CN1044285C - 电动车用电池余量检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于正确地检测对应于实际电动车可行驶距离的电池余量。本发明的电池余量检测方法及装置，在充电时，检测电池充电电流值，从当时电池余量求出预计放电电压，将这些值计算出的电能逐次累加到当时的电池余量，其结果以当前电池余量显示。放电时，分别检测电池的放电电压值及放电电流值，将这些值计算出的消耗电能逐次从当时的电池余量减去，其结果以当前电池余量显示。上述预计放电电压根据经验规则或实际电动车行驶状态的学习结果求得。

Description

电动车用电池余量检测方法及装置

本发明涉及一种可正确检测电动车所用电池剩余容量的方法及其装置。

以往检测可充电，放电电池剩余容量(以下简称“电池余量”)的余量计或装置，有各种提案(例如，请参照日本特开昭50-2130号)。又，近年来，由于对环境问题的关注日增，需要对以往使用汽油的汽车换代至电动车加以开发，而正确地把握电动车所使用电池余量用的余量计则是必需的。

图8及图9表示以往电池电流积分运算方式(integratingmethod)的电池余量计的简易电子电路图。图8表示充电时电流的流动，这里，从充电器流出的充电电流Ic流入电池B，同时，流过与电池B串联连接的分路电阻Rs。藉此，余量计Mi利用此分路电阻Rs来计量充电电流Ic，并逐次累加运算此计量值。这里，若检测电池B为满充电状态，则余量计Mi将此显示余量复位至规定的满充电值。另一方面，在放电时，如图9所示，电池B的放电电流(亦即，消耗电流)Io流过负载，同时流过分路电阻Rs，由余量计Mi计量。此时，计量值从规定的满充电值被逐次减去，其结果，计算并显示余量值。

由以上方式，可获得精度较为良好的以安培·小时(Ah)为单位的电池余量值。但是，由于电池一般具有这种特性，其端子电压随负载电流和加上负载时电池余量条件等不同而有所变化，故而上述片面确定的余量与实际的电池余量未必一致。又，在电动车场合，其可行驶之距离与可以从电池取出的能量，亦即瓦特·小时(Wh)为单位的余量战正比，因此，上述方式并不适合检测这类电动车的电池余量。

以下，用图10及图11所示的曲线图说明这种情况。这些曲线图表示各种电池的放电特性。例如，如图10所示，放电电流一定时，随着时间的推移，电压慢慢地下降。这时，以(1)及(2)所示期间，若两者时间相同，由于放电电流为一定，故安培·小时单位的电池消耗能量(亦即Ah)值相同。但是，(1)期间及(2)期间电压值不同，故瓦特·小时单位的电池消耗能量(亦即，Wh值)，在电压值高的(1)期间较(2)期间为大。另一方面，如图11所示，求得2种放电电流的曲线，使两者放电电流为I₂=I₁*2的关系，又，(3)的时间为(4)的时间2倍时，放电电流I₁在(3)期间所消耗的Ah值与放电电流I₂在(4)期间所消耗的Ah值一致，而放电电流I₁曲线的电压比放电电流I2曲线的电压高，故两者的Wh值其结果不同。亦即，以往的电流积分运算方式中，按此方式检测的Ah值电池余量与对应于Wh值的实际电池剩余能量不一致，因此，不适合检测并显示电动车行驶所需的能量和电池的剩余能量。

为解决上述问题，以往有例如图12及图13所示的电池电力积分运算方式的电池余量计。这里，与前述构成不同，其成构为还测定电池电压。亦即，在图12所示电池充电时，余量计Mw由分路电阻Rs计量充电电流Ic，同时，亦计量该电池充电电压Vc。由这样计量得到的电流值及电压值计算电能，并对它积分运算。其后，若检测出电池为满充电状态，余量计Mw则将其余量值复位为规定的满充电值。另一方面，在图13所示电池放电时，由分路电阻Rs计量其放电电流Io，同时计量其放电电压Vo，由这些计量值计算消耗电能，并逐次从电池余量值减去此消耗电能。

一般在电动车车行驶时，大多使用在某段时间内行驶一定距离的模式，因此，电池有在恒定功率放电模式下使用的趋势。上述电能积分运算，因显示了行驶所需的能量和剩余能量(即Wh余量值)，故此方式可以说是得知电动车还可以行驶距离的适当方式。

然而，上述方式，在电池充电电压与放电电压相同时有效，但是在两者电压不同时则不适合。亦即，电池的充放电特性如图14所示，譬如以一定电流放电，其后，即使以放电时相同的电流充电，因充电反应与放电反应的化学电位差和电池内部电阻的影响，一般充电电压总有高于放电电压的趋势。因此，无法由充电时的Wh积分运算值得知原先放电时的Wh余量值，此意味着，要使上述方式照样适用于电动车的电池余量计有所困难。

本发明鉴于上述情况，其目的在于提供一种电动车用电池余量检测方法及装置，由此可正确得知电动车还可以行驶的距离。

为达到上述目的，有关本发明电动车用电池余量检测方法的权利要求1记载的方法，为检测电动车所使用电池的剩余容量(亦即，电池余量)的电动车用电池余量检测方法，其特征在于，在充电时检测电池的充电电流值，同时，求得由当时电池余量所预计的预计放电电压，将根据这些值计算得到的电能逐次加到当时的电池余量上，由逐次相加的结果得出当前的电池余量，并且显示，另一方面，在放电时分别检测电池的放电电压值及放电电流值，将根据这些值计算得到的消耗电能逐次从当时的电池余量减去，由逐次相减的结果得出当前的电池余量，并且显示。

权利要求2记载的方法中，在充电时，检测出所述电池为满充电状态时，使电池余量值复位为规定的满充电值。

权利要求3记载的方法中，预先存储电动车各种行驶试验所计量的电池平均电压值与电池余量值其相关关系的数据，根据此存储的数据，从实际行驶的电动车的当前电池余量求得所述预计放电电压值。

权利要求4记载的的方法中，预先存储学习电动车实际行驶时的电池平均电压值与电池余量值其相关关系的数据，根据此存储学习结果，从行驶的电动车当前电池余量求得所述预计放电电压值。

又，有关本发明电动车用电池余量检测装置的权利要求5记载的装置，作为一种检测电动车所使用电池的剩余容量(亦即，电池余量)的电动车用电池余量检测装置，其特征在于包括：检测电池端子电压值的装置；检测电池充电电流值或放电电流值的装置；根据电池余量值求得预计放电电压的放电电压预计装置；在放电时，从当时的电池余量逐次减去由检测出的电池端子电压值以及放电电流值计算出的消耗电能，从而算出当前的电池余量，另一方面，将充电时检测出的电池充电电流值以及预计出的预计放电电压值计算出的电能，逐次加到当时的电池余量，以算出当前电池余量的运算装置。

再者，权利要求6记载的构成中，所述放电电压预计装置是存储预先计量的电池平均电压值与电池余量值其相关关系的数据，根据此存储内容，求得所述预计放电电压的。

依本发明，在放电时，分别检测电池放电电压与放电电流，使它们相乘计算消耗电能，并从当时的电池余量减去消耗电能，以求得并显示当前的电池余量。另一方面，在充电时将电池的充电电流与预计放电电压相乘，求得电能，并将该电能加到当时的电池余量值上，藉以求得并显示对应于电动车可行驶距离的当前电池余量。这样，由放电时电池的电压、电流，根据经验规则或学习结果求得预计放电电压，另一方面，为计算充电时电池余量值，则使用此预计放电电压。因此，本发明的方法较以往方法可更正确的将电动车的可行驶距离作为电池余量检出。

图1表示本发明一实施例电动车用电池余量检测装置其电气构成的方框图。

图2为电池放电时CPU内运算处理的流程图。

图3为电池充电时CPU内运算处理的流程图。

图4表示在电动车行驶时电池放电电压随时间变化例的曲线图。

图5表示在电动车行驶时电池放电电流随时间变化例的曲线图。

图6表示电池平均电压与其余量关系的曲线图。

图7表示相对于电动车行驶距离特性的电池电气特性的曲线图。

图8为按以往电池电流累加方式，电池余量检测部份在电池充电时的简易电子电路图。

图9为按以往电池电流累加方式，电池余量检测部份在电池放电时的简易电子电路图。

图10表示电池放电特性例子的曲线图。

图11表示电池放电特性例子的曲线图。

图12为按以往电池电能累加方式，电池余量检测部份在电池充电时的简易电子电路图。

图13为按以往电池电能累加方式，电池余量检测部份在电池放电时的简易电子电路图。

图14表示电池充电放电特性例子的曲线图。

(A)实施例的构成

图1表示本发明电池余量检测装置电气构成的方框图。这里，负载L，充电器Ec，电池B及余量计1大致并联连接，上述充电电流Ic及放电电流Io由相对于电池B串联配置的非接触式电池传感器S检测，该检测电流Id输出至余量计1。一方面，余量计1其外部具有显示其计算结果电池余量值用的计量部M，同时，其内部具有电流检测电路2，电压检测电路3，模拟·数字变换器(A/D变换器)4，中央处理装置(CPU)5及输入电路6。这里，CPU5其内部含有未图示的运算部(ALU),存储部(ROM,RAM)及输出输入部(I/O)，此CPU5与A/D变换器4亦可以一单片CPU来构成。

在上述构成中，从电流传感器S输出的检测电流Id被电流检测电路2检测，变换成表示其电流大小的模拟信号并输出至A/D变换器4。一方面，电压检测电路3检测电池B的端子电压，使其电压值作为模块信号输出至A/D变换器4。A/D变换器4将这些模拟信号变换成数字信号提供给CPU5。在CPU5中，根据分别表示电流值及电压值的输入数据计算电能，在充电时累加运算这些值。在充电时，充电器Ec检测出电池B满充电状态时则输出满充电信号，此信号通过输入电路6提供给CPU5。CPU5接收到满充电信号就终止累加运算处理，并将该运算结果复位为预先存储的满充电值，该结果(亦即，满充电状态)由上述计量计M表示。

另一方面，在放电时，根据由上述电流传感器S所检测的放电电流Io的数据以及当时电池端子电压的数据，由CPU5计算消耗电能，并从上述满充电值逐次减去该计算值，该减法运算结果由上述计算量部M显示。

以下，关于CPU5放电时及充电时的详细运算处理将由图2及图3所示的流程图一起说明。

图2的流程图表示放电时的运算处理，后面述及的步骤SA1-SA4的处理是每次间隔规定的余量累加运算周期ΔT(秒)重复执行的。这里，在上述负载L连接于电池B的状态下使放电电流Io流时，在最初的步骤SA1中，计量的放电电流值的数据(Ⅰ)与当时的电池端子电压值的数据(V)由CPU5取得。这里，上述Wh值的放电电能按“V*I*ΔT/3600”计算，从余量值Y减去该计算值，该减法运算结果作为新的余量值Y存储(步骤SA2)。所计算出的余量值Y采用规定的函数f(Y)，变换为与连接余量计1的计量部M特性相对应的计量输出工作比D(％)(步骤SA3)，藉此，驱动计量部(步骤SA4)，从而电动车操作者由针的偏向情况掌握电池B的余量。又，该函数f(Y)的变换内容，例如可以以列表的形式预先存储于CPU5内，或者，在CPU5内部执行规定的运算处理亦可。

以下，根据图3所示的流程图对充电时CPU5的运算处理加以说明。这种充电时的运算处理与上述电放时的运算处理相同，在每次规定的周期ΔT(秒)重复执行步骤SB1-SB7的处理。首先，使上述充电器Ec而不是负载L与电池B连接，充电开始时，对应于上述充电电流的数据(Ⅰ)由CPU5取得(步骤SB1)。以后，根据此时电池的余量值Y，用规定的函数g(Y)，求得预计放电电压Vj(步骤SB2)。关于此预计放电电压将在后面叙述。接下来的步骤SB3中，根据上述充电电流值数据I及预计放电电压Vj，利用式“Vj*I*ΔT/3600”，计算Wh值的充电电能，将此充电电能加到余量值Y上。此相加结果被作为新的余量值Y存储于CPU5。其后，根据该余量值Y，用上述函数f(Y)，求得计量输出工作比D(％)(步骤SB4)，藉此驱动计量计M，将余量显示在计量器上(步骤SB5)。接下来，通过步骤SB6，判断电池B是否处于满充电状态，在未达到满充电状态时，重复上述步骤SB1-SB5的处理，另一方面，在达到满充电时，通过步骤SB7将余量值Y复位至规定的满充电值Y。

以下对上述的预计放电电压Vj及其函数g(Y)加以说明。图4及图5分别表示电动车行驶时(亦即，电池放电时)电池电流与电压随时间变化的一例。由这些图可知，与行驶开始时刻相比，电池电压有下降趋势，因此，为获得马达的转矩，结果，放电电流有上升趋势。而且，在加速时，电流值暂时上升，而电压值相对暂时下降。

一般而言，电池因化学变化而产生电，而无法暂时使可产生的电能一时急速增加。因此在有必要使马达转矩暂时地上升而加速时，相对于大致一定的电池端子电压，有必要使其放电电流暂时上升。但是，如上所述，由于产生能量的上升存在限制，因而加速时流过大电流时，必然会使电池电压下降。而且，从开始行驶到停止为止，以大致相同的速率(pace)使电动车行驶时，随着电池余量的逐渐减少，电池电压稍微下降，而电池电流趋向于增大。这是因为要取得相同的能量，亦即电能(=电压×电流)，得增大电流来补偿电压的减少。

本发明着眼于上述电动车的行驶状态与电池余量的关系，通过各种试验行驶，弄清楚电动车所用的行驶模式中电池电压与电池余量间的相互关系，根据该结果确定上述预计放电电压Vj。这时，使电动车按预先确定的条件试验行驶，逐次计量当时的电池电压及电流，作为数据加以存储。这时，完成行驶后，可以将所计量的电压及电流相乘，通过累加运算该结果求得各行驶时刻的电池余量。而且在进行各种试验行驶时，同时可求得每一规定余量值的电池电压平均值。以该电池余量与平均电压的相互关系的信息为基础，来确定上述变换函数g(Y)的内容。该函数的内容亦可以譬如列表形式的数据预先存储在上述CPU5内。这里，譬如以电池余量Y为地址，从列表中读出与之对应的电压值，并把它作为上述预计放电电压Vj输出。

上述是根据各种电动车试验行驶结果，预先确定变换函数g(Y)的内容，根据此内容，计算实际电动车电池残量的方法，除此以外，还有在更便于使用者使用的情况下确定函数g(Y)内容的方法。亦即，在实际电动车行驶时，逐次学习电池余量与电池电压的关系，根据这种学习结果，适宜变更函数g(Y)内容的方法。这时，在各使用者实际使用电动车的行驶当中(亦即，电池放电中)，根据电池余量计所检测的实际电池电压与电流，进行与上述相同的处理，从而使求得的电池余量与平均电压值的关系加以函数化，并进行存储学习。以后，电池被充电时，就利用其学习内容的函数g(Y)，执行流程图所示的运算处理，从而求得电池余量。这样，就可以根据电池实际的使用条件求得预计放电电压Vj。

又，实际的电池余量与平均电压的关系如图6所示。这里绘制出所谓镍镉电池(NiCd)及铅蓄电池(Pb)的曲线。此情形下，随电池使用条件的不同，如虚线曲线所示，余量与平均电压的特性曲线大略相似，有所上下。因此，还可以记意学习使用者实际使用电动车的条件，自动选择对应其条件的特性曲线，根据其所选择的曲线决定平均电压(亦即，预计放电电压)。

又，若将至目前为止的说明表示为曲线，则如图7所示。这里，曲线A表示在施加一恒定负载时由电池输出的电能，曲线B则表示随时间推移电池电压逐步下降的状态，曲线C则表示从电池输出一恒定能量所必需的电流，按补偿上述电压特性曲线B下降特性的方式变化。又，曲线D表示述Ah值的电能累加值，曲线E表示Wh值的电能累加值，曲线F表示电动车行驶距离的特性。曲此图可明白，与Ah计算电池余量的方法相比，以Wh值计算电池余量的方法才与电动车的行驶特性相符，较为有效。

又，本发明并非限定前述实施例的构成及动作，可作如下变更。

(1)前述实施例中，如图1所示，余量计是构成为与电池及充电器分离的一个单元的，但亦可将它组装到例如充电器内。此情形，电路就可构成为同时实现充电器的充电控制功能及余量计功能。

(2)在前述实施例的说明中，省略了对图2及图3所示的放电及充电流程进行切换的软件部份的说明，但可通过例如在前述电流传感器检测值正为时判断为放电状态，而检测值为负时则判断为充电状态，进行这类切换。而且，在其他方法中，还可通过检测电动车行驶用主开关的状态，根据该检出结果，来判定充电状态及行驶状态。

(3)而且，所说明的余量计量器在充电器也显示电池余量，但是，在充电中并无显示的必要，可省略前述电池余量算出以及显示动作来构成。

(4)再者，前述电流传感器，可采用非接触型的(例如，利用霍耳IC(hall IC)磁通检测原理的传感器)，但并非限定于此，也可与以往相同，根据分路电阻检测。

综上所述，依本发明的电动车用电池余量检出方法及装置，在充电时检测电池的充电电流值，同时，求得由当时电池余量所预计的预计放电电压，将根据这些值计算出的电能逐次累加到当时的电池余量上，由逐次相加的结果得出当前电池余量，并且显示，另一方面，在放电时，分别检测电池放电电压值及放电电流值，将根据这些值计算出的消耗电能从当时的电池余量减去，由逐次相减的结果得出当前的电池余量，并且显示，故而可达到正确检测对应于更实际的电动车可行驶距离的电池余量的显著效果。

Claims (6)

1．一种电动车用电池余量检测方法，在充电和放电过程中检测电动车所用电池按功率·小时单位计的剩余容量，包括以下重复步骤：

检测电池充电电流和放电电流；

检测电池端子电压；

按所检测电流与所检测电压的积求得电池功率；

将当前的电池余量与所求得的功率相加/相减，得出新的当前电池余量，用于显示，

其特征在于，

充电过程中，

预计与当时电池余量对应的放电电压；

按所检测的电池充电电流与所预计的放电电压的积求得电池功率。

2．如权利要求1所述的电动车用电池余量检测方法，其特征在于，充电时检测出所述电池为满充电状态时，使电池余量值复位为规定的满充电值。

3．如权利要求1所述的电动车用电池余量检测方法，其特征在于，预先存储电动车各种行驶试验所计量的给出电池平均电压值与电池余量值其相关关系的数据，根据此存储的数据，从实际行驶当中的电动车的当前电池余量求得所述预计放电电压值。

4．如权利要求1所述的电动车用电池余量检测方法，其特征在于，预先存储实际电动车行驶时给出电池平均电压值与电池余量值其相关关系的数据，根据此存储学习结果，从行驶的电动车当前电池余量求得所述预计放电电压值。

5．一种电动车用电池余量检测装置，检测电动车所用电池按功率·小时单位计的剩余容量，包括：

检测电池端子电压的电压检测装置；

检测电池充电电流和放电电流的电流检测装置；

与所述电压检测装置和所述电流检测装置相连，按所检测电流与所检测电压的积，重复计算所消耗功率或充电功率的控制装置，

其特征在于，

所述控制装置重复预计与当时电池余量对应的放电电压，

按所检测的电池充电电流与所预计的放电电压的积计算电池功率，

充电过程中将计算得到的功率累加到新的当时电池余量上。

6．如权利要求5所述的电动车用电池余量检测装置，其特征在于，所述放电电压预计装置存储预先计量的给出电池平均电压值与电池余量值其相关关系的数据，根据此存储内容，求得所述预计放电电压。

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