一种锂离子电池荷电状态估计电路及装置的制作方法

1.本发明涉及电池荷电状态估计技术领域，尤其涉及一种锂离子电池荷电状态估计电路及锂离子电池荷电状态估计装置。


背景技术：

2.荷电状态(soc)估计是电池管理系统(batterymanagementsystem，bms)最核心的技术。soc定义为当前电池容量，通常表示为参考容量的百分比，电池的soc就像燃油汽车的油量表，指示电池还剩多少电量供ev工作。精确的soc估计不仅能够提供电池剩余容量和电量的实时信息，还能提示不同节电池之间的不匹配程度以控制均衡，保障安全可靠的汽车操作。然而，soc无法直接测量，故需要通过可测量的参数如电压和电流，进行间接估计。而且电池作为复杂的电化学设备，具有明显的非线性，受诸多如温度、充放电速率和老化等因素影响，给状态估计带来很多困难。因此，一种精确、稳定、快速且计算量适中的荷电状态估计方法具有十分重要的意义。
3.传统商用bms芯片采用库仑计电路估计整个电池组的soc。库仑计在短期内具有快速和估计精度高的优点，且实现简单，但是由于电流检测存在误差，故库仑计存在累计误差，长期内估计误差较大；基于模型的估计方法，如扩展卡尔曼滤波器、无迹卡尔曼滤波器等，基本上采用软件方式实现，运算量大，相较于硬件实现，实时性较低。汽车电池系统由成百上千各电池单元组成，每节电池的soc都很重要，即发现电池的不匹配对电池的安全监测具有重要的意义，而软件实现的soc估计不能实时地估计电池组每节电池的soc以实现对电池组中每节电池的匹配度监测。
4.电子科技大学的陈立文在毕业论文“电动汽车锂离子电池管理系统研究与设计，2013”中采用了基于ekf的混合估计方法：库仑计、开路电压和ekf联合估算soc，该算法以安时积分法为整个算法的基础，其余方法为辅：开路电压法提供初始soc值，ekf用于消除测量的累计误差。但是，ekf收敛性不如ukf且该系统的soc估计仿真指标为《5％，估计精度较低。george s.misyris等人在ieee transactions on energy conversion,2019：发表的论文“state-of-charge estimation for li-ion batteries:a more accurate hybrid approach”中提出了一种混合估计方法，结合库仑计和开路电压方法的优点，与基于模型的方法共同估计电池的soc：库仑计方法在短时间内较精确，用于短期内soc测量；基于模型的方法为闭环方法-lkf，长期来看更精确；开路电压法在锂离子电池长时间静置后能够提供较为精确的初始soc值，用于初始soc的校正。但是该方法为软件实现，lkf收敛期间与库仑计共同运行，大大增加了主控的计算负担；估计电池组中每节电池soc的计算量大且耗时，不适用；而且lkf估算精度低于ukf。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种锂离子电池荷电状态估计电路及锂离子电池荷电状态估计装置，解决相关技术中存在的锂离子电池荷电状态估计的不精确等问题。
6.作为本发明的第一个方面，提供一种锂离子电池荷电状态估计电路，其中，包括：控制电路、测量值计算电路、库仑计电路、ukf电路和查找表电路，所述测量值计算电路、库仑计电路、ukf电路和查找表电路均与所述控制电路连接；
7.所述测量值计算电路用于将采集到的电池的电压量化数据和电流量化数据进行处理后得到电压值和电流值；
8.所述控制电路用于根据控制器的控制指令输出对应的使能控制信号；
9.所述查找表电路用于根据对应的使能控制信号输出电池荷电状态初始估计值；
10.所述库仑计电路用于根据对应的使能控制信号进行启动并根据所述电池荷电状态初始估计值和电流值进行计算得到电池电荷量变化值；
11.所述ukf电路用于根据对应的使能控制信号进行启动并根据电池模型参数、电池荷电状态初始估计值、电压值和电流值进行计算得到电池荷电状态估计值。
12.进一步地，当所述控制器根据电池处于空闲状态输出空闲状态控制指令时，所述控制电路能够向所述查找表电路输出第一使能控制信号；
13.当所述控制器根据电池处于短期工作状态输出短期状态控制指令时，所述控制电路能够向库仑计电路输出第二使能控制信号；
14.当所述控制器根据电池处于长期工作状态输出长期状态控制指令时，所述控制电路能够向ukf电路输出第三使能控制信号。
15.进一步地，还包括：存储器，所述存储器分别连接所述库仑计电路、ukf电路、查找表电路和所述测量值计算电路，用于存储所述电压值、电流值、电池模型参数、电池荷电状态初始估计值以及电池荷电状态估计值。
16.进一步地，所述存储器包括寄存器组和nvm，所述nvm用于存储所述电池模型参数，所述寄存器组用于存储所述电压值、电流值、电池荷电状态初始估计值以及电池荷电状态估计值。
17.进一步地，还包括spi接口，所述spi接口与所述存储器连接，用于实现所述存储器与控制器的通信。
18.进一步地，所述spi接口包括spi从机接口电路。
19.进一步地，所述ukf电路包括预测计算电路和更新计算电路，所述预测计算电路与所述更新计算电路连接，所述预测计算电路用于根据所述电池荷电状态初始估计值和电流值进行计算得到电池荷电状态估计值，所述更新计算电路用于根据电压值进行计算估计误差和卡尔曼增益以更新所述电池荷电状态估计值。
20.作为本发明的另一个方面，提供一种锂离子电池荷电状态估计装置，其中，包括控制器和bms，所述bms包括前文所述的锂离子电池荷电状态估计电路，所述控制器与所述锂离子电池荷电状态估计电路通信连接，所述控制器用于判断当前电池的状态，并根据不同的电池状态输出不同的控制指令；所述锂离子电池荷电状态估计电路能够根据所述控制器的不同控制指令选择对应的计算方式并得到电池处于不同状态下的电池荷电状态估计值。
21.进一步地，当判定所述电池处于空闲状态时，所述控制器能够输出空闲状态控制指令，
22.当判定所述电池处于短期工作状态时，所述控制器能够输出短期状态控制指令和长期状态控制指令，并读取短期状态下的电池荷电状态估计值；
23.当判定所述电池处于长期工作状态时，所述控制器能够输出短期状态控制指令和长期状态控制指令，并读取长期状态下的电池荷电状态估计值。
24.进一步地，所述bms还包括：
25.模拟前端电路，与电池连接，用于检测电池组中的电流信号和电池组中每节电池的电压信号；
26.adc电路，与所述模拟前端电路的输出端连接，用于对所述模拟前端电路输出的电流信号和电压信号进行量化处理。
27.本发明提供的锂离子电池荷电状态估计电路，能够根据控制器所判断的电池所处的状态选择不同的计算方式，从而使得电池无论处于何种状态均能够提供较精确的soc估计值，同时快速的估计速度提高了估计的实时性，使控制器能够快速监测并处理异常情况；快速估计也使得电池组内每节电池的soc估计具有可行性，能够实时监测电池组的不匹配，比仅靠电池电压值监测更可靠；大大减少了控制器的计算负担，降低了程序开发难度，控制器只需做简单的计时和读取数据，更多资源用于其它安全监测和处理，程序可移植性强。本发明可以以ip核的形式集成于bms芯片中或者以单独asic芯片形式实现，易于工业实施和应用。
附图说明
28.附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
29.图1为本发明提供的锂离子电池荷电状态估计装置的结构框图。
30.图2为本发明提供的锂离子电池荷电状态估计装置的具体实施方式结构框图。
31.图3为本发明提供的锂离子电池荷电状态估计电路的库仑计的具体实施结构示意图。
32.图4为本发明提供的锂离子电池荷电状态估计电路的ukf的具体实施结构示意图。
33.图5为本发明提供的锂离子电池荷电状态估计电路的ukf采用的1阶rc等效电路模型图。
34.图6为本发明提供的锂离子电池荷电状态估计电路的soc-ocv查找表电路的具体实施结构示意图。
35.图7为本发明提供的锂离子电池荷电状态估计装置的具体实施结构示意图。
36.图8为本发明提供的锂离子电池荷电状态估计装置的控制器的工作流程示意图。
37.图9为本发明提供的测量值计算电路的具体电路结构示意图。
38.图10为本发明提供的线性内插电路的具体电路结构示意图。
39.图11为本发明提供的双线性内插电路的具体电路结构示意图。
40.图12为本发明提供的控制电路的具体电路结构示意图。
具体实施方式
41.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
42.为了使本领域技术人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附
图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
43.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包括，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
44.在本实施例中提供了一种锂离子电池荷电状态估计电路，图1是根据本发明实施例提供的锂离子电池荷电状态估计电路63的结构框图，如图1所示，包括：
45.控制电路17、测量值计算电路12、库仑计电路14、ukf(无迹卡尔曼滤波器)电路15和查找表电路16，所述测量值计算电路12、库仑计电路14、ukf电路15和查找表电路16均与所述控制电路17连接；
46.所述测量值计算电路12用于将采集到的电池的电压量化数据和电流量化数据进行处理后得到电压值和电流值；
47.所述控制电路17用于根据控制器的控制指令输出对应的使能控制信号；
48.所述查找表电路16用于根据对应的使能控制信号输出电池荷电状态初始估计值；
49.所述库仑计电路14用于根据对应的使能控制信号进行启动并根据所述电池荷电状态初始估计值和电流值进行计算得到电池电荷量变化值；
50.所述ukf电路15用于根据对应的使能控制信号进行启动并根据电池模型参数、电池荷电状态初始估计值、电压值和电流值进行计算得到电池荷电状态估计值。
51.本发明实施例提供的锂离子电池荷电状态估计电路，能够根据控制器所判断的电池所处的状态选择不同的计算方式，从而使得电池无论处于何种状态均能够提供较精确的soc估计值，同时快速的估计速度提高了估计的实时性，使控制器能够快速监测并处理异常情况；快速估计也使得电池组内每节电池的soc估计具有可行性，能够实时监测电池组的不匹配，比仅靠电池电压值监测更可靠；大大减少了控制器的计算负担，降低了程序开发难度，控制器只需做简单的计时和读取数据，更多资源用于其它安全监测和处理，程序可移植性强。本发明可以以ip核的形式集成于bms芯片中或者以单独asic芯片形式实现，易于工业实施和应用。
52.需要说明的是，在本发明实施例中，所述库仑计电路14由于需要积分计算，且由于控制器的读取时间是不定的，因此库仑计电路14最终得到的是电荷量变化值，该电池电荷量变化值需要通过控制器进行计算才能够得到电池荷电状态估计值，而ukf电路和查找表电路均可以直接得到电池荷电状态估计值。
53.在本发明实施例中，所述控制器具体可以为mcu。
54.具体地，当所述控制器根据电池处于空闲状态输出空闲状态控制指令时，所述控制电路能够向所述查找表电路输出第一使能控制信号；
55.当所述控制器根据电池处于短期工作状态输出短期状态控制指令时，所述控制电路能够向库仑计电路输出第二使能控制信号；
56.当所述控制器根据电池处于长期工作状态输出长期状态控制指令时，所述控制电路能够向ukf电路输出第三使能控制信号。
57.应当理解的是，所述电池的状态具体可以包括空闲状态、短期工作状态和长期工作状态，具体的区分方式例如可以将电池闲置的时间与第一预设时间阈值进行比较，如电池闲置时间大于第一预设时间阈值，则判定电池处于空闲状态。另外，还可以将电池的工作时间与第二预设时间阈值进行比较，如电池的工作时间大于第二预设时间阈值，则判定电池处于长期工作状态，反之处于短期工作状态。在本发明实施例中，所述第一预设时间阈值和第二预设时间阈值均可以根据需要进行设定，此处不做限定。
58.如图2所示，所述锂离子电池荷电状态估计电路还包括：存储器13，所述存储器13分别连接所述库仑计电路14、ukf电路15、查找表电路16和所述测量值计算电路12，用于存储所述电压值、电流值、电池模型参数、电池荷电状态初始估计值以及电池荷电状态估计值。
59.在本发明实施例中，所述存储器13包括寄存器组131和nvm(non-volatile memory，非易失性存储器)132，所述nvm132用于存储所述电池模型参数，所述寄存器组131用于存储所述电压值、电流值、电池荷电状态初始估计值以及电池荷电状态估计值。
60.如图2所示，所述锂离子电池荷电状态估计电路还包括：spi接口11，所述spi接口11与所述存储器13连接，用于实现所述存储器13与控制器的通信。
61.在本发明实施例中，所述spi接口11包括spi从机接口电路。
62.具体地，所述spi接口11为高速spi从机接口，支持模式1：cpol＝0，cpha＝0，即sck时钟空闲时为低电平，数据在第一个边沿采样；mosi和miso上的数据均为msb在前，数据必须在时钟的上升沿保持稳定，在下降沿时可修改；通信数据包长度为16bits，包格式如表1所示，地址包格式如表2所示；以32mhz系统时钟为例，支持最大速率8mbit/s，通信速率随着系统时钟频率的提高而提高。
63.表1 spi数据包格式
[0064][0065]
表2 spi地址包格式
[0066][0067]
所述存储器13包含两个部分寄存器组131和非易失性存储器132(nvm，non-volatilememory)。寄存器组131的输入信号有来自spi接口的地址和数据、来自测量值计算电路的电压/电流值和soc估计电路的控制和标志信号包括参数访问控制、库仑计的溢出标志、ukf单次迭代结束标志以及soc-ocv查找表电路计算结束标志；输出信号包括spi读取的数据、soc估计电路所需参数和控制电路的控制信号。nvm132存储电池模型参数和ukf参数，以eeprom为例，mcu通过spi接口写入，其中电池参数由真实电池测试数据辨识得到；ukf和soc-ocv查找表电路传递读信号和读地址以读取参数，用于soc估计。存储器13通过spi接口11访问。
[0068]
在本发明实施例中，如图9所示，所述测量值计算电路12的输入信号为adc的量化数据，包括电压检测adc量化数据和电流检测adc量化数据、电压/电流检测各自的准备信号和参考电压值、分流电阻值，以选用16-bit精度的adc为例(以下所描述的位宽均为示例，但不限于此)，则量化数据位宽为16-bit；输出信号包括单节电池的电压值(单位：v)和电流值(单位：a)，电压值和电流值分别以定点数形式表示：q(19,3,16)和q(22,6,16)，以q(19,3,16)电压值为例，表示电压数据共19-bit，3-bit整数，16-bit小数，表示范围为0～7.999v，表示精度为1/2
16
＝0.0153mv；电压值为无符号数，电流值为有符号数，补码形式。输入的电压量化数据经与门阵列81传至乘法器82；参考电压值来自nvm，作为乘法器82的一个操作数；乘法器82的结果输出至除法器83作为被除数，除法器83的除数为固定值2
16
；电压准备信号经触发器84输出至除法器83，用于启动除法器83；除法器83的计算结果输出为测量电压值，计算结束信号输出为电压准备信号。电流量化数据经与门阵列85传至乘法器86；参考电压值来自nvm 132，作为乘法器86的一个操作数；乘法器86的结果输出至除法器88作为被除数；来自nvm的分流电阻值和固定值2
15
传至乘法器87；乘法器87的结果输出至除法器88作为除数；电压准备信号经触发器89输出至除法器88，用于启动除法器88；除法器88的计算结果输出为测量电流值，计算结束信号输出为电流准备信号。计算公式分别如公式(11)和公式(12)所示。
[0069][0070]
其中，adc_data_vol表示16-bit电压检测adc量化数据，无符号数；vref_vol表示电压检测adc的参考电压(单位：v)；adc_data_cur表示16-bit电流检测adc量化数据，有符号数；vref_cur表示电流检测adc的参考电压(单位：mv)；rshunt表示电流检测的分流电阻，单位：mω。
[0071]
库仑计电路的结构框图，如图3所示，该电路使用安时积分/库仑计数的方法实现soc估计，其输入信号为电流值(单位：a)、电流准备信号、使能信号和清零信号，输出为库仑计值、库仑计累加的次数和溢出标志。使能信号来自控制电路，值为
‘0’
时，库仑计不工作；值为
‘1’
、电流准备信号为
‘1’
时则电流值通过与门阵列31传至累加器32，累加器32累加输入的电流值，库仑计累加计数器33加
‘1’
；库仑计值为q(32,16,16)定点数，有符号。清零信号为
‘1’
时，库仑计累加的次数、库仑计值和溢出标志均清零；当库仑计出现上溢出/下溢出时，寄存器组中的库仑计溢出标志置位，通过清零信号清除；当库仑计累加的次数出现溢出时，寄存器组中的库仑计累加的次数溢出标志置位，通过清零信号清除；mcu通过固定时间内的库仑计和库仑计累加的次数值，通过公式(2)可计算得到估计的soc值。。
[0072][0073]
其中，cc_cnt_time为库仑计累加的次数，即已计算的电流检测周期的个数，对应图3中所示电路25；coulomb_cnt为库仑计，表示累加的电流值，对应图3中所示电路24；δt为电流检测周期，取决于所选用的测量值来源；经过离散积分运算，即可得到该段时间内电池中电荷量的变化，从而计算当前soc的估计值，估算的q(tk)成为下次迭代中的q(t0)。
[0074]
在本发明实施例中，所述ukf电路包括预测计算电路和更新计算电路，所述预测计算电路与所述更新计算电路连接，所述预测计算电路用于根据所述电池荷电状态初始估计值和电流值进行计算得到电池荷电状态估计值，所述更新计算电路用于根据电压值进行计算估计误差和卡尔曼增益以更新所述电池荷电状态估计值。
[0075]
无迹卡尔曼滤波器的结构框图，如图4所示，其输入信号有启动信号、电压/电流测量值、无迹卡尔曼滤器参数、电池模型参数；输出信号有单次迭代的结束信号和结果。无迹卡尔曼滤波器是基于模型的滤波算法，要想实现于锂离子电池荷电状态的估计，主要步骤大概分为两步：1.确定电池模型参数，通过spi写入存储器中；2.使能adc采样，开启ukf的迭代运算。
[0076]
第1步对待估计电池建模并确定电池模型参数，本发明所采用的等效电路模型为1阶rc(thevenin)等效电路模型，如图5所示，在电路面积最小的情况下又能够满足描述电池充放电化学行为的要求，其参数有：内阻r0，极化电阻rp，rc网络时间常数tau(rp*cp)，开路电压uoc；确定在不同soc和温度节点下的这4个参数，然后以查找表的形式通过spi接口将其存入nvm中即可。等效电路模型的公式描述为公式(3)；
[0077][0078]
所需实验数据为混合功率脉冲特性测试数据(hppc，hybrid pulse power characteristic)实验数据或脉冲放电数据；所需辨识方法为非线性最小二乘算法，不断修改参数以拟合实验数据曲线，或者使用matlab/simulink的parameterestimator工具进行辨识；soc节点为[0,0.25,0.5,0.75,0.85,1]，覆盖soc范围为0％～100％，温度(单位：开尔文)节点为[253.15,263.15,273.15,283.15,298.15,313.15]，覆盖温度范围为-20～40℃，囊括了电池工作的温度范围。模型参数设置具有通用性且可配置，适用于不同的锂离子电池。
[0079]
第2步则是无迹卡尔曼滤波器的迭代计算过程，通过本发明的ukf电路实现，每次更新电压/电流测量值后通过手动或自动的方式启动一次迭代计算；soc估计结果通过spi接口读出；相较于ekf和lkf，ukf具有优秀的快速收敛性，在soc初始值与真实值存在误差的情况下，能够在有限次数迭代后实现收敛。其状态空间方程来自等效电路模型，其算法如公
式(4-1)到公式(4-14)所示。
[0080]
初始化，见公式(4-1)到公式(4-2)：
[0081][0082][0083]
对于k∈{1,
…
,∞}，计算sigma点，见公式(4-3)：
[0084][0085]
时间更新计算，见公式(4-4)到公式(4-8)：
[0086]
χ
k|k-1
＝f(χ
k-1
,u
k-1
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4-4)
[0087][0088][0089]yk|k-1
＝h(χ
k|k-1
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4-7)
[0090][0091]
测量更新计算，见公式(4-9)到公式(4-13)：
[0092][0093][0094][0095][0096][0097]
其中，f()和h()为等效电路的状态方程和观测方程，得自1阶rc等效电路的方程；λ是复合缩放参数，l是状态空间的维度，rv是状态噪声协方差，rn是测量噪声协方差；中的求根运算为下三角cholesky分解；w
i(m)
和w
i(c)
为无迹变换的权重，计算公式为公式(4-14)。
[0098][0099]
所述ukf电路的主体为ukf算法电路45，包括了ukf的预测计算电路451和更新计算电路452，其中，所述预测计算电路451用于根据所述电池荷电状态初始估计值和电流值进行计算得到电池荷电状态估计值，主要对应上述的时间更新计算公式(4-4)到(4-8)的计算过程，所述更新计算电路452用于根据电压值进行计算估计误差和卡尔曼增益以更新所述
电池荷电状态估计值，主要对应上述的测量更新计算公式(4-9)到(4-13)的计算过程；ukf算法电路45的输入信号有启动信号、电压/电流测量值、ukf参数、电池模型参数和上一次迭代的结果。其中，启动信号来自控制电路，为一个时钟脉冲信号，用于开启单次ukf的迭代计算；电压/电流测量值来自存储器的寄存器组；电池模型参数为存储器的nvm存储的参数查找表，ukf算法电路45的控制逻辑为从中取出数据并传给比较器阵列47和46，比较器阵列47和46的输出分别传至线性内插电路43(线性内插电路具体结构如图10所示)和双线性内插电路42(双线性内插电路具体结构如图11所示)得到所需的r0、rp等参数值，双线性内插模块42为复用，通过选择器41选择复用的输入；上一次迭代结果来此存储器的寄存器组，由ukf算法电路输出并寄存。ukf算法电路的输出信号有单次迭代结束信号和迭代结果，单次迭代结束信号为一个时钟脉冲信号，输出至寄存器；迭代结果用于下一次迭代，输出至存储器的寄存器组。无迹卡尔曼滤波器在估计soc时考虑充电和放电两种情况，采用不同的充放电效率参数。
[0100]
soc-ocv查找表电路的结构框图，如图6所示，根据输入的开路电压和温度值得到soc值，开路电压ocv即电池静置一段时间后的电池端电压。其输入信号有启动信号、电压和温度测量值和soc-ocv查找表，输出信号有结束信号和soc值。输入的启动信号来自控制电路，为一脉冲信号，启动soc-ocv查找表电路；开路电压ocv和温度t测量值来自存储器的寄存器组，用于双线性内插；soc-ocv查找表来自存储器的nvm，由电池实验数据总结得到并通过spi接口写入，用于双线性内插；比较器阵列51通过输入的开路电压ocv和温度t分别在soc-ocv查找表中得到临近的坐标(ocv0，t0)和(ocv1，t1)以及它们对应的4个soc元素值q00-q11，然后双线性内插计算电路52(双线性内插电路具体结构如图11所示)根据这些参数计算得到soc估计值。
[0101]
在本发明实施例中，线性内插电路的具体电路结构示意图如图10所示，其输入信号为x、相邻坐标点(x0，x1)和(y0，y1)的值、数据准备信号rdy_i，输出信号为内插计算结果和计算结束的rdy信号。线性内插的功能描述为，在两点(x0，y0)和(x1，y1)之间存在一点(x，y)，已知x而获取y的近似值，其原理对应公式(5)。输入的准备信号rdy_i为一脉冲，经触发器95后用于启动除法器96。加法器91计算x-x0的值，加法器92计算dx的值，加法器93计算dy的值。加法器91和93的输出传至乘法器94。乘法器94的输出传至除法器96作为被除数，加法器92的输出传至除法器96作为除数。除法器96输出计算结束信号，输出结果传至加法器97。加法器97把除法器96的输出和电路输入y0相加，输出结果。
[0102][0103]
在本发明实施例中，所述双线性内插电路的具体电路结构示意图如图11所示，双线性内插是针对表格所形成的二维空间，在其中取任意一点(x，y)的元素的近似值(假设坐标分别为x和y)。输入信号包括坐标(x，y)以及该坐标相近的两个坐标点(x0，y0)和(x1，y1)、相近坐标点确定的4个元素值q00-q11、准备信号rdy_i。输出信号包括计算结束信号和计算结果。双线性内插的计算公式为公式(6)。整个双线性内插计算电路由状态机100控制，按照先分时复用加法、乘法和除法器计算出p00-p11，然后将p00-p11值相加。输入的坐标值通过选择器阵列101传至加法器阵列102。加法器阵列102输出分别传给乘法器103和104。乘法器103输出作为除法器105的被除数，乘法器104的输出作为105的除数，除法器105的启动
信号来自状态机100，结束信号rdy传至状态机100。选择器107根据来自状态机100的选择信号选择q00-q11作为乘法器106的一个操作数，另一个操作数为除法器105的计算结果。乘法器106的输出根据状态机100的逻辑分别存在p00-p11寄存器中。当p00-p11值均计算完毕时，加法器阵列109计算该4个变量的和，输出作为整个双线性内插电路的计算结果。状态机100输出计算结束标志。
[0104][0105]
在本发明实施例中，所述控制电路17的具体电路结构示意图如图12所示，用于选择电压/电流值：spi写入的值和adc测量值；控制ukf启动：手动和自动方式；控制库仑计和soc-ocv查找表电路启动。其输入信号包括来自寄存器的控制信号，准备标志信号以及电压/电流值，输出信号包括实际传至3个soc估计电路的电压/电流值和ukf的实际启动信号。电流值包括spi写入电流值cur_spi和adc测量电流值cur_meas，传至选择器阵列115，由选择信号meas_sel选择传至输出。电压值包括spi写入电压值vol_spi和adc测量电压值vol_meas，传至选择器阵列116，由选择信号meas_sel选择传至输出。电流准备标志信号包括spi写入电流准备信号rdy_cur_spi和adc测量电流准备信号rdy_cur_meas，传至选择器111，由选择信号meas_sel选择。电压准备标志信号包括spi写入电压准备信号rdy_vol_spi和adc测量电压准备信号rdy_vol_meas，传至选择器112，由选择信号meas_sel选择。选择器111和112的两个输出传至电路113(虚线框)，该电路判断111和112的输入是否同时为
‘1’
，并生成ukf的自动启动信号。来自寄存器的ukf手动启动信号start_ukf经过边沿检测器118产生脉冲，输出至选择器114。边沿检测器118输出的手动控制信号和电路113输出的自动启动信号经选择器114，由来自寄存器的控制信号en_auto选择，作为ukf的实际启动信号传至输出。来自寄存器的查找表电路启动信号start_sococv经过边沿检测器117产生脉冲，输出为查找表电路的启动信号。来自寄存器的库仑计启动信号en_cc直接输出为库仑计的使能信号。
[0106]
作为本发明的另一实施例，提供一种锂离子电池荷电状态估计装置，其中，如图7所示，包括控制器64和bms，所述bms包括前文所述的锂离子电池荷电状态估计电路63，所述控制器64与所述锂离子电池荷电状态估计电路63通信连接，所述控制器64用于判断当前电池的状态，并根据不同的电池状态输出不同的控制指令；所述锂离子电池荷电状态估计电路63能够根据所述控制器的不同控制指令选择对应的计算方式并得到电池处于不同状态下的电池荷电状态估计值。
[0107]
在本发明实施例中，当判定所述电池处于空闲状态时，所述控制器能够输出空闲状态控制指令，
[0108]
当判定所述电池处于短期工作状态时，所述控制器能够输出短期状态控制指令和
长期状态控制指令，并读取短期状态下的电池荷电状态估计值；
[0109]
当判定所述电池处于长期工作状态时，所述控制器能够输出短期状态控制指令和长期状态控制指令，并读取长期状态下的电池荷电状态估计值。
[0110]
具体地，所述bms还包括：
[0111]
模拟前端电路61，与电池连接，用于检测电池组中的电流信号和电池组中每节电池的电压信号；
[0112]
adc电路62，与所述模拟前端电路61的输出端连接，用于对所述模拟前端电路输出的电流信号和电压信号进行量化处理。
[0113]
在本发明实施例中，所述模拟前端电路61具体可以包括高压前端和减法器等，例如，所述模拟前端电路61可以采用“a voltage monitoring ic with hv multiplexer and hv transceiver for battery management systems”中所公开的电路实现，其具体工作原理为本领域技术人员所熟知，此处不再赘述。
[0114]
在本发明实施例中，所述adcs62包括电流检测adc622和电压检测adc621，其输入连接模拟前端61，用于量化模拟前端传来的检测信号，所述mcu控制器64用于控制模拟前端电池的选择、锂离子电池荷电状态估计电路的配置、启动和估计结果读取。控制器64的操作流程如图8所示。
[0115]
应当理解的是，如图8所示，控制器64的具体工作流程为：将电池闲置的时间与第一预设时间阈值ta进行比较，如电池闲置时间大于第一预设时间阈值ta，则判定电池处于空闲状态。另外，还可以将电池的工作时间与第二预设时间阈值tb进行比较，如电池的工作时间大于第二预设时间阈值tb，则判定电池处于长期工作状态，反之处于短期工作状态。在本发明实施例中，所述第一预设时间阈值和第二预设时间阈值均可以根据需要进行设定，此处不做限定。
[0116]
当确定电池处于空闲状态时，通过查找表电路确定电池荷电状态初始估计值，即初始soc＝soc_sococv，该初始soc作为后续电池工作状态时计算soc使用。
[0117]
当电池处于短期工作状态时，选择基于库仑计电路的方式进行soc的计算，即控制器向控制电路发送与短期工作状态对应的控制指令，控制电路通过使能信号选择库仑计电路工作，从而实现基于库仑计计算soc，具体计算过程可以参照前文所述，此处不再赘述。
[0118]
当电池处于长期工作状态时，选择基于ukf电路的方式进行soc的计算，即控制器向控制电路发送与长期工作状态对应的控制指令，控制电路通过使能信号选择ukf电路工作，从而实现基于ukf电路计算soc，具体计算过程可以参照前文所述，此处不再赘述。
[0119]
综上，本发明实施例提供的锂离子电池荷电状态估计电路及装置，通过在电池的不同工作状态选择不同的soc计算方式，使得电池无论在短期和长期内均能提供较精确的soc估计值，从而克服了传统商用bms芯片仅使用库仑计估计soc存在长期累计估计误差大、估计精度受初始soc值影响大和仅靠电压监测电池组不匹配的滞后性等问题，传统软件实现基于模型的估计方法存在消耗的运算资源大、无法实时估计电池组每节电池soc和短期估计需要收敛时间等局限。另外，该锂离子电池荷电状态估计电路以专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)形式实现了以ukf为主、库仑计和开路电压法为辅的混合方法估计电路，从而提高了soc估计精度、速度和可靠性。
[0120]
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施
方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。