（计算机应用技术专业论文）电动汽车铅酸蓄电池特性建模与荷电状态估计.pdf

摘要 为了解决能源危机与环境污染，世界各国汽车厂商积极致力于电动汽车的研究和产 业化。蓄电池性能是制约着电动汽车产业化的关键因素。蓄电池是电、化学、物理综合 系统，其静动态性能相当复杂。因此蓄电池特性模型与荷电状态( s o c ) 估计一直是业 界研究的热点和难点。 首先，在介绍蓄电池性能特性和总结现有蓄电池模型的基础之上，提出一种复杂度 适中和物理意义明确的等效电路模型，推导得到模型在充电阶段、放电阶段、充电后静 置阶段、放电后静置阶段的开路电压计算表达式。在通过充放电试验得到电池真实电压、 电流值的基础之上计算得到等效电路模型元件值。 基于上述电池性能模型，详细分析现有s o c 估计方法的优缺点及适用场合，提出了 一种结合神经网络自学习能力和模糊系统逻辑推理能力的自适应神经模糊推理的电池 s o c 估计方法。 最后，将加速寿命方法引入到蓄电池的寿命预测模型中。借助文献中的失效数据对 电池的寿命进行了在概率下的预测仿真，得到了蓄电池的寿命参数。 通过对计算数据与实验数据的比较和模型仿真，得出电压预测值与其实际值基本吻 合，s o c 预测值与实际值的误差在8 之内的研究结果。表明该模型比较好地反映了电池 特性，s o c 估计算法精度可以满足一般要求，研究结果具有较高的应用价值。 关键词：电动汽车，蓄电池，荷电状态，建模，估计 a b s t r a c t i no r d e rt oi m p r o v ee n e r g yc r i s i sa n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n ，a u t o m o b i l em a n u f a c t u - r e r sa r o u n dt h ew o r l da c t i v e l ye n g a g e di ne l e c t r i cv e h i c l er e s e a r c ha n di n d u s t r i a l i z a t i o n t h e p e r f o r m a n c eo fs e c o n d a r yb a t t e r yi sak e yf a c t o ro nt h ei n d u s t r i a l i z a t i o no fe l e c t r i cv e h i c l e b a r e r yi se l e c t r i ca n dp h y s i c i a l - c h e m i c a li n t e r g r a t e ds y s t e mw h i c hh a sv e r yc o m p l e xs t a t i c a n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ob a t t e r yp e r f o r m a n c em o d e la n ds t a t e - o f - c h a r g ee s t r i m a t i o n a l w a y si sr e s e a r c hh o t o nc o m m u n i t y f i r s t l y , o nb a s i so fe x p l m n e db a t t e r yp e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i ca n ds u m m a r i z e ds e v e r a l b a t t e r ym o d e l p a p e ri n t r o d u c e da ni m p r o v e dc i r c u i t b a s e db a t t e r ym o d e lw h i c hh a dm o d e r a t e c o m p l e x i t ya n dc l e a rp h y s i c a li n t e r p r e t a t i o n ，d e r i v e dt h ee x p r e s s i o no fo p e n - c i r c u i tv o l t a g ea t d i s c h a r g ep e r i o d ，r e s ta f t e rd i s c h a r g e ，c h a r g e 、r e s ta f t e rc h a r g e o nt h eb a s i so f a c q u i r e db a t t e r y v o l t a g ea n dc u r r e n ta ts e v e r a le x p e r i m e n t s ，p a p e rc o m p u t e dv o l t a g ee x p r e s s i o n ，a c q u i r e d e l e m e n tv a l u e o nb a s i so fb a t t e r yp e r f o r m a n c em o d e l ，a n a l y s i s e dt h ea d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo f s o ce s t i m a t i o nm e t h o d s ，i n t r o d u c e da d a p t i v en e u r o f u z z yi n f e r e n c e s y s t e m sw h i c h i n t e g r a t e da r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r ka n df u z z yl o g i ch a v ep r e d i c t e ds o c o fb a t t e r y a tl a s tp a p e ri n t e r g a t e da c c e l e r a t e dl i f et h e o r yt ot h ep r e d i c t i o no fb a t t e r yl i f e t i m e w i t h r e f e r e n c e sf a i l u r ed a t a ，s t i m u l a t e db a t t e r yl i f e t i m ea tp r o b a b i l i t y , a c q u i r e ds o m el i f e p a r a m e t e r s b a s e do nm o d e l 、s t i m u l a t i o n 、p r e d i c t i o no fb a t t e r yp e r f o r m a n c ea n ds t a t e o f - c h a r g e ， s h o w e dt h es i m i l a r i t yo fv o l t a g ec u r v ea n da c t u a lv a l u e ，t h ed i f f e r e n c eo fs o c p r e d i c t i o na n d a c t u a ls o ci sb e l o w8 t h em o d e lc a nr e f l e c tt h ec h a r a c t e r i s t i c sc u r v eo ft h eb a t t e r y s o c e s t i m a t i o na l g o r i t h mc a nm e e tt h eg e n e r a lr e q u i r e m e n t sf o rp r e c i s i o n t h er e s u l t sh a v ea h i g h p r a c t i c a lv a l u e k e yw o r d s ：e l e c t r i cv e h i c l e ，b a t t e r y , s t a t e o f - c h a r g e ，m o d e l ，e s t i m a t i o n 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：男勘 d ：) 年厂旯日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 爿瘩 乡謦z 磊习 7 ”卧净 够年r 月2 。日 长安大学硕士学位论文 1 1 电动汽车 第一章绪论 汽车已有很多年历史，其普及程度越来越高。汽车已成为当今社会不可缺少的交通 工具，但同时也带来环境保护、能源短缺等方面的问题。同发达国家相比我国汽车保有 量较低，汽车保有量持续高速增长，对车用燃料的需求也会持续大幅度增长。开发替代 传统燃料的电动汽车，对缓解环境污染具有重要战略意义u 。3 1 。 电动汽车指其动力系统全部或部分用电能驱动的汽车。以电能来源可分为三类蓄电 池电动汽车( b a t t e r ye l e c t r i cv e h i c l e ) 、燃料电池汽车( f u e lc e l le l e c t r i cv e h i c l e ) 和混合动 力汽车( h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ) 1 4 ，卯。 电动汽车组成包括电力驱动及控制系统、驱动力传动等机械系统、完成既定任务的 工作装置等。电力驱动及控制系统是电动汽车的核心，也是区别于内燃机汽车的最大不 同点。电源为电动汽车的驱动电机提供电能，电动机将电源的电能转化为机械能，通过 传动装置或直接驱动车轮和工作装置。驱动电机的作用是将电源的电能转化为机械能， 通过传动装置或直接驱动车轮和工作装置【6 j 。 由于环保问题和能源问题，电动汽车无疑会成为2 1 世纪的城市交通工具。开发性 能稳定的商用电动汽车激烈竞争已经开始了，目前技术瓶颈主要是驱动系统开发和电池 比能量提高。电池作为影响持续行驶里程的关键，是电动汽车的研究热点和重点。 1 2 蓄电池及其性能特点 电池是将物质化学能通过氧化还原反应直接转变为电能的装置。电池又称为化学电 源，可以储存电能。 电池一般有五个部分组成，即正极、负极、电解质、隔膜和外壳。正负极和电解质 是主要的部件。 电池的工作过程就是其放电过程。电池放电时在阳极上进行氧化反应，向外提供电 子。在阴极上进行还原反应，从外电路接受电子，电流经过外电路从正极流向负极。电 解质是离子导体，离子在电池内部的阴阳极之间定向移动而导电，正离子流向阴极，负 离子流向阳极。整个电池形成了一个由外电路的电子体系和电解质的离子体系构成的完 整放电体系，从而产生电流【7 1 。 第一章绪论 1 2 1 电动汽车蓄电池 电动汽车用动力蓄电池有很多种，如镉镍蓄电池、镍氢电池、锂离子电池、锌空气 电池、铅酸蓄电池等。其特性如下： l 、镉镍蓄电池：是一种碱性电池。它的主要优点是容易充电、维护方便、比功率 高、循环及浮充寿命长、使用温度范围广。缺点镉元素对环境污染较大、开路电压低、 维护不当易报废、标称电压低、记忆效应大。 2 、镍氢电池：高于其它任何镍基电池的比能量和能量密度、环保特性、平坦的放 电曲线和快速的充电能力、循环使用寿命长。缺点是初始成本高，而且还有记忆效应和 充电发热等问题。 3 、锂离子电池：是一种新型高能蓄电池，共分两种类型，一种是用于纯电动车( e v ) ， 容量为l o o a h 的圆柱形单体电池，8 只串联成一个电池模块；另一种是用于混合动力车 ( h e v ) ，容量为2 2 a h ，8 只串联成电池模块，但其输出功率为前者的2 7 倍。优点是容 量大，性能优越，但其价格非常昂贵。 与上述电池相比，铅酸蓄电池以其制造技术成熟、价格低廉、开路电压高、高低温 性能好、高效率、长浮充寿命以及无记忆效应等优异特性成为电动汽车首选蓄电池【7 1 。 1 2 2 蓄电池术语与性z r 出匕侣- i - w _ , 标 放电：电池向外电路输送电流的过程。放电主要方法分为恒流放电和恒阻放电。 放电率：常用“时率”和“倍率 表示。时率指以放电时间( h ) 表示的放电速率， 以一定的放电电流放完额定容量电荷所需的小时数。倍率是指电池在规定时间内放出其 额定容量所输出的电流值。 放电深度( d o d ) ：放电容量与额定容量之比的百分数。 恒压充电：保持充电器端电压始终不变的一种的充电方法。 恒流充电：充电电流保持不变的一种充电方法。 脉冲充电：脉冲电流对电池充电，然后让电池静置或放电一段时间，如此循环。 极化现象：电极无外电流通过时电极处于平衡状态，与之对应的电势是平衡电势 ( p 。当电流通过时，电极的电势( p 将偏离平衡值( p 。电流越大，电极电势偏离平衡值 越大。这种偏离平衡的现象称为电极的极化。 一般来说，产生极化现象有3 个方面的原因： 2 长安大学硕士学位论文 1 、欧姆极化是由于电极材料、电解质、活性物质与导电材料的接触造成的电压降， 其阻抗与电压关系服从欧姆定律。 2 、浓度极化：电解质溶液内部各处的离子浓度偏离了溶液均匀浓度，出现浓度梯 度造成的。 3 、电化学极化是电化学反应的速度，落后于电极上电子运动的速度所造成的。 电池性能的主要参数包括：电压、内阻、容量与比容量、能量与比能量等，循环寿 命等。 电动势：电池在开路时，正极平衡电极电势与负极平衡电极电势之差，由电池中进 行的化学反应所决定，与电极的形状，尺寸无关。铅酸蓄电池反应为： p b 0 2 + p b + 2 h 2 s 0 44 - 崇p b s 0 4 + 2 h 2 0 + p b s 0 4 电动势计算式e = e e + r r t n a ( h ：s q ) 聆f 口( 0 ) e 一电池电动势、e p - 活力度等于l 时的电动势、r _ 摩尔气体常数，8 3 1 聊d ， r 一温度、f 一法拉第常数( 9 5 0 0 0 0 1 ) 、，2 - 电化学反应中的电子得失数目 工作电压：电池接通负荷后在放电过程中的电压。由于欧姆电阻存在，低于电动势。 电池内阻：指电流谭过电池内部受到阻力，使电池的电压降低。电池内阻不是常数。 电池内阻包括欧姆内阻和极化内阻。 电池容量：把满充电池，按一定放电条件，放电达到所规定的终止电压时，能够释 放的大小为电流对时间的积分值。 电池能量：电池在一定放电制度下，电池所输出的电能，通常用瓦时表示。 荷电保持能力：电池自放电的一个指标，用来指示自放电的剩余容量。 电池循环寿命：电池经历一次充电和放电周期的循环次数。 荷电状态( s o c ) ：电池在一定放电倍率下，剩余容量与相同条件下满电时额定容量 的比值。 健康状态( s o h ) ：用来描述新旧电池的充电可接受率，自放电率，内阻的变化，也 从侧面反应了电池老化程度【7 ，8 1 。 第一章绪论 1 2 3 铅酸蓄电池性能特性分析 1 、开路电压与电池荷电状态的关系，随着尸6 d 2 和尸6 的消耗，h 2 s 0 4 也消耗，则 铅酸浓度降低，开路电压降低。电池开路电压与铅酸浓度呈线性函数关系，同时，由于 充放电时的酸浓度相应变化，所以可由电池开路电压可以估计电池荷电状态。 表1 1 电池荷电状态与放s 0 4 及其开路电压的关系8 1 荷电状态( ) 日2 觋密度( 。) 电池开路电压( v ) 1 0 01 2 6 02 1 1 8 7 1 2 4 02 0 9 7 51 2 2 02 0 7 6 2 1 2 0 02 0 5 5 0 1 1 8 02 0 3 3 71 1 6 02 0 1 2 51 1 4 01 9 9 1 21 1 2 01 9 7 o1 1 0 01 9 8 5 2 、额定容量与放电率的关系：蓄电池的容量是指其电荷存储能力。它是以充满电 荷的蓄电池，放电至规定的终止电压的电量。标准y d t 7 9 9 2 0 0 2 规定2 v 、6 v 、1 2 v 密 封蓄电池的额定容量均为标准温度下( 2 5 ) 1 0 小时放电率( i = o 1 c 、l o h ) 容量。 3 、放电率与容量的关系：蓄电池放出的容量随放电电流的增大而减少。高放电过 程是极板表面的有效物质发生强制性的变化，生成的硫酸铅很容易堵塞极板上的小孔， 极板深层的有效物质就没有参加化学反应。这样蓄电池的内阻增大，电压下降就快，使 电池不能放出全部的容量。 1 0 h 放电率放出容量为1 0 0 ，2 0 h 放电率放出容量为1 0 5 ，而3 h 放电率放出容 量为7 5 ，l h 放电率放出容量为5 2 。放电电流与容量的关系可由下式决定： o = q o ( i i o ) 川 式中： q 一一i 放电电流时的容量( a h )o o 一- - l o h 放电率时的额定容量( a h ) 厶一一1 0 h 放电率的额定放电电流( a ) 1 一一非t o h 放电率的放电电流( a ) 4 长安大学硕士学位论文 ，z 一一蓄电池放电容量指数，其值为工1 0 3n = 1 3 1 3 ：i 工0 3 ，n = 1 4 1 4 以上意味着以l o h 放电率定义容量的蓄电池比2 0 h 放电率定义容量的电池的容量更 少一些。 4 、温度与容量的关系： 环境温度对电池的容量影响较大，随着环境温度的降低容量减小。环境温度变化1 时的电池容量变化值称为容量的温度系数。根据国家标准，如环境温度不是2 5 ， 则需将实测容量按以下公式换算成2 5 。c 基准温度时的实际容量c e ，其值应符合标准。 一般情况下，容量与温度有如下关系：c e = 1 + k 三( t 一- 2 5 ) 式中：t 是环境温度； k 是温度系数，l o h r 的容量实验时k = o 0 0 6 ，3 h r 的容量实验时k = o 0 0 8 ，l h r 的容量实验时k = o 0 1 上式适用的电解液温度为一1 5 3 5 。若温度低于一1 5 。c ，则容量减少更为显著， 当温度超过3 5 时，则容量反而减少【8 1 。 5 、电池充电特性与曲线 图1 1 为铅酸蓄电池充电特性曲线。在蓄电池充电开始后，蓄电池的端电压迅速上 升( a 一b 段) 。达到b 点以后，蓄电池的端电压上升较缓慢( b 一c 段) 。随着充 电过程的继续进行，达到充电量的9 0 左右，反应的极化增加，蓄电池的端电压明显 地再次上升( c 一d 段) ，这是蓄电池的端电压达到d 点，蓄电池的两极开始大量析 出气体。超过d 点以后进行水的电解过程，蓄电池的端电压又达到一个新的稳定值。 蓄电池充电受到充电电流大小的影响。电流强度大，蓄电池端电压也大，电流强度 小，蓄电池的端电压也较低。充电电流越大，活性物质的反应越快，反应生成h 2 s 0 4 的速度越快，浓度增加快，蓄电池端电压上升也越快。 2 6 2 5 2 4 2 3 2 2 2 1 2 0 1 9 1 8 o24681 01 2 图1 1 典型铅酸蓄电池的充电曲线【9 1 5 第一章绪论 充电电流接受率与充电效率有密切关系。要使电池充电达到预期容量，则充电接受 率愈大时可接受的初始电流愈大，充电速度也愈快。只要充电电流不超过蓄电池可接受 的电流，电池内部就不会产生大量的气体。倘若整个充电过程迫使实际充电电流始终等 于或接近蓄电池可接受的充电电流，则充足电的时间将大大缩短，并且电池出气率也能 控制在最小的范围。 在环境温度高于l o 的允许温度( 3 0 ) 内充电，蓄电池极化作用明显减小，硫 酸铅的溶解速度和溶解度都会提高，加上氧扩散速度的增大，在这些综合因素的影响下， 使电池充电效率得以提高。 6 、电池放电特性与曲线 铅酸蓄电池放电有以下几种情况，即实际负荷放电、常规放电、核对性放电等。按 照一定工况向负荷供电，这是对实际负荷的放电，放电速率随着实际负荷而变化。 图1 2 为铅酸蓄电池放电特性曲线。铅酸蓄电池开始放电，h 2 s 0 4 的浓度立即下降， 而板极外的电解液是缓慢扩散不能立即补偿物质表面的电解液h 2 s 0 4 的浓度，随着放电 过程的进行，物质表面的电解液h 2 s 0 4 的浓度继续下降，结果导致蓄电池端电压下降。 2 0 0 1 9 5 1 9 0 1 8 5 1 8 0 1 7 5 1 7 0 1 6 5 1 6 0 图1 2 典型铅酸蓄电池放电曲线i 卅 放电速率对端电压变化的影响，若采用1 c 1 0 a 、0 5 c 1 0 a 、o 3 c l o a 等高放电率电流 进行放电，放电过程端电压变化的速率随着放电电流的增大而增大。高倍率放电电流给 电池带来急剧的电化反应，电池电动势随电解液浓度加速降低而减小，正极和负极极化 电势随浓度差的增大而增大、加上电池内压降成倍增加，电池端压则迅速跌落。典型不 同放电率下的端电压曲线图1 3 所示： 6 长安大学硕士学位论文 电 池 电 压 拽 c ：；f ；，f ：； 基囊囊豳 孽釜8 i i 囊枣辫“。；舢黝：妊瑟翟 品蒌罩： r 二 r 誊挂整剃兰墨蠢斓袋。迹蕊簿蘸二 7 4 c ” | ：= 串孪= 爹鬻鬟= = 测：司冀枯寒j j 登纛曩；x 蕊 i i 了 “三 。、n 、 。“涵k 、 一- 4 曩誓， 臻“ 8 i 至融三焱0 ￥虿。 赫、；j 飞，。， # “ ： l 。o c 扩：孬稍x v ；， 州jl0 5 e 辩0 4 c f 。l “j ；i i ”j - q 1 0 0 ( i 篓 ； 珏，8 c 蝣、0 。7 g o 、 嚣；f 一 l 1 l0 0 2l ，。0 5 ”+ l”。z j ，l21 07 l t 图1 3 不同放电率下的放电特性v 曲线【9 】 放电时间t 7 、电池寿命特性 蓄电池的寿命与放电电流密度、电解液浓度、放电深度有关。放电深度越深，其循 环寿命越短。过充电时有大量气体析出，冲击正极造成活性物质脱落，使电池使用期限 缩短。电池寿命在随着温度升高而增加。如放电容量不变，则温度升高时其放电深度降 低，寿命延长。 8 、电池内阻特性 电池内阻包含两个部分，纯欧姆电阻和极化内阻。由于极化内阻存在，电池工作电 压总小于电动势。铅蓄电池内阻q f 曼d , ，小电流放电时可忽略不计。但放电电流很大时， 全内阻明显增大2 ，5 1 。 1 3 电池管理系统 电池作为能源的设备在现代社会越来越普及，电脑、p d a 、移动电话还有电动汽车 的发展都离不开电池工业。由于电池的复杂特性，简单充放电管理难以达到要求，还会 对电池寿命有影响。电池管理系统逐渐受到人们的重视【1 0 1 。 电池管理系统基本任务就是通过监测和控制电池的充放电过程，最优使用电池，避 免加速电池老化。电池管理系统直接监测及管理电动汽车储能电池运行的全过程，包括 电池充放电过程、电池温度、电量估计、单体电池间均衡、电池故障诊断几个方面【1 1 】。 控制电池充电：避免过充，延长电池循环寿命。 监测电池放电：避免电池的深放电。 预测电池的s o c - 使用其准确值控制电池的充放电。 通常电池管理系统有以下几个部分组成：供电模块、电池、d c d c 转换器和负载。 7 ； o 9 转 7 6 5 j 2 l l l l 第一章绪论 其结构图如图1 4 所示： 图1 4 通用电池管理系统 能源模块( p m ) 的基本任务就是将供电能源转换成电能给电池充电。 电池模块就是在充电时存储能量，有负载释放能量。 d c d c 模块将电池电压转换成适合负载的工作电压。 负载就是消耗电池能量来进行做功，完成不同的任务。 通讯信道主要完成电池管理系统各部分之间信息交换和传递。 电池管理系统不仅能够正确监测使用过程中消耗电池能量，而且能够预测电池所剩 余的电量即剩余电量，并根据汽车的当前行驶状况，预测汽车的续驶里程。当电池出现 过充或过放、温度过高等异常情况时，电池的专家诊断系统给出报警信号。 总之，电池管理系统是在保护电池关键技术中处于核心地位，其能给出剩余电量， 进行智能充电和电池诊断安全等功能的综合系统。 1 4 研究目的与意义 传统汽车带来的环境污染和能源消耗，越来越引起全世界的关注。开发节能及采用 替代能源的环保型汽车，是当今汽车工业发展的一个重要趋势。蓄电池作为电动汽车的 动力源而成为电动汽车发展的关键，蓄电池的性能决定了电动汽车的性能指标。因此， 在某种意义说电动汽车的成败首先取决于电池技术，电动汽车能否普及取决于电池技术 是否有突破性进展。 在花费巨大的产品生产和恶劣环境的实验中，建模与仿真有着巨大作用，不仅节约 资金和人力，而且更安全。电动汽车从设计到产品需要众多学科知识，周期长。计算机 长安大学硕士学位论文 建模与仿真不仅使设计周期缩短，有可能使用料和总体设计最优，加快电动汽车产业化 1 2 一1 4 】 o 在电动汽车中，蓄电池性能是决定整车性能的重要因素。在充、放电过程中，蓄电 池的各项性能参数，如电动势、内阻、荷电状态率、自放电率、温度等，互相影响，存 在着错综复杂的关系，具有高度非线性。而蓄电池产生的热量使其自身温度升高，对蓄 电池的整体性能产生显著影响。电动汽车在行驶过程中，其蓄电池又处于充、放电交替 进行的状态。这些都给蓄电池的建模仿真带来很大困难。对于蓄电池系统的建模仿真， 目前尚没有有效的准确的方法，每种电池的模型差异极大，复杂程度也不同，以开发误 差较小和计算机量较少，与实际工况蓄电池的变化性能尽可能吻合为好。蓄电池模型不 论从理论还是实际应用都有研究的必要，目前还不存在通用电池模型和标准仿真方法。 模型建立以后，在其基础上预测蓄电池性能参数，尽可能替代试验的结果。在诸多 性能参数中，对s o c 的准确估计最为重要。s o c 与端电压、电解液密度、放电电流、充 电电流、剩余行驶里程、电池寿命都有一定关系。同时，电池在实际工况中是一个黑箱 系统，无法通过准确放电试验法获得准确s o c 值。只有通过一些外部参数间接获得。同 时这个值还随温度，车辆加减速、电池寿命，s o h 变化。电池寿命和老化与电池充放电 策略有着直接的关系。s o c 值是控制电池充放电的重要参数，避免电池过充和深放电。 1 5 国内外发展现状 我国电动汽车的开发应用已引起广泛重视，电动汽车研制列入了“八五”、“九五” 以及“十五”规划。当前世界上的许多科研机构已经开发出多种关于电动汽车蓄电池仿 真软件和程序，如美国国家再生能源实验室( n r 冱l ，n a t u r a lr e n e w a b l ee n e r g yl i b r a r y ) 开发的a d v i s o r ( a d v a n c e dv e h i c l es i m u l a t o r ) 、美国设在芝加哥大学的a r g o n n e 国家 实验室( a n l ，a r g o n n en a t u r a ll i b r a r y ) 开发的p s a t c ( p o w e r t r a i ns y s t e ma n a l y s i s t o o l k i t ) ，国内对电动汽车建模仿真软件的研究和开发较少吆1 5 棚】。 作为能量存储系统，电池是电动汽车的重要部件。因此电池建模与仿真就成为制约 电动汽车发展关键。随着电动汽车产业化的需求，出现了多种电池仿真模型，如内阻模 型、阻容模型、神经网络模型等。从总体上说，国内有关电池仿真模型的原创性成果很 少，多数是在改进电池经典仿真模型，这方面以清华大学、湖南大学、天津大学工作最 多，如建立经验关系上的模型参数估计、再就是建立线性电路和非线性电路模型，这些 模型的建立大都是用来预i 贝l is o c ，而不能模拟电池的动态特性，诸如充放电下特征参 9 第一章绪论 数如何变化，模型大多假设一些理想状况，不太适宜实际工况的真实值。值的一提，武 汉理工大学用键合图来模拟蓄电池，整合了热管理系统，模拟基本特性参数，对电池动 态特性模型进行了有益的尝试【1 2 ，1 5 也2 1 。对蓄电池的过充、过放、寿命、老化过程、高放 电率特性、高低温特性基本上很少。 国外有关电池仿真模型的研究，无论从深度和广度都超过我国。电池性能模型主要 是建立在电化学理论的基础上，通过建立多尺度模型，精确预测电池的动态特性，来改 进电极和电解质材料，适用于电池工业，从微观到宏观准确度高，就是需要太多的偏微 分方程和数值分析技术，计算量较大，对电动汽车的实用价值不大，但有很好借鉴意义。 再就是改进的等效电路模型，考虑温度、老化、部分电化学的特性( 极化电阻、双层电 容效应、扩散效应、) ，准确预测电池动态性能曲线，开发实际可用电池模型，如a d v i s o r 含有许多电池仿真模型。有关电池生产企x _ l k ( p h i l i p s ) 和集成电路生产企业( m a x i m ) 都建立 有关自己有关经验关系式，在其充电器和电池管理系统中使用。国外在做电池模型仿真 时，考虑电动汽车种类各有差异，如纯电动汽车行驶工况一般较好，混合动力汽车适宜 于路况较差时的行驶，其电池动态特性极其复杂。 1 6 主要工作与研究目标 本课题研究的主要目的是为了能有效、实时的显示电池工作状态，预测电池的s o c ， 有效地适时控制电池充放电，延长电池的使用寿命。主要工作分别对电池等效电路模型， 电池荷电状态估计，电池寿命预测模型进行了叙说和研究。 电池作为一个复杂的，涉及电，化学，物理复合动态系统，对其进行完全得理解是 不可能。论文的目标就是提出一些新理念和改进方法应用于电池建模中，得出理论难度 适中，实际工况中可用的模型。对电池等效电路模型进行了改进，使其能够更多的模拟 电池动态特性。在电池荷电状态估计中，结合神经网络和模糊系统两者用来预测s o c ， 误差达到实际可用的要求。 1 0 长安大学硕士学位论文 第二章蓄电池性能实验台简介 本论文实验是在汽车学院与信息学院合作完成的蓄电池性能分析试验台基础下进 行的，下面简单介绍整个系统软硬件组成和系统功能。 蓄电池性能分析试验台是采用国内外先进充放电理论的基础上，引入全新的信号处 理和控制手段实现功能齐全充放电模式，在w i n d o w s 9 8 开发平台下，开发研制多功能、 高度智能化的新一代的电动汽车蓄电池性能分析试验设备。其关键技术在于充放电方 案、方式的确立，各监测和控制信号的获取与处理，充放电及检测流程的控制，w i n d o w s 平台下系统控制检测软件的研发口3 ，矧。 2 1 系统结构与工作原理 试验台主要由工控机、应用软件、采集电路、变压器、整流模块、滤波电路、i g b t 及其保护驱动模块、放电电阻、冷却系统等组成。变压器通过整流模块和滤波电路以及 参数检测系统与工控机连接，i g b t 及其保护驱动模块以及放电电阻与工控机连接，蓄 电池组分别与i g b t 模块和放电电阻连接。如图2 1 所示。 一一卜药订一一 l 系统l 变压器 输出 显示 变 压 控 制 信 号 主，整一滤整流筷块l 到滤波电路陴 i | | | | 旭 据l 监测 处l l 一 理1 工业控制 计算机 颦 数据处理 图2 1 总体结构原理图 参数监测 。- _ 。1 主 放电， 电阻 工 冷却 系统 一 组 一批一 _ 啪卫 霉 第二章蓄电池性能实验台简介 2 2 系统功能及特点 系统结构为w i n d o w s 9 8 环境下控制系统，各项设计符合国家有关规定，精度达到或 超过国家标准。系统工艺布局合理，监测频率控制科学，能够有效地提高监测效率，满 足电动汽车蓄电池性能分析的初步需要。系统界面采用全中文输出方式，操作使用简单。 系统对外输出接口封闭。系统功能完备，除能够以多种方式进行充放电控制和性能分析 外，还能够对历史数据进行保留存档，处理。 1 、能够实现高压i o o v 一3 0 0 v 电压连续可调以及o - 3 0 a 电流连续可调智能充电功能。 2 、能够实现低压i o v 一3 0 v 电压可调，0 一i o o a 电流可调，恒流充电、恒压充电以及 脉冲快速充电等功能。 3 、可达最大电流( 2 0 0 a ) 精确放电，系统可模拟出电动汽车各种工况下蓄电池放电 的电流，并进行放电试验。 4 、能够实时对充放电时蓄电池的端电压、端电流、电池温度的充放电性能指标和 充电电压、充电电流、主要功能元器件的温度等的系统性能指标进行监测。 5 、系统可以软硬两种方式对异常工况进行断电、停充、停放电等紧急处理；系统 工作时，在系统软件的监控下对上述各种指标参数进行分析，并且能够对干扰的异常信 号进行相应处理。即使在系统软件崩溃情况下，也可以采用按“急停”按钮或系统“快 熔 元器件的作用下对系统进行保护，增强了系统健壮性。 6 、系统采用电流时间积分法对蓄电池的容量进行预测；并在系统的工作界面显示 有容量进度条，根据蓄电池的容量可精准的判断是否继续充放电；通过对容量的监测和 判断控制，可以防止过充、过放对蓄电池的损伤。 7 、系统可以实时记录并描绘出充放电时的性能指标曲线。 8 、系统可以记录存储每次充放电的监测记录，并能够随时对历史记录调出并打印 出性能分析报告 2 3 , 2 4 】。 2 3 系统硬件结构设计 1 、高压充电系统主电路包括变压、整流、调节、滤波等几个主要部分。原理如图 2 2 所示： 1 2 长安大学硕士学位论文 电 网 侧 图2 2 高压充电原理图 系统采用一次侧输入为3 8 0 v ，二次侧为3 1 0 v 和3 0 v 两种输出的变压器，实现变压 和隔离。高压充电模式采用3 8 0 v 3 1 0 v ，低压模式采用3 8 0 v 3 0 v 。 采用三相全控整流，整流输出的电压高、纹波幅度低、频率高、控制灵敏，适用于 大功率场合。 采用纯电容滤波：高压充电模式下采用1 0 0 0 0 9 f 电解电容滤波，低压模式下采用 2 2 0 0 p f 电解电容滤波。经测试滤波后输出电压波形符合设计要求。 高压充电电路实现的功能是在1 0 0 v - 3 0 0 v 电压连续可调以及0 , 3 0 a 电流连续可调 智能充电功能。高压充电部分由主回路和控制回路组成。参见图2 3 所示，主回路包括 变压器、整流器、滤波电路、工控机等组成。 电 网 输 入 斗j w 电流传感器 1 别 ii + 1 w 广1 1 2 1 h e= 至= ， ： 一：= 一 1 f 1 蓄 v7v 一3870 【l 功能2 _ - 电： i 池 孛斟= l _ 模块。 j- - j 组1 4 1 55 一，一f 钊iji = 5k 。1 一 - 。_ e己二一| | !己=一u u 过过过 滚热 熟 播擂 币示 叫；! 燮醅 一 图2 3 高压充电主回路 2 、低压快速充电实现的功能是在1 0 v - 3 0 v 电压可调，0 - 1 0 0 a 电流可调，恒流充电、 恒压充电以及脉冲快速充电等功能。其工作原理如图2 4 所示。 第二章蓄电池性能实验台简介 电 变 压 器 整流模块h 滤波电路卜 叫i g b t 模块 控制|i 参数 指令jl 监测 蔓祟h 工控机显示h 上弪召l p w m 信号 i g b t 驱动 单片机 l 差蓑 蓄 电 池 组 放电 电阻 图2 4 低压快速充电及放电原理图 由变压器变压得到3 0 v 交流电，经整流模块整流，滤波电路滤波得到比较理想的直 流电，经i g b t 开关管到达蓄电池。单片机发出一脉冲信号经i g b t 驱动电路触发i g b t 导通。调整p w m 波的脉宽即可实现对蓄电池的低压恒流充电。 工控机及相关电路在充电整个过程中动态监测蓄电池的电压，自动调整充电电流， 使充电电流始终保持在一定的稳定值附近，从而既保护了电池，又能使电池充分充电。 图2 5 为充电主回路框图。 电 网 输 入 - + - - - +2 v 电流传感器电流传感器 1 2 v - - i + 1 2 恨、 + 12 、蜒巴 1 一甄f 。一 、 v iii 厂几h 1 l g b t i i g b t tt i 耋 功能： h 驱动模块 臣 驱动模块 謦宝 t1r j 蓊 = = = i ：模块2 i i y ，f i i u l u ” 15 l 也 上 j - 阻 0 c 自一【 = r _r 垃进 t _ 生一虬斟 毒， 图2 5 低压快速充电及放电主回路 整流模块工作状况决定充电试验的成败，必须保证其正常的工作，为此，必须对 其进行必要的保护设计。包括过流保护、过热保护、缺相保护和短路保护等。在本设计 中采用过流、过热自动指示和缺相、短路自动断电的方法保护整流模块。过压保护采用 外界阻容吸收和压敏电阻过电压保护相结合的双重保护。整流模块的发热量很大，散热 条件直接影响模块的可靠性和安全。 1 4 长安大学硕士学位论文 3 、放电电路：放电主回路如图2 5 所示。图中右面虚线框为放电主回路，其工作 过程是在工控机系统软件上设定占空比，通过对占空比大小调节，实现对i g b t 模块的 控制，从而实现对放电电流的大小的调节。电流通过系统所设计的电阻转化为热能消耗。 系统最大放电电流为2 0 0 a 。放电电阻为三个放电电阻并联后电阻为0 0 2 欧姆，可根据 具体情况进行组合调节。 2 4 软件整体功能框架 软件采用v c + + 6 0 编制。操作人员通过对带有触摸屏的工业控制计算机进行操作。 根据实际需要对蓄电池进行充、放电试验。控制界面秉承了人性化设计理念，简单、方 便、直观。图2 6 为系统整体功能框架模块图 蠢鐾i 打印 图2 6 系统整体功能架构模块图 程序放 电 9西9一 嚣嚣 第三章一种改进的蓄电池等效电路模 第三章改进的蓄电池等效电路模型 3 1 电池模型综述 建立电池模型反应电池动态特性，可以为基于模型的预测和诊断提供理论依据，为 了更好改进模型，需要了解现有电池模型优缺点【1 2 , 2 3 - 2 7 】。 一般有大致三种建立电池模型的方法： 电化学模型 电池智能模型 参数可变的等效电路模型 这些模型用来估计终止电压，在线估计s o c 、剩余容量、电池健康值。 3 1 1 电化学模型 如果要想完全理解电池的行为特性，只有清楚了解分子层次的化学反应机理，建立 每个反应常偏微分方程，从分子层次到宏观层次，来描述电池动态行为。 在电池充电和放电时，模拟一些化学效应如极化，其电压的幅度超过开路电压值。 极化通常包含电化学极化、欧姆极化、浓度极化【2 8 3 0 1 。 电荷在电极之间的交换程度与激活率有关。激活率不是均一的，与s o c 、温度、 电池容量有关。如果化学物质交流密度不是近似均一的，要考虑物质的扩散效应。 有文献建立一个n i c k e l h y d r o g e n 电池的物理模型，考虑了大多数化学效应。这个模 型需要2 9 个参数用来描述电池化学效应，达到相当高的准确性。 该类模型主要缺点实际应用中难以有足够时间和资源来确定物理模型需要的大量 参数值。在实验室的环境下，这些模型都难以适用于铅酸蓄电池，肯定也不适用于实际 的工况条件。 尽管如此，对电池化学反应的深刻理解有助于开发等效电路模型，电路模型不需要 模拟所有的化学效应。 3 1 2 计算智能模型 电池的充放电是一个复杂反应过程，应该进行个体模拟，寻找启发式的方法来预测 电池行为和状态。计算智能技术如人工神经网络和粒子群优化使用数据值来拟合非线性 函数来描述电池的输出行为 1 0 , 3 1 - 3 5 】。 1 6 长安大学硕士学位论文 人工神经网络是计算智能的基础，可以通过训练数据进行学习。当训练完成，其内 插或外插能力随着设计参数( 节点数、训练层数、权值函数) 的变化而变化。 对一些应用，如电池设计和电动汽车控制，使用人工神经网络训练是值得的。不过 在电池诊断和老化性分析中效果不明显，几乎没有描述电池内部反应过程。 3 1 3 等效电路模型 在低层次化学模型和输入输出启发模型存在一个折中的选择，使用电网络模型来 近似描述电池行为1 8 , 2 5 , 3 6 - 3 8 】。 长期不可逆的老化，一些可逆效应如硫化、酸化、循环过程都随着电池种类不同种 类电池使用方式有相当大的差异。对电池老化和诊断检查下，自然需要考虑所有这些效 应，必须与种类相关的。通常模型不会直接模拟这些长期效应，而是由短期扩散效应、 双电子层效应、充电电荷、电磁效应所代替。 总结上述对电化学建模过程，给出一个大致流程，从图3 1 可以看出，电化学过程 l 定义瓣的化 修改描 述化学 反应 建立化学反应的数 学表达式 修改数 子衣怂 式 y 将数学表达式转换 成等效电网络模梨 审 仿真 -一 修改参 * ，烈 比较真实测基数据 与仿真结果 修改模 型 参数优 化 图3 1电化学建模流程 建模方法已经比较成熟，特别是对建立等效电路模型更是如此。现在主要难点是考虑模 型复杂度和适用性如何平衡，再就是化学效应到数学表达式之间的转换存在问题，电化 第三章一种改进的蓄电池等效电路模 学效应复杂，有的还没有完全理解如对电池过充，过放不正常情