一种准确显示锂离子电池剩余电量的两轮电动车仪表的制作方法

1.本发明涉及电动车仪表技术领域，特别涉及一种准确显示锂离子电池剩余电量的两轮电动车仪表。


背景技术：

2.目前，随着锂离子电池技术的进步和成本降低，动力锂电池在两轮电动车领域逐步替代传统的铅酸电池，其中比较主流的三元锂电池和磷酸铁锂电池。但是，由于铅酸电池的特性和锂电池的特性差异较大，且三元锂电池和磷酸铁锂电池的放电特性也存在差异。所以传统的仪表不能准确显示锂离子电池电量，骑手无法准确的知道电量的使用情况，容易出现骑行断电的问题。
3.同时，锂电池出现大负载时(比如骑手爬坡，加速)，电压会大幅度下降。当大负载消失时，电压又会回到正常值，此时骑手会误认为电池电量即将耗尽，或者存在电池存在虚电。
4.由于锂电池不具有记忆特性，想要准确知道电池容量等相关问题只能依赖内置的bms系统利用相关算法对容量进行计算，想要获取锂电池的实时情况，需要从bms获取。
5.针对仪表问题，各换电企业有推出的定制车型解决仪表显示不准的问题。这种方案，不仅换车成本高，骑手负担较重，且与电池通信大多采用rs485协议，所以电源插口无法做成标准插口，想使用其它电池必须购买定制转换头或者改装为标准电源接口。
6.因为三元锂电池和磷酸铁锂电池的放电平台差异较大，想要得到更好的体验，需要针对电池放电特性对仪表显示进行优化，简单的对容量等级划分，骑手在使用过程中体验相对较差，同时也不能让电池保持在最佳的充放电状态。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种准确显示锂离子电池剩余电量的两轮电动车仪表，以解决上述背景技术中提出的问题。
8.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种准确显示锂离子电池剩余电量的两轮电动车仪表，包括驱动负载、电池组、仪表盘和通讯电源，驱动负载、电池组、仪表盘和通讯电源均装配在两轮电动车上，所述驱动负载的电源端与电池组电性连接，驱动负载与仪表盘电性连接，通讯电源与仪表盘电性连接。
9.进一步地，所述驱动负载为电动车的驱动电机，驱动电机的电源输入端与电池组的正极电性连接，驱动电机的电源输出端与电池组的负极电性连接。
10.进一步地，所述电池组与仪表盘之间采用单线串口通信电路建立rs232通信。
11.进一步地，所述单线串口通信电路包括贴片光耦u2、贴片光耦u3、贴片三极管q1、贴片三极管q2、贴片保险丝f1、贴片二极管d1、贴片电阻r1-贴片电阻r8，贴片保险丝f1的输出端连接到主控芯片u1的chg引脚，贴片保险丝f1的输入端连接到三极管q2的集电极，并连接到电阻r7的输出端以及连接到电阻r6的输出端，电阻r7的输入端连接到贴片光耦u2的4
脚，并连接到主控芯片u1的vcc-uart引脚，三极管q2的基极连接到电阻r8的输出端，电阻r8的输入端连接到贴片光耦u2的3脚，并连接电阻r5的输入端，电阻r5的输出端与三极管q2的发射极相连后接地；
12.所述贴片光耦u2的1脚接vcc电源端输入，贴片光耦u2的2脚连接到电阻r3的输出端，电阻r3的输入端电池组的uart2-tx脚上；所述电阻r6的输入端连接到电阻r4的输出端，并连接到三极管q1的基极，三极管q1的发射极连接到贴片光耦u3的2脚，电阻r4的输入端连接到贴片光耦u3的1主控芯片u1的vcc-uart脚上，贴片光耦u3的3脚接地，贴片光耦u3的4脚连接到电阻r2的输出端，并连接到电池组的uart2-rx脚上，电阻r2的输入端接vcc电源端输入；
13.所述三极管q1的集电极连接到电阻r1的输入端，电阻r1的输出端连接到贴片二极管d1的输入端并接地，贴片二极管q1的输出端连接到贴片保险丝f1的输入端。
14.进一步地，仪表盘的主控芯片u1包括电量显示电路和控制器电路，电池组给仪表盘供电后，控制器电路开启后会立即开始建立和电池组通信连接，并且通过单线串口通信电路发送请求数据指令，控制器电路接收到电池组应答数据并解析后，电量显示电路显示电量。
15.进一步地，电量显示电路中74hc164芯片的3、4、5、7和8引脚分别串联电阻r10、电阻r11、电阻r12、电阻r13和电阻r14的一端上，电阻r10、电阻r11、电阻r12、电阻r13和电阻r14的另一端接发光二极管d10、发光二极管d11、发光二极管d12、发光二极管d13和发光二极管d14，发光二极管d10、发光二极管d11、发光二极管d12、发光二极管d13和发光二极管d14接入5v电压上，其中，发光二极管d10、发光二极管d11、发光二极管d12、发光二极管d13和发光二极管d14用于显示5格电量。
16.进一步地，电量显示电路中74hc164芯片的引脚1、2和14接控制电路。
17.进一步地，控制电路中控制器m1的显示信号经data端送至74hc 164的74hc164芯片的引脚1、2，再经内部电路移位后，从3、4、5、7和8引脚输出驱动信号，点亮相应的发光二极管d10、发光二极管d11、发光二极管d12、发光二极管d13和发光二极管d14，完成对显示电路的控制；
18.控制器m1的chg引脚与贴片保险丝f1相接。
19.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
20.本发明提出的一种准确显示锂离子电池剩余电量的两轮电动车仪表，仪表开启后会立即开始建立和电池通信连接，并且发送请求数据指令，仪表接收到电池应答数据并解析后按照规则进行显示，电源的兼容标准接口，减去骑手更换动力电池类型时的成本，并且能够准确的显示电路，避免出现大负载时，电压下降，导致误认为电池耗尽的问题。
附图说明
21.图1为本发明的单线串口通信电路原理图；
22.图2为本发明的模块连接图；
23.图3为本发明的主控芯片原理图；
24.图4为本发明的电量格电量显示电路；
25.图5为本发明的百分比电量显示图；
26.图6为本发明的磷酸铁锂的充放电特性图。
27.图中：1、驱动负载；2、电池组；3、仪表盘；4、通讯电源。
具体实施方式
28.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。
29.实施例一：
30.请参阅图2，一种准确显示锂离子电池剩余电量的两轮电动车仪表，包括驱动负载1、电池组2、仪表盘3和通讯电源4，驱动负载1、电池组2、仪表盘3和通讯电源4均装配在两轮电动车上，所述驱动负载1的电源端与电池组2电性连接，驱动负载1与仪表盘3电性连接，通讯电源4与仪表盘3电性连接。
31.驱动负载1为电动车的驱动电机，驱动电机的电源输入端与电池组2的正极电性连接，驱动电机的电源输出端与电池组2的负极电性连接，负责给整车供电，而仪表盘3的电源由电动车提供，电池组2与仪表盘3直接进行通信。
32.电池组2与仪表盘3之间采用单线串口通信电路建立rs232通信，由于锂电池不存在记忆效应，需要准确知道电池组的当前电量，只能通过与bms建立通信连接后获取相关信息，所以不直接采集关于电池的任何信息。
33.为减少车辆改装成本和复杂度，单线串口通信电路的通信方案采用rs232单线串口通信(简称单线串口通信)，属于异步半双工模式。
34.单线串口通信电路如图1，元器件如表1，通信参数为：波特率4800bps,停止位1，数据位8，无奇偶校验。
35.当电动车给仪表供电后，仪表开启后会立即开始建立和电池通信连接，并且发送请求数据指令，仪表接收到电池应答数据并解析后按照规则进行显示。
36.每间隔三秒，仪表会主动向电池请求当前数据。请求的主要内容有：soc,总电压值，放电电流，单节电压值，接收并解析完数据后，仪表将计算电池内部压差。
37.单线串口通信电路包括贴片光耦u2、贴片光耦u3、贴片三极管q1、贴片三极管q2、贴片保险丝f1、贴片二极管d1、贴片电阻r1-贴片电阻r8，贴片保险丝f1的输出端连接到主控芯片u1的chg引脚，贴片保险丝f1的输入端连接到三极管q2的集电极，并连接到电阻r7的输出端以及连接到电阻r6的输出端，电阻r7的输入端连接到贴片光耦u2的4脚，并连接到主控芯片u1的vcc-uart引脚，三极管q2的基极连接到电阻r8的输出端，电阻r8的输入端连接到贴片光耦u2的3脚，并连接电阻r5的输入端，电阻r5的输出端与三极管q2的发射极相连后接地；
38.贴片光耦u2的1脚接vcc电源端输入，贴片光耦u2的2脚连接到电阻r3的输出端，电阻r3的输入端电池组2的uart2-tx脚上；所述电阻r6的输入端连接到电阻r4的输出端，并连接到三极管q1的基极，三极管q1的发射极连接到贴片光耦u3的2脚，电阻r4的输入端连接到贴片光耦u3的1主控芯片u1的vcc-uart脚上，贴片光耦u3的3脚接地，贴片光耦u3的4脚连接到电阻r2的输出端，并连接到电池组2的uart2-rx脚上，电阻r2的输入端接vcc电源端输入；
39.所述三极管q1的集电极连接到电阻r1的输入端，电阻r1的输出端连接到贴片二极管d1的输入端并接地，贴片二极管q1的输出端连接到贴片保险丝f1的输入端。
40.请参阅图3，仪表盘3的主控芯片u1包括电量显示电路和控制器电路，电池组2给仪表盘3供电后，控制器电路开启后会立即开始建立和电池组2通信连接，并且通过单线串口通信电路发送请求数据指令，控制器电路接收到电池组2应答数据并解析后，电量显示电路显示电量。
41.请参阅图4，电量显示电路中74hc164芯片的3、4、5、7和8引脚分别串联电阻r10、电阻r11、电阻r12、电阻r13和电阻r14的一端上，电阻r10、电阻r11、电阻r12、电阻r13和电阻r14的另一端接发光二极管d10、发光二极管d11、发光二极管d12、发光二极管d13和发光二极管d14，发光二极管d10、发光二极管d11、发光二极管d12、发光二极管d13和发光二极管d14接入5v电压上，其中，发光二极管d10、发光二极管d11、发光二极管d12、发光二极管d13和发光二极管d14用于显示5格电量。
42.电量显示电路中74hc164芯片的引脚1、2和14接控制电路。
43.控制电路中控制器m1的显示信号经data端送至74hc 164的74hc164芯片的引脚1、2，再经内部电路移位后，从3、4、5、7和8引脚输出驱动信号，点亮相应的发光二极管d10、发光二极管d11、发光二极管d12、发光二极管d13和发光二极管d14，完成对显示电路的控制；
44.控制器m1的chg引脚与贴片保险丝f1相接。
45.请参阅图5，控制器m1内置的转换电路进行差压识别，电路对电动车电池的压差进行检测，并对电池的电量实时进行检测，并对信号做放大模数华处理，传输进行分析，ad5593将识别的压差识别并转换为数字信号通过ch8引脚传输给控制器m1,控制器m1将接收到的数字信号进行处理后传输到显示屏上进行显示，实现数字显示百分比。实现电量的两种显示，可以直接显示剩余电流百分比和电量格数。
46.实施例二：
47.需要对电池信息进行读取，曲轴读取电池信息指令：
48.指令说明：
49.1、传输的数据使用小端结构。
50.2、指令应答数据长度为可变长度，第5个字节为数据域长度，第6个字节为数据域第一个字节，最后一个字节为校验字段。
51.3、校验字节为前面所有数据之和，超出部分只取低字节。
52.4、指令为16进制。
53.指令：
54.1.获取总电压：46 16 01 09 04 6a
55.应答示例：47 16 01 09 04 b0 c2 00 00 dd
56.解析：总电压单位毫伏(mv).总电压数据占4个字节(b0 c2 00 00),总电压为(0xc2b0)49840mv；
57.2.获取实时电流：46 16 01 0a 04 6b
58.应答示例：47 16 01 0a 04 00 00 00 00 6c
59.解析说明：实时电流单位毫安(ma),电流数据占4个字节(00 00 00 00),电流为(0x00)0ma；
60.3.获取soc值：46 16 01 0d 01 6b
61.应答示例：47 16 01 0d 01 51 bd
62.解析说明：soc占1个字节(51),soc为(0x51)81；
63.4.获取单节电压：46 16 0124 28 a9
64.应答示例：47 16 01 24 28 ff 0c fe 0c fd 0c ff 0c 00 0d ff 0c ff 0c ff 0c fa 0c 00 0d ff 0c 00 0d d7 0c fe 0c 00 0d 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 26
65.解析说明：该条指令预留20节的电池空间，具体电池组内有多少节电池由电池决定(最大20串)，多余的字节位置零。单节电压占用两个字节,单位mv
66.示例中电池共15串，第一节电压为0x0cff(3327ma)。
67.实施例三：
68.本发明兼容三元锂电池和磷酸铁锂电池，所以需要对三元锂电池和磷酸铁锂的电池进行识别，主要通过单节电压与总电压进行区分。
69.三元电池判定条件如下：
70.1.当电池组任意一串电池电压大于3.7v。
71.2.当单节电池最大电压在3.4v～3.5之间，且总电压小于49v。(注：非充电状态下，磷酸铁锂电池单节电压值达不到3.5v)
72.3.当单节电池最大与最小电压在3v～3.4v之间，且总电压小于44v。
73.不满足上述三条都不满足，则默认判定为磷酸铁锂电池。
74.三元锂电池仪表显示：
[0075][0076][0077]
磷酸铁锂电池仪表显示规则：
[0078]
由于磷酸铁锂的充放电特性如图6所示，首位两端电压变化斜率较大，中间电压变化相对平缓。电量在中间区域时，电池压差变化不大，但当单节电压提前进入到拐点时，电
压最大的一串电池可能离拐点还有一定空间，此时继续放电压差会快速放大。所以磷酸铁锂电池在划分容量显示等级时，不能使用压差这一技术指标。
[0079][0080]
关于仪表显示反复跳跃的问题：
[0081]
电池在负载的情况下，对外输出的电压会有所降低。当负载越大时拉载就越大，当负载取消或减小时，输出电压会随着恢复。这种电压的变对压差有明显影响。
[0082]
针对这种情况，本发明的处理方法有两条：
[0083]
一、当仪表显示需要减一格时，立即对比当前电流值和上一次的电流值，如果相差大于4a以上，不执行条格操作，且旧的电流值不覆盖，持续30s后才可减一格，并更新缓存值。如果小于4a持续1分钟后，仪表显示才可以减少一格。
[0084]
二、仪表工作期间，显示格数只减少，不增加。
[0085]
故障电池组判定：
[0086]
锂电池经过多次充放电后，内部电池组之间的压差会越来越大，影响用户体验，因此压差可以作为电池是否可以正常使用的标准，具体方案如下。
[0087]
前置条件：soc大于60，不区分三元锂和磷酸铁锂。
[0088]
当压差大于300mv且小于500mv,判定电池为一级故障电池，仪表只显示一格电。
[0089]
当压差大于500mv,判定电池为二级故障电池，仪表最后一格闪烁警告。
[0090]
电源接口尽量保证与市面上的通用接口一直，减少车辆的改装成本和对其他类型电池的兼容性，能够兼容标准接口，减去骑手更换动力电池类型时的成本。
[0091]
相对的实时性和可靠性。4800bits/s的速度具有较好的抗干扰能力。由于请求的数据量较少，数据传输时间在毫秒级，显示延时的情况。
[0092]
兼顾了三元锂电池和磷酸铁锂电池的放电特性，在对用户的显示上具有特殊的针对性，在保证准确性的同时，能够让电池保持在相对最佳状态，延长电池使用寿命。
[0093]
在准确显示锂电池电量的前提下，能够根据磷酸铁锂和三元锂电池特性优化仪表显示，使电池能够长期保持在最佳状态延长电池寿命。
[0094]
综上所述；本发明的准确显示锂离子电池剩余电量的两轮电动车仪表，当电动车给仪表供电后，仪表开启后会立即开始建立和电池通信连接，并且发送请求数据指令，仪表接收到电池应答数据并解析后按照规则进行显示，由于锂电池不存在记忆效应，需要准确知道电池组的当前电量，只能通过与bms建立通信连接后获取相关信息，所以不直接采集关于电池的任何信息，电源的兼容标准接口，减去骑手更换动力电池类型时的成本，并且能够准确的显示电路，避免出现大负载时，电压下降，导致误认为电池耗尽的问题。
[0095]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。