電動(dòng)汽車(chē)磷酸鐵鋰電池建模及荷電狀態(tài)估計(jì)研究.pdf

1、本論文在國(guó)家自然科學(xué)基金(51265039，51261024)、江西省科技計(jì)劃項(xiàng)目(No.20141BBE50021）和電池制造企業(yè)（鷗瑞智諾能源科技(北京)有限公司）資助下，根據(jù)磷酸鐵鋰電池在不同工況下的動(dòng)態(tài)特性，建立有特定關(guān)系的電池內(nèi)部狀態(tài)和外部特性的阻容（RC)修正模型，深入研究基于RC修正模型的擴(kuò)展卡爾曼濾波（EKF)算法，運(yùn)用該算法對(duì)磷酸鐵鋰電池荷電狀態(tài)（SOC)進(jìn)行估計(jì)，這種基于RC修正模型的算法具有較好的適用性，為電池管理

2、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了幫助，課題研究主要包括以下內(nèi)容：
　　1、論述了課題的研究背景和研究意義，綜述了電池模型和電池荷電狀態(tài)估計(jì)的國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀，詳細(xì)介紹了磷酸鐵鋰電池的結(jié)構(gòu)、工作原理和優(yōu)點(diǎn)，給出了磷酸鐵鋰電池的制造工藝，在此基礎(chǔ)上，提出了本論文的主要內(nèi)容和主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)。
　　2、在分析了磷酸鐵鋰電池不同工況下的性能，包括電池的基本特性、電性能、安全保護(hù)性能、環(huán)境適用性和安全性能的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了大量測(cè)試實(shí)驗(yàn)，包括標(biāo)準(zhǔn)充放電下的電壓特征

3、實(shí)驗(yàn)、倍率充放電下的電壓特征實(shí)驗(yàn)、容量倍率特性實(shí)驗(yàn)、容量與開(kāi)路電壓相關(guān)性測(cè)試實(shí)驗(yàn)、不同充放電倍率下電池容量的溫度特性實(shí)驗(yàn)及電池的循環(huán)壽命特征實(shí)驗(yàn)。由測(cè)試結(jié)果可知，磷酸鐵鋰電池在同一溫度下，充電倍率越大，浮充現(xiàn)象越明顯；放電電流越大，電池輸出的電量越低；環(huán)境溫度較高時(shí)，影響電池輸出容量的主要因數(shù)不是放電倍率，而是由環(huán)境溫度起決定作用。環(huán)境溫度較低時(shí)，影響電池輸出容量的主要因數(shù)卻是放電倍率，并且電池在低溫環(huán)境下的輸出容量較低；磷酸鐵鋰電池具

4、有較低的自放電及有較長(zhǎng)的循環(huán)壽命。這些有價(jià)值的結(jié)論為后續(xù)的電池建模及SOC估計(jì)提供了重要的支持。
　　3、論述了磷酸鐵鋰電池的三種典型的電池模型，即電化學(xué)模型、熱模型和性能模型，特別對(duì)等效電路模型進(jìn)行了分析，并指出了它們存在的不足。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)傳統(tǒng)的電池RC模型存在的問(wèn)題和實(shí)際應(yīng)用中的不足，如傳統(tǒng)的R C模型把電池內(nèi)阻看成是一個(gè)固定值，且只考慮了電池當(dāng)前SOC與電池的開(kāi)路電壓的關(guān)系，而忽略了自放電、循環(huán)次數(shù)和電池極化效應(yīng)等因素

5、。提出了一種新的RC修正模型，提出的模型比傳統(tǒng)RC模型更有優(yōu)勢(shì)，修正的RC模型不僅考慮了傳統(tǒng)RC模型的影響因數(shù)，還充分考慮了電池溫度、內(nèi)阻變化、當(dāng)前SOC、自放電、循環(huán)次數(shù)和電池極化效應(yīng)對(duì)模型的影響。最后，對(duì)提出的RC修正模型應(yīng)用最小二乘法進(jìn)行了參數(shù)辨識(shí)，辨識(shí)結(jié)果可以為后續(xù)的電池的荷電狀態(tài)估計(jì)提供重要的支持。
　　4、論述了電池荷電狀態(tài)的定義，在此基礎(chǔ)上，深入討論了內(nèi)阻、溫度和充放電倍率等對(duì)電池SOC估計(jì)的影響及影響因子的強(qiáng)弱。針

6、對(duì)經(jīng)典電池荷電狀態(tài)估計(jì)算法存在的不足，利用建立的RC修正模型，提出了基于擴(kuò)展Kalman濾波的電池荷電狀態(tài)估計(jì)方法，并對(duì)遞推方程的初始值進(jìn)行了討論和分析。與傳統(tǒng)方法相比較，提出的方法具有良好的動(dòng)態(tài)性能、對(duì)初值誤差不敏感、以及具有很好的抑制測(cè)量噪聲等特性。
　　5、為了驗(yàn)證建立的模型的準(zhǔn)確性以及提出的電池荷電狀態(tài)估計(jì)的有效性，在此，搭建了電池的實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，包括電池硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和電池測(cè)試軟件。利用Simunlink模塊對(duì)電池的RC修

7、正模型進(jìn)行了仿真。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在恒流放電、HPPC循環(huán)和UDDS三種不同工況下，測(cè)得的最大誤差與平均誤差非常小，誤差最大值不超過(guò)0.1385V，平均誤差值不超過(guò)0.0197V，相對(duì)的最大誤差值不超過(guò)4.2％，提出的RC修正模型具有很高的估算精度。
　　同時(shí)，在該實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)上，對(duì)提出的基于RC修正模型的EKF的荷電狀態(tài)估計(jì)方法也進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在恒流放電、恒流脈沖放電、CYC_UDDS及 riusCYC_1051_