锂离子动力电池组健康状态评价及梯次利用

摘要

随着世界能源消耗的日益增加，大气污染日渐严重，发展新能源汽车已成为现代工业发展的重要任务。其中，电动汽车以其效率高、污染小等特点备受关注。锂离子动力电池组是电动汽车中唯一的储能环节，当电动汽车动力电池组性能下降到原性能的80%时，将不再适合在电动汽车中使用。动力电池组的制造工艺先进，即使退役后仍然保持很高的安全性和电性能，若将这些动力电池进行回收处理将造成极大浪费，故可考虑将退役动力电池进行梯次回收利用。由于动力电池组不同单体电池在使用过程中自放电程度、环境温度等因素的不同，导致退役的动力电池的容量、内阻、电压存在不一致性，各单体电池老化程度存在差异。因此，准确估计动力锂离子电池组内各单体电池的荷电状态和健康状态对延长动力锂离子电池组使用寿命及梯次利用至关重要。 本文首先对磷酸铁锂动力电池的特性参数进行分析，包括电池容量、电压以及内阻等。提出采用欧姆内阻表征电池健康状态的方法，并通过单体电池加速老化试验，获得了电池实际容量与欧姆内阻间的关系，为采用内阻法估计电池健康状态提供了依据；分析比较多种电池等效电路模型，选取精确度较高且参数较简单的二阶Thevenin等效电路模型。并通过间歇恒流放电工况实验对单体电池等效电路中的开路电压和阻容参数在不同 SOC 下进行辩识，得到了该电池模型的基本参量关系，为估算电池荷电状态和健康状态提供基础。 为准确实时估算电池的健康状态，本文运用自适应无迹卡尔曼滤波算法，并在算法中运用两次无损变换，该算法不仅能更加准确快速的估算电池SOC，而且能实时估计出电池的欧姆内阻，从而利用欧姆内阻与电池 SOH的函数对应关系实现对各单体电池健康状态的实时在线评价。在两种不同工况下对电池做充放电实验，验证了该方法估算电池荷电状态和健康状态的可行性和准确性。 最后，通过对锂离子电池组中各单体电池及电池组整体健康状态的估算，量化电池组的完好度，定位不合格单体电池，制定了明确的电动汽车动力锂离子电池组梯次利用方案，实现废旧动力电池的资源利用最大化。

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第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 动力电池发展状况

1.3 动力电池SOC研究现状

1.4 动力电池SOH研究现状

1.5 本文研究内容

第2章 锂离子电池原理及特性

2.1 锂离子电池分类

2.2 磷酸铁锂电池工作原理

2.3 磷酸铁锂电池特性参数

2.3.1 磷酸铁锂动力电池容量

2.3.2 磷酸铁锂动力电池电压

2.3.3 磷酸铁锂动力电池内阻

2.4 本章小结

第3章 锂离子电池模型

3.1 电池电路模型概述

3.2 锂离子电池二阶戴维南模型的建立

3.3 开路电压的获取

3.4 电池电路模型阻容参数辨识

3.5 本章小结

第4章 锂离子动力电池状态估计

4.1 锂离子动力电池荷电状态和内阻估计

4.1.1 离散化模型建立

4.1.2 自适应无迹卡尔曼滤波算法估计电池荷电状态和内阻

4.2 内阻法估计锂离子动力电池健康状态

4.3 实验验证与分析

4.3.1 间歇恒流放电工况

4.3.2 变电流工况

4.4 本章小结

第5章 动力锂离子电池梯次利用

5.1 动力锂离子电池梯次利用概述

5.2 动力锂离子电池梯次利用方案

5.3 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 论文主要成果

6.2 下一步研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

致谢