蓄電池剩余電量監(jiān)測方法研究解析

1、蓄電池剩余電量監(jiān)測方法研究張肖培，1507811499，機(jī)電學(xué)院1. 摘要蓄電池經(jīng)過百余年的發(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)用在交通運輸、通訊、 電力、鐵路、礦山、港口、國防、計算機(jī)、科研等國民經(jīng)濟(jì)各個領(lǐng)域，社會生產(chǎn)經(jīng)營活動和人類生活中不 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)，實時了解電池能量的關(guān)鍵指標(biāo)。與整個系 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，特別是在電動自行車領(lǐng)域。它采用全密封 防漏設(shè)計，解決了電池失水問題，可免維護(hù)運行，且具有容量大、比

2、能量高、自放電小、使用壽命長、密 封效率高、安全可靠等優(yōu)點。符合動力電池的要求。蓄電池容量檢測的常用方法有蓄電池內(nèi)阻檢測法15安時法9、卡爾曼濾波法10、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)11，12、開路電壓法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2. 蓄電池剩余電量監(jiān)測方法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間或長期擱置不用 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 蓄電池實際完全充滿電的容量；Qb 蓄電池放出電量。充滿電時，SC=l;完全放電時，SC=o。剩余容量可通過下式獲得：Cr = 5 _ Q其中Cm必須通過傳統(tǒng)的離線放電實驗或核對放電法求出來。下面分別介紹目前基于電池電參數(shù)的容量預(yù)測方法。2.2 內(nèi)阻法2.2.1內(nèi)阻測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），通過測量電池內(nèi)阻可較準(zhǔn)確的預(yù)測剩余電量。并且由于蓄電池完全充電（充滿）和完全放電（放完）時，其內(nèi)阻相差（24 ）倍左右，因此用內(nèi)阻法預(yù)測蓄電池剩余電量 有較高的精度。對在線使用的蓄電池來說，內(nèi)阻法還有的優(yōu)點在于，此方法對系 統(tǒng)影響最小，并可在電

4、池的整個使用期內(nèi)精確測量。因此內(nèi)阻法正逐步得到實際 應(yīng)用。接下來介紹內(nèi)阻法的原理過程： 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。為了簡化測量，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)阻測量蓄電池的內(nèi)阻很小，一般為幾微歐至幾毫歐，因此測量線的阻抗就變得不可 忽略，為此將驅(qū)動電流回路和感應(yīng)電壓電路分開，采用四線法測量，原理如下圖 所示，圖中&a

5、mp;為取樣電阻:內(nèi)阻四線測量原理圖測量蓄電池內(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施辦法是：給蓄電池充滿電，然后以常用的放電率對電 池 放電，記錄放電過程中內(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，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、池測量。因此用內(nèi)阻法來預(yù)測蓄電池的剩余電量具有良好實用性。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，但通常必須先測出某一規(guī)格和型號蓄電池的內(nèi)阻一容量曲線，然后采用比較法通過測量內(nèi)阻得知同型號、同規(guī)格蓄電池的剩余容量，通用性比較差，測量過程也相當(dāng)復(fù) 雜。2.3安時（AH積分法安時積分法也叫恒電流放電法，是根據(jù) SOC定義，通過電流對時間的積分 來得到使用的電量，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時刻電池的SOC；SOC to 10時刻電池的SOC;Qo電池額定容量；i t 電流瞬時值，放電取正，充電取負(fù)丄SOC 從t0到t時刻SOC的變化量以上描述的只是理想狀況下估算 SOC的計算式，實際計算中還有一些因 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程中也會有能量損失，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， 在使用過程中電 池組逐漸老化，其有效容量也會逐漸減少。最后還需要考慮

8、溫度的影響：電池組的充放電過程是一個化學(xué)反應(yīng)過程， 必然受溫度的影響，不同溫度條件下電池組 有效容量會發(fā)生變化，也會影響電池組的充放電倍率，因此也需要對溫度因素進(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)基于安時法的蓄電池剩余電量測試技術(shù)能夠在不同放電電流和不同溫度環(huán) 境條件下對蓄電池電荷容量進(jìn)行動態(tài)測試， 具有很好的通用性。然而安時法估算 電池組SOC還存在一些問題：由于安時法估算SOC是一個純積分

9、環(huán)節(jié)，無法確 定SOC初值，如果初始SOC有誤差，那么這個誤差將無法消除。而且電流檢測 也會存在誤差，這個誤差會隨著積分變得越來越大，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)展起來的一種現(xiàn)代濾波方法， 它的一個重要作用在 于系統(tǒng)的狀態(tài)估計。當(dāng)噪聲是正態(tài)分布時， 這種濾波給出了狀態(tài)的最小方差估計， 當(dāng)不是正態(tài)情況時，透種濾波給出了狀態(tài)的線性最小方差估計。 17卡爾里濾波 的目的是在進(jìn)行遞推撼波的同時利用觀側(cè)數(shù)據(jù)提供的信息，不斷地修正狀態(tài)估 計，減小狀態(tài)估計誤差， 卡爾亞濾波算法適用于平穩(wěn)與非平穩(wěn)過程， 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)中實現(xiàn)并做成電且計顯 示電池荷電狀態(tài)，只需要在蓄電池首次使用中對 SOC 進(jìn)行標(biāo)定，并根據(jù)開路電 壓來預(yù)測蓄電池初始容及， 來完成初始化工作， 就可對蓄電他的荷電狀態(tài)進(jìn)時實 時監(jiān)測，根據(jù)輸出不斷地修正 SOC 值，使安時法在長時間內(nèi)都有較高的精度。18這種方法的基本思想是利用前一時刻的估計值和當(dāng)前時刻的測量值，來求 出當(dāng)前時刻的狀態(tài)估計值。2.4 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對于蓄電池來說，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影響， 目前沒有一個確定的數(shù)學(xué)模型來表 示，因而無法確定模糊神

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)對其進(jìn)行建模， 通過實驗數(shù)據(jù)對其進(jìn)行 學(xué)習(xí)訓(xùn)練模型使之最大程度的逼近真實系統(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)可以通過數(shù)據(jù)的訓(xùn)練來自主確定 和更新，因而可以不需要專家的經(jīng)驗和知識對系統(tǒng)進(jìn)行建模，所以 ANFIS 適合 應(yīng)用于對特性不能掌握的復(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)測器的輸出，構(gòu)造個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。通過乘法計算各規(guī)則的激勵強(qiáng)度。第三層，本層輸出稱為歸一化激勵強(qiáng)度。第四層，規(guī)則輸出層。第五層，該節(jié)點通過求和運算出全局輸出。這種其缺點是它只能通過預(yù)設(shè)的參考值來校驗它的準(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，正極平衡電 極電勢與負(fù)極平衡電極電勢的差值， 成為電池電動勢，在數(shù)值上等于電池達(dá)到穩(wěn) 定狀態(tài)時的開

13、路電壓。電解液密度與電池電勢有關(guān)，因此根據(jù)電池電勢也可估算 電池電量，這就是開路電壓法的基礎(chǔ)，對于測試穩(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。這種方法的缺點于隨著電池 老化、剩余電量下降時，開路電壓變化不明顯。因此也就無法準(zhǔn)確預(yù)測剩余電量。 另外開同時此方法明顯地不適合于在電動汽車中使用，因為在行駛中蓄電他很少處于開路狀態(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，都有各自優(yōu)點與缺點。除了這些方法之外， 還有一些直接利用大量數(shù)據(jù)動態(tài)建模計算剩余電量如文獻(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直接測量的方 法，本文沒有詳細(xì)介紹方法應(yīng)用場合優(yōu)點缺點內(nèi)阻法所有電池系統(tǒng)誤差較小，良好 的重復(fù)性需要測出某一規(guī)格和型號 蓄電池的內(nèi)阻一容量曲線 通用性比較差安時積分法所有電池系統(tǒng)在線測量，方法 簡單取決于電流測量精確性，否 則誤差較大卡爾曼濾波 法所有電池系統(tǒng)在線測量，方法 簡單需要大量計算，需要準(zhǔn)確的 模型人工神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)所有電池系統(tǒng)在線測量需要大量數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練開路電壓法鉛酸蓄電池、鋰 電池等在線測量，方法 簡單，成本低動態(tài)性能低，不適合于在電 動汽車中4 參考文獻(xiàn)1 高明裕，張紅巖，蓄電池剩余電量在線測量，電測與儀表，20002 李福

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