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摘要 摘要 为了解决环境污染和资源短缺的问题，世界各国对清洁能源非常重视，进行 了大量的研究工作。随着科技的发展，锂离子电池越来越受到重视，并越来越多 的应用在各个领域中。大量锂离子电池的应用如果不对其进行高效的管理，就不 能充分发挥其动力性能，从而造成能源的浪费。准确和可靠的获得电池的荷电状 态( s o c ) 是电池管理系统中最基本和最首要的任务。但是，由于电池结构复杂， 电池的荷电状态受放电电流、电池内部温度、自放电、老化等因素的影响，使得 s o c 的估算出现很大困难。本文根据锂电池在使用中的实际情况，提出一种新 的方法进行s o c 的估算，从而提高s o c 估算精度。 在本文中，首先对s o c 的定义做了简要的介绍，还介绍了影响s o c 的因素， 并对目前几种主要的s o c 预测方法进行比较分析，最终在结合几种方法优点的 基础上，提出了一种基于开路电压和数学建模的s o c 预测方法。同时根据实验 需要，对电池内部原理进行了简单的介绍，分析化学电源的相似性，并对比几种 电池模型的特点，最终选择了含有两个r c 环节的电池模型，得到模型待定系数 方程。参数估计是s o c 预测的关键，本文对参数估计原理和几种参数估计方法 进行了介绍，对比各个方法的优缺点和适用情况，最终选择了最小二乘法作为本 文的参数估计方法。并选取一组实验数据，使用m a t l a b 软件进行非线性曲线 拟合，得到电池模型的待定系数。 在本文的最后，对实验测得的曲线进行仿真并对实验结果进行了分析，实现 s o c 估计的良好精度。 关键词：s o c ；开路电压；参数估计 a b s t r a c t a b s t r a c t e v e r yc o u n 缸yi nm ew o f l di sc o n c 锄c d 砸吐lc l e 孤e 1 1 e r g y 锄dh a sd o n eal o to f r e s e 鲫c hw i m 【i n0 r d e ft os o l v ep r o b l 锄o ft h ee i l 、，i r 伽m e n t a lp o l l 嘶0 n 蚰ds ：h o n a g e o fr e s o i l r c c s w t h 廿l ed e v e l o p m 锄to ft e c l l i l 0 1 0 9 m p e o p l ep a ym o r e 觚dm o r ea n d o n l 洫i 啪i o nb a t t e r y a n dl i 廿l i u mi o nb a t t e r yi sm o r e 觚dm o r ea p p l i e di nv a r i o 啵 缸e l d s i tc 划t 西v e 缸l lp l a yo fi t sd y n a l i l i cp e r f o n n 强c e 锄d 谢uc a u s eaw a s t eo f 饥e 恻i f w ec a l l tm 趾a g ei te 触t i v e l y l 1 l e 面m 叫o b j e c t i v c si sg e n i i l gt l l es o co f l i 衄啪i o nb a t t e 哆h o w e 、r i t sv e f yd i 伍c u l tt 0 船t i m a t es o cd u et om eb a 位e 叮s s o ci sa 丘e c t c d b yd i s c h a r g ec u r r 乞缸e n l a lt 锄p e r a t 呱e ，s e l fd i s d h a r g e ， a g e i l l g ，e t c 1 1 1 i sa r t i c l ep u t 蠡) n 眦dak i n d0 fn e wm e t h o dt oe s t i m a t es o c w h i c h b a s e d0 na s r i l a t t c r o 勖c t a n d l i sm 劬0 di n l p r o v 酣m ee s t i i i l a t ep r e c i s i o fs o c i i l l i sp a p i tm a d eab r i e fi n 仃o d u c t i o no fs o ca tt l l eb e g i l l i l i n g ，t i l 饥 i n t r c d u c c dt l l ei n n u c e 白c t o r so fs o c a f i 钟t h a t ，t h i sp a p e rm a d eac o m p 盯a t i v e 锄a l y s i sf i 江s w e f a lm a j o rs o cp r c d i c t i o nm e n l o d 锄dc 0 i n _ b i n c dt l l ea d v 姐协g e so f 血铬em 甜1 0 d s i tp r 叩o s e dap r e d i c c i o nm e 吐1 0 do fs o c 她c hb a s e d 吼0 p 吼c h u i t v o l t a g e 趾dm a n l e m a t i c a lm o d e l i n g a tm es 锄en m e 也i sp a p 盱缸r o d u c e db a t t e r y i n t e 眦lp r 妇i p l ca c c o r d i i l gt 0l l l ee x p 酉i i i l e n ty o un e e d a n dt l l e nm a d ea i l a l ) ，s i so ft 1 1 e c h e i n i c a lp o w e rs i l i l i l a r “i e s f i i l a 峨i tp r o p o s e ds e y c r a l 妇d so f b a t t qm o d e l s 柚d d e t e n i l i i l c dt l l eb a t t e 拶m o d e lw h i c hi i l c i u d et w 0r cp a n s a r e rm a t ，w e9 0 t 吼d e t 锄i l l e dc o e m c i e n te q u a t i o no fm o d e l t h em o s t 呻o ns t 印i ns o c 矗”e c a s ti s p a r 锄e t e r e s t i l i l a t i o n t h i s p 印e ri i l 仃o d u c e dp a r a m e t e r e s t i m a t i o np r i i l c i p l e 锄d s c v 盯a lm e m o d so fp a m m e t e r s 嚣t i n l a t i a r e rc 锄p a r i i l gn l ea d v 姐协g 馏锄d d i s a d v a n t a g e so fe a c hm e 血o da n d 印p l i c a b l e ，i tc h o s el e a s ts q u a r em e m o da s p a r 锄“ce s t i i i l a t i o nm 汕o di n t l l i s p a p 既i i la d d i t i 呲，i ts e l e c t e da 伊o u po f c x p e r i m 饥t a ld a t a ，m a d en l i i l e a r 伽w 肌吨l l s i l l g 叮l a bs o f l w a r e ，趾d 1 g o tt 1 1 eb a t c e r ) ，u i l d e t e 肌i i l e dc o e m c i e i l t so f m em o d e l a tl a s t ，t l l i sp 印e rm a d eas i l i l u l a t i 帆0 f 血em e a s u r e dc u r v ei i lm e 唧刚m e i l t 觚d 锄a l y s c d e x p e r i m 册t a lr e s u l t b e s i d e s ，t h i sp a p e rr e a l 娩e dt l l e9 0 0 dp r e c i s i o no fs o c 基于开路电压的s o c 估算方法研究 e s t i m a t i o n k e y w o r d ：s o c ；o p c i l c i r 撕tv 0 1 t a g e ；p a r 锄e t e re s t i m a t i o n m 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 电动汽车是指全部或部分用电能驱动电动机作为动力系统的汽车。电动汽车 的特点有：无尾气排放，具有良好的环境保护效果；噪声低，仅为传统汽车噪音 的2 5 ：热效率高，比传统燃油汽车高出近5 0 以上；排放的废热少，可有效 减轻城市“热岛效应 ；可回收利用的能量多，可以改善能源结构，解决汽车的 能源替代问题，结构简单，使用维护方便等。 目前世界汽车保有量约为8 亿辆，并以每年3 0 0 0 万辆的速度递增。2 0 l o 年 全球汽车保有量达到1 0 亿辆，交通能源消耗已经成为局部环境污染和全球温室 气体排放的主要来源之一。电动汽车的发展可有效解决交通能源消耗和环境污染 问题。因此电动汽车被视为抢占2 1 世纪汽车主导地位的主要车型已是不争的事 实。 现代电动汽车一般可分为三类：纯电动汽车( p e v ) 、混合动力汽车( h e v ) 、 燃料电池电动汽车( f c e v ) 。它们各有自己独特的特点以及不同的应用范围，处 于不同的开发阶段【1 1 。 纯电动汽车从车载储能装置上获得电力，以电机驱动。其特点是无排放、不 依赖汽油，但是由于蓄电池的能量密度和功率密度比汽油低很多，因此纯电动汽 车的续驶罩程有限。虽然近来高性能动力电池，如锂离子动力电池取得很大进展， 但其成本较高，因此纯电动汽车主要应用于小型车、短途的社区交通。 美国在1 9 7 6 年就制定了电动车辆研究计划，1 9 9 6 2 0 0 0 年e v l 电动汽车大 约售出1 1 1 0 辆。2 0 0 6 年世界上第一辆全电动跑车t e s l ar o a d s t e r 问世，肌1 0 0 l ( i i 油 加速时间仅为4 s ，最高车速2 1 7 m h ，一次充电旅程为4 0 2 k m 。此外，法国日 本等都有小批量电动轿车生产。我国自1 9 9 2 年起就将电动汽车的研究列入国家 科技攻关计划，到目前为止全国已有多家公司致力于电动汽车的研究和开发。目 前纯电动汽车主要用在小范围内的特殊场所。 混合动力电动汽车采用内燃机和电动机作为动力，其怠速停机和制动能量回 收功能在城市工况下能够有效节省能源消耗，降低排放。近几年在传统混合动力 基于开路电压的s o c 估算方法研究 汽车的基础上，又派生出的一种外接充电式( p l u 乎i n ) 混合动力汽车，简称p h e v ， 其蓄电池可以由电网充电，但是目前尚未产业化。1 9 9 5 年p r i u s 在东京车展上出 现，今天p r i u s 已经成为世界上第一辆大批量生产的混合动力电动轿车。本田开 发的i i l s i g h t 也是同样著名的混合动力轿车。近年来，国内一些企业如奇瑞、上 汽等公司也在大力开展混合动力轿车的研发。目前混合动力电动汽车是大部分企 业认同的第一代新能源汽车，国家发改委近期也出台了相关法规规范这一技术在 国内生产。混合动力汽车是电动汽车市场中的主流，因为它具有了广泛的应用范 围，逐渐也被市场接受。 燃料电池电动汽车是用电动机作为动力，用燃料电池作为能源。能源的获取 从短期看，含氢的化学燃料、小有机分子和无机材料都可作为燃料；从长期和更 大范围来看，氢能构成了人类所需能量供给的来源直接依托于太阳。以氢作为中 间能量载体，将不会面临像石油、煤炭、天然气等不可再生能源的枯竭问题。当 以纯氢为燃料时，燃料电池汽车能够达到真正意义上的“零 排放( 单指燃料电 池电动汽车本身的运行过程而言时) ，当以车载甲醇燃料重整器制氢时，其尾气 排放也完全可以达到美国加州制定的超低排放标准。在动力性和续驶里程等性能 上，燃料电池汽车完全可以和传统内燃机汽车相媲美。但燃料电池的功率密度较 汽油的功率密度低很多，因此还需要用少量的电池或超级电容，以提高汽车的加 速性能。虽然燃料电池电动汽车有良好的前景，但目前尚未产业化，燃料电池的 可靠性，寿命有待改进，氢气的基础设施有待建立，氢气的来源和供应有待解决。 纯电动汽车的发展将取决于电池技术的进一步突破，在进一步提高动力蓄电 池的功率密度、循环寿命和经济性的基础上，纯电动客车和纯电动轿车将在城市 公共交通和公共服务用车等目标市场出现广泛的需求【2 1 。2 0 0 8 年北京举办奥运 会2 0 1 0 年上海举办世博会，为电动汽车的市场切入提供了良好机遇。电动汽 车将因为政府采购和地方集团的购买而有一个巨大的市场，电动汽车若在整车及 配套技术获得突破进展。尤其是能量储存装置的比能量、比功率和可靠性获得大 幅度提高，找到最佳的电池组充放电方法，根据使用条件找到合理的使用运行机 制，在一定程度上解决续驶里程短和产品成本高的问题，再加以积极的产业政策 扶持，就必将形成产业化的条件。 我国在电动汽车方面已经开展了大量的研发工作，国家和有关部门和单位都 投入了相当的人力物力，也取得了许多的成果【3 】。但迄今为止，电动汽车还未真 2 第一章绪论 正实现商业化运作和服务于经济增长电动汽车在公交客车和旅游客车领域的优 先发展优势还未得到实现。随着技术和实际使用中关键问题的解决，电动汽车的 产业化将成为必然。 我国能源匮乏，加上出产石油国家地区政局动荡和战火不断，减少对石化燃 料的依赖是我国的当务之急夜间电力资源的过剩与浪费是我国乃至全世界大中 城市的共同问题，电动汽车可以利用夜间充电，是平衡夜间低谷用电的有效途径， 对有效利用电力具有重要意义。因此发展电动汽车对我国能源结构调整和提高能 源系统运行效率具有重要的战略意义。电动汽车是我们民族汽车工业振兴的希望 所在。在传统的汽车产业上，我国落后发达国家2 0 多年但在电动汽车领域我 国与国外的差距相差较小，有些领域还走在了世界前沿。因此发展电动汽车将有 可能使我国跨越式发展并赶超汽车发达国家，从而促进整个民族汽车工业的振 兴。 1 2 电动车电池现状与发展趋势研究 由于世界范围石油资源匮乏与环境污染加剧，各种车辆能源结构的调整已成 为全球关注和研究的热点。电动车代表了新一代环境协调型交通工具的发展方 向，电池作为电动车的“心脏”，车用动力电池也将对2 1 世纪的能源结构产生 重大和深远的影响【4 h 6 】。 一u 1 2 1 车用动力电池研究概况 当前，被认为可以用作动力车电源的有：铅酸蓄电池、m h n i 蓄电池、锂 离子电池、燃料电池、锌镍蓄池、金属空气电池、钠硫酸蓄电池、c d n i 电池等。 目前的研究热点主要集中在铅酸蓄池、锂离子电池、m h - n i 蓄电池和燃料电池 等几个方面。 1 ) 铅酸蓄电池 铅酸电池具有历史悠久，开路电压高，成本低廉，使用可靠，原材料丰富及 铅回收率可达9 0 等优点，被各国电动车采用。福特公司的混合电动车用铅酸电 池比功率已达2 4 k w l ( g ，比能量6 0 w l 以g 。我国中船重工7 1 2 所、武汉银泰公 司正在研制高比能量的铅酸电池。但铅酸电池随着充放电次数的增加，容量会逐 基于开路电压的s o c 估算方法研究 渐衰减，而且比能量较低、比功率较小、生产过程造成污染在电动车需求的刺 激下，铅酸电池的研究也取得了很大的进展，达到了较好的性能指标，但作为电 动车动力使用仍然面临巨大的挑战，即必须在以下三个问题上有所提高：提高比 能量和比功率，提高循环寿命，快速充电。 提高比能量和比功率采取的措施主要有：采用新型板栅合金材料以减少极板 质量，采用新型结构设计减少电池质量，采用新型添加剂和铅膏配方提高活性物 质的利用率等。提高循环使用寿命的主要措施有改进电池隔板( 如采用富液式隔 板，适当地提高电解液的用量，达到提高循环寿命的目的) ，采用胶体电解质， 采用管形正极板( 管形正极做密封蓄电池，国外的经验认为必须用胶体以及用 p v c 隔板取代吸液式隔板，改进膨胀剂的性能等。提高快速充电能力，采取的 措施主要有：改进电池结构以降低欧姆内阻，提高反应离子扩散速度和改进蓄电 池的充电制度等来实现。 为了解决电动车用铅酸电池的主要三大技术难关，国际铅锌研究组织于 1 9 9 2 年发起成立了先进铅酸电池联合会( a u 蛆c ) 。通过a l a b c 组织的两个阶 段的攻关开发，电动汽车和混合电动车( 啪e v ) 用的铅酸电池已经取得了重 大进展。表1 1 为e v 用铅酸电池近年来的进展情况。 表1 1e v 用铅酸电池的进展情况 2 ) m h n i 电池 m h n i 蓄电池正极活性物质采用氢氧化镍，负极活性物质为贮氢合金，电 4 第一章绪论 解液为氢氧化钾溶液，其具有高比能量、高比功率、长寿命、适合大电流放电、 充电快、安全性高、无污染等优点，已被日本、美国等发达国家列为重点发展领 域。本田公司研制的m h n i 蓄电池电动车最高时速达1 3 0 1 a l 油，丰田公司的 删l 电动车最高时速也可达1 2 5 h 讹。 高温性能差是m h n i 电池用于电动车的主要问题之一，自放电大也是 m h n i 电池的一大缺点，在电池使用和贮存过程中，常出现一些低电压甚至零 电压。通过表面处理和改进电极材料可以减少毛刺从而减少自放电。电池注液后， 快速封口及封口后立即充一部分电可减少微短路发生的可能性，还可以对贮存后 的低电压电池通过特殊的处理方法来消除由c o 桥或m n 桥引起的短路现象，从 而也可以减少自放电。除此以外m h n i 电池还存在极板材料均一性较差，价格 居高不下等缺点。今后开发应用当中要考虑的问题还有：电池安全阀的设计、各 单体电池的一致性、电池充放电过程中的散热一其中电池的散热问题，可以从电 池的充电制度、电解液加入量、隔膜的优选及电池的组合设计上对电池加以改进 等方法来解决。 tt 美国和日本等国均大力研制开发不同类型的动力车用m h ，n i 电池。美国先 进电池联合会( u s a b c ) 将m h n i 电池作为电动车主要的中期候选电源。美国 的o v o l l i c 电池公司已开发出电动车用大容量方形m h n i 电池，提供给通用汽车 公司作电动汽车试运行。表1 2 比较了几家具有代表性的公司开发的m h n i 动 力电池的性能指标。 表1 2 电动车用大容量m h n i 动力电池性能情况对比 基于开路电压的s o c 估算方法研究 3 ) 锂离子电池 锂离子电池具有比能量高，自放电小，循环寿命长，无记忆效应和对环境污 染小等优点，高能量的锂离子电池的比能量超过l o o 啪k 9 1 ，高功率的锂离子 电池的比功率大于3 0 0 w k 9 1 ，循环寿命超过l o o o 次。聚合物锂离子电池的比 能量超过2 0 0 吼k 分1 ，比功率超过4 0 0w k 9 1 ，循环寿命超过5 0 0 ，一次充 电可使电动汽车行程超过4 8 0 k m ，是u s a b c 实现2 0 1 0 年目标的电动车用锂离 子电池。日产h y p e i l m i n i 电动车采用锂离子电池，其最高时速达1 0 0 k 1 1 h ，行驶 里程为1 3 0 k m 。武汉力兴、深圳比亚迪、韩国l g 等正积极开拓锂离子蓄电池在 电动车领域的市场。 制约锂离子电池作为电动车用电池的主要因素是它的安全性和价格。电动车 用电池的安全问题是必须严肃对待的问题，也是倍受关注的问题。锂离子电池使 用过程中发生安全事故的主要原因是电池中大的短路电流使电池局部温度升高， 从而导致正极与有机电解液发生剧烈反应，以至电池起火或爆炸。目前l i c 0 0 2 是广泛使用的锂离子电池正极材料，c o 的价格相当高并且不断地上涨，而且我 国的储量很少。锂离子电池的价格大约是铅酸电池的5 6 倍，镍氢电池的2 倍。 笔者认为，要解决锂离子电池安全性和价格问题都要很大程度依赖锂离子电池材 料的发展。l i c 0 0 2 正极材料正常充电时晶格中的“+ 只有一半被脱出，但过充 电时，其晶格中剩余的l i + 可全部脱出，锂金属沉积在负极材料表面，而且脱锂 后的终极产物不是c 0 0 2 ，都会与电解液中的可燃有机物发生副反应，产生安全 问题。如果用l i m n 2 0 4 做正极材料，电池充电时，它晶格中的锂可以全部脱出， 终极产物是稳定的m n 0 2 ，就可以大大消除安全隐患：就价格而言，m n 的价格 比c o 便宜几十倍，而且我国的m n 储量也很丰富。只不过l i m n 2 0 4 与l i c 0 0 2 相比容量衰减较快，这一问题也可以通过掺杂来解决。最近，因“f e p 0 4 具有价 格低廉、结构稳定、没有毒性对环境友好等优点，其研究工作也倍受关注，只要 能解决其导电性问题，l i f e p 0 4 有可能成为很有前途的正极材料。 为了适应电动车对电池高比能量、高比功率的要求，从2 0 世纪9 0 年代中期 开始，日本、法国、德国、加拿大等国进行了大容量锂离子电池研究。1 9 9 6 年， 日本s o n y 公司试制成功用锂离子电池( 1 0 0 a h ) 驱动的电动车，法国s a r 公司 也于1 9 9 8 年对电动车用锂离子电池( 5 0 a h ) 进行中试。表1 3 为电动车用锂离 子电池的性能指标。 6 第一章绪论 表1 3 电动车用锂离子电池的性能指标 我国天津电源所也于1 9 9 6 年开始进行大容量锂离子电池的开发，研制成功 的，5 5 a h 的大型圆柱型电池目前已具备小批量生产的工艺条件，具有较好的性 能，同时该电池的各项指标也基本上符合电动车用电池的国家标准。表1 4 为天 津电源所研制的5 5 a h 圆柱形锂离子池的主要性能指标。 t 表1 4 天津电源所研制的5 5 a h 圆柱形锂离子电池主要性能指标 5 ) 金属空气电池 锌空气电池以锌为负极，空气中的氧作为正极活性物质，氢氧化钾溶液为 电解液。它的优点是：原材料价廉、质量比能量较高、工作电压平稳、电池的生 产过程对环境没有明显的影响。目前，实现商业化的锌空气电池以一次电池为 主，这主要与可再充锌空气电池的充电问题比较复杂，锌空气电池电解液的吸 7 基于开路电压的s o c 估算方法研究 湿与干涸，电池的漏电有关。锌空气电池要作为电动车用电源，以上问题必须 解决。铝空气电池只能采用机械式充电，使用起来不太方便。尽管铝资源丰富， 但氧电极催化剂的价格很高。各种因素都限制了铝空气电池作为电动车电源的 应用。继以色列e f l 公司之后，我国博信公司、通锐新能源等也进行了电动车 用锌空气电池的研究开发。 总之，金属空气电池用于电动车的很多研究还在摸索和尝试过程中。 虽然技术不断进步，电池性能不断提高，但是仍不能满足电动汽车的使用要 求【7 】州】。目前动力蓄电池存在的问题主要有：能量密度低、快速充电接受能力差、 电池价格贵。此外，电池的荷电状态s o c 估算和寿命s o h ( s t a t eo fh e a l m ) 评估 目前还不能满足车辆和电池实际需求，是电池管理系统最大的缺陷，这极大的限 制了电池容量有效发挥，电池使用的安全性和可靠性随之降低。这直接影响到电 池的性能和电池寿命以及电动汽车的驾驶性能和电动汽车事业的推广。在能源和 环保压力的推动下，电池技术还将进一步发展，有关问题也有望得到解决。 1 2 2 动力型二次电池性能比较 电动车对电池组的一般要求： 1 ) 高容量以支持一定的续行里程； 2 ) 高功率能大电流放电、启动快、加速和爬坡能力强； 3 ) 单体电池电压高减少串联数量，防止电池一致性差产生的电池组故 障； 4 ) 循环寿命长、容量衰减小降低使用成本； 5 ) 体积小、重量轻有利于车的轻量化和小型化； 6 ) 免维护、能快速充电方便使用者； 7 ) 无泄漏、不爆炸使用安全； 8 ) 生产过程无污染、废弃电池无公害对环境友好； 9 ) 价廉降低整车生产成本。 常用动力型电池主要参数对比，由表1 5 可见，不同系列的电池性能各有优 劣，常用动力型电池性能见表1 6 。 第一章绪论 表1 5 电动车电池主要参数对比 皂压质量比能量体积比能量循环国外参考价国内捞 f 电池类型 1 栅傀)舢l )输次棚吼( 元椭) 表1 6 常用动力电池性能对比 图例：一好；一较好；o 一一般；一较差 1 2 3 电动车电池市场发展与前景 电动车作为未来人类交通工具的重要组成部分已被形成共识。美国时代周 刊曾把燃料电池电动车列为2 1 世纪影响人类生活的1 0 大关键技术之首，燃料 9 基于开路电压的s o c 估算方法研究 电池2 1 世纪最具有应用潜力的“绿色能源”之一。在燃料电池电动车市场化的 前1 0 2 0 年内，纯电动车和混合电动车将率先实现产业化，应用前景广阔。据有 关资料统计和分析，2 0 0 0 年度全球纯电动车和混合动力电动车仅分别为2 5 0 0 和 2 4 0 0 0 辆，电动车电池存在着令人觊觎的庞大的国内外市场，到2 0 1 0 年，全球 二次电池市场增加到3 0 0 亿美元，其中电动车电池市场达到5 0 亿美元，电动自 行车电池市场达到1 7 亿美元，如图1 1 所示。 e b 电池 8 3 tj pi i e v 咆池 小奠二次 工_ k 用 “一训。 小袋一次 s u 铅敞3 5 图1 12 0 1 0 年全球二次电池销售额 i ：= v 电池 5 二次电池的发展演变见图1 2 ，更新换代和技术进步使得电动车电池向高能 量密度方向发展，电动自行车电池将由现在的铅酸电池( 中国) 和镍镉电池( 外 国) 为主向高功率镍氢和锂离子电池方向发展，如图1 3 所示。 j c 良 魁 期 圆 疆 能量密度矾h - 图1 2 二次电池的发展演变 1 0 第一章绪论 2 2 坪阔外吝娄电褴圪棚 镰冀4 4 篾离子6 曩一小 2 0 0 6 年国蚪各英电穗咆饲 图1 3 国外电动自行车电池发展趋势 电动车电池的前景十分诱人，动力电池将向着高比能量、高可靠性、低成本、 安全环保方向发展。电动车的性能、成本和环境影响仍是产业化关键，新型电池 商品化进程主要受制于技术突破，其发展次序可能会打破常规，市场突破取决于 科学技术的结合。 电动车技术是一项系统工程，必须靠机械、电化学、电子、自动化、材料工 程等多学科现代化技术的有效结合。 1 3 论文要解决的主要问题 本项目致力于更精确、更简便地对电池容量进行估计，通过对各种电池容量 估计方法的比较分析和对电池特性的研究，以及考虑到电动汽车的实际使用需 要，提出电池容量估计的新思路。为了对电池的状态进行准确的估计，除了选取 合适的s o c 估计算法之外，还要对电池建立合适的电池模型。此外，还要选取 合适的数据分析方法，确定模型参数。最后，在对算法、算法参数、数据来源充 分考虑之后，s o c 估计结果是否准确是我们最关心的问题，因此需要对s o c 的 估算精度进行检查。本论文主要的研究工作如下： ( 1 ) 通过对研究的要求和目的进行分析，研究出符合电动汽车实际使用需 要的动力电池容量的估算方法，并对实现功能的各部分进行了具体的划分，并对 各部分的情况做了详尽的介绍。 ( 2 ) 通过对s o c 的各种估算方法进行对比，分析各种方法的优缺点，并且 根据实验需要，选择合适的估算方法。 ( 3 ) 由于电池是一个动态系统，内部的电阻、循环次数、外部环境温度等 基于开路电压的s o c 估算方法研究 均是影响电池放电的因素，因此需要根据电池的自身特点建立一个电池模型，方 便电池各项参数的确定，从而实现对s o c 电池容量的估计。 ( 4 ) 电池模型建立以后，需要确定模型参数。通过对各种参数分析方法的 比较，选择合适的数学方法，并根据电池的开路电压和s o c 之间的特性曲线， 通过m a t l a b 进行曲线拟合，从而确定模型参数。 ( 5 ) 对s o c 进行误差检验。 1 4 论文章节安排 论文以下各章将以s o c 的估算方法研究、电池模型的选择与模型方程的建 立、参数估计的原理与方法以及本文实验的过程与结果分析为主要内容进行安 排，总共分为七章。 第一章：绪论，主要介绍了课题的研究背景及意义，综述了当前电动汽车以 及动力电池的国内外研究情况，本课题研究的主要问题，以及论文的各章节安排。 第二章：锂电池s o c 的定义与估算方法，介绍了s 0 c 的定义以及s o c 的几种 主要影响因素，并对当前存在的多种s o c 估算方法进行介绍和对比，提出s o c 在 估算中的技术难点，并将本文所采用的思路进行简单介绍。 第三章：动力电池的动态特性和建模，主要介绍了电池的内部特性，以此作 为电池模型建立的理论基础，并分析几种电池模型的优缺点，提出本文所采用的 电池模型以及方法。 第四章：参数估计原理与方法，本章主要介绍参数估计的基本原理和参数估 计结果的检验标准，并在分析几种参数估计方法的基础上对这几种方法进行对 比。 第五章：实验过程，在本章内主要介绍实验的准备条件以及本文所采用的电 池模型和模型方程，并进行了大量实验，给出其中一组实验所测数据和得到的曲 线，在介绍曲线拟合概念和方法的基础上对实验数据进行拟合。 第六章：实验结果分析，本章主要介绍了课题的实验环境，并对两种电池模 型得到的仿真曲线进行对比，还进行了实验结果的分析。 第七章：总结与展望，认真总结了本课题的主要研究工作以及尚需要改进的 不足之处，并展望s o c 估计的未来可能发展方向。 1 2 第二章锂电池s o c 的定义与估算方法 第二章锂电池s o c 的定义与估算方法 2 1 锂电池工作原理及充放电特性 2 1 1 锂电池的工作原理 早期的锂电池直接在负极中使用金属锂，容易在充电过程中产生锂沉积，并 且产生腐蚀现象，大大缩短了电池的循环寿命，严重时可造成电池短路甚至爆炸。 为了解决这一问题，人们开发出了锂离子电池。所谓锂离子电池，是在正极和负 极中采用可以容纳锂离子的晶状结构活性材料，使锂离子随着充放电从正极转移 到负极或者从负极转移到正极。 锂离子电池的充放电工作过程是通过锂离子电池正负极中的嵌入和脱嵌来 实现的，当电池充电时，正极释放出锂离子于电解质中，这个过程是脱嵌，负极 l 从电解质中吸入锂离子，这个过程是嵌入，当电池放电时发生与上述相反的过程， 这种充放电时锂离子往返的嵌入和脱嵌过程好像摇椅一样摇来摇去，故有人称锂 离子电池为“摇椅电池 。一般锂离子电池的负极由碳( c ) 材料构成，正极由锂金 属氧化物( l i m 0 2 ) 构成，主要的化学反应为： 负极反应：厶+ + p 一+ 6 c 厶g 正极反应：工f 蜘d 2j 以l 叫肋z q + 也f + + 船一 总反应式：订蜘d 2 + 6 z c 营f ( i 一，) 彻q + 也f c 6 锂离子电池有许多优越特性，比如高能量，较高的安全性，工作温度范围宽， 工作电压平稳、贮存寿命长( 相对其他的蓄电池) 。从安全性来讲，锂离子电池要 比其他蓄电池安全的多。特别是采取了控制措施后，锂离子电池的安全性有了很 大的保证，电池经过过充、短路、穿刺、冲击( 压) 等滥用实验( a b u s et e s t ) ， 均无危险发生。锂离子电池与镍镉电池( c d - n i ) ，镍氢电池( m h - n i ) 电池一样，可 以快速充电，且无记忆效应，远比c d n i 电池优越；它的自放电率远比m h n i 电池低。从环境保护的角度看，世界环境保护组织早已把镉( c d ) 、汞( h 曲、铅( p ” 三种元素列为有害物质。因此含有这三种元素的电池的使用受到了限制，特别是 在欧洲，有些政府大幅度提高了某些电池的环境税，与之相比，锂离子电池则不 1 3 基于开路电压的s o c 估算方法研究 存这些问题。当然，锂离子电池也有一些缺点，比如低温放电率不高，电池的价 格比较高等。 2 1 2 锂电池的充放电特性 锂电池的充电过程是一个复杂的电化学变化过程，其复杂性表现为： 1 ) 多变量 影响充电的因素很多，诸如极板、电介质的浓度、极板活性物的状态、充电 环境温度等等，都对锂电池所能承受的最大充电电流有直接的影响。 2 ) 非线性 一般而言，充电电流在充电过程中随充电时间呈指数规律下降，不可能只用 简单恒流或恒压控制充电全过程。 3 ) 复杂的电化学性 即使是同一类型同一容量的电池，随着各自使用时放电的历史状态不一样， 剩余电量的不一样，充电接受能力也有很大的不同。 锂电池技术与传统的电池技术相比有很大的性能优势，但对监测系统也有更 高的要求。如果控制不当的话，不仅对电池的结构会造成破坏，还会发生危险。 锂离子电池的标称电压为3 6 v ，充满电压为4 2 v ，对过充电和过放电都比 较敏感。为了最大限度减少锂电池易受到的过充电、深放电以及短路的损害，单 体锂离子电池的充电电压必须严格限制。 不同的电池可能具有不同的容量，同容量数值相同的电流值称为l c 。锂电 池在不同的电流下的充、放电特性会有不同，因此研究它的充、放电特性，使用 正确的充、放电控制、保护方式对于其使用安全和提高使用寿命具有很大的理论 和应用意义。 锂电池在充电时的特性如图2 1 ： 1 4 第二章锂电池s o c 的定义与估算方法 t 5 1 1 塞 3 _ 饫 氖3 v 幺口 2 s 一，一一一=么 7 ， ， 一 1 0 吸 嘲 4 缸嗤 l o i 一岖 一旺 o o 5li s2 o 2 s 3 o 嘲小时 图2 1 锂电池充电特性曲线 锂电池在充电中具有如下的特性： 1 ) 在充电前半段，电压是逐渐上升的。 2 ) 在电压达到4 2 v 后，内阻变化，电压维持不变。 3 ) 整个过程中，电量不断增加。 4 ) 在接近充满时，充电电流会达到很小的值。 经过多年的研究，已经找到了较好的充电控制方法： 1 ) 首先使用恒流进行充电，使电压基本达到4 2 v 。安全电流为小于o 8 c 。 2 ) 恒流阶段基本能达到电量的8 0 。 3 ) 转为恒压充电，电流逐渐减小。 4 ) 在电流达到较小的值( 如o 0 5 c ) 时，电池达到充满状态。 这种恒流恒压的充电方式能很好的到达电池的充满状态，并且不损害电池， 已经成为锂电池的主要充电方式。但是在电池电压己经很低的情况下，电池内部 的锂离子活性减弱，如果此时用比较大的电流充电，也有可能对电池有损害。如 同人在剧烈运动前要进行必要的热身活动一样，锂离子的活性也要逐步激活。可 以在电池低压段采用脉动方式，有效激活电池电压到3 0 v 以上，然后采用恒流 基于开路电压的s o c 估算方法研究 恒压的充电方式，有效的保护电池。 锂离子电池具有很好的负载能力，它在不同电流时的放电特性如图2 2 ： 大。 s t 蹇3 s 扶 奠 v_ 2 s 2 。 汴_ 。叠 二孓7 、 露l | o 1 5 幅 幅 鬈量地 图2 2 锂电池放电特性曲线 t 1 ) 最大可安全的提供3 c 的放电电流。 2 ) 不同的放电电流对电压和电量的影响不同，能够输出的有效电量也相差很 3 ) 放电到3 v 左右，电池电量已经基本输出完毕。 2 2s o c 介绍 电池是电动汽车的能量来源，为确保电池组性能良好并延长电池使用寿命， 需对电池进行必要的管理和控制，但前提是必须准确而又可靠地获得电池现存的 容量状态参数。电池管理系统要依据现时的电池容量决定是否进行限定电池最大 放电电流控制和预测电动汽车的续驶里程、根据各只电池容量的不同程度识别电 池组中各电池间的性能差异，并依此作出均衡充电控制和电池是否损坏的判断， 确保电池组性能良好，能延长电池寿命。由于使用中电池容量受许多不确定性因 素影响，如何根据可测的电池参数对现存电池容量状态作出准确、可靠的估计， 一直是电动汽车和电池研究人员关注并投入大量精力研究的课题1 2 h 15 1 。 国内外较为普遍地采用了s o c 这一电池容量状态描述参数，并出现了多种 1 6 第二章锂电池s o c 的定义与估算方法 获得s o c 估计值的方法，但是，对s o c 的定义和理解却有不同，没有一致的统 一的标准，这给s o c 估计结果的可信度带来一定影响。因此本节首先对目前流 行的s o c 的定义进行介绍。 电池荷电状态s o c ( s t a t eo fc 1 1 鹕e ) 是描述电池剩余电量的数量，是电池 使用过程中的重要参数。进行电动汽车电池s o c 估计的前提是对s o c 有准确 定义。目前较统一的是从电量角度定义s o c ，如美国先进电池联合会( u s a b c ) 在其电动汽车电池实验手册6 中定义s o c 为：电池在一定放电倍率下，剩余电 量与相同条件下额定容量的比值。 s d c ：望蔓( 2 1 ) c l 式中：q c 为电池剩余的容量，c i 为电池以恒定电流i 放电时所具有的容量。 如果以己放出的电量q 来求得荷电状态参数s o c ，则定义可以表示为： 舳c ：1 鱼( 2 2 ) c l 式中，s o c = 1 表示电池为充满电状态，s o c = o 则表示电池已处于全放电状 态。 由于电池所能放出的容量要受放电率、电池的温度、电池充放电循环次数等 诸多因素的影响，因此，表示电池容量状态的s o c 也必然与这些因素有关。在 放电电流变化的情况下，就会对s o c 定义出现认识上的模糊，使根据定义得出 的s o c 结果似乎是自相矛盾的。举两例说明： ( 1 ) 充满电( 按定义得s o c = 1 ) 的电池以某一恒定的大电流放电至终止电压， 放出了该恒流放电所能放出的电量，按定义得到了s o c = 0 的结论，但这时如果 再以较小的电流放电，则电池又能继续放电，表现出s o c 0 。 ( 2 ) 电池先以某小电流放电至该恒定放电电流下可放出容量的6 0 v 7 0 ，按 定义可得到s o c 为0 仙3 的估计值，但这时如果以某一大电流放电，当电池电 压急剧下降至其终止电压时，放出的电量几乎为0 ，即电池表现为s o c o 与按 定义得到的判断结果相矛盾。 按定义得到的电池容量状态判断在放电电流变化的情况下出现了不适应性， 分析其原因为： ( 1 ) 按定义得出的是某一指定恒流放电电流下的s o c ，不同放电电流放电至 1 7 基于开路电压的s o c 估算方法研究 相同的s o c 时，所放出的电量不同，用相对意义的s o c 判断不同放电电流下的 荷电状态，自然会出现不一致的判断结果。 ( 2 ) 电流、温度等影响电池容量因素具有可恢复性，按定义从已放出的电量 推算剩余的电量时没有考虑这些因素，因而会出现s o c 估计的不确定性。 也有从能量角度定义s o c 的做法，但使用得并不多。如韩国起亚汽车公司 定义s o c 为： 跏= 豁糕_ 1 - 薏2 赢 亿3 ) 实际使用的电动汽车，基本上从电量定义s o c 。由于s o c 受充放电倍率、 温度、自放电、老化等影响，实车中要对s o c 的定义进行调整，不同电动汽车 对s o c 定义的使用形式不一致。 s o c 的定义首先应具合理性，既能够清楚的反映电池的状态。其次，与s o c 定义直接相关的参数应在一定的条件下获取，从而保证结果的一致性。再次，定 义的形式在保证合理化的前提下，应尽可能降低其复杂程度，以减少附加的修正 因素或算法的变化带来的s o c 定义的模糊，给估计算法的实现带来困难。 2 3s o c 的影响因素 2 3 1 充放电倍率 电池以不同倍率恒流放电时，电流越大，放出电量越少。电池以不同倍率充 电，充入的有效电量也是不同的。定义白是电池在标准电流i 下的剩余电量，c t i ， 为标准电流i ( 常为c 3 ) 放出的总电量，c l l i 为电池实际的净放电量折合为电流i 时的电量，那么： 0 巳( f ) = i 叩谢f ( 2 _ 4 ) 毛 g = g 一巳 ( 2 5 ) 1 1 为电池充放电效率。除通过大量实验得到r l 外，描述电池容量和放电电流 关系，广泛使用的p 蜘方程： ，f = k( 2 6 ) 第二章锂电池s o c 的定义与估算方法 或 c = k f h ( 2 7 ) c ，i ，t 分别为电池容量、电流和放电时间，n ，k 为与电池有关的数值， 其中n 与电流有关。从p 诎e n 方程，可以推导出放电效率( 进行了简化) ， 7 7 = 导= 弓广1 l ， ，c i 、c i 为标准电流i 和不同电流i 放出的电量。采用多套p e u k e n 常数，可以改善s o c 估计效果。 2 3 2 温度 电池温度对其容量影响较大。这是因为随着电池温度升高，极板活性物质的 化学反应逐步改善，因此放电时较高的电池温度会使电池放出更多的电量。但充 电时过高的温度会使更多的氧气析出，电极电压更容易达到最大值，反而会降低 充电效果。 文献中给出了温度对m h n i 电池充电效率影响规律的示意图。铅酸电池和 锉离子电池的影响规律，可通过实验得到。常用的描述温度影响的模型为： c = c 2 5 1 一口( 2 5 一r ) ( 2 8 ) c 为电池在温度t 时的容量；c 2 5 为