CN102778650B - 电动车辆的电池余量估计装置 - Google Patents

Abstract

提供电动车辆的电池余量估计装置，不使用电流传感器而基于放电电流值和电压值估计电池余量。预先在占空比映射图（48）中设定与把手开度（Th）对应的占空比，在放电电流映射图（49）中设定按照由占空比决定的电压值向电动机（18）通电时的电流值。剩余容量映射图（51）被设为基于从放电电流映射图（49）中检索的电流值和实测的电压值输出电池余量。作为计算剩余容量的基准值的满充电量被预先设定成当以预定电流值使电池（4）放电时的放电电压成为预定放电结束电压时的放电电能。剩余容量映射图（51）将从满充电量减去估计电能而得的值设为电池余量，该估计电能基于实际向电动机（18）输入的电压和此时通过放电电流映射图（49）算出的电流值。

Description

电动车辆的电池余量估计装置

技术领域

本发明涉及电动车辆的电池余量估计装置，尤其涉及能够根据从电池向电动车辆的行驶用电动机供给的电压和电流来计算电池余量的电动车辆的电池余量估计装置。

背景技术

专利文献1中记载了一种电动车辆用电动机的控制装置，该电动车辆用电动机的控制装置具备：电动机驱动电路，其从电池向车辆驱动用电动机供给PWM调制后的驱动电压；第1占空比映射图，其对应于把手操作开度，设定有第1占空比；第2占空比映射图，其关于电动机驱动电路的温度和检测到的车速，设定有第2占空比，第2占空比示出当车速比设定值低时伴随于电动机驱动电路的温度上升而值变小的趋势，同时，车速越低，则各温度中的值示出越小的值，并且当电动机驱动电路的温度达到极限值时，与检测到的车速无关地变为零，上述控制装置生成包含第1占空比和第2占空比中的较小的一方的信息的信号，作为电动机的驱动信号。

【专利文献1】日本特开2007-49785号公报

通常，在电动车辆中设置电池的余量显示部，在计算电池余量时，首先，将在充电时供给的充电电流的值与充电时间相乘求出满充电量，然后，从所述满充电量中减去在车辆行驶时和停车时从电池中放电的放电电流值。但是，在这种电池余量计算方法中，必须使用价格高昂的电流传感器和存储用存储器，影响了电动车辆的低成本化，因此该情况的改善成为课题。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种电池余量估计装置，该电池余量估计装置不使用电流传感器就能够根据电流和电压计算电池余量。

为达成所述目的，本发明的第1特征在于，电动车辆的电池余量估计装置具有：电池(4)；电动机(18)，其由所述电池(4)供给电力，产生电动车辆的驱动力；把手开度传感器(23)，其对设置于电动车辆上的油门把手的操作开度(Th)进行检测；占空比映射图(48)，其对应于所述操作开度(Th)预先设定了向所述电动机(18)供给的电压值，作为电动机驱动电路(8)的驱动占空比；以及余量估计单元(6)，其将所述电池(4)的输出电压和输出电流作为参数，计算所述电池(4)的估计剩余容量，所述余量估计单元(6)具备：放电电流映射图(49)，其预先对应于所述占空比映射图(48)中设定的占空比，设定有按照由所述占空比确定的电压值向所述电动机(18)通电时的电流值；以及剩余容量映射图(51)，其根据电流值和电压值，预先设定有电池(4)的剩余容量，所述余量估计单元(6)构成为：根据通过所述放电电流映射图(49)计算的电流值(Imap)和向所述电动机(18)供给的实测电压值(Vbatt)，使用所述剩余容量映射图(51)计算所述电池(4)的剩余容量，预先设定了以预先设定的电流值使电池(4)放电时、放电电压成为预先设定的放电结束电压时的放电电量来作为满充电量，所述剩余容量映射图(51)设定有估计电池余量，该估计电池余量基于从所述电池(4)向所述电动机(18)输入的电压和此时通过所述放电电流映射图(49)计算的电流值。

此外，本发明的第2特征在于，所述满充电量是基于电动车辆的平均消耗电流和放电结束电压设定的。

此外，本发明的第3特征在于，所述剩余容量映射图(51)是对作为该剩余容量映射图(51)的参数的电流值进行直线近似而生成的。

此外，本发明的第4特征在于，该电池余量估计装置具备基于所述计算的剩余容量来显示电池余量的电池余量显示装置(7)，在刚接通电源后，将开路电压视为电池余量，通过所述电池余量显示装置(7)显示电池余量。

此外，本发明的第5特征在于，在预先决定的时间内维持基于所述开路电压的显示。

此外，本发明的第6特征在于，输入到所述剩余容量映射图的电压值和电流值是预定取样周期中的平均值。

此外，本发明的第7特征在于，当所述电池余量显示装置(7)的显示值比最新计算的剩余容量低预定的最大变化幅度以上时，使当前的显示值慢慢降低至最新的计算值。

此外，本发明的第8特征在于，当所述电动机(18)停止时，每经过预定时间，测定开路电压，以该开路电压代替电池余量，通过所述电池余量显示装置(7)进行电池余量显示。

根据具有第1特征的本发明，通过预先准备放电电流映射图和剩余容量映射图，能够不使用电流传感器而只检测电压值来估计电池的余量，因此能够提供抑制了成本的电动车辆。通过基准的满充电量与根据实际的电压值和映射图检索的电流值而估计的电量的差分，无需使用电流传感器就能够求出电池余量，其中，基准的满充电量基于放电结束电压、即剩余容量为零时的电压和通过该电压向电动机中流入的电流而被决定。

根据第2特征，基于满充电量计算电池余量，因此提高了估计精度，该满充电量是根据对应于平均消耗电流的放电结束电压而决定的。根据第3特征，简化了映射图。

根据第4、第5特征，即便在刚接通电源后的特性不稳定的期间，也能进行余量显示。根据第6特征，提高了电池余量的估计精度。

根据第7特征，避免急剧的显示变动，因此不会给用户不舒服的感觉。根据第8特征，在电动机停止时，也能够使用户观察到因普通电气负载而变动的电池余量。

附图说明

图1是安装有本发明一个实施方式的电池余量估计装置的电动车辆的左侧面图。

图2是示出电动车辆的主要部分控制系统的具体电路例子的图。

图3是示出电池余量估计部的主要部分功能的框图。

图4是示出占空比映射图与放电电流映射图的对应关系的图。

图5是示出从电池的满充电状态开始的恒流放电特性的图。

图6是示出基于恒流放电特性的剩余容量、电压以及电流值的关系的图。

图7是电池余量计算处理的流程图。

图8是示出设置于电池余量显示装置的指针的指示方式例子的图。

标号说明

4：电池；6：余量估计部；7：电池余量显示装置；8：逆变器；9：电动机驱动部；10：角度传感器；11：DC-DC转换器；12：接触器；13：转速传感器；15：主开关；16：充电器；18：电动机；22：座椅开关；23：把手开度传感器；48：占空比映射图；49：放电电流映射图；51：剩余容量映射图。

具体实施方式

下面，参照附图来说明本发明的一个实施方式。图1是安装有本发明一个实施方式的电池余量估计装置的电动车辆的左侧面图。电动车辆1是具有低踏板的脚踏型二轮车，在车体框架3上直接或者经由其他的部件间接地安装有各结构部分。车体框架3由以下部分组成：头管(head pipe)31；前框架部分32，其前端与头管31接合，后端向下延伸；一对主框架部分33，其从前框架部分32分别向车体宽度方向左右分开，并向车体后方延伸；以及后框架部分36，其从主框架部分33向车体后上方延伸。

支承前轮WF的前轮叉2可自由转向地支承于头管31。转向手柄46连接于从前轮叉2向上部延伸并由头管31支承的转向轴41的上部。转向手柄46上设置有把手开度传感器23，该把手开度传感器23检测设置于车体右侧的未图示的油门把手的转动角即把手开度。前照灯25和位于前照灯25上方的前托架26支承于与头管31的前部结合的托座37的前端部。

在车体框架3的主框架部分33与后框架部分36的中间区域，接合有向车体后方延伸的托座34。枢轴35在车体宽度方向上延伸，设置在托座34上。具备作为车辆驱动源的电动机18的摇臂(swing arm)17以可上下自由摇动的方式支承于枢轴35。电动机18的输出被传递至后轮车轴19，驱动支承于后轮车轴19的后轮WR。通过后悬挂装置20连接包含后轮车轴19的外壳与后框架部分36。在停车时支承车体的侧支架24以可枢转的方式支承于托座34。并且，设置有侧支架开关28，该侧支架开关28在侧支架24收容到预定位置时输出检测信号。

电池4安装于主框架部分33中，电池4的上部被罩40覆盖。在电池4的前部连接着空气导入管38，在主电池4的后部设置有吸气风扇39。通过吸气风扇39从空气导入管38向电池4导入空气，在将电池4冷却后，该空气向车体后方排出。优选通过未图示的空气滤清器向空气导入管38导入空气。

在后框架部分36上设置有能够与充电电缆42的插头43连接的插座44，其中，该充电电缆42从对电池4进行充电的充电器(未图示)延伸。在后框架部分36上还设置有后托架29和尾灯27等。在左右一对的后框架部分36之间设置有货箱50。在货箱50上设置有兼作货箱50的盖的驾驶座21，在驾驶座21上设置有当驾驶者坐下时进行工作而输出落座信号的座椅开关22。

图2是示出电动车辆的主要部分控制系统的具体电路例子的图。在图2中，控制系统具备电池4和控制装置5。为了获得所希望的高电压，电池4构成为将多个电池串联连接而成的电池模块。控制装置5具备：电池4的余量估计部6；由FETQ1～Q6构成的逆变器8；以及驱动逆变器8的电动机驱动部9。控制装置5连接用于显示由余量估计部6计算的电池余量的电池余量显示装置7。即，控制装置5具备具有余量估计部6和电动机驱动部9的功能的微计算机。

逆变器8的三相输出与电动机18的三相线圈连接。电动机18上设置有检测转子位置的角度传感器10。电动机驱动部9对应于角度传感器10检测的转子位置向FETQ1～Q6输入PWM信号。PWM信号的占空比是对应于由把手开度传感器23检测的把手开度和基于角度传感器10的输出而检测的电动机转速来确定的，控制向电动机18供给的电压。

控制装置5具备DC-DC转换器11，该DC-DC转换器11用于将电池电压进行降压提供给前照灯25和尾灯27这些灯装置等普通电气负载55、包含电池余量显示装置7的仪表装置。电动机18中设置有检测该电动机18的转速Nm的转速传感器13。

电池4的正线47经由作为接触器发挥作用的FET(以下称为“接触器”)与逆变器8的输入侧以及DC-DC转换器11的输入侧连接。在逆变器8的输入侧设置有输入电容器C1、C2。正线47经由设置于控制装置5内的电阻R1以及稳压二极管ZD与主开关15的一端连接，主开关15的另一端与控制装置5连接。由此，主开关15能够发挥作为在控制装置5内接通初始电源的启动开关的作用。

图2的控制系统如下工作。首先，在充电时将在车外另外设置的充电器16的插头43与插座44连接。于是，充电状态检测线14和控制装置5间的连接部变为表示充电状态的电位，由此，在控制装置5中可以识别出处于充电状态，所以即便接通主开关15，也不向电动机驱动部9发出控制指令。

当充电结束而从插座44拔出插头43时，充电状态检测线14变为开路状态，因此在接通主开关15时，控制装置5能够确认出充电器16未连接，由此可以向电动机驱动部9发出控制指令。当作为启动开关的主开关15被接通后，满足以下条件时接触器12接通，向逆变器8和DC-DC转换器11施加电压，即：接触器12无故障；连接的电池4的电压在规定值内；电池充电器16未连接；以及通过电池开路判断的剩余容量不为零。当把手开度传感器23检测到把手开度在预定的驱动开始开度值以上时，对应于该开度和根据角度传感器10的输出计算的电动机转速，对逆变器8的FETQ1～Q6进行PWM控制，以提高占空比。电动机18被供给由FETQ1～Q6的占空比决定的逆变器8的输出电压，进行旋转。

图3是示出电池余量估计部6的主要部分功能的框图。在图3中，占空比映射图48是将把手开度Th和电动机转速Nm作为参数来检索逆变器8的驱动占空比、即从逆变器8向电动机18输入的电压的指示值Vmap的映射图，该映射图被设定为把手开度Th越大、且电动机转速Nm越大，则占空比越大。该映射图是基于实测值预先设定的。

放电电流映射图49是将把手开度Th和电动机转速Nm作为参数来检索向电动机18供给的电流值Imap的映射图。该放电电流映射图49中设定的电流值Imap是当按照在占空比映射图48中设定的占空比(电压值Vmap)来驱动逆变器8时从逆变器8向电动机18供给的电流值，是预先计算求出的值。

向电动机驱动部9输入通过占空比映射图48检索的占空比(电压指示值)Vmap，电动机驱动部9按照被指示的占空比来驱动逆变器8的FETQ1～Q6。

剩余容量映射图51设置于所述余量估计部6中，是将电压值和电流值作为参数求出电池余量(安培×小时“Ah”)的映射图。后面详细说明剩余容量映射图51。在余量估计部6的剩余容量映射图51中，当被输入向逆变器8输入的输入电压值(实测值)Vbatt和基于放电电流映射图49而求出的电流值Imap时，基于这些输入值(Vbatt和Imap)输出电池4的剩余容量(Ah)。求出的剩余容量(Ah)被输入至余量显示装置7。

图4是示出占空比映射图48与放电电流映射图49的对应关系的图。如图4所示，占空比映射图48和放电电流映射图49两者都是将把手开度Th和电动机转速Nm作为参数来检索占空比和按照该占空比驱动逆变器8时流过电动机18的电流。因此，占空比映射图48和放电电流映射图49相互关联，如图4所示，根据把手开度Th、电动机转速Nm通过占空比映射图48检索的占空比与根据相同的把手开度Th、电动机转速Nm通过放电电流映射图49检索的电流值对应。

图5是示出从电池4(不是模块而是单体电池)的满充电状态开始的恒流放电特性的图。在图5中，预先设定表示电池4的满充电状态的基准点。在平均放电电流为预定值(例如10A)的情况下，基准点是闭路电压CCV变为预定的电压(例如10.5V)时的电能。电池4的剩余容量是根据该基准点的电能计算的。

根据设定的基准点，例如，当以电流值20A放电、且此时的闭路电压CCV为11.0V时，通过横轴读取图5的20A恒流放电特性线与闭路电压11V的线的交差位置的容量(Ah)。根据图5可以读出16Ah的容量。在此，因为将表出满充电的基准点设定为20Ah，所以从20Ah减去16Ah，即电池4的剩余容量为4Ah。

由此，将基于10A放电时特性的总容量设为基准点，根据各放电电流和闭路电压计算剩余容量，并根据该计算结果生成以电流值和电压值为参数的剩余容量映射图51。另外，预先通过实验决定放电结束电压的值，基于在多次的实验行驶中采集的样本数据的平均值(平均电流值)来决定。例如，以在电动车辆行驶实验中从行驶开始到停止为止的平均行驶速度为20km/小时、平均供给电流为10A的情况作为基准，决定放电结束电压。

图6是示出基于图5示出的恒流放电特性的剩余容量(Ah)、电压V以及电流值I的关系的图。另外，图6示出作为将多个电池串联而成的电池模块的电压、电流以及剩余容量的关系。基于该关系输入电压和电流，能够生成检索剩余容量(Ah)的剩余容量映射图51。另外，在实际生成剩余容量映射图51时，如果使用近似于1次函数的值而不是图6那样的2次函数的状态，则在避免数值复杂化的方面是方便的。即，针对图6示出的电流值的线，将电流值修正为平方根，使其近似于直线而生成映射图。

图7是剩余容量计算处理的流程图。在图7中，在步骤S1中，作为起动时处理，根据在主开关15被接通后、电动机18被驱动前的无负载状态下的电池电压(即开路电压)OCV和电池4的温度，进行开路电压用剩余容量映射图的检索，求出被设定为n个阶段的电池余量等级。

在步骤S2中，根据在步骤S1中求出的电池余量等级，驱动电池余量显示装置7并显示余量。通过根据开路电压OCV求出剩余容量等级的处理，能够适当应对这种现象，即：通电开始后如果不经过一定的时间，则电池4的特性就不确定，因而导致初始余量等级显示延迟的现象。另外，优选的是，在主开关15接通后，预先决定被估计为电池4的特性稳定的时间，在经过该时间之前，维持步骤S2的显示。

在步骤S3中，判断电池余量等级是否为零。如果电池余量等级为零，则进入步骤S20并停止电动机驱动。如果电池余量等级不为零，则进入步骤S4并判断电动机18是否正在被驱动。当电动机18正在被驱动时，进入步骤S5并检索放电电流映射图49，检测放电电流Imap。在步骤S6中，计算放电电流Imap的平均值，进行在预定时间(例如5秒)内求得的放电电流Imap的平均化。在步骤S7中，检测向逆变器8输入的输入电压(放电电压)Vbatt。在步骤S9中，与放电电流Imap相同，进行在预定时间内检测的向逆变器8输入的输入电压(放电电压)Vbatt的平均化。

在步骤S9中，判断电池电压Vbatt是否小于映射图下限值。当在步骤S9中判断为电池电压Vbatt并非小于映射图下限值时，进入步骤S10，向剩余容量映射图51输入实测的电池电压Vbatt和映射图检索的放电电流Imap，计算电池余量(Ah)。

在步骤S11中，计算在步骤S10中计算的电池余量(Ah)的平均值。在步骤S12中，计算上次计算的电池余量、即当前显示的电池余量(当前容量值)与最新计算的电池余量的差(变化幅度)。在步骤S13中，判断在步骤S12中计算的变化幅度是否大于预定的最大容许变化幅度。当计算值的变化幅度小于预定的最大容许变化幅度时，进入步骤S14，反映本次计算的电池余量并从剩余容量/显示电压换算表中检索电池余量显示装置7的驱动电压。在步骤S15中，利用检索的驱动电压来驱动电池余量显示装置7(例如驱动指针)。另外，关于电池余量显示装置7的驱动，后面对图8进一步说明。

当电池余量的计算值的变化幅度大于预定的最大幅度时，从步骤S13进入步骤S16，并从当前的剩余容量(Ah)减去最大变化幅度的量。当在步骤S16中从当前的剩余容量(Ah)减去最大变化幅度的量之后，进入步骤S14，反映减去后的剩余容量(Ah)并从剩余容量/电池余量变换表中检索电池余量等级。这样，具有这样的效果：当变化幅度较大时，替代所计算的电池余量而对代替剩余容量进行显示，从而使显示值慢慢(例如每5％)变化，不会给用户不舒服的感觉。

此外，在步骤S9中，当判断为电池电压Vbatt小于映射图下限值时，由于电池余量较小，因此相应地实施例如输出限制等处理。

在步骤S17中，例如，使用检索表(放电结束电压表)，对与检索放电电流映射图49而得到的放电电流Imap对应的下限电压值即放电结束电压进行检索。在步骤S18中，判断逆变器输出电压Vbatt是否在放电结束电压值以上。如果步骤S18为否定，则进入步骤S16。另一方面，如果步骤S18为肯定，则进入步骤S19，将剩余容量(Ah)设为零，进入步骤S20并停止电动机驱动。

在步骤S4为否定时即电动机18被驱动之前，进入步骤S21，判断是否经过预定时间(例如10分钟)。在经过预定时间之前，返回步骤S3，在经过了预定时间后，进入步骤S22，在步骤S22和S23中，与步骤S1、S2相同地利用开路电压(OCV)驱动电池余量显示装置7。通过该步骤S21、S22，即便在停止电动机18而停车的情况下，也能周期地显示电池4的剩余容量来使用户意识到。即便车辆在停止中，电池4的余量也会因DC-DC转换器11或者灯装置的亮灯而变化，因此显示剩余容量是有意义的。

接着，对电池余量显示装置7的显示进行说明。图8是示出设置于电池余量显示装置7的指针的指示方式例子的图。在图8中，在电池余量显示装置7的显示面上标记有：刻度7a；剩余容量几乎为零的红色区域7b；以及表示满充电状态的满电区域7c。在刻度7a上，在红色区域7b到满电区域7c之间驱动指针7d。

在电池4的剩余容量的上下限附近，由于是估计值，所以可预想到剩余容量的计算值会偏离真正的值。因此，在电池余量的上下限区域，例如20Ah电池中的小于2Ah或者16Ah以上的范围中，为了回避较大的显示误差，关于电池余量显示装置7中的显示，考虑了如下方面。

由于电池4的剩余容量较大时的余量计算值会偏离实际值2～3Ah左右，并且还要考虑电池的老化，因此，在20Ah电池的16Ah以上的高剩余容量区域中，在剩余容量计算值降低到满充电时的80％(16Ah)之前，使电池余量显示装置7的指针7d显示于刻度7a的满电区域7c的位置(参照图8(a))。

另一方面，在余量接近零时，容许偏离实际值1Ah左右，所以在20Ah电池中将剩余容量2Ah设为显示下限。因此，如图8(b)所示，在20Ah电池中，在计算的剩余容量为2Ah～4Ah范围内时，驱动指针7d使其位于红色区域7b中。此外，在20Ah电池中，计算的剩余容量为2Ah以下时，驱动指针7d使其位于可显示的范围的最下限(红色区域7b的一端)(参照图8(c))。

如上所述，根据本实施方式，无需使用电流计就能够通过计算来估计出电池4的剩余容量，并在电池余量显示装置7中显示。另外，本发明不限于上述的实施方式，可以在权利要求所述的范围内应用公知技术进行变形。

Claims (8)

1.一种电动车辆的电池余量估计装置，其特征在于，

该电池余量估计装置具有：

电池(4)；电动机(18)，其由所述电池(4)供给电力，产生电动车辆的驱动力；把手开度传感器(23)，其对设置于电动车辆上的油门把手的操作开度(Th)进行检测；占空比映射图(48)，其对应于所述操作开度(Th)预先设定了向所述电动机(18)供给的电压值，作为电动机驱动电路(8)的驱动占空比；以及余量估计单元(6)，其将所述电池(4)的输出电压和输出电流作为参数，计算所述电池(4)的估计剩余容量，

所述余量估计单元(6)具备：

放电电流映射图(49)，其预先对应于所述占空比映射图(48)中设定的占空比，设定有按照由所述占空比确定的电压值向所述电动机(18)通电时的电流值；以及

剩余容量映射图(51)，其根据电流值和电压值，预先设定有电池(4)的剩余容量，

所述余量估计单元(6)构成为：根据通过所述放电电流映射图(49)计算的电流值(Imap)和向所述电动机(18)供给的实测电压值(Vbatt)，使用所述剩余容量映射图(51)计算所述电池(4)的剩余容量，

预先设定了以预先设定的电流值使电池(4)放电时、放电电压成为预先设定的放电结束电压时的放电电量来作为满充电量，

所述剩余容量映射图(51)设定有估计电池余量，该估计电池余量基于从所述电池(4)向所述电动机(18)输入的电压和此时通过所述放电电流映射图(49)计算的电流值。

2.根据权利要求1所述的电动车辆的电池余量估计装置，其特征在于，

所述满充电量是基于电动车辆的平均消耗电流和放电结束电压设定的。

3.根据权利要求1所述的电动车辆的电池余量估计装置，其特征在于，

所述剩余容量映射图(51)是对作为该剩余容量映射图(51)的参数的电流值进行直线近似而生成的。

4.根据权利要求1所述的电动车辆的电池余量估计装置，其特征在于，

该电池余量估计装置具备基于所述计算的剩余容量来显示电池余量的电池余量显示装置(7)，

在刚接通电源后，将开路电压视为电池余量，通过所述电池余量显示装置(7)显示电池余量。

5.根据权利要求4所述的电动车辆的电池余量估计装置，其特征在于，

在预先决定的时间内维持基于所述开路电压的显示。

6.根据权利要求1所述的电动车辆的电池余量估计装置，其特征在于，

输入到所述剩余容量映射图(51)的电压值和电流值是预定取样周期中的平均值。

7.根据权利要求4所述的电动车辆的电池余量估计装置，其特征在于，

当所述电池余量显示装置(7)的显示值比最新计算的剩余容量低预定的最大变化幅度以上时，使当前的显示值慢慢降低至最新的计算值。

8.根据权利要求4所述的电动车辆的电池余量估计装置，其特征在于，

当所述电动机(18)停止时，每经过预定时间，测定开路电压，以该开路电压代替电池余量，通过所述电池余量显示装置(7)进行电池余量显示。