蓄電池剩余電量監(jiān)測(cè)方法研究解析

1、蓄電池剩余電量監(jiān)測(cè)方法研究張肖培，1507811499，機(jī)電學(xué)院1. 摘要蓄電池經(jīng)過(guò)百余年的發(fā)展與完善已成為世界上廣泛使用的一種化學(xué)電源，應(yīng)用在交通運(yùn)輸、通訊、 電力、鐵路、礦山、港口、國(guó)防、計(jì)算機(jī)、科研等國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域，社會(huì)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)和人類生活中不 可缺少的產(chǎn)品。而蓄電池的荷電量是電池管理系統(tǒng)的重要參數(shù)，實(shí)時(shí)了解電池能量的關(guān)鍵指標(biāo)。與整個(gè)系 統(tǒng)的可靠性密切相關(guān) ，蓄電池剩余電量越多，系統(tǒng)可靠性越高，否則則相反。目前，鉛酸蓄電池的技術(shù)比 較成熟，并且新推岀的密封閥控式免維護(hù)鉛酸蓄電池應(yīng)用較廣，特別是在電動(dòng)自行車領(lǐng)域。它采用全密封 防漏設(shè)計(jì)，解決了電池失水問(wèn)題，可免維護(hù)運(yùn)行，且具有容量大、比

2、能量高、自放電小、使用壽命長(zhǎng)、密 封效率高、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。符合動(dòng)力電池的要求。蓄電池容量檢測(cè)的常用方法有蓄電池內(nèi)阻檢測(cè)法15安時(shí)法9、卡爾曼濾波法10、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)11，12、開(kāi)路電壓法13，14。本文將其匯總、比較。關(guān)鍵詞：蓄電池 荷電量 剩余電量的監(jiān)測(cè)2. 蓄電池剩余電量監(jiān)測(cè)方法2.1剩余電量SOC定義蓄電池荷電狀態(tài)（SOC）描述電池剩余電量的數(shù)量。SOC全稱是State ofCharge，荷電狀態(tài)，也叫剩余電量，代表的是電池使用一段時(shí)間或長(zhǎng)期擱置不用 后的剩余容量與其完全充電狀態(tài)的容量的比值，常用百分?jǐn)?shù)表示。SOC目前較為常用數(shù)學(xué)的定義為：足=（Cm - Qb ） / Cm其中SC為電

3、池當(dāng)前荷電狀態(tài)；C m 蓄電池實(shí)際完全充滿電的容量；Qb 蓄電池放出電量。充滿電時(shí)，SC=l;完全放電時(shí)，SC=o。剩余容量可通過(guò)下式獲得：Cr = 5 _ Q其中Cm必須通過(guò)傳統(tǒng)的離線放電實(shí)驗(yàn)或核對(duì)放電法求出來(lái)。下面分別介紹目前基于電池電參數(shù)的容量預(yù)測(cè)方法。2.2 內(nèi)阻法2.2.1內(nèi)阻測(cè)量法原理蓄電池的內(nèi)阻與電荷程度之間有較高的相關(guān)性（0.88左右），通過(guò)測(cè)量電池內(nèi)阻可較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)剩余電量。并且由于蓄電池完全充電（充滿）和完全放電（放完）時(shí)，其內(nèi)阻相差（24 ）倍左右，因此用內(nèi)阻法預(yù)測(cè)蓄電池剩余電量 有較高的精度。對(duì)在線使用的蓄電池來(lái)說(shuō)，內(nèi)阻法還有的優(yōu)點(diǎn)在于，此方法對(duì)系 統(tǒng)影響最小，并可在電

4、池的整個(gè)使用期內(nèi)精確測(cè)量。因此內(nèi)阻法正逐步得到實(shí)際 應(yīng)用。接下來(lái)介紹內(nèi)阻法的原理過(guò)程： 電池等效模型：蓄電池交流等效Z阻抗模型圖中 R、& 正、負(fù)電極的極化電阻；C,、C2 為正、負(fù)電極的極化電容;L 為引線電感；R 為電池歐姆電阻蓄電池歐姆電阻R表征了電池的荷電程度。為了簡(jiǎn)化測(cè)量，通常從等效 阻抗Z中僅分離純電阻R （R由R、&、勺組成），R和 氏之間呈線性關(guān)系。 故可用R間接的表征電池荷電程度。152.2.2四線法內(nèi)阻測(cè)量蓄電池的內(nèi)阻很小，一般為幾微歐至幾毫歐，因此測(cè)量線的阻抗就變得不可 忽略，為此將驅(qū)動(dòng)電流回路和感應(yīng)電壓電路分開(kāi)，采用四線法測(cè)量，原理如下圖 所示，圖中&a

5、mp;為取樣電阻:內(nèi)阻四線測(cè)量原理圖測(cè)量蓄電池內(nèi)阻的方法是：在畜電池兩端施加一恒定的電流源is，然后檢測(cè)電池端電壓 V以及i0和V兩者的夾角，三者之R ，間的關(guān)系如下圖所示從）有圖知:VisR = ZcosvR即為需要獲取的蓄電池內(nèi)阻蓄電池內(nèi)阻與剩余電量的關(guān)系曲線如圖所示內(nèi)阻/MQ蓄電池內(nèi)阻與剩余電量之間的關(guān)系目前此方法的具體實(shí)施辦法是：給蓄電池充滿電，然后以常用的放電率對(duì)電 池 放電，記錄放電過(guò)程中內(nèi)阻與電量的大小。當(dāng)蓄電池放電完畢（密度 降到正常情況下需要充電的密度值），就可獲得完整的放電曲線，即剩余電量與蓄電池 內(nèi)阻之間的關(guān)系。從理論上說(shuō)，只要調(diào)整電流源幅度，內(nèi)阻法可適用于各種容量的蓄電

6、池測(cè)量。因此用內(nèi)阻法來(lái)預(yù)測(cè)蓄電池的剩余電量具有良好實(shí)用性。但是內(nèi)阻法有自己的缺陷，內(nèi)阻法是根據(jù)蓄電池內(nèi)阻與蓄電池的容量有著更為確定的關(guān)系，但通常必須先測(cè)出某一規(guī)格和型號(hào)蓄電池的內(nèi)阻一容量曲線，然后采用比較法通過(guò)測(cè)量?jī)?nèi)阻得知同型號(hào)、同規(guī)格蓄電池的剩余容量，通用性比較差，測(cè)量過(guò)程也相當(dāng)復(fù) 雜。2.3安時(shí)（AH積分法安時(shí)積分法也叫恒電流放電法，是根據(jù) SOC定義，通過(guò)電流對(duì)時(shí)間的積分 來(lái)得到使用的電量，是應(yīng)用在電池管理中最廣的方法。從 t0刻到t時(shí)刻電量變化tQ t i t dtt0從而得到：tJ i(t)dtSOC t 二 SOC t° - 上100% = SOC t° - S

7、OCQ0描述，其中SOC t 初始t時(shí)刻電池的SOC；SOC to 10時(shí)刻電池的SOC;Qo電池額定容量；i t 電流瞬時(shí)值，放電取正，充電取負(fù)丄SOC 從t0到t時(shí)刻SOC的變化量以上描述的只是理想狀況下估算 SOC的計(jì)算式，實(shí)際計(jì)算中還有一些因 素需要考慮。佝首先需要考慮不同電流的影響：在不同的充電（放電）電流條件下， 電池組可以充入（放出）的有效容量是不同的，即充放電效率問(wèn)題。其次需要考慮 電池組自放電及健康狀況的影響：電池組即使在靜置過(guò)程中也會(huì)有能量損失，即 電池組的自放電影響，而且電池組的充放電循環(huán)壽命是有限的， 在使用過(guò)程中電 池組逐漸老化，其有效容量也會(huì)逐漸減少。最后還需要考慮

8、溫度的影響：電池組的充放電過(guò)程是一個(gè)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程， 必然受溫度的影響，不同溫度條件下電池組 有效容量會(huì)發(fā)生變化，也會(huì)影響電池組的充放電倍率，因此也需要對(duì)溫度因素進(jìn) 行修正?；谏鲜鲆蛩氐目紤]，可以得到更準(zhǔn)確的 SOC估算公式：tf kLk|kTi （t ）dtSOC t 二 SOC to - 上100% = SOC to - SOC式中：kL 電池組老化系數(shù)kI 充放電倍率系數(shù)& 溫度系數(shù)基于安時(shí)法的蓄電池剩余電量測(cè)試技術(shù)能夠在不同放電電流和不同溫度環(huán) 境條件下對(duì)蓄電池電荷容量進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試， 具有很好的通用性。然而安時(shí)法估算 電池組SOC還存在一些問(wèn)題：由于安時(shí)法估算SOC是一個(gè)純積分

9、環(huán)節(jié)，無(wú)法確 定SOC初值，如果初始SOC有誤差，那么這個(gè)誤差將無(wú)法消除。而且電流檢測(cè) 也會(huì)存在誤差，這個(gè)誤差會(huì)隨著積分變得越來(lái)越大，最后將不可忽略。2.3 卡爾曼濾波法卡爾曼濾波是 60 年代發(fā)展起來(lái)的一種現(xiàn)代濾波方法， 它的一個(gè)重要作用在 于系統(tǒng)的狀態(tài)估計(jì)。當(dāng)噪聲是正態(tài)分布時(shí)， 這種濾波給出了狀態(tài)的最小方差估計(jì)， 當(dāng)不是正態(tài)情況時(shí)，透種濾波給出了狀態(tài)的線性最小方差估計(jì)。 17卡爾里濾波 的目的是在進(jìn)行遞推撼波的同時(shí)利用觀側(cè)數(shù)據(jù)提供的信息，不斷地修正狀態(tài)估 計(jì)，減小狀態(tài)估計(jì)誤差， 卡爾亞濾波算法適用于平穩(wěn)與非平穩(wěn)過(guò)程， 并且具有遞 推性，但又不同于其他的遞歸濾波器結(jié)構(gòu)， 它只需要記住前一步的

10、估計(jì)結(jié)果， 由 此大大減少了存貯器的使用量， 算法上易于在單片機(jī)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)并做成電且計(jì)顯 示電池荷電狀態(tài)，只需要在蓄電池首次使用中對(duì) SOC 進(jìn)行標(biāo)定，并根據(jù)開(kāi)路電 壓來(lái)預(yù)測(cè)蓄電池初始容及， 來(lái)完成初始化工作， 就可對(duì)蓄電他的荷電狀態(tài)進(jìn)時(shí)實(shí) 時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)輸出不斷地修正 SOC 值，使安時(shí)法在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)都有較高的精度。18這種方法的基本思想是利用前一時(shí)刻的估計(jì)值和當(dāng)前時(shí)刻的測(cè)量值，來(lái)求 出當(dāng)前時(shí)刻的狀態(tài)估計(jì)值。2.4 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)于蓄電池來(lái)說(shuō)，影響其 SOC 的因素很復(fù)雜，環(huán)境溫度、放電電流、制造 工藝、內(nèi)阻、 劣化程度等諸多因素都會(huì)影響， 目前沒(méi)有一個(gè)確定的數(shù)學(xué)模型來(lái)表 示，因而無(wú)法確定模糊神

11、經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的隸度函數(shù)的參數(shù)以及模糊規(guī)則后件的參 數(shù)，因此可以用自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行建模， 通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行 學(xué)習(xí)訓(xùn)練模型使之最大程度的逼近真實(shí)系統(tǒng)。ANFIS 是一種自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，具有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)能力，而在功能又與 模糊推理系統(tǒng)等效， 其隸度函數(shù)參數(shù)和結(jié)論參數(shù)可以通過(guò)數(shù)據(jù)的訓(xùn)練來(lái)自主確定 和更新，因而可以不需要專家的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模，所以 ANFIS 適合 應(yīng)用于對(duì)特性不能掌握的復(fù)雜系統(tǒng)的建模。ANFIS 模型的輸入?yún)?shù)確定為以蓄電池的放電電流 i 和蓄電池的端電壓 u ， 內(nèi)阻R，溫度T.,以蓄電池的荷電狀態(tài)SOC作為模糊預(yù)測(cè)器的輸出，構(gòu)造個(gè)四輸入一輸出的自適應(yīng)神經(jīng)

12、網(wǎng)絡(luò)模糊推理系統(tǒng)模糊預(yù)測(cè)器。如下圖：!N£電 流由-.£XX 丁 |T 二二S7穹層五層四層三層二層一第一層，這一層是輸入層也是模糊化層，也稱為隸度函數(shù)層。第二層，乘積層。通過(guò)乘法計(jì)算各規(guī)則的激勵(lì)強(qiáng)度。第三層，本層輸出稱為歸一化激勵(lì)強(qiáng)度。第四層，規(guī)則輸出層。第五層，該節(jié)點(diǎn)通過(guò)求和運(yùn)算出全局輸出。這種其缺點(diǎn)是它只能通過(guò)預(yù)設(shè)的參考值來(lái)校驗(yàn)它的準(zhǔn)確性，誤差非常依賴神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)、訓(xùn)練數(shù)據(jù)和訓(xùn)練的方法。2.5開(kāi)路電壓法（OCAS）據(jù)電化學(xué)理論，在蓄電池中化學(xué)能與電能的轉(zhuǎn)換達(dá)到平衡時(shí)，正極平衡電 極電勢(shì)與負(fù)極平衡電極電勢(shì)的差值， 成為電池電動(dòng)勢(shì)，在數(shù)值上等于電池達(dá)到穩(wěn) 定狀態(tài)時(shí)的開(kāi)

13、路電壓。電解液密度與電池電勢(shì)有關(guān)，因此根據(jù)電池電勢(shì)也可估算 電池電量，這就是開(kāi)路電壓法的基礎(chǔ)，對(duì)于測(cè)試穩(wěn)定狀態(tài)下的SOC有很高的精度，但是只適用于SOC隨OCV變化明顯的蓄電池。這種方法的缺點(diǎn)于隨著電池 老化、剩余電量下降時(shí)，開(kāi)路電壓變化不明顯。因此也就無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)剩余電量。 另外開(kāi)同時(shí)此方法明顯地不適合于在電動(dòng)汽車中使用，因?yàn)樵谛旭傊行铍娝苌偬幱陂_(kāi)路狀態(tài)。3. 總結(jié)與展望由以上的蓄電池剩余電量監(jiān)測(cè)分析可以看出：本文所用的確定剩余電量的 間接方法是有效的、可行的。同時(shí)，都有各自優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)。除了這些方法之外， 還有一些直接利用大量數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)建模計(jì)算剩余電量如文獻(xiàn)19,20，或建立非線性曲線關(guān)系如

14、2122,或利用傳感器2325、芯片26、單片機(jī)27,28直接測(cè)量的方 法，本文沒(méi)有詳細(xì)介紹方法應(yīng)用場(chǎng)合優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)內(nèi)阻法所有電池系統(tǒng)誤差較小，良好 的重復(fù)性需要測(cè)出某一規(guī)格和型號(hào) 蓄電池的內(nèi)阻一容量曲線 通用性比較差安時(shí)積分法所有電池系統(tǒng)在線測(cè)量，方法 簡(jiǎn)單取決于電流測(cè)量精確性，否 則誤差較大卡爾曼濾波 法所有電池系統(tǒng)在線測(cè)量，方法 簡(jiǎn)單需要大量計(jì)算，需要準(zhǔn)確的 模型人工神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)所有電池系統(tǒng)在線測(cè)量需要大量數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練開(kāi)路電壓法鉛酸蓄電池、鋰 電池等在線測(cè)量，方法 簡(jiǎn)單，成本低動(dòng)態(tài)性能低，不適合于在電 動(dòng)汽車中4 參考文獻(xiàn)1 高明裕，張紅巖，蓄電池剩余電量在線測(cè)量，電測(cè)與儀表，20002 李福

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