（通信与信息系统专业论文）车用动力镍氢电池soc建模与仿真.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着电动汽车的迅速发展，一直以来困扰车用动力电池的成本、寿命问题 迫切需要得到解决。现在的动力电池还未达到车载能源的要求，研究电池荷电 状态( s o c ) ，在电动汽车运行过程中对镍氢电池s o c 实时监测，能让电池的能量 得到最大限度的利用，延长电池寿命。本文针对车用镍氢电池s o c 估算的主要工 作如下： 首先分析了镍氢电池的工作特性、影响s o c 的因素，综合比较了几种传统 的估算电池s o c 的方法如电量累计法，电阻测量法，开路电压法，模糊逻辑推 理，神经网络的方法和恢复效应法等，在它们的基础上提出了进一步的建模思 想。设计了在不同条件下的充放电实验，通过大量的实验测试数据，研究了镍 氢电池充放电过程，详细分析了电池开路电压、电池温度特性和自放电对s o c 估计的影响。 实验建模研究工作分静态建模和动态建模两个部分。根据试验采集电池充 放电过程中的充放电电流、开路电压和环境温度等数据，分别建立了它们与电 池s o c 的静态数学模型。然后根据各条件下建立的静态数学模型深入地研究了电 动汽车的动力镍氢电池s o c 的估算方法，提出了基于状态空间的s o c 递推估算法 的动态建模思想与实现方法，即在复杂条件下估测电动汽车镍氢电池的s o c 。该 动态模型考虑了在车载行驶条件下，电流不断变化，环境温度等因素的影响。 最后对电池s o c 的动态数学模型进行了仿真，并将仿真结果与开路电压法测量的 s o c 曲线相比较，证明了模型的准确性。 本课题的研究在理论和实践中都取得了进展，对于进一步研究镍氢电池 s o c 具有重要的意义。 关键词：电动汽车，镍氢电池，s o c ，建模，仿真 a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r i cv e h i c l e ，t h ec o s to fb a t t e r ya n dt h el i f e p r o b l e mo ft h eu r g e n tn e e dt ob er e s o l v e d t h ep o w e r b a t t e r yh a d n o ty e tr e a c h e dc a t e n e r g yd e m a n d s r e s e a r c ho ns o co fb a t t e r y , m o n i t o r i n gs o c o fm h n ib a t t e r y r e a l t i m ei nt h eo p e r a t i o no fe l e c t r i cv e h i c l e sc a nm a x i m i z et h eu s eo fe x t e n d e d b a t t e r yl i f e t h em a i nw o r ki nt h i sp a p e ri na l l u s i o nt ot h es o c e s t i m a t i o no ne l e c t r i c v e h i c l em h n ib a t t e r yi sa sf o l l o w s ： f i r s tt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h em h n ib a t t e r i e sa n dt h ef a c t o r si n f l u e n c e do nt h e s o ch a v eb e e na n a l y z e da n dd i f f e r e n tk i n d so fs o c t r a d i t i o n a lm e a s u r i n gm e t h o d s h a v eb e e nc o m p a r e ds u c h a s e l e c t r i c i t y , r e s i s t a n c em e a s u r e m e n t , v o l t a g e m e a s u r e m e n tm e t h o d ，f u z z yl o g i c ，n e u r a ln e t w o r km e t h o da n dt h er e s t o r a t i o no fl a w m u l t i a n a l y s i s t h e i n f l u e n c e sa m o n gt h ee s t i m a t i n g o ns o ca n d t h eb a t t e r y c h a r g e d i s c h a r g ee f f i c i e n c y , t h eb a t t e r yt e r m i n a lv o l t a g e ，t h eb a t t e r yt e m p e r a t u r e c h a r a c t e r i s t i c sa n dt h es e l f - d i s c h a r g e r a t ea n ds oo nt h r o u g ht h ee x p e r i m e n t s d e s i g n e das e r i e so fc h a r g e d i s c h a r g ee x p e r i m e n t su n d e r d i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，t h r o u g h al a r g en u m b e ro fe x p e r i m e n t a lt e s td a t ao nm h n ib a t t e r yc h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n g p r o c e s s c o m p a r e dt h ec h a r g ea n dd i s c h a r g ec h a r a c t e r i s t i c so ft h em h - n ib a t t e r y u n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，a n dt h ei m p a c to fe n v i r o n m e n t a lt e m p e r a t u r eo n t h e m h - n ib a t t e r yd i s c h a r g ep e r f o r m a n c e t h ew o r ki sd i v i d e di n t ot w op a r t s ：t h es t a t i cm o d e la n dd y n a m i cm o d e l a c c o r d i n gt og a t h e rt h ev o l t a g eo ft h eb a t t e r y , t h et e m p e r a t u r ea n d t h ec h a r g i n ga n d d i s c h a r g i n gc u r r e n th i s t o r i c a ld a t a ，e s t a b l i s h e ss t a t i cm a t h e m a t i c a lm o d e lu n d e r t h e d i s s i m i l a rc o n d i t i o n s t h e na c c o r d i n gt ot h es t a t i cm a t h e m a t i c a lm o d e l s u n d e rv a r i o u s c o n d i t i o n s ，e s t a b l i s h e sd y n a m i cm a t h e m a t i c a l m o d e lw i t ht h ec o n s i d e r a t i o no f t e m p e ；r a t u r ee f f e c ta n dc o n s t a n t l yc h a n g i n g f i n a l l ys i m u l a t i n gt h ed y n a m i c m o d e li n t h em a t l a b ，a n dt h e nc o m p a r e dt h er e s u l t w i t ht h ed a t am e a s u r e db yv o l t a g e m e a s u r e m e n tm e t h o d t h er e s u l tp r o v e dt h em o d e l i sa c c u r a t e t h er e s e a r c ho nt h es u b j e c th a sm a d es o m ep r o g r e s s i nt h et h e o r ya n dt h e p r a c t i c e ，a n di th a sv i t a ls i g n i f i c a n c ef o rf u r t h e rs t u d i e so ns o c o fm h - n ib a t t e r y k e yw o r d s ：e l e c t r i cv e h i c l e ，m h n ib a t t e r i e s ，s t a t e o f - c h a r g e ，m o d e l i n g ，s i m u l a t i o n i i 独创性声明 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及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他入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。 签名：臣痒! 日肌鳗工一 关于论文使用授权的说明 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 或部分内容，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) 签名：遗薄 导师签名： 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 电动汽车概述 第1 章绪论 随着社会的飞速发展，能源枯竭和环境污染已经成为当前社会急需解决的 问题。汽车在整个社会进步和经济发展中扮演着非常重要的角色。汽车工业的 迅速发展推动了机械、能源、橡胶、钢铁等支柱产业的发展。然而，随着全球 汽车总有量的增加，汽车尾气的排放已经成为大气污染的主要原因，同时世界 石油资源的日趋紧张，石油价格不断攀升，这些都迫使人类需要研制出无污染 和节能汽车。有效节能、减少环境污染，成为各国关注的焦点。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i 。 电动汽车具有无排放污染、噪声低、易于操纵、维修以及运行成本低等优点， 在环保和节能上具有不可比拟的优势，是解决人类巨大能源和环境压力的有效 途径。因此，电动汽车是2 1 世纪汽车的发展方向。 1 1 1 电动汽车国内外发展 电动汽车开发曾经历过两次高潮，一次是二战期间，当时汽油都用于战争； 另一次是第一次中东战争期间，美国联合其他国家开发电动车。2 0 世纪7 0 年代， 汽车保有量呈几何级数增长，环境污染变得严重。随着化学污染等环境污染的 发生，西方发达国家政府开始注重环境保护，一些著名的汽车公司转向研究和 开发电动汽车1 2 j 。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的 商业化开发和应用。电动汽车将迎来新的发展高潮【】。 美国是世界上大气污染最严重的国家之一，也是防止和限制大气污染最严 厉的国家之一。1 9 7 6 年7 月，美国国会通过电动汽车和复合汽车的研究开发和 样车试用法令，以立法的形式、政府资助和财政补贴等手段加速发展电动汽 车。美国能源部与三大汽车公司于1 9 9 3 年签订了混合动力电动汽车开发合同， 其中通用汽车公司投入1 4 8 亿美元，福特汽车公司投入1 3 8 亿美元，克莱斯勒汽 车公司投8 4 8 0 万美元，进行为期5 年的研制开发工作，并于1 9 9 8 年在北美国际汽 车展上展出了样车。在此基础上，现已推出三款混合动力概念车g mp r e c e p t 、f o r d 武汉理工大学硕士学位论文 p r o d i g y 、d a i m l e rc h r y s l e rd o d g ee s x 3 。目前为止，美国还制定了“p n g v 计划 、 “f r e e d o mc a r 计划 以及“a v p 计划 ，旨在推动电动汽车的发展。 从目前世界范围内的整个形势来看，日本是电动汽车技术发展速度最快的 少数几个国家之一，特别是在混合动力汽车的产品发展方面，日本居世界领先 地位。日本通产省1 9 6 5 年正式把电动车列入国家项目，开始进行电动汽车的研 制。根据日本电动车辆协会的统计，在日本使用的电动汽车1 9 8 9 年为1 0 4 6 辆， 1 9 9 0 年为1 2 7 1 辆，1 9 9 1 年为1 0 3 7 辆，1 9 9 2 年为1 3 0 0 辆。1 9 9 7 年1 2 月，丰田汽车 公司首先在日本市场上推出了世界上第一款批量生产的混合动力轿车p r i u s 。该 轿车于2 0 0 0 年7 月开始出口北美，同年9 月开始出口欧洲，现在已经在全世界2 0 多个国家上市销售。目前推出的产品已经是多次改进后的第二代产品，其生产 工艺更为成熟。根据丰田汽车公司的测试，p r i u s 轿车在城市工况下比同等排量 的花冠轿车节油4 4 4 ；在市郊节油2 9 7 ，综合节油4 0 5 。有关统计数据显示， 丰田汽车公司己占有全球混合动力汽车市场9 0 的份额。2 0 0 4 年9 月1 5 日，一汽 集团与日本丰田汽车公司在北京举行了混合动力汽车合作项目签字仪式，宣布 双方在2 0 0 5 年内，共同生产丰田p r i u s 混合动力轿车。继p r i u s 混合动力轿车之 后j 丰田汽车公司还推出了e s t i m a 混合动力汽车和搭载软混合动力系统的 c r o w n 轿车。丰田汽车公司在普及混合动力系统的低燃耗、低排放和改进行驶 性能方面已经走在了世界的前列。此外，本田汽车公司开发的i n s i g h t 混合动力电 动汽车也已投放市场，供不应求。2 0 0 2 年4 月，本田汽车公司在美国市场上投放 了c i v i c 混合动力汽车。日产汽车公司近日宣布，将于2 0 0 6 年向美国市场销售 a l t i m a 牌混合动力汽车，这是其于2 0 0 2 年与丰田汽车公司签署联合生产混合动力 汽车协议的第一个产品。 在欧洲的其他国家，电动汽车的研究也取得了很大的进展。2 0 世纪9 0 年代以 来，法国汽车制造商已经研制出多种电动汽车，例如雷诺汽车公司研制了一种 名字叫做“z o o n ”的可交轴距微型电动汽车，曾经轰动一时。法国政府非常鼓励 使用电动汽车，使法国电动汽车的发展位居世界前列。2 0 世纪9 0 年代以来，法 国电动汽车得到了迅速的发展。目前，法国已有十余个城市运行电动汽车且有 比较完善的充电站等服务设施，政府机关带头使用电动汽车。2 0 世纪7 0 年代末 期，德国戴姆勒一奔驰汽车公司生产了一批l e 3 0 6 电动汽车，采用铅酸电池，最 高时速为5 0 k m h ，最大爬坡度为1 6 ，原地起步加速n 5 0 k m h 的时间为1 4 s ，续 驶里程可达1 2 0 k m 。德国政府十分重视环境保护，投入大量资金用于电动汽车的 2 武汉理工大学硕士学位论文 研制。1 9 7 1 年，成立了城市电动车交通公司( g e s ) ，积极组织电动车的研究与开 发。1 9 9 4 年德国展示出了1 9 种轿车，1 3 种面包车，4 种大客车，都进入了实用阶 段。 英国是当今世界生产电动汽车较先进和使用最广泛的国家，使用历史已有 5 0 年之久，上个世纪8 0 年代中期英国就有1 2 万辆电动汽车在运行，目前全国已 拥有4 0 万辆电动汽车。瑞士为了防止环境污染，要求在旅游区只能使用电动汽 车，它是欧洲电动汽车使用效益最高的国家之一。意大利为了降低空气污染， 上世纪8 0 年代末建立了电动汽车车队，共投入5 2 辆电动汽车试验，所有车均用 铅酸电池。丹麦、奥地利、捷克、匈牙利等也都在开展电动汽车的研发工作。 中国首辆电动汽车于1 9 6 6 年在上海问世，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，但均因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。在“十五 规 划中被列为国家高科技攻关项目，同时被列为国家“8 6 3 科技攻关项目。在“2 0 0 5 年中国汽车产业发展国际论坛会 上，国家发改委工业司副司长陈斌等有关专 家就“十一五 期间国家对发展汽车产业的相关政策方面的问题发表了讲话。 专家表示，“十一五”期间，发展环保型汽车将得到国家政策的大力支持，同 时，部分重点城市将积极发展电动汽车。据介绍，“十一五期间，国家将继 续在发展节能技术产品、形成高效率、低污染、实用安全的汽车产品结构，促 进新能源技术产品的研究与开发上加大扶持力度。东风汽车公司早在“九五” 期间就已经研制出我国第一台拥有自主知识产权的燃料电池电动汽车 e q 6 7 0 0 f c e v 燃料电池客车。2 0 0 2 年5 月，上海燃料电池系统公司与同济大学 新能源汽车工程中心试制成功“春晖1 号 燃料电池电动汽车。2 0 0 3 年8 月，上 汽集团、同济大学又联合开发了“超越1 号 具有自主知识产权的燃料电池混合 动力轿车。目前国内清华大学，同济大学以及武汉理工大学等，都正在积极研 发电动汽车。 汽车产业的可持续发展战略及我国汽车产业所面临的现状，迫使我们必须 寻求新的发展道路。电动汽车为我国汽车产业提供了一次发展机遇。我国在电 动汽车研发方面呈现出明显的跟进战略特点，与发达国家的科技水平差距不是 很大，所以，我国完全有条件、有可能生产出达到当代国际水平并具有自主知 识产权的电动汽车。面对这一振兴我国汽车产业的巨大机遇，我国必须借鉴国 外经验，集中力量在全国建设1 2 个产业化体系健全，研发、试验、制造水平 3 武汉理工大学硕士学位论文 先进，实力雄厚，具有强大产业竞争力、发展环境良好的电动汽车产业中心城 市，积极参与国际竞争，在竞争中快速发展我国的电动汽车工业。 1 1 2 电动汽车分类及其特点 电动汽车是指全部或者部分由电机驱动的汽车，目前主要分为三种：纯电 动汽车、燃料电池电动汽车和混合动力电动汽车p 】。纯电动汽车是指以车载电源、 蓄电池等为动力，用电机驱动车轮行驶；燃料电池电动汽车是一种可以将燃料 中的化学能直接转化为电能的能量转化装置，它的特点是能量转化效率高，约 是内燃机的2 3 倍，生成物是水，不污染环境，缺点是造价太高，目前仅燃料电 池的价格高达2 0 万元左右；混合动力电动汽车是装有两种或两种以上的储能器、 能源或转换器作驱动能源，其中至少有一种能源能提供电能的汽车，一般说就 是既有内燃机又有电动机驱动的车辆。 电动汽车与常规的内燃机车比较有以下特点1 6 】： ( 1 )能源效率高、多样化：比较原油转化成汽油和原油转化成电的能量 效率。电动汽车的研究表明，其能源效率已超过汽油机汽车，特别是在城市运 行，汽车走走停停，行驶速度不高，电动汽车更加适宜。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，电动汽车在制动过程中，电动机可 自动转化为发电机，实现制动减速时能量的再利用。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：电动汽车无内燃机汽车工作时产生的废气，不产生排气 污染，对环境保护和空气的洁净是十分有益的，有”零污染”的美称，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。众所周知，内 燃机汽车废气中的c o 、n o x 、微粒、臭气等污染物形成酸雨酸雾及光化学烟雾。 ( 3 ) 可使用多种能源：因电动车使用二次电力能源，电动汽车的应用可有 效地减少对石油资源的依赖，可将有限的石油用于更重要的方面。向蓄电池充 电的电力可以由煤炭、天然气、水力、核能、太阳能、风力、潮汐等能源转化。 除此之外，如果夜间向蓄电池充电，还可以避开用电高峰，有利于电网均衡负 4 武汉理工大学硕士学位论文 荷，减少费用。 ( 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。电 动汽车无内燃机产生的噪声，电动机的噪声也较内燃机小。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。噪声对人的听觉、神经、心血管、消化、内分 泌、免疫系统也是有危害的。 ( 5 ) 结构简单，使用维修方便。电动汽车较内燃机汽车结构简单，运转、 传动部件少，维修保养工作量小，当采用交流感应电动机时，电机无需保养维 护，更重要的是电动汽车易操纵。 当然，电动汽车也有缺点需要进一步完善： ( 1 ) 动力电源使用成本高，续驶里程短【7 1 。目前电动汽车尚不如内燃机汽 车技术完善，尤其是动力电源( 电池) 的寿命短，使用成本高。电池的储能量 小，一次充电后行驶里程不理想，电动车的价格较贵。但从发展的角度看，随 着科技的进步，投入相应的人力物力，电动汽车的问题会逐步得到解决。扬长 避短，电动汽车会逐渐普及，其价格和使用成本必然会降低。 ( 2 ) 先期投入大：电动汽车的价格比内燃机汽车高，决定了电动汽车的 初期投入大、费用支出多，但是电动汽车的维修保养费用低，随着使用年限的 延长，其使用费用支出会逐渐降低，甚至会低于内燃机汽车使用成本。 1 1 3 车用动力电池分类及比较 电动汽车的发展不断成熟，但也还有很多问题没有解决，其中主要限制电 动汽车发展的是车用动力蓄电池的比能量、比功率、循环使用寿命低和成本高。 因为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。 目前市场上的动力电池主要有铅酸蓄电池、锂电池、镍氢电池等【引。铅酸蓄 电池至今已有1 0 0 多年的历史。铅酸蓄电池作为传统的蓄电池，它可靠性好、价 格便宜、比功率也基本上能满足电动汽车的动力性要求，广泛用作内燃机汽车 的起动动力源。但它有两大缺点：一是比能量低，所占的质量和体积太大，且 一次充电行驶里程较短；二是使用寿命短，致使它的使用成本过高。同时由于 铅是重金属，存在污染问题。因此，铅酸蓄电池很少用于混合动力电动车的动 5 武汉理工大学硕士学位论文 力源。 锂蓄电池可分为锂离子蓄电池和锂分子( 高聚合物) 蓄电池两种。锂蓄电池具 有体积小、质量能和质量功率高、电压高、高安全性( ，固态) 、无污染性等优点。 锂蓄电池的能量密度( 体积能和质量t i ) 几乎是镍镉蓄电池的1 5 3 倍，也就是说 在同样大d , , t l 量的情况下，锂蓄电池的体积和质量可减小1 3 左右。单元电池的 平均电压为3 6 v ，相当于3 个镍镉或镍氢电池串接起来的电压值。能减少龟池 组合体的数量，从而因单元电池电压差所造成的电池故障的概率可减少许多， 也就是说大大延长了电池组合体的寿命。锂蓄电池相对于镍氢蓄电池，充电时 不用先进行放电( 因锂蓄电池无记忆性) ，给使用带来了极大的方便性，同时也 节省了电能。锂蓄电池还具备自放电低的优点，在非使用状态下贮存，内部几 乎不发生化学反应，相当稳定。锂蓄电池的自放电率仅为5 1 0 。由于锂蓄 电池不含有镉、汞和铅等重金属，因此可以说是绿色的环保电池，被认为是最 有希望的电动车用蓄电池。但目前大容量的锂离子蓄电池技术还没有真正突破， 存在的主要缺点是一致性、安全性差，成本高，技术不成熟；高温性能差，低 温情况下的蓄电池充放电性能差若深度放电或在高温情况下储存或放电，容易 造成容量的不可逆损失等。目前，锂离子蓄电池所面临的主要问题是价格和其 安全性能。锂聚合物蓄电池解决了锂蓄电池的安全性问题，生产成本低于锂离 子蓄电池。但它的比功率较低，快速充电性能差，目前仍属于实验室产品。锂 离子蓄电池虽有重量轻、能量密度高等优点，但其不安全特性和不适合大电流 充电特性，不适合用作混合动力电动车的动力源。 镍氢蓄电池是目前人们看好的第2 代电池之一。是一种取代铅酸蓄电池的 产品。镍氢蓄电池属于碱性电池。与铅酸电池相比，镍氢电池( n i m h ) 放电端电 压对时间的下降梯度更小，因而能放出更多的能量，具有比较高的比能量。镍 氢电池是一种高能量蓄电池，为镍镉电池的1 8 2 倍，为铅酸电池的3 倍；具 有良好的充放电性能，可快充深放；比功率高，在大电流工作时也能平稳放电 ( 加速爬坡能力好) ；低温放电性能好；循环寿命长；安全可靠，免维护；不含 镉、铅、汞等有害物质，避免了二次电池对环境带来的污染，可再生利用。这 些优势使得镍氢电池作为一种车用动力电池广泛应用于电动汽车和混合动力车 辆中【引。日本的丰田公司、本田公司和美国的通用汽车公司、福特汽车公司等生 产的混合电动车所用的辅助动力系统均为镍氢电池。我国在国家8 6 3 电动车专 项中也将镍氢电池列为重点发展的蓄电池。 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 课题来源及研究现状 1 2 1 课题来源 电动汽车承载着我国汽车工业太多的希望，因此，科技部在把它确定为“十 五”8 6 3 重大科技专项时，明确提出要在体制上进行创新，选择“官、产、学、 研 联合攻关的研发模式，整合社会资源，研制具有自主知识产权的电动汽车。 本文正是在湖北省科技攻关和东风汽车公司联合研发的燃料电池电动汽车这一 课题项目下完成的。该课题属于湖北省重大攻关项目( 2 0 0 3 a a l 0 3 b ) “东风爱 丽舍燃料电池电动车”研究项目中的一个分支，主要通过对该电动汽车镍氢电池 荷电状态( s o c ) 的建模与仿真，完成对镍氢电池s o c 的估算。 1 2 2 课题的研究现状 蓄电池的s o c 是不能直接得到的，只能通过对电池外特性电池电压、 电池电流、电池内阻、电池温度等参数的检测来推断s o c 的大小【1 0 以1 1 。以上这 些参数与s o c 的关系随电池老化的过程而改变，这中间含有很多不确定因素， 而且电池的工作状态随着工作环境而改变，这就使得电池的准确建模工作相当 的困难；即使同型号的电池也可能具有不同的特性，要想建立一个统一的模型 也很困难。 目前国内外一般有以下方法估计蓄电池的s o c l l 2 - 1 4 t ：电量累计法、电阻测 量法、开路电压法、模糊逻辑推理和神经网络的方法和恢复效应法等。 电量累计法的基本思想就是把不同电流下的放电电量等效成特定电流下的 放电电量，通过一个加权系数，折合成等效放电电量。通过累积电池在充电或 放电时的电量来估计电池的s o c ，根据电池的温度、放电率对s o c 进行补偿。 这种估算s o c 的方法比较简单，是电动汽车用s o c 测量装置上应用比较普遍的 方法。但在估计电池s o c 时通常未对电池的老化和循环次数进行补偿；根据已 放出的电量得到s o c ，即使对放电效率的不同进行了修正，也不能考虑放电电 流对容量的可恢复性；充放电的效率具有不稳定性，积分得到的s o c 估计存在 较大的误差，并会随着时间的推移其误差越来越大。因此，电量累计法估算的 s o c 其可靠性较低。本文综合电量累计法的优缺点，提出充放电倍率一s o c 的 静态估算方法，根据已放出的电量得到s o c ，既对充放电效率进行修正，又考 7 武汉理工大学硕士学位论文 虑电流对容量的可恢复性。 电阻测量法是用不同频率的交流电激励电池，测量电池内部交流电阻，并 通过电池内阻- - s o c 估算模型计算得到s o c 。利用电阻测量法得到的电池s o c 反映了电池在某特定恒流放电条件下的s o c 值，根据此s o c 判断电池能继续放 出的电量还必须考虑后阶段放电率的实际情况。本文用电阻测量法测得电池内 阻，并用于镍氢电池s o c 动态建模。 。 开路电压法是利用电池的开路电压与电池的放电深度的对应关系，通过测 量电池的开路电压来估计s o c 。开路电压法比较简单，但是不能用于动态的电 池s o c 估计。能用于动态检测的电压测量方法是对电池加一脉冲负载后测出电 池的电压响应来分析和估计电池的s o c 。本文用开路电压法对镍氢电池s o c 静 态建模。 模糊逻辑推理和神经网络是人工智能领域的两个分支，模糊逻辑接近于人 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；神 经网络分布式存储信息，具有很好的自组织、自学习能力。它们共同的特点就 是均采用并行处理结构，均是无模型的预报器，可从系统的输入、输出样本中 获取系统的输入输出关系。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。而且，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。因此当前模糊逻辑方法在国内还停留在实验阶段， 具体应用到车用镍氢电池s o c 估算不现实。 恢复效应法是根据描述电压恢复与时间的关系函数，推算电压在未来长时 间后可能恢复到的稳定值，从而得到电池此时对应的开路电压，进而利用开路 电压与s o c 的线性关系得到电池此时的s o c 。在电池电量监测的研究中，恢复 效应始终被视为阻碍电量监测的不利因素。在使用开路电压法时，不能随时得 到电池开路电压，就是因为电池有恢复效应，电池从负载状态过渡到无负载的 开路状态，随着时间的延长，其电压与时间呈指数关系上升，其上升速度渐慢， 需要较长的时间才能达到稳定。这种方法在镍氢电池的使用初期比较准确，但 是由于镍氢电池的额定容量随着充放电的次数的增多会发生变化；另外，在不 同的放电电流、不同的环境温度的充电情况下充电的额定容量不同，造成s o c 估计误差。 8 武汉理工大学硕士学位论文 本文通过对以上几种传统的s o c 估算法综合对比研究，提出了以下s o c 建 模方法： ( 1 ) 根据实验采集电池的充放电电流、电压和环境温度等数据，由电量 累计法建立充放电倍率一s o c 静态模型，由开路电压法建立开路电压- - s o c 静 态模型，由不同温度下电池的容量建立温度一s o c 的静态数学模型。 ( 2 ) 根据各条件下建立的静态数学模型，综合电阻测量法，建立基于状 态空间的动态数学模型，即在复杂环境下估测电动汽车镍氢电池的s o c 值。 1 3 课题研究意义及内容 1 。3 1 课题研究的意义 在电动汽车的研究和发展上，车用动力镍氢电池的研究占据着重要的位置； 如何有效地利用电池的能量，延长电池的寿命是本课题研究的关键部分。由于 电动汽车行驶的工况复杂，对车用动力电池的影响很大。目前对车用镍氢电池 s o c ( s t a t eo fc h a r g e - - 荷电状态) 估计模型的不合理使电池在使用过程中存在过 充电( s o c 超过8 0 ) 、深放电( s o c 小于2 0 ) 、过放电( s o c 小于0 ) 、充放电 过程的不均衡等导致处于充电较少状态的电池寿命缩短，从而使整个电池包的 寿命缩短f 1 引。因此准确的估计电池s o c 十分必要。好的电池s o c 估算模型不 仅要准确估算s o c ，保证电池工作在合理的工作范围内，防止由于过充电或过 放电对电池的损伤，提高电池使用寿命，而且要对故障电池做出早期预测，防 止因单体电池损坏而未能及时发现造成的整组电池寿命降低，从而降低电动汽 车运用成本，提高车辆效率。因此建立合理的车用动力镍氢电池s o c 估算模型 能产生明显的社会效益和经济效益。 1 3 2 课题研究的内容 本文的主要研究内容是动力镍氢电池s o c 的建模与仿真。根据电池本身特 殊性和s o c 受充放电电流、温度变化、电池寿命、电池内阻、退化等诸多因素 的影响，设计在不同条件下的充放电实验，获取镍氢电池的端电压、充放电电 流、镍氢电池温度、环境温度等数据。通过大量的实验测试数据，研究镍氢电 池充放电过程的模型；探讨测定镍氢电池剩余电量的实用方法；对比不同条件 9 武汉理工大学硕士学位论文 下镍氢电池的充放电特性和环境温度对镍氢电池放电性能的影响。实验建模研 究工作分静态模型和动态模型两个部分。完成的工作如下： ( 1 ) 建立充放电倍率一s o c 静态模型。通过动力镍氢电池s o c 测试系统 按照不同倍率对镍氢电池进行恒流充放电，在充放电过程中记录电池端电 压、充放电电流、电池温度、环境温度等参数。分析镍氢电池在不同倍率 充放电电流时，各项参数对镍氢电池s o c 值的影响，建立充放龟时充放 电倍率一s o c 静态模型，并验证其可靠性。 ( 2 ) 建立开路电压一s o c 静态模型。通过动力镍氢电池s o c 测试系统对 动力镍氢电池循环充放电，测量不同时期开路电压，建立开路电压与动力镍 氢电池s o c 静态模型，并验证其可靠性。 ( 3 ) 建立温度一s o c 静态模型。通过动力镍氢电池s o c 测试系统对动力 镍氢电池恒流充放电，在不同的环境温度下，建立温度与动力镍氢电池s o c 静态模型，并验证其可靠性。 ( 4 ) 建立动态模型。根据动力镍氢电池s o c 与充放电倍率、开路电压及温 度的关系，建立基于状态空间的s o c 动态模型。 ( 5 ) 对动态模型进行仿真。在m a t l a b s i m u l i n k 中对动态s o c 估计模型建 立相应的仿真模型。将仿真结果与镍氢电池s o c 测试平台结果相比较，验 证模型的可靠性。若不准，对动态模型各项参数进行修正。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章镍氢电池荷电状态的研究分析 为了满足电动汽车的需要，蓄电池必须具有高起动性，大容量性能，免维 护特性，高可靠性，高耐久性的特点。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。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，一般情况下，动力电池进行的是频繁地 浅度地充放电循环。在充放电过程中，电压和电流可能有较大变化。 2 1 镍氢电池的工作原理 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，使得镍氢电池和同 体积的镍镉电池相比，容量增加一倍，充放电循环寿命也较长，并且无记忆效 应。镍氢电池正极的活性物质为n i o o h ( 放电时) 和n i ( o h ) ，( 充电时) ，负 极板的活性物质为h ，( 放电时) 和日，o ( 充电时) ，电解液采用3 0 的氢氧化 钾溶液，充放电过程中，正、负极发生的电化学反应如下【1 6 】： 正极 m + 魍2 d + x e 一；删, m h x + x o h 一 ( 2 1 ) 负极 n i ( o h ) 2 + o h 一； 前脱田 n i o o h + h 2 0 + e 一( 2 2 ) 式中m 及m h 分别为贮氢合金和金属氢化物。电池总反应式可表示为： m + x n i ( o h ) 2 ；等慨+ 枷d 阳 ( 2 。3 ) 从方程式看出：充电时，负极析出氢气，贮存在容器中，正极由氢氧化亚 镍变成氢氧化镍( n i o o h ) 和日，0 ：放电时氢气在负极上被消耗掉，正极由 氢氧化镍变成氢氧化亚镍。 过量充电时的电化学反应： 正极4 0 h 一一2 h ，o + 0 2 + 4 e 一 ( 2 4 ) 负极4 m h + 0 2 4 m + 2 h ，o ( 2 5 ) 从方程式看出，蓄电池过量充电时，正极板析出氧气，负极板析出氢气。 武汉理工大学硕士学位论文 由于有催化剂的氢电极面积大，而且氢气能够随时扩散到氢电极表面，因此， 氢气和氧气能够很容易在蓄电池内部再化合生成水，使容器内的气体压力保持 不变，这种再化合的速率很快，可以使蓄电池内部氧气的浓度不超过千分之几。 过放电时，正极上被还原的n i o o h 消耗完，这时日，d 便在镍电极上还原。 电化学反应如下： 正极2 h ，0 + o + 4 e 一呻4 p 抒一 ( 2 6 ) 负极朋h + d 日一+ 4 e 一呻4 0 日一( 2 刀 从以上各反应式可以看出，镍氢电池的化学反应与镍镉电池相似，只是负 极充放电过程中生成物不同，由上述反应步骤可以看出，发生在镍氢电池两个 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，充放电可看作是氢原子从一个电极转移到另一个电极的反复过程。一般采 用负极过量的设计方式。在过充电时，正极上析出的氧在m h 电极上被还原成 水( 消氧反应) ；过放电时，在正极上析出的氢被m h 电极的贮氧合金吸收( 消氢 反应) ，故镍氢电池具有良好的耐过充、过放能力。此外，镍氢电池也可以做成 密封型结构。镍氢电池的电解液多采用k o h 水溶液，并加入少量的l i o h 。隔 膜采用多孔维尼纶无纺布或尼龙无纺布等【r 7 1 。为了防止充电过程后期电池内压 过高，电池中装有防爆装置。 2 2 镍氢电池的充放电特性 在本课题中，采用的蓄电池是由天津和平海湾电源集团有限公司生产的 1 0 j q n f l 2 方形镍氢电池，单体电池电压范围0 8 1 5 v ，工作点一般在1 2 1 4 v 。每1 0 个单体电池串联组成一个电池组，提供电压一般在1 2 v 一1 4 v 。系 统采用2 4 0 个电池组串联构成额定电压2 8 8 v 的电池包，为研制的电动车提供动 力。天津和平海湾电源集团有限公司提供了关于1 2 a h 的镍氢电池的一些特性曲 线。为了更深入理解镍氢电池的工作特性，利用动力电池s o c 测试系统对 1 0 q n f l 2 蓄电池组进行性能测试。 2 2 1 镍氢电池的充电特性 电动汽车上常用的工作电流为1 0 - - - , 3 0 a ，大功率工况下可能达到5 0 a ，甚至 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 是8 0 a 。因此实验中将1 0 个单体镍氢电池串连成电池组，在2 5 室温下对它进 行0 4 c 充电实验( 其中1 c 定义为一个充满电的电池经过1 个小时放电后电量 全部放空的电流速率，这里1 c - - 1 2 a ) ，用s o c 测试系统实时监控镍氢电池电 压及温度变化，得充电曲线如图2 1 所示( 图中实线表示镍氢电池端电压，虚线 表示镍氢电池温度) 。从图中可以看出，在充电开始阶段，电池组端电压迅速上 升，在s o c 值处于2 0 - 8 0 时，电压值变化很平缓，在快要充满时很快上升 接着稍微有些下降。在测试过程中，既检测了电池组端电压，同时也检测了镍 氢电池的温度特性曲线。通过这两个变量对镍氢电池充电过程终止的判断条件 提供了依据。 -， f t ， ， - ， 一， 一一 ，m a p - - 一 - - ， - ， 图2 1 电池充电电压及温度特性曲线 2 2 2 镍氢电池的放电特性 在2 5 室温下，对充满电的镍氢电池组进行0 。5 c 放电特性的实验，用s o c 测试系统实时监控镍氢电池电压及温度变化，得到的放电曲线如图2 2 所示( 图 中实线表示镍氢电池端电压，虚线表示镍氢电池温度) 。从放电曲线可以看出， 镍氢电池的端电压在放电起始阶段下降缓慢，有一段比较长的过渡期，只是在 电池电量接近放尽时，电池的端电压才开始大幅度地下降；而且放电电量随放 电率增加而降低。对于放电过程终止的判断采用了传统的固定终止电压法，即 武汉理工大学硕士学位论文 人为设定放电终止电压1 1 8 】。但在不同放电电流下放电的终止电压不同，一般小 电流放电时，终止电压应规定高些；而大电流放电时，终止电压应规定得低些。 如果设定统一的放电终止电压，为防止电池在任何工况下过放电，这一电压必 定趋于保守( 偏高) ，即大电流放电时会过早终止，影响电池能量的充分利用。因 此这里将电池组放电的终止电压设定在i o v 。 、 、c 7 - 一 - 图2 2 电池放电电压及温度特性曲线 由以上充放电实验可得，镍氢电池充放电过程遵循以下容量判断规则：( 1 ) 在电池充电过程中，若端电压的变化由缓慢上升转向下降趋势，可以认为电池 已充满电；或电池温度对时间的变化梯度超过一定的数值，也可认为电池已充 满电，即s o c - 1 0 0 。此时应停止对镍氢电池充电。( 2 ) 在电池放电过程中， 其端电压在放电起始阶段下降缓慢，只是在电池电量接近放尽时，电池端电压 才开始大幅度地下降，此时可认为电池已放空，即s o c - - 0 。此时应停止对镍 氢电池进行放电。 2 2 3 镍氢电池的自放电特性 镍氢电池的自放电是指电池在储存期问电池容量的下降率，即蓄电池在无 负荷的状态下自行放