电动汽车用动力镍氢电池SOC建模与仿真

第 30卷 � 第 1期 2008年 2月 武汉理工大学学报 � 信息与管理工程版 JOURNAL OF WUT( INFORMATION & MANAGEMENT ENG INEERING ) Vo .l 30 No. 1 Feb. 2008 文章编号: 1007- 144X ( 2008) 01- 0055- 04 电动汽车用动力镍氢电池 SOC建模与仿真 吴友宇,肖 � 婷,雷冬波 (武汉理工大学 信息工程学院,湖北武汉 430070) 摘 � 要: 设计了一套镍氢电池充放电试验建模 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 , 对其充放电特性进行了研究和 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ; 得出了一系列镍氢电 池的开路电压测试曲线 ;提出了一种考虑了温度对电池参数影响的集总参数等效电路模型。在此基础上,建 立了一种基于状态空间的 SOC递推算法,对镍氢电池的 SOC值进行了仿真分析。 关键词: 镍氢电池;荷电状态; 动态电池模型 中图法分类号: U469. 72� � � � 文献标志码: A � � 为了缓解目前日益严峻的环境和能源危机, 各国都投入了大量的人力和物力用以研发电动汽 车。无论哪种电动车,车用动力电池是必不可少 的。目前动力电池主要有 3种: 铅酸电池、镍氢电 池和锂电池。铅酸电池的质量大,能量密度低,且 一次充电的行程短,充电时间长;锂电池安全性能 不高, 且价格偏高 [ 1 ]。从综合的角度考虑, 镍氢 电池成为电动汽车用动力电池的首选。镍氢电池 是一种绿色电池,无污染、免维护、使用安全、比能 量与比功率高、高倍率充放电性能好、循环寿命 长,能满足电动汽车用动力电池的性能要求。 准确和可靠地获得电池荷电状态 ( SOC)是电 池管理系统中最基本也是最首要的任务 [ 2]。 SOC 值的大小直接反映了电池所处的状态,由此可限 定电池的最大放电电流并预测电动汽车的续驶里 程。是否能准确测量镍氢电池的 SOC值,将直接 影响到镍氢电池的使用寿命及充放电效率的发挥。 1� SOC概念 SOC( state of charge)是描述蓄电池状态的一 个重要参数,通常把一定温度下蓄电池充电到不 能再吸收电量时的电量状态定义为 SOC= 100%, 而将蓄电池再不能放出电量时的电量状态定义为 SOC= 0%。对于蓄电池, SOC表示电池的剩余容 量状态,它定义为电池剩余电荷容量和电池标称 电荷容量的百分比,其表达式为: SOC= (Q r /Q n ) � 100% ( 1) 式中, Q r为电池剩余电荷容量; Q n为电池标称电 荷容量。 Q n定义为:电池充满电后, 在确定温度 T s下 以恒定电流 I放电时所具有的电荷容量 [ 3]。 10 个单体电池组成的 1组镍氢电池的标称容量为 12Ah, 即理论上 1组镍氢电池用 12 A的电流充 电 1 h为充满。 若用 Q d表示电池放电至终止电压时, 电池 已放出电量,则 SOC可写为: SOC= 1- Q d /Q n ( 2) 2� 镍氢电池充放电特性 根据镍氢电池容量判断 规则 编码规则下载淘宝规则下载天猫规则下载麻将竞赛规则pdf麻将竞赛规则pdf [ 4] ,它具有如下 充放电特性: �在电池充电过程中, 若端电压的变 化由缓慢上升转向下降趋势, 可以认为电池已充 满电; 或温度对时间的变化梯度超过一定的数值, 也可认为电池已充满电, 即 SOC = 100%, 如图 1 所示。 � 在电池放电过程中, 其端电压在放电起 始阶段下降缓慢,只是在电池电量接近放尽时,电 池端电压才开始大幅度地下降,此时,可认为电池 已放空,即SOC = 0%,如图 2所示。 3� 试验建模方案 3. 1� 镍氢电池的等效电路模型 在实验室进行恒流充放电试验时, 电池的充 放电电流相对稳定或变化平缓, 可以用较为简单 的静态模型来表示。由于在车载行驶条件下, 电 流剧烈变化,温度等环境因素变化也大,就需要用 收稿日期: 2007- 09- 08. 作者简介:吴友宇 ( 1963- ),女,湖北武汉人,武汉理工大学信息工程学院教授. 图 1� 电池充电电压及温度特性曲线 � � � � 电压曲线; � � 温度曲线 图 2� 电池放电电压及温度特性曲线 � � � � 电压曲线; � � 温度曲线 相对复杂的动态模型来描述其特性 [ 5- 8] , 因此采 用如图 3所示的动态电池模型。此模型采用状态 空间描述,考虑了温度对电池性能的影响。 图 3中容量电容 Cb为一大电容,反映电池中 储存电能能力的大小; 表面效应电容 Ce 和电阻 R e主要反映电池电极的表面效应; R b表示电池的 终端欧姆电阻; R c和 Rd分别代表充、放电时电池 图 3� 动态电池模型 内部的极化电阻和欧姆电阻, 它们的值与电池的 SOC相关。基于以上的分析, 可近似认为电池的 电容 Cb和 C e是温度的函数,而电阻 R b、R e、Rc和 Rd是温度与 SOC的函数。 3. 2� 基于状态空间的 SOC估计算法 在电池工作过程中, 开路电压只能依据电池 的模型,测量得到电池的端电压与电流后,通过一 定的算法来求取。依据电池动态模型,假定电池 处于某一特定的温度,在实际应用中要根据电池 的温度修正电池的各个参数值。根据电池的等效 电路图,选取电容 Cb和 C e上的电压为电池系统 的状态变量, Ib为系统的输入量, U t为系统的输 出量。根据克希霍夫定律,电池在放电过程中,电 路网络的动态电路方程可用状态空间描述为: UCb UCe = 1 Cb(Re+Rd) � -1 Cb (Re+Rd) 1 Ce (Re+Rd) � -1 Ce (Re+Rd) UCb UCe + Re Cb (Re+Rd) Rd Ce (Re+Rd ) [Ib ] ( 3) [U t ] = Re Re +Rd � Rd Re+Rd UCb UCe + -RdRe R e+Rd -Rb [ Ib ] ( 4) 因系统矩阵中的参数 R e、R d和 R b是 SOC的 函数, 将会随时间的变化而变化, 因此, 应作为时 变系统来研究。将式 ( 3)和式 ( 4)写成状态空间 的一般表达式,即 X = A ( t)X + B ( t)U ( 5) Y= C ( t)X +D ( t)U 式中, X为状态变量 [ UCb UC e ] �; Y为输出变量 U t; U为输入变量 Ib。 式 ( 3)和式 ( 4)中的 4个矩阵分别简写为 A ( t)、B ( t )、C ( t )和 D ( t )。状态方程式 (5)的解为: X ( t) = �( t, t0 )X ( t0 ) + �t0 �( t, �)B ( �)U ( �) d � (6) 近似的离散化状态方程为: X ( k+ 1) = [TA ( k ) + I ]X ( k ) + TB ( k )U( k) ( 7) 由此可得 SOC的估算方法: ( 1)首先由电池的温度 T与 SOC计算出电路 的参数 Cb、C e、R e、R d和 R b, 这些数据通过对电池 进行一系列的充放电试验得到。不同的温度与 SOC,分别有对应的参数值, 因此可建立 2个一维 表格 关于规范使用各类表格的通知入职表格免费下载关于主播时间做一个表格详细英语字母大小写表格下载简历表格模板下载 (C b、C e对于 T )和 3个二维表格 (R e、R d和 Rb对于 SOC与 T )。测量得到电池的温度后,结合 56 武汉理工大学学报� 信息与管理工程版 2008年 2月 电池当前的 SOC值,就可插值得到 5个电路参数值。 ( 2)由式 (3) ~式 (5)计算出矩阵 A、B、C和 D。 ( 3)系统的采样时间间隔 �t为已知, 根据当 前的电池状态X ( k),由式 (7)计算得到 X (k+ 1)。 ( 4)由电池的模型可知,其瞬时开路电压 Uoc 与系统的状态变量 UC b和 UC e之间的关系为 Uoc= (R eUC b + R dUC e ) / (R e + R d ) ( 8) 虽然按式 (8)可计算出电池的瞬时开路电压 Uoc,但是能表征电池 SOC的是稳态开路电压。 电容 C e的值较小, 当输出电流很大时,电容上的 电压 UC e将急剧下降,放电停止后 UC b则向电容 Ce 充电, 引起 UC e上升。由于电容 Cb远大于 C e, 如 果电池保持在开路状态一定的时间, UCb和 UC e两 个电容上的电压与 Uoc将趋于一致,约等于 UC b。 因此在实际的应用中, 采用状态变量 UC b 来估计 SOC值。 (5)根据 SOC与开路电压的关系, 可以插 值计算 SOC: SOC = Q n � E0 - �t0 E ( SOC ) � Id t Qn � E 0 (9) 式中, E (SOC ) = Uoc+ R d ( SOC ) � I; Q n为电池的 额定电量; E0为初始电动势; E ( SOC )为电池的电 动势 (是 SOC的函数 )。 在电动汽车上,微控制器按程序从 A 到 E依 次循环计算,可得到电池不同时刻的 SOC值。以 上是对电池的放电过程进行分析, 充电过程与之 相似, 只是电流方向相反, R d改为充电电阻 R c。 4� 试验结果仿真分析 4. 1� 仿真环境 M atlab是由 MathWorks公司开发的数值计算 软件。它的最大优势在于齐全的工具箱和函数, 方便的操作方式和多种软硬件接口。笔者试验中 仿真软件采用 Matlab 6. 5。 S imulink是 Matlab的可视化控制系统仿真集 成环境,是进行复杂控制系统快速建模与仿真的 首选工具 [ 9 ]。因此选择 Matlab /S imu link作为仿 真计算的平台。 4. 2� 仿真结果 采用所提出的基于状态空间的递推算法仿 真,对电池充电和放电过程中 SOC的变化进行了 仿真验算。 28 � 电池充 /放电时 SOC特性曲线如 图 4所示。电池初始 SOC为 0% ,以 2 A恒流充 电 6 h。SOC的估计值和通过开路电压法测量并 估算结果的比较如图 5所示。从图 5中可以看 出, 采用状态空间算法的 SOC的估计值和通过开 路电压法测量估算的结果误差小于 5%。 图 4� 28� 电池充 /放电时的 SOC特性曲线 图 5� 充电时 SOC估计值与开路电压法测量值比较 5� 结 � 论 基于状态空间的 SOC递推估计算法能修正 温度对电池 SOC的影响。镍氢电池充放电过程 中 SOC的仿真计算表明, 该模型和算法精确可 靠,易于实现, 可以满足电动汽车 SOC估计的要 求,适合在电动汽车上应用。 用测得的电池参数对现存电池容量状态做出 准确、可靠的估算,一直是电动汽车和电池研究人 员关注并投入大量精力的研究课 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。到目前为 止,电池的可测参数电流、电压、温度和电阻等都 被用来估计或修正 SOC。但由于这些电池参数与 SOC之间的关系复杂,要获得高度的准确性和可 靠性, 需要通过大量的试验来取得足够的专家经 验,这是非常艰难的工作 [ 10 ]。建立具有一定的准 确性和可靠性,又比较简明的 SOC判断模型具有 极其重要的现实意义,有待于进一步的研究。 57第 30卷 � 第 1期 吴友宇,等: 电动汽车用动力镍氢电池 SOC建模与仿真 参考文献: [ 1] � 朱 � 元, 韩晓东,田光宇 .电动汽车动力电池 SOC预 测技术研究 [ J].电源技术, 2000, 24( 3): 153- 156. 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M athematicM odel and Simulation Analysis on NMi H Battery in E lectricV ehicle and Its SOC E stim ation WU Youyu, X IAO T ing, LEI D ongbo Abstrac t: A set o f exper im ents we re designed to ana lyze and study the charg ing and discharg ing character istics o f the n ickel hy- drogen ba ttery. A series of open- c ircu it vo ltage test curves o f n ickel hydrogen ba tteryw ere obta ined. A lumped pa ram e ter c ircuit m ode l for the nicke l hydrogen battery was presen ted w ith the consideration of temperature e ffect. On this bas is, an associated re- cursive a lgo rithm fo r estim ating the state o f charg e ( SOC ) o f battery based on state space was estab lished to m ake some simu la- tion on cha rg ing and discharg ing processes of the batte ry. The exper im ent on veh icle proves that this m ethod can obtain the pre- cise and re liab le SOC static predictive va lue. K eywords: nicke l hydrogen batteries; state of charge; m ode l WU Youyu: Pro.f ; Schoo l o f Inform ation Eng ineer ing, WUT, W uhan 430070, Ch ina. [编辑:王志全 ] (上接第 54页 ) Intelligent Traffic L ights Based on theU ltrasonic Detection and the FuzzyA lgorithm ZHANG Q ingy ing, WU Yunan Abstrac t: An inte lligent traffic light design based on the u ltrason ic detection w as introduced . Supported by the fuzzy a lgo rithm, tim e schedu le for the traffic lights w as estab lished dynam ica lly rather than statica lly accord ing to the tra ffic flow s at the d ifferent d irections of the intersec tion, wh ich can greatly reduce thew a iting tim e and improve the traffic rem arkably. K ey words: ultrason ic techno logy; inte lligent traffic lights; M odBus TCP ZHANG Q ingy ing: P ro.f ; Schoo l o f Log istic Eng ineering, WUT, Wuhan 430070, Ch ina. [编辑:王志全 ] 58 武汉理工大学学报� 信息与管理工程版 2008年 2月