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原文传递锂离子动力电池管理系统关键技术研究

论文题名：	锂离子动力电池管理系统关键技术研究
关键词：	电动汽车;锂离子动力电池;管理系统;荷电状态;电量均衡
摘要：	近年来，我国节能与新能源汽车产业持续快速发展，2016年新能源汽车产销更是突破了50万辆，已经连续两年居全球第一。而对于新能源汽车的三大关键技术（驱动电机、动力电池、整车电控）之一的动力电池技术，电池管理系统更是其中不可或缺的重要一环。虽然目前动力电池管理系统的发展已经取得了长足的进步，但市场对于新能源汽车的性能及安全也提出了越来越高的要求，而近年来随着越来越多的新能源汽车投放到市场中，因动力电池系统引发的汽车性能下降、电池起火爆炸等安全问题也越发凸显，这也表明目前在动力电池管理系统方面尚存在一些亟待解决的关键技术问题，例如电池的状态估算的准确性问题、电池组的均衡问题及故障诊断及潜在失效风险的评估及及时应对的措施等都需要进行更加深入的研究。从国家2016年发布的《节能与新能源汽车技术路线图》可以看到，新能源汽车动力电池的安全和可靠性管理理论也被列为未来创新发展的重要核心技术之一。签于此，本文对于混合动力及电动汽车使用最为广泛的锂离子动力电池管理系统(Battery management system，BMS)较为关键的电池的等效电路建模、荷电状态估算技术、电池组的电量均衡技术及管理系统电控设计技术等进行了研究，以探寻提高动力电池组使用性能和可靠性的解决方案，主要包括以下几个方面：　　(1)通过大量的锂电池充放电实验，在分析了现有锂离子电池模型的基础上，提出了一种改进的二阶 RC等效电路模型，这种模型便于汽车级的嵌入式处理器进行在线计算。在模型参数辨识算法方面，根据模型函数的特点，利用递推阻尼最小二乘法进行模型静态特性函数的参数辨识，而电池动态极化特性参数的辨识则采用了计算量较小而且辨识精度高的子空间系统辨识算法分别对模型参数进行了辨识。为了验证模型的有效性，设计了锂电池脉冲充放电实验，将实验数据和电池等效电路模型的仿真结果进行了比较，结果验证了模型可以较好的模拟锂电池的外在特性，良好的模型计算精度为后续进行锂电池状态估算奠定了基础。　　(2)对电池荷电状态（State of Charge，SOC）的定义进行了详细阐述，综合比较了目前较为常见的锂电池荷电状态估算理论，针对镍钴锰三元锂离子电池搭建了实验平台，并详细阐述了主流的卡尔曼滤波SOC估算方法，提出了基于改进迭代中心差分卡尔曼滤波的 SOC估算算法及将此算法与开路电压法进行加权融合的新算法，通过实验证明新的加权融合算法具有更高的估算精度。　　(3)针对动力电池的安全使用，研究了电池最大充放电的功率估算问题，并提出了基于改进双极化（Dual polarization，DP）等效电路模型的电池最大估算方法，以便在实际应用中对电池的充放电功率进行必要的控制，一方面可以最大限度的发挥电池的效能，另外也能起到对电池组的保护。　　(4)针对动力电池组的均衡问题，研究比较了以往的被动均衡方法和各种主动均衡方法。由于双层开关电容均衡法有着均衡速度快、控制简单的优点，但是常规的开关电容容易产生开关损耗和电磁干扰，针对这一问题，本文提出了一种基于双层准谐振开关电容的锂离子动力电池组主动均衡控制方法，运用软开关技术降低了开关损耗。并对双层准谐振开关电容均衡方法在动力电池组实际应用时需要考虑的问题进行了分析，包括均衡效率、参数选取等问题，然后利用电力仿真软件对均衡电路进行了仿真分析。再通过搭建的串联电池均衡实验平台，对提出了理论进行了实验验证，仿真和实验结果均验证了本文所提出的均衡控制方法的有效性，为动力锂离子电池组管理系统的整体设计提供了有效的依据和保证。　　(5)在研究了锂离子动力电池组状态估算和均衡理论的基础上，设计了分布式的电池管理软、硬件系统，并对方案设计的思路进行详细阐述。由于电池组的电流对于 SOC估算非常重要，设计了高精度的电流检测电路。而对于影响电池组安全的绝缘电阻检测方法也进行了介绍。最后研究了动力电池组的故障诊断及保护策略，应用改进的层次分析法对电池管理系统采集的电池组状态信息进行了综合评价，评估电池组的系统可靠性风险，为故障诊断系统的保护策略提供了量化依据。
作者：	李泉
专业：	机械工程
导师：	周云山
授予学位：	博士
授予学位单位：	湖南大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文