專(zhuān)利名稱：一種鎳氫電池荷電態(tài)的估算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鎳氫電池荷電態(tài)的估算方法，更確切地說(shuō)，本發(fā)明用氣體傳感器檢測(cè)電池內(nèi)部氣體狀態(tài)并估算鎳氫電池荷電態(tài)的方法，涉及電池技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
節(jié)能與環(huán)保是當(dāng)今世界汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的兩大主題。世界各發(fā)達(dá)國(guó)家為此都開(kāi)展了電動(dòng)汽車(chē)的研究。其中動(dòng)力電池的使用壽命遠(yuǎn)不能滿足電動(dòng)車(chē)輛運(yùn)營(yíng)的要求，因而制約了電動(dòng)車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。這既與電池的制造技術(shù)和工藝有關(guān)，也與電池的管理有關(guān)。特別是電池的荷電態(tài)(SOC)，因?yàn)殡姵亟M的SOC使用范圍對(duì)其壽命影響很大。過(guò)充電和/或過(guò)放電不僅使壽命大大降低，而且其能量效率也降低。鎳氫電池具有較高的功率密度和安全性，是目前混合電動(dòng)車(chē)(HEV)中得到最大規(guī)模使用的電池系列。與鋰電池等其他系列相比，鎳氫電池由于在很寬的SOC范圍內(nèi)的充放電電壓很平穩(wěn)，很少的電壓變化意味著很大的SOC變化，因此即其SOC更不容易通過(guò)電壓精確判斷。除了實(shí)際放電(這需要很長(zhǎng)時(shí)間且在整車(chē)上不宜進(jìn)行)以外，沒(méi)有其他明確的可測(cè)物理量在線與SOC —一對(duì)應(yīng)。而在HEV模式使用中，SOC必須及時(shí)準(zhǔn)確地告知整車(chē)控制系統(tǒng)，以確定電池組能否接受外界能量或能否對(duì)外輸出能量?，F(xiàn)有的安時(shí)計(jì)量法、內(nèi)阻法、 開(kāi)路電壓法、放電實(shí)驗(yàn)法和負(fù)載電壓法、人工智能法、卡爾曼濾波法等方法都遇到了準(zhǔn)確度低、累計(jì)誤差大的難題。最常用的安培時(shí)間積分法也稱為電量累積法，是目前商用電動(dòng)車(chē)上應(yīng)用最普遍的方法。但由于電池的自放電不經(jīng)過(guò)外電路以及電池的充電效率不總是100%，即使再精確的充放電電量計(jì)算也不能真實(shí)地反映電池的實(shí)際電量。更為嚴(yán)重的是，隨著時(shí)間的累積，SOC 的估算誤差可能會(huì)越來(lái)越大?？梢?jiàn)，探索電動(dòng)汽車(chē)用鎳氫電池SOC估算的新方法十分迫切。以水溶液為電解質(zhì)的鎳氫電池，除電池制造過(guò)程帶入的少量空氣的O2及 78%的隊(duì))外，儲(chǔ)氫合金負(fù)極自身存在一定的吐分壓，在過(guò)充電及高倍率充電過(guò)程中正極析 O2及負(fù)極析吐均不可避免，同時(shí)，&擴(kuò)散到負(fù)極，與負(fù)極中的H經(jīng)過(guò)化學(xué)或電化學(xué)復(fù)合反應(yīng)還原為H2O或OH-進(jìn)入電解液。電池內(nèi)部的N2、O2及H2分壓的總和就是電池的內(nèi)壓。鎳氫電池在長(zhǎng)時(shí)間的靜置過(guò)程中，電池內(nèi)部的A將全部在負(fù)極上逐步還原，相應(yīng)的電池內(nèi)部氫分壓及內(nèi)壓也趨于穩(wěn)定，這時(shí)的電池內(nèi)壓與儲(chǔ)氫合金負(fù)極所用的儲(chǔ)氫合金的平衡壓、電池的SOC密切相關(guān)。也就是說(shuō)，儲(chǔ)氫合金確定且電池制造完成后，穩(wěn)定的氫分壓及內(nèi)壓可以用于估算鎳氫電池的S0C。特別是當(dāng)整車(chē)停車(chē)一段時(shí)間后再次啟動(dòng)時(shí)，電池的氫分壓或穩(wěn)定內(nèi)壓可以被準(zhǔn)確地測(cè)量到。本發(fā)明試圖借助鎳氫電池自身獨(dú)有的特性，提取電池的內(nèi)部氫分壓(或氫氣含量)或(和)內(nèi)部氣體總壓力的數(shù)值，提出一種全新的SOC估算方法，將電池的穩(wěn)定氫含量或是穩(wěn)定內(nèi)壓作為判斷電池SOC的依據(jù)，再配合安時(shí)積分法，提高車(chē)用動(dòng)力電池的SOC估算精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種鎳氫電池荷電態(tài)的估算方法，具體地說(shuō)本發(fā)明提供一種用氣體傳感器檢測(cè)電池內(nèi)部氣體狀態(tài)并估算鎳氫電池荷電態(tài)。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是通過(guò)安裝的氣體傳感器在充放電開(kāi)始之前利用氣體傳感器檢測(cè)電池內(nèi)部氣體狀態(tài)，再結(jié)合電池溫度、靜置時(shí)間(充放電電流均為0)及電池的充放電次數(shù)，對(duì)照數(shù)據(jù)庫(kù)中的荷電態(tài)數(shù)值對(duì)應(yīng)表，確定鎳氫電池或電池組當(dāng)前的荷電態(tài)。所述的電池內(nèi)部氣體狀態(tài)為電池內(nèi)部氣體中的氫分壓(或氫含量)或氣體總壓力(內(nèi)壓)。所述的方法，其所述的電池是適用于安裝氣體傳感器的單體鎳氫電池或至少包含一個(gè)安裝氣體傳感器鎳氫單體電池的電池組。所述的方法，其所述的鎳氫電池其特征在于，適用的鎳氫電池可以是所有種類(lèi)、所有型號(hào)及所有廠家的鎳氫電池，形狀為圓柱形、方形、橢圓形、棱形、中空等任意形狀。所述的方法，其所述電池內(nèi)部氣體的狀態(tài)，包含用電池的內(nèi)部氫分壓(或氫氣含量)或(和)內(nèi)部氣體總壓力的數(shù)值。所述的方法，其所述方法適用于鎳氫電池充放電開(kāi)始之前，利用氣體傳感器檢測(cè)到的電池內(nèi)部氣體狀態(tài)。所述的方法，其所述的氣體傳感器，為氫含量傳感器或氣體壓力傳感器，且該傳感器既可以封裝在電池內(nèi)直接測(cè)量電池內(nèi)部氣體狀態(tài)，也可以安裝在電池表面，通過(guò)形變量等參數(shù)間接測(cè)量電池內(nèi)部氣體狀態(tài)。所述的方法，其所述鎳氫電池或電池組的荷電狀態(tài)范圍為0% 100%。所述的方法，其所述鎳氫電池或電池組的溫度范圍為-20°C 100°C。所述的方法，其所述鎳氫電池或電池組的靜置時(shí)間范圍為彡池。所述的方法，其所述鎳氫電池或電池組的充放電次數(shù)范圍為> 1次。所述的方法測(cè)試數(shù)據(jù)表明電池內(nèi)部氣體狀態(tài)中的氫分壓、氫含量，氣體總壓力或內(nèi)壓均是變數(shù)，而現(xiàn)行數(shù)據(jù)中資料不全，在20°C溫度下對(duì)應(yīng)的一組SOC數(shù)據(jù)的關(guān)系式為y = ax+b (式中y為電池穩(wěn)定的內(nèi)壓，χ為20°C條件下的荷電態(tài))，其他溫度和放電次數(shù)下均有此規(guī)律，只是具體a和b值不同(詳見(jiàn)實(shí)施例)。因此，與傳統(tǒng)的安培時(shí)間積分法相比，本發(fā)明最大的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是更準(zhǔn)確更簡(jiǎn)單。本發(fā)明利用氣體傳感器檢測(cè)電池內(nèi)部氣體狀態(tài)的方法，把它們與電池溫度、靜置時(shí)間(充放電電流均為0)及電池的充放電次數(shù)結(jié)合起來(lái)，通過(guò)對(duì)照“內(nèi)部氣體狀態(tài)-電池荷電態(tài)”數(shù)據(jù)庫(kù)估算鎳氫電池或電池組當(dāng)前的荷電態(tài)。本發(fā)明提供的估算鎳氫電池荷電態(tài)的方法，不只是適用于所有種類(lèi)所有型號(hào)及不同廠家生產(chǎn)的鎳氫電池，而且比依據(jù)電壓等傳統(tǒng)荷電態(tài)估算方法更加準(zhǔn)確也更加簡(jiǎn)便。


圖1采用氣體傳感器估算電池(組)荷電態(tài)的原理圖；圖2圓柱型電池內(nèi)置式氣體傳感器裝置示意圖(ZL200510051569. 1)；
圖3圓柱型電池外置式氣體壓力傳感器裝置示意圖(ZL200820153456. 1)；圖4為D型QNY6電池20°C時(shí)的內(nèi)壓與荷電狀態(tài)(SOC)的關(guān)系曲線；圖5為D型QNY6電池20°C時(shí)的氫氣分壓與荷電狀態(tài)(SOC)的關(guān)系曲線。圖中，1、極組；2、鋼殼(負(fù)極)；3、氣體傳感器固定下蓋；4、氣體傳感器固定上蓋; 5、氣體傳感器引線；6、氣體傳感器引線孔；7、氣體傳感器；8、0型圈；9、電池密封圈；10、外置式氣體壓力傳感片。
具體實(shí)施例方式圖1是采用氣體傳感器估算電池(組)荷電態(tài)的原理圖。其中，電池與氣體傳感器的連接方式，將在圖2-圖3中做介紹。單片機(jī)是控制器及外圍電路的統(tǒng)稱，兼具采樣、查表計(jì)算等功能，是公知技術(shù)，在此不做贅述。電池與單片機(jī)和充放電設(shè)備之間的連接，單片機(jī)和充放電設(shè)備之間的連接為公知技術(shù)，在此也不做贅述。氣體傳感器可采用圖2-圖3中本發(fā)明的任一種方式與電池密封連接，單片機(jī)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池內(nèi)部的壓力或氫氣含量， 溫度、時(shí)間等參數(shù)，同時(shí)單片機(jī)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的查表計(jì)算后，從而判定電池(組)目前的荷電狀態(tài)(SOC)，進(jìn)而將信號(hào)回發(fā)給充放電電源，使其給電池繼續(xù)充電或是放電。圖2為圓柱型電池內(nèi)置式氣體傳感器裝置示意圖(ZL200820153456. 1)。圖3為圓柱型電池外置式氣體壓力傳感器裝置示意圖(ZL200510051569. 1)。與內(nèi)置式壓力傳感器4比較，受測(cè)電池在充放電過(guò)程中，外置式壓力傳感器10是通過(guò)檢測(cè)受測(cè)電池底部的微小形變來(lái)反映受測(cè)電池的內(nèi)部壓力。外置式壓力傳感器10只需將氣體壓力傳感器壓力應(yīng)變片用專(zhuān)用膠粘的方式固接于受測(cè)電池2底端外側(cè)。與內(nèi)置式壓力傳感器7比較，外置式壓力傳感片10只需將氣體壓力傳感器觸片緊貼于電池底部即可。不過(guò)，外置式壓力傳感器的精度及靈敏度比內(nèi)置式要差得多，且外置式壓力傳感器只能檢測(cè)電池的內(nèi)壓，無(wú)法檢測(cè)電池內(nèi)的氫氣分壓或是氫氣含量。實(shí)施例1圖4所示為用氣體壓力傳感器得到的圓柱型D-QNY6鎳氫電池20°C時(shí)的內(nèi)壓與荷電狀態(tài)(SOC)的關(guān)系曲線。可以看出，20°C時(shí)電池的穩(wěn)定內(nèi)壓(y)近似與其SOC (χ)值呈線性關(guān)系，符合關(guān)系式y(tǒng) = 0. 082X+21. 93，該關(guān)系式是通過(guò)實(shí)測(cè)確定的，同樣不同溫度及不同循環(huán)次數(shù)下電池的穩(wěn)定內(nèi)壓(y)近似與其SOC(X)的關(guān)系曲線都可通過(guò)實(shí)測(cè)確定，由此可建立“電池內(nèi)壓-荷電態(tài)”數(shù)據(jù)庫(kù)，當(dāng)實(shí)測(cè)到電池內(nèi)壓后通過(guò)查表可獲得當(dāng)前的荷電態(tài)數(shù)據(jù)。實(shí)施例2圖5所示為用氫氣含量傳感器得到的圓柱型D-QNY6鎳氫電池20°C時(shí)的內(nèi)壓與荷電狀態(tài)(SOC)的關(guān)系曲線。同實(shí)施例1，可建立“電池氫氣含量-荷電態(tài)”數(shù)據(jù)庫(kù)，當(dāng)實(shí)測(cè)到電池中的氫氣含量后通過(guò)查表可獲得當(dāng)前的荷電狀態(tài)(SOC)數(shù)據(jù)。
權(quán)利要求
1.一種鎳氫電池荷電態(tài)的估算方法，其特征在于所述的估算方法是用氣體傳感器檢測(cè)電池內(nèi)部氣體狀態(tài)并估算鎳氫電池荷電態(tài)，具體是通過(guò)安裝的氣體傳感器，在充放電開(kāi)始之前利用氣體傳感器檢測(cè)電池內(nèi)部氣體的狀態(tài)，再結(jié)合電池溫度、充放電電流均為0的靜置時(shí)間及電池的充放電次數(shù)，對(duì)照數(shù)據(jù)庫(kù)中的荷電態(tài)數(shù)值對(duì)應(yīng)表，從而確定鎳氫電池的荷電態(tài)；所述的電池內(nèi)部氣體狀態(tài)包括氫分壓、氫氣含量、氣體總壓力或內(nèi)壓。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的安裝氣體傳感器為單體鎳氫電池或至少包含一個(gè)安裝氣體傳感器鎳氫單體電池的電池組。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的鎳氫電池為所有種類(lèi)、所有型號(hào)及所有廠家的鎳氫電池，形狀為圓柱形、方形、橢圓形、菱形或中空的任意一種。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述氣體傳感器為氫含量壓力傳感器或?yàn)闅怏w壓力傳感器，且該傳感器既封裝在電池內(nèi)直接測(cè)量電池內(nèi)部氣體狀態(tài)，或安裝在電池表面，通過(guò)形變量參數(shù)間接測(cè)量電池內(nèi)部氣體狀態(tài)。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述鎳氫電池或電池組的溫度范圍為 0% -100%。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述鎳氫電池或電池組的荷電狀態(tài)范圍為-200C -IOO0C0
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述鎳氫電池或電池組的靜置時(shí)間范圍為彡2h。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述鎳氫電池或電池組的充放電次數(shù)范圍為彡1次。
9.如權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于在20°C溫度下電池穩(wěn)定的內(nèi)壓與 SOC的關(guān)系式為y = ax+b式中，y為電池穩(wěn)定的內(nèi)壓，χ為soc。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于D-QNy6鎳氫電池在20°C條件下a= 0. 082， b = 21. 93。
全文摘要
本發(fā)明用氣體傳感器檢測(cè)電池內(nèi)部氣體狀態(tài)并估算鎳氫電池荷電態(tài)的方法，提供了一種適用于鎳氫電池的新的荷電態(tài)估算方法通過(guò)氣體傳感器檢測(cè)電池內(nèi)部氣體中的氫分壓(或氫氣含量)或氣體總壓力(內(nèi)壓)，再結(jié)合靜置時(shí)間、電池溫度、電池的充放電次數(shù)等其他參數(shù)，對(duì)照數(shù)據(jù)庫(kù)中的荷電態(tài)數(shù)值對(duì)照表，判定電池的荷電狀態(tài)。本發(fā)明方法適用于鎳氫電池，比依據(jù)電壓等的傳統(tǒng)荷電態(tài)估算方法更加準(zhǔn)確也更加簡(jiǎn)便。
文檔編號(hào)G01R31/36GK102331560SQ20111012838
公開(kāi)日2012年1月25日 申請(qǐng)日期2011年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月16日
發(fā)明者夏保佳, 婁豫皖, 張建, 毛王君, 葛建民 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所