面向低功耗的轻量级电池荷电状态估计研究
发布时间：2021-10-19 22:09
随着电子技术的不断进步,人们日常生活逐渐智能化,便携式电子设备的体积变小和功能的完善,越来越多的便携式电子设备被各种行业和生活场景运用。比如在物联网和无线传感网络中,通常在恶劣的环境大规模的部署设备节点。由于设备节点部署在偏远且环境恶劣的地方,因此对电池进行更换会比较困难,且使用二次电池会增加成本。在电池能量有限的情况下为了降低成本,需要电池长时间的工作或提高能量利用率。本文首先研究了低功耗设备的能源和电池荷电状态（SOC）的研究背景与意义以及国内外现状,并对电池荷电状态的研究现状进行分析,其次对基于碱性电池的原理与组织结构、小电流放电的相关理论知识、放电特性进行详细研究,在此基础上,完成了以下研究内容:（1）研究针对低功耗设备的碱性电池小电流放电特性。对碱性电池进行了恒阻和恒流的小电流放电实验,分析了电池电压、消耗容量、剩余容量、荷电状态及最大容量在电池放电过程中的变化关系,并对这些参数的影响进行了深入分析,发现电池的放电电流对电池特性的影响较大,电池端电压Vt与电池荷电状态SOC变化曲线比较集中,电池端电压Vt与电池电动势EMF的变化关系非常规律,且电池电动势EMF与电池荷电状态S...
【文章来源】：重庆理工大学重庆市
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
labview数据采集控制VI
3碱性电池小电流放电特性13止电压设置为0.05V，系统采样率设置为1Hz。图3.3测试实验平台表3.2测量电路的主要参数电池编号初始电压U/V串联电阻R/Ω放电电流范围I/mA平均放电电流I/mA#11.63915.5101.95~3.2332.80#21.63930.352.79~1.6525.13#31.63950.132.09~1.0018.56#41.639102.415.75~0.4911.22#51.63915.6101.07~3.2131.97#61.63930.452.61~1.6524.98#71.63850.431.89~0.9916.24#81.639103.115.65~0.4911.022、测量结果与分析（1）小电流放电的输出电压特性测量完成后，使用Matlab对数据进行处理，得到电压-时间关系曲线如图3.4所示。可以看出，串联电阻越大，放电电流越小，电压下降越缓慢，达到放电截止电压的时间越长。在放电通电瞬间，电池工作电压的快速下降，主要是由电池的欧姆压降引起的[54]。从图3.4可以清楚地看出，小电流放电特性与大电流放电特性有着显著的区别。大电流放电的电压-时间关系曲线虽然变化较快，但比较平滑；小电流放电的电压-时间关系曲线虽然变化较慢，但电压波动较大。为了更清楚地表明这一特征，对0.9V~0.95V区间进行了局部放大。可以看出，小电流放电过程中，电压并不是单调递减的，而是出现了波动。电流越小，电压波动越明显。这一波动应该是由松弛效应引起的。当放电电流较低或放电电流减小时，电解质的扩散作用都会弥补正负极活性物质的减少[55]。小电流恒阻放电过程恰好同时满足上述条件，因此出现了较为明显的端电压上升，并且放电电流越低这一现象越明显。
同放电电流下的放电量差异会有所不同，但速率容量效应是引起放电量差异的决定因素。截止电压为0.05V时的放电电量如图3.7所示。由于0.05V之后电池所能提供的电量可以忽略，因此，此时的放电量可以看作碱性电池的最大容量。从图中可以看出，碱性电池的最大容量在3200mAh左右，其中最小值为3164.3mAh，最大值为3251mAh，具有很好的一致性。电池最大容量的差异，主要是由电池制造过程中的工艺容差引起的。虽然速率容量效应造成了相同截止电压下不同负载的放电量差异，但当放电电流非常小时，电池的剩余电量总能被完全释放。图3.60.9V截止电压下的放电量对比图3.7碱性电池的最大容量对比（3）不同截止电压下的可用电量分析从图3.4可以看出，在进入0.7V~0.8V区间之前，电池电压变化较为缓慢，之后电压出现陡降，使负载无法正常工作。从图3.5可以看出，在进入0.7V~0.8V区间之前，放电量已占电池容量的较大比例，而这一区间之后所占比例较校另一方面，在0.7V~0.8V区间之前，放电量随电压的减小出现快速增长。这一现象050010001500200025003000350015.515.630.330.450.150.4102.4103.1电池最大容量（mAh）负载电阻（Ω）
【参考文献】：
期刊论文
[1]可充锌锰电池的研究进展[J]. 张思兰,邸江涛,李清文. 电源技术. 2019(04)
[2]蓄电池模型参数辨识及在SOC估计中的应用[J]. 刘欣博,边亚伟,王慧娴. 北方工业大学学报. 2018(02)
[3]基于恒流实验的锂离子电池开路电压与内阻估计方法[J]. 陈英杰,杨耕,祖海鹏,孙孝峰. 电工技术学报. 2018(17)
[4]基于改进PNGV模型的动力锂电池SOC精确估计[J]. 邓磊,李小谦,吴浩伟,姚川,汪晓峰. 电源技术. 2017(10)
[5]锂离子电池等效电路模型及参数辨识方法研究[J]. 曹丽鹏,谢阳,李玲玲,李玲玲. 电气时代. 2017(02)
[6]电动汽车锂电池戴维南等效电路模型参数辨识研究[J]. 李百华,郭灿彬,钟其水,涂涛. 微型机与应用. 2017(01)
[7]锂离子电池建模及其参数辨识方法研究[J]. 陈息坤,孙冬. 中国电机工程学报. 2016(22)
[8]碱性电池高功率性能的研究[J]. 钟晓桥. 煤炭与化工. 2016(03)
[9]碱性锌锰电池含铝锌合金阳极的电化学行为[J]. 王力臻,王雪花,吴涛,张林森. 电源技术. 2016(02)
[10]智能化大棚的低功耗设备优化设计研究[J]. 朱建博,胡胜慧,汪斌. 科技视界. 2015(27)
博士论文
[1]车用锂离子电池机理模型与状态估计研究[D]. 韩雪冰.清华大学 2014
本文编号：3445686
【文章来源】：重庆理工大学重庆市
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
labview数据采集控制VI
3碱性电池小电流放电特性13止电压设置为0.05V，系统采样率设置为1Hz。图3.3测试实验平台表3.2测量电路的主要参数电池编号初始电压U/V串联电阻R/Ω放电电流范围I/mA平均放电电流I/mA#11.63915.5101.95~3.2332.80#21.63930.352.79~1.6525.13#31.63950.132.09~1.0018.56#41.639102.415.75~0.4911.22#51.63915.6101.07~3.2131.97#61.63930.452.61~1.6524.98#71.63850.431.89~0.9916.24#81.639103.115.65~0.4911.022、测量结果与分析（1）小电流放电的输出电压特性测量完成后，使用Matlab对数据进行处理，得到电压-时间关系曲线如图3.4所示。可以看出，串联电阻越大，放电电流越小，电压下降越缓慢，达到放电截止电压的时间越长。在放电通电瞬间，电池工作电压的快速下降，主要是由电池的欧姆压降引起的[54]。从图3.4可以清楚地看出，小电流放电特性与大电流放电特性有着显著的区别。大电流放电的电压-时间关系曲线虽然变化较快，但比较平滑；小电流放电的电压-时间关系曲线虽然变化较慢，但电压波动较大。为了更清楚地表明这一特征，对0.9V~0.95V区间进行了局部放大。可以看出，小电流放电过程中，电压并不是单调递减的，而是出现了波动。电流越小，电压波动越明显。这一波动应该是由松弛效应引起的。当放电电流较低或放电电流减小时，电解质的扩散作用都会弥补正负极活性物质的减少[55]。小电流恒阻放电过程恰好同时满足上述条件，因此出现了较为明显的端电压上升，并且放电电流越低这一现象越明显。
同放电电流下的放电量差异会有所不同，但速率容量效应是引起放电量差异的决定因素。截止电压为0.05V时的放电电量如图3.7所示。由于0.05V之后电池所能提供的电量可以忽略，因此，此时的放电量可以看作碱性电池的最大容量。从图中可以看出，碱性电池的最大容量在3200mAh左右，其中最小值为3164.3mAh，最大值为3251mAh，具有很好的一致性。电池最大容量的差异，主要是由电池制造过程中的工艺容差引起的。虽然速率容量效应造成了相同截止电压下不同负载的放电量差异，但当放电电流非常小时，电池的剩余电量总能被完全释放。图3.60.9V截止电压下的放电量对比图3.7碱性电池的最大容量对比（3）不同截止电压下的可用电量分析从图3.4可以看出，在进入0.7V~0.8V区间之前，电池电压变化较为缓慢，之后电压出现陡降，使负载无法正常工作。从图3.5可以看出，在进入0.7V~0.8V区间之前，放电量已占电池容量的较大比例，而这一区间之后所占比例较校另一方面，在0.7V~0.8V区间之前，放电量随电压的减小出现快速增长。这一现象050010001500200025003000350015.515.630.330.450.150.4102.4103.1电池最大容量（mAh）负载电阻（Ω）
【参考文献】：
期刊论文
[1]可充锌锰电池的研究进展[J]. 张思兰,邸江涛,李清文. 电源技术. 2019(04)
[2]蓄电池模型参数辨识及在SOC估计中的应用[J]. 刘欣博,边亚伟,王慧娴. 北方工业大学学报. 2018(02)
[3]基于恒流实验的锂离子电池开路电压与内阻估计方法[J]. 陈英杰,杨耕,祖海鹏,孙孝峰. 电工技术学报. 2018(17)
[4]基于改进PNGV模型的动力锂电池SOC精确估计[J]. 邓磊,李小谦,吴浩伟,姚川,汪晓峰. 电源技术. 2017(10)
[5]锂离子电池等效电路模型及参数辨识方法研究[J]. 曹丽鹏,谢阳,李玲玲,李玲玲. 电气时代. 2017(02)
[6]电动汽车锂电池戴维南等效电路模型参数辨识研究[J]. 李百华,郭灿彬,钟其水,涂涛. 微型机与应用. 2017(01)
[7]锂离子电池建模及其参数辨识方法研究[J]. 陈息坤,孙冬. 中国电机工程学报. 2016(22)
[8]碱性电池高功率性能的研究[J]. 钟晓桥. 煤炭与化工. 2016(03)
[9]碱性锌锰电池含铝锌合金阳极的电化学行为[J]. 王力臻,王雪花,吴涛,张林森. 电源技术. 2016(02)
[10]智能化大棚的低功耗设备优化设计研究[J]. 朱建博,胡胜慧,汪斌. 科技视界. 2015(27)
博士论文
[1]车用锂离子电池机理模型与状态估计研究[D]. 韩雪冰.清华大学 2014
本文编号：3445686
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