（控制理论与控制工程专业论文）电动汽车用镍氢电池模型参数辨识和soc估算研究.pdf

中文擒要 中文摘要 随着能源和环保问题的日益突出，电动汽车以其零排放，低噪声等优点而受 到世界各国的高度重视，作为发展电动车的关键技术之一的电池能量管理系统， 是电动车商品化，实用化的关键，而准确估计电池的荷电状态s o c ( s t a t eo f c h a r g e ) 是蓄电池能量管理系统良好运行的前提和关键。本文在研究电池模型及 其参数辨识的基础上，致力于电动汽车用镍氢电池( n i 1 h ，n i c k e lm e t a l h y d r i d e ) s o c 估算的研究。 文章首先简要介绍了课题背景，比较了常用的几种动办电池，指出了镍氢电 池是较为理想的电动汽车用动力电池，介绍了s o c 的定义以及常用的s o c 估算 方法；之后，综述了本论文的重点内容。 接着，对镍氢电池的发展历史及工作原理作了简要介绍，并结合实验曲线对 镍氢电池的电压、内阻、容量等特性进行了分析；在容量特性中介绍了影响s o c 的主要因素及应对措施。 建立良好的电池模型是提高s o c 估算准确性的重要途径，所以接下来对常 用的电池模型作了分析和介绍，并根据电池对脉冲电流的响应选用了二阶r c 模 型作为本文的仿真模型，模型仿真曲线表明二阶r c 模型具有较好的动态特性。 由于电池的参数是缓慢变化量，为了进一步提高模型的精度，除了利用指数拟合 法得出电池模型中的参数值以外，还分别运用限定记忆的递推最小二乘法和卡尔 曼滤波法对模型中的参数进行了实时辨识。 最后，在结合电流积分模型和二阶r c 模型建立的镍氢动力电池状态空间模 型的基础上，利用推广的卡尔曼滤波算法进行s o c 估算，给出了仿真和实验结 果，对算法的抗干扰能力和鲁棒性等作了验证；最后将参数辨识加入到s o c 估 算中，即先进行参数辨识，再将辨识的参数运用到s o c 估算中，仿真结果表明 该方法比常值参数下的卡尔曼法具有更好的估算精度。 关键词：荷电状态电池模型参数辨识卡尔曼滤波参数与状态联合估算 a b s t r a c t a b s t r a c t s i n c ee n e r g ya n de n v i r o n m e n t a li s s u e sb e c o m ei n c r e a s i n g l ys e r i o u s ，t h ee l e c t r i c v e h i c l e ( e v ) w i t ht h ea d v a n t a g e so fz e r oe m i s s i o n sa n dl o wn o i s eh a sa t t r a c t e dag r e a t d e a lo fa t t e n t i o no v e rt h ew o r l d 。b a t t e r ye n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m ( b m s ) i so n eo f t h ek e yt e c h n o l o g i e sw h i c hi m p e d e st h ec o m m e r c i a l i z a t i o na n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o n o fe 、w h i l et h ep r e d i c t i o no fs t a t eo fc h a r g e ( s o c ) i st h em a i nt a s ko fb m s t h e e x a c ta n dr e l i a b l ee s t i m a t i o no fs o co ft h eb a t t e r yi sn e c e s s a r ya n di m p o r t a n tf o r b m st or u nw e l li ne v b a s e do nt h es t u d yo fb a t t e r ym o d e la n dp a r a m e t e r i d e n t i f i c a t i o n ，w ea r ec o m m i t t e dt ot h es o ce s t i m a t i o no ft h en i c k e lm e t a lh y d r i d e f s i m h ) f o re v f i r s t l y , t h eb a c k g r o u n do ft h ep r o j e c ti sb r i e f l yi n t r o d u c e d t h e nb yc o m p a r i n g t h ec u r r e n tv a r i o u sp o w e rs t o r a g eb a t t e r i e sa g a i n s tm a n yp e r f o r m a n c ei n d e x e s ，t h e n i m hb a t t e r yi sf o u n dt ob eaq u i t ei d e a lp o w e rs o u r c ef o re l e c t r i cv e h i c l e s a f t e r t h i s ，t h ed e f i n i t i o no ft h es o ci sg i v e n ，a n ds e v e r a ld i f f e r e n tk i n d so fs o ce s t i m a t i o ： m e t h o d sa r ei n t r o d u c e d i na d d i t i o n ，t h ek e yc o n t e n to ft h i sp a p e ri ss u m m a r i z e d s e c o n d l y , t h eh i s t o r ya n dp r i n c i p l eo ft h en i m hb a t t e r ya r eb r i e f e d t h c h a r a c t e r i s t i c so ft h eb a t t e r y ，s u c ha st h eb a t t e r yv o l t a g e ，t h er e s i s t a n c e ，t h ec a p a c i t a r ea n a l y z e d 衍t ht h ee x p e r i m e n t a lc u r v e s i nt h ei n t r o d u c t i o no ft h ec a p a c i t y ，t h m a i nf a c t o r sw h i c hi m p a c tt h es o ca n dt h ec o r r e s p o n d i n gm e a s u r e sa r ep o i n t e do u t b u i l d i n gag o o db a t t e r ym o d e li sa ni m p o r t a n tw a y t oi m p r o v et h ea c c u r a c yo ft h s o ce s t i m a t i o n s os o m ec o m i n o nm o d e l so fb a t t e r i e sa r ea n a l y z e da n dt h s e c o n d o r d e rr cm o d e li ss e l e c t e da c c o r d i n gt ot h eb a t t e r y sr e s p - o n s ea g a i n s tp u l s c u r r e n t s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h es e c o n d - o r d e rr cm o d e lh a sb e t t e rd y n a m i c h a r a c t e r i s t i c s i no r d e rt oi m p r o v et h ea c c m 丑c yo ft h em o d e l ，t h ev a l u e so ft h em o d e p a r a m e t e r sa r ef i t t e do u tu s i n ge x p o n e n t i a lf u n c t i o n ，a n dt h er e a lt i m ep a r a m e t e i d e n t i f i c a t i o ni si m p l e m e n t e du s i n gt h em e t h o d so ff i n i t em e m o r yr e c u r s i v el e 颔 s q u a r e sa n dk a l r n a nf i l t e rr e s p e c t i v e l y f i n a l l y , b a s e do nt h ec u r r e n ti n t e g r a t i o nm o d e la n dt h es e c o n d o r d e rr cm o d e l ， t h es t a t e s p a c em o d e li se d u c e d a f t e rt h i s ，s o ci se s t i m a t e db yt h ee x t e n d e dk a l m a n f i l t e r ( e r r 9 t h er e s u l t so fs i m u l a t i o na r eg i v e n ，a n dt h ed i s t u r b r e s i s t i n gc a p a b i l i t y a n dr o b u s t n e s so f t h ea l g o r i t h ma r ct e s t e d a tt h ee n d ，p a r a m e t e ra n ds t a t ee s t i m a t i o n t o g e t h e ri sa c c o m p l i s h e d , t h a ti sp a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o ni sc a r r i e do u tf i r s ta n dt h e a b s t r a c t p a r a m e t e r sa r eu s e dt oe s t i m a t es o c l a t e r t h er e s u l t sm a k ei tc l e a rt h a tt h i sm e t h o d h a sb e t t e re s t i m a t i o na c c u r a c yt h a ne k e k e yw o r d s ：s t a t eo fc h a r g e ，b a t t e r ym o d e l ，p a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o n ，k a l m a n f i l t e r , p a r a m e t e ra n ds t a t ee s t i m a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得基盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位敝储媳桃签字嗍舢7 年e 臼t j 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞洼盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字口期：加7 年 鸯起 朝妇f7 口 f 导师签名：- 缒乏导师签名：磊赴夏 签字口期：h7 年厶月，p 日 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 随着汽车工业的高速发展，汽车带来的环境污染、能源短缺、资源枯竭和安 全等方面的问题越来越突出。为了保持国民经济的可持续发展，保护人类居住环 境和保证能源供给，各国政府不惜巨资，投入大量人力、物力，寻求解决这些问 题的各种途径。电动汽车具有良好的环保性能和可以以多种能源为动力的显著特 点，既可以保护环境，又可以缓解能源短缺和调节能源结构，保障能源安全。目 前发展电动汽车已经成为各国政府和汽车行业的共识，电动汽车的研发已成为汽 车行业的热剧1j 【z j 例。 电动汽车指以全部或部分用电能驱动电动机并作为直接驱动力的汽车。常见 的电动汽车有仅以蓄电池为能源的纯电动汽车、以燃料电池为能源的燃料电池电 动汽车和混合动力电动汽车。电动汽车中的燃料电池电动汽车和纯电动汽车目前 还难以产业化，其原因主要是由于其成本高、性能比传统的燃油汽车差和续驶里 程短等。电动汽车中的混合动力电动汽车已经开始产业化，混合动力电动汽车的 时代已经开始，而混合动力电动汽车通常装备的辅助能源装置( - - 次电池、超级 电容器等) 、电动机及其驱动系统和能源管理系统、电源变换装置、能源回馈系 统等装置是各种电动汽车的关键技术，具有共性s 因此，无论是从设计、研究和 开发的观点，还是从实用的角度来看，了解和掌握电动汽车技术的社会需求会越 来越大。 为了解决这些关键问题，发展我国的电动汽车技术，促进我国的汽车产业实 现跨越式发展，国家科技部设立了“十五”国家8 6 3 计划电动汽车重大专项，并 提出了“三纵三横”的研究开发格局。所谓“三纵三横 的研究开发格局，是指 以燃料电池汽车、混合动力电动汽车、纯电动汽车三种车型为“三纵”，多能源 动力总成控制系统、驱动电机及其控制系统、动力蓄电池及其管理系统三种共性 技术为“三横”，同时根据汽车研发和产业化规律，整车研发以整车牵头，关键 零部件紧密配合，政策、法规、技术标准同步研究，基础设施协调发展。 本课题即是研究镍氢动力电池n i m h ( n i c k e lm e t a lh y d r i d e ) 的荷电状态s o c ( s t a t eo f c h a r g e ) 的估算的，这是建立功能良好的动力蓄电池管理系统的前提 和关键，是“三横”技术之一的动力蓄电池及其管理系统的重要课题。 第一章绪论 1 2 动力电池 为了满足电动汽车的需要，实现电动化的汽车蓄电池必须具有高起动性，大 容量性，兔维护特性，高可靠性，高耐久性等特点。现有的电动汽车存在加速性 能差、一次充电行驶距离短等问题，限制了它的发展，因此电动汽车实用化的难 点主要在于动力源蓄电池。要使电动汽车能够实现大规模生产使用，关键是 开发出比能量高、比功率大、寿命长、成本低的蓄电池以及给电池配备功能良好 的监控和管理系统。 一般情况下，混合动力系统的动力电池进行的是频繁的浅度的充放电循环。 在放电过程中，电压电流可能有较大变化。针对这种使用情况，混合动力电车电 池系统对电池有以下两方面的要求【4 】【5 1 ： ( 1 ) 大功率充放电的能力。质量比功率和体积比功率是衡量电池快速放 电能力的指标，相对于能量要求，混合动力系统的电池对比功率的要求更高，同 时混合动力系统在制动能量回收或低功率调峰时要求电池能够在短时间内接受 大量的能量。 ( 2 ) 充放电效率。混合动力电动汽车内燃机发出的相当一部分能量必须 经历充电放电的能量循环。高的充放电效率对整车效率具有至关重要的作用。 可作为电动汽车动力源的蓄电池有很多种，如铅酸、镍镉、镍氢、l i 离子、 锌一空气、n a s 、n a - - n i c l 2 燃料蓄电池、飞轮蓄电池等，其性能及优缺点见表 1 。混合电动汽车用蓄电池的主要性能指标是：比能量( 衡量电动车一次充电可 行驶的里程) ，比功率( 赋予电动汽车良好的启动、加速、爬坡性能及最高车速) ， 寿命( 使用的经济性、方便性) 。从表l 可以看出，n i m h 蓄电池是较为理想的 电动汽车动力源。 与其他电池相比，n i m h 电池的优异性表现在以下几点【6 1 1 7 ：首先，能量密 度高，重量比能量最高可达8 4 5 千瓦时，为铅酸电池的2 - - - 3 倍，体积比能量与 锂离子电池相当。其次，功率密度高，大电流放电性能好，适用于混合动力和纯 电动车辆。再次，循环寿命长，应用于电动自行车和电动摩托车后，循环充电次 数可达1 0 0 0 次，为铅酸电池的3 倍以上，同时，可快速充电，l 小时之内可充 电1 0 0 。此外，n i m h 电池放电端电压对时间的下降梯度小，因而能放出更多 的能量；使用温度范围宽，正常使用温度范围一3 0 5 5 ，贮存温度范围一4 0 7 0 c ：正常使用过程中不需进行维护；尤其是无污染，不含铅、镉等对人体有害 的金属，为二十一世纪“绿色环保电源”，其生态效益显而易见。 第一章绪论 表1 几种电动汽车用动力电池性能的比较川 比能量比功率 寿命 电池种类 优点 。 缺点 ( w h k g 。：唧k g d ) ( 次) 4 0 0 一 原材料丰富、价格低能量密度低、寿命 铅酸 3 5 4 05 0 1 0 0 0 廉、技术成熟短 1 0 0 0循环寿命长，比能量重金属镉的污染 n i c d5 51 9 0 以上 较高 严重，有记忆效应 寿命短，比功率 z n 空气 1 6 0 小 短 比能量大小，不能输出大电 流及难以充电 使用温度高，存在 1 0 0 0 比能量大，寿命长，高温腐蚀，性能不 n a - s 1 0 91 5 0 以上转换效率高够稳定，使用不安 全 比能量大，寿命长， n a - n i c l 2 8 61 5 01 0 0 0工作温度高 转换效率高 比能量大，比功率 高，可高倍率放电， 1 0 0 0 n i 门h7 5 8 01 6 m 艺3 0循环寿命长，无记忆成本较高 以上 效应，无污染，免维 护，安全可靠 1 0 0 0比能量大，单体电压一致性差，安全性 l i 离子 1 1 03 0 0 以上高不高，价格较贵 1 3s o c 的定义 镍氢电池用于电动汽车上具有明显的优点，特别是由于n i m h 电池放电端电 压对时间的下降梯度小，故能放出更多的能量；但这一优点同时也带来了负面影 响，即在实际中很难准确估算电池的s o c 。而电池s o c 的准确测量在电动汽车的 发展中一直是个非常关键的问题。如果能够正确估计电池的s o c ，就能够在实现 能量管理系统的其它功能时做到避免对电池造成损害、合理利用电池提供的电 能、可以知道在同样的情况下电动汽车的续驶里程、可以延长电池组的使用寿命 等。即要想使电池能量管理系统的各种功能得到良好实现，首先要足够准确的判 第一章绪论 断出电池的s o c 。所以对蓄电池s o c 的准确估计成为电动车电池能量管理系统中 的关键问题。故本课题的重点内容就是对n i m h 电池的s o c 估算策略进行研究。 首先介绍一下s o c 的定义。从电量的角度讲，电池的荷电状态s o c 为当时 电池的剩余容量与总的可用容量的比值。其定义式如下【9 】： s o c ：盟1 0 0 ( 1 1 ) q 式中：q 一蓄电池在计算时刻的剩余电量，i q 一蓄电池的总容量； 实际上，电池容量受到充放电倍率、温度、自放电及循环寿命等因素的影响， 故较为准确的计算s o c 的表达式如下： s o c ( t ) = q f o ) 一( 【础+ a s ( f ，t ，f ) + g ( f ，t ，f ) ) 必s q ) ( 1 - 2 ) 式中：s o c ( o 一电池在t 时刻的s o c 值； s o c ( t o ) 一电池在毛时刻的s o c 值； fi d t 一电池以电流f 放电经过t t o 时间所放出的电量； 屯 珐( 毛t ，t ) 一电池在放电过程中由自放电引起的容量损失； g ( j ，t ，t ) 一电池在放电过程中由温度引起的容量损失： q 一电池的标准容量； 占一电池循环充放电寿命及充放电倍率会对电池总容量产生影响，为 影响系数。 1 4s o c 的预测方法 电池容量的精确判定是发展电动车的关键技术之一，由于蓄电池在不同工作 状态下动态特性十分复杂，如何精确的判定电池的荷电状态成了制约电动车发展 的因素之一。在这个问题上，国外很早就开始了相关的研究，目前国内外常用的 方法主要有如下几种。 1 4 1 放电实验法 它是最可靠的s o c 算法【1 0 1 ，采用恒定的标准电流进行连续放电至规定的 s o c 零点，那么标准放电电流与时间的乘积即为剩余电量。该方法的优点是简 单准确；但其缺点也很明显：费时费能，测量时电池不能工作。故该方法可用于 实验室及电池的检修，但不能用于现场的实时预测。 第一章绪论 1 4 2a h 计量法 它是最常用的s o c 估算方法【l l 】。如果充放电起始状态为c 0 ，那么当前状 态的s o c , 为： s o c , = - 阳c o 【i d t q 其中，q 为总容量；j 为放电电流。 安时法实质是将电池看作一个黑箱，认为流迸电池的电量与流出电池的电量 相等，它不考虑电池内部的结构和外部的电气特性，因此这种方法适用于各种电 池。但安时法是一种开环预测，算法中又存在电流积分，所以随着汽车运行时间 的增加会产生估计误差，并且误差逐渐累积，最终使估计值越来越偏离正确的 s o c 值。所以在实际应用中常常将它与其它方法结合使用，如按时法与电压法 结合【1 2 】【1 3 1 ，安时法与卡尔曼法结合【1 4 】【1 5 1 等。 l 。4 3 开路电压法 电池的开路电压在数值上接近电池电动势，电池电动势与s o c 之间存在一 定的函数关系，可通过实验得到。如铅酸电池的开路电压与s o c 近似成比例关 系，而n m h 电池与锂离子电池的开路电压与s o c 关系的线性度不如铅酸电池 好，但其对应关系亦可用于估算s o c ，尤其在充电的初期和末期效果较好。 开路电压法的缺点是需要长时间的静置，这样电池端电压才能达到稳定值， 利用稳定的开路电压才能估算出较为准确的s o c 值，所以这种方法只适用于汽 车长时间驻车状态。 文献 1 6 】讲述了开路电压与s o c 关系曲线的测量，文献【1 7 】【1 8 】则将它与卡 尔曼滤波法、安时法结合使用，用它来修正安时法产生的累积误差。 1 4 4 内阻法 电池内阻有交流内阻和直流内阻【1 9 】之分，它们都与s o c 有着密切的关系。 电池交流内阻是电池电压与电流之间的传递函数，是一个复变量，需要用专门的 交流阻抗仪来测量，受温度的影响很大，一般很少用于实车上。 直流内阻是在一段时间内电池电压变化量与电流变化量的比值。铅酸电池在 放电后期，直流内阻有明显增大，可用于估算s o c ，镍氢电池和锂离子电池内 阻变化规律与铅酸电池稍有不同，应用较少。 事实上，要在线准确测量电池单体的内阻是比较困难的，只有铅酸电池在放 电后期内阻有明显增加，可以作为校正安时法累积误差的二个依据。 第一章绪论 1 4 5 线性模型法 该方法是基于s o c 变化量、电流、电压和上一个时间点的s o c 值建立的线 性方程【1 0 】f 1 1 1 ： s p c ( 七) = 属+ 屈以七) + 屈攻七) + p 3 s o c ( k 一1 ) s o c ( k ) = s o c ( k 1 ) + s o c ( k ) s o c ( k ) 为当前时刻的s o c 值；丛o c ( k ) 为s o c 的变化值；v ( k ) 、f ( 七) 为当 前时刻的电压和电流。屁、层、屈、属是利用参考数据通过最小二乘法得到的 系数。 。 该模型适用于低电流、s o c 缓变的情况，对测量误差和错误的初始条件有很 高的鲁棒性。理论上适用于各种类型和不同老化阶段的电池。 1 4 6 神经网络法 由于电池是一个复杂的非线性系统，要想对其建立一个准确的数学模型是很 难的。神经网络具有非线性的基本特性，能根据外部激励给出相应的输出，所以 很适合于模拟电池的动态特性，估计电池的s o c 。 估计电池s o c 的神经网络一般由输入层、中间层和输出层三层构成。输入 和输出层神经元个数由实际问题的需要来确定，一般为线性函数；中间层神经元 个数取决于问题的复杂程度和要求的精度。估计电池s o c 的神经网络模型的输 入量一般是电压、电流、温度、内阻等 2 0 1 1 2 1 1 。 神经网络法适用于各种电池，在建立较好网络模型的前提下，依靠大量的样 本数据进行训练可以得到较好的精度，但是精度受训练方法和训练数据的影响很 大。 1 4 7 卡尔曼滤波法 卡尔曼滤波理论的核心思想是对动力系统的状态作出最小方差意义上的最 优估计，它既适用于线性系统也适用于非线性系统。在利用卡尔曼滤波法估算 s o c 的文献中，无论描述电池的模型是等效电路还是数学经验公式，都出现了 两种利用方式：一种是将模型中的电容上的电压作为系统的状态，经卡尔曼估算 出该电压后，利用模型中的数学关系求出电池电动势( 或开路电压) ，最后由电 动势与s o c 的关系求出s o ct 1 7 1 8 1 ；另一种是将安时积分公式作为系统的一个状 态方程，直接用卡尔曼滤波估算出s o c t l o l 【1 2 】【1 3 1 。 卡尔曼滤波法适用于各种类型的电池，不仅能给出s o c 的估计值，而且还 可以给出估算误差的范围。 第一章绪论 此外，卡尔曼滤波法不仅对初始值的误差有很强的修正作用，而且对噪声也 具有很强的抑制作用，与其他方法相比，它尤其适合于电流波动较剧烈的混合动 力汽车s o c 的估计。鉴于此，将卡尔多滤波法应用于电池s o c 的估算成为研究 中的热点，各种改进的卡尔曼滤波算弦也逐渐被应用到s o c 的估算2 2 】【2 3 】【2 4 】【2 s 】 中。 本文即是利用卡尔曼滤波法对n i m h 电池的s o c 进行估算。 1 5 课题的研究内容 由于镍氢电池在平台电压区，放电端电压对时间的下降梯度较小，每5 的 s o c 变化量，其端电压的差异可能仅有十几毫伏。所以要想准确估算s o c ，必 须提高电池模型的准确性和s o c 算法的合理性。目前电池模型种类很多，有的 模型简单但准确性差，如文献 2 6 1 中提到的a d v 模型；有的模型准确性较好， 但比较复杂，很难应用到实际，如文献 2 7 1 中使用的电化学模型及文献 2 8 】中提 到的s p i c e 模型等。本文运用的二阶r c 模型，能较准确地模拟电池的动静态行 为，并且复杂性居中；又在此基础上，分别应用了限定记忆的递推最小二乘和卡 尔曼滤波法对模型中的参数进行了实时辨识；最后分别利用了常值参数下的卡尔 曼滤波法和参数辨识与s o c 估算联合的方法对n i m h 电池的s o c 进行估算。 本论文的具体内容如下： ( 1 ) 回顾了镍氢电池的发展历史和基本工作原理，并通过实验曲线分析了 电池的充放电特性、内阻特性及容量特性等。 ( 2 ) 综述了几种等效电路模型，并把本文所采用的二阶r c 模型与简单模型 和一阶r c 模型进行比较，验证了所用模型的准确性和有效性。 ( 3 ) 利用指数拟合法得到二阶r c 模型的参数，以便对参数有种感性认识： 并在此基础上分别用限定记忆的递推最d - 乘和卡尔曼滤波法对模型 中的参数进行了实时辨识。 ( 4 ) 将改进的积分模型与二阶r c 模型相结合推导出n i m h 电池的状态空 间模型，在此基础上运用卡尔曼滤波法估算s o c ( 模型参数值为常值) ， 仿真结果表明该算法在具有s o c 初始值误差及模型参数误差的情况 下，仍能达到较好的估算精度。 ( 5 ) 最后，利用参数与s o c 估算联合算法( 即先进行参数辨识，再将辨识 出的参数应用到s o c 估算中) 进行s o c 估算，并将之与安时法、电 压法、及常值参数下的卡尔曼法等进行了对比，仿真结果表明该算法 可以大大提高s o c 的估算精度。 第二章镍氢电池简介 2 1n i m h 电池发展史 第二章镍氢电池简介 任何事物的诞生都有一定的背景，n m h 电池也不例外。 随着电子信息产业飞速发展，电子产品趋于功能复杂化、尺寸小型化、重量 轻型化，这对提供电力的电池提出了更高的要求。电子信息产业发展带来的市场 需求，以及能源危机和环境危机带来的紧迫感，极大地推动了新型绿色环保电池 技术的发展及其产业化进程。在这种情况下，金属氢化物镍电池应运而生。 1 9 7 3 年人们开始展开研究，1 9 8 4 年荷兰p h i l i p s 公司解决了l a n i ；合金氢电 极在充放电过程中的容量衰减问题，从而便利用储氢合金作为负极材料制造出 n i m h 电池成为可能；1 9 8 8 年新型金属氢化物镍电池进入实用阶段；1 9 9 0 年日 本实现了n 枷电池的产业化生产。 新型金属氢化物镍电池是我国具有较强资源优势的高科技产品，在国际市场 具有较强的竞争优势。在国家“8 6 3 ”计划的支持下，我国研制出了第一代“从” 型n 舢电池，并于1 9 9 2 年建立了n 谂m 电池中式生产基地。迄今为止，我 国在储氢材料和n f m h 电池的研究和产业化方面已取得了非常可喜的成就。 当前，大规模生产的产品已包括圆柱形a a a 系列、a a 系列、a 系列和方 形电池系列( f 5 和f 6 等) 。其中，a a a 系列、从系列和方形电池系列产品主 要用于手机等，而a 系列产品主要用于笔记本计算机等。并且各类电池的性能 仍在不断提高，例如a a a 系列电池容量已从5 0 0 m a h 提高到7 0 0 9 0 0 m a h 。 进入2 l 世纪，环保问题已引起各界的高度重视，这也对电池的发展提出了 新的要求。环保意识的提高和资源的减少，人们对电动车的需求也变的非常迫切。 而影响电动汽车发展的瓶颈之一就是作为能源的动力电池问题。目前，电源界开 发性能稳定的商用电动车电池的激烈竞争已经开始。随着n 踟h 电池性能的不 断提高，生产工艺的日益完善，n i m h 电池的市场将更加广阔。 2 2n i m h 电池的原理 。n i m h 电池中以p n i o o h 作正极活性物质，金属氢化物为负极活性物质， 电解液一般选用k o h 溶液。由正极材料n i ( o h ) ：和负极材料储氢合金( 表示为 第二章镍氢电池简介 m ) 组成的电池的反应式可表述如下： m h + n i o o h 等m + n i ( o h ) 2 ( 2 一1 ) 从上式看，放电时负极里的氢原子转移到正极成为质子，充电时正极的质子转移 到负极成为氢原子，不产生氢气碱性电解质水溶液并不参加电池反应。 实际上，注入电池的k o h 电解质水溶液不仅起离子迁移电荷作用，而且溶 液中o h 一和h ，o 在充放电过程中都参与了如下反应。 正极： n i o o h + h 2 0 + e - - 案n i ( o h ) z + o h 一 ( 2 2 ) 负极： m h + o h 一前审m + 一h 2 0 + e _ ( 2 - 3 ) n i m h 电池在正常充放电过程中并不产生氢气，但在过充过放时则会有气 体产生。 过充时，正极上的n i ( o h ) ，全部转化为n i o o h ，充电反应转变为在正极上 生成水的析氧反应，负极上除产生电解水的析氢反应外，还存在o ，的复合反应。 其反应式为： 4 0 h 一净2 h 2 0 + 0 2 + 4 e - ( 2 - 4 ) 随着过充的继续进行，k o h 浓度和水的总量不发生变化。 过放时，发生的反应如下： 2 h 2 0 + 2 e 一, - - - - - 页- 船# - h 2 + 2 0 h 一 ( 2 - 5 ) 电极反应变为生成h ，的电解水反应。此对，正负极之间的电压为一0 2 v 左右， 这种现象成为电池反极，一0 2 v 为反极电压。过放电时电池会自动达到平衡状态， 电池温度较同样电流过充时低的多。因为过放时消耗的功率为反极电压一o 2 v 与 电流的乘积，是过充时电压1 5 v 与电流乘积的1 7 5 ，这就是n i m i - i 电池过放 电保护机理。 从电池反应可以看出，n m h 电池具有长期过充过放电保护能力。 2 3 镍氢电池的基本性能 为了研究n i m h 电池的基本特性，特设计了一系列实验。实验所选用的电池 为北京有色金属研究总院和天津和平海湾电源公司共同研制的8 a h 、1 4 v n i m h 电池模块，每组模块由6 个单体组成，本次研究为简化起见，把电池组等 效为一个单体电池。充放电实验是在本校自行研制的b b 1 电池测试仪上进行的， 测试仪外观如图2 1 所示。其充放电原理图如图2 2 ，2 - 3 所示。 第= 章镶氢电池简介 圉2 1b b 1 电池测试仪 圈2 - 2 电池充电特性测试实验电路原理囤圈2 - 3 电池放电特性测试实验电路原理图 该测试仪一共包含四个独立的充放电通道每个通道可以单独进行恒流、恒 压、静置操作并且带有电压、电流及温度采集功能( 采样时间可以设定，一般 选为3 s ) ，用户可以对充放电步骤进行设置在恒流和静置的时候四个通道可以 并联运行以提高充放电电流。每个通道可阻提供最高4 a 的电流和1 0 v 的电压， 并联时a r 以提供最高1 6 a 的充放电电流。 f 面对各个特性及设计的相应实验分g 进行介绍。 2 _ 3 i 电压 充电电压是指二次电池在充电时，外电源加在电池两端的电压。 工作电压又称放电电压。n i m h 电池的工作电压指的是放电电压的平台电 压，它是n i m h 电池的重要性能指标，它的数值及平稳程度与放电条件密切相 关。 1 测试实验 测试实验： ( 1 ) 在室温下，分别以0 1 c 、02 c 、09 c 、10 c 、15 c 进行恒流充放 电； 第二章镍氢电池简介 ( 2 ) 在室温下，分别以0 2 c 、o 5 c 、0 8 c 进行脉冲充放电，每隔1 0 的 s o c 静置2 分钟； 放电截至条件：放电端电压迅速下降： 充电终止条件1 j f 2 9 】：一是当电池端电压出现负增长f ta v - - 一l o m v 时，终止 充电；二是当电池温度超过4 5 c 时，终止充电；三是当电池的温度变化率超过 1 1 i n 时，终止充电。三条件中有一个条件符合时就终止充电。 2 恒流实验结果 1 ) 镍氢电池充电特性 艺 甾 脚 馨 s o t ( ) 图2 - 4 充电端电压曲线 镍氢电池恒流充电电压特性实验曲线如图2 4 所示。从图可以看出： ( 1 ) 起始阶段端电压迅速上升，且充电电流越大，充电起始阶段端电压上 升的越快。这是因为正极反应物质内部的旷扩散速度随充电电流的增大而增大， 此时负极产生的o h 一离子还来不及到达电池正极，使正极聚集过剩的旷将电极 电位提升【3 0 】【3 l 】。 ( 2 ) 中间阶段电压上升缓慢，被称为平台电压。这是因为在正极由于n i 0 2 的不稳定性而分解出氧，降低了正极电位上升的速度；又由于正极产生的氧在负 极复合而消耗了部分氢，使负极电位变正的缘放【姗。从图可以看出，充电电流越 大，平台电压越高。 ( 3 ) 终止阶段电压达到极大值后开始下降，温度快速上升。这是因为出现 电压负增长后，充电电流几乎全部用于电解水，从而造成了端电压的下降和电池 的温升【3 l 】。这也是可以以端电压的下降和电池的温升作为判断充电终止条件的原 因。 第二章镍氢电池简介 1 c 02 0 0枷6 0 08 0 01 0 0 01 2 0 01 4 0 0 采样点 ( b ) 图2 5 恒流充电过程中温度变化曲线 【a 】：采样点之间的时间间隔为3 s 。 镍氢电池在室温条件下进行充电，对其在充电过程中的温度变化也进行了检 测和记录，所得到的实验曲线如图2 5 所示。由图可以看出： ( 1 ) 在充电前期和中期，小电流充电过程中温度变化幅值较小，大电流则 较大些。图( a ) 中0 2 c 充电时，在充电前期和中期，温度变化幅值未超过3 ； 图( b ) 中1 c 充电时，温度变化幅值在8 左右。 ( 2 ) 在恒流充电过程接近尾声时，电池温度急剧上升，充电电流越大温度 上升的越迅速。因此，在镍氢电池充电过程中，为了避免电池内部温度过高对电 池循环使用寿命形成的损害，对电池的温度进行实时检测是很有必要的。 2 ) 镍氢电池放电特性 放出的电量( ) 图2 - 6 放电端电压曲线 鲍 ! 窖 柏 笥 笱 一o。一巡赡 第二章镍氢电池简介 图2 - 6 所示为恒流放电条件下，镍氢电池的端电压特性实验曲线。由图可知： ( 1 ) 电池在起始放电阶段电池端电压快速下降。电流越大下降的越快； ( 2 ) 电压平台区( s o c 约在3 0 - - 8 0 范围内) 电池下降非常缓慢，电压 平台区内的电池端电压变化约8 0 m v ，而平台区内电动势的变化比这值 还要小些，这也是镍氢电池核电状态比其它电池难以准确估算的主要 原因；放电电流越小，平台电压越高，电压下降越缓慢； ( 3 ) 在终止阶段电池端电压急剧下降，表明电池已不能正常工作。 图2 7 是室温条件下镍氢电池恒流放电过程中的温度变化曲线，将它与充电 时的情况相比较可知： ( 1 ) 很明显的不同是在放电快结束时并没有出现充电快结束时的那种温度 骤然上升的情况，这就是n 蹦h 电池过放电保护机制起了作用。 ( 2 ) 相似点是在整个放电过程中小电流放电时温度变化幅值较小，大电流 则较大。图2 7c a ) 中0 2 c 放电时，温度变化幅值为5 c 左右；图( b ) 中l c 放电时，温度变化幅值为9 c 左右。 图2 7 恒流放电过程中温度变化曲线 在以后的章节中，为了不考虑温度对电池模型及s o c 估算的影响，我们在 做实验的过程中采用脉冲充放电的形式，设置适当的静置时间，以保证整个充放 电过程中电池的温度基本不变。 3 脉冲实验结果 图2 8 、图2 - 9 是脉冲充放电实验曲线在s o c 约为5 0 时的局部图。由图可 以看出： ( 1 ) 在充放电电流消失瞬间，端电压产生突变( 电压的变化量与电流的比 第二章镍氢电池简介 值见表2 - 1 ) ，这跟纯电阻的特性一致，与电池的欧姆内阻相对应。 表2 1 0 2 co 5 c0 8 c0 2 c0 5 co 8 c 充电放电 0 0 3 00 0 3 30 0 3 0 20 0 3 1 90 0 3 0 80 0 3 1 7 ( 2 ) 在静置阶段，充放电电流越大，其电压变化幅度越陡。这是因为电流 越大极化作用越强的缘故。 采样点 图2 8 脉冲充电，s o c 在5 0 左右 采样点 图2 - 9 脉冲放电，s o c 在5 0 左右 此外，为了进一步了解电池在静置阶段电池端电压的变化过程，我们还做 了如下的补充实验：以标准电流0 2 c 脉冲充放电，每隔5 的s o c 静置2 小时。 所得实验曲线局部图如下。 采样点 图2 1 00 2 c 充电 采样点 图2 1 1o 2 c 放电 第二章镍氢电池简介 由此可以看出静置阶段可以分为三个阶段，第阶段电流消失瞬间端电压产 生突变；接着电压快速下降升高；最后电压缓慢趋于稳定。 2 3 2 电池的内阻 内阻是电池的一个极为重要的参数。电池的内阻是指电流通过电池内部时受 到的阻力，内阻的存在使电池的输出电压降低，即电池的工作电压总小于电动势 或开路电压。 电池内阻不是常数，因为在充放电过程中随着时间的不断变化，活性物质的 组成、电解液浓度和温度都在不断地改变。电池的内阻一般包括欧姆内阻和极化 内阻两部分。欧姆内阻主要是由组成电池的电极材料、电解液、膈膜的电阻及各 部分之间的接触电阻组成，它与电池的尺寸、结构、电极的成型方式及装配的松 紧度有关，欧姆内阻遵守欧姆定律，见图2 1 2 ( 内阻的获取方法将在第三章介绍) 。 极化内阻是指化学电源的正极和负极在电化学反应进行时由于极化所引起 的内阻，它与活性物质的本性、电极的结构、电池的制造工艺有关，尤其与电池 的工作条件密切相关，充放电电流和温度对其影响很大。充放电快终止时，极化 和温度都有所增加，故充放电快结束时极化内阻增大，见图2 1 3 。 督 瑚 西 墨 黢 螯 s o c ( ) 图2 1 2 充电时极化内阻与欧姆内阻变化曲线 2 3 3 电池容量 s o c ( ) 图2 1 3 放电时极化内阻与欧姆内阻变化曲线 2 3 3 1 电池容量的概念及影响因素 电池在一定的放电条件下所能释放出的电量称为电池的容量，以符号c 来 表示，其单位为安时( a h ) 或毫安时( m a h ) 。电池容量是n i m h 电池的一个非 第二章镍氢电池简介 常重要的性能参数。它直接影响电池的最大工作电流和工作时间，是实际应用中 决定电池性能优劣的关键因素。 影响电池容量的因素主要有放电倍率、温度、自放电及循环寿命等。 ( 1 ) 放电倍率 放电电流越大，电池所能放出的电量越小。 放电容量测试：以0 2 c 标准电流将电池充满，再分别以0 ，l c 、o 2 c 、0 6