【摘要】：隨著能源危機的深化,以及污染問題的日趨嚴重,電動汽車因其高節(jié)能、高效率等優(yōu)點成為了汽車工業(yè)的新星,而動力電池是發(fā)展新能源汽車的關(guān)鍵。在電動汽車動力電池管理系統(tǒng)中,電池荷電狀態(tài)和健康狀態(tài)等狀態(tài)量的估計、電池壽命的預(yù)測等都需要精確的電池模型。另一方面,在電池管理系統(tǒng)硬件環(huán)境中應(yīng)用的電池模型需要保證較好的計算效率。所以,同時保證較高的精確度和計算效率的機理模型就是必不可少的。本文首先搭建了鋰離子電池簡化一維模型,進而考慮了溫度因素,搭建了電化學-熱耦合模型,并從應(yīng)用角度出發(fā),設(shè)計了基于耦合模型的SOC估計方法。主要研究內(nèi)容如下:首先搭建了精確度與計算效率都比較高的簡化一維模型。分析了鋰離子電池的工作機理,介紹了電池常用的電化學模型——準二維模型,并分析了準二維模型在應(yīng)用時的兩個數(shù)值問題:兩個維度導(dǎo)致的狀態(tài)量過多,和雙曲正弦非線性導(dǎo)致的計算復(fù)雜度高。進而,本文針對準二維模型存在的兩個問題,首先對準二維模型進行降維,搭建了一維模型,并進一步使用Padé近似進行簡化,最后提出了簡化的一維模型。然后,采用J.Newman基于準二維模型編寫的Fortran程序,驗證了所搭建的模型的精確性,也分析了產(chǎn)生誤差的原因,即對液相鋰離子濃度變化的忽略以及參數(shù)誤差。進而,由于在較高倍率充放電時,溫度因素不可忽略不計。為了提高模型的精確性與適用范圍,在所搭建的簡化的一維模型基礎(chǔ)上,考慮溫度的影響,搭建了電化學-熱耦合模型。首先分析了電池的生熱原理與電池的熱交換原理,并基于此搭建了基于Bernardi方程與牛頓冷卻原理的電池的集中質(zhì)量熱模型,然后引入服從Arrhenius方程關(guān)系的電池內(nèi)部參數(shù)變化,搭建了鋰離子電池電化學-熱耦合模型。最后,使用考慮溫度的準二維模型作為基準值,分別從端電壓和溫度兩方面驗證了所搭建的電化學-熱耦合模型的精度。最后將電化學-熱耦合模型應(yīng)用于SOC估計中。首先分析了電化學-熱耦合模型的特性,進而對基于耦合模型的估計問題進行分析,設(shè)計了基于電化學-熱耦合模型的自適應(yīng)SOC觀測器,進而對各個估計量的漸進收斂性進行了Lyapunov分析,然后給出選擇觀測器增益的一般方法。最后,利用Fortran程序輸出的SOC值作為參考,在恒流工況下對所設(shè)計的自適應(yīng)觀測器進行驗證,估計器有較高的估計精度,驗證了所搭建的電化學-熱耦合模型可以有效地應(yīng)用于SOC的估計中。本文的主要貢獻為:第一,解決了準二維模型的兩個數(shù)值問題,提出了精確、計算效率高的簡化的一維模型。第二,在簡化一維模型的基礎(chǔ)上,考慮了溫度因素,搭建了電化學-熱耦合模型。第三,將電化學-熱耦合模型應(yīng)用于SOC自適應(yīng)估計器的設(shè)計中。
【圖文】：

子電池由于其高能量密度而占據(jù)更大的市場份額，這使得它們對應(yīng)用(例如 HEV)具有吸引力。它們具有較長的循環(huán)壽命(> 500 次循月<10％)。高昂的初始成本限制了它們在價格敏感的應(yīng)用中的使規(guī)模經(jīng)濟有望在未來降低鋰離子電池的成本。1 為鋰離子電池的示意圖。其中 M 代表金屬如 Co 的鋰金屬氧化物(LixC)分別是正極和負極中的活性材料。正極中的金屬是一種過渡性材料與電池兩端的金屬箔集流器相連，并通過微孔聚合物隔膜。液體或凝膠聚合物電解質(zhì)使鋰離子(Li +)在正極和負極之間擴散程插入或脫離活性材料。統(tǒng)工程角度來看，電池是多輸入多輸出系統(tǒng)。 主要輸入電流由供 主要輸出是電池電壓。 其他輸出包括溫度，單個電池或電池電的離子濃度分布。 系統(tǒng)工程師需要使用標準(例如，狀態(tài)變量和傳元，，電池和封裝模型，這些模型可用于預(yù)測，估計和控制這些輸出

吉林大學碩士學位論文32圖3.2 電池內(nèi)阻脈沖充放電測量方法示意圖20 25 30 35 401415161717.5溫度（ C）阻（內(nèi)mΩ）圖 3.3 鋰電池內(nèi)阻隨溫度變化曲線3.3.2 電化學-熱耦合模型的驗證本節(jié)將所搭建的電化學-熱耦合模型與考慮溫度的準二維模型進行對比。同樣使用Matlab/Simulink 與 Fortran 程序進行仿真，對鋰離子電池的充放電行為特性進行分析。在 Matlab/Simulink 中搭建的電化學-熱耦合模型如圖 3.4 所示。首先在不同工況下對比所搭建模型與參考值的輸出端電壓。圖 3.5、圖 3.6 與圖 3.7是在不同工況，25A m 、210 A m 與215A m 的放電電流密度下，分別取 30 個采樣點，比較搭建模型與參考模型的端電壓。與一維模型類似，可以看出，電化學-熱耦合模型同樣隨著放電電流的變大，誤差也逐漸增大。但是電化學-熱耦合模型的誤差要小于一維模型，可以更好地跟隨參考值。
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：U469.72;TM912

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 商云龍;張奇;崔納新;張承慧;;基于AIC準則的鋰離子電池變階RC等效電路模型研究[J];電工技術(shù)學報;2015年17期

2 陳虹;宮洵;胡云峰;劉奇芳;高炳釗;郭洪艷;;汽車控制的研究現(xiàn)狀與展望[J];自動化學報;2013年04期

相關(guān)碩士學位論文 前3條

1 李炳思;溫度依賴的電動汽車動力電池建模及SOC估計方法研究[D];吉林大學;2017年

2 周秀文;電動汽車鋰離子電池健康狀態(tài)估計及壽命預(yù)測方法研究[D];吉林大學;2016年

3 應(yīng)振華;鋰離子動力電池電化學建模與仿真[D];吉林大學;2015年

本文編號：2703024