（电工理论与新技术专业论文）蓄电池剩余电量预测方法研究.pdf

上海大学硕十学位论文 a b s t r a c t s e a l e dv a l v e - r e g u l a t e dl e a d - a c i d ( v r l a ) b a t t e r i e sa r ew i d e l yu s e di n t r a n s p o r t a t i o n ， u n i n t e r r u p t i b l ep o w e rs u p p l y ( u p s ) ，c o m m u n i c a t i o n sa n do t h e rf i e l d s d u et ov a r i o u sr e a s o n s ， c a p a c i t yr e d u c t i o na n dp e r f o r m a n c ed e g r a d a t i o no fb a t t e r i e sw i l lh a p p e na n du l t i m a t e l yd i s t u r bt h e n o r m a lo p e r a t i o no ft h es y s t e m o n l yw i t he f f e c t i v er e s i d u a lc a p a c i t ye s t i m a t i o n ，t h eb a t t e r y s o p e r a t i n gs t a t ew i l lb ew e l lm o n i t o r e d r e s e a r c hh a db e e nc a r r i e do u ti nt h i sp a p e rb a s e do nv r l ab a t t e r yu s e do ne l e c t r i cv e h i c l e s m a n yk i n d so fr e s i d u a lc a p a c i t ye s t i m a t i o nw e r ee x p l o r e da n dd i s c u s s e d b a s e do nc o m p r e h e n s i v e u n d e r s t a n d i n go fr e s i d u a lc a p a c i t ye s t i m a t i o nm e t h o d sa th o m ea n da b r o a d ，ak i n do fc a p a c i t y f u = ye s t i m a t i o nm o d e lu s i n gt h ee m fa n di n t e r n a lr e s i s t a n c eo fv r l ab a t t e r yw a ss u g g e s t e di n t h i sp a p e r a ne m p i r i c a le q u a t i o nc o u l db ed r a w nf r o mm e a s u r e dd a t ao ft h ee m fa n di n t e r n a l r e s i s t a n c e ，w h i c hc o u l db eu s e da saf e e d b a c k o ft h ef u z z ym o d e l i tw o u l di m p r o v et h e p e r f o r m a n c ea n ds t a b i l i t yo ft h ef i l z z yc o n t r o l l e r t h es i m u l a t e dr e s u l tf r o mm a t l a b 7 1v e r i f i e dt h e v a l i d i t yo ft h ef u z z ym e t h o d t h i sm e t h o di sr e l a t i v e l yn o v e l ，s i m p l e ，e a s yt oi m p l e m e n t i tc a na l s o c o o p e r a t ew i t ha hi n t e g r a t i o nt oc o m p l e t et h eb a t t e r yp o w e rc o r r e c t i o n m o r e o v e r , t h i sa r t i c l ea l s od i s c u s s e dt h ee s t a b l i s h m e n to f b a t t e r yv o l t a g ea n dc u r r e n ts a m p l i n g c i r c u i ta n ds i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e mo np r o t e u s s o f t w a r ek e i l c 51h a db e e nu s e dt od e s i g nm c u p r o g r a ma n ds i m u l a t i o no fs i n g l e - c h i pp r o c e s s i n gs y s t e m a l lt h e s ew o r k sh a dl a i daf o u n d a t i o nf o r t h eh a r d w a r er e a l i z a t i o n k e y w o r d s ：v r l ab a t t e r y , r e s i d u a lc a p a c i t y , f u z z yc o n t r o l ，s t a t eo fc h a r g e ( s o c ) i i 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：缢日期：幽：墨：琴 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：盈蜜叠导师签名：圣鹭日期：幽：至挚 海 学碰l 学忸论文 第一章绪论 11研究背景及意义 铅酸蓄电池经过百余年的发展与完善已成为世界t 广泛使用的一种化学电 源，具有良好的可逆性、电且、特性甲稳、使用寿命长、适用范围广、原材料= f 富( 且 可再生使用) 及造价低廉等优点。主要应用在交通运输、通讯、电力、铁路、计算 机等国民经济各个领域，是社会生产经营活动和人类生活中不町缺少的产品。 如今使用较多的是常见的“免维护阀控式密封铅酸蓄电池”，简称v r l a 蓄电 池( v a l u e - r e g u l a t e dl e a d a c i d b a t t e r i e s ) 。奉文主要讨论v r l a 蓄电池在混合动力汽 车中的应用情况。 汽车行业是各固家都重点发展的支柱产业，目前还是以汽油和柴油为燃料的 汽车为主。但是汽油和柴油的源头一石油却同渐短缺。以日前的消耗速度，再过 4 0 年，燃油汽车将进八历史博物馆，依赖于燃油汽车的全球交通运输业将完争瘫 痪。另外燃油汽车展人的缺点就是排放有害物体，污染人类赖以生存人气环 境。人们需要汽车，但小需要有害的排放物体，因此很多围家投八大量的物力、 财力来解决这个矛盾，已经取得不少进展，但只能尽量减少有害的排放。随着经 济的快速发展，人们对生活质量越来越重视，从环保、能源危机角度出发，产生 了对电动车的需求。最早的电动车当属1 8 8 2 年的t 乜动三轮车，车底安放电动机和 铅酸蓄电池，如图卜i 所示”。 幽卜11 8 8 2 年第一辆电动二轮乍 现今的纯电动汽车原理与图卜1 中的二轮乍完争相同，动力完全来自于蓄电 池，彻底消除了排放污染和噪声，只需要定期充电即可，是最十净、毋安静、最 理想的交通工具。由于目前的技术限制，纯电动汽车的丌发困难很大，主要足动 力源蓄电池的限制。现在辆纯电动汽车不仅需要很多电池组，而且行驶路程短， 上海人学硕士学位论文 无法象燃油汽车那样普及，依然处于研制阶段。燃油汽车的危机感，电动汽车的 吸引力，迫使许多汽车生产商竞相开发一种电力燃油混合动力汽车。 混合动力电动汽车采用两套动力系统：电动机和内燃机。当汽车启动、上坡、 加速或行驶在城市路面时，由电动机启动，减少内燃机的负担，从而降低噪音， 减少污染。当汽车在野外路面、正常行驶时，由内燃机驱动，电动机起辅助作用。 当汽车制动、减速、下坡时，控制系统自动将多余能量转换为蓄电池的电能。根 据汽车公司试验表明：混合动力汽车完全可以达到新时期的环境法规要求，具有 良好发展前景。 混合动力汽车所配置的电池主要包括铅酸蓄电池、镍氢电池、锂离子电池以 及前景广阔的燃料电池、太阳能电池等心1 。而铅酸蓄电池是最成熟、最廉价的蓄 电池，虽然有比能量低、自放电率高、循环寿命低、使用成本高等缺点，但价格 低、工艺成熟，特别是近年来“阀控式密封铅酸蓄电池( v r l a ) ”技术日趋完善， 所以，v r l a 蓄电池依然是近期混合动力汽车的主要动力源瞳“1 。 从2 0 世纪9 0 年代，美国通用汽车公司率先开发出的纯蓄电池电动汽车e v l ， 到今天，许多西方先进国家都开发过性能优异的电动汽车，已经达到了一般可用 的标准。那么，时至今日，为何电动汽车依然没有普及呢? 公认的阻碍就是v r l a 蓄电池的问题。其中研究比较多的是蓄电池最关键的性能表征参数“容量”。 研究和使用经验表明，只有保证蓄电池不发生过充、过放，才能有效保证蓄 电池的性能，保证系统工作。要保证不发生过度充电、放电，就必须实时地了解 电池的的“真实容量”和“荷电状态 ，从而采取及时的控制策略。然而，v r l a 蓄电池容量与使用条件密切相关，容量不是一个定值h 3 。人们平时总是使用v r l a 蓄电池壳上标注的容量，或是对新电池进行容量测试得到的值，作为长期不变的 标准，这也是蓄电池应用中许多问题的根源h 1 。影响蓄电池容量的诸多因素都是 非线性且复杂的，“电池状态的确定阳h 问题，至今没有真正解决。国家标准中， “核对放电法h 是唯一认可的，也是各行业普遍采用检测电池容量的有效方法。 为了满足无人值守的要求，优化蓄电池工作状态，保证蓄电池的运行可靠性， 蓄电池监测与管理系统技术成为研究的热点聆7 ，引。v r l a 电池管理系统( v r l a b a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m ) 用于实时地检测电池组及其单体电池的温度、工作电 压、工作电流、电池内阻等电气参数，推算其真实电量、剩余电量、预计寿命等 信息，将信息反馈到用户仪表中，同时根据检测到的信息，实时地控制电池充电、 2 上海大学硕上学位论文 放电过程，避免过度充电、放电现象发生，最大限度地提高电池的能量使用效率， 延长蓄电池的实际使用寿命，尽可能降低因为使用不当所带来的不必要损失。但 是，目前b m s 处于研究阶段，电动汽车用v r l a 蓄电池的工作状态并未进行优化， 核心的问题依然是没有真正实现“电池状态的确定”。 在充电过程中，人们想知道“电池怎么样才算充满电”；在放电过程中，人们 比较关心“电池还能用多久 。这两个问题，归根到底，是文献 5 中描述的“电 池状态确定”问题。很多文献进行v r l a 的s o c 预测、s o c 计算方法或“剩余容量 ( s o c ) ，都是这个问题的具体研究。 这里先声明一下电池状态与s o c 术语问题。根据文献 5 ，使用荷电状态( s o c ) 和健康状态，来描述电池的状态。本文后续叙述中，涉及到的剩余电量与s o c 之 类术语，都是表示电池状态的。 根据上面的分析，本文得到两个结论与一个问题点，如图1 - 2 所示。因此， 研究v r l a 蓄电池的剩余电量具有十分重要意义，不仅可以有效提升混合动力汽车 的动力性能，也可以促进b m s 系统的普及应用，有效地改善v r l a 蓄电池的能源利 用效率。 1 2国内外现状 图i - 2v r l a 研究的结论和问题点 首先简介下蓄电池的容量，这是非常必要的。前面多次提及电池容量、真实 容量、剩余容量、剩余电量等术语，也许会让人很迷惑。这里首先认识下电池容 量的概念。蓄电池在一定放电条件下所能给出的总电量称为蓄电池的容量，常用 c 表示口3 。由于蓄电池的端电压是一个变量，选用安时( a h ) 表示电池的电源特性更 为准确，用公式( i - i ) 定义如下： 3 匦 囝7 上海大学硕十学位论文 q = i d t u 此时q 的单位为a h ，理论上，t 可以趋于无穷，但实际上，当v r l a 放电低 于终止电压时再持续放电，可能损伤蓄电池，故对t 值有限制。由式( 卜1 ) ，将 容量称呼为电量，把“剩余容量 改称为“剩余电量 ，应该更贴切些。 针对v r l a 蓄电池的剩余电量，国内外已经展开了许多研究。类是从v r l a 内部的电化学反应入手，分析影响蓄电池容量的正负极板、隔板等部件的材料特 性，改变蓄电池内部构造，提高蓄电池的性能。文献 5 整理了一系列的电化学研 究，代表了目前国外最新的技术成果。另一类研究则从蓄电池外部工作参数入手， 把电池作为一个“黑箱子 ，通过测量电池的工作电压、电流、温度等参数，总结 出一定规律和算法，从而估计蓄电池的剩余电量。由于外部参数比较容易测量到， 而且这些参数与电池的剩余电量之间也是有一定规律性的，此类方法有很大优势， 被多数研究者所采用四1 。下面分别介绍目前基于电池电参数的容量预测方法阻1 0 1 。 1 2 1放电实验法 放电实验法是目前唯一最可靠的s o c 估计方法，实验线路如图1 - 3 所示。此 法对负载电阻进行连续放电试验，放电过程中，调节负载电阻大小，维持放电电 流的恒定，直至放电终止电压。假负载可以换成智能电子假负载n ，以实现剩余 电量检测的精度。根据恒定电流与时间的乘积，可以获得实际使用中全额电量值。 国家标准中的“核对放电法 正是建立在本方法基础上，文献 6 详细阐述了核对 放电法的具体使用。 图1 - 3 放电实验检测容量线路 4 上海人学硕上学位论文 1 2 2安时积分法 安时积分法，即a h 法，是目前应用非常频繁的方法，尤其是与其他方法配合 使用中。该方法把蓄电池的容量q 以“a h ”为单位来计量的，通过充放电电流与 时间的积分，求得比较精确的电量值。如果充放电的起始状态的电量为s o c o ，则 当前状态的s o c 由式( 卜2 ) 求得： 一t s o c = s o c o 一i q i d f ( 1 - 2 ) 、，no 式中：c n 一额定容量。 7 7 一充放电效率，不是常数； i 一电池工作电流。 有人根据a h 法，采用单片机设计了全数字化容量检测仪n 扪，对电池进行定电 阻放电实验，摆脱了恒流放电装置。此时，应采取公式( 1 - 3 ) ，由单片机进行累积 计算。这里电流是变化的，间隔为采样周期，通过电流采样电路，实现a d 转换。 q ( t ) = l i mn _ 0 em t ) t ( 1 3 ) 1 2 3开路电压法( o o v 法) 此方法与v r l a 蓄电池的电动势有关。根据电化学理论，在蓄电池中化学能与 电能的转换达到平衡时，正极平衡电极电势与负极平衡电极电势的差值，成为电 池电动势，在数值上等于电池达到稳定状态时的开路电压n 驯。在特定的条件下， 电池电动势只与电解液硫酸密度有关。v r l a 蓄电池标准电动势为2 1 2 0 2 1 6 0 伏。 当电解液密度增大时，电动势随之增大；当电解液密度减小时，电动势随之减小。 在正常工作环境温度下，通常通过测量电池的开路电压来估算电池的电动势。 开路电压，或电动势与电池容量、电解液密度关系密切，不依赖于电池尺寸、 放电速度，能够直接用于s o c 的预测瞄，1 4 瑚1 。此法的主要问题是必须要保证蓄电池 静止足够的时间，才能得到真实的开路电压值。改进的o c v 法通常是采用“电压 曲线外推法 来预测开路电压n 钔，即先得到电压恢复特性曲线，在曲线的线性区 域内估计直线方程，从而预测电池稳态时的开路电压。研究表明，v r l a 蓄电池s o c 5 上海大学硕上学位论文 与稳态开路电压的线性关系，通过测量电池的稳态开路电压来得到电池的s o c ， 两者之间有非常好的线性关系。图卜4 所示的是2 v 蓄电池o c v 与s o c 的曲线图， 可以看出线性度非常好，因此利用o c v 来高效能电池状态或剩余容量，可以保证 很好的精度。 2 1 5 2 1 0 2 0 5 2 0 0 1 9 5 1 9 0 j ， 一， 。 ， s o (i ( ) 0 2 0 i06 q8 010 图卜4 开路电压与荷电状态( s o c ) 关系曲线 利用开路电压预测s o c 较准确，且可避免进一步误差的产生。但是该方法的 缺点是电池必须离线。在充电或放电之后，开路电压需要很长的时间才能稳定， 在充、放电状态下，其开路电压无法直接测量。随着电池老化、剩余容量下降时， 开路电压变化不明显，无法准确预测剩余容量。 1 2 4内阻法 宏观看来，如果v r l a 蓄电池的开路电压为u o ，当用电流i 时其端电压为u ， 则内阻r 可以用公式( i - 4 ) 求得。然而这样得到的内阻并不是一个常数，不但随电 池的工作状态和工作环境而变化，还与测试方法、测试持续时间有关。 u o u r = = 一 l ( 1 - 4 ) 由公式( 1 - 4 ) 求得的内阻r 为稳态内阻，由欧姆内阻r 0 、浓差极化内阻r c 、 活化极化内阻r e 等3 个部分组成的。凡包括蓄电池内部的电极、隔膜、电解液、 连接条和极柱等全部零部件组成，也称为金属内阻。r 。随着v r l a 电池电极腐蚀而 变化。r c 是电化学反应的离子浓度变化引起的，只要电化学在进行，r c 就不断变 化；r e 由v r l a 电池结构体系决定，在电池寿命的初期和中期，r e 基本不变化， 只有在寿命后期或电池结构变化，才会引起r e 变化。 6 t 海大学硕士学位论文 目前普遍采用直流电压降法、交流阻抗法和瞬间大电流法来测量v r l a 蓄电池 的内阻订1 瓦1 6 1 7 1 8 19 。直流压降法是在电池两端接入放电负载，根据不同电流( i l ，1 2 ) 下的电压变化( u i - u 2 ) 来计算内阻值，计算公式为( u i - u 2 ) ( i z 1 1 ) 。此法在电流变 化不大时，对应的电压变化也不大，不便于测量，且精度很难保证，故实际上应 用不多。采用直流电压降法，测量的内阻，其实质是公式( 卜4 ) 中r 的欧姆内阻 r 0 。 交流阻抗法是向电池两端施加一个己知频率和幅值的交流电压信号，测量出 流过电池的、与该交流电压信号同相位的交流电流值，则交流电压值与交流电流 值之比，就是电池的“交流内阻”，通常称其倒数为电池的“电导 。交流阻抗法 通常采用图1 - 5 示意的电路连线。交流内阻是公式( 1 - 4 ) 中r 的r o 、r c 之和。 + v o v s + 图1 - 5 交流内阻四线法原理 瞬问大电流放电法避开了交流阻抗法的噪声问题，可以达到很好的测试效果。 其原理就是：先让电池离线，然后在瞬间迫使电池产生一个大电流脉冲，检测电 池极柱上的电压变化量，利用公式r = a u i 求出内阻。此时求出的内阻是欧姆内 阻和电化学内阻，效果类似于交流阻抗法的结果。 由此可见，电池内阻的大小与电池所处的状态有关，与电池的剩余电量有关。 电池处于放电状态时，随着剩余电量的消耗，电池内部活性物质减少，结果使得 内阻逐渐增大起来瞳钔。国内外许多研究资料表明，电池内阻与剩余电量有关，且 与剩余电量成反比关系，如图卜6 所示。 图1 - 6 内阻与剩余容量的反比关系 7 上海人学硕士学位论文 运用内阻预测剩余电量的一般流程是：让电池充电充分，然后进行放电，记 录放电过程中的内阻与剩余电量的大小，从而得到一个完整的内阻容量关系曲线， 将此曲线数据存入微控器的e p r o m 。以后微控器根据在线测量的内阻值，直接查 表得到对应的剩余电量值。 1 2 5数学模型与参数辨识法 数学模型法啪3 1 站1 试图建立v r l a 蓄电池的剩余电量与其充放电率、电池端电 压、工作电流、内阻等参数之间的数学关系，以期望数学模型能够较为准确地反 映出物理化学参数的变化对剩余电量影响。数学模型法具有通用性强的优点，非 常适合研制v r l a 蓄电池在线测试仪。文献 2 0 综合考虑蓄电池的热力学和动力学 特性，建立一个充放电过程的数学公式，只要放电率、初始电解液比重、环境温 度等因素确定后，其公式可以直接转换为电池端电压与s o c 的数学公式。文献 2 1 用“最小二乘法 原理，采用多项式拟合方式，得到了内阻与s o c 、端电压与s o c 之间的函数关系，取得良好的预测精度。文献 2 7 探讨放电电压与s o c 的关系， 而文献 2 8 儿2 9 则总结开路电压、内阻与s o c 的方程。数学方法虽然通用，但模 型结构参数多。 v r l a 蓄电池是一个高度非线性的系统，而模糊理论、神经网络及其他系统参 数辨识法瞳2 2 3 “名5 溉3 7 瑚1 都是处理非线性系统的有力工具。近年来，模糊理论、神 经网络应用在蓄电池上的研究不断出现。模糊理论是建立在模糊数学基础上的推 理机制，反应输入输出关系的映射，接近于人的形象思维方式，擅长于定性分析 和推理，具有较强的自然语言处理能力。模糊控制是把几个不同的变量处理成自 然语言，进行人脑思维推理。模糊控制受经验知识的影响比较大，往往经验知识 丰富，模糊控制器的性能越优越。而神经网络具有并行结构和自学习能力，从原 始数据中自学习，确定模型内部参数，从而对外部输入自动给出响应。估计蓄电 池s o c ，常采用3 层神经网络：输入层、中间层和输出层。输入输出层神经元个 数由实际需要来定，而中间层神经元个数取决于问题复杂程度和精度。此法通常 采取电压、电流、内阻、温度等参数为输入变量。模糊理论与神经网络方法适合 于所有蓄电池。 上海人学硕士学位论文 1 3本文研究内容 在进行课题研究期间，笔者阅读了大量关于v r l a 蓄电池工作特性、动力电池 工作环境以及模糊理论方面的资料，利用所掌握的仿真软件，对一些假设的预测 模型进行了仿真验证、比较。在考虑硬件可实现的基础上，最终选择利用模糊理 论，建立一个新的“带线性反馈环节的双入单出模糊容量预测器”，同时尝试将这 种新预测算法应用在微控器中，用于监测v r l a 放电过程，从而使理论与实践紧密 结合。以下对本文各章内容作总体介绍。 第一章绪论进行文献阅读，分析关于v r l a 蓄电池研究现状，得到两个结论与 一个问题点，明确本文要研究的方向与内容。 第二章首先简单分析v r l a 蓄电池的充放电机制、外部工作特性，然后介绍蓄 电池的容量定义。在s o c 定义基础上，比较第一章绪论中的几种常用方法，确立 本文所采用的蓄电池剩余容量预测方案。 第三章先介绍模糊模型设计的关键理论点，重点分析了m a m d a n i 推理的 m i n m a x 一重心法原理。m a m d a n i 推理法是本文模糊预测采用的方法，其关键是隶 属度函数合成及演算过程。接着分析预测v r l a 蓄电池剩余容量的模糊推理工作流 程，确定模糊化处理、解模糊化的方案。最后根据现有实验数据的特点，进行模 糊推理过程的设计，初步建立v r l a 蓄电池的模糊容量预测模型。 第四章介绍实验室采用的单节蓄电池测试系统，然后针对电动汽车电池组， 进行测试系统的硬件电路可行性分析，初步选定硬件结构体系。 第五章用m a t l a b 的f u z z y t o o l 与s i m u l i n k 进行模糊模型的仿真，将仿真预 测结果与现有测量结果进行对比，分析预测模型的优缺点。 第六章进一步探讨新建立的模糊模型m c u 化设计，即通过一定的电路仿真， 把新建立的模型应用在单片机中，分析模型m c u 化的问题点、预测的效果( 定性为 主) 。这种研究具有一定的应用参考意义。 第七章总结本文工作，作进一步展望，分析本文建立的v r l a 蓄电池剩余容量 预测模型改进，并探讨剩余容量预测在电池管理系统应用。 9 上海大学硕上学位论文 第二章v r l a 蓄电池与容量定义 由于蓄电池充放电涉及到物理、电化学专业知识，为能更好地理解v r l a 蓄电 池的容量预测，有必要分析一下v r l a 蓄电池的充放电机制与其容量定义。 2 1 v r l a 蓄电池的工作原理 v r l a 蓄电池可大致分为四部分：正电极( 二氧化铅) 、负电极( 海绵状铅) 、 电解液( 硫酸) 和隔离板。图2 - i ，2 2 分别为充放电示意图( 隔离板未画出) 。 图2 1充电电化学反应图2 2 放电电化学反应 充电刚开始，正负极板上均为放电反应后留下的p b s 0 4 ，从图2 2 两个电极 底部可以清楚看到。在外界电流的作用下，正极板上的p b s 0 4 被电解，最终在正 极板上生成活性物质固相的p b 0 2 。负极板上的p b s 0 4 被电解，最终在负极板上生 成活性物质p b 。与此同时，电解产生的h + 与s 0 4 。2 形成h 2 s 0 4 ，因此液相h 2 s 0 4 增加，h 2 0 必然减少。 充电后，正极板上的p b 0 2 ，在水分子的作用下，少量p b 0 2 会离解成p b + 4 留 在正极板上，故正极板上缺少电子。负极板上的p b ，与h 2 s 0 4 发生反应，变成 p b + 2 ，故负极板上多余两个电子。在电池开路时，正极板上缺少电子，负极板上 多余电子，两极板间就产生了一定的电位差，这就是电池的电动势。 放电时，在电位差作用下，负极板上的电子经负载进入正极板形成电流i ， 在电池内部进行化学反应。负极板上放出电子后，在负极板上生成难溶的p b s 0 4 。 而正极板正极板得到电子后，在正极板上也生成难溶的p b s 0 4 。与此同时，稳定 物质h 2 0 会增多，而h 2 s 0 4 则减少。 1 0 上海大学硕士学位论文 因此可以总结v r l a 蓄电池充放电主反应化学表达式为： 劭。2 + 而+ 2 兄鼢；等2 乃s 。4 + 2 d v r l a 蓄电池的实际结构，如图2 - 3 所示，正负极板被中间隔板间隔开，三者 紧密靠近。而硫酸电解液储存于中间隔板内部。隔板是用特殊的玻璃棉制作的。 因此，电池壳内没有流动的电解液。v r l a 的密封性就是这个道理。 图2 3v r l a 蓄电池实物图 从理论上讲，v r l a 蓄电池放电时，活性物质应该能够全部转化为p b s 0 4 ，并 释放出足够能量；充电时，p b s 0 4 应该能够完全转化成活性物质。实际上这种情 况是不可能的。研究发现，正极板在s o e = 8 0 左右就进入过充电态，而负极板约 在s o c = 9 0 时进入过充电态瞄1 。过充电带来的负作用是水电解和极板腐蚀，严重影 响正常的充电进程。因此，良好的充电方式固然重要，而预测s o c 更是有效的控 制策略。在s o c = 9 0 左右时，及时进行负脉冲放电，可以有效消除过充电造成的 负反应，提高电池的充电接受能力汹驯。 2 2 v r l a 放电特性 通过v r l a 蓄电池的充、放电机制分析，本文认为蓄电池荷电状态( s o c ) 是非 常重要的控制参量，可以有效控制过充过放电现象发生，避免电池损伤。本小节 讨论v r l a 蓄电池的放电特性，这是放电过程中剩余电量预测的理论基础。 放电特性是指在恒定电流放电过程中，蓄电池的端电压u 随时间变化的规律。 将完全充足电的蓄电池以恒定电流放电，每隔一定时间，测量一次端电压u ，得 上海大学硕上学位论文 到一条电压一时间曲线。 电 压 3 2 1 1 王 1 图2 4 所示的为2 v 电池恒流放电曲线汹3 。 图2 4 典型的恒流放电端电压时间曲线 恒电流放电时，端电压有三个变化阶段。刚接入负载时，由于电池内部的欧 姆内阻的电压降，使得负载端电压呈现陡然下降趋势( a b 段) 。接下来，随着电 化学反应的平衡，电极电位趋于稳定，电池端电压呈现平稳态( b c 段) 。最后，在 电池经历长时间放电后，电解液浓度明显下降，电化学反应变慢，正负极板电位 差变小，使得电池端电压急剧降低( c d 段) 。一般地，把c 点定义为放电终止电压。 超过c 点就进入过放电状态，电池端电压加速跌落，极容易造成供电突然中断， 引发突然事故。另外，过放电很可能会造成活性物质的消耗或从极板上脱落，导 致电池不可逆转的损伤。 放电电流不同，蓄电池输出的容量也不同，对应的放电特性分布曲线也就不 同。电流越大，持续放电的时间越短，容量就越小。这里应从两方面理解：一是 电池持续工作的时间会非常短；二是由于电池内部的活性物质消耗过快，部分物 质不参与化学反应，电池能放出的电量相对减少( 与正常工作放电) 。 2 3剩余电量的定义与影响因素 2 3 1电池容量与荷电状态 v r l a 蓄电池的容量就是其蓄电能力，是蓄电池最重要的性能之一。在一定的 放电条件下，充足电的蓄电池放电至规定的终止电压，所释放的总电量称为容量， 其单位为安时( a h ) 。在使用过程中，容量受放电速率、电解液温度等多种因素影 响，因此预测剩余容量比较困难，直接导致电池状态判断不准确。 注意，在很多文献上经常看到荷电状态( s o c ，s t a t eo fc h a r g e ) 的概念。s o c 表示电池带电荷的状态，其实就是“剩余容量的问题。目前比较统一的看法是 下面的定义踊1 ： 1 2 上海大学硕士学位论文 & = ( c 搬一q ) 巴 ( 2 1 ) 式中：s c _ 蓄电池当前荷电状态； c m - 蓄电池实际完全充满电的容量； q b _ 蓄电池放出电量。充满电时，s c = l ；完全放电时，s c = o 。 根据式( 2 - 1 ) 可知，剩余容量可通过下式获得： c = 巳一q ( 2 2 ) q b 可以通过第一章公式( 卜3 ) 求得，但是c m 必须通过传统的离线放电实验或 核对放电法求出来。显然，对于正在运行的v r l a 电池，这是非常不方便的。要想 实时地预测电池的剩余容量或s o c ，只有通过另外的途径来获得。本文主要讨论 放电过程中的剩余容量预测。至于充电过程中的荷电状态可以参考文献 4 0 。 2 3 2v r l a 电池容量的影响因素 第一个影响因素就是放电率。随着放电电流的加大，电压下降加快，至终止 电压的时间变短。在放电时，正负极板上的活性物质转变成难溶性的硫酸铅，其 体积较大，使得极板孔隙变小，硫酸渗入变得困难，电解液密度下降，极板内部 大量的活性物质无法参与化学反应，从而无法持续提供能量，蓄电池的容量就减 小。图2 5 是1 2 v 蓄电池在一定条件下的放电曲线图。 冀 【o j ii l l il； l = s 擎勺赫j j0 r 毒啼 、 、y、 牛t k、 、 、 、 、 l f1 i j 章釜。k o 。jk 且绷 ； 1 l 静c 3：笼 l c 独，磁 1 2 7 电池 l 2 35 约和2351 0 狮釉 l r a i n l h l _ _ m _ _ # _ _ _ _ ”_ _ m _ m _ _ _ _ w 干_ _ h _ _ _ 唧_ _ _ _ _ 唰州h _ i l 一 电池放电时间 图2 - 5不同放电率的特性曲线 由图2 5 可知，如果长时间保持大电流放电，蓄电池端电压会急剧下降至终 止电压，放电时间变短。从电化学的角度，急剧的化学反应会引起电池电极附近 的硫酸铅结晶，甚至造成不可逆转“硫化 ( 再次充电也无法恢复为活性物质) 现 象，从而造成输出容量减小。蓄电池反复充放电一段时间后，实际可用容量( 总电 1 3 o o o o o o o 舯 舯姗 舭姗撕 电池电压一一 上海大学硕十学位论文 量) 总会下降，原因就在此。 为了确保式( 2 1 ) ，( 2 - 2 ) 反映蓄电池的真实状态，最好每隔一定时间修正一次 v r l a 蓄电池的实际全额电量c m ，q b 由采样电流对时间积分并累加求得。 第二个影响因素是电解液温度。在正常放电时，温度每上升1 摄氏度，容量 增加约1 ；而大电流放电时，温度每上升1 摄氏度，容量增加约2 。一般都是利 用经验公式( 电池厂家提供) 进行温度修正。 第三个影响因素是循环使用次数。根据电池的充放电机制，不难理解v r l a 蓄电池在多次充放电循环后，实际能放出的全额电量肯定是要下降的。因此，必 须在循环次数达到一定程度后，对全额定容量c m 进行修正。这里给出一个m c u 的程序流程图。如图2 - 6 所示。 图2 - 6循环使用计数进行容量修正 笔者拆过家用电动自行车的v r l a ，发现内部只有几个单体电池，没有监测保 护电路( 一些锂离子电池有) ；而外部监测电路多以电池端电压为参考来判断电池 状态。许多文献已提出各种预测方法，但很少应用于电池。本文认为任何剩余电 量预测方法在实用的前提下，才能获得推广。例如某预测方法可以在微控器中实 现，则该方法才有可能获得广泛应用；另外利用微控器还能自动进行温度补偿、 循环使用的容量修正等，这样可以尽量反映v r l a 电池的实际状态。但是，v r l a 成 本普遍较高，监控系统本身也不够成熟( 成本也较大) ，都制约着监控系统的发展。 1 4 上海大学硕十学位论文 2 3 s o c 预测方法比较 第一章列举了几种常用的s o c 估计方法，为了分析总结出一种更方便应用又 有效的测量方法，根据上面介绍的v r l a 蓄电池的充放电机制和s o c 定义，对这些 常用的预测方法进行了分类比较。比较情况如表2 - 1 所示。 表2 - 1s o c 测量方法比较 需要大量时间，电池必须中断上作，不适合行行驶中的汽车， 放电实验法 只可以用来进行电动汽车的蓄电池检修 电流测量不准，将造成s o c 长时间的累积误差，必须选择高性 能电流传感器，成本会增加； a h 积分法 在高温度、电流波动剧烈的情况下，测量误差大； ( a l l 计量法) 要考虑电池的充放电效率，必须通过大量实验数据，建立充放 电效率经验公式；不能反映电池的初始s o c 值 必须确保电池长时间静置，以达到开路电压测量准确； 开路电压法静置时间长度没有标准，测量时随机性大； 使用开路电压预测s o c ，只有通过改进的o c v 法 交流内阻法受温度影响大，是在电池静置时，还是在工作时进 行测量，存有争议 内阻法 直流电压降法精度很难提高；瞬间大电流法精度好，但不适合 在线监测 模糊控制法主观经验性强，建立模型比较方便，但控制器设计 往往因人而异； 模糊控制与神神经网络法需要大量的原始数据，模型的输入选择对输出结果 经网络法影响很大； 实现高性能模糊控制器或神经网络模型，需要高性能硬件处理 器，成本比较高 从表2 1 可知，现今的预测方法很多，而且各种方法都有自己优缺点，这就 说明蓄电池剩余容量预测是个困扰已久的问题。但是从表2 - 1 还是可以得到一些 启示，即未来的剩余容量预测方法会更多融合以上多种方法，形成新预测方法。 上海大学硕十学位论文 2 4本文方法的确定 蓄电池剩余电量现有预测方法和电池工作特性，为本文方法的确立奠定了基 础。蓄电池的“内阻 与电池剩余电量的关系非常密切，能够有效地反映v r l a 蓄电池的状态。开路电压法与蓄电池的电动势有关，而电动势只与电解液密度有 关。电解液密度随着放电进行会逐渐减小，电动势自然随之减小。因此“电动势 能直接反映正负极板上的荷电状态，其大小与蓄电池放电能力有直接关系。那么 能不能把“内阻和电动势融合起来预测剩余容量( s o c ) 呢? 融合内阻和电动势有 什么依据吗? 文献 3 9 探讨了内阻、电动势与剩余电量之间的关系，建立一种b p 神经网络 模型来预测s o c 。它的实验初步验证了完全可以使用内阻与电动势来预测s o c 。但 是文献 3 9 并未表达清楚理论依据。另外在以单片机为核心的硬件系统上，应用 神经网络模型的效果究竟如何，作者也未能说清楚。 针对文献 3 9 的不足，本文将在理论上探讨使用内阻、电动势来预测s o c 的 依据及其特点，通过实验对比分析应用这种组合的效果。 根据文献n6 1 7 1 分析及前面内阻法介绍，v r l a 蓄电池的内阻比较复杂的，它包 含蓄电池的欧姆内阻、浓差极化内阻、电化学反应内阻以及双层电容充电时的干 扰作用。交流阻抗法表明，v r l a 蓄电池是一个非常大的容性器件，具有电容阻抗 的特性。因此可以将蓄电池的等效模型简化如图2 7 所示。 为电池电动势，依赖 学反应，瞬间放电时， 为未进行化学反应 图2 - 7v r l a 简化等效模型 l k 为欧姆内阻，代表电池内部所有零部件的金属电阻。在整个寿命期间， r m 会发生很大变化。r e 为电化学内阻，随容量变化而变化。大容量的电容c 表 示蓄电池所有容抗特性( 除法拉第容抗特性外) 的等效。在充电时期，c 吸收部分 电荷，在瞬间放电时，c 释放掉电荷，从而引起电池的正负极柱上的电压变化。 1 6 上海大学硕十学位论文 在交流信号下，大部分电流流过电容c ，而r e 上分流较少，此时检测到的内 阻，实际是r m 和电容c 的串联阻抗，r e 可忽略。怎么样避开电容c 的分流呢? 文献 3 1 3 3 在研究电池健康状态时，都是对电池进行短时脉冲放电，检测电池 正负极柱的电压变化量。因此，可以考虑瞬间放电以避开电容c 的影响。如图2 8 所示n 引。 电池电压 图2 8 瞬间放电的电压变化图2 - 9 瞬间放电时的等效电路 在瞬时直流情况下，蓄电池的等效电路可以认为是一个电压源和一个内阻构 成，如图2 9 示。由电路定理有： r i n t e m a l = 半( 2 - 3 ) 为了测量电池内阻，必须让电池处于“静止 或“离线状态，记录下瞬时直 流下的电压变化量，由式( 2 3 ) 求得电池内阻，但不太适于在线电池。另外，瞬间 大电流可能造成潜在的电池损伤。研究h 邮钔表明，动力用电池工作电流变化范围 比较大，变化次数比较频繁，间或有大电流放电，从而为下面的简化处理提供了 实验依据。 在充放电过程中，电池端电压u 、工作电流i 可以测量。每隔一定采样间隔 测得两组电流、电压值u l 、u 2 、i l 、1 2 。而在此间隔内，蓄电池的电动势和内阻 的变化很小，可以忽略不计。可以利用采样数据，实时求出基于v r l a 蓄电池简化 等效模型的电动势和内阻值。 本文研究的对象，是混合动力汽车用v r l a ，该类电池工作电流通常比较大， 变化也频繁。一定采样间隔的电流变化效果可以视为瞬间大电流放电。因此，放 电过程中，式( 2 - 3 ) 可以转化为式( 2 - 4 ) ，充电过程则变“一 为“+ 即可。注意， 虽然式( 2 4 ) 与直流内阻法形式相似，但意义不同。 舅珂啼r ( 2 _ 4 ) “：= e 一r 在整个放电过程中，只要以一定间隔，不断采集充放电电流、端电压，则可 以得到蓄电池放电过程中的电动势和内阻值数据对。 1 7 上海人学硕士学位论文 在未来，改善微控器与在线电池组结合的模块性能，将使得荷电状态的预测 更加精确瞄1 。为了保证预测方法能够应用在m c u 中，并有一定的自适应性，运算 量又不能太大，以避免明显的延时，同时要保证一定的预测精度。本文决定采用 模糊理论，以内阻和电动势为输入，s o c 为输出，建立一个新的模糊预测模型， 并考虑添加一种简单的环节，构成一个模糊控制系统。在有效预测电池剩余容量 后，只要将a h 法嵌入到本系统中，就可以进行蓄电池实际容量的修正。 2 5本章小节 要获得合理而准确的s o c 预测，首先要了解v r l a 蓄电池的工作特性。本章简 介了v r l a 的充放电机制和s o c 定义，为估计剩余电量，确定电池的状态，提供了 科学依据。其次综合比较几种常用的s o c 预测方法，分析它们的优缺点。在此基 础上，重点分析开路电压或电动势、内阻、短时脉冲放电等方法，提出了本文的 模糊预测方法。 上海大学硕士学位论文 第三章模糊预测模型的设计 3 1模糊模型设计的理论基础 3 1 1 模糊集合概念 模糊集合是为了分析模糊现象而提出来的，是模糊理论的基础，其概念是： 粤= ( 工，粤( 石) ) l 石z c 3 一- ， 式( 3 - 1 ) 中鲁一论域x 上的一个模糊集合； 段( 矽元素x 属于磐的隶属度值，其值范围是 0 ，1 。 论域x 可以是普通有限元素集合，也可以是连续域 a ，b 。通常x 上有多个模 糊集合，称为“模糊子集 。 3 1 2 隶属度函数 隶属度函数是精确量元素对“模糊子集”的隶属程度函数。它的定义形式直 接决定模糊控制器性能优劣，需要不断根据输出结果进行修正调整。隶属度函数 通常由经验或统计数据进行确定。常用的隶属度函数分布曲线有三角形、升降半 梯形等。在图3 一i 中，参数点a 、b 、c 唯一确定一个模糊集合a ( 直线a g 与g c 两 段