【摘要】：電池能量存儲系統(tǒng)是新型智能微電網(wǎng)的能源緩沖器與純電動汽車的動力源,在眾多儲能介質中,鋰離子電池由于其功率密度與能量密度高、循環(huán)壽命長、自放電率低以及價格適中等優(yōu)勢,在微電網(wǎng)和純電動汽車中得到了廣泛的應用。但由于儲能鋰離子電池系統(tǒng)是由成百上千個鋰離子電池單體組成的一個極為復雜的系統(tǒng),其具有高度非線性、溫度敏感特性、明顯的老化特性以及不一致性等,這些特性使得鋰離子電池儲能系統(tǒng)的監(jiān)測與控制都面臨諸多挑戰(zhàn),不當?shù)谋O(jiān)測和控制會導致電池性能下降、快速退化,甚至引起火災或爆炸。因此,如何實時、準確及魯棒地監(jiān)測電池內部狀態(tài)參數(shù)、量化評估電池老化程度與預測電池剩余壽命,診斷及修復電池故障,對保障和提高鋰離子電池儲能系統(tǒng)安全性、可靠性以及持久高效性都具有重要的理論和應用價值,對智能微電網(wǎng)與純電動汽車等系統(tǒng)的高效運行與市場推廣都具有積極的促進作用。鋰離子電池儲能系統(tǒng)的安全、可靠、持久高效運行,核心問題包括以下五點:1.如何準確建立多變環(huán)境溫度與復雜電流工況條件下鋰離子電池儲能系統(tǒng)的動態(tài)行為數(shù)學描述,以及如何根據(jù)電流、溫度與端電壓等估計不可直接測量的電池內部狀態(tài)參數(shù);2.如何量化評估鋰離子電池的老化程度,并在此基礎上預測鋰離子電池剩余可用壽命;3.如何實現(xiàn)準確、實時的電池荷電狀態(tài)與老化指標的聯(lián)合估計,在線估計電池荷電狀態(tài)的同時,獲取電池的老化指標,進而為健康評估與壽命預測提供量化依據(jù);4.在電池動態(tài)行為模型與狀態(tài)估計方法的基礎上,如何從電池運行數(shù)據(jù)中快速檢測并甄別電池內部的故障;5.在電池單體的狀態(tài)估計的基礎上,如何估計大規(guī)模串聯(lián)電池組的實時運行狀態(tài),并且基于電池組狀態(tài)估計結果,設計避免由于電池組不一致性故障引起的儲能系統(tǒng)性能衰減方案。針對以上五方面的問題,本文的主要工作及創(chuàng)新點如下:1)針對鋰離子電池在多變溫度與復雜電流工況運行環(huán)境下,動態(tài)行為描述、狀態(tài)估計以及模型參數(shù)在線校正問題,首先基于電池一階等效電路模型,建立了電池動態(tài)特性描述數(shù)學模型,其次基于遞推最小二乘方法辨識得到數(shù)學模型參數(shù)的初始值,最后,基于擴展卡爾曼濾波與比例積分觀測器設計了電池模型參數(shù)自適應校正與荷電狀態(tài)估計方法,提高了多變環(huán)境溫度條件下電池數(shù)學模型的自適應性與狀態(tài)估計的準確性。2)針對鋰離子電池老化行為建模、健康狀態(tài)量化估計及剩余可用壽命預測問題,首先根據(jù)老化數(shù)據(jù)分析結果,歸納出電池恒壓充電過程中的電流曲線特征適合用于表征電池的老化程度,其次基于支持向量回歸方法,建立了電池老化特征與量化指標之間的非線性映射關系模型,基于該模型及粒子濾波估計器,建立了鋰離子電池健康狀態(tài)估計與剩余可用壽命預測的方法。最后,在多個電池老化數(shù)據(jù)上驗證了模型與方法的有效性。3)針對鋰離子電池荷電狀態(tài)與老化指標聯(lián)合估計的問題,構建了一種無需預知容量參數(shù)的電池狀態(tài)空間模型表達形式,并且,基于此狀態(tài)空間模型,提出了一種李亞普諾夫狀態(tài)觀測器,并依據(jù)李亞普諾夫直接方法,確定了保證觀測器穩(wěn)定且收斂的觀測器增益選取方法。實驗結果表明,該方法可以僅依據(jù)端電壓與電流測量值估計得到電池荷電狀態(tài)以及常用于量化評估老化程度的電池內阻、容量等。4)針對鋰離子電池儲能系統(tǒng)熱故障診斷問題,首先基于電學行為與熱行為的耦合作用,建立了電池的電熱耦合模型,其次基于李亞普諾夫狀態(tài)觀測器與擴展卡爾曼濾波,提出了電池內阻與核心溫度的估計方法,最后,基于內阻與核心溫度估計結果,提出了鋰離子電池熱故障診斷及識別方法,實驗驗證結果充分展示了所提模型與故障診斷及識別方法的有效性。5)針對串聯(lián)鋰離子電池不一致性引起的性能衰減問題,首先分析了電池不一致性特征與其核心控制變量,并在此基礎上設計了雙時間尺度擴展卡爾曼濾波器,實時監(jiān)控電池組內最大最小荷電狀態(tài),縮減計算負擔。并在電池組狀態(tài)估計的基礎上,基于雙向反激變壓器的主動均衡拓撲,提出了一種電流切換的雙粒度均衡控制策略,用以修復由于串聯(lián)電池組內單體不一致性引起的性能衰減問題,實驗結果表明,參數(shù)估計方法可以有效估計電池組內的荷電狀態(tài)極值,提出的主動均衡控制方案可以顯著改善電池組內單體不一致性,提高均衡精度并縮短均衡時間。
【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TM912
【圖文】：

飛輪儲能與抽水蓄能，熱儲能包括低溫能量存儲，電能儲能主要有電容儲能。在逡逑眾多儲能形式中應用最為廣泛的是電化學儲能，如鉛酸電池、鋰離子電池、鎳逡逑氫電池及鎳鎘電池等。圖１．２展示了一些常見儲能裝置的能量與功率對比［８］。在逡逑３逡逑

１．２鋰離子電池儲能系統(tǒng)簡介逡逑根據(jù)儲能系統(tǒng)額定電壓、電流和容量的需求，鋰離子電池單體通常需要串并逡逑聯(lián)使用。圖１．３展示了不同封裝等級的電池儲能系統(tǒng)示意。其中，單電池（Ｍｏｎｏ？逡逑ｃｅｌｌ）邋或單元電池對應于電池最小化學單元，電芯一般是由一堆單元電池組成。若逡逑干單體電芯并聯(lián)后可以組成電池模組。若干電池模組配備ＢＭＳ、熱管理系統(tǒng)以逡逑及其他必需電子設備便組成電池組。在一些大功率高壓應用場景中，電池儲能系逡逑統(tǒng)需要由多個電池組組成。逡逑隔膜邐；邋Ｉ邐＾邐／邐Ｊａ逡逑ｎ邋懰逡逑陰極邐一邐；邐ｆ邋Ｉ邐￣逡逑單電池邐電芯邐模組邐電池組邐儲能系統(tǒng)逡逑圖１．３不同封裝等級的電池儲能系統(tǒng)示意圖逡逑｜電池模組邐電池模組邐電池檳組逡逑—邋Ｖｉ邋Ｖｒ￣＾ｉ＾￣Ｔ￣逡逑電池模組管理單元邋電池模組管理單元邐電池模組管理單元邐開關邐ｉ逡逑！邐控制逡逑邐邋內部ＣＡＮ總線邐ｉ逡逑電池組管＾到上層控制甲元逡逑理單元邐產(chǎn)的外部ＣＡＮ總線逡逑：邐：邐ｆ＊￣＇＊＊＊＇＂＊＊＊＊邐邋邋邋邋邋邋邋＇＊＇；邐：邐：逡逑：邐：邐：邐：邐！邐：逡逑！邐Ｉ邐灥灥邐！邐！逡逑！邐！邐Ｉ邋■邐，邋ｉ邋ｇ－電池計算c劾镥澹灣澹懾危赍澹殄義�！，]掊危掊澹�！辶x�！逦：逦貑桚据提．ｉ邋咖邋ｉ邋ｉ预测与！逦ｊ邋ｉ邋砌崱逦}㈠

本文編號：2792935