磷酸铁锂电池组安全保护技术研究

摘要

随着能源危机和环境污染的加剧，以纯电动和混合动力汽车为代表的新能源汽车受到了广泛重视，电动汽车技术被认为是未来汽车领域最具发展前景的技术之一。然而随着电动汽车的逐渐普及，因动力电池组引发的各种故障和事故为其推广乃至发展蒙上了阴影。动力电池组是电动汽车动力系统的核心部件之一，对其安全保护技术进行研究，有利于提高电动汽车的使用安全性，促进电动汽车产业化进程的加快。
　　围绕磷酸铁锂电池组安全保护技术，本文开展了以下研究工作:
　　1.电池组性能研究平台的搭建
　　为了进行电池循环性能测试，给电池模型验证及电池状态参数估算方法研究提供数据支持，开发了并联单体电池参数监测系统，结合恒温恒湿箱、动力电池性能测试台，搭建了电池组性能测试平台。并联单体电池参数监测系统包含主控模块、电流测量模块及电压、温度测量模块。主控模块配置了CAN通信，U盘存储，用于接收、存储或上传电流测量模块和电压、温度测量模块传来的电池参数。电压、温度测量模块采集单体电池电压，温度，并通过CAN总线获取单体电池相应支路的电流参数来计算单体电池内阻。电流测量模块采集单体电池电流，电池组总电流及总电压等参数。
　　基于Matlab/Simscape平台，建立了单体电池仿真模型，包括温度计算子模型、SOC估算子模型、开路电压描述子模型、欧姆内阻描述子模型、极化内阻及极化电容描述子模型。利用恒流充放电及脉冲放电试验对单体电池仿真模型进行了验证，仿真结果与实测结果吻合良好，最大误差不超过1％;建立了8节单体电池串、并联构成的电池组，进行了恒流充放电试验，并利用所开发的单体电池仿真模型，组装建立了相应的电池组仿真模型，进行了仿真计算，实测及仿真结果表明，基于Matlab/Simscape平台建立的单体电池仿真模型可用于不同组合方式的电池组模型的构建。
　　2.电池连接片阻值及电压采样系统输入阻抗对电池组性能的影响
　　在对电池组进行循环测试时发现，单节电池内部并联的各单体电池端电压之间存在差异，另外，电池管理系统中单节电池电压采样系统输入阻抗会导致流经各单节电池的电流出现差异。
　　利用电阻模拟连接片，基于构建的单节电池仿真模型研究了连接片阻值对单节电池性能的影响。结果表明，连接片阻值的存在导致流经各单体电池间的电流存在差异，与极柱相连的单体电池最先达到电池管理系统设定的充、放电截止电压，影响了单节电池的使用性能;与极柱相连的单体电池会率先老化，导致其相邻的单体电池出现过充、过放电现象，影响单节电池的安全性;并以设定的单节电池中各单体电池SOC间最大偏差为约束，分析了不同并联电池数目及电池欧姆内阻下连接片阻值的取值范围。
　　建立了包含电池管理系统中单节电池电压采样电路的电池组仿真模型，研究了电压采样系统输入阻抗对电池组性能的影响。电压采样电系统输入阻抗即便达到兆级，仍有10μA左右的外载漏电流。依据某客车技术参数的仿真结果表明，循环2000次后，电池组中单节电池间SOC的偏差将达0.03。提出了依据外载漏电流与电压采样电路输入阻抗及模组间串联电池节数间关系，建立不同循环次数下电池组SOC估算值修正系数，从而对电池组SOC估算值予以修正，以保证电池组使用安全的建议。
　　3.单体电池间参数差异对电池组性能的影响及电池组容量估算
　　单节电池内部一般由多个单体电池并联，各单体电池间内阻的差异会导致流经各单体电池的电流不一致，造成各单体电池充放电深度的不同，影响单节电池的使用容量，进而影响电池组整体容量。为此，仿真研究了单体电池参数差异对充电过程中单节电池性能的影响，结果表明，若某单体电池因老化出现内阻增加及容量降低后，与之并联的单体电池因充电电流增加，SOC上升速率将高于其余单体电池;单节电池SOC并不能表征其包含的所有单体电池的SOC，某些单体电池在应用中可能出现“过充”现象;为了保证单体电池安全，需调整单节电池充电截止电压，并重新估算电池组容量。
　　提出了针对具体的单节电池结构，依据实际充电电流，以极端状态下的单节电池充电截止电压作为安全充电截止电压的理念。包含n节单体电池的单节电池，安全充电截止电压出现在单节电池内部只有一节正常单体电池，其余单体电池容量均降为初始容量0.8n-1—n-1的极端状态下。
　　提出了利用充电结束时“正常单节电池”SOC及充入电量估算电池组容量的新方法。利用数学变换法估算“正常单节电池”容量及电压偏移，利用电池SOC与充电电压的关系曲线估算“正常单节电池”SOC。7组试验结果表明，该方法进行容量估算时最大误差不超过0.35％。
　　4.基于DMC算法的电池电压及瞬时可用功率预测
　　基于DMC算法的特点，提出了一种线性化RC等效电路模型的方法，并利用递推最小二乘法估算电池模型参数，据此提出了电池电压及可用功率预测的新方法。台架试验结果表明，电池电流变化频率较高时，采用一阶RC等效电路模型即可获得较为理想的电池的状态参数预测效果;但由于短时间常数的RC模块不能反应浓差极化的影响，导致模型参数辨识得到的开路电压值与静置获得的开路电压值存在一定的偏差;长时间常数的RC模块在电池长时间静置过程的后期起主导作用。多阶RC等效电路模型具有高度非线性，为此提出了基于二进制编码的多阶RC模型求解算法;依据辨识得到的电池模型参数及放电截止电压，可利用DMC算法结合二分法估算未来一定时间内的最大持续放电电流，进而估算电池可用功率。
　　在配备72 V/100 Ah及320 V/66 Ah磷酸铁锂电池组的纯电动汽车及混合动力汽车上的试验结果表明，根据实测电流对电池电压的预测偏差分别在0.8％及3.7％以内。为简化算法，利用优化时间常数及固定时间常数，对纯电动汽车及混合动力汽车实车工况下的电池组电压进行了预测，结果表明，采用固定时间常数时DMC预测算法仍可获得较为理想的结果，可实车应用。
　　5.电池组SOH在线估算方法研究
　　鉴于DVA及ICA方法可直接利用电池充电电压曲线特征值进行电池容量衰减程度估算，选择了4块不同老化状态的磷酸铁锂电池，实测了其充电电压曲线，采用改进中心最小二乘法在线获取了高鲁棒性性的IC及DV曲线。利用1块电池的充电电压曲线研究了不同电池循环数下IC及DV曲线的特点，提出了利用DV曲线特征点位置差及曲线变换系数表征电池老化状态的方法，并利用其余3块电池的测试数据对所提方法的适应性进行了验证。
　　依据电池嵌锂过程中的分期现象在电池充电曲线上的反映，提出了电池初始电量修正方法，以及利用DV曲线驻点出现时刻电池电量差估算电池SOH的方法，电池容量估算偏差在2％以内;电池未出现DV曲线特征点时，可依据电池初始充电DV曲线为标准，在考虑单节电池差异的基础上，对在用电池的DV曲线进行数学变换，利用变换系数表征电池SOH，估算偏差在2.5％以内;论文最后提出基于DV曲线特征点及变换系数的电池组SOH估算流程。

目录

声明

摘要

主要符号说明

第1章 绪论

1．1 课题背景及意义

1．2 电池安全性及可靠性研究

1．2．1 电池安全性测试标准

1．2．2 电池安全影响因素分析

1．2．3 电池故障诊断

1．3 电池性能研究方法

1．3．1 实车道路试验

1．3．2 台架测试

1．3．3 模拟仿真技术

1．4 电池状态参数估算方法研究

1．4．1 电池荷电状态估算

1．4．2 电池健康状态估算

1．4．3 电池容量估算

1．4．4 电池瞬时可用功率估算

1．5 课题主要研究内容

第2章 电池组性能研究平台的搭建

2．1 电池组性能测试平台的开发

2．1．1 电压测量模块

2．1．2 电流测量模块

2．1．3 温度采集模块

2．1．4 通信单元

2．1．5 系统供电单元

2．2 电池组仿真平台的开发

2．2．1 磷酸铁锂电池特性

2．2．2 磷酸铁锂单体电池模型

2．2．3 磷酸铁锂电池组模型

2．2．4 电池模型验证

2．3 本章小结

第3章 电池连接结构对电池组性能的影响

3．1 连接片阻值对电池性能的影响

3．1．1 连接片阻值对单节电池使用性能的影响

3．1．2 连接片阻值对单节电池安全性能的影响

3．1．3 连接片阻值匹配建议

3．2 电压采样系统输入阻抗对电池性能的影响

3．2．1 电压采样系统输入阻抗对电池SOC估算精度的影响

3．2．2 电池组SOC估算方法的修正

3．3 本章小结

第4章 单体电池差异对电池组性能的影响及电池组容量的估算

4．1 单体电池的筛选

4．1．1 电池容量筛选

4．1．2 电池内阻筛选

4．2 单体电池差异对电池组性能的影响

4．3 单节电池安全充电截止电压讨论

4．4 基于单体电池安全性的电池组容量估算

4．4．1 电池组容量的定义

4．4．2 电池组容量估算的新方法

4．4．3 函数关系法估算电池组容量的试验验证

4．5 本章小结

第5章 基于DMC算法的电池电压及瞬时可用功率预测

5．1 电池模型建立

5．2 DMC算法预测原理

5．3 预测方法的台架验证

5．4 预测方法的实车验证

5．4．1 纯电动汽车实车验证

5．4．2 混合动力汽车实车验证

5．4．3 DMC算法优化

5．5 本章小结

第6章 电池组SOH在线估算方法研究

6．1 电池循环测试及数据分析

6．1．1 电池选取及测试

6．1．2 循环充电曲线分析

6．2 DV及IC曲线求解方法讨论

6．3 基于DV曲线特征点的电池SOH估算

6．4 基于DV曲线特征点位置差的电池SOH估算

6．4．1 安时积分法初始容量修正

6．4．2 基于特征点位置差的电池SOH估算

6．5 基于DV曲线变换的电池SOH估算

6．5．1 电池差异DV曲线表征

6．5．2 基于DV曲线变换的电池SOH估算

6．6 在线SOH估算流程

6．7 本章小结

第7章 总结与展望

7．1 全文总结

7．2 论文特色与创新

7．3 展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间主要成果