（应用化学专业论文）动力电池数字终端管理系统的研究.pdf

摘要 随着能源和环保问题的日益突出，混合动力电动汽车以其零排放，噪声低等 优点而受到世界各国的高度重视，电池能量管理系统作为发展电动车的关键技术 之一，是电动车产业化的关键。本文致力于电动汽车蓄电池能量管理系统中电池 荷电状态的预测研究，深入讨论了镍氢电池的充放电特性、内阻特性等，开展了 对镍氢电池充放电容量的预测和估计方法的研究。主要研究工作以及研究成果如 下： 分析了镍氢蓄电池的基本工作原理、充放电特性以及影响蓄电池s o c ( s t a t e o f c h a r g e ) 乘1 余容量的因素，从多个方面对目前各种动力蓄电池点进行了比较，发 现镍氢蓄电池是较为理想的电动汽车动力源。 研究了镍氢电池s o c 的几种预测方法：即通过计算电池在充放电时的累积 电量来估计电池的s o c 的电量累积法；通过计算镍氢电池的内阻来计算电池 s o c 的内阻法以及通过测量电池的开路电压来估计s o c 的开路电压法等等，比 较了这些方法的优缺点，并提出了本文的基于a n n 的s o c 预测方法的思想。 为有效地对电动车蓄电池的s o c 进行预测，引入了人工神经网络b p 改进算 法的l e v e n b e r g m a r g a r d t ( l m ) 算法，建立了基于镍氢电池的神经网络模型。实现 了对镍氢电池充放电过程中任一状态下的剩余容量的预测。并对镍氢蓄电池s o c 的预测进行了仿真，结果表明，通过该网络模型可以方便快速的得到电池的s o c 值，所得结果满足要求，为电池管理系统提供了一种新的电池s o c 的预测方法。 通过实验发现由于误差反传多层前馈网络本身的缺陷造成误差较大，应该寻求一 种更加简便精确的预估方法。 神经网络有对非线性函数的任意逼近能力，使用简单的误差反传网络和e l m 网络预测s o c ，精度不高。采用e l m 网络相结合，增加了网络训练的收敛速度， 精度高，运算快。最后，设计确定了类似多层前馈网络的全新网络结构，结果表 明该网络能够预测恒流和变电流条件下的s o c 。为一类物理化学电源的预测提 供了新的方法。 关键词：镍氢电池电池管理系统电池容量预测方法 a b s t r a c t t h ep o w e rb a t t e r i e sf o re l e c t r i cv e h i c l e s ( e a r ec o n s i d e r e dt ob et h eg r e e np r o - j e c ti nt h e2 1 吼c e n t u r y , w h i c hc a ns o l v et h ep r o b l e m so f p o l l u t i o na n de n e r g ys h o r t a g e c a u s e db yc o m b u s t i o ne n g i n e s b u tt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h et e c h n i q u e a n dt h er e l e v a n ti n v e s t i g a t i o no fp o w e rb a t t e r i e si sab a r r i e rf o rp o p u l a r i z a t i o na n d a p p l i c a t i o no f t h ee l e c t r i cv e h i c l e s h a v i n ga n a l y z e dt h ee l e c t r o n i cm e c h a n i s m o ft h em h n ib a t t e r i e sd u r i n gc h a r g e a n dd i s c h a r g e ，c o m p a r e dt h ea d v a n t a g e so fm h n ib a t t e r i e sw i t ho t h e rk i n d so f b a t t e r i e s ，t h er e s u l t si st h a tm h n ib a t t e r i e si st h ep r o m i s i n gp o w e rb a t t e r yf o re vd u e t o i t sa d v a n t a g e ss u c ha sh i g hp o w e rl e v e ra n dl o n gl i f e p r i n c i p l eo ft h er e a c t i o no f t h em h n ib a t t e r y , t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n de x i s t e d p r o b l e m so f d i f f e r e n tk i n d so fs o c m e a s u r i n gm e t h o d s a r ec o m p a r e d ，s u c ha su s e v o l t a g eo rr e s i s t a n c eo ft h eb a t t e r i e st og e tt h es o c ，t h e np u tf o r w a r dt h ew a y o f a n n t oe s t i m a t es o co ft h eb a t t e r i e si nt h i sr e s e a r c h i no r d e rt oe s t i m a t es o c e f f e c t i v e l y , b a s e do nt h ep r i n c i p l eo f t h ec h a r g ea n d d i s c h a r g eo ft h em h n ib a t t e r i e s ，a n a l y z e dt h et r a d i t i o n a lw a y so fe s t i m a t i n gs o c ，i n t h i sr e s e a r c hp a p e ran e u r a ln e t w o r km o d e lo fm h n ib a t t e r i e so nl mn e t w o r kw a s b u i l tu p t h ea r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ( a n n ) m e t h o d , w h i c hc a l lb eu s e dt oa p p r o a c h n o n l i n e a rf u n c t i o nw i t hm a n yi n p u t o u t p u tp a r a m e t e r s ，i so r i g i n a l l yu s e dt oe s t i m a t e t h ed i s c h a r g ec a p a c i t yo fm h n ib a t t e r i e sw h e nc h a n g i n gt h ed i s c h a r g ec u r r e n ta n d v o l t a g e t h es a t i s f a c t o r yr e s u l th a sb e e no b t a i n e df r o mc o m p a r i s o no f s i m u l a t i o nr e s u i t s 1 1 1 ea r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r kh a sa na b i l i t yo fn u m e r i c a la p p r o x i m a t i o na n y n o n l i n e a rf u n c t i o n s i m p l ee r r o rb a c kp r o r o g a t i o nn e u r a ln e t w o r ka n de l mn e u r a l n e t w o r kc o u l de s t i m a t es o cw i t hb i ge r r o r c o m b i n et h o s et w ot o g e t h e r , s p e e d su p t h et r a i n i n gc o n v e r g e n c e a tl a s td e s i g nan e u r a ln e t w o r kr e s e m b l i n gm u l t i - l a y e r f e e d - b a c kn e u r a ln e t w o r k ，t h er e s u l t ss h o w st h a ti tc o u l de s t i m a t et h es o cw i t ht h e s t a t eo fc o n s t a n tc u r r e n ta n dn o n c o n s t a n tc u r r e n t k e yw o r d s ： m h n ib a t t e r y ，“b a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m ，“s o c ”，“e s t i - m a t em e t h o d s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者躲武怕签字眺御年多月汐日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解一墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权一鑫鲞盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：之遗 签字日期：易矸年舌月邝日 导师签名：1 害协邑 蝴期：叼年多肌日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 自1 8 8 6 年发明了汽车以来，汽车就成为人们日常生活中不可缺少的代步和 运输工具，因此缩短了人们之间的距离，改变了人们的生活方式，提高了人们的 生活质量；汽车工业的发展，推动了全球机械、能源等工业的进步以及经济、交 通等方面的发展。但是，汽车在造福于人类的同时，也带来了很大的弊端。由于 汽车要消耗大量的石油资源、排放大量的废气、制造噪音和严重污染环境，因此 也带来了无法回避的负面影响。面对如此严峻的形势，电动汽车( e l e c t r i cv e h i c l e ， 简称z v ) ，作为无公害的绿色汽车，己被世界公认为2 1 世纪汽车工业改造和发 展的主要方向，在国内外掀起了研制和开发电动车的热潮，开发高性能电动汽车 已成为当今世界各国科技攻关的重点。汽车己不再是单纯追求最高速度、加速性 能的经济产物，而是以环境、能源为中心，朝着集轻便化、安全化、环保化、智 能化于一体的高新技术的集成体的趋势发展。汽车正面临一个巨变的时代，电动 车就是这场“绿色革命”的主角【l j 。 产生电动汽车的首要社会原因是能源问题。石油资源是有限的，目前发达国 家交通运输用油量超过总用油量的6 0 ，据估计，到2 0 5 0 年，全球人口将由6 0 亿增加至1 0 0 亿，汽车的数量将由7 千万辆达到2 亿5 千万辆，内燃机汽车面临 严峻的能源供给问题。电动汽车有着广泛的能量来源。电能可以从矿物、水力、 核能、力、太阳能、地热能、潮能及海浪能等丰富的原始能源中产生，并且电动 汽车的能效分别比天然气汽车及汽油内燃机汽车高出1 5 和3 0 【2 j 。 第二个社会问题是环保问题，它是当今电动汽车发展的主要推动力量。汽车 的尾气排放是污染环境的主要原因之一，因此各国都制定了相应的标准，一方面 限制使用排放超标的汽车，另一方面加紧研制零排放汽车。 降低汽车排放对改善城市大气环境具有非常重要的作用。对环境监测数据的 分析表明，汽车尾气排放是城市大气污染的主要来源之一【3 1 。北京市机动车尾气 排放对大气污染物中c o ，h c ，n o x 的分担率分别为6 3 4 ，7 3 5 和6 ，c h 化合物中，特别是烯类在大气内，在太阳光紫外线作用下，会与氧化氮起光化反 应生成臭氧、醛等烟雾状物质，刺激人们的喉、眼、鼻等粘膜。它不仅危害人们 与动物，而且使生态环境遭到破坏，严重影响农作物的生长，使农业减产，同时 还具有致癌作用。它成为汽车尾气排放的第二公害。非采暖期分担率更高，分别 第一章绪论 为8 0 3 ，7 9 1 和5 4 8 ；上海市中心地区机动车排放对大气污染物中c o ，h c ， n o x 的分担率分别为8 6 ，9 6 和5 6 ；广州、天津、重庆等许多大中城市具有 类似的情况。据1 9 9 9 年全国环境检测网公布的环境质量周报资料，广州有9 4 的周次，北京有5 2 的周次首要污染物为氮氧化物。造成城市氮氧化物浓度上升 的主要原因之一是汽车尾气排放。同时，由于机动车是低空排放，对低空大气环 境和人体健康危害更大。当前，空气的污染问题及温室效应正日益受到关注，大 力发展清洁汽车，减少排放污染，显得更加必要和迫切。随着对汽车污染的限制 越来越严，研究开发电动汽车己成了世界汽车工业发展的必然趋势另外，电动汽 车还可以解决用电平衡问题。一般而言，电动车都在晚问充电，这样，就可避免 白天的用电高峰。电动汽车能充分利用电能，能平衡电网负载并提高电网利用率。 电动汽车所需的能量由电厂提供，这样许多的能源就可被利用，譬如煤、天然气、 核能、水能、太阳能、风能等等，从而节约昂贵且有限的石油资源。 1 2 电动汽车的发展概况 目前，电动汽车主要有三种类型：以蓄电池驱动的纯电动车( e v ) 、以内燃机 及蓄电池共同驱动的混合动力电动车( h e v ) 和以燃料电池驱动的燃料电池车 ( f c e v ) 铺】。而混合动力电动车在高性能、低能耗和低污染以及技术、经济和环 境等各方面较其他两种电动车都有着明显的优势，是目前最具有开发和推广前景 的新型交通工具【9 】。 e v 是指以车载蓄电池提供动力的电动车，也称为零排放电动车，是一种运行 中完全不消耗石油和不污染环境的绿色车型。但是由于电池有限的储能不能满足 长距离行驶的需要，目前又缺乏配套的充电基础设备，所用电池容量大、成本高 使得电动汽车造价太高不利于大力推广。而制约燃料电池驱动的燃料电池车 ( f c e v ) 的发展的则有三大因素：一是燃料电池的制作成本比较高，如阴阳极催 化材料、质子交换膜等：其次是氢气的制备，低价、安全且能大量吸收并快速释 放氢气的新材料和无铂催化剂是目前的研究热点；三是灌充氢气的基础设施。 h e v 是电动车研制中的后起之秀，它综合了传统汽车引擎驱动与电机驱动的两大 优点。h e v 的主要能源仍然是汽油、柴油，电池组中的能量主要用于汽车起动、 低速行驶和为汽车提供辅助加速动力；在刹车时，电动机处于发电状态而能把能 量回收。传统汽车的主要污染是在起动和发动机怠速运转时产生的，因此h e v 既解决了大部分的污染问题，又不受e v 的行驶里程的限制，而且还降低了能耗， 提高了汽车的效率和机动性能。另一方面，h e v 上配备的电池的容量和质量要求 都要比e v d 得多，用于电池的成本大幅度降低【l 0 1 。 2 第一章绪论 2 0 世纪9 0 年代以来，世界各国在电动汽车整车设计上采用了新技术、新材 料、新结构，电动汽车用电池性能也在不断改善，使电动汽车走向实用化方向迈 进了一大步【l 。我国政府已制定强制性法规要求2 0 0 3 年起新车的污染物排放开 始执行相当于欧洲3 号的标准。同样，世界范围内，汽车尾气排放法规也制定得 日趋严格汽车节能方面，美国在2 0 0 5 年，生产小轿车的百公里油耗平均值达到 1 9 9 4 年的三分之一，欧洲各国在2 0 0 5 年轿车的百公里油耗均值柴油机车低于3 l ， 汽油机车低于4 l ，日本也有类似做法。 我国电动汽车的开发应用已引起广泛重视，电动汽车研, 匍j y t j 入了“八五”、“九 五”以及“十五8 6 3 ”规划，计算机模拟仿真在其中是必不可少的。当前世界 上的许多科研机构已经开发出多种关于电动汽车的仿真软件和程序，如美国国家 再生能源实验室( n r e l ，n a t u r a lr e n e w a b l ee n e r g yl i b r a r y ) 开发的 a d v i s o r ( a d v a n c e dv e h i c l es i m u l a t o r ) 、美国设在芝加哥大学的a r g o n n e 国家实 验室( a n l ，a r g o n n en a t u r a ll i b r a r y ) 开发的p s a t ( p o w e r t r a i ns y s t e ma n a l y s i s t o o l k i o 、意大利国家能源与环境处( e n e a ，i t a l i a nn a t i o n a ls y s t e m a g e n c yf o r e n e r g ya n de n v i r o n m e n t ) 和比萨大学( t h eu n i v e r s i t yo f p i s a ) 的电力系统与自动控 制系( d s e a ，t h ed e p a r t m e n to f e l e c t r i c a ls y s t e m sa n da u t o m a t i o n ) 合作开发的 h y s i m ( h y b f i de l e c t r i cv e h i c l e ss i m u l a t o r ) ，以及h v e c 、s m a r t h e v 等等。国内 对电动汽车建模仿真软件的研究和开发较少。 上述仿真软件均基于m a t l a b s i m u l i n k 平台开发，但部件和整车建模及仿 真的方式各不相同。以应用最广的a d v i s o r 仿真软件为例，其按部件功率以前 向和后向的方式对电动汽车及传统内燃机汽车的动力性能、燃油经济性及排放和 各部件的性能进行仿真。而承担混合动力电动汽车驱动系统计算机模拟及设计 软件开发项目所开发的方针软件b o n d h e v ( b o n dg r a p hb a s e ds i m u l a t o ro f h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ) ，创造性的采用键合图方法实现了部件和整车的建模仿真， 为国际首创。 作为能量存储系统，电池是电动汽车的重要部件。因此电池的建模与仿真就 成为电动汽车建模与仿真的关键部分。电池的性能是否达到预期的目标，可以通 过建立仿真模型来进行预测。随着电动汽车仿真研究的发展，电池的仿真模型也 出现了多种，如内阻模型、阻容模型、神经网络模型等等。从历年的e v s ( e l e c t r i c v e h i c l es e m i n a r ) 年会论文发表情况来看，国内对电动汽车用电池仿真的研究成果 尚不多。 第一章绪论 1 3 关于电动汽车电池的技术研究与发展趋势 美i 垂i u s a b c 从2 0 0 2 年起已经修订了自己的发展目标，并从原先的p n g v 计划 ( p a r t n e r s h i pf o ran e wg e n e r a t i o no f v e h i c l e s ) 转至- j f r e e d o mc a 耐划。该计划在未 来5 年中的总经费为1 7 亿美元。该计划重新确定了三种电动车电池目标，即e v 电 池，h e v 电池和4 2 v 电池的目标，分别列入表1 1 ，表1 2 和表1 3 。 表1 - lu s a b ce v 电池的目标 t a b l e1 1u s a b ce vb a t t e r y sg o a l 完整的系统参数中期目标 长期商业化的最低目标长期目标 功率密度( w l ) 放电比功率( w k g ) 8 0 d o d ， 3 0 秒 能量密度( w k g ) 充电比功率( w h l ) 2 0 d o d ， 1 0 s 比功率侑邑量之比 总能量输出( k w h l 使用寿命( 年) 循环寿命8 0 d o d ( 次) 功率和容量衰减，额定值的 最终价格，按1 0 0 0 0 个4 0 k w h 电池组计( 美元压蝴1 ) 操作环境( ) 额定放电时间 高速充电 2 5 0 1 5 0 7 5 1 3 5 4 6 0 3 0 0 1 5 0 2 3 0 2 ：l 2 ：l 4 04 0 51 0 10 0 0 8 0 d o d 6 0 0 16 0 0 , 5 0 d o d 2 6 7 0 3 0 d o d 2 02 0 1 5 0 1 5 0 4 0 5 0 ，2 0 性能损失 3 0 6 5 ( e x p e c t i n 9 1 0 ) 6 h 6 h ( e x p e c t i n g4 h ) ， 2 0 7 0 荷电状态， 4 0 8 0 一 j # 由, 1 4 x 1 5 0 w k g ， 6 0 ) ，因此加热循环系统不可缺少。1 9 9 8 年，2 k 、v h 和8 3 2 k w h 的p l b 模块开始了试制和测试。u s a b c 从1 9 9 4 年分阶 段投资8 5 0 0 万美元研发p l b ，3 m 、h q 和a r g o n n e 国家实验室组成p l b 研究梯 队以实现u s a b c 的p l b 计划。 第一章绪论 1 6 4h e v 用m h n i 电池 镍氢电池肇始于1 9 5 8 年储氢合金材料的发现，1 9 9 0 年初期首先由日本量产 上市。金属氢化物镍电池是采用贮氢合金材料作为电池负极的一种新型绿色化 学电源【2 2 1 。m h n i 电池的充放电可以看作是氢在正负极之间的转移，电解液无增 减现象，电池可以实现密封设计。它具有高比能量、高比功率、安全性好、适合 串联成高压电池组、循环寿命长、无污染、价格低等优点，与其他电池体系相比， 更适合用于h e v ，被誉为电动车用动力型电池的首选【2 3 - 2 6 1 。 早期的氢氧化镍电极是袋式( 或极板盒式) 电极，活性物质n i ( o h ) 2 与导电 物质石墨混合填充到袋中。1 9 2 8 年，p f l e i d e r 等人发明了烧结基板式电极，以后 经不断改进，工艺逐渐成熟并实用化。烧结式镍电极技术的发明和应用在镍电极 发展史上具有重要的所用和意义，但这种结构的镍电极生产工艺复杂，成本较高。 近年来，又有发泡式和纤维式镍基板问世。以质轻、孔率高的泡沫作基体的泡沫 镍涂膏式镍电极比容量较高，适宜做m h n i 电池的正极。可以说，泡沫镍电极 的出现和应用是镍电极发展史上的一个新的里程碑。 目前，世界各国都在积极进行h e v 用m h n i 电池的开发与研究。美国的 o v o n i c 公司砸美国先进电池联合体u s a b c 的资助下开展了电动车用m h n i 电池 的开发，已经开发出以z r - t i v - n i 系贮氢合金为负极活性物质的动力型m h n i 电 池。该电池的比能量可以达到9 4 w h k g 和2 9 4 w h l ，目前o v o n i c 公司已经和通用 汽车公司合作进行产业化开发。日本的松下公司也研制出了系列电动车用m h n i 电池，并且与丰田公司合作实现了世界首次商业化批量生产。这种h e v 一次充电 可以行驶1 4 0 0 k m ，最高车速为1 6 0 k m h 。该车已经投放日本市场，并在1 9 9 8 年 售出1 8 0 0 0 辆，其年销售量约为2 0 0 0 辆【2 ”。法国的s a l t 公司自1 9 9 2 年起也进行 了h e v 用方形m h n i 电池的研制，并且在1 9 9 9 年投入生产。德国的v a r t a 公司自 8 0 年代末就研制电动车用m h n i 电池，他们研制的h e v 用电池比能量可以达到 8 0 w h k g 和2 2 0 w h k g ，比功率可以达到2 0 0 w k g 和5 5 0 w l 。另外，日本的东北 电力公司【2 引，韩国的现代汽车公司，中国的天津和平海湾电源公司都致力于h e v 用动力型m h n i 电池的开发。 综上所述，动力型m h n i 电池已经成为h e v 用电池的首选电池。因此，大 力发展和改进动力型m h n i 电池并促进其批量生产对实现h e v 的商品化具有重 要的战略意义。 表1 - 5 主要汽车用动力电池的性能对比 t a b l e1 5t h ef u n c t i o nc o n t r a s to fp o w e rb a t t e r ym a i n l yu s e di nc a r s 项目lib p l bc d n im h n i 1 6 第一章绪论 1 6 5 镍镉电池 目前i 镍镉电池的应用广泛程度仅次于铅酸蓄电池，其比能量可达到 5 5 w h k g ，比功率超过1 9 0 w k g ，可快速充电，循环使用寿命较长，是铅酸蓄电 池的两倍多，可达到2 0 0 0 多次，但是其价格是铅酸蓄电池的和5 倍。它的初期 购置成本虽高，但由于其在比能量和使用寿命方面的优势，因此其长期的实际使 用成本并不高。但是，和铅酸电池一样，镍镉电池也存在金属( 镉) 污染问题， 许多国家已经限制生产和使用。同时，镍镉电池还存在一定的记忆效应。这些缺 点都限制了其使用和发展。它正在被镍氢电池和锂离子电池所取代。 1 6 6 燃料电池 燃料电池( f u e lc e l l ) 实际是一个电化学反应器，基本化学原理是水电解反应的 逆过程，即氢氧反应产生电、水和热，即质子交换膜将氢气和空气中的氧气“剥 离”出来，氢分子在催化剂的作用下，解离成带正电的氢离子和带负电的电子， 电子在外电路形成电流，氢离子则穿越质交换膜与氧气化合成水。整个“裂变” 过程无污染、无噪声，快慢自如，既稳又静。燃料电池的输出功率由其本身决定， 储能量则由储罐内的燃料氢和氧的量决定，燃料不断输入，电能不断输出。燃料 电池由正负极电极、催化层和电解质构成。它没有运动的机械部件，工作时很安 1 7 第一章绪论 静：它没有原理上的热机效率理论限制，燃料电池实际效率可达5 0 7 0 ，远 高于内燃机，具有高效率、清洁和安全的优点，是2 1 世纪新能源代表。 在1 9 9 3 年加拿大温哥华科技展览会上，加拿大的b a l l a b c 公司推出了世 界上第一辆以燃料电池为动力的电动公共汽车，载客2 0 人，可行驶1 6 0 k m h ， 最高速度7 2 2 k m h 。德国奔驰汽车公司也研制了以燃料电池为动力的电动汽车。 1 6 7 钠氯化镍电池 钠氯化镍电池i 稠( n a n i c l 2 ) 也称为z e b r a 电池，是1 9 7 8 年南非z e b r ap o w e r - s y s t e m 公司的jc o e t z e r 发明的。n a n i c l 2 电池的正极为固态n i c l 2 ，负极为液态n a ， 电解质为固态p a 1 2 0 2 陶瓷，充放电时钠离子通过陶瓷电解质在正负电极之问漂 移，其反应机理如下： 充电 正极f + 2 c 一n i c ，+ 2 e 一 ( 1 4 ) 放电 。 充电 负极2 地+ + 2 e 一2 n a( 1 5 ) 放电 充电 总反应2 a ，+ f 2 a + f c 7 ， ( 1 - 6 ) 一 放电 一 n a n i c l 2 电池是一种新型高能电池，比能量超过l o o w h k g ，无自放电效应耐 过充、过放电，可快速充电( 3 0 m i n 5 0 s o c ) ，安全可靠，但是工作温度高( 2 5 0 3 5 0 ) ，而且内阻与工作温度、电流和荷电状态s o c 有关，因此需要有加热和冷却 管理系统。n a n i c l 2 电池己经在电动汽车上成功应用。美国福特汽车公司的m n i v a n 电动汽车就是使用钠硫蓄电池的。它已经被美国先进电池联合体( u b m a b c ) 歹0 为 中期发展的电动汽车蓄电池。德国a b b 公司生产的b 2 4 0 k 型钠硫蓄电池，比能量 达1 0 9 w h k g ，循环使用寿命1 2 0 0 次，装车试验时最好的一辆车无故障行驶了 2 3 0 0 k m 。钠硫蓄电池主要存在高温腐蚀严重，电池寿命较短，性能稳定性及使 用安全性不太理想等问题。 1 6 8 锌空气电池 锌空气电池( z i n c a i r ) 是一种机械更换离子充电方式的高能电池，正极为z i n c 负极为c a r b o n ( 吸收空气中的氧气) ，电解液为k o h 溶液。z i n c a i r 电池比能量 高达2 0 0 w h k g ，免维护、耐恶劣工作环境，清洁安全可靠，但是比功率小，为 9 0 w k g ，不能存储再生制动的能量。锌空气电池的潜在比能量在2 0 0 w h k g 左右。 美国d e m i 公司为电动汽车开发的锌空气电池的比能量己达1 6 0 w h k g 左右， 但它目前尚存在寿命短，比功率小，不能输出大电流及难以充电等缺点。美国的 1 8 第一章绪论 c r _ x 电动汽车装的就是锌空气电池，为了弥补该车的不足，还装有镍镉蓄电池 以帮助汽车起动和加速。c r x 车的锌空气电池组重量为3 4 0 k g ，充足电后可存储 4 5 k 、讹的能量，同时装备c r x 的重达1 5 9 k g 的镍锡蓄电池充足电后又4 k 讹能 量。充电1 2 m i n 可使c r x 电动汽车行驶6 5 k r n ，充电一小时则可行驶1 6 0 k m 。 1 6 9 飞轮电池 ， 飞轮电池是9 0 年代才提出的新概念电池，它突破了化学电池的局限，用物 理方法实现储能。众所周知，当飞轮以一定角速度旋转时，它就具有一定的动能。 飞轮电池正是以其动能转换成电能的。高技术型的飞轮用于储存电能，就很像标 准电池。飞轮电池中有一个电机，充电时该电机以电动机形式运转。在外电源的 驱动下，电机带动飞轮高速旋转，即用电给飞轮电池“充电”增加了飞轮的转速 从而增大其动能；放电时，电机则以发电机状态运转，在飞轮的带动下对外输出 电能，完成机械能到电能的转换。当飞轮电池供出电能的时候，飞轮转速逐渐下 降。飞轮是在真空环境下运转的，转速极高( 高达2 0 0 0 0 0 r m i n ) ，使用的轴承为 非接触式磁轴承。据称，飞轮电池比能量可达1 5 0 w h k g ，比功率达 5 0 0 0 1 0 0 0 0 w k g ，使用寿命长达2 5 年，可供电动汽车行驶5 0 0 万公里。美国飞 轮系统公司己用最新研制的飞轮电池成功地把一辆克莱斯勒l h s 轿车改成电动 轿车，一次充电可行驶6 0 0 k i n ，加速到9 6 k m h 的时间为6 5 秒。 飞轮电池( f l y - w h e e lb a t t e r y ) 是一种以动能方式存储能量的机械电池，由电机 发电机、功率转换、电子控制、飞轮、磁浮轴承和真空壳体组成，具有高功率 能量比、高效率、长寿命和环境适应性好无污染的优点。早在6 0 年代末，美国 约翰霍普金斯大学拉本霍斯特教授( p r o fd a v i dr a b e n h o r s t ) 提出了超级飞轮的概 念，飞轮的比能量可以超过1 5 0 w h k g 。2 0 世纪9 0 年代以来，由于高强度纤维 材料，低损耗磁轴承和电力电子学等方面的发展，飞轮储能得到世界各国的高度 重视，成为研究热点，飞轮储能技术也随之迅速发展。运用高强度碳纤维复合材 料、磁悬浮和真空技术，现代飞轮电池质量轻、体积小，转速高达2 0 0 0 0 0 转m i n ， 能量传递的效率高达9 9 。但是开发适合电动汽车的实用性飞轮电池，需要提高 其安全性和降低成本。但是到日前为止，飞轮电池技术没有突破。 1 7 仿真技术在电动车上的应用概况 e v 、f c e v 和h e v 的多能源动力系统的控制具有相当的复杂性，多能源动力 系统的控制的目标是：安全、节能、环保、舒适和价廉，特别是最大限度地降低 车辆的燃料消耗和降低废气中有害排放物对大气环境的污染。e v 和f c e v 基本达 1 9 第一章绪论 到“零污染”的环保要求，但是h e v 还只能达到“低污染”或者“超低污染”的 要求。 利用现代计算机技术和仿真系统，可以对复杂的多能源动力总成系统进行模 拟和仿真，这就大大地加速了e v 、f c e v 和h e v 的研究、开发、试制和试验工作， 能够对e v 、f c e v 和h e v 的整车动力性能、结构模型、动力匹配、动力组合和道 路工况等进行模拟和仿真。能够最佳地确定多能源动力总成系统中的各个动力总 成之间的匹配关系，和对各种不同的驱动模式采取的控制策略。 m a t l a b s i m u l i n k 软件包是近年来在科学研究和工程计算方面应用较广泛 的软件。它是一种高性能的计算机软件系统，具有数据分析、矩阵运算、信号处 理、模拟、仿真和图解等多方面的功能，由m a t l a b 衍生s i m u l i n k 软件包是车辆 仿真的专用软件，用“采样控制系统”建立复杂的动态和非线性的仿真模型，对 系统集成过程信息流进行自动跟踪，可以进行数值分析、矩阵运算、信号处理和 图解方式等复杂的计算和处理，统一为执行各种命令，信息流的传递等。 e v 、f c e v 和h e v 的研究开发和发展是离不开试验研究的，我国在汕头市 的南澳岛建立了电动车辆的示范试验基地，对各种电动车辆进行多品种、大规模、 长时间的行驶试验，还吸引了美国、日本等汽车公司派电动车辆参加试验，已经 取得了丰硕的成果和积累了大量的数据，为我国e v 、f c e v 和h e v 的研究提供 了宝贵的经验。现代仿真技术更可以将在行驶试验中收集到的各种数据在计算机 上进行模拟和仿真，使得e v 、f c e v 和h e v 在现代高科技的支持下，对整车的 控制策略、控制系统、改进措施等得到更快、更可靠和更有效的推进。 1 8 课题的背景、来源及研究内容 1 8 1 课题的背景及意义 蓄电池s o c 的准确测量在电动汽车的发展中一直是一个非常关键的问题， 电池的使用管理也是很重要的环节。有效的电池管理系统利于电池的寿命提高， 而实现电池能量管理系统的各种功能的基础首先要正确判断电池的s o c 。所以 对蓄电池s o c 的准确估计成为电动车电池管理系统的中心问题。如果能够准确 估计蓄电池的s o c ，就能够在实现能量管理系统的其他功能时做到避免对蓄电 池造成伤害，合理利用蓄电池提供的电能，提高电动车的续驶里程，延长电池组 的使用寿命。 h e v 在运行时，大的电流很可能会造成电池过充( 超过8 0 s o c ) 或深放( 小 于2 0 s o c ) 和过放( 小于0 s o c ) ，h e v 电池操作窗s o c 的合理范围是 3 0 7 0 ，因此h e v 的控制系统一定要对电池的s o c 状态具有很高的敏感度， 第一章绪论 并能够做出及时准确地调整。这样电池管理系统才能根据显示的电池容量决定电 池的最大放电电流，控制和预测电动车的续驶里程，根据各只电池容量的不同程 度识别电池组中各电池问的性能差异，并依此做出均衡充电控制和电池是否损坏 的判断，确保电池组的整体性能良好，延长电池的寿命。 1 8 2 课题来源 本课题来源于天津大学和天津和平海湾电源有限公司合作开发的课题。 1 8 3 课题的研究内容 课题的主要研究内容是蓄电池剩余容量的预测和蓄电池状态的判定。由于电 池本身的特殊性，其s o c 状态的估计受放电电流，温度变化，本身退化等诸多 因素影响，目前对电池s o c 状态的估计还没有一个标准算法，根据当前蓄电池 剩余容量预测的技术现状，本文采用了基于误差反传多层前馈网络的方法，从而 尝试提高镍氢电池s o c 的估计精度。此外，这种方法不直接考虑电池的内部电 化学特性，因此也适用于采用其他类型动力电池的能量管理系统，具有一定的通 用性。 工作内容如下： 分析和研究镍氢电池的基本工作原理、充放电特性以及通过对镍氢电池的试 验曲线图详细分析了影响电池s o c 的主要因素； 对当前常用的镍氢蓄电池s o c 的估计方法如电量累积法、电阻测量法、电 压测量法进行了对比研究，并在此基础上提出了基于a n n 的解决方案； 运用神经网络方法，建立了预测电池s o c 的a n n 模型，预测了不同放电电 流和电压下镍氢电池放电容量的大小，结果表明，a n n 预测电池s o c 是有一定 的发展前途。 在前面建模的基础之上，探讨了误差反传多层前馈网络和h o p f i e l d 网络各自 的特点以及在实际应用中的融合，然后采用误差反传算法的结构和优点，建立了 基于h o p f i e l d 网络的动力镍氢电池s o c 预测模型，以期在精度上有较大的提高。 2 1 第二章镍氢动力电池的特性研究及测试 第二章镍氢动力电池的特性研究及测试 2 1 镍氢电池的发展及优势 2 1 1m h n i 的发展 自蓄电池发明以来，已有一百多年，目前广泛应用的有镍镉电池、镍氢电池、 铅酸电池和锂离子电池等。各种便携式电子设备，如笔记本电脑、移动电话、对 讲机、摄像机、小型电台和测量仪器，都要求电池轻、薄、短、小且容量大。为 了满足这种要求，世界各国都投入巨大的人力和财力，开发新型电池。除大家较 熟悉的高性能碱性电池、可充电的镍镉电池、镍氢电池外，还有近年来开发的锂 电池。 自1 9 7 6 年荷兰菲利普公司的研究人员发现金属问化合物l a n i 3 在室温下能大 量吸放氢气的特性至今，已有许多科研工作者对这类材料进行了深入地研究，竞 相开发其在各领域中的应用，利用储氢合金电化学吸放氢特性及电催化活性作用 研制成功的充电电池就是目前化学电源中最为活跃的领域。 这种新型镍金属氢化物电池( 以下简称m h n i 电池或镍氢电池) 的能量密 度，尤其是体积能量密度远高于镍镉电池，它比同样规格的镍镉电池的容量高 5 0 0 旷1 0 0 ，可以快速充放电、无公害、记忆效应低且耐过充放电能力强，是一 种很有市场竞争力的换代产品。 1 8 9 9 年，w a l d m a rj u n g n e r 在开i ：i 型镍镉蓄电池中，首先使用了镍极板，几乎 与此同时，t h o m a se d i s o n 发明了用于电动车的镍铁电池。遗憾的是，由于当时 这些碱性蓄电池的极板材料比其它蓄电池的材料贵得多，因此实际应用受到了极 大的限制。7 0 年代中期，美国研制成功了功率大、寿命长、成本低的镍氢电池， 并于1 9 7 8 年成功地将这种电池应用在导航卫星上。自八十年代投入市场以来， 充分显示了新能源的优势，应用范围涵盖了大量通信器材，汽车、宇航、船舰等 诸多领域的电源，成为市场上新型能源中最具活力的一种产品。与此同时，日本 等国也花了大量精力对镍氢电池进行研制开剔2 9 j 。 我国在“8 6 3 ”计划推动下，用于信息领域的镍氢电池产业己初步形成。目 前我国小型镍氢电池的生产能力己经达到1 6 亿只年。1 9 9 8 年国内生产量己达 5 0 0 0 万只。a a 型镍氢电池容量己达1 6 0 0 m a h ，研究水平进入国际先进行列， 并取得了一系列有创新性的技术成果。 随着镍氢电池在电动车上的应用，大型高能量镍氢电池也取得了很大的进 第二章镍氢动力电池的特性研究及测试 展。美国o v o n i c 公司开发了从2 0 1 5 0 a h 系列高能方形密封镍氢电池( 储氢合金 为a b 2 系) ，电池能量密度可达7 0 - 9 0 w h k g ，己在电动助力车、摩托车、工具 车和4 人座轿车上试用。另外，美国o v o n i c 公司与通用公司合作开发的 h e v - 2 0 ( 2 0 a h ) 、h e v - 3 0 ( 3 0 a h ) 、h e v - 6 0 ( 6 0 a h ) 均为方形密封高功率型电池。日 本松下公司开发了h e v - 6 5 电池( 6 5 a h ) ，其功率密度高达5 0 w k g 。1 9 9 6 年松下 与丰田合作推出e v - 9 5 ( 容量1 0 0 a h ) 电池用于r a v 电动车，一次充电可行驶 2 1 5 k m ；松下、汤浅、东北电力古河公司分别推出电动汽车用9 5 1 0 0 a h 方型镍 氢电池：1 9 9 9 年日本研制的高能型镍氢动力电池驱动一辆四轮5 座电动轿车， 一次充电行驶距离达5 0 0 k m 。1 9 9 8 年“京都新闻”报道日本蓄电池公司首次推 出电动汽车用1 0 0 a h 镍氢圆柱型电池，输出功率达2 0 0 w k g ，电池直径5 7 m m ， 高2 3 0 m m ，耐压