估测铅酸蓄电池荷电状态估测前言

【摘 要】 本文根据铅酸蓄电池的工作原理，从铅酸蓄电池的内部结构、电化学反应以及所表现出来的外部特征进行分析影响铅酸蓄电池荷电状态的诸多因素，并由此提出了估测铅酸蓄电池荷电状态的一系列方法。
【关键词】 铅酸蓄电池 荷电状态 估测
随着全球汽车工业的快速发展，人类面临着它所带来的一系列问题：环境污染、能源损耗。然而，石油资源日益枯竭，汽车又是人类生产生活不可缺少的交通工具，促成了人们对电动汽车及混合动力汽车进行研制和发展的迫切性，并得到了各大汽车公司的大力支持。这种迫切性主要体现在：

1 石油资源的短缺提出了发展电动汽车的需求

汽车所消耗的燃油主要来自石油，石油是不可再生资源。按照目前的开采速度，只能维持三四十年。随着汽车数量的大量增加，燃油消耗将成为一个重大问题。汽车大约消耗了30-40%的石油资源。各大汽车公司相继开发了以太阳能、甲醇、乙醇、液态氢、液化石油气、天然气、电力等为能源的车辆。

2 燃油汽车对人类生活的严重污染导致了人们对电动汽车的需求

环境保护部门的监测数据显示：在美国的大气污染中，95-99%的CO来自汽车尾气，氮氧化物占32-55%，还有噪音污染。许多城市街区的噪音主要来自汽车。电动汽车及混合动力汽车是接近零污染的汽车，它们以电能作为动力源，在行驶中几乎没有废气排出，噪音也仅有内燃机的一半。
在电动汽车的研制中，铅酸蓄电池作为车载电源具有至关重要的作用。这里有两个课题：一是提高能量的储备，二是提高能量的利用率。针对电力的储备，主要是制造出比能量高、比功率大、寿命长的电池；对于电能的利用率，一要提高与铅酸蓄电池配套设备的工作效率，二要提高铅酸蓄电池本身的利用率，优化电池系统。
铅酸蓄电池的化学反应式为：
PbO2+Pb+2H 2SO4〈=〉2PbSO4+2H2O
上式中正反应为放电过程，逆反应为充电过程。
铅酸蓄电池的荷电状态是用来反映铅酸蓄电池的剩余容量的，其数值上定义为铅酸蓄电池剩余容量占铅酸蓄电池总容量的比值：
S=Qr/Qi
Qr------铅酸蓄电池当前时刻的剩余容量，
Qi------铅酸蓄电池以恒定电流i放电时所具有的总容量
铅酸蓄电池的荷电状态描述了剩余容量的状况，剩余容量估测系统的研究，是有效提高铅酸蓄电池使用寿命的一个重要手段。铅酸蓄电池荷电状态的估测，对铅酸蓄电池管理系统非常重要。铅酸蓄电池管理系统对电池进行管理和控制的重要前提是能准确可靠地得到电池的实时容量状态参数。铅酸蓄电池管理系统要根据实时的电池容量来决定是否进行电池最大放电电流控制，并根据各个电池容量的不同识别电池组中各电池间的性能差异，并据此作出均衡充电控制和电池是否损坏的判断，保证电池组性能良好，延长电池组的使用寿命。
国际、国内对铅酸蓄电池荷电状态的估测提出过不少方法，像安时法、负载电压法、开路电压法等，由于铅酸蓄电池复杂的物理化学特性，这些方法都遇到了准确度的问题。铅酸蓄电池的荷电状态跟铅酸蓄电池的内阻、电解液温度、密度、放电电流、电压等参数密切相关，所以铅酸蓄电池的荷电状态可以看作是这些变量的非线性函数

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。目前能够实际应用的铅酸蓄电池荷电状态的估测方法多数是安时积分法以及一些改进方法，现就一些具体研究方法对比如下：

2.1 安时积分法

安时积分法的工作原理比较简单。它将铅酸蓄电池看作一个相对封闭的系统，它并不去研究复杂的电化学反应，而是研究该系统的外部特征，监控进出这一封闭系统的电量。对铅酸蓄电池的电量变化进行长时间的监控，从而能够给出任意时刻铅酸蓄电池的荷电状态。安时积分法实现起来比较简单，受铅酸蓄电池本身条件的限制小，适合发挥计算机监控的优点。但是，安时积分法没有从内部解决剩余电量与铅酸蓄电池内部状态的关系，而只是从外部记录了进出铅酸蓄电池的电量，从而造成剩余电量的估测可能因为铅酸蓄电池状态的改变而失去精度。
2.

1.1 负载电压法

由于铅酸蓄电池的开路电压很难得到，研究铅酸蓄电池的负载电压与铅酸蓄电池荷电状态的关系将是一种很好的方法。负载电压的测量不需要长时间静置。检测设电流不变，那么负载电压与开路电压将成正比，由此可以估测铅酸蓄电池的荷电状态。但是电动汽车的实际工作环境是动态的，电流变化不稳定，恒流条件无法满足，并且铅酸蓄电池的电压恢复会产生滞后效应和叠加效应。也就是说，当铅酸蓄电池放电时，如果在放电前期铅酸蓄电池未保持一个稳定状态，那么铅酸蓄电池的电压恢复曲线将同放电曲线有一定程度的叠加。所以在实际工作中是不可能得到稳定的负载电压的，对负载电压法的过高期望是不切实际的。
2.

1.2 开路电压法

由于铅酸蓄电池的荷电状态与它的电动势有确定的关系，开路电压与铅酸蓄电池的容量之间有着较好的线性关系，所以用开路电压法估测铅酸蓄电池的容量可以达到一定的精度，并且可以在单片机上完成。但是，在估测的过程中，铅酸蓄电池在充电或放电之后都需要静置很长时间，而且环境温度对测量结果也会产生影响，只有参考经验数据才能获得较好的精度。在实际使用中，铅酸蓄电池长时间静置的机会是很少的，多数情况下是充完电之后就工作，或是短时间静置后就工作。所以也就无法对铅酸蓄电池的荷电状态进行准确的估测。
2.

1.3 模糊逻辑法

这些年出现的采用模糊逻辑法来估测铅酸蓄电池的荷电状态，在某种程度上解决了用传统数学方法研究的困难。在实际工作中，从事铅酸蓄电池研究工作的研究人员在通过一系列的试验后，对铅酸蓄电池荷电状态的估测通常是比较准确的，特别是在放电试验后期，依据所测得的温度、电压、电流等参数，对铅酸蓄电池放电终止状态的估测能力很强。这种方法的原理就是依据大量的试验曲线，加上研究人员的经验值以及他们的推理能力，用模糊逻辑来模拟人的思维，可以实现对铅酸蓄电池荷电状态的可靠估测。

2.2 神经网络法

由于铅酸蓄电池的荷电状态受环境温度、电流、电压等诸多因素的影响，而且关系很复杂。所以，神经网络在逼近复杂非线性系统研究方面得到了广泛应用，已有很多基于神经网络的辨识和控制结构提出，像ART模型，BP网络，径向基网络。美国普林斯顿大学的研究人员把铅酸蓄电池看作一个黑匣子，采用神经元技术，在铅酸蓄电池的整个生命周期中，在各种工况下训练由神经元构成的网络。