纯电动物流车动力蓄电池系统荷电状态的建模与估计

摘要

能源危机和环境危机是当前人类社会面临的两大挑战。电动汽车因为具有节能、环保的特点，所以是世界汽车工业未来发展的方向。由于物流业的快速发展，纯电动物流车的研究已经刻不容缓。动力蓄电池技术是电动汽车的核心技术之一，动力蓄电池系统的性能直接影响电动汽车的安全、动力和经济性。电池管理系统(Battery Management System，BMS)是电动汽车监控和管理电池的关键重要部件。动力蓄电池的荷电状态(State of Charge，SOC)反映电池的剩余容量，对电池管理系统十分重要。
　　本文的内容包括三方面:设计与实现电池管理系统电池电子部件，建立纯电动物流车动力蓄电池的模型，研究并分析动力蓄电池的荷电状态估计方法。
　　本文设计并实现了纯电动物流车电池管理系统电池电子部件的软硬件系统。采用16位微控制器FREESCALE9S12XEQ512，包括电源模块、电池电压/温度采集模块、被动均衡模块、CAN(Control Area Network，控制器局域网)模块、驱动模块。软件架构采用有限状态机，设计并实现上位机监控软件，设计并实现Boot Loader(引导加载器)用于电池电子部件软件的CAN总线下载更新。
　　本文结合电池的特性和实际运行工况，采用非线性多元逐步回归法建立SOC-OCV(Open Circuit Voltage，开路电压)和OCV-SOC的静态多项式模型;本文假设扰动是增量平稳过程，建立电池的CARIMA(Controlled Auto-Regressive Integral Moving-Average，受控自回归积分滑动平均)模型，采用渐消记忆递推最小二乘法辨识模型参数，并判定和分析模型参数估计的收敛性。
　　最后本文结合CARIMA模型推导并证明SOC的最优估计，分析最优估计的性质，并通过试验验证SOC估计算法的准确性和鲁棒性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 纯电动物流车的发展现状与发展趋势

1．2 动力蓄电池系统的发展现状与发展趋势

1．2．1 动力电池

1．2．2 动力电池系统

1．3 电池管理系统与荷电状态估计的国内外研究现状

1．3．1 电池管理系统研究现状

1．3．2 电池模型研究现状

1．3．2 荷电状态估计研究现状

1．4 本文的主要研究内容和章节安排

第2章 三元聚合物锂离子电池的结构与特性

2．1 三元聚合物锂离子电池的结构与工作原理

2．1．1 三元聚合物锂离子电池的结构

2．1．2 三元聚合物锂离子电池的工作原理

2．2 三元聚合物锂离子电池的基本特性

2．2．1 电压特性

2．2．2 内阻特性

2．2．3 容量特性

2．2．4 能量特性

2．2．5 自放电特性

2．2．6 循环寿命

2．2．7 电池的能量效率

2．3 影响电池性能的主要因素

2．3．1 充放电倍率

2．3．2 环境温度

2．3．3 环境湿度

2．3．4 充放电深度

2．3．5 电池老化程度

2．3．6 电池组的一致性

2．4 本章小结

第3章 电池管理系统电池电子部件的设计与实现

3．1 电池系统与电池管理系统

3．2 电池管理系统电池电子部件

3．3 电池管理系统电池电子部件硬件设计与实现

3．3．1 电源设计

3．3．2 电压、温度采集电路设计

3．3．3 被动均衡电路设计

3．3．4 CAN模块设计

3．3．5 驱动模块设计

3．3．6 印刷电路板设计

3．4 电池管理系统电池电子部件软件设计与实现

3．4．1 状态机的设计

3．4．2 上位机监控软件

3．4．3 CAN下载的设计与实现

3．5 本章小结

第4章 动力蓄电池建模与参数辨识

4．1 电池模型的分类

4．1．1 电化学模型

4．1．2 等效电路模型

4．1．3 复合模型

4．1．4 神经网络模型

4．2 模型的结构

4．2．1 一阶Thevenin模型

4．2．2 CARIMA模型

4．3 多项式回归

4．3．1 非线性多元逐步回归

4．3．2 荷电状态多项式回归模型

4．3．3 开路电压多项式回归模型

4．4 参数估计算法

4．4．1 渐消记忆递推增广最小二乘法

4．4．2 模型参数估计

4．4．3 模型估计收敛性判定与收敛结果分析

4．5 模型验证与分析

4．6 本章小结

第5章 基于CARIMA模型的荷电状态估计

5．1 基于CARIMA模型的荷电状态最优估计

5．1．1 模型

5．1．2 估计

5．2 基于CARIMA模型的荷电状态最优估计的性质

5．3 荷电状态估计算法的实现

5．4 荷电状态估计算法的验证

5．5 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果