（控制理论与控制工程专业论文）电动汽车镍氢电池剩余容量的测试研究.pdf

武汉理j r 大学硕士学位论文 摘要 当前，随着环保和能源问题日益突出，电动汽车以其零排放、低噪声等 优点而受到关注，世界各国都把电动汽车作为汽车工业的发展方向，电动汽 车能量管理系统是关系到电动汽车实用化、商品化的关键技术之一，而作为 能量管理系统重要组成部分的电池剩余容量测试的研究对电动汽车的实用 化、商品化起着重要作用。 镍氢蓄电池以其比能量高、循环寿命长、适合大电流放电、无污染等优 异综合性能，成为电动汽车用蓄电池的首选。在欧美各国新研制的电动汽车 中，多以镍氢电池为动力源。因此本文以镍氢电池为研究对象，从分析镍氢 电池的电化学特性入手，指出了影响蓄电池剩余容量的各种因素，预测剩余 容量的难点。介绍了国内外在蓄电池电量测试方面的研究、进展及采用的方 法，分析这些方法的优缺点，介绍了我们在这一领域所作的研究工作。在此 基础上提出了一种新的监测蓄电池剩余容量的方法，即结合安时法、开路电 压法和自适应模糊推理法，对蓄电池的实际容量进行校正，达到准确预测电 池的剩余容量的目的。把自适应模糊推理系统用于估计蓄电池剩余容量，输 入是电池的温度和放电容量，输出是电池的荷电状态。自适应模糊推理系统 将神经网络的自适应特性和模糊推理结合起来，能够有效的估计电池的荷电 状态。 本文对测试系统的硬件和软件的设计和实现进行了详细的说明，并且它 能很好的对镍氢电池进行智能充放电控制，并能在线监控镍氢电池的充放电 过程达到有效防止电池的过充和过放。充放电的过程中就把采集到的电池 参数写到了后台的数据库中，这样便于充放电完后，对电池的性能及剩余容 量作进一步的分析和研究。并且，在对电池的荷电状态的预测采用了d e l p h i 和m a t l a b 混合编程的方法，在d e l p h i 中调用事先编好的动态连接库( d l l ) ， 能实时在线的对电池的荷电状态进行估计和校正，提高了电池剩余容量预测 的精度，从而提高能量管理系统的性能，满足电动汽车的实用需求。 经初步试验，该方法具有较高的预测精度。最后，对系统的进步改进 提出了设想。 关键字：镍氢电池、剩余容量、自适应模糊推理系统、d e l p h i a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h e r ew e r ei n c r e a s i n g c o n c e r n sa b o u te n v i r o n m e n t a la n de n e r g y p r o b l e m s ，e l e c t r i cv e h i c l e sh a v eb e e nd e v e l o p e df o ri t sb e n e f i to fz e r oe m i s s i o n a n dl o w n o i s e m a n y c o u n t r i e sm a k ee l e c t r i c v e h i c l e sa st h e d e v e l o p m e n t d i r e c t i o no fm o t o r i n d u s t r y t h ek e yt e c h n o l o g yo fe l e c t r i cv e h i c l e si st h ee n e r g y m a n a g e m e n ts y s t e m ag o o de n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e mi sb a s e do nk n o w i n gt h e e x a c ts t a t e o f - c h a r g e ( s o c ) i nt h i s r e s p e c t ，e s t i m a t i n gt h es t a t e o f - c h a r g ei sa n e s s e n t i a le l e m e n tt ot h ep o s s i b l ec o m m e r c i a l i z a t i o na n d p o p u l a r i z a t i o no fe l e c t r i c v e h i c l e s n i c k e lm e t a lh y d r i d e ( m h n ib a t t e r y ) b e c o m e st h ef i r s te l e c to ft h es t o r a g e b a t t e r y i nm o t o ri n d u s t r y ，b e c a u s eo ft h ee x c e l l e n t s y n t h e t i cp e r f o r m a n c eo f m h n ib a t t e r y ，s u c ha s h i g hs p e c i f i ce n e r g y ，l o n gc i r c l el i f e ，a d a p t i n gt ob i g c u r r e n t sd i s c h a r g ea n dn op o l l u t i o n m a n yc o u n t r i e su s em h n i b a t t e r y a se n e r g y s o u r c ef o re l e c t r i cv e h i c l e s t h i sp a p e rd o e sr e s e a r c ho nm h - n i b a t t e r y f i r s t ， d e s c r i b e st h e e l e c t r o c h e m i s t r y c h a r a c t e r i s t i co fm h n i b a t t e r y ，p o i n t o u tt h e f a c t o r so f a f f e c t i n gb a t t e r y r e s i d u a l c a p a c i t y ( b r c ) a n d t h ed i f f i c u l t i e so f e s t i m a t i n gs t a t e o f - c h a r g e t h e n ，t h em o s tc o m m o nt e c h n i q u e sf o re s t i m a t i n gt h e s o co fe l e c t r i cv e h i c l e s b a t t e r y i nt h ew o r l da r e i n t r o d u c e d a n dt h e d i s a d v a n t a g e so ft h e s em e t h o d sa r ed e s c r i b e d ，i na d d i t i o n ，o u rs o m er e s e a r c h w o r ki nt h i sf i e l di si n t r o d u c e d b a s e do nt h e s e ，t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dan e w m e t h o do fm e a s u r i n gr e s i d u a lc a p a c i t yo ft h ee l e c t r i cv e h i c l e st r a c t i o nb a t t e r y n a m e l yu s i n ga m p e r e h o u r ，o p e n - v o l t a g ea n d t h ea d a p t i v en e u r a lf u z z yi n f e r e n c e s y s t e m ( a n f i s ) m e t h o d ，c o r r e c tt h ea c t u a lc a p a c i t yt og e tt h ee x a c tr e s u l t a n a d a p t i v en e u r of u z z yi n f e r e n c es y s t e mm o d e l i n ga p p r o a c hi se m p l o y e df o rt h e e s t i m a t i o no fb r ci nt e r m so ft h es t a t eo fa v a i l a b l ec a p a c i t yo ft h em h - n i b a t t e r yp o w e r e de l e c t r i c v e h i c l e s t h ei n p u t so ft h em o d e lw i l lb et h eb a t t e r y t e m p e r a t u r e a n dt h e d i s c h a r g e dc a p a c i t yd i s t r i b u t i o n ，w h i c h c a nd e s c r i b et h e d i s c h a r g ec u r r e n tp r o f i l e t h eo u t p u to f t h em o d e lw i l lb et h es o c t h i sa n f i s m o d e lc o m b i n e st h en e u r a ln e t w o r k a d a p t i v ec a p a b i l i t i e s a n dt h e f u z z y q u a l i t a t i v ea p p r o a c h s u c ht h a tt h es o ce s t i m a t i o nc a nb e p e r f o r m e d i na l l e f f e c t i v ew a y 1 1 武汉理 犬学硕士学位论文 t h i sp a p e rd e s c r i b e st h ed e s i g no f s y s t e m ss o f t w a r ea n dh a r d w a r e i tc a n c o n t r o lm h n ib a t t e r yt oc h a r g ea n dd i s c h a r g e a n di tc a no n l i n ec o n t r 0 1 i tc a n p r e v e n tt h eb a t t e r yo v e r c h a r g e a n do v e r d i s c h a r g ei ne f f e c t i nt h ec o u r s eo f c h a r g ea n dd i s c h a r g e ，t h ec o l l e c t e dp a r a m e t e r so fb a t t e r yc a nb ew r i t t e ni n t h e b a c k g r o u n dd a t a b a s e ，t h u st h eb a t t e r yc a p a b i l i t ya n ds o c c a nb ea n a l y z e da n d r e s e a r c h e df a r t h e ra f t e r c h a r g e a n dd i s c h a r g e u s i n gt h em e t h o do fm i x e d p r o g r a m m i n gb e t w e e nd e l p h i a n dm a t l a be s t i m a t et h es o c t h ep r o g r a mo f d e l p h ic a nc a l lt h ed y n a m i cl i n kl i b r a r y ( d l l ) w h i c h i sp r o g r a m m e db e f o r e h a n d i tc a no n 。l i n ee s t i m a t ea n dc o r r e c ts o ci nt i m e i tc a na d v a n c et h ep r e c i s i o no f t h ee s t i m a t i o no fb r ca n dt h ec a p a b i l i t yo ft h ee n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m ，t h e n s a t i s f i e st h ep r a c t i c a ln e e do fe l e c t r i cv e h i c l e s w i t ht h ei n i t i a l e x p e r i m e n t ，t h i s m e t h o dh a st h eb e t t e r p r e c i s i o no ft h e e s t i m a t i o no fb r c i na d d i t i o n ，t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dt h ei d e at oa d v a n c et h e s y s t e m k e y w o r d s ：n i c k e lm e t a lh y d r i d e ( m h - n ib a t t e r y ) ，b a t t e r yr e s i d u a lc a p a c i t y ( b r c ) a d a p t i v en e u r of u z z y i n f e r e n c es y s t e m ( a n f i s ) ，d e l p h i i i i 此页若属实请申请人及导师签名。 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，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经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得武汉理工大学或其它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。 研究生签名：趟 关于论文使用授权的说明 日期加牛s 旬 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅： 学校可以公布论文的全部内容，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：查! 釜导师签名：墨塑! 堡三日期丝生! i ：兰 注：请将此声明装订在论文的目录前。 武汉理r 大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 电动汽车的发展概述哺1 进入2 1 世纪，由于世界经济对可持续发展的追求和人们对生活环境提 出了越来越高的要求，以及车用能源日趋紧张及价格上涨的局面，迫使汽车 研究和制造行业开始加大了对汽车新能源的研究和开发力度。由于电动能源 具有突出的优势，使得电动汽车的开发和研究成为各国开发绿色汽车的主流。 近几年，由于科学技术的迅速发展，有力地推动了电动汽车的研究和开发， 各种各样的电动汽车频频问世，媒体的呼声也越来越高，似乎电动汽车有即 将大规模进入市场的感觉。 当代融合多种高新技术而兴起的纯电动汽车、混合动力电动汽车，尤其 是立足于氢能基础上的燃料电池电动汽车正在引发世界汽车工业的一场革 命，展现了汽车工业的光明未来。近1 0 年来美国、欧洲、日本等国政府和跨 国公司已投入超过l o o 亿美元的资金，并且以每年不少于1 0 亿美元的力度继 续开发。从美国政府对新一代汽车伙伴计划( p n g v ) 的建立和执行情况来 看，新一代汽车已经成为跨国汽车公司和工业国家战略发展的重要内容。 电动汽车与常规的内燃机车比较有以下特点。( 1 ) 效率高：比较原油转化 成汽油和原油转化成电的能量效率。现在的内燃机效率约为3 8 ，因汽车在 市内行驶中有频繁的停车、低速行驶、待信号灯等，其最终效率不过1 2 。 而电动汽车无机器空转损失，电池的8 0 以上的能量可由电动机转为电动车 的动力，即使考虑原油的发电效率、送配电效率、充放电效率等，其最终可 得到1 9 左右的能量效率。另外，电动汽车在制动时有回收能量的特点。这 个比较在计算时仅以汽车行驶能量为对象，实际上电能有多种来源方式，还 需考虑制造所用能量等。( 2 ) 环境污染低：电动车在行驶中无废气排出，即使 以火力发电来估计，相对于常规汽车其废气排出量也会被大幅度减少。( 3 ) 可使用多种能源：因电动车使用2 次电力能源，其不受石油资源的限制，可 利用核能、水力、太阳能等。( 4 ) 噪音低：汽车的噪音、振动大小决定于发动 机本身和行驶条件。常规汽车和电动汽车比较，虽然因汽车行驶而引起的噪 音、振动无显著差别，但由原动机引起的部分电动汽车占有绝对的优势。 但是，与传统内燃机汽车相比，电动汽车，特别是代表新一代汽车水平 武汉理工大学硕士学位论文 的燃料电池电动车，在国内外仍处于产业化初期准备阶段，与之相关的高新 技术与产品还依赖于配套供应商的支持，尚未形成新的工业体系。同时，在 工业发达国家，传统汽车工业已形成的庞大生产规模和社会基础设施的投入， 以及发展的强大惯性，在某种意义上构成了阻碍其发展新一代汽车的社会成 本，使他们难以下决心实现根本性的战略转变，从而有可能为我们赢得宝贵 的时间。在电动汽车这一新的领域我们与国外处于相近的起跑线，技术水平 与产业化的差距相对较小。因此，只要我们抓住机遇，下大决心，对我国汽 车工业的发展战略和总体技术路线，以及组织管理模式进行重大调整，把大 力发展新一代汽车实现产业化作为促进我国汽车工业实现跨越式发展的战略 性举措，就有可能在世界汽车工业新一轮竞争中占领制高点，取得有利地位， 提高我国汽车工业的国际竞争力，实现我国汽车工业的振兴。 1 1 1 国内外发展现状m 1 2 3 伽 电动汽车的研究始于1 9 世纪初，在l o o 多年前欧美等国家就出现过电 动汽车，但由于受到蓄电池技术的限制，其比能量低，续驶里程短和使用费 用高等，使电动汽车的发展处于停顿状态。随着石油资源的日渐枯竭和燃油 汽车排放造成的环境污染日益加剧，人们才又开始把注意力集中到电动汽车 的研发上。 从2 0 世纪7 0 年代起，世界发达国家均投入巨资进行电动汽车商业化开 发和应用。例如美、日、德、法等国都相继推出了混合动力式电动汽车、电 动轿车、电动客车等。例如目本丰田公司在2 0 0 1 年6 月推出了t h s c 混合 动力系统，并成功地将其装用在p r e v i a 轿车上，同时还开发了四轮驱动的 e s t i m ah v 型多用途车，该车的动力系统由2 4 l 的汽油机和电动机、c v t 无 级变速器及四轮驱动系统组成，其排放水平比日本规划2 0 1 0 年排放法规的要 求还低7 5 。2 0 0 2 年3 月，日本本田公司在c i v i c 轿车上也采用了混合动力 装置，其传动系统由1 3l i d s i 汽油机、1 0 k w 永磁电动机、5 档手动变速器 或无级自动变速器构成，这种车在美国的售价约为2 o 2 2 万美元，2 0 0 2 年 在美国的销售量约为2 4 万辆。在美国，美国政府为了发展和推广环保型汽 车( 包括电动汽车) 的使用，美国政府有关部门不仅制定了按比例销售环保 汽车的有关法规，而且在政策上还给予购买环保类汽车的消费者提供4 0 0 0 8 0 0 0 美元的补贴，因而大大地促进了美国电动汽车的发展。美国“a v s ”公 司于2 0 世纪9 0 年代就推出了电动大巴，这种电动大巴已在欧美许多大中城 市中投入实际使用，并有逐步取代传统燃油公交车的趋势。 2 武汉理1 - 人学硕士学位论文 传统蓄电池由于比能量低、使用费用高等原因，在较长时间内，限制了 电动汽车的发展。自从燃料电池的出现，给电动汽车带来了生机。燃料电池 是一种新型的电化学能量转换装置。与传统蓄电池的概念完全不同，燃料电 池不需要充电，只需将燃料直接送入电池系统就可源源不断地将燃料的化学 能直接转变成电能。由于燃料电池不需经过热循环过程，因此不受卡诺循环 的限制，其能量转换率高( 约6 0 左右) ，而且排放低，对氢燃料电池而言， 其污染为“零排放”，有利于环保。 近年来由于燃料电池发展迅速，其技术有所突破，许多采用氢燃料电池 的概念车也相继问世。美国加利福尼亚州计划于2 0 0 3 年前投入7 0 辆燃料电 池轿车和客车，并进行试运行试验。据b a l l a r d 公司介绍，他们正和主要制造 商和供应商的技术人员一道共同解决一些技术难题，如快速起动，降低成本 等问题，在近期即可推出商品化的使用氢燃料电池的电动汽车。2 0 0 2 年1 月 在北美国际汽车展览会上，美国通用汽车公司展出了a u t o n o m y 燃料电池汽 车，引起了轰动。此外，日本丰田和本田公司开发的燃料电池汽车，在2 0 0 3 年上市。德国戴一克公司也在2 0 0 2 年在德国各大城市试销了燃料电池为能源 的电动大客车。 在中国首辆电动汽车于1 9 6 6 年在上海问市，1 9 7 7 年相应试制出s h d l 7 0 、 s h d 6 1 0 型电动汽车，但均困受蓄电池技术的限制，未能推广投入实际使用。 我国从2 0 世纪9 0 年代后将电动汽车的研发又重新提到议事日程上，目前在 北京、上海、天津、西安、合肥等地，各高等院校、汽车研究所和汽车厂家 合作，纷纷研制出微型电动车、微型电动厢式车、电动大客车等，清华大学 在燃料电池方面也取得了较大的进展，小型氢燃料电池汽车也已试制成功。 1 1 2 电动汽车的关键技术m 2 们乜邮 电动汽车的发展不断成熟，但也还有很多问题没有解决，例如如何提高 电动汽车的续驶里程和舒适性，电动汽车的空调系统的安装，电池的剩余电 量的指示，电池如何在变化的气候条件下工作，如何对电池快速充电。电池 的数量有限，充放电并不均衡。如何有效地利用电池的能量，延长电池的寿 命。电动车还有能量回收的问题。这些问题都涉及到电池的能量管理和整车 的能量管理。为了适应电动汽车技术的发展，不断有性能更高，价格更便宜 的电池研制出来。如何有效地使用这些电池? 这就是电池管理的问题。与电 机、电机控制技术、电池技术相比，电池管理还不是很成熟。如何实现无损 电池的充电，监控电池的放电状态，避免过放电现象，同时对电池进行实时 武汉理工大学硕士学位论文 的或定期自动检测、诊断和维护，最大限度地保证电池的可靠运行，国内外 都在进行研发。 电动汽车电池管理系f n ( b m s ) 。“耵。”是电动汽车中一个越来越重要的 关键部分，我国在这方面的研究还刚刚起步，即使美国等汽车工业发达国家 的研制工作也不完善。 电池自身的性能参数影响电池的寿命，但电池本身的问题不在电池管理 的范围之内。电池外部因素也影响电池的寿命，如电池的充电参数，包括充 电方式、充电电流、充电结束电压：电池的放电参数，包括电池的放电电流、 放电深度、脉冲电流等；电池的温度；对电池维护的方式和频率。从电动汽 车的使用过程中发现，单个电池的寿命远比电动汽车中的电池长，研究表明 这是因为电池处在不均衡的状态中，充放电过程也不均衡，而不断重复的充 放电过程更加剧了不均衡现象，充电少的电池的寿命缩短，引起所在的电池 组的寿命缩短，从而使整个电池系统的寿命缩短。为了解决这个问题必须实 现均衡充放电，且应创造保证均衡的温度的条件。借助电池管理系统( b m s ) ， 还可以优化电池的外部参数，大大增加电池的寿命。 要实现这些功能就应建立一个电池监测和控制系统，其功用是通过监测 和控制单个电池的性能，最大化电池的充放电效果。它是一个基于微处理器 的适时监测系统，每个不良电池的情况都应及时显示在驾驶员仪表板上。预 测电池每个循环可提供的电量及回收制动的能量所产生的电量，并控制放电 深度及充电时和制动回收能量时的过充电。电池监测和控制系统是一个随车 系统，因此电池的状况是一个动态的过程。在路上可能出现任何异常的情形， 都应得到及时的反映和处理。这个监测系统应和互相作用的充电系统、能量 回收系统、电机驱动控制系统相联系，以便有效地利用和管理能量。 目前主要限制电动汽车发展的是车用动力蓄电池，其比能量、比功率、 循环使用寿命低和成本高。因蓄电池的性能决定了电动汽车的性能指标，能 量密度决定电动汽车一次充电续驶里程，功率密度决定电动汽车的加速性能 和最高车速。 当前世界各发达国家都制定了相应的发展电动汽车动力蓄电池的计划， 如美国三大公司于1 9 9 1 年1 月签定了一个为期1 2 年的协议，成立了先进电 池研究联合体( u s a b c ) ，合作研究车用蓄电池，并发布了中长期目标。可作 为电动汽车蓄电池的有很多种，如铅酸、镍镉、镍氢、钠硫、锂离子及飞轮 电池和燃料电池等，其中最有前景的是镍氨、钠硫、锂离子及飞轮电池和燃 料电池。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 3 国内外电动汽车用m h n i 蓄电池研究与应用现状o 7 3 电动汽车动力源用蓄电池的主要性能指标是：比能量( 一次充电可行驶 的里程) ，比功率( 加速性能及最高车速) ，比寿命( 使用的经济性、方便性) 。 从各种动力蓄电池的性能指标及优缺点来看，镍氢电池是较为理想的电动汽 车动力源。预计到2 0 0 5 年，电动汽车市场各种蓄电池所占份额：镍氢电池为 6 4 ，锂离子电池为15 ，铅酸电池为1 l ，其他为1 0 。镍氢电池是种 绿色蓄电池，无污染、免维护、使用安全、比能量大、比效率高、高倍率充 放电性能好、使用寿命长，因此满足动力蓄电池的性能要求。 由于m h 。n i 蓄电池有可用作动力蓄电池的各种突出优点，北美、欧洲及 日本等国均不惜投入巨资进行m h n i 蓄电池的研制开发与应用。美国奥芬尼 克公司与美国先进电池联合体u s - a b c ( 包括通用、克莱斯勒、福特三大汽车 公司) 签订合同联合开发电动汽车蓄电池，经过几年努力，已研制出一系列电 动汽车( e v ) 蓄电池13 h e v 6 0 、7 h e v 2 8 、1 2 h e v 2 0 。1 9 9 3 年奥芬尼克公 司就成功地把m h n i 蓄电池用在克莱斯勒电动汽车上，1 9 9 5 年奥芬尼克公 司采用m h n i 蓄电池作动力源的电动汽车通过美国电动汽车协会的测试， 1 9 9 8 年又成功地应用于e v l 和s 1 0 电动载货汽车。电动汽车的行驶体现出 了奥芬尼克公司m h n i 蓄电池的优良性能。奥芬尼克公司的m h - n i 电池组 用于h e v 时，循环寿命达6 万次( 约8 0 4 5 0 k m ) 。1 3 h e v 6 0 蓄电池具有容量 大、深充深放性能好的特点，因此广泛应用于h e v 领域；7 h e v 2 8 蓄电池则 具有体积小的特点，最小高度为8 1 m m ，可应用在垂直空间比较有限的场合。 7 h e v 2 8 与1 2 h e v 2 0 蓄电池由于容量低，一般作为辅助或双工模式的动力源。 日本松下电池公司在1 9 9 2 年第1 个将密封m h n i 蓄电池用于电动汽车， 后来又与丰田公司联手开发出新型的电动汽车用高功率的m h n i 蓄电池，现 在松下电池公司研制的用于电动汽车的蓄电池主要有3 种。法国萨铂特公司 也较早致力于开发m h n i 动力蓄电池，并取得了很大进展。克莱斯勒等美国、 欧洲的一些电动汽车生产厂商均选用该公司生产的m h n i 蓄电池作为动力 源。 我国在电动汽车m h n i 蓄电池的研究与使用上，近年来发展迅速，北京 有色金属研究院、中辽三普电池有限公司等均已把m h n i 蓄电池成功地应用 于电动汽车上。2 0 0 0 年2 月2 8 日由北京有色金属研究院研制的电动轿车试 车运行，一次充电行驶2 2 5 k m ，电池组容量为1 0 0 a h ，其单体电池比能量可 达6 0 7 0 w h k g 。现在又有越来越多的电池和电动汽车厂商及研究机构涉足 武汉理工大学硕士学位论文 到m h n i 蓄电池的领域，可以说m h n i 蓄电池已经开始由试验阶段转入产 业化实用阶段。 1 2 课题的背景、意义及研究内容 1 2 1 课题的背景及意义 本课题是与东风汽车公司合作的爱丽舍燃料电池电动汽车项目，属于湖 北省重点科技攻关项目。 长期以来，作为电动汽车动力源的充电电池是限制电动汽车发展的最主 要因素，国内外都投入了大量的人力、物力进行研究。电池能否满足电动汽 车在各种运行情况下( 如起动、爬坡、加速、快速充电等) 的使用要求，就需 要对电池的充放电性能进行分析检测。在众多现行研制和开发的电动汽车用 蓄电池f 如铅酸、镉镍、镍氢、锂离子、锂聚合物和钠硫等蓄电池) 中，镍氢 蓄电池以其高比能量、循环寿命长f 在8 0 的放电深度下，具有1 0 0 0 次的循 环寿命) 、适合大电流放电、无污染等优异综合性能，成为电动汽车用蓄电池 的首选。在欧美各国新研制的混合动力电动车中，多以镍氢电池为动力源。 蓄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。因此，管理好蓄电池对于电动车来 说是至关重要的，所以有相当数量的电动车研究人员把精力集中在蓄电池充 放电特性的研究上。为了充分利用电动车上每节动力电池的能量，就要求 对蓄电池进行合理的管理【8 j ( 2 7 j 。蓄电池的管理主要包括以下四个方面：( i ) 保 障各节电池容量的均匀性；( 2 ) 及时诊断出电池出现的问题；( 3 ) 防止电池的过 充电和过放电；( 4 ) 准确地获得电池的荷电状态( s o c ) 。 较准确和可靠地获得电池荷电状态( s o c ) 是电池管理系统中最基本和最 首要的任务。因为s o c 值的大小直接反映了电池所处的状态，由此可限定电 池的最大放电电流和预测电动车的续驶里程。根据各节电池的s o c 值，可以 识别电池组中各电池间的性能差异，并依此进行均衡充电，以保持电池性能 的均匀性，最终达到延长电池寿命的目的。 用可测得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的研究课题。目前，国内外 较为普遍地采用电池荷电状态来描述电池容量状态，并出现了多种估计s o c 值的方法。到目前为止，电池的可测参数电流、电压、温度、电阻等都被用 来估计或修正s o c 。但由于这些电池参数与s o c 之间的关系复杂而又非线 6 武汉理工大学硕士学位论文 性，用传统数学方法建立模型很困难且其可靠性低。近几年出现的模糊逻辑 方法估计s o c ，在一定程度上解决了传统数学方法的困难，但是要获得准确 性和可靠性高，并具有自适应能力的模糊逻辑s o c 判断系统，需要作大量试 验来取得足够的专家经验，这却是非常艰难的工作。况且，不同类型的电池 或同类型不同型号的电池通过实验得到的专家经验并非都通用。因此，建立 具有定的准确性和可靠性又比较简单的s o c 判断模型具有重要的现实意 义。 1 2 1 课题研究内容 课题主要研究内容是镍氢电池剩余容量的预测及电池充放电的智能控 制。由于镍氢电池本身的特殊性，其荷电状态受放电电流、温度变化、本身 退化等诸多因素的影响，虽然这方面的研究很多，但对荷电状态的预测目前 还没有一个标准的算法，根据当前蓄电池剩余容量预测的技术现状，和我们 在这方面的研究基础，本文提出了基于自适应神经模糊推理系统的方法，通 过神经网络的自学习特性来获得控制规则，希望提高对蓄电池剩余容量预测 的精度。 同时，上位机监控软件采用美国b o r l a n d 公司推出的d e l p h i 编程语言进 行开发，该语言功能强大，具有面向对象和可视化等特点，开发工具的先进 性和致性，使开发出来的软件不仅功能强大，界面友好，可重用性好，而 且自成体系，没有多种语言开发造成的软件接口多、数据交换( d d e ) 慢等缺 点，特别适于在w i n d o w s 环境下图形界面和用户程序的编制。软件设计充分 体现了模块化结构，并将数据表示和代码处理分装隔离开来，将底层数据处 理和界面显示、人机交互分成两个层次。合理的根据功能和要求等分配好各 个模块的任务，设计各个模块的相应结构并进行合理的封装。 试验中采用天津和平海湾电池集团提供的型号为1 0 q n f l 2 镍氢电池，它 是方形动力电池，容量为1 2 0 0 0 m a h 。 具体工作内容如下： 1 分析镍氢电池的电化学特性，并通过不同条件下的充放电实验分析与荷电 状态相关的各种因素。 2 对当前常用的蓄电池荷电状态估计的方法进行对比研究，并在此基础上提 出了一种新的电池剩余容量的测试方法，将安时法、开路电压法和自适应神 经模糊推理法结合起来，对蓄电池的实际容量进行校正，达到准确预测电池 的剩余容量的目的。 武汉理工大学硕士学位论文 3 自适应神经模糊网络的建立，模糊控制规则和学习算法的获取，构造一种 多层前馈网络来对电池监测数据进行分析处理。 4 监控系统的软件和硬件的设计。 武汉理工大学硕士学位论文 ! ! s = = ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! = ! ! ! ! ! ! 自自! ! 目! ! 第2 章镍氢电池的剩余容量的预测与技术研究 2 1 镍氢电池的特性2 5 m 州2 8 1 2 1 1 镍氢电池的电化学反应原理m 1 随着新型镍氢电池技术的发展，能满足现在以电池供电设备不断提高需 求。镍氢电池( 以相同型号比较) 容量比镍镉电池高，同时可以消除使用含 重金属元素电池对环境带来的污染问题。 镍氢电池是以氢氧化镍为正极和高能贮氢合金为负极，因此镍氢电池的 正极与镍镉电池基本相同，但负极采用了高能贮氢合金材料，使得镍氢电池 具有更大的能量。同时镍氢电池在电化学特性与镍镉电池亦基本相似，故镍 氢电池在使用时可完全替代镍镉电池，而不需要对设备进行任何改造。 在m h n i 电池充放电过程中，正、负极正常发生的电化学反应分别为： 诈州2 + 汀鲁b h o o h + h 2 0 押一 负膨。+ 朋。鲁删* 倒一 ( 2 2 ) 式中m 及m h 分别为贮氢合金和金属氢化物。电池总反映式可表示为： m + x n ( o h ) ，争删，m o o h 3 ) 当m h n i 电池充电后期和过充电时，发生的反应为： 正极：4 0 h 一寸2 h ，0 + 0 ，+ 4 e 一( 2 - 4 ) 负极：4 m h + 伉一4 m + 2 h ，0 当m h n i 电池过放电时，发生的反应为： 正极： 2 h ，o + 0 2 + 4 e 一- - - 4 0 h 一 ( 2 5 ) 负极：m h + o h 一呻m + h ，0 + p 一( 2 - 6 ) 由上述反应步骤可以看出，发生在m h n i 电池两个电极上的反应均属固 相转变机制，不产生可溶性的金属离子，因此电池的正、负极都具有较高的 稳定性。电池的工作过程中没有电解质组元的额外生成或消耗，充放电可看 作只是氢原子从一个电极转移到另一个电极的反复过程。此外，m h n i 电池 9 武汉理工大学硕士学位论文 般采用负极过量的设计方式。在过充时，正极上析出的氧在m h 电极上被 还原成水( 消氧反应) ；过放时，在正极上析出的氢被m h 电极的贮氧合金 吸收( 消氢反应) ，故m h - n i 电池具有良好的耐过充、过放能力。 m h n i 电池充电为放热过程。电池容量越大，尤其是在较大电流充电末 期或过充电条件下，电池发热尤为严重，热的来源，有下面几个方面：电池 欧姆极化热，电化学极化热，m h n i 电化学反应热，电池过充电氧复合热。 2 1 2 镍氢电池放电特性瞳伽旺3 1 电动汽车上常用电流为1 0 2 0 a ，大功率工况下电流可能达到4 0 5 0 a ， 甚至达8 0 a 。为此，实验中测量了镍氢电池在0 2 3 c 各电流下的恒流放电 特性。具体实验电流见表2 i 。 f 放电率，c o 2 co 5 c1 c2 c3 c 电流，a2 4 a6 a 1 2 a2 4 a3 6 a 表2 1恒流放电实验采用各电流 单体电池放电电压低于1 v 时，已是过放电状态，试验用镍氢电池为1 0 只单体电池串联成电池组，因此将电池组放电的截止电压设定在1 0 v ，低于 1 0 v 即为过放电状态。在电池的端电压低于1 0 v 时，曲线斜率接近无限大， 表明进入过放阶段。图2 1 为单体镍氢电池在室温下不同倍率的放电曲线。 一 圈 御 砖。 卜： - _ h 、， 、- 、 ： 淑i i、越 、 4艚秘l 呻1 敲电容量t t ) 图2 1镍氢电池在室温下不同倍率的放电曲线 从放电曲线可以看到，与传统铅酸电池不同，镍氢电池在放电初期端电 压变化比较平缓，有一段比较长的过渡期。在其后相当长的段时间内，端 电压在1 3 - 1 2 v 阃缓慢下降。当电压降到1 2 v 0 ，5 c 以上放电时为1 1 v ) 时，端电压曲线的曲率有较大变化，端电压开始急剧下降。因此，在使用过 程中，为保持端电压的平稳，最好将电池端电压的使用区控制在1 1 v 以上n 对于0 2 c 电流放电，在端电压降低到1 1 v 之前，电池已经放出总容量的9 5 以上，对于常用放电电流( 1 0 2 0 a ) ，放电量也超过9 0 。因此，使用电压控 制在这个端电压范围内，电池的库仑容量损失并不大。但是，对于大电流( 超 l o 武汉理工大学硕士学位论文 过1 5 c ) 持续放电时，电池的库仑容量损失超过4 0 。因此，应尽量避免大 电流( 1 5 c ) 持续放电。 根据试验结果，随着放电电流的增加，放出电量逐渐下降，在2 4 a ( 2 c ) 电流放电时，放出的电量( 以a h 计) 仅占2 4 a ( 0 2 c ) 电流放电时放出的 8 5 7 ，能量( 以w h 计) 为7 7 6 。但在一定放电率( 1 c ) 放出电量基本稳定在 总容量的8 0 左右，这个比率远高于铅酸电池的6 0 ，镍氢电池显示出它的 优势。 2 1 3 镍氢电池充电特| 生 电动汽车上实际的充电方式有3 种：i 是通过充电机充电；2 是混合动 力车中发动机发出的多余功率对电池充电；3 是制动能量回收充电。制动能 量回收充电时充电电流变化很大，且持续时间较短，在充电的整体能量中并 不占主要地位；而前两种充电方式始终伴随电动车的使用过程，占电池充入 能量的绝大部分，且其充电方式易于控制，故而试验主要研究了镍氢电池在 前两种方式下的充电特性。 试验中为保证电池安全使用，缩短充电时间，采用两阶段充电法，首先 采用恒流限压充电的方法，恒流充电结束后静置0 5 h ，然后采用涓流充电的 方法，直到充满。采用这种充电方法的好处是：可以在第一阶段采用较大电 流以节省充电时间：静置利于电池内部恢复，而后期采用涓流充电可以在结 束前达到小电流充电，既保证充满，又可以避免电池高温而损坏电池。 图2 2 充电过程中电池外壁温度变化 试验测试了镍氢电池在常用的几种充电电流( o 5 c ，1 c ，2 c ) 条件下的温 度特性。为保证测量的连续性，在温度试验中采用恒流充电，图2 2 为电池 外壁温度随时间变化的关系图。可以看到，在电池接近充满时，电池外壁温 度曲线的曲率有明显变化，但当充电电流为2 4 a 时，曲率转折点已接近许可 使用温度的上限( 4 5 ) 。 武汉理工大学硕士学位论文 但是如果把测定电池外壁的温度变化作为充电结束点的标志，在实际应 用中会遇到以下问题：温度受外界影响较大，测量值不够准确；为测取 温度变化，需持续恒流充电，这会造成过充，损害电池性能；试验中测取 外壁温度的变化率有一定困难；不同充电电流下，温度曲线的变化率趋势 不同( 图2 2 ) 在大电流充电下，转折点温度较高，容易损害电池性能。 基于以上原因，实验中并没有采取以电池外壁温度变化率为充电结束标 志的主要方法。试验的一个重要内容就是寻找合适的恒流充电中止标志。 在恒流充电期间，出现一个电压平台，且随电流的增大，电压平台逐渐 增高。电池的电量主要是在这个期间内得到恢复，所以，这个平台期的长短 及位置关系到电池电量的恢复。 2 2 镍氢电池的剩余容量的测试研型9 4 1 5 们 2 2 1 剩余容量的概念 镍氢电池的实际容量( a c t u a lc a p a c i t y ) 是个未知参数，它随温度、循环次 数、使用的时间等因素发生变化，其标签上所标示的标称容量( i n i t i a lc a p a c i t y ) 只是参考值，一般说来，对于一个长期使用的电池，其实际容量c 。小于初始 标称容量c 。因此对于电池的充电状态，有两种定义方式：一个是与电池的 实际容量c 。相关的称为s o c 。，个是与标称容量c 。相关的称为s o c 。 充电荷电状态( s o c ) 是描述电池状态的重要参数，通常把一定温度下电 池充电到不能再吸收能量的状态定义为充电状态1 0 0 ，而将电池再不能放 出能量的状态定义为充电状态0 。一般镍氢蓄电池的s o c 是这样定义的： s o c = ( c ，c 。) 10 0 ( 2 - 7 ) 式中c ，表示剩余容量，但由于c 。和c 。都受未来放电状态等因素的