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原文传递动力电池管理系统研究与设计

论文题名：	动力电池管理系统研究与设计
关键词：	电池管理系统;电动汽车;SOC;SOH;H∞滤波;主动均衡电路
摘要：	近年来，由于全球能源危机和环境问题，电动汽车已经成为汽车行业的热门研究对象。锂离子动力电池由于功率密度高、循环寿命长等优势，逐渐成为当前电动汽车的主要动力来源。安全可靠的电池管理系统（BatteryManagementSystem，BMS）是发挥动力电池性能的关键，其主要功能是监控车载动力电池、对荷电状态（StateOfCharge，SOC）和健康状态（StateOfHealth，SOH）进行准确估计，均衡电池组电量和保护电池组安全等。电池管理系统科学有效的对电池组进行管理，可以延长电动汽车续航和电池使用寿命，保护汽车以及驾驶人员的安全等。因此，本课题针对电动汽车，开发了一种新型电池管理系统。主要工作包括以下方面：　　首先，详细分析锂离子动力电池的工作原理，通过不同环境下的电池实验采集相关数据，并据此建立电池的双极化等效电路模型，准确反映其工作特性。采用带遗忘因子递推最小二乘法对模型的参数进行辨识，搭建MATLAB仿真模型进行仿真验证，并与实际电池工作曲线进行对比。　　其次，基于双极化等效电路模型，引入了一种新型的H∞滤波算法，对锂离子动力电池的SOC进行估计。传统的卡尔曼滤波（KalmanFilter，KF）算法无法应用到非线性系统，且对模型精度要求很高，只适用于高斯噪声且外部输入已知，具有较大的局限性。而新型的H∞滤波算法可以克服卡尔曼滤波算法保守性，并且提高估计鲁棒性，因此使用基于模型的H∞滤波算法对SOC的估计进行了仿真分析。在此基础上，对电池的SOH进行估计，建立基于模型响应面的“容量-OCV-SOC”三维关系图，得到电池当前最大容量，进而根据定义计算出电池SOH。　　然后，为了实现上述功能和BMS主动均衡功能，同时考虑到BMS的可拓展性与可维修性等，采用分布式拓扑对BMS的硬件系统进行设计。由于电动汽车需要高功率等级电池组，因此要将锂离子动力电池串并联成组。使用“先并联后串联”的方式，提高电池组可靠性与安全性。基于以上功能并且以提高电路安全性和可靠性为基础，使用汽车级电子器件和各种滤波、保护电路设计制作了BMS。在主动均衡电路中，首次使用高升压比的DC/DC变换器对电池组电量进行主动均衡，提高了电池组能量利用率。　　最后，对BMS的软件系统进行设计，编写了安全可靠的程序和上位机程序，包括软件执行流程程序、通信程序、主动均衡程序和故障诊断程序，并对其进行实验分析，验证了SOC和SOH估计算法准确性和均衡电路的高效性，证明BMS符合设计要求。
作者：	刘超
专业：	电气工程
导师：	荣雅君;纪成帅
授予学位：	硕士
授予学位单位：	燕山大学
学位年度：	2020