
图1是汽车动力电池荷电状态的测量系统的结构原理示意框图；
图2是汽车动力电池荷电状态的测量系统中数据采集部分型号为KV20A/P的霍尔电压传感器和型号为KT75A/P的霍尔电流传感器与型号为TMS320LF2407的数字信号处理器连接的电路原理图；
图3是汽车动力电池荷电状态的测量系统中数据采集部分型号为DS18B20的数字温度传感器与型号为TMS320LF2407的数字信号处理器连接的电路原理图；
图4是汽车动力电池荷电状态的测量系统中数据处理与传输部分中型号为TMS320LF2407的数字信号处理器的电路原理图；
图5是汽车动力电池荷电状态的测量系统中数据处理与传输部分中型号为PCA82C250的CAN总线收发器与数字信号处理器、CAN总线连接的电路原理图；
图中：C1至C10.电容，R1至R7.电阻，XTAL1.晶体振荡器，SW1.按键开关，D1.二极管，L1.电感，TMS320LF2407.数字信号处理器(简称DSP)，DS18B20.温度传感器，KV20A/P.电压传感器，KT75A/P.电流传感器。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作详细的描述：
汽车动力电池荷电状态(SOC)的测量系统主要应用于电动汽车和混合动力汽车的动力管理中，用于检测电池的剩余电量情况，并将这种情况及时地传输给汽车的电子控制单元(ECU)或主控计算机。比如，混合动力汽车的电子控制单元根据油门踏板信号、转速信号及电池的荷电状态值来确定对发动机、离合器、电机及电池的控制命令，此时测试电池的荷电状态值有助于在电机及发动机之间有效的分配功率，并适时的对电池进行充放电，提高汽车性能。
参阅图1，汽车动力电池荷电状态的测量系统，它由数据采集部分和数据中央处理与传输部分组成。
所述的数据采集部分包括有电压传感器、电流传感器与温度传感器，其中每个电压传感器的输入端与单节汽车动力电池是并联电线连接，采用型号为KV20A/P的霍尔电压传感器，每个电压传感器的输出端与数字信号处理器的ADC转换接口电连接；电流传感器的输入端与汽车动力电池的输出线是耦合连接，采用型号为KT75A/P的霍尔电流传感器，电流传感器的输出端与数字信号处理器的ADC转换接口电连接；每个温度传感器与汽车动力电池接触连接，采用型号为DS18B20的数字温度传感器，温度传感器的输出端与数字信号处理器的I/O接口电线连接。
所述的数据中央处理与传输部分包括有数据处理单元和CAN传输单元。数据处理单元采用的是嵌入了模糊预测算法的数字信号处理器，其型号为TMS320LF2407的数字信号处理器(Digital Signal Processor，简称DSP)，CAN传输单元包括有CAN总线收发器与CAN总线，CAN总线收发器的型号为PCA82C250，CAN总线收发器的一端与数字信号处理器中的CAN控制器电线连接，CAN总线收发器的另一端与CAN总线电线连接，CAN总线再与汽车的电子控制单元或主控计算机电线连接。
为了说明具体实施方式，下面以采用由25个单节电池所组成的汽车动力电池组的车型为例，选用25个霍尔电压传感器、1个霍尔电流传感器与16个数字温度传感器来详细的描述汽车动力电池荷电状态的测量系统的实施过程。
参阅图1与图2，汽车动力电池荷电状态的测量系统的数据采集部分包括25个电压传感器、1个电流传感器和16个温度传感器，电压传感器和电流传感器使用型号为KV20A/P的霍尔电压传感器和型号为KT75A/P的霍尔电流传感器，温度传感器使用的是型号为DS18B20的数字温度传感器。其中：25个单节电池之间是串联连接成汽车动力电池组，每个电压传感器的输入端与单节汽车动力电池是并联电线连接，1个霍尔电流传感器的输入端与汽车动力电池的输出线是耦合连接，16个温度传感器与汽车动力电池组均匀分布接触连接。也可以说数据采集部分采集的信号包括25路电压信号、1路电流信号和16路温度信号，电压模拟信号与电流模拟信号连入数字信号处理器的ADC转换接口，温度数字信号连入数字信号处理器的I/O接口。更具体的说，单节电池的电压模拟信号通过霍尔电压传感器来采集，采集后的25路电压模拟信号首先接入两个型号为CD4067的十六路模拟开关的数据输入端，十六路模拟开关的地址码输入端与数字信号处理器的I/O口相连，十六路模拟开关的OUT/IN端连接数字信号处理器的ADC转换接口，电流模拟信号流经霍尔电流传感器，输出连入数字信号处理器的ADC转换接口，利用数字信号处理器实现25路电压模拟信号、1路电流模拟信号到数字信号的变换。每个数字温度传感器都有独特的地址序列码，可以实现一根总线上挂接多个数字温度传感器的目的。16个数字温度传感器分成4组，每4个数字温度传感器的数字信号输入/输出端DQ连在一根总线上与数字信号处理器的引脚电线连接，可实现数字温度量的采集。
25个电压传感器输出端M分别与第一片十六路模拟开关的16个数字输入端(X0至X15)和第二片十六路模拟开关的9个数字输入端(X0至X8)电线连接；两片十六路模拟开关的VDD均与+5V电源电线连接，两片十六路模拟开关的INH、VSS均与地电线连接；第一片十六路模拟开关的地址码输入端A、B、C、D分别与数字信号处理器的PWM1/IOPA6、PWM2/IOPA7、PWM7/IOPE1和PWM8/IOPE2引脚电线连接，第二片十六路模拟开关的地址码输入端A、B、C、D分别与数字信号处理器的PWM9/IOPE 3、PWM10/IOPE4、PWM11/IOPE5和PWM12/IOPE6引脚电线连接，两片十六路模拟开关的OUT/IN端分别与数字信号处理器的ADCIN00、ADCIN01引脚电线连接，汽车动力电池组的电流流经电流传感器，电流传感器的输出端M与数字信号处理器的ADCIN02引脚电线连接。
参阅图3，数字温度量的采集使用16个型号为DS18B20的数字温度传感器，将它们分为4组，每4个数字温度传感器的数字信号输入/输出端DQ连在一根总线上，4根总线分别与数字信号处理器的PWM3/IOPB0、PWM4/IOPB1、PWM5/IOPB2、PWM6/IOPB3引脚电线连接，16个数字温度传感器的VDD引脚与+5V电源电线连接，16个数字温度传感器的GND引脚为接地连接，电阻R3一端与四条总线分别电线连接，另一端与+5V电源电线连接。
参阅图4，型号为TMS320LF2407的数字信号处理器(DSP)最小应用系统中电阻R1的一端、电容C2的一端与数字信号处理器的PLFF1引脚电线连接，R1的另一端与电容C1的一端电线连接，电容C1、电容C2的另一端与PLFF2引脚电线连接。
数字信号处理器的XTAL1/CLK引脚与晶体振荡器XTAL1和电容C3的一端电线连接，数字信号处理器的XTAL2引脚与晶体振荡器XTAL1的另一端和电容C4的一端电线连接，电容C3与电容C4的另一端为接地连接。
数字信号处理器的RS引脚与型号为TL7705A的芯片的RESET引脚电线连接，型号为TL7705A的芯片的REF引脚与电容C8的一端电线连接，另一RESET引脚与电阻R2的一端电线连接，RESIN与开关SW1的一端电线连接，SENSE和VCC引脚与+5V电源电线连接，CTR引脚与电容C9的一端电线连接，GND引脚与电容C8、电阻R2、电容C9、开关SW1的另一端接地连接。
数字信号处理器的VDD引脚与电感L1的一端电线连接，L1的另一端与电容C10、数字信号处理器的PLLVCCA引脚电线连接，数字信号处理器的VSS引脚与电容C10的另一端为接地连接，数字信号处理器的VDD与电容C5、电容C6和型号为MAX604的芯片的输出端OUT电线连接，型号为MAX604的芯片的IN引脚与OFF引脚与+5V电源和电容C7的一端电线连接，型号为MAX604的芯片的四个GND引脚与SET引脚为接地连接，电容C5、电容C6、电容C7的另一端为接地连接。
参阅图5，数字信号处理器的CANTX/IOPC6引脚与二极管D1的一端电线连接(这里的二极管D1采用的是具有快速恢复能力的型号为1N5819的肖特基二极管)，CANRX/IOPC7引脚与电阻R5、R6的一端电线连接，电阻R5的另一端与型号为PCA82C250的CAN总线收发器的RXD引脚电线连接，电阻R6的另一端为接地连接，二极管D1的另一端与电阻R4的一端电线连接并与CAN总线收发器的TXD引脚电线连接，电阻R4的另一端接+5V电源，CAN总线收发器的GND引脚为接地连接，CAN总线收发器的VCC引脚与+5V电源电线连接，CAN总线收发器的RS引脚与CAN总线的GND电线连接，CAN总线收发器的CANH、CANL引脚分别与电阻R7的两端电线连接，然后电阻R7的两端再与CAN总线电线连接。
汽车动力电池荷电状态的测量系统的工作原理：
汽车动力电池荷电状态的测量系统通过电压传感器、电流传感器和温度传感器采集得到电池组的电压模拟量信号、电流模拟量信号和温度数字量信号，将信号传入数字信号处理器(DSP)，数字信号处理器将电压模拟量信号与电流模拟量信号进行A/D变换。数字信号处理器内嵌入有模糊预测算法的程序，该算法根据Mamdani模糊推理形式，建立了多输入单输出的汽车动力电池荷电状态(SOC)的模糊预测模型，实现可靠的荷电状态预测。数字信号处理器分析电池组的相应量值，如电压、电流和温度数据，能够计算出电池组荷电状态的预测值，并将该预测值通过型号为PCA82C250的CAN总线收发器安全可靠的传送至CAN总线上，供汽车的电子控制单元(ECU)或主控计算机处理使用，从而决定汽车的工作状态。
本实用新型不仅可用在汽车上，也可以应用到其它的交通工具或者应用到其它的产品上。只要这种交通工具或者这种产品使用动力电池组，而且需要实时地了解电池组的荷电状态(SOC)，及时的对其进行维护和充放电，就可以应用本实用新型。能够从充分发挥电池组能力和提高安全性两个角度对电池组进行高效管理，进一步提高产品性能。
本实用新型实施例中所述的采用25个电压传感器、1个电流传感器与16个温度传感器，这是对一种车型的动力电池组而言，针对我们所选用的型号为TMS320LF2407的数字信号处理器的引脚数来说，本实用新型的技术方案完全可扩展到64个电压传感器、1个电流传感器与至少是64个温度传感器，也就是说，本实用新型技术方案可以为需要更大的动力电池组的交通工具或者其它的产品服务。这时电压传感器、电流传感器、温度传感器与数字信号处理器连接关系在实质上都没什么变化，各种信号的流动方向也不变，只是电压传感器、温度传感器与型号为CD4067的十六路模拟开关在数量上的变化，型号为CD4067的十六路模拟开关最多要增加到4个，型号为DS18B20的数字温度传感器要分成10组，每组是7个左右，每组数字温度传感器的数量在8个以内为好，超过8个控制精度要受到影响。
当然。采用电压传感器、电流传感器和温度传感器的数量要服从汽车的车型、其它交通工具或者其它的产品所应用的动力电池组的具体情况，动力电池组在1节到64节，在选用一个型号为TMS320LF2407的数字信号处理器的情况下，本实用新型技术方案都可实时地反映电池组的荷电状态(SOC)，对电池进行高效管理，提高汽车、其它交通工具或者其它产品的性能。这些都在本实用新型技术方案设计意图的范围内。
Claims (6)
1.一种汽车动力电池荷电状态的测量系统，其特征在于，它由数据采集部分和数据中央处理与传输部分组成；
所述的数据采集部分包括有电压传感器、电流传感器与温度传感器；
每个电压传感器的输入端与单节汽车动力电池电线连接，每个电压传感器的输出端与数字信号处理器的ADC转换接口电线连接；
电流传感器的输入端与汽车动力电池耦合连接，电流传感器的输出端与数字信号处理器的ADC转换接口电线连接；
每个温度传感器与汽车动力电池接触连接，温度传感器的输出端与数字信号处理器的I/O接口电线连接；
所述的数据中央处理与传输部分包括有数据处理单元和CAN传输单元；
数据处理单元采用的是嵌入模糊预测算法的型号为TMS320LF2407的数字信号处理器，CAN传输单元包括有CAN总线收发器与CAN总线，CAN总线收发器的型号为PCA82C250，CAN总线收发器的一端与数字信号处理器的CAN控制器电线连接，CAN总线收发器的另一端与CAN总线电线连接，CAN总线再与汽车的电子控制单元或主控计算机电线连接。
2.按照权利要求1所述的汽车动力电池荷电状态的测量系统，其特征在于，所述的每个电压传感器的输出端与数字信号处理器的ADC转换接口电线连接是指每个型号为KV20A/P的电压传感器的M端与型号为CD4067的两个十六路模拟开关中的一引脚X电线连接，两个十六路模拟开关中的地址码输入端与数字信号处理器中的I/O接口电线连接，两个十六路模拟开关中的OUT/IN引脚与数字信号处理器的ADC转换接口电线连接。
3.按照权利要求2所述的汽车动力电池荷电状态的测量系统，其特征在于，所述的每个电压传感器的M端与两个十六路模拟开关中的一引脚X电线连接是指16个电压传感器的M端分别与第一个十六路模拟开关中的X0至X15引脚电线连接，另外9个电压传感器的M端分别与第二个十六路模拟开关中的X0至X8引脚电线连接；
所述的两个十六路模拟开关中的地址码输入端与数字信号处理器中的I/O接口电线连接是指第一个十六路模拟开关中的地址码引脚A、B、C、D分别与数字信号处理器中的PWM1/IOPA6、PWM2/IOPA7、PWM7/IOPE1和PWM8/IOPE2引脚电线相连，第二个十六路模拟开关中的地址码引脚A、B、C、D分别与数字信号处理器中的PWM9/IOPE3、PWM10/IOPE4、PWM11/IOPE5和PWM12/IOPE6引脚电线相连；
所述的两个十六路模拟开关中的OUT/IN引脚与数字信号处理器的ADC转换接口电线连接是指第一个十六路模拟开关中的OUT/IN引脚与数字信号处理器的ADCIN00引脚电线相连，第二个十六路模拟开关中的OUT/IN引脚与数字信号处理器的ADCIN01引脚电线相连。
4.按照权利要求1所述的汽车动力电池荷电状态的测量系统，其特征在于，所述的电流传感器的输出端与数字信号处理器的ADC转换接口电连接是指型号为KT75A/P的电流传感器的M端与数字信号处理器的ADCIN02引脚电线相连。
5.按照权利要求1所述的汽车动力电池荷电状态的测量系统，其特征在于，所述的每个温度传感器的输出端与数字信号处理器的I/O接口电线连接是指16个型号为DS18B20的数字温度传感器分成4组，每4个数字温度传感器的数字信号输入/输出端DQ连在一根总线上，4根总线分别与数字信号处理器的PWM3/IOPB0、PWM4/IOPB1、PWM5/IOPB2、PWM6/IOPB3引脚电线连接。
6.按照权利要求1所述的汽车动力电池荷电状态的测量系统，其特征在于，所述的CAN总线收发器的一端与数字信号处理器中的CAN控制器相连接，CAN总线收发器的另一端与CAN总线电线连接是指CAN总线收发器的TXD引脚通过二极管D1与数字信号处理器的CANTX/IOPC6引脚电线连接，CAN总线收发器的RXD引脚通过电阻R5与数字信号处理器的CANRX/IOPC7引脚电线连接；CAN总线收发器的CANH、CANL引脚与CAN总线电线连接。
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