動力電池的多層級狀態(tài)估計(jì)方法與可變結(jié)構(gòu)電池管理系統(tǒng)技術(shù)研究.pdf

1、伴隨著全球暖化效應(yīng)、石化能源危機(jī)以及日益嚴(yán)格的尾氣排放法規(guī)，電動汽車技術(shù)的發(fā)展得到了廣泛的關(guān)注。作為電動汽車的核心子系統(tǒng)，能量存儲系統(tǒng)的研究受到了越來越多的重視，各種不同類型的動力電池被應(yīng)用于電動汽車中，如鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池等。動力電池是一個復(fù)雜的電化學(xué)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的非線性特性，其性能表現(xiàn)受工作電流、環(huán)境溫度、老化程度等多方面因素的影響，確保動力電池在復(fù)雜運(yùn)行環(huán)境下安全高效的工作對提升電動汽車的動力性、經(jīng)濟(jì)性和安全性具有重要

2、的現(xiàn)實(shí)意義。本論文分別針對動力電池的荷電狀態(tài)(SOC)與健康狀態(tài)(SOH)的估計(jì)方法以及電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)這兩大核心問題進(jìn)行創(chuàng)新研究，開展的具體研究工作包括：
　　針對電池單體層級的SOC估計(jì)問題，把Thevenin等效電路模型與非線性預(yù)測濾波算法相結(jié)合，提出了基于非線性預(yù)測濾波算法的單體動力電池SOC估計(jì)方法，用于實(shí)現(xiàn)電池模型過程噪聲形式未知情況下單體電池SOC的精確估計(jì)。設(shè)計(jì)了一套單體電池測試試驗(yàn)，針對不同的單體電池應(yīng)用環(huán)境對

3、提出的SOC估計(jì)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：基于不同電動汽車循環(huán)工況的驗(yàn)證結(jié)果表明，該方法對不同的電池負(fù)載具有較強(qiáng)的魯棒性；基于鈷酸鋰電池和磷酸鐵鋰電池的SOC估計(jì)結(jié)果表明，該方法能夠適用于不同類型的動力電池；基于不同電池工作溫度下的驗(yàn)證結(jié)果表明；通過把電池參數(shù)與工作溫度的函數(shù)關(guān)系融入SOC估計(jì)方法，能夠把單體電池的SOC估計(jì)拓展到不同的溫度范圍；在不同模型參數(shù)誤差情況下，對電池 SOC估計(jì)精度的分析表明，SOC的估計(jì)精度與模型參數(shù)誤差呈線性相關(guān)

4、的關(guān)系，模型參數(shù)誤差越大，SOC估計(jì)精度越低。為了顯示基于非線性預(yù)測濾波算法的單體電池SOC估計(jì)方法的優(yōu)越性，把它與經(jīng)典的基于擴(kuò)展卡爾曼濾波算法的SOC估計(jì)方法進(jìn)行比較，分析結(jié)果表明，本文提出的方法在估計(jì)精度和收斂速率方面都具有明顯的優(yōu)勢。
　　針對老化電池單體層級的狀態(tài)估計(jì)問題，考慮了老化電池SOC與SOH的耦合關(guān)系，提出了基于雙非線性預(yù)測濾波算法的老化單體電池SOC與SOH聯(lián)合估計(jì)方法，在SOH估計(jì)方面，通過對表征電池SOH的

5、關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行在線估計(jì)，實(shí)現(xiàn)動力電池容量健康狀態(tài)(SOHC)和功率健康狀態(tài)(SOHR)的精確預(yù)測，在SOC估計(jì)方面，通過在線更新電池模型的關(guān)鍵參數(shù)，保證在電池的整個生命周期內(nèi)都保持較高的SOC估計(jì)精度?；谝粋€方形磷酸鐵鋰電池設(shè)計(jì)了一套循環(huán)壽命測試試驗(yàn)，對提出的聯(lián)合估計(jì)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明在動力電池的整個生命周期內(nèi)聯(lián)合估計(jì)方法都能實(shí)現(xiàn)SOC和SOH的精確估計(jì)。
　　針對電池組層級的SOC和SOH估計(jì)問題，根據(jù)電池組不同的拓?fù)浣Y(jié)

6、構(gòu)和均衡管理策略把電池單體層級的狀態(tài)定義擴(kuò)展到電池組層級，并結(jié)合電池組SOC和SOH不同的時變特性，提出了基于多時間尺度的動力電池組SOC和SOH估計(jì)方法，以宏觀時間尺度對電池組的SOH進(jìn)行估計(jì)，以微觀時間尺度對電池組的SOC進(jìn)行估計(jì)。以一個基于被動均衡管理策略的串聯(lián)型磷酸鐵鋰電池組為研究對象，設(shè)計(jì)了一套電池組測試試驗(yàn)對提出的方法進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明該方法能夠?qū)崿F(xiàn)電池組SOC和SOH的精確估計(jì)并有效的降低電池組狀態(tài)估計(jì)策略的計(jì)算量。

7、>　　針對電池管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)靈活性不足和對擁有不同性能特性的電池模塊通用性較差的問題，提出了可變結(jié)構(gòu)電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)概念，并基于這一概念進(jìn)行了原型樣件開發(fā)。在該設(shè)計(jì)概念中，用戶能夠根據(jù)具體的使用需求靈活決定電池組內(nèi)的電池模塊數(shù)量，在減小電池組使用成本的同時降低了整車的整備質(zhì)量，從而提高了電動汽車的動力性和經(jīng)濟(jì)性。同時，在傳統(tǒng)的主從式結(jié)構(gòu)電池管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加了一套電池模塊切換系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)對不同性能電池模塊的兼容管理，有效的提升了