阅读说明：本技术 一种车载动力电池大功率直流电能计量方法及系统 (Vehicle-mounted power battery high-power direct-current electric energy metering method and system ) 是由 张世帅 柳宇航 楚中建 杨磊 王明才 臧其威 谷岭 汪会财 刘型志 胡可 黄会 于 2020-06-19 设计创作，主要内容包括：本发明实施例公开了一种车载动力电池大功率直流电能计量方法及系统,包括对动力电池自放电预实验,建立自放电电量W与电动汽车环境参数之间的多元关系模型；将动力电池的负荷按照功能关联分为若干个相互并联的耦合模块,利用电能计量单元实时计算每个所述耦合模块的直线电流；实时监控动力电池单次充电后的初始总电量C,并且计算动力电池在使用过程中的每个所述耦合模块的耗能总量；根据所述多元关系模型得到的自放电电量W,以及所有耦合模块的消耗电总量Q,计算动力电池单次充电后的电能剩余量q；本方案可实时确定动力电池的实时动态变化的自放电电量,计算动力电池在单次充电后的自放电总量,提高统计动力电池的电池剩余容量的准确性。(The embodiment of the invention discloses a method and a system for metering high-power direct-current electric energy of a vehicle-mounted power battery, which comprises the steps of carrying out a self-discharge pre-experiment on the power battery, and establishing a multivariate relation model between self-discharge electric quantity W and environmental parameters of an electric vehicle; dividing the load of a power battery into a plurality of coupling modules which are connected in parallel according to functional association, and calculating the linear current of each coupling module in real time by using an electric energy metering unit; monitoring initial total electric quantity C of the power battery after single charging in real time, and calculating the total energy consumption of each coupling module in the using process of the power battery; calculating the residual quantity Q of the electric energy of the power battery after single charging according to the self-discharge electric quantity W obtained by the multivariate relation model and the total quantity Q of the consumed electricity of all the coupling modules; the scheme can determine the self-discharge electric quantity of the power battery which dynamically changes in real time, calculate the total self-discharge quantity of the power battery after single charging, and improve the accuracy of counting the battery residual capacity of the power battery.)

一种车载动力电池大功率直流电能计量方法及系统

技术领域

本发明实施例涉及电池电能计算技术领域，具体涉及一种车载动力电池大功率直流电能计量方法及系统。

背景技术

随着人们的环保意识的越来越强，电动汽车作为交通工具开始逐渐普及。对于电动汽车电池电量的监测成为电动汽车使用者关注的一个问题，电动汽车(BEV)是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。由于对环境影响相对传统汽车较小，其前景被广泛看好。

目前计算电动汽车车载动力电池大功率直流电能的方法大多如申请号为2016110782184的专利所记载，直接利用电流采样模块对动力电池的充放电电流进行采样以及电压采样模块对动力电池的充放电电压进行采样，通过电能转换模块计算电池的电能余量；所述处理器模块将输入的采样电流和电压进行数据读取并转换成电量信号，以曲线图像显示在主控装置的界面上。

也就是说，现有技术中没有考虑电池自放电电量的损耗，因此计算统计电池剩余量的精准度低，同时直接对动力电池进行电流采样和电压采样来计算电池的电能余量的方式复杂，统计方式繁琐。

发明内容

为此，本发明实施例提供一种车载动力电池大功率直流电能计量方法及系统，采用建立电池温度、电池的总使用时长、电池在单次充电后的负荷空载时长与动力电池自放电量之间的多元关系模型，可实时确定动力电池的实时动态变化的自放电电量，计算动力电池在单次充电后的自放电总量，提高统计动力电池的电池剩余容量的准确性，以解决现有技术中没有考虑电池自放电电量的损耗，因此计算统计电池剩余量的精准度低的问题。

为了实现上述目的，本发明的实施方式提供如下技术方案：一种车载动力电池大功率直流电能计量方法，包括如下步骤：

一种车载动力电池大功率直流电能计量方法，包括如下步骤：

步骤100、对动力电池自放电预实验，建立自放电电量W与电动汽车环境参数之间的多元关系模型；

步骤200、将动力电池的负荷按照功能关联分为若干个相互并联的耦合模块，利用电能计量单元实时计算每个所述耦合模块的直线电流；

步骤300、实时监控动力电池单次充电后的初始总电量C，并且计算动力电池在使用过程中的每个所述耦合模块的耗能总量；

步骤400、根据所述多元关系模型得到的自放电电量W，以及所有耦合模块的消耗电总量Q，计算动力电池单次充电后的电能剩余量q。

作为本发明的优选方案，在步骤100中，所述电动汽车环境参数主要包括电池温度、电池空载时间以及电池使用时长，所述自放电电量W与电池温度为负相关关系，所述自放电电量W与电池空载时间以及电池使用时长之间为正相关关系。

作为本发明的优选方案，在步骤200中，将所述动力电池的负荷分成若干个相互并联的耦合模块，将功能关联的负荷分在同一个所述耦合模块内，所述电能计量单元包括用于检测每个所述耦合模块电流的电流监测器，以及用于监测所述动力电池的实际电压值的电压监测器。

作为本发明的优选方案，步骤100建立自放电电量W与电动汽车环境参数之间的多元关系模型后，利用温度传感器实时监测电池温度，利用两个计时器分别计算电池的总使用时长以及电池在单次充电后的负荷空载时长。

其中所述多元关系模型随着电动汽车动力电池充电完成后开始至下一次充电结束，用于统计动力电池的总使用时长的计时器始终监测，每更换一次动力电池归零一次，用于统计动力电池在单次充电后的负荷空载时长的计时器每充电一次置零重新计时，通过对动力电池自放电预实验确定电池温度、电池空载时间以及电池使用时长与动力电池自放电量之间的函数关系式。

作为本发明的优选方案，在步骤200中，将所述动力电池的负荷分成若干个相互并联的耦合模块，将功能关联的负荷分在同一个所述耦合模块内，所述电能计量单元包括用于检测每个所述耦合模块电流的电流监测器，以及用于监测所述动力电池的实际电压值的电压监测器。

作为本发明的优选方案，所述电流监测器和所述电压监测器共同连接有所述控制处理单元，所述控制处理单元对应接收每个所述耦合模块的电流值以及所述动力电池的实际电压值，所述控制处理单元根据每个所述耦合模块的电量消耗建立耗电计量模型，并且所述控制处理单元叠加每个耗电计量模型的电流总量的实时积分结果来获得整个动力电池负荷的消耗电总量Q，所述耗电计量模型建立关于每个所述耦合模块的耗电功率-耗电时间的二维坐标系，所述耗电计量模型实时计算每个耦合模块的消耗电量。

作为本发明的优选方案，根据所述耗电计量模型计算所有耦合模块的消耗电总量Q的公式为：

其中f(x1)为第一个耦合模块在t1～t2时间段内的实时电能函数，f(x2)为第二个耦合模块在t1～t2时间段内的实时电能函数，f(x3)为第三个耦合模块在t1～t2时间段内的实时电能函数，f(xn)为第n个耦合模块在t1～t2时间段内的实时电能函数。

作为本发明的优选方案，所述实时电能函数具体为耗电功率的变化曲线，其中，f(xn)＝In·U，In为第n个耦合模块的实时电流，U为动力电池的实际电压值，且n≥1。

作为本发明的优选方案，在步骤400中，所述动力电池单次充电后的电能剩余量q的计算公式为q＝C－W－Q，在当前时刻计算所述动力电池的续航时间T的公式为：

T＝q/(I1’+I2’+I3’+……+In’)U；

其中I1’为第一个耦合模块在t1～t2时间段内的平均电流，I2’为第二个耦合模块在t1～t2时间段内的平均电流，I3’为第三个耦合模块在t1～t2时间段内的平均电流，I4’为第四个耦合模块在t1～t2时间段内的平均电流，U为动力电池在t1～t2时间段内的实际电压值。

另外，本发明还提供了一种车载动力电池大功率直流电能计量系统，其特征在于，包括：

自放电量计算模型，用于计算动力电池单次充电后空载时期的自放电量；

负荷划分耦合模块，用于将动力电池的负荷按照功能关联分为若干个相互并联的耦合模块；

电能计量单元，安装在每个所述耦合模块内，用于检测每个所述耦合模块内的导通电流；

充电监控模块，用于监控动力电池充电器的充电电流，计算在充电时间段内的动力电池初始总电能；

耗电计量模型，用于计算每个所述耦合模块的耗电量实时积分结果。

作为本发明的优选方案，还包括控制处理单元，所述控制处理单元用于统筹所述动力电池的初始电量和每个所述耦合模块的消耗电量，实时计算动力电池单次充电后的电能剩余量。

本发明的实施方式具有如下优点：

(1)本发明建立电池温度、电池的总使用时长、电池在单次充电后的负荷空载时长与动力电池自放电量之间的多元关系模型，通过检测器获得三个相关参数后，即可实时确定动力电池的实时动态变化的自放电电量，计算动力电池在单次充电后的自放电总量，提高统计动力电池的电池剩余容量的准确性；

(2)本发明将电池负荷负载按照功能集成划分为若干个耦合模块，每个耦合模块的电流呈线性变化，因此耗电计量模型计算每个耦合模块消耗电量的积分关系简单，将每个耦合模块的耗电计量模型得到的消耗电量叠加，即可得到所有耦合模块的总耗电量，计算操作简单，计量精度高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式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示例性的，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，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

图1为本发明实施方式中电能计量方法的流程示意图；

图2为本发明实施方式中电能计量系统的结构框图。

图中：

1-自放电量计算模型；2-负荷划分耦合模块；3-电能计量单元；4-充电监控模块；5-耗电计量模型；6-控制处理单元。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例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他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供了一种车载动力电池大功率直流电能计量方法，电动汽车的电池电量消耗功能模块有很多种，本实施方式将符合同一功能关联关系的动力电池负荷划分为若干个耦合模块，也就是说每个耦合模块内的负载相互串联，但是两个不同的耦合模块之间相互并联。

因此通过叠加统计每个耦合模块的耗电容量以及电动汽车电池的自放电电量，即可计算电动汽车的剩余电量，根据多个功能模块的平均电流计算在当前剩余电量下的电动汽车的续航时间。

具体包括如下步骤：

步骤100、对动力电池自放电预实验，建立自放电电量W与电动汽车环境参数之间的多元关系模型。

电动汽车电池分两大类包括蓄电池和燃料电池。蓄电池适用于纯电动汽车，包括铅酸蓄电池、镍氢电池、钠硫电池、二次锂电池、空气电池、三元锂电池，燃料电池专用于燃料电池电动汽车，包括碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)。

电池经过干贮存(不带电解液)或湿贮存(带电解液)一定时间后，其容量会自行降低，这个现象称自放电。所谓“贮存性能”是指电池开路时，在一定的条件下(如温度、湿度)贮存一定时间后自放电的大小。

电池在贮存期间，虽然没有放出电能量，但是在电池内部总是存在着自放电现象。即使是干贮存，也会由于密封不严，进入水份、空气及二氧化碳等物质，使处于热力学不稳定状态的部分正极和负极活性物质构成微电池腐蚀机理，自行发生氧化还原反应而白白消耗掉。

众所周知，电池均有一定的寿命，使用时间越长越接近使用寿命，则电池内部的自放电情况越明显，同时也跟使用温度和空载时长有关，当使用温度在标准温度(一般为在-10℃～50℃)外，电池也存在比较严重的自放电情况，电池空载时情况亦然，因此本实施方式通过对电动汽车的车载动力电池进行预试验，构建动力电池的自放电量与电池环境参数之间的关系。

电动汽车环境参数主要包括电池温度、电池空载时间以及电池使用时长，所述动力电池在负荷工作时无自放电情况，所述自放电电量W与电池温度负相关关系，自放电电量W与电池空载时间以及电池使用时长之间为正相关关系。

步骤100建立自放电电量W与电动汽车环境参数之间的多元关系模型后，利用温度传感器实时监测电池温度，利用两个计时器分别计算电池的总使用时长以及电池在单次充电后的负荷空载时长。

其中本实施方式计算自放电电量W的模型是随着电动汽车动力电池充电完成后开始至下一次充电结束，其中用于统计电池的总使用时长的计时器始终监测，每更换一次动力电池归零一次，统计动力电池的总使用时长的计时器为长期工作状态。而统计动力电池在单次充电后的负荷空载时长的计时器每充电一次置零重新计时，根据环境参数电池温度、电池空载时间以及电池使用时长的不同，对应的三个参数计数方法也不同。

因此根据电池温度、电池的总使用时长、电池在单次充电后的负荷空载时长三个数据代入多元关系模型后即可实时确定动力电池的实时动态变化的自放电电量W。

步骤200、将动力电池的负荷按照功能关联分为若干个相互并联的耦合模块，利用电能计量单元实时计算每个所述耦合模块的直流电流。

在步骤200中，将所述动力电池的负荷分成若干个相互并联的耦合模块，将功能关联的负荷分在同一个所述耦合模块内，所述电能计量单元包括用于检测每个所述耦合模块电流的电流监测器，以及用于监测所述动力电池的实际电压值的电压监测器。

由于若干个所述耦合模块之间通过并联连接，从而每个耦合模块的分流电流不同，则每个耦合模块的耗电电量不同，而动力电池的输出电流总量具体为所有耦合模块的总叠加电流。

所述电流监测器和所述电压监测器共同连接有所述控制处理单元，所述控制处理单元对应接收每个所述耦合模块的电流值以及所述动力电池的实际电压值，所述控制处理单元根据每个所述耦合模块的电量消耗建立耗电计量模型，并且所述控制处理单元叠加每个耗电计量模型的电流总量的实时积分结果来获得整个动力电池负荷的消耗电总量Q。

所述耗电计量模型建立关于每个所述耦合模块的耗电电能-耗电时间的二维坐标系，所述耗电计量模型实时计算每个耦合模块的消耗电量，根据所述耗电计量模型计算所有耦合模块的消耗电总量Q的公式为：

其中f(x1)为第一个耦合模块在t1～t2时间段内的实时电能函数，f(x2)为第二个耦合模块在t1～t2时间段内的实时电能函数，f(x3)为第三个耦合模块在t1～t2时间段内的实时电能函数，f(xn)为第n个耦合模块在t1～t2时间段内的实时电能函数。

实时电能函数具体为耗电功率的变化曲线，其中，f(xn)＝In·U，In为第n个耦合模块的实时电流，U为动力电池的实际电压值，且n≥1。

本实施方式没有直接利用电流采样模块对动力电池的充放电电流进行采样以及电压采样模块对动力电池的充放电电压进行采样，通过电能转换模块计算电池的电能余量，而是在负荷端检测多个并联的耦合模块的分电流，计算动力电池的输出总电流，主要是因为以下两点理由：

1、电动汽车动力电池的负荷分成的所有耦合模块中，存在直流电流恒定的耦合模块，而且所有的耦合模块的导通电流变化曲线为线性曲线，因此利用本实施方式的耗电计量模型对每个耦合模块的电流积分计算消耗电量(单位为安培时或者毫安时)的操作简单，并且精准度高。

2、相反的，由于电动汽车动力电池的负荷分成的所有耦合模块中，在行驶过程中不论哪一个耦合模块的电流变化，则安装在动力电池的电流采样模块采集到的动力电池输出电流即时变化，因此电流采样模块输出的电流曲线不确定变化，无规律可循，此时利用耗电计量模型对每个耦合模块的电流积分计算消耗电量(单位为安培时或者毫安时)的操作复杂，并且计算耗电量的精确度低。

因此综上所述，本实施方式通过将电池负荷负载按照功能集成划分为若干个耦合模块，将具有功能关联关系的负载分在同一个耦合模块内，若干个耦合模块本身相互并联，因此若干个耦合模块的电压是相同的，每个耦合模块的功率为线性函数，因此耗电计量模型计算每个耦合模块的消耗电量时，积分关系简单，耗电计量模型的计算程序简单，将每个耦合模块的耗电计量模型得到的消耗电量叠加，即可得到所有耦合模块的总耗电量，计算操作简单，计量精度高。

步骤300、实时监控动力电池单次充电后的初始总电量C，并且计算动力电池在使用时间段内每个所述耦合模块的耗能总量，动力电池的初始总电量C的数据等于动力电池充电器的充电电流与充电时间的乘积。

步骤400、根据所述多元关系模型得到的自放电电量以及动力电池负荷实时的消耗电总量Q，计算动力电池单次充电后的电能剩余量q。

动力电池单次充电后的电能剩余量q的计算公式为q＝C－W－Q，在当前时刻计算所述动力电池的续航时间T的公式为：

T＝q/(I1’+I2’+I3’+……+In’)U；

其中I1’为第一个耦合模块在t1～t2时间段内的平均电流，I2’为第二个耦合模块在t1～t2时间段内的平均电流，I3’为第三个耦合模块在t1～t2时间段内的平均电流，I4’为第四个耦合模块在t1～t2时间段内的平均电流，U为动力电池在t1～t2时间段内的实际电压值。

另外如图2所示，本发明还提供了一种电动汽车车载动力电池大功率直流电能计算方法，包括：

自放电量计算模型1，用于计算动力电池单次充电后空载时期的自放电量；

负荷划分耦合模块2，用于将动力电池的负荷按照功能关联分为若干个相互并联的耦合模块；

电能计量单元3，安装在每个所述耦合模块内，用于检测每个所述耦合模块内的导通电流；

充电监控模块4，用于监控动力电池充电器的充电电流，计算在充电时间段内的动力电池初始总电能；

耗电计量模型5，用于计算每个所述耦合模块的耗电量实时积分结果。

控制处理单元6，所述控制处理单元用于统筹所述动力电池的初始电量和每个所述耦合模块的消耗电量，实时计算动力电池单次充电后的电能剩余量。

另外本实施方式根据平均电流以及电池的剩余容量(电量)，可预测在目前的耗电形式下的电动汽车电池的续航时间，起到对电动汽车提前预警及时充电的作用，从而避免出现紧急缺电的情况。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。