专利名称：一种镍氢电池荷电态的估算方法
技术领域：
本发明涉及一种镍氢电池荷电态的估算方法，更确切地说，本发明用气体传感器检测电池内部气体状态并估算镍氢电池荷电态的方法，涉及电池技术领域。
背景技术：
节能与环保是当今世界汽车产业发展的两大主题。世界各发达国家为此都开展了电动汽车的研究。其中动力电池的使用寿命远不能满足电动车辆运营的要求，因而制约了电动车产业的发展。这既与电池的制造技术和工艺有关，也与电池的管理有关。特别是电池的荷电态(SOC)，因为电池组的SOC使用范围对其寿命影响很大。过充电和/或过放电不仅使寿命大大降低，而且其能量效率也降低。镍氢电池具有较高的功率密度和安全性，是目前混合电动车(HEV)中得到最大规模使用的电池系列。与锂电池等其他系列相比，镍氢电池由于在很宽的SOC范围内的充放电电压很平稳，很少的电压变化意味着很大的SOC变化，因此即其SOC更不容易通过电压精确判断。除了实际放电(这需要很长时间且在整车上不宜进行)以外，没有其他明确的可测物理量在线与SOC —一对应。而在HEV模式使用中，SOC必须及时准确地告知整车控制系统，以确定电池组能否接受外界能量或能否对外输出能量。现有的安时计量法、内阻法、 开路电压法、放电实验法和负载电压法、人工智能法、卡尔曼滤波法等方法都遇到了准确度低、累计误差大的难题。最常用的安培时间积分法也称为电量累积法，是目前商用电动车上应用最普遍的方法。但由于电池的自放电不经过外电路以及电池的充电效率不总是100%，即使再精确的充放电电量计算也不能真实地反映电池的实际电量。更为严重的是，随着时间的累积，SOC 的估算误差可能会越来越大。可见，探索电动汽车用镍氢电池SOC估算的新方法十分迫切。以水溶液为电解质的镍氢电池，除电池制造过程带入的少量空气的O2及 78%的队)外，储氢合金负极自身存在一定的吐分压，在过充电及高倍率充电过程中正极析 O2及负极析吐均不可避免，同时，&扩散到负极，与负极中的H经过化学或电化学复合反应还原为H2O或OH-进入电解液。电池内部的N2、O2及H2分压的总和就是电池的内压。镍氢电池在长时间的静置过程中，电池内部的A将全部在负极上逐步还原，相应的电池内部氢分压及内压也趋于稳定，这时的电池内压与储氢合金负极所用的储氢合金的平衡压、电池的SOC密切相关。也就是说，储氢合金确定且电池制造完成后，稳定的氢分压及内压可以用于估算镍氢电池的S0C。特别是当整车停车一段时间后再次启动时，电池的氢分压或稳定内压可以被准确地测量到。本发明试图借助镍氢电池自身独有的特性，提取电池的内部氢分压(或氢气含量)或(和)内部气体总压力的数值，提出一种全新的SOC估算方法，将电池的稳定氢含量或是稳定内压作为判断电池SOC的依据，再配合安时积分法，提高车用动力电池的SOC估算精度。

发明内容
本发明的目的在于提供一种镍氢电池荷电态的估算方法，具体地说本发明提供一种用气体传感器检测电池内部气体状态并估算镍氢电池荷电态。为达到上述目的，本发明的技术解决方案是通过安装的气体传感器在充放电开始之前利用气体传感器检测电池内部气体状态，再结合电池温度、静置时间(充放电电流均为0)及电池的充放电次数，对照数据库中的荷电态数值对应表，确定镍氢电池或电池组当前的荷电态。所述的电池内部气体状态为电池内部气体中的氢分压(或氢含量)或气体总压力(内压)。所述的方法，其所述的电池是适用于安装气体传感器的单体镍氢电池或至少包含一个安装气体传感器镍氢单体电池的电池组。所述的方法，其所述的镍氢电池其特征在于，适用的镍氢电池可以是所有种类、所有型号及所有厂家的镍氢电池，形状为圆柱形、方形、椭圆形、棱形、中空等任意形状。所述的方法，其所述电池内部气体的状态，包含用电池的内部氢分压(或氢气含量)或(和)内部气体总压力的数值。所述的方法，其所述方法适用于镍氢电池充放电开始之前，利用气体传感器检测到的电池内部气体状态。所述的方法，其所述的气体传感器，为氢含量传感器或气体压力传感器，且该传感器既可以封装在电池内直接测量电池内部气体状态，也可以安装在电池表面，通过形变量等参数间接测量电池内部气体状态。所述的方法，其所述镍氢电池或电池组的荷电状态范围为0% 100%。所述的方法，其所述镍氢电池或电池组的温度范围为-20°C 100°C。所述的方法，其所述镍氢电池或电池组的静置时间范围为彡池。所述的方法，其所述镍氢电池或电池组的充放电次数范围为> 1次。所述的方法测试数据表明电池内部气体状态中的氢分压、氢含量，气体总压力或内压均是变数，而现行数据中资料不全，在20°C温度下对应的一组SOC数据的关系式为y = ax+b (式中y为电池稳定的内压，χ为20°C条件下的荷电态)，其他温度和放电次数下均有此规律，只是具体a和b值不同(详见实施例)。因此，与传统的安培时间积分法相比，本发明最大的一个优点是更准确更简单。本发明利用气体传感器检测电池内部气体状态的方法，把它们与电池温度、静置时间(充放电电流均为0)及电池的充放电次数结合起来，通过对照“内部气体状态-电池荷电态”数据库估算镍氢电池或电池组当前的荷电态。本发明提供的估算镍氢电池荷电态的方法，不只是适用于所有种类所有型号及不同厂家生产的镍氢电池，而且比依据电压等传统荷电态估算方法更加准确也更加简便。


图1采用气体传感器估算电池(组)荷电态的原理图；图2圆柱型电池内置式气体传感器装置示意图(ZL200510051569. 1)；
图3圆柱型电池外置式气体压力传感器装置示意图(ZL200820153456. 1)；图4为D型QNY6电池20°C时的内压与荷电状态(SOC)的关系曲线；图5为D型QNY6电池20°C时的氢气分压与荷电状态(SOC)的关系曲线。图中，1、极组；2、钢壳(负极)；3、气体传感器固定下盖；4、气体传感器固定上盖; 5、气体传感器引线；6、气体传感器引线孔；7、气体传感器；8、0型圈；9、电池密封圈；10、外置式气体压力传感片。
具体实施例方式图1是采用气体传感器估算电池(组)荷电态的原理图。其中，电池与气体传感器的连接方式，将在图2-图3中做介绍。单片机是控制器及外围电路的统称，兼具采样、查表计算等功能，是公知技术，在此不做赘述。电池与单片机和充放电设备之间的连接，单片机和充放电设备之间的连接为公知技术，在此也不做赘述。气体传感器可采用图2-图3中本发明的任一种方式与电池密封连接，单片机可以实时监测电池内部的压力或氢气含量， 温度、时间等参数，同时单片机对这些数据进行相应的查表计算后，从而判定电池(组)目前的荷电状态(SOC)，进而将信号回发给充放电电源，使其给电池继续充电或是放电。图2为圆柱型电池内置式气体传感器装置示意图(ZL200820153456. 1)。图3为圆柱型电池外置式气体压力传感器装置示意图(ZL200510051569. 1)。与内置式压力传感器4比较，受测电池在充放电过程中，外置式压力传感器10是通过检测受测电池底部的微小形变来反映受测电池的内部压力。外置式压力传感器10只需将气体压力传感器压力应变片用专用胶粘的方式固接于受测电池2底端外侧。与内置式压力传感器7比较，外置式压力传感片10只需将气体压力传感器触片紧贴于电池底部即可。不过，外置式压力传感器的精度及灵敏度比内置式要差得多，且外置式压力传感器只能检测电池的内压，无法检测电池内的氢气分压或是氢气含量。实施例1图4所示为用气体压力传感器得到的圆柱型D-QNY6镍氢电池20°C时的内压与荷电状态(SOC)的关系曲线。可以看出，20°C时电池的稳定内压(y)近似与其SOC (χ)值呈线性关系，符合关系式y = 0. 082X+21. 93，该关系式是通过实测确定的，同样不同温度及不同循环次数下电池的稳定内压(y)近似与其SOC(X)的关系曲线都可通过实测确定，由此可建立“电池内压-荷电态”数据库，当实测到电池内压后通过查表可获得当前的荷电态数据。实施例2图5所示为用氢气含量传感器得到的圆柱型D-QNY6镍氢电池20°C时的内压与荷电状态(SOC)的关系曲线。同实施例1，可建立“电池氢气含量-荷电态”数据库，当实测到电池中的氢气含量后通过查表可获得当前的荷电状态(SOC)数据。
权利要求
1.一种镍氢电池荷电态的估算方法，其特征在于所述的估算方法是用气体传感器检测电池内部气体状态并估算镍氢电池荷电态，具体是通过安装的气体传感器，在充放电开始之前利用气体传感器检测电池内部气体的状态，再结合电池温度、充放电电流均为0的静置时间及电池的充放电次数，对照数据库中的荷电态数值对应表，从而确定镍氢电池的荷电态；所述的电池内部气体状态包括氢分压、氢气含量、气体总压力或内压。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的安装气体传感器为单体镍氢电池或至少包含一个安装气体传感器镍氢单体电池的电池组。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的镍氢电池为所有种类、所有型号及所有厂家的镍氢电池，形状为圆柱形、方形、椭圆形、菱形或中空的任意一种。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述气体传感器为氢含量压力传感器或为气体压力传感器，且该传感器既封装在电池内直接测量电池内部气体状态，或安装在电池表面，通过形变量参数间接测量电池内部气体状态。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述镍氢电池或电池组的温度范围为 0% -100%。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述镍氢电池或电池组的荷电状态范围为-200C -IOO0C0
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述镍氢电池或电池组的静置时间范围为彡2h。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述镍氢电池或电池组的充放电次数范围为彡1次。
9.如权利要求1-8中任一项所述的方法，其特征在于在20°C温度下电池稳定的内压与 SOC的关系式为y = ax+b式中，y为电池稳定的内压，χ为soc。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于D-QNy6镍氢电池在20°C条件下a= 0. 082， b = 21. 93。
全文摘要
本发明用气体传感器检测电池内部气体状态并估算镍氢电池荷电态的方法，提供了一种适用于镍氢电池的新的荷电态估算方法通过气体传感器检测电池内部气体中的氢分压(或氢气含量)或气体总压力(内压)，再结合静置时间、电池温度、电池的充放电次数等其他参数，对照数据库中的荷电态数值对照表，判定电池的荷电状态。本发明方法适用于镍氢电池，比依据电压等的传统荷电态估算方法更加准确也更加简便。
文档编号G01R31/36GK102331560SQ20111012838
公开日2012年1月25日 申请日期2011年5月16日 优先权日2011年5月16日
发明者夏保佳, 娄豫皖, 张建, 毛王君, 葛建民 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所