【摘要】：動力電池的狀態(tài)參量主要包括電池的電量狀態(tài)(SOC)、健康狀態(tài)(SOH)以及功率狀態(tài)(SOP)三個方面,其分別對應了車輛的當前剩余里程、最大續(xù)駛里程以及瞬時加速能力。準確而可靠的電池狀態(tài)估計是保障電池使用安全、提高電池使用效率、延長電池使用壽命,優(yōu)化系統(tǒng)能量管理策略的基礎。但是,作為電池的隱性狀態(tài),電池SOC、SOH與SOP的估計往往要依托于其與電池內部各特征參量之間對應關系的提取或建立,而這一關系又會受到電池工況條件、使用溫度、老化程度以及批次差異等多個因素的耦合影響,特別是當電池的老化因素被加入考慮后,其對應關系的建立將依賴于冗繁的前期老化與特性實驗,這極大地增加了電池狀態(tài)估計算法開發(fā)與優(yōu)化的時間成本與社會成本。針對以上問題,本文旨在在不依賴于大量前期老化實驗的條件下,實現對電池各狀態(tài)在整個車用階段的準確在線估計。為了實現這一目的,本文針對目前應用最為廣泛的磷酸鐵鋰電池,選擇電池的平衡電壓作為電池狀態(tài)估計的特征參量。電池的平衡電壓即電池內部平衡狀態(tài)的一種外在表現形式,反映為電池外部電壓中的穩(wěn)定部分,根據其獲取方式及對應內部環(huán)節(jié)的不同,可將其細分為電池的靜態(tài)平衡電壓(即開路電壓OCV)、動態(tài)平衡電壓(DEV)與準平衡電壓(QEV)三種類型。利用鋰離子電池的容量-電勢聯合坐標系,分別從理論和實驗上分析并證明了電池平衡電壓在車用階段隨電池老化的變化規(guī)律。研究發(fā)現隨著電池容量的損失,電池的平衡電壓曲線僅體現為其高SOC區(qū)域電壓平臺的逐漸消失,而在整個SOC區(qū)間內其與電池SOC的對應關系并不會發(fā)生改變。電池平衡電壓的這一特征為僅通過對全新電池平衡電壓曲線的獲取,實現整個車用階段的電池狀態(tài)的準確估計提供了理論保障。針對電池在動態(tài)工況應用場合下的在線估計問題,選擇電池的動態(tài)平衡電壓(DEV)作為電池SOC與SOH估計的特征參量。一方面,將電池DEV作為SOC的函數,并以曲線上各相變特征點作為區(qū)間端點對DEV曲線進行劃分,從而建立了“分段同形”的電池平衡電壓模型。同時,在這一基本模型的基礎上,考慮并加入了溫度對DEV曲線的影響,構建了完整的動態(tài)平衡電壓模型表達式。新模型在不增加計算復雜程度的前提下,提升了對平衡電壓曲線的擬合精度以及對工作溫度的適應能力。另一方面,考慮到系統(tǒng)狀態(tài)與參數變化速度的差異性以及其估計過程對預設狀態(tài)噪聲參數的依賴,利用極大似然估計原理,推導得到了基于新息序列統(tǒng)計的狀態(tài)自適應雙擴展卡爾曼濾波算法。在以上兩方面研究的基礎上,通過對電池動態(tài)行為的數學描述,建立了關于電池各性能狀態(tài)與模型參數的狀態(tài)空間方程,在僅利用全新電池DEV曲線的條件下,實現了對整個車用階段中不同溫度、不同老化程度條件下的電池SOC與SOH的準確在線估計。針對電池在平穩(wěn)工況應用場合下的狀態(tài)估計問題,選擇電池的靜態(tài)平衡電壓,即電池的開路電壓(OCV)作為電池SOC與SOH估計的特征參量。為了解決OCV需要長時間靜置獲取的問題,基于對電池開路狀態(tài)下電壓釋放行為的實驗分析,得到了電池極化弛豫時間與開路時間之間明確的線性關系,并在這一線性關系的基礎上,提出了全新的電壓釋放模型以及電池OCV的快速、在線預測方法。該方法可以通過對電池開路初期電壓數據的采集與計算,實現對電壓完全釋放后的靜態(tài)OCV的準確預測,將傳統(tǒng)20 h的等待獲取時間縮短為僅需20 min。同時,通過對方法在不同SOC區(qū)域可能引起估計誤差的分析,標定了方法的電壓適用范圍。此外,針對電池SOP的在線估計問題,為實現對動態(tài)工況條件下電池瞬時充放電能力的充分利用,使電池在瞬時脈沖過程中始終維持在其峰值工作狀態(tài)下,本文提出了電池峰值功率的電流-電壓聯合約束限定條件,并在此基礎上實現了對脈沖過程中電流約束與電壓約束所占時長以及對應約束條件下電壓與電流變化情況的有效預測。從而結合電池模型的全參數在線辨識方法,在不依賴于任何前期實驗的條件下,實現了對電池在不同溫度與老化程度下的在線SOP估計。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TM912;U469.72

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本文編號：2326780