1、湖南大学硕士学位论文电池组故障诊断专家系统的研究与实现姓名：刘文杰申请学位级别：硕士专业：软件工程指导教师：齐国光;孙晓民20050922I稃颁十。学位论文摘 要为满足未来能源发展、能源安全以及环保的要求，电动汽车越来越受重视且止经取得了巨大发展，混合电动车已经实现初期产业化，成为汽车行业的主要发腱方向之一。在电动汽车的发展中，电池及其应用技术是最关键的技术，它制约荷乜动车的发展。电池的管理与诊断是电池应用技术巾的核心。故障诊断系统是l乜池管理系统的重要组成部分。故障诊断系统是近几年才发展起来的新技术。通过渗断系统能实现电池故障和隐患的早期预报，从而能有效地增加电动车电池组的续驶罩程及无故障工
2、作时间、使维护工作量降到最低，由此保证了电动车能可诘运行。本文从蓄电池的特性出发，分析了蓄电池的主要故障，并介绍了实现采集蓄f毡池各项数据指标的蓄电池管理系统、用于数据通讯的CAN网络系统及数据接收的上位机数掘采集软件。随后详细阐述了作者通过大量研究和实验总结出来的电池组故障诊断模型，分析了采用模糊诊断的原因，并详细介绍了电池组故障诊断模糊专家系统的构建。最后给出部分电池诊断实验的结果及分析。症状隶属度的求解是电池组故障诊断的关键，它是基于这样的 种思想考虑，即同一个电池组的各个单体电池在相同的充放电电流下，多数单体电池的性能是柏近的、也是健康的，但有些电池性能不。数或差异较大，它们可能是存在
3、故障和隐患的。通过综合考虑各个电池的外部特性数据的变化值与平均变化值的偏移，IIf以对电池的症状进行隶属度评估，进而得到相应的故障隶属度，并根据一定的评估原则得到每个电池的健康状况等级。电池组故障模糊诊断专家系统利用电池诊断规则，以电池的历史档案数据、运行状况数据和上一次的诊断结果为依据，采用模糊综合评判的方法对电池故障进行在线诊断，同时给出电池的健康状况和维护信息。最后的实验结果表明，系统诊断结果基本符合实际，对常见故障的诊断jF确枣接近100，达到了课题要求。关键词：蓄电池管理系统(BMS)；专家系统；模糊诊断ABSTRACTMuch more emphasis has been plac
4、ed on electric vehicle(EV)，due toconsideration of energy development，energy safety and environment protectiontiybrid electric vehicle(HEV)has already realized its incipient industrialization andbecome one of the main directions of vehicle industry，Battery application is the key technology that restr
5、icts the development of EV，ofwhich battery management and diagnostics plays a more and more important roleWith battery diagnosis system it is possible tO predict battery failure earlier，thus thefaultless working time of battery pack can be increased，This paper describes the characteristics of batter
6、ies，analyzes the main failures ofthem，introduces the modules of BMS(battery management system)Then diagnosisalgorithm of battery pack failures and the structure of failure diagnosis expertsystem arc presentedAt last，some diagnostic results are givedThe solution to membership degree of symptoms is th
7、e key algorithm of batteriesfailures diagnosisIt is considered that the cells which performance is differ fromother cells of the battery exist failures in the same conditionSo the difference ofperformance of the cells iS taked into account for estimating membership degree ofsymptomsThen membership d
8、egree of the failures is evaluated by membershipdegrees of the symptomsAt last，DOH(degree of healthy) of the cells wasestimate by membership degrees of the failuresThe algorithm of online fuzzy diagnosis estimate DOH of the cells by using therules of battery diagnosis and data of the cellsSome infor
9、mation of maintenance andDOH of the cells are outputed by expert system of the faults fuzzy diagnosisTheexperiments result shows that the diagnosis results of expert system is consistent withthe fact，the percentage of accuracy of explosive faults diagnosis is close to 1 00andthe system satisfies all
10、 requirements of taskKey Words：Battery Management System(BMS)：Expert System；Fuzzy DiagnosisJl湖南大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果I臼本人承担。作者签名： 宴j文枣 日期：三。争年t月岁日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文
11、的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于l、保密口，在 年解密后适用本授权书。2、不保密团。(请在以上相应方框内打“4”)作者签名：导师签名：日期：z哕年f月岁日日期：10哆年f，月厂日走甏孝遗噬伏撤扣弘I。，!I!硕Ij学化论文1，1电池诊断研究概述第1章绪论111电池诊断研究的重要性随着国家经济的不断发展，对能源、电力、交通、通信、环保等领域现代化要求也在不断提高。作为后备能源的蓄电池系统诈在被大量使
12、用，坩所有4i允许断电的供电电源系统来说，蓄电池组都是一个不可缺少的后备电源系统，而且，誉l也池系统在各行业中应用越来越广泛。蓄电池运行状态是否正常，直接影响着应用领域中各种设备的F常、可靠和安全运行。特别是无人值守的现场及电子商务中心、银行的后备电池就显得尤为重要。经测试及优选分组的电池组中的各个单体电池之间仍然存在性能差异，这些茇芹在电池的长期运行过程中因环境的微小差别(如温度差)能够不同程度地产生新的差异。经过长期运行，个别电池性能明显下降，严重影响电池组性能，甚歪造成事故，需要早期诊断出单电池的性能下降和早期故障。另外，单电池的性能下I降及故障会降低电池组的SOC(充电状态)值，因为性
13、能差的一个单体电池的f乜量决定了整个电池组的荷电量。一个电池组般是由数个单体电池或电池模块印联组成；落后单体电池可能会使整个电池组提前终止放电。因而需要配备电池故障早期诊断专家系统。通过诊断系统能实现电池故障和隐患的早期预报，从而能有效地增加电动车电池组的续驶里程及无故障工作时间、使维护作量降到最低，由此保证了电动车能可靠运行。112蓄电池的健康状态健康状态是指蓄电池当前的主要性能偏离了额定的设计性能及指标，如单体电池在充满电的状态下的容量大小、内阻大小、大电流放电下的端电压及充电时咆池的接受能力、不同的温度特性等。电池组的健康程度取决于电池组中健康状态最差的单体电池。从电池的健康状态可以判断
14、蓄电池未来的性能。电池的健康状态不能用直接读数的方式测量出来，因为没有哪一个参数直接与电池的健康状态柏关，不能象轿车中的油表那样直接进行测量和显示，(不仅取决于蓄电池的设计，而且取决于运行条件)。健康状态取决于电池的多个时变参数的综合评测及估计老化不等于不健康。老化是电池的必然现象。老化过程的影响是复杂的，健康状态能表示老化效应有关参数。所以在服务寿命期间，因活性物质损失和再结LU池组故障诊断专家系统的研究!实现品效应等冈素，蓄电池的实际容量会发生变化。在铅酸蓄电池中，导电部件的腐蚀足，重要的老化过程，它使蓄电池内阻增大，t要影响蓄电池的高倍率放电性能、对于湖控铅酸蓄电池，逐渐失水则是另一种老
15、化过程。失水改变了电解液容量配置，并使内阻增加。1113电池性链及诊断的复杂性蓄电池足一个相当复杂的电化学系统，因为充电和放电是根据化学反应进行的日I】电池主要组件的结构和化学成分发生连续和深度的变化。电池组长期工作征温度稍高或稍低的环境，电池活性就会发生变化，改变电池性能。蓄电池对温度很敏感。高倍率的充放电，即电流的很大时，电池产生温升，从而影响电极的活怕：。低温下，电池容量会下降。过高的温度，电池会加速老化或产生热失控。通常电池都是串联成电池组使用，多者达到200300 u，一只不健康的单体电池决定了电池组的运行性能，这样加大了电池的诊断的复杂性，因为电池的不一致性会引起电池的故障，尤其是
16、在电池组深放电时，有些电池可能会反极。114目前的诊断方法电池故障诊断技术是近几年才发展起来的新技术，目前全世界对电池组故障诊断系统的研究尚未取得显著的成果，对于电动车车载动力电池诊断的研究及探索_f，F国内国外均已开始了。现有的对电池故障诊断的研究主要集中在两个方向：1、利用电池的内阻或电导进行容量估计和诊断：2、寻找电池性能故障与电池某个或N个参数的相互关系，通过实时监测、比较同一电池组的不同单体电池间的参数变化并考虑一些其他因素来进行综合诊断【lI；而目前在电池的应用维护中，用得更多的还是人工的测试诊断方法，即把电池拆下来通过一定倍率的放电实验来进行容量测量，以确定蓄电池的可用容量，从而
17、判断出哪节电池容量下降成为了落后电池。这种诊断方式实际仅是一种离线的放电容量测试，并不对电池进行全面诊断。这种方法的缺陷是操作工作量大、花时抽J多，因而不便于重复操作，重复进行容量测量是对电池不利的，蓄电池不能心急使用；容量实验对于高电压蓄电池需要专用测试设备，可能是危险的I 21。所以只要可能就应尽可能避免直接通过放电来测量容量及对电池做出诊断，而应采月j蓄电池管理系统来实现电池容量的估计及电池故障的早期诊断。奄f利用电池的内阻或电导进行容量估计和渗断的方法，是人们经过大量的实验证明了蓄电池的电导与剩余容量及电池的健康程度具有一定的相关关系【3J。国外对电池故障诊断的研究多集中在第一个方向即
18、通过测量单体电池的电导或内阻束进行电池故障诊断如汽车生产商福特、汽车零部件供应商德尔福、蓄电池监测设备专业生产厂商美国的ALBER公司、MIDTRONICS公司。在市场上已有相应的f。捌硕十。7位论文r、，66在市场上销售，如ALBER公司的BDS监测系列及Ml DIRONICS公nJ的ONGUARD，I(：卧系列4。5】。这些产品大都是为某一电池厂商或汽午供应商的某一车型定制的，造价昂贵适用面很窄。内阻或电导诊断法能在一定程度卜诊断出电池的故障，但此方法也有一定的缺陷。首先影响电导对电池状况诊断的因素很多，丰要有3大炎：1、影响电导和电池容量之11日J关系的电池自身的因素：(如种类、容量大小
19、等)2、测量设备和测量方法的不同；3、实验条件的不同。(如温度等)另外在实际应用中，还面临着如何选取合适的电导值来做电导电池容量的相足性曲线，即何时测得的电导值可以用来作为判据。对于这个问题，国外的解决办法是利用工厂提供的电导电池容量预估趋势曲线作为标准来对新电池进行诊断。但对于有一定使用年限的电池，它的电导与电池容量的关系曲线较工厂提供的刀始曲线会有较大的变化，所以如仍用初始盐线为标准判断时会有较大的偏差。唧Ij：这个问题，MIDTRONIcS公司提出的解决办法时建立一个监测电导电池容量数据有效性的庞大的数据库。但这个方法对普通的用户而言过于复杂和昂贵了。国内对电池故障诊断也有一定的研究，如
20、春兰研究院，但大部分研究还处于起步阶段，且目前尚未公开文献发表。本课题组对电池故障诊断的研究主要集中在第二个方向，目前尚未查到有关使用类似方法的报导文献。我们目前的方法是通过实时监测、比较同一电池组的不同单体电池间的参数变化并考虑其他因素来对电池进行诊断，其思想在于：同一个电池组的各个单体电池在相同的充放电电流下，各个单体电池的性能大多数是相近的，但还有一些电池的性能存在不一致。通过综合考虑各个电池在此段时间内对平均电压的偏移及各个电池在此段时问内的电压变化可以估计出电池性能的好坏。单电池电压偏移小且电压变化小的电池性能相对好。因为没有一种电池的故障是表现为充电时ru，|!i上升慢，放电时电压
21、下降慢。具体做法是：在电、邋组充放电时，每5分钟对各单电池计算一次同一时间内的a压变化“，同时进行一次评估。充放电过程分别采取不同的评估标准。将各时间段内的电压变化值(充电时为上升值，放电时为下降值)与此段时间内电压变化最小值(充电时为上升值，放电时为下降值)之差的加权和作为电池自运行以术的性能评估依据，加权和越小表明以电压变化为诊断标准时的电池性能越好。州时，每500ms计算一次各单电池电压与平均电压的差值，偏离平均电压大的电池性能较差。综合考虑两个性能评估依据。给出一个最终评判值。在这里，我们提出电池运行状态SOR(State OfRunning)的概念，它用来评判电池在充放电过程中所反映
22、出的电池性能的好坏程度。吨池组故障渗断专家系统的研究，实现1 2本文主要研究内容1 21研究背景本课题是国家科技部在“十五”期问“863”重大专项给燃料电池混台大巴配羹的课题。绿色电动车是我国考虑能源和环保两大主题的主要发展方向。燃油汽车带来了环境污染和石油消耗所引起的能源危机。为解决这些问题，出界各国、各大汽车公司对电动汽车(EV)和混合电动汽车(HEV)进行了大量的研究和r发。我国己在“八五”及“九血”期问把研制开发电动汽车列入重人科技攻关项目。“十五”期间，电动汽车也已被列入国家“863”重大专项，投资近1 0亿元。12 2主要研究工作对目前电动汽车使用较多的几种蓄电池(镍氢、铅酸和锂)
23、的工作原理及其在电动车上的使用进行深入了解，并分析电池使用专家的电池渗断经验，总结电池的诊断规则。同时应用模糊数学的知识，初步提出一个合理、实用的电池馨l故障诊断模型。然后根据电池组故障诊断模型对电池慢用状态数据的需求，)：茨车H应的上位机数据采集程序。随后按照专家系统的架构构建电池故障专家诊断系统。包括：建立全局数据库：建克电池历史档案数据厍；建立规则库：开发推理调度程序模块；开发人机交互程序模块。最后利用电池故障专家诊断系统对电动车上使埔的电池进行诊断试验，在试验一士1实现对电池诊断模型参数的调整，使之不断趋于完善。13研究目的和意义电动车(EV)的能量全部或部分来自储能电池。制约电动车技
24、术发展和【电动车产业化的个主要问题是储能电池及其应用问题。本课题就是研究电池如何应用能够提高其效率和延长电池的使刚寿命。电池使用中的个突出问题就是各电池之间的差异，存在着不致性，因此早期发现电池鲍不一致性和故障就成为非常关键的技术难题。需要研制一个电池组的早期故障专家诊断系统。通过专家诊断系统，我们可以实现对不健康电池的早期诊断，也使剩余电量(SOC)估计模型能盟准确，这样能够延长电池的使用寿命并进步降低电池的使用成本，增加电动车的续驶里程，提高车辆行驶的可靠性。该系统及技术的研究具有理论价值电动年的续驶里程，提高车辆行驶的可靠性。该系统及技术的研究具有理论价值叱池组故障渗断专家系统的研究o实
25、玑12本文主要研究内容121研究背景本课题是国家科技部在“十五”期问“863”重大专项给燃料电池混合大巴配套的课题。绿色电动车是我国考虑能源和环保两大主题的主要发展方向。燃油汽车带来了环境污染和石油消耗所引起的能源危机。为解决这些问题，越界备国、各大汽车公司对电动汽车(EV)和混合电动汽车(HEV)进行了大量的研究和丌发。我国已在“八五”及“九五”期间把研制丌发电动汽车列入重大科技攻关项目。“十五”期间，电动汽车也已被列入国家“863”重大号项，投资近】0亿元。122主要研究工作对目前电动汽车使用较多的几种蓄电池(镍氢、铅酸和锂)的工作原理及其在乜动车上的使用进行深入了解，并分析电池使用专家的
26、电池诊断经验，总结电池的诊断规则。同时应用模糊数学的知识，初步提出一个合理、实用的电池组故障诊断模型。然后根据电池组故障诊断模型对电池使用状态数据的需求，丌发相应的上位机数据采集程序。随后按照专家系统的架构构建电池故障专家诊断系统。包括：建立全局数据库；建立电池历史档案数据库；建立规则库；开发推理调度程序模块；丌发人机交互程序模块。最后利用电池故障专家诊断系统对电动车上使用的电池进行诊断试验，在试验。夸实现对电池诊断模型参数的调整，使之不断趋于完善。13研究目的和意义电动车(EV)的能量全部或部分来自储能电池。制约电动车技术发展和电动车产业化的一个主要问题是储能电池及其应用问题。本课题就是研究
27、电池如何应用能够提高其效率和延长电池的使用寿命。电池使用中的一个突出问题就是各电池之M的差异，存在着不一致性，因此早期发现电池的不一致性和故障就成为非常萸键的技术难题。需要研制一个电池组的早期故障专家诊断系统。通过专家诊断系统，我们可以实现对不健康电池的早期渗断，也使剩余电量(SOC)估计模型能更准确，这样能够延长电池的使用寿命并进一步降低电池的使用成本，增加电动年的续驶里程，提高车辆行驶的可靠性。该系统及技术的研究具有理论价值j=l|!坝E。产1_i)=论文剃促进电动汽车产业化的重大意义。14本文结构本文一共包括六章：第一章绪论：简介电池诊断技术研究的重要性、U池诊断的复杂性、固内外1池诊断
28、的研究情况、课题来源及主要研究内容、研究目的和意义，最后介绍本殳璀本结构。第二章各种常用电池特性及故障：主要介绍了蓄乜池的一些綦本概念及各种电动车常用电池的工作原理，同时对电动车用蓄电池的一些常见故障进行分析。第三章电动车用电池管理系统：介绍国内外电动车用电池管理系统的发展状况，最后详细介绍了本课题组最新研制的电池管理系统BMS111。第四章CAN总线通讯系统：介绍了CAN总线的性能指标及其工作原理，并详细介绍了电池管理系统BMSIlI的CAN通讯网络的硬件结构与通讯的软件流程。第五章上位机数据采集程序：介绍了用于连接上位机和CAN网络的CAN数据采集卡及上位机数据采集程序的构建及其工作流程。
29、第六章电池组故障诊断专家系统：介绍专家系统的构成、模糊数学在专家诊断的应用，并详细介绍了电池组故障诊断模型及电池故障专家诊断系统的构建。第七章系统试验及分析：给出部分试验结果及分析。也池纠故障诊断争家系统的研究与实现第2章各种常用电池特性及故障蓄电池的合理使用和正确维护是确保电动车可靠运iJ：的关键。只有充分r解择种电动车用蓄电池的工作原理和性能特点以及各种电池故障的成因，才能进一步治断其健康状况并合理使用。21蓄电池概述蓄电池的作用是存储电能，蓄电池在充电过程中，电能通过蓄电池内的“活性物质”的化学变化转变为化学能存储在蓄电池内。蓄电池在放电过程中，通过蓄电池内的“活性物质”的化学变化逆转，
30、将化学能转变为电能由蓄电池输出。各种蓄电池的基本工作原理是电能_化学能_电能_化学能的口J逆变换过程，能够反复使用。通常蓄电池只有蓄电池本身，没有其他附属装旨，通过增加蓄电池的“活性物质”和增加电池的数量，即可增加蓄电池所存储的电能。当蓄电池中的“活性物质”老化、变质之后，蓄电池的效率逐步降低，最终篱电池的寿命也将结束。蓄电池是目前以及近中期电动汽车能量源的主要选择。美困先进电池联合会(USABC)致力于先进电池的研究，制定了电动车用蓄电池的中长期性能指标。可用于电动车的蓄电池包括阀控铅酸电池、镉镍电池、镍氢电池、锌空气电池、铝宅气电池、钠流电池、锂离子电池、锂聚合物等电池。经历了一个多世纪发
31、展的铅酸电池技术可靠、生产工艺成熟，成本低(低于所有其他的二次电池)，单体电池电压高，适合电动汽车使用的良好的大电流输出性能16】，良好的高温和低温性能，高的能量效率(7580)以及多种型号和尺寸。铅酸电池的缺点是比能量和比密度都比较低，但其性能正不断得到改进，且其成本低，所以易为用户所接受，是目前电动汽车最具吸引力的能量源选择方案。镍氢电池的优点是比能量和能量密度较高、无污染、放电曲线平坦和能快速充电。目前阻碍镍氢电池应用的是其成本高、没有记忆效应和充电发热。镍氢电池由于其优良的性能己被认为满足电动车使用近期目标的具有潜力的动力电池。锂离子电池的优点是比能量及比功率都非常的高，但其成本也很高
32、。锂离子电池被认为是电动车电池中远期目标最具发展潜力的电池。22蓄电池基本概念单体电池、单个电池(模块电池)和电池组：单体电池(Cell)是指电动势为2、，(铅酸)或12V(镍氢)左右的蓄电池，是组成单个电池的基本单元；几I：科硕十学位论文个单体电池封装组成单个电池(模块电池)，简称电池(Battery)；电池组(BatteryPack)山若干个电池串联而成。电池的容量：指一定的放电条件下可以从电池中获得的电量，一个电池有理论容量、实际容量、额定或公称容量和额定储备容量之分。用Ah、mAh表示。理论容量：理论容量是指假设活性物质全部参加电池的成流反应所给出的电量。它是根据活性物质的质量按照法拉
33、第定律计算得到的。为了比较不同系列的fil池常用比容量的概念，即单位体积或单位质量电池所能给出的理论电量，常以AhKg或AhL表示。实际容量：实际容量是指在一定的放电条件F电池实际放出的容量，等F放rtt,电流与放电时间的乘积。其值小于理论容量。计算方法是：恒电流放电时，C=+T (21)恒电阻放电时，f=ii爿扛去矽出 (22)式中，I为放电电流，R为放电电阻，T为放电至终止电压的时间。额定容量：额定容量是指设计和制造电池时，按国家或有关部门颁布标准规定或保证电池在一定放电条件下应该放出的最低限度的电量。额定储备容量：国际电工学会(IEC)标准中规定汽车型蓄电池的容量用额定容量和储备容量表示
34、均可。我国采用额定容量。指不分电池规格大小，一律以25A电流放电，到终止电压175V时的放电时间以rain计。对规格不同的电池，规定不同的放电时间。电池的能量：是指在一定放电条件下，电池所能给出的电能，通常用Wh表，Ji j电池的功率：是指电池在一定放电条件下，于单位时间内所给出能量的大小，单位为W(瓦)或KW。单位重量电池所能给出的功率称为比功率，单位Wkg或KWkg。充电状态SOC(State Of Charge)：是描述电池充电状态的一个重要参数，通常把在一定温度下电池充电到不能再吸收能量的状态理解为充电状态(SOC)100，而将电池再不能放出能量的状态理解为充电状态(SOC)0。SOC
35、=(C，CT)+100 (23)Cr=CTQe (24)Qe=J，+f(r)dr (25)0式中c，是剩余电量，cT为电池标称容量，即电流很小和温度处于理想状态时的所能放出的容量。Qe已用电量。为不同放电电流和温度卜的电量加权系数；电池卵故障诊断专家系统的研究1j实现放电深度DOD(Depth Of Di scharge)：DOD=Q。CT。 (26)充电深度DOC(Depth Of Charge)： 电池uJ能放出的电量与实际电池容量的比。DOC=(CtQ。)Ct (27)式中c。为实际电、逋容量，与放电电流和温度有关。DOC的值不仅与当前状怠(SOC，温度，电流等)有关而且与将来电池的放电
36、情况有关，凶此DOC比SOC更能反映电池的实际情况。老化：电池在开始使用的一段时间内，电池容量增加大约520。接下束的一段时间，电池容量大约不变。然后就丌始逐渐减少。当电池容量达到额定容转80时，就可以认为电池的寿命结束了。充放电周期(Cycl e)：电池从充电丌始到放电再到下一次充电丌始前称为一个充放电周期。循环寿命(CycleLife)：蓄电池在其实际容量降低至某一规定值之前所经历的充放电周期数。通常用来定义蓄电池的使用寿命。放电深度不同，电池寿命也不同。设复效应：电池在非连续放电的条件下，放电一段时间后，空载开路或从大电流变为小电流放电，电池内部的电荷将进行重新分布而至平衡，这时电池的端
37、电i,i上升，在小电流放电下仍能放出一定电量。自放电现象(Self-Discharge)：电池在不工作时由于内部的电化学反应造成的电池容量下降的现象。通常与时问和环境温度有关。环境温度越高自放电现象越明显，所以在一段时间不用后要对电池补充电量，应在适宜的温度和湿度下保存fU池。历史档案：电池自出厂以来的关键数据，如电池出厂日期、标称容量、使用总安时数和过充过放记录等信息。23铅酸蓄电池工作原理由于在铅酸蓄电池的正、负极上进行的化学反应形成电流，故称为成流反应。其中正极进行的成流反应为：尸6q+3H+Ha04一+2ec，ebSO,+2H20负极进行的成流反应为：Pb+ttS04-PbS04+20
38、+*电池总反应：(28)(29)l科硕十学何论文,。502+助+2吼&五 2PbS04+2色p (210)上式中正反应为放电过程，逆反应为允电过程。24镍氢电池的工作原理及性能特点241镍氢电池的工作原理镍氢(NiMH)蓄电池正极活性物质采用氢氧化业镍，负极活性物质为贮氢合鑫，电解液为氢氧化钟溶液，电池中的主要反应为：正极成流反应为：Ni(OH)2+OH一NiOOH+H 20 4-e (211)负极成流反应为：M十H 2D+PMH曲+OH一(212)电池总反应为：Ni(OH)2+M营NiOOH+MHa6 (21 3)式中，M：贮氢合金，MH。b：贮有氢的贮氯合金242镍氢电池的主要特点镍氢电池
39、是将一种象海绵吸水那样可逆吸放氢的新兴的功能材料一一储氢材料，应用于镍镉电池中，取代镉电极形成新型的镍氢电池，性能大为改善。能量密度较镍镉电池高051倍使用寿命长，适用于快速充电，充电设施及方法简便，耐过充、过放能力强。镍氢电池的主要性能特点如下：循环寿命长，可达到500 1000次高能量密度，镍氢：180whl，60Whkg；镍镉：100Whl，30Whkg-快速充电，安全无公害高温特性差，自放电率高，轻微记忆效应与镍镉电池相比时，镍氢电池的循环使用寿命较长、充电时间短、记忆效应较不明显。若与锂电池相较，仍有记忆效应问题，且能量密度较低，不过产品单价J-5生产线之建置费用皆低于锂电池。而且目
40、前锂离子电池的技术尚未成熟，而镍氢电池已经形成产业化，具有很大的市场份额，已经在电动汽车中广泛应用i 7l。U池纠故障渗断专家系统的研究与实现2 5锂离子电池的工作原理和特点251锂离子电池的结构和工作原理蓄电池放电之后使其恢复存储电能的过程就是充电；充电过程足放电过程的逆过程。在外加电场的作用下，电流的输送是通过离子Iq两极迁移，并在电解液界|fii处发，I化学反应来实现的。锂离子蓄电池一般采用能使锂离子嵌入和脱嵌的禽锂的金属氧化物作为1F极活性物质，常见的材料有氧化钻锂(LiC002)，氧化镍锂(LiNi02)和氧化锰锂(LiMn204)等1 81，采用特别的碳素材料作为负极，一般常用是有
41、焦炭(PC)、中问相微粒(MCMB)、碳纤维(CF)和石墨(G)等。所用的电解液为锂酸的有机溶剂溶液、一般用六氰磷酸锂(Li PF6)的碳酸乙烯酯(EC)和碳酸二乙酯(DEC)混合溶液。隔膜通常使用微孔聚丙烯(PP)和微孔聚乙烯(PF)或着两者的复合膜(PPPE-PP)。为了提高电池的输出电流，采用薄电极设计，厚度为180l，tm正极材料涂覆在铝箔两面，负极材料涂覆在铜箔两面。柱式电池采用卷绕机将包上隔膜的正负极螺旋式卷紧，再将极芯装壳经滚槽、注液、封口等工序便制成电池。从电极制作的后期开始需要在干燥空气中操作，以防止外界永气侵入电池体系。组装完毕的电池必须先经过充电处理，使正极活性物质中的部
42、分Li+脱离氧化钴锂晶格由电液迁入到负极活性物质碳的品格之中(嵌入或插入)，生成的LixC化合物。放电时，LixC化合物中的Li+脱嵌在充电时，又重复上述过程。这种利剁Li+在正、负极材料中的嵌入与脱嵌从而完成充放电的过程称为摇椅式机制(Rocking Chair)。它与通常的氧化还原(Rebox)反应不同，具有与之不同的特点：正负极活性物质应具有能让Li+嵌入与脱嵌的通道；反应单一，只要控制反应过程中流动的Li+量，F负极不易在充放电期I日J瓦解，大大延长了寿命。Ij前，可用作锂离子电池正极的活性物质主要有3类：锂钴氧化物、锂镍氧化物和锂锰氧化物。它们各自的电极反应式为：LiC02Li+C0
43、02+e (214)LiNi02(Li+Ni02+e (21 5)LiMnOzLi+MnOz+e (216)锂离子蓄电池的负极一般采用能使锂离子嵌入和脱嵌的碳材料，负极的反应式为：6C+Li+十e一LiC6 (217)252锂离子电池的特点及发展方向锉离子电池保持了一次锂电池的许多优越特性，如比能量高，工作电压高(一般存25V36V之间，有的产品达到42V)等，比一次锂电池的平均工作电压I科硕十学何论文20V3 0V)还要高，工作温度范围宽，J：作电压平稳、贮存寿命K(相对其他的蒿电池)。从安全性来讲，锂离予电池要比盒属锂为负极的一次电池安全的多。特别是采取了控制措施后，锂离子电池的安全性有了
44、很大的保证，电池经过过充、：i路、穿刺、冲击(压)等滥用实验(ABUSE TEST)，均无危险发卜。锂离子电池j CdNi，MHNi电池一样，可以快速充电，且无记忆效应，远比CdNi I乜池优越；它的白放电率远比MHNi电池低。从环境保护的角度看，1址界环境保护组纵11已把镉(Cd)、汞(Hg)、铅(Pb)三种元素列为有害物质。因此含有这三种兀素的电池的使用受到了限制，特别是在欧洲，有些政府大幅度提高了某些电池的环境税，与之相比，锂离子电池则不存这些问题。当然，锂离子电池也有一些缺点比如低温放电率不高，电池的价格也比较高曹。当前锂离子电池的发展主要集中在两个方向，一是小、轻薄方向例如聚合物钝离
45、子电池的研制，另个研究方向集中在大容量锂离子电池领域例如车用动力Fb池的研制91。26电池主要故障铅酸电池、镍氢电池和锂电池由于其工作原理及性能特点的4i同，在其整个使用寿命期间内所发生的各种故障也会有所不同。而它们都可能出现的故障有：反极性、活性物质脱落和自放电大等。这些故障一般都是“慢性病”，初发时“症状”不明显，不易发现。因此，用户必须正确的使用、维护和早期诊断，及时采取补救措施。了解电池的各种故障，对电池诊断是至关重要的。261反极性(1)反极特征反极又称为转极，即放电的电池组中，个别单体电池的J下极变为负极，负极变为正极，极性发生颠倒。存在反极单体电池的蓄电池组电压会突然下降。因为存
46、在反极电池时，相当于这个电池反接在电池组的线路中，不但这个电池本身少j2V，而且其电压是2V，又顶掉2V，结果一共减少4v。(2)形成反极的原因电池组放电前未及时检查发现其中的落后电池而预先进行处理，结果在电池组的放电过程中，其余放电较小的电池对这种容量已经减少的落后电池进行反向充电：有时为了取得较低的电压，从电池组中抽出部分电池承担额外的负荷，使用后未进行均衡充电，结果形成落后电池；在大容量电池组中存在几个小容量电池，运行时，小容量的电池放电迅速，电池2R故障诊断专家系统的研究与实现此时大容量的电池会对小容量电池进行反向充电。(3)对电池反极的处理方法及时检查并耿出落后电池，查明落后电池原口
47、；1并予以消除后，进行均衡充电，直到容量恢复J下常后方可再接入电池组中使用；发现反极电池后，可将该电池从电池组中撤出，并对之进行危电，使其活性物质恢复；对处理后仍接入电池组中使用的落后电池与反极电池，在以后的运行中应予以特别观察；262活性物质脱落(1)故障特征电池在使用过程中，极板的活性物质因损坏而逐渐脱落，这种现象主要发生于JF极板。其表现的特征主要是在电解液中出现沉淀物。在充电末期，由于大量产牛气体，把沉淀物搅起而使电解液混浊呈棕褐色，电池的容量则逐步下降。(2)故障产生原因电池在充放电过程中，其活性物质的体积不断膨胀弓收缩，随着使用时州的增JJIJ，活性物质逐渐脱落，这是诈常的现象。如
48、果极板的质量低劣或者使用维护不与，则会导致活性物质的脱落更为严重。造成活性物质脱落的主要原因是：充电电流过大或发生过充电，电解液的温度太高，会使活性物质过度膨胀而疏松脱落；充电末期如果电流过大，电、邋内剧烈冒气，冲刷檄板，也会健使活性物质脱溶；电池受到剧烈的震动；在放电过程中放电电流过大，电解液温度过低或过放电，也会造成活性物质脱落；极板的严重变形或翘盐。(3)处理方法与补救措施充电电流不得过大特别是充电末期更应减少充电电流，避免过充电，以减少7气体对活性物质的冲刷作用；严格按放电终止电压标准停止放电，不得过放电，特别是冬季在寒冷地区使jH时更应防止过放电以防止电解液结冰；F极活性物质的脱落主
49、要是在放电过程中发生，严格控制放电电流是防止难极活性物质脱落的重要措施；263自放电大“)故障特征l。程硕十学付论文自放电即电池不工作时，其荷电量自动损失的现象。山电池自身电化学特征印i决定的白放电速度很慢，只要容量损失未超过标准，即属于IF常现象。如果使Hj维护不正确，电池的自放电速度会大人加快，表现为搁置不用时，电解液的温度商于F常电池，密度却低于正常电池，可见到电解液产生气泡，1：路电压迅速下降等现象。(2)故障产生原因导致电池自放电速度加快的原因主要有以。卜几点：电解液的有害杂质含量超过规定标准；电池内部短路；电池表面潮湿。264其他故障(1)隔板损坏电解液的密度和温度过高，会加速隔板的腐蚀损坏；若电池内漏装保护板，多次测量电解液的密度和温度时可能损伤注液口下部隔板的一卜部边缘。隔板损坏会导致诈、负极板之问发生短路，一经发现
