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原文传递电动汽车锂离子电池SOH估算方法与电池模组可靠度模型及电量均衡控制

论文题名：	电动汽车锂离子电池SOH估算方法与电池模组可靠度模型及电量均衡控制
关键词：	电动汽车;锂离子电池;健康状态估算;串联电池模组;可靠度模型;失效单体识别;电量均衡控制
摘要：	为确保电动汽车能够稳定、高效、安全地运行，需要对动力电池进行必要的管理和控制，其中电池健康状态（StateofHealth,SOH）估算是电池管理系统的关键技术之一，电池SOH是指电池当前的性能指标与正常设计指标的偏离程度，其评估方法的优劣在很大程度上决定了电池管理系统的性能水平。电池SOH的准确估算，对于减少电池故障、降低维护费用、延长使用寿命、保障新能源汽车正常运行具有重要意义。目前电池SOH估算方法主要有耐久性经验模型法、电化学阻抗谱法和基于模型的参数辨识法。这些方法虽能完成对电池SOH的估算，但也存在诸多不足，比如耐久性经验模型法估算精度不高、泛化能力差，电化学阻抗谱法则多局限于实验室研究、不易工程应用，机理模型参数辨识法模型复杂、计算量大等。为此，本文以镍钴锰酸锂（LiNi1-x-yCoxMnyO2）三元锂离子电池为研究对象，从锂离子电池单体SOH估算、串联的电池模组可靠度模型、模组中失效单体辨识及等电量均衡控制策略研究等几个方面展开深入研究，主要内容如下：　　（1）搭建动力电池测试平台并进行电池性能测试，开展动力电池性能分析和评价研究。分析了环境温度T、放电倍率C对电池放电电量的影响，研究结果表明环境温度T越低、放电倍率C越大，电池放出的电量则越少；分析了电池直流内阻R0随荷电状态（Stateofcharge,SOC）的变化关系，结果显示当SOC≤20%时，充、放电直流内阻R0变化剧烈，而当SOC处在20%≤SOC≤100%区间时，充、放电直流内阻R0随SOC变化则比较小；最后分别从放电倍率C、放电深度（DepthOfDischarge，DOD）及环境温度T三个维度分别分析了各因素对电池SOH的影响，结果表明放电倍率C越大、放电深度DOD越深、环境温度T越低，电池SOH衰减速率越快。　　（2）基于增量容量曲线（IncrementalCapacity,IC）特征点提出了单体电池SOH的估算方法。首先分析IC曲线上与电池老化密切相关的特征点位置参数随循环寿命的变化规律；其次采用Savitzky-Golay滤波器解决了传统数值解析法求解IC曲线时存在噪声给特征点辨识带来困难的问题；最后研究IC曲线各特征点位置分别随循环寿命的变化规律，采用主成分分析法（PrincipalComponentAnalysis，PCA）对增量容量曲线上特征点位置坐标数据进行降维处理，建立电池容量估算回归模型，估算误差为0.63AH（3.15%）。　　（3）提出了基于威布尔分布理论（WeibullDistribution）的串联电池模组可靠度模型。基于串联电池模组的特点（模组容量满足“木桶效应”原理），选取两参数威布尔分布作为串联电池模组失效数据分布模型。对威布尔分布可靠度函数进行线性化处理，基于失效数据采用最小二乘法对线性方程中未知参数β、η进行辨识。对线性方程中的变量X、Y开展相关性分析，相关系数计算结果为ρX,Y=0.9725，表明变量X、Y是显著相关的。用柯尔莫哥洛夫-斯米尔诺夫检验法（Kolmogorov-Smirnovtest，K-Stest）对所选模型进行检验，经计算K-S检验统计量D最大值为Dmax=0.0371，远小于查K-S临界值表得到的DC=0.301，说明采用威布尔分布模型研究串联电池模组可靠性是可行的。　　（4）提出了面向充电过程的串联电池模组失效单体识别方法。建立包含连接电阻Rc在内的二阶RC等效电路模型，通过分析单体端电压UN的解析表达式，得出影响充电电压曲线变化趋势主要有初始SOC、电池容量Q以及电池内阻Rint三个因素。分别分析了初始开路电压Uocv、电压均值与初始开路电压差(U)-Uocv、以及电压极差Umax?Uocv三个参数与初始SOC、内阻Rint以及电池容量Q的之间关系，得出了可通过(U)-Uocv及Umax-Uocv来判断串联模组中单体内阻Rint最大值及容量最小值的结论，通过设计试验验证该方法的可行性。　　（5）提出面向SOH提升的等电量串联电池模组均衡控制研究。利用电量散点图分析了等电量均衡控制方法的原理，在电池充、放电阶段通过电荷转移使串联模组中各单体剩余充、放电电量趋于一致。模组内各单体电池SOC通过开路电压查表获得，最大可用容量Q则通过两个时刻的SOC1、SOC2及充入电量QC计算得到。选择新电池容量变异系数Vs作为均衡控制参数，通过设计试验模拟等电量均衡控制过程，验证了该方法的可行性。相比于未均衡串联电池模组，经该方法均衡后模组容量提升12.9%，有效延长了串联电池模组使用寿命。　　综上所述，本文提出了基于IC曲线特征点的单体SOH估算方法，建立了基于威布尔分布串联电池模组的可靠度模型，提出了面向充电过程的串联电池模组失效单体辨识及串联电池模组等电量均衡控制方法，为电动汽车动力电池SOH估算与故障诊断提供了新的研究方法和技术支持。
作者：	赵钱
专业：	车辆工程
导师：	江浩斌
授予学位：	博士
授予学位单位：	江苏大学
学位年度：	2022