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，機電學院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電源，應用在交通運輸、通訊、 電力、鐵路、礦山、港口、國防、計算機、科研等國民經(jīng)濟各個領域，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鍵指標。與整個系 統(tǒng)的可靠性密切相關 ，蓄電池剩余電量越多，系統(tǒng)可靠性越高，否則則相反。目前，鉛酸蓄電池的技術比 較成熟，并且新推岀的密封閥控式免維護鉛酸蓄電池應用較廣，特別是在電動自行車領域。它采用全密封 防漏設計，解決了電池失水問題，可免維護運行，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阻檢測法15安時法9、卡爾曼濾波法10、人工神經(jīng)網(wǎng)絡11，12、開路電壓法13，14。本文將其匯總、比較。關鍵詞：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，常用百分數(shù)表示。SOC目前較為常用數(shù)學的定義為：足=（Cm - Qb ） / Cm其中SC為電

3、池當前荷電狀態(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)的容量預測方法。2.2 內阻法2.2.1內阻測量法原理蓄電池的內阻與電荷程度之間有較高的相關性（0.88左右），通過測量電池內阻可較準確的預測剩余電量。并且由于蓄電池完全充電（充滿）和完全放電（放完）時，其內阻相差（24 ）倍左右，因此用內阻法預測蓄電池剩余電量 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、池的整個使用期內精確測量。因此內阻法正逐步得到實際 應用。接下來介紹內阻法的原理過程： 電池等效模型：蓄電池交流等效Z阻抗模型圖中 R、& 正、負電極的極化電阻；C,、C2 為正、負電極的極化電容;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 氏之間呈線性關系。 故可用R間接的表征電池荷電程度。152.2.2四線法內阻測量蓄電池的內阻很小，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，為此將驅動電流回路和感應電壓電路分開，采用四線法測量，原理如下圖 所示，圖中&a

5、mp;為取樣電阻:內阻四線測量原理圖測量蓄電池內阻的方法是：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 ，間的關系如下圖所示從）有圖知:VisR = ZcosvR即為需要獲取的蓄電池內阻蓄電池內阻與剩余電量的關系曲線如圖所示內阻/MQ蓄電池內阻與剩余電量之間的關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，記錄放電過程中內阻與電量的大小。當蓄電池放電完畢（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 內阻之間的關系。從理論上說，只要調整電流源幅度，內阻法可適用于各種容量的蓄電

6、池測量。因此用內阻法來預測蓄電池的剩余電量具有良好實用性。但是內阻法有自己的缺陷，內阻法是根據(jù)蓄電池內阻與蓄電池的容量有著更為確定的關系，但通常必須先測出某一規(guī)格和型號蓄電池的內阻一容量曲線，然后采用比較法通過測量內阻得知同型號、同規(guī)格蓄電池的剩余容量，通用性比較差，測量過程也相當復 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反應過程， 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 行修正?；谏鲜鲆蛩氐目紤]，可以得到更準確的 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 的目的是在進行遞推撼波的同時利用觀側數(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構， 它只需要記住前一步的

10、估計結果， 由 此大大減少了存貯器的使用量， 算法上易于在單片機系統(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 進行標定，并根據(jù)開路電 壓來預測蓄電池初始容及， 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前時刻的測量值，來求 出當前時刻的狀態(tài)估計值。2.4 人工神經(jīng)網(wǎng)絡對于蓄電池來說，影響其 SOC 的因素很復雜，環(huán)境溫度、放電電流、制造 工藝、內阻、 劣化程度等諸多因素都會影響， 目前沒有一個確定的數(shù)學模型來表 示，因而無法確定模糊神

11、經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)的隸度函數(shù)的參數(shù)以及模糊規(guī)則后件的參 數(shù)，因此可以用自適應神經(jīng)網(wǎng)絡模糊系統(tǒng)對其進行建模， 通過實驗數(shù)據(jù)對其進行 學習訓練模型使之最大程度的逼近真實系統(tǒng)。ANFIS 是一種自適應神經(jīng)網(wǎng)絡，具有神經(jīng)網(wǎng)絡的學習能力，而在功能又與 模糊推理系統(tǒng)等效， 其隸度函數(shù)參數(shù)和結論參數(shù)可以通過數(shù)據(jù)的訓練來自主確定 和更新，因而可以不需要專家的經(jīng)驗和知識對系統(tǒng)進行建模，所以 ANFIS 適合 應用于對特性不能掌握的復雜系統(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 ， 內阻R，溫度T.,以蓄電池的荷電狀態(tài)SOC作為模糊預測器的輸出，構造個四輸入一輸出的自適應神經(jīng)

12、網(wǎng)絡模糊推理系統(tǒng)模糊預測器。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)則的激勵強度。第三層，本層輸出稱為歸一化激勵強度。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設的參考值來校驗它的準確性，誤差非常依賴神 經(jīng)網(wǎng)絡的結構、訓練數(shù)據(jù)和訓練的方法。2.5開路電壓法（OCAS）據(jù)電化學理論，在蓄電池中化學能與電能的轉換達到平衡時，正極平衡電 極電勢與負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，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，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。因此也就無法準確預測剩余電量。 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19,20，或建立非線性曲線關系如

14、2122,或利用傳感器2325、芯片26、單片機27,28直接測量的方 法，本文沒有詳細介紹方法應用場合優(yōu)點缺點內阻法所有電池系統(tǒng)誤差較小，良好 的重復性需要測出某一規(guī)格和型號 蓄電池的內阻一容量曲線 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，需要準確的 模型人工神經(jīng)網(wǎng) 絡所有電池系統(tǒng)在線測量需要大量數(shù)據(jù)進行訓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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