鋰電池管理系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn) ― 鋰電池的原理特性及剩余電量研究

蓄電池的放電過(guò)程是個(gè)復(fù)雜的電化學(xué)變化過(guò)程，蓄電池的剩余容量受到電池溫度、放電率、自放電、充放電循環(huán)次數(shù)等多種因素的影響，使得對(duì)于剩余容量的估算十分困難。當(dāng)電池放電時(shí)，以下的一些因素將會(huì)給電池的實(shí)際剩余容量帶來(lái)主要的影響。

(1)放電率。放電電流直接影響放電終止電壓。在規(guī)定的放電終止電壓下，放電電流越大，電池所能放出的電量越小。

(2)電池溫度對(duì)容量的影響。電池溫度對(duì)其容量影響較大。這是因?yàn)殡S著電池溫度升高，極板活性物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)逐步改善，因此放電時(shí)較高的電池溫度會(huì)使電池放出更多的電量。

但充電時(shí)過(guò)高的溫度會(huì)使更多的氧氣析出，電極電壓更容易達(dá)到最大值，反而會(huì)降低充電效果。

(3)自放電率。電池在貯存期間，由于電池內(nèi)雜質(zhì)的作用，如正極活性的金屬離子與負(fù)極活性物質(zhì)組成微電池，發(fā)生負(fù)極金屬溶解與氫氣析出。又如溶液中從正極板溶解的雜質(zhì)，若其標(biāo)準(zhǔn)電極電位介于正極與負(fù)極標(biāo)準(zhǔn)電極電位之間，則會(huì)被正極氧化，又會(huì)被負(fù)極還原。

所以有害雜質(zhì)的存在，使正極和負(fù)極的活性物質(zhì)被逐漸消耗，從而造成電池容量損失，這種現(xiàn)象稱為自放電。

(4)壽命。電池經(jīng)歷一次充電和放電稱為一次循環(huán)或一個(gè)周期。在一定放電條件下電池工作至某一規(guī)定容量值之前，電池所能承受的循環(huán)次數(shù)，稱為循環(huán)壽命。對(duì)于鋰離子電池，隨電池壽命的變化，電池容量也會(huì)發(fā)生變化。

2.2剩余容量估計(jì)常用方法

簡(jiǎn)介在剩余容量估計(jì)中常用的方法一般有：

1.開(kāi)路電壓測(cè)量法。

利用電池的開(kāi)路電壓與電池放電深度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)測(cè)量電池的開(kāi)路電壓來(lái)估算SOC.對(duì)于鋰離子電池其開(kāi)路電壓與它的SOC有一定的正比關(guān)系，可以用這種方法較為直接的得到電池的SOC.開(kāi)路電壓法比較簡(jiǎn)單，但是充放電進(jìn)行的過(guò)程中開(kāi)路電壓是無(wú)法檢測(cè)到的，因此這種方法不能用于動(dòng)態(tài)估算電池的SOC。

2.電量累積法(安時(shí)積分法)。

電量累積法的直觀表達(dá)式是：蓄電池的剩余電量=(總電量)-(已放出的電量)。這里，我們不用去研究相對(duì)較為復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)及電池內(nèi)部各參數(shù)之間的關(guān)系，而把電池看作為一個(gè)封閉系統(tǒng)，僅關(guān)注系統(tǒng)的外部特征。這樣，在電量監(jiān)測(cè)中，將進(jìn)出電池這個(gè)封閉系統(tǒng)的電量進(jìn)行累加，通過(guò)累積電池在充電或放電過(guò)程中的電量來(lái)估測(cè)電池的SOC.同時(shí)，根據(jù)電池的溫度、放電率對(duì)SOC進(jìn)行補(bǔ)償。放電容量和放電電流是密切相關(guān)的，當(dāng)電池以某一電流放電到截止電壓后，并不意味著剩余容量已經(jīng)為零，此時(shí)，如果改用稍小的電流繼續(xù)放電，則仍能放出一部分的電量，所以在提供剩余容量預(yù)測(cè)的同時(shí)必須給出放電電流的大小。電量累計(jì)法(安時(shí)積分法)采用積分法實(shí)時(shí)計(jì)算充入電池和從電池放出的電量，對(duì)電池的電量進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的記錄和監(jiān)測(cè)，這樣可以和滿電量進(jìn)行任意時(shí)刻下的比較，從而就能得到對(duì)應(yīng)于該時(shí)刻的剩余電量。該方法實(shí)現(xiàn)起來(lái)較簡(jiǎn)單，受電池本身情況的限制小，宜于發(fā)揮微機(jī)監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)。但是用安時(shí)法得到的SOC估計(jì)，會(huì)隨著時(shí)間的推移其誤差越來(lái)越大。

3.測(cè)量?jī)?nèi)阻法。

這一方法是由日本的CHUGOKU Electric Power Co.Inc.提出用于混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)蓄電池荷電狀態(tài)SOC的檢測(cè)。該方法用不同頻率的交流電激勵(lì)電池，并測(cè)量電池內(nèi)部的交流電阻，然后，通過(guò)建立的計(jì)算模型得到SOC估計(jì)值。應(yīng)指出，該方法得到的電池荷電狀態(tài)反映了電池在某特定恒流放電條件下的SOC值。這種方法實(shí)現(xiàn)比較困難，因?yàn)殡姵氐墓ぷ鳁l件對(duì)電池的內(nèi)阻影響很大，內(nèi)阻的計(jì)算需要考慮電動(dòng)勢(shì)的大小、端電壓、放電電流值，用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)方法很難建模。因此，在電池管理系統(tǒng)中較少應(yīng)用這種方法來(lái)確定電池的荷電狀態(tài)。

4.建立蓄電池的數(shù)學(xué)模型。

主要做法是通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得電池?cái)?shù)據(jù)(整個(gè)電池組的電壓和電流)，建立電池的多輸入——單輸出的線性模型，通過(guò)系統(tǒng)辨識(shí)的方法，得出電池的動(dòng)態(tài)模型參數(shù)，利用此實(shí)驗(yàn)建模的研究結(jié)果，探討實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池SOC估算的修正方法。

5.模糊推理和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法。模糊邏輯推理和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是人工智能領(lǐng)域的兩個(gè)分支，它們共同的特點(diǎn)就是均采用并行處理結(jié)構(gòu)，均是無(wú)模型的預(yù)報(bào)器，可從系統(tǒng)的輸入、輸出樣本中獲取系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系。在蓄電池剩余容量的預(yù)測(cè)中，考慮到影響電池狀態(tài)的因素很多，系統(tǒng)模型難以建立的問(wèn)題，用模糊邏輯推理和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法來(lái)判斷電池的荷電狀態(tài)一直是研究的熱點(diǎn)。這些復(fù)雜算法在單片機(jī)系統(tǒng)上難以實(shí)現(xiàn)，所以在實(shí)際應(yīng)用中還不多見(jiàn)，但這是未來(lái)發(fā)展的方向。

2.3本電池管理系統(tǒng)所采用方案

由以上分析可知，電池容量的估算方法有很多，不同的SOC估算方法各有其特點(diǎn)，本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析，得出了適合鋰離子電池的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，采用安時(shí)積分法和開(kāi)路電壓測(cè)量法相結(jié)合的方案。

應(yīng)用安時(shí)積分法對(duì)工作狀態(tài)中的鋰電池剩余容量進(jìn)行計(jì)算。其基本思想是把不同電流下的放電電量等效成某個(gè)特定電流下的放電電量，再根據(jù)剩余電量來(lái)判定SOC.等效放電電量公式如下：

式中：t：充放電時(shí)間;

λ：不同充放電的系數(shù);

i：充放電電流。

式中：0C是電池以標(biāo)定的電流恒流放電所具有的容量。

在安時(shí)積分法中由于電池自放電和充放電效率的問(wèn)題，誤差不斷積累、SOC估計(jì)值最終可能?chē)?yán)重偏離實(shí)際值，尚未找到根本性的解決方案。

除了利用安時(shí)積分法記錄電池的容量變化外。通過(guò)試驗(yàn)，在每次系統(tǒng)上電時(shí)根據(jù)電池?cái)嚯姇r(shí)間，及其上電時(shí)的開(kāi)路電壓對(duì)當(dāng)前SOC做一定的修正，即補(bǔ)償。對(duì)電池的補(bǔ)償需要對(duì)其管理的電池有一定的先驗(yàn)性認(rèn)識(shí)。這種做法雖然比較復(fù)雜。但卻被認(rèn)為是實(shí)際電池能量管理系統(tǒng)中較為有效的一種做法。鋰離子電池的端電壓在其充放電過(guò)程中變化較大。所以，我們無(wú)法在運(yùn)行過(guò)程中利用端電壓估計(jì)電池的剩余容量。但是，當(dāng)電池?cái)嚯姾?即靜止后)，其端電壓隨著時(shí)間的延長(zhǎng)會(huì)逐漸趨于穩(wěn)定，這時(shí)的端電壓與其容量的關(guān)系較為明確。電池停放的時(shí)間越長(zhǎng)，端電壓越能表征其內(nèi)部容量?；诖耍梢钥紤]將電池的停放時(shí)間t作為參數(shù)，在電池停放前的容量0 SOC與電池穩(wěn)定后其端電壓所表征的容量SOC1做一定的加權(quán)，如下式：

式中：T：電池端電壓穩(wěn)定所需的時(shí)間;

t：電池停放時(shí)間(即兩次使用的間隔時(shí)間);

SOC0 ：電池停放前的剩余容量;

SOC1：電池穩(wěn)定時(shí)其端電壓標(biāo)志的剩余容量。

理論上來(lái)說(shuō)，T是一個(gè)無(wú)窮長(zhǎng)的時(shí)間。但在實(shí)際應(yīng)用中，一般認(rèn)為其端電壓變化率小于一定值的時(shí)候端電壓即是穩(wěn)定的。電池穩(wěn)定后其端電壓所表征的容量1 SOC可由電池供應(yīng)商提供的電池參數(shù)確定，本電池管理系統(tǒng)所管理鋰電池為雷天公司的90AH動(dòng)力鋰電池，參數(shù)如下圖所示：