CN206460151U - 一种电池组荷电状态估算系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及电池管理技术领域，公开一种电池组荷电状态估算系统，电池组，电压单节化模块，用于将实时的电池组总电压转换为单节电芯电压；电流单节化模块，用于将实时的电池组总电流转换为单节电芯电流；数据处理中心，用于结合单节电芯电压和单节电芯电流估算单节电芯SOC值，并根据单节电芯SOC值计算并得到电池组SOC值。本实用新型公开的电池组荷电状态估算系统可以提高电池组荷电状态的估算精度。本实用新型的电池组荷电状态估算系统设有电量计，利用电池组的总电压和总电流转换后的电压和电流数据估算电池组的SOC值，只用到电量计，降低了电池管理系统的软件开发的费用，提升了软件系统的专一性和稳定性。

Description

一种电池组荷电状态估算系统

技术领域

本实用新型涉及电池管理技术领域，特别是涉及一种电池组荷电状态估算系统。

背景技术

动力电池组是电动汽车、储能电站的能量来源，决定了储能系统的运行效率、安全性能和可靠性，因此需要对电池组进行必要的管理和控制。电池组的荷电状态(State OfCharge,SOC)是电池管理系统中最重要的参数之一，通过估算电池组的SOC能够判断电池组之间的新能差异，提前估计电池组出现过充电或者过放电，并且能够估计出电池组的续航能力，因此对电池SOC进行准确的估算是非常必要的，具有重要的现实意义。由于电池组的SOC估算具有诸多复杂因素，呈现很强的非线性变化，造成现有SOC估算的准确性普遍较低。

然而，目前电池管理系统SOC估算方案均存在一定的缺点，例如：

1、通过电压法进行SOC的估算。当电池在充电或者放电状态时，电池的电压与充电或者放电的电流大小有关，并且还与电池的所处的温度有关，所以仅在测量得到电池的实时电压估算电池SOC得到的数值准确度十分有限；如果提高精度则需要将电池的实时充放电电流以及温度纳入SOC的估计输入参数中，这样一来，SOC的估算就变成了多输入参数的一个复杂函数，需要对电池进行建模处理；在电池处在平台电压段时，电池的荷电状态发生较大变化时，电池的电压变化也会相对较少，线性度十分不明显；如果使用开路电压进行SOC标定，则需要在电池静置超过一定的时间后进行电压法的SOC估算，这种方式只适合初始的SOC标定，并不适合实时的SOC估算。综上，电池管理系统自身使用电压法进行SOC估算，需要考虑因素多，需要电池管理系统软件进行复杂的计算，增加了SOC估算的软件开支与复杂度，最终增加了SOC估算的成本。

2、采用电流积分的方式进行SOC的估算。电池组的电池管理系统通过对实时充放电电流进行积分的方式计算放电容量和充电容量，进而计算出电池组荷电状态。此方法在电流稳定时，电流积分比较准确，SOC估算精度较好。但是在电流瞬态波动较大时，电流积分很难做到准确，SOC估算精度较差。另外，充放电积分方式还会受到电流积分累计误差的影响，需要定期进行充放电电压的末端标定，增加了诸多限定条件同样也限制了电流积分法估算电池组SOC的应用。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有技术中的不足之处，提供一种电池组荷电状态估算系统，实现实时估算SOC值并提高估算准确度。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种电池组荷电状态估算系统，包括：

电池组；

电压单节化模块，用于将实时的电池组总电压转换为单节电芯电压；

电流单节化模块，用于将实时的电池组总电流转换为单节电芯电流；

数据处理中心，用于将单节电芯电压和单节电芯电流估算单节电芯SOC值，并根据单节电芯SOC值计算并得到电池组SOC值。

作为进一步优选的方案，所述电压单节化模块包括：分压单元，用于将实时的电池组总电压进行分压，得到分压电压；运算放大单元，用于将分压电压进行转换为单节电芯电压；

所述分压单元的输入端作为所述电压单节化模块的输入端与所述电池组连接，所述分压单元的输出端与所述运算放大单元的输入端连接，所述运算放大单元的输出端作为所述电压单节化模块的输出端与所述数据处理中心的电压输入端连接。

作为进一步优选的方案，所述电流单节化模块包括：采样电阻，用于采集实时的电池组总电流；分压检测单元，用于将实时的电池组总电流进行电流单节化，得到单节电芯电流；

所述采样电阻串联在电池组的总正端或总负端，所述分压检测单元的第一输入端和第二输入端分别跨接在所述采样电阻两端；所述分压检测单元的输出端与所述数据处理中心的电流输入端连接。

作为进一步优选的方案，所述数据处理中心包括：电量计，用于结合单节电芯电压和单节电芯电流估算单节电芯的SOC值；MCU单元，用于计算得到电池组的SOC值；

所述电量计的电压输入端与所述电压单节化模块的输出端连接，电流输入端与所述电流单节化模块的输出端连接，信号输出端与所述MCU单元的信号输入端连接。

作为进一步优选的方案，所述数据处理中心还包括：

温度检测电阻，用于实时检测电池组的温度，并结合检测得到的温度估算出实时的单节电芯SOC值；

所述温度检测电阻的一端与所述电量计的VCC管脚连接，另一端与所述电量计的TS管脚连接。

作为进一步优选的方案，所述分压单元包括第一电阻和第二电阻；

所述第一电阻的一端作为所述分压单元的第一输入端与所述电池组的总正端连接，另一端与所述第二电阻的一端连接，所述第二电阻的另一端作为所述分压单元的第二输入端与所述电池组的总负端连接；所述第一电阻的另一端还作为所述分压单元的输出端与运算放大单元的输入端连接；

所述运算放大单元包括第四电阻、第五电阻、第一电容及运算放大器；

所述分压单元的输出端与所述运算放大器的同相输入端连接，所述分压单元的输出端还经过所述第一电容、所述第四电阻与所述运算放大器的反相输入端连接，所述第五电阻的两端分别与所述运算放大器的反相输入端和所述运算放大器的输出端连接，所述运算放大器的输出端作为运算放大单元的输出端与所述数据处理中心的电压输入端连接。

作为进一步优选的方案，所述分压检测单元包括依次串联连接的第七电阻、第八电阻及第九电阻；

所述第七电阻的一端作为所述分压检测单元的第一输入端与所述采样电阻的一端连接，另一端依次串联第八电阻、第九电阻后分压检测单元与所述采样电阻的另一端连接；所述第八电阻的两端分别作为分压检测单元的第一输出端和第二输出端与所述数据处理中心的电流输入端连接。

本实用新型相比于现有技术的优点及有益效果如下：

1、本实用新型提供一种电池组荷电状态估算系统，通过电压单节化模块和电流单节化模块可以将电池组的总电压和总电流进行转换为单节电芯电压和单节电芯电流，将整个电池组转换为单节电芯模型，再使用数据处理中心对此单节电池模块进行SOC值的估算，最终经过计算得到电池组的SOC值。

2、本实用新型的电池组荷电状态估算系统设有电量计，利用电池组的总电压和总电流转换后的电压和电流数据估算电池组的SOC值，只用到电量计，降低了电池管理系统的软件开发的费用，提升了软件系统的专一性和稳定性。

3、本实用新型的电池组荷电状态估算系统设有电量计，采集数据的实时性好，并且可以捕捉充放电时电流的瞬时波动，提高了电池组荷电状态的估算精度。

4、本实用新型的电池组荷电状态估算系统设有电量计，可以载入指定电池充放电线图谱，并根据实时电压、电流、温度等数据，自动执行SOC的估算算法，进一步提高了电池管理系统的专一性，同时，荷电状态的估算准确度更高。

附图说明

图1为本实用新型一种电池组荷电状态估算系统的原理框图；

图2为图1的电池组荷电状态估算系统的电路原理图。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的较佳实施方式。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本实用新型的公开内容理解的更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例

请参阅图1，本实用新型还提供一种电池组荷电状态估算系统10，包括：

电池组1，所述电池组1包括多个相互串联或并联连接的单体电池。

电压单节化模块2，用于将实时的电池组1总电压转换为单节电芯电压；

电流单节化模块3，用于将实时的电池组1总电流转换为单节电芯电流；

数据处理中心4，用于将单节电芯电压和单节电芯电流估算单节电芯SOC 值，并根据单节电芯SOC值计算并得到电池组1的SOC值。

所述电压单节化模块2将电池组1的总电压转换为单体电芯电压，再将单体电芯电压传输至数据处理中心4。所述电流单节化模块3将电池组1的总电流转换为单体电芯电流，在将单体电芯电流传输至数据处理中心4。所述数据处理中心4处理单体电芯电压和单体电芯电流等数据，并且还有自身采集的电池组温度数据，根据这些数据，将估算出电池组的SOC值。

所述电池组1的总正端与所述电压单节化模块2的正极输入端连接，所述电池组1的总负端与所述电压单节化模块2的负极输入端连接，所述电压单节化模块2的输出端与所述数据处理中心4的电压输入端连接；所述电池组1还与所述电流单节化模块3的输入端连接，所述电流单节化模块3的输出端与所述数据处理中心4的电流输入端连接。

要说明的是，电池组1的总正端还与负载的正端(P+)或充电器的正端(C+) 连接，电池组1的总负端还与负载的负端(P-)或充电器的负端(C-)连接。

所述电压单节化模块2包括：分压单元21，用于将实时的电池组1总电压进行分压，得到分压电压；运算放大单元22，用于将分压电压进行转换为单节电芯电压。

要说明的是，所述分压单元21的第一输入端与所述电池组1的总正端连接，第二输入端与所述电池组1的总负端连接，所述分压单元21的输入端作为所述电压单节化模块2的输入端与所述电池组1连接，所述分压单元21的输出端与所述运算放大单元22的输入端连接，所述运算放大单元22的输出端作为所述电压单节化模块2的输出端与所述数据处理中心4的电压输入端连接。

请参阅图2，具体的，所述分压单元21包括第一电阻R1和第二电阻R2。所述第一电阻R1的一端作为所述分压单元21的第一输入端与所述电池组1的总正端连接，另一端与所述第二电阻R2的一端连接，所述第二电阻R2的另一端作为所述分压单元21的第二输入端与所述电池组1的总负端连接；所述第一电阻R1的另一端还作为所述分压单元21的输出端与运算放大单元22的输入端连接。所述第一电阻R1包括多个相互串联和/或并联连接的单体电阻。

进一步的，所述运算放大单元22包括第四电阻R4、第五电阻R5、第一电容C1及运算放大器U2；所述分压单元21的输出端与所述运算放大器U2的同相输入端连接，所述分压单元21的输出端还经过所述第一电容C1、所述第四电阻R4与所述运算放大器U2的反相输入端连接，所述第五电阻R5的两端分别与所述运算放大器U2的反相输入端和所述运算放大器U2的输出端连接，所述运算放大器U2的输出端作为运算放大单元22的输出端与所述数据处理中心4 的电压输入端连接。

所述电流单节化模块3包括：采样电阻32，用于采集实时的电池组1总电流；分压检测单元31，用于将实时的电池组1总电流进行电流单节化，得到单节电芯电流。

要说明的是，所述采样电阻32串联在电池组1的总正端或总负端，所述分压检测单元31的第一输入端和第二输入端分别跨接在所述采样电阻32两端；所述分压检测单元31的输出端与所述数据处理中心4的电流输入端连接。所述采样电阻32还可以是分流器。

进一步的，所述分压检测单元31包括依次串联连接的第七电阻R7、第八电阻R8及第九电阻R9；所述第七电阻R7的一端作为所述分压检测单元31的第一输入端与所述采样电阻32的一端连接，另一端依次串联第八电阻R8、第九电阻R9后与采样电阻32的另一端连接，第八电阻R8的两端分别作分压检测单元 31的第一输出端和第二输出端与所述数据处理中心4的电流输入端连接。所述第七电阻R7、第八电阻R8及第九电阻R9为可调电阻。

所述数据处理中心4包括：电量计U1，用于结合单节电芯电压和单节电芯电流估算单节电芯SOC值；MCU单元，用于计算得到原来的SOC值。所述电量计U1的电压输入端与所述电压单节化模块2的输出端连接，电流输入端与所述电流单节化模块3的输出端连接，信号输出端与所述MCU单元的信号输入端连接。

要说明的是，所述MCU单元的一管脚与所述电量计U1的SCL管脚连接，所述MCU单元的另一管脚与所述电量计U1的SDA管脚连接。

所述数据处理中心4还包括：

温度检测电阻Rt，用于实时检测电池组1的温度，并结合检测得到的温度估算出实时的单节电芯SOC值；所述温度检测电阻的一端与所述电量计的VCC 管脚连接，另一端与所述电量计的TS管脚连接；所述电量计的BAT管脚作为所述数据处理中心4的电压输入端与所述运算放大器的输出端连接。

要说明的是，所述数据处理中心4包括温度检测电阻Rt和电量计U1。所述温度检测电阻Rt的一端与所述电量计U1的VCC管脚连接，另一端与所述电量计U1的TS管脚连接；所述电量计U1的BAT管脚作为所述数据处理中心4的电压输入端与所述运算放大器U2的输出端连接。进一步的，所述电压单节话模块2还包括第六电阻R6，所述数据处理中心4还包括第三电容C3、第四电容 C4及供电电源VCC；所述运算放大器U2的输出端经第六电阻R6与电量计U1 的VBAT管脚连接，所述电量计U1的VBAT管脚还经过第三电容C3接地，REGIN管脚与供电电源连接，REGIN管脚还经过第四电容C4接地。

其工作原理阐述如下：

电池组由单体电池B1、B2、B3、……Bn，共n接电芯串联组成，电池组的总负端还经过采样电阻32或分流器Rs与负载的负端(P-)或充电器的负端(C-) 连接。

电压单节化模块为电池组电压转换电路，通过第一电阻R1与第二电阻R2 组成的分压电路，同相运算放大电路的输入电压为：

经过同相算法放大电路后，同相运算放大电路的输出电压为：

则可知，使

即：

可以得到转换之后的单节电芯电压：

再将单节电芯电压VB传送至电量计的VBAT管脚，电量计即可获取估算 SOC所需的实时电压信息。

其中，第一电阻R1考虑耐压，可以是多个电阻串联和/或并联连接组成。同相运算放大电路用于将VB’转换为VB，主要目的为增强电量计的VBAT管脚上的输入驱动能力和电压比例系数调整；第三电阻R3取值可等于第四电阻R4第六电阻R6的取值为0Ω～100Ω之间；第一电容C1、第三电容C3为电池电压滤波作用，第二电容C2为运算放大器U2的电源滤波电容。

电流单节化模块内的电路为电池组电流转换电路。当电池组以电流I进行充放电时，流经采样电阻32或分流器Rs的电流为I，则电量计的电流采集管脚 SRP、SRN两端的电压差为I*Rs，使用可调电阻第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9对电量计的管脚SRP、SRN两端的电压差进行分压处理，此时电量计的管脚SRP、SRN两端的电压差△V为：

当R7＝R9＝R时，则：

调节第七电阻R7、第九电阻R9，使第七电阻R7始终等于第九电阻R9，即 R7＝R9＝R,使电池组在充电和放电时都适用于此公式。则可知，使

则：ΔV＝I×Rs×G

当电池组充电时，I为正值，则电量计的管脚SRP、SRN两端的电压差△V ＝I*Rs*G为正值；当电池组放电时，I为负值，则电量计的管脚SRP、SRN两端的电压差△V＝I*Rs*G为负值。实际应用中，G可以按照实际需求进行参数选择，使电池组的充放电电流按比例G降低至电量计可以接受的范围内并可以模拟单节电芯的电流数据输入电量计。经过转换的单体电芯电压和转换的单体电芯电流，电量计已经可以对电池组的电压和电流进行实时的采集和计算，此外，电量计自身带有温度检测电阻Rt，可以用于检测电池组的温度，并作为SOC估算算法的数据来源。

此电路在使用中，电池管理系统的MCU单元通过IC端口的SCL、SDA与电量计实时通讯，获取电量计所估算的电池模型的SOC值，电池管理系统的 MCU单元结合电池组中的单体电芯电压，例如电池组中的单体最大电压，单体最小电压，必要时对电池模型的SOC值进行修正；电池管理系统的MCU单元再结合比例系数m、G将模拟电池还原为电池组，从而得出电池组的荷电状态、剩余容量等。

其中电量计可以是比较通用的bq2754x系列，也可以是其他的专用电量计 IC；其中VCC为电池管理系统的MCU单元的供电电源正极，电量计不单独从电池电芯取电，而与电池管理系统的MCU单元使用相同的供电。

使用与电池组转换之后的电池模型相同或相近的实体单节电芯进行充放电曲线的实验测量，数据采集记录，数据标定等，做成充放电曲线图谱，并将此电芯的充放电曲线图谱载入电量计。其中数据测量用的电芯也可以使用多个电芯并联组合而成，其目的是为了可以与电池模型尽可能保持各电参数一致。

本实用新型提供的电池组荷电状态估算系统，针对现有的问题进行电路设计，本实用新型采用市面上成熟稳定的单节电芯电量计作为电池组荷电状态的估算单元，单节电芯电量计可独立完成对单节锂离子电池的电量监测，并且对电池管理系统的MCU单元软件开发要求极低。电量计可以高速实时的采集电池的电压、电流和温度，实时响应度极高；可以对电池续航能力进行精确预测，并模拟出电池放电模拟曲线，同时，针对电池老化、电池自放电以及速率低效的情况进行自动调节，所以使用电量计在各种状态下进行电芯的实时荷电状态估算精度均比较高。

本实用新型是将所测量的电池组进行转换处理，即将电池组的总电压按照比例换算为单体电芯电压，将电池组充放电电流按照比例换算为单节电芯的电流，再将转换的电压、电流数据输送至单节电芯电量计，由单节电芯电量计进行数据运算处理，得出转换的荷电状态，从而得出整个电池组的荷电状态。

以上实施方式仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种电池组荷电状态估算系统，其特征在于，包括：

电池组；

电压单节化模块，用于将实时的电池组总电压转换为单节电芯电压；

电流单节化模块，用于将实时的电池组总电流转换为单节电芯电流；

数据处理中心，用于结合单节电芯电压和单节电芯电流估算单节电芯SOC值，并根据单节电芯SOC值计算并得到电池组SOC值。

2.根据权利要求1所述的电池组荷电状态估算系统，其特征在于，所述电压单节化模块包括：分压单元，用于将实时的电池组总电压进行分压，得到分压电压；运算放大单元，用于将分压电压进行转换为单节电芯电压；

所述分压单元的输入端作为所述电压单节化模块的输入端与所述电池组连接，所述分压单元的输出端与所述运算放大单元的输入端连接，所述运算放大单元的输出端作为所述电压单节化模块的输出端与所述数据处理中心的电压输入端连接。

3.根据权利要求1所述的电池组荷电状态估算系统，其特征在于，所述电流单节化模块包括：采样电阻，用于采集实时的电池组总电流；分压检测单元，用于将实时的电池组总电流进行电流单节化，得到单节电芯电流；

所述采样电阻串联在电池组的总正端或总负端，所述分压检测单元的第一输入端和第二输入端分别跨接在所述采样电阻两端；所述分压检测单元的输出端与所述数据处理中心的电流输入端连接。

4.根据权利要求1所述的电池组荷电状态估算系统，其特征在于，所述数据处理中心包括：电量计，用于结合单节电芯电压和单节电芯电流估算单节电芯的SOC值；MCU单元，用于计算得到电池组的SOC值；

所述电量计的电压输入端与所述电压单节化模块的输出端连接，电流输入端与所述电流单节化模块的输出端连接，信号输出端与所述MCU单元的信号输入端连接。

5.根据权利要求4所述的电池组荷电状态估算系统，其特征在于，所述数据处理中心还包括：

温度检测电阻，用于实时检测电池组的温度，并结合检测得到的温度估算出实时的单节电芯SOC值；

所述温度检测电阻的一端与所述电量计的VCC管脚连接，另一端与所述电量计的TS管脚连接。

6.根据权利要求2所述的电池组荷电状态估算系统，其特征在于，

所述分压单元包括第一电阻和第二电阻；

所述第一电阻的一端作为所述分压单元的第一输入端与所述电池组的总正端连接，另一端与所述第二电阻的一端连接，所述第二电阻的另一端作为所述分压单元的第二输入端与所述电池组的总负端连接；所述第一电阻的另一端还作为所述分压单元的输出端与运算放大单元的输入端连接；

所述运算放大单元包括第四电阻、第五电阻、第一电容及运算放大器；

所述分压单元的输出端与所述运算放大器的同相输入端连接，所述分压单元的输出端还经过所述第一电容、所述第四电阻与所述运算放大器的反相输入端连接，所述第五电阻的两端分别与所述运算放大器的反相输入端和所述运算放大器的输出端连接，所述运算放大器的输出端作为运算放大单元的输出端与所述数据处理中心的电压输入端连接。

7.根据权利要求3所述的电池组荷电状态估算系统，其特征在于，所述分压检测单元包括依次串联连接的第七电阻、第八电阻及第九电阻；

所述第七电阻的一端作为所述分压检测单元的第一输入端与所述采样电阻的一端连接，另一端依次串联第八电阻、第九电阻后分压检测单元与所述采样电阻的另一端连接；所述第八电阻的两端分别作为分压检测单元的第一输出端和第二输出端与所述数据处理中心的电流输入端连接。