混合动力电动车用镍氢电池组管理系统的分析

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1、哈尔滨工业大学工学硕士学位论文另外，法国的sAFT公司自1992年起也进行砸V用方形MH-Ni电池的研制，并且在1999年投入生产。德国的VARTA公司自80年代末就研制HEV用MH-Ni电池，其比功率可以达到200W／kg和550W／L。日本的汤浅、古河、东北电力公司，韩国的现代汽车公司，中国的香港金山公司、天津和平海湾电源公司都致力于HEV用动力型MH-Ni电池的开发。据日本野村综合研究所分析，MH—Ni电池由于技术趋于成熟，在今后的5～lO年内，HEV所用电池将以MH-Ni电池为主[291。综上所述，动力型MH-Ni电池已经成为HE

2、V用电池的首选电池。因此，大力发展和改进动力型MH-Ni电池并促进其批量生产对实现HEV的商品化具有重要的战略意义。1．3HEV用电池管理系统的研究HEV用电池管理系统的主要任务是实时检测电池组工作时的电压、电流、温度等信号，同时根据检测的信号通过一定的算法求出电池荷电状态，并查找充电时电压最大和放电时电压最低的电池，避免电池过充电和过放电，保证电池连续正常工作。目前对电池信号检测基本上是通过硬件设计来实现，但对电池荷电状态的算法却有很多，其研究方法和精度也有很大的差异[30】，以下主要介绍国内外对电池荷电状态算法的研究。1．3．1数学模

3、型方法数学模型方法是指根据电池内部发生的物理化学反应，列出相应的热力学和动力学方程，并应用经验参数，通过方程的求解和简化得到解析解的过程。国外的许多学者和科研机构已应用数学模型的方法建立了MHoNi电池的正极、负极电池模型。这些模型可以大致分为一维平板模型【3”、二维模型【32】、三维模型【33】和包括电池热效应的复合模型【34】。通过对模型的分析，可以对电池的荷电状态等参数做出检测，并且对电池的设计和改进提供了理论基础。但是，数学模型的表达形式十分复杂，通常是具有多参数的偏微分方程组；而且解析过程十分繁琐，往往需要编制复杂的计算机运算程

4、序，十分费时。另外，由于模型主要根据电池内部发生的电化学反应，在运算过程中需要大量的假设条件和经验参数，模型的精度也十分有限。因此，数学模型方法仅能解决一些简单的问题，对于实际工作状态中的电池，其放电模式复杂多样，这种方法很难满足要求。哈尔滨工业大学工学硕士学位论文1．3．2安培积分法电池容量的基本算法是采用安培积分法进行计算，由于安培积分法只适用于固定初始放电状态的放电情况，因此在放电前先将蓄电池充满电，满电容量。可以通过恒流放电的实验来测得【351。在放电实验中，每秒进行一次采样，得到放电电流，用积分法计算已用电池容量：e(r)=Ii

5、dr再由满电容量。减去已用容量G可得剩余容量：CR(t)=q-e(t)(1·1)(1—2)由于每次放电时，安培积分法需要知道初始容量，在电动车应用中，一般记录下上次放电后的剩余容量，并考虑自放电、放电循环次数等影响，经数据补偿处理后作为下次放电的初始容量。这种方法的关键是监测电池在充电过程和放电过程的容量差值情况，由此得到剩余容量。但是由于电池充入容量并不等于其可以放出的容量，即存在充电效率问题，导致了安培积分法的精度有限。另外，公式中存在积分修正系数，其数值受电池自放电、性能衰减等多种因素影响，很难得到精确解，并且随着时间的积累，误差会

6、逐步增大。由于安培积分法存在上述难以克服的问题，它的运算精度和适用范围十分有限口“。1．3．3密度法蓄电池荷电状态和其内部电解液密度密切相关。通过测量电解液的密度值，可间接推算其荷电状态。但在电池使用后期，随着正负极极扳的腐蚀、断筋，物质的比例跟电池制造时的配制比例发生较大差异，从而导致用密度值推算荷电状态不再准确。密度法的局限性在于只适用于铅酸蓄电池，不适合目前正在大量使用的密封式蓄电池【3w。1．3．4开路电压法开路电压法是根据电池开路电压来判断电池内部荷电状态的方法【381。上面已提到，蓄电池的荷电状态跟蓄电池电解液密度密切相关，而

7、W．Nemst方程描述了电解液与电池电动势的关系。所以通过测量蓄电池的开路电压，也可以推算出蓄电池的荷电状态。其缺点在于随着电池老化、荷电状态下降时，开路电压变化不明显，因此也就无法准确检测荷电状态。另外，开路电压与温度相关，不同温度下开路电压与荷电状态的关系不一样，而且开路电压是电池空载时的稳态电压，只能在电池静置一段时间后方可测量，不适合实时在线测量。1．3．5内阻法内阻法是一种无损原位电池检测技术，与其它检测方法相比，内阻法能够更准确地反映电池充放电过程中电化学性能的变化，在电极过程的研究中具有显著的优势u⋯。研究表明，电池的内阻与

8、荷电状态之间有较高的相关性，通过测量电池内阻可较准确地检测其荷电状态。电池完全充电和完全放电时，其内阻相差2~4倍左右。随着电池充电过程的进行，内阻逐步减小；随着放电过程的进行，内阻逐步增大。