專(zhuān)利名稱(chēng)：一種鉛酸蓄電池電量預(yù)估裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于控制技術(shù)，具體涉及ー種用于特種車(chē)輛上裝的電池電量的預(yù)估裝置及方法。
背景技術(shù)：
隨著信息化，智能化程度的提高，蓄電池以具有發(fā)熱小，無(wú)噪聲，無(wú)污染，易偽裝等優(yōu)點(diǎn)，作為取代直流穩(wěn)壓電源的替代品在各特種車(chē)中得到很好應(yīng)用。為了判斷蓄電池在使用過(guò)程中電量是否充足，狀態(tài)是否良好；并避免電池在使用過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)充或過(guò)放的情況，以進(jìn)一歩發(fā)揮電池的性能，提高電池的使用壽命，可靠地完成各項(xiàng)任務(wù)，有必要對(duì)蓄電池的可用電量進(jìn)行預(yù)估。目前，用于蓄電池電量預(yù)估的方法和裝置或者過(guò)于復(fù)雜，提高了設(shè)計(jì)難度，降低了產(chǎn)品可靠性，増加了后期維護(hù)成本，難以在機(jī)動(dòng)性較強(qiáng)的特種車(chē)中得到應(yīng)用，如專(zhuān)利“200820111393.3” 一種用于混合動(dòng)カ汽車(chē)電池性能檢測(cè)裝置，開(kāi)發(fā)了ー種混合動(dòng)カ汽車(chē)電池性能檢測(cè)裝置，通過(guò)信號(hào)采集單元采集發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程及啟動(dòng)后電池的電壓、電流變化，電池溫度，電池余量，間接實(shí)現(xiàn)對(duì)電池性能的預(yù)測(cè)；或者過(guò)于簡(jiǎn)單，檢測(cè)蓄電池參數(shù)單一，預(yù)估精度誤差較大，難以滿(mǎn)足性能要求，起不到保護(hù)蓄電池，延長(zhǎng)蓄電池壽命的作用，如專(zhuān)利“200810114924.9”電流積分的測(cè)量電路，設(shè)計(jì)了一種電流積分測(cè)量電路，主要由電流信號(hào)處理模塊、能量計(jì)算芯片模塊和基準(zhǔn)電壓源模塊組成，其中電流信號(hào)處理模塊由采樣電阻采樣后，經(jīng)調(diào)理電路，送入能量計(jì)算芯片模塊，最后通過(guò)能量計(jì)算芯片模塊實(shí)現(xiàn)電流積分功能，最終計(jì)算蓄電池的電量。此電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)単，且由于電流采集本身容易引入誤差，単獨(dú)使用積分法容易造成累積誤差，最終得出的蓄電池電量誤差較大，從而難以滿(mǎn)足需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種預(yù)估精度較高的鉛酸蓄電池電量預(yù)估裝置及方法。本發(fā)明的技術(shù)方案如下:一種鉛酸蓄電池電量預(yù)估裝置，它包括CPU中央控制器，所述的CPU中央控制器上設(shè)有AD接ロ、IO接口和SPI接ロ，還設(shè)有雙CAN接口和串ロ SCI接ロ ；所述的AD接ロ、IO接口上連接數(shù)據(jù)采集單元；所述的SPI接ロ連接數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元；所述的雙CAN接口和串ロSCI接ロ連接數(shù)據(jù)通信單元；所述的CPU中央處理器上IO ロ與驅(qū)動(dòng)控制單元連接。在上述的一種鉛酸蓄電池電量預(yù)估裝置中:所述的數(shù)據(jù)采集単元包括電壓檢測(cè)調(diào)理電路、電流檢測(cè)調(diào)理電路和溫度檢測(cè)調(diào)理電路，該數(shù)據(jù)采集単元與待測(cè)蓄電池連接。在上述的一種鉛酸蓄電池電量預(yù)估裝置中:所述的數(shù)據(jù)通信単元包括雙CAN總線(xiàn)和串ロ SCI總線(xiàn)，用于實(shí)現(xiàn)命令的接收和蓄電池電量、電壓、電流及溫度等數(shù)據(jù)的上傳。在上述的一種鉛酸蓄電池電量預(yù)估裝置中:所述的CPU中央處理器還與供電電路單元連接，該供電電路單元連接底盤(pán)蓄電池。一種鉛酸蓄電池電量預(yù)估方法，它包括如下步驟:
I)根據(jù)預(yù)估裝置此次與上次加電時(shí)間差確定蓄電池初始電量Stcci ；2)采集蓄電池組電流、電壓和溫度；3)檢測(cè)判斷步驟2)中溫度和電流；4)根據(jù)步驟3)中判斷結(jié)果，利用差值方法Peukert方程系數(shù)n及充放電效率n ；5)利用下式得 出k+1時(shí)刻的蓄電池電量Soc(k+1) = Soc(k) + ( Hi At/Q有效)ik式中Jjk+l)為k+1時(shí)刻電池的電量，Soc(k)為k時(shí)刻電池的電量；ik為充放電電流，充電時(shí)ik為正，放電時(shí)ik為負(fù)；Hi為電流i時(shí)的充放電效率；At為采樣周期；QW5&為電池的有效容量，即為電池能放出的容量；6)利用下式求出k時(shí)刻的蓄電池的開(kāi)路電壓OCV(StJk))OCV (Soc (k)) = b ⑷ S。。4 (k) +b ⑶ S。。3 (k) +b ⑵ S。。2 (k) +b ⑴ S。。1 (k) +b (0)其中b (0) b⑷為擬合系數(shù)；7)利用下式求出k時(shí)刻電池的端電壓Vbat (k)Vbat (k) = OCV (Soc (k)) -E0-Rn*ik其中Vbat(k)為k時(shí)刻電池的端電壓，即步驟2)中采集到的電壓值，Etl為電池極化電動(dòng)勢(shì)，Rn為蓄電池充放電內(nèi)阻，，ik為電池充放電電流；8)根據(jù)Kalman濾波算法出任意時(shí)刻的蓄電池電量S。。(k)。在上述的一種鉛酸蓄電池電量預(yù)估方法中:所述的步驟5)中的電池的有效容量Q1 米用下式得出 Q有效=(I標(biāo)準(zhǔn)/1實(shí)際)nXQ標(biāo)準(zhǔn)Ah其中Iem為蓄電池標(biāo)稱(chēng)容量值對(duì)應(yīng)的電流值，為步驟2)中采集到的電流值。本發(fā)明的顯著效果在于:采用集成AD接ロ、IO接ロ、SPI接ロ，TwinCAN接口和串ロ SCI接ロ于一體的數(shù)字式單片CPU，易于外部設(shè)備擴(kuò)展；數(shù)據(jù)通信単元中雙CAN總線(xiàn)互為備份，其中一條總線(xiàn)出現(xiàn)錯(cuò)誤后，另一條總線(xiàn)工作，提高了裝置與上位機(jī)的通信可靠性。該裝置充分考慮特種車(chē)本身特有的特性，采用模塊化設(shè)計(jì)理念，易維護(hù)，易移植，低成本，易實(shí)現(xiàn)，可靠性較高，易操作；通過(guò)計(jì)算此次與上次加電時(shí)間差確定利用插值查表計(jì)算蓄電池電量初值，然后快速離線(xiàn)建立狀態(tài)方程和觀測(cè)方程；通過(guò)插值查表求出的Peukert方程系數(shù)n及充放電效率n計(jì)算出的電池有效容量更接近與實(shí)際能夠使用的電池容量，從而預(yù)估的蓄電池電量更精確。


圖1為鉛酸蓄電池電量預(yù)估裝置示意圖；圖2為蓄電池?cái)?shù)學(xué)模型示意圖；圖3為鉛酸蓄電池電量預(yù)估方法流程圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)ー步詳細(xì)說(shuō)明。如圖1所示的鉛酸蓄電池電量預(yù)估裝置，包括供CPU中央控制器，在其上設(shè)有AD接ロ、IO接口和SPI接ロ，還設(shè)有雙CAN接口和串ロ SCI接ロ。CPU通過(guò)AD接口和IO接ロ與數(shù)據(jù)采集單元進(jìn)行數(shù)據(jù)交互傳輸，該數(shù)據(jù)采集単元包括電壓檢測(cè)調(diào)理電路、電流檢測(cè)調(diào)理電路和溫度檢測(cè)調(diào)理電路，分別與CPU交互電壓信號(hào)、電流信號(hào)和溫度信號(hào)。如圖1所示，將該數(shù)據(jù)采集単元 與待測(cè)蓄電池連接，即可得到待測(cè)蓄電池的電壓信號(hào)、電流信號(hào)和溫度信號(hào)，并將其傳輸給CPU中央處理器。再利用CPU中央處理器上的SPI接ロ連接數(shù)據(jù)存儲(chǔ)単元，將接收到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)讀取和存儲(chǔ)。所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元用來(lái)實(shí)現(xiàn)重要數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，以便對(duì)預(yù)估裝置的診斷和數(shù)據(jù)的提取。利用CPU中央處理器上的雙CAN接口和串ロ SCI接ロ連接數(shù)據(jù)通信単元，所述的數(shù)據(jù)通信単元包括雙CAN總線(xiàn)和串ロ SCI總線(xiàn)，其主要與控制計(jì)算機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)命令的接收和蓄電池電量、電壓、電流及溫度等數(shù)據(jù)的上傳。雙CAN總線(xiàn)使用了雙CAN總線(xiàn)冗余設(shè)計(jì)，提高了通信可靠性，其主要與控制計(jì)算機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)命令的接收和蓄電池電量、電壓、電流及溫度等數(shù)據(jù)的上傳，串ロ SCI總線(xiàn)主要與個(gè)人計(jì)算機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)蓄電池電量預(yù)估裝置的診斷和數(shù)據(jù)上傳。所述的CPU中央處理器上IO ロ與驅(qū)動(dòng)控制單元連接，驅(qū)動(dòng)控制單元控制繼電器的通斷，以實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的CPU中央處理器的充電或者放電，將車(chē)底的底盤(pán)蓄電池與供電電路單元連接，通過(guò)供電電路單元給所述的CPU中央處理器供電。蓄電池電量預(yù)估裝置每次加電后，根據(jù)上次加電時(shí)間和此次加電時(shí)間的差值，來(lái)判斷是讀取上次預(yù)估裝置存儲(chǔ)在鐵電中的電量值，還是根據(jù)此時(shí)采集到的電壓值和溫度值，通過(guò)CPU中央處理器計(jì)算并修正出蓄電池在此條件下的靜態(tài)蓄電池電量，最后通過(guò)數(shù)據(jù)通信単元的雙CAN總線(xiàn)將蓄電池電量上傳給計(jì)算機(jī)顯示。如圖2和圖3所示的ー種鉛酸蓄電池電量的預(yù)估方法，其步驟如下:I)根據(jù)預(yù)估裝置此次與上次加電時(shí)間差確定蓄電池初始電量S。。。；2)采集蓄電池組電流、電壓和溫度；3)檢測(cè)判斷步驟2)中溫度和電流；4)根據(jù)步驟3)中判斷結(jié)果，插值查表得出Peukert方程系數(shù)n及充放電效率n，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在室溫及標(biāo)稱(chēng)電流狀態(tài)下，n取1.155，n取I ;5)利用積分法計(jì)算蓄電池電量S。。(k+1) = Soc(k) + ( Hi At/Q有效)ik ;式中:S0C(k+l)為k+1時(shí)刻電池的電量，S。。(k)為k時(shí)刻電池的電量；ik為充放電電流，充電時(shí)ik為正，放電時(shí)ik為負(fù)；Hi為電流i時(shí)的充放電效率；At為采樣周期。Qws為電池的有效容量，即為電池能放出的容量，Hi = f (i，T),通過(guò)查表得到，Q
有效=(I標(biāo)準(zhǔn)Zi實(shí)際
VXQimAh, I 為蓄電池標(biāo)稱(chēng)容量值對(duì)應(yīng)的電流值，為步驟2)中采
集到的電流值；6)利用下式求出k時(shí)刻的蓄電池的開(kāi)路電壓OCV(StJk))OCV (Soc (k)) = b ⑷ S。。4 (k) +b (3) S。。3 (k) +b ⑵ S。。2 (k) +b ⑴ S。。1 (k) +b (0)其中多項(xiàng)式系數(shù)b(0) b(4)通過(guò)對(duì)電池充放電試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到。
下面是ー組所研究蓄電池開(kāi)路電壓與電池電量關(guān)系的擬合系數(shù):b = [-6.3139 20.5629 -21.5397 11.1934 21.7108]7)利用下式求出k時(shí)刻電池的端電壓Vbat (k)Vbat (k) = OCV (Soc (k)) -Etl-Rr^ik其中Vbat(k)為k時(shí)刻電池的端電壓，即步驟2)中采集到的電壓值，Etl為電池極化電動(dòng)勢(shì),根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)取0.2V, Rn為蓄電池充放電內(nèi)阻，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)取4.26mQ , ik為電池充放電電流，規(guī)定充電為正，放電為負(fù)。8)根據(jù)Kalman濾波算法,遞歸如下算式,推算出任意時(shí)刻的蓄電池電量StcQO。
權(quán)利要求
1.一種鉛酸蓄電池電量預(yù)估裝置，它包括CPU中央控制器，其特征在于:所述的CPU中央控制器上設(shè)有AD接ロ、IO接口和SPI接ロ，還設(shè)有雙CAN接口和串ロ SCI接ロ ；所述的AD接ロ、IO接口上連接數(shù)據(jù)采集單元；所述的SPI接ロ連接數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元；所述的雙CAN接口和串ロ SCI接ロ連接數(shù)據(jù)通信單元；所述的CPU中央處理器上IO ロ與驅(qū)動(dòng)控制單元連接。
2.按權(quán)利要求1所述的ー種鉛酸蓄電池電量預(yù)估裝置，其特征在于:所述的數(shù)據(jù)采集単元包括電壓檢測(cè)調(diào)理電路、電流檢測(cè)調(diào)理電路和溫度檢測(cè)調(diào)理電路，該數(shù)據(jù)采集単元與待測(cè)蓄電池連接。
3.按權(quán)利要求1所述的ー種鉛酸蓄電池電量預(yù)估裝置，其特征在于:所述的數(shù)據(jù)通信単元包括雙CAN總線(xiàn)和串ロ SCI總線(xiàn)，用于實(shí)現(xiàn)命令的接收和蓄電池電量、電壓、電流及溫度等數(shù)據(jù)的上傳。
4.按權(quán)利要求1或2或3所述的ー種鉛酸蓄電池電量預(yù)估裝置，其特征在于:所述的CPU中央處理器還與供電電路單元連接，該供電電路單元連接底盤(pán)蓄電池。
5.一種鉛酸蓄電池電量預(yù)估方法，其特征在于，它包括如下步驟: 1)根據(jù)預(yù)估裝置此次與 上次加電時(shí)間差確定蓄電池初始電量S。。。； 2)采集蓄電池組電流、電壓和溫度； 3)檢測(cè)判斷步驟2)中溫度和電流； 4)根據(jù)步驟3)中判斷結(jié)果，利用差值方法Peukert方程系數(shù)n及充放電效率n； 5)利用下式得出k+1時(shí)刻的蓄電池電量Soc(k+1) = Soc(k) + ( Hi At/Q有效)ik 式中-S^k+l)為k+1時(shí)刻電池的電量，StJk)為k時(shí)刻電池的電量；ik為充放電電流，充電時(shí)ik為正，放電時(shí)ik為負(fù)；Hi為電流i時(shí)的充放電效率；At為采樣周期；Qwa為電池的有效容量，即為電池能放出的容量； 6)利用下式求出k時(shí)刻的蓄電池的開(kāi)路電壓OCV(StJk)) OCV (Soc (k)) = b ⑷ Soc4 (k) +b (3) S。。3 (k) +b ⑵ S。。2 (k) +b ⑴ S。。1 (k) +b (0) 其中b(0) b(4)為擬合系數(shù)； 7)利用下式求出k時(shí)刻電池的端電壓VbatGOVbat(k) = OCV (Soc (k))-E0-Rn^ik 其中Vbat (k)為k時(shí)刻電池的端電壓，即步驟2)中采集到的電壓值，Etl為電池極化電動(dòng)勢(shì)，Rn為蓄電池充放電內(nèi)阻，，ik為電池充放電電流； 8)根據(jù)Kalman濾波算法出任意時(shí)刻的蓄電池電量StcQO。
6.按權(quán)利要求5所述的ー種鉛酸蓄電池電量預(yù)估方法，其特征在干:所述的步驟5)中的電池的有效容量Q 采用下式得出 Q有效=(I標(biāo)準(zhǔn)/1實(shí)際)nXQ標(biāo)準(zhǔn)Ah 其中I為蓄電池標(biāo)稱(chēng)容量值對(duì)應(yīng)的電流值，為步驟2)中采集到的電流值。
全文摘要
本發(fā)明屬于控制技術(shù)，具體涉及一種用于特種車(chē)輛上裝的電池電量的預(yù)估裝置及方法。采用集成AD接口、IO接口、SPI接口，TwinCAN接口和串口SCI接口于一體的數(shù)字式單片CPU，易于外部設(shè)備擴(kuò)展；數(shù)據(jù)通信單元中雙CAN總線(xiàn)互為備份，其中一條總線(xiàn)出現(xiàn)錯(cuò)誤后，另一條總線(xiàn)工作，提高了裝置與上位機(jī)的通信可靠性。該裝置充分考慮特種車(chē)本身特有的特性，采用模塊化設(shè)計(jì)理念，易維護(hù)，低成本，可靠性較高，易操作；通過(guò)計(jì)算此次與上次加電時(shí)間差確定利用插值查表計(jì)算蓄電池電量初值，然后快速離線(xiàn)建立狀態(tài)方程和觀測(cè)方程；通過(guò)插值查表求出的Peukert方程系數(shù)n及充放電效率η計(jì)算出的電池有效容量更接近與實(shí)際能夠使用的電池容量，從而預(yù)估的蓄電池電量更精確。
文檔編號(hào)G01R31/36GK103091633SQ20111033224
公開(kāi)日2013年5月8日 申請(qǐng)日期2011年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月27日
發(fā)明者王鳳國(guó), 楊琰, 武青芬 申請(qǐng)人:北京航天發(fā)射技術(shù)研究所, 中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院