【摘要】：隨著能源危機(jī)的深化,以及污染問(wèn)題的日趨嚴(yán)重,電動(dòng)汽車(chē)因其高節(jié)能、高效率等優(yōu)點(diǎn)成為了汽車(chē)工業(yè)的新星,而動(dòng)力電池是發(fā)展新能源汽車(chē)的關(guān)鍵。在電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池管理系統(tǒng)中,電池荷電狀態(tài)和健康狀態(tài)等狀態(tài)量的估計(jì)、電池壽命的預(yù)測(cè)等都需要精確的電池模型。另一方面,在電池管理系統(tǒng)硬件環(huán)境中應(yīng)用的電池模型需要保證較好的計(jì)算效率。所以,同時(shí)保證較高的精確度和計(jì)算效率的機(jī)理模型就是必不可少的。本文首先搭建了鋰離子電池簡(jiǎn)化一維模型,進(jìn)而考慮了溫度因素,搭建了電化學(xué)-熱耦合模型,并從應(yīng)用角度出發(fā),設(shè)計(jì)了基于耦合模型的SOC估計(jì)方法。主要研究?jī)?nèi)容如下:首先搭建了精確度與計(jì)算效率都比較高的簡(jiǎn)化一維模型。分析了鋰離子電池的工作機(jī)理,介紹了電池常用的電化學(xué)模型——準(zhǔn)二維模型,并分析了準(zhǔn)二維模型在應(yīng)用時(shí)的兩個(gè)數(shù)值問(wèn)題:兩個(gè)維度導(dǎo)致的狀態(tài)量過(guò)多,和雙曲正弦非線性導(dǎo)致的計(jì)算復(fù)雜度高。進(jìn)而,本文針對(duì)準(zhǔn)二維模型存在的兩個(gè)問(wèn)題,首先對(duì)準(zhǔn)二維模型進(jìn)行降維,搭建了一維模型,并進(jìn)一步使用Padé近似進(jìn)行簡(jiǎn)化,最后提出了簡(jiǎn)化的一維模型。然后,采用J.Newman基于準(zhǔn)二維模型編寫(xiě)的Fortran程序,驗(yàn)證了所搭建的模型的精確性,也分析了產(chǎn)生誤差的原因,即對(duì)液相鋰離子濃度變化的忽略以及參數(shù)誤差。進(jìn)而,由于在較高倍率充放電時(shí),溫度因素不可忽略不計(jì)。為了提高模型的精確性與適用范圍,在所搭建的簡(jiǎn)化的一維模型基礎(chǔ)上,考慮溫度的影響,搭建了電化學(xué)-熱耦合模型。首先分析了電池的生熱原理與電池的熱交換原理,并基于此搭建了基于Bernardi方程與牛頓冷卻原理的電池的集中質(zhì)量熱模型,然后引入服從Arrhenius方程關(guān)系的電池內(nèi)部參數(shù)變化,搭建了鋰離子電池電化學(xué)-熱耦合模型。最后,使用考慮溫度的準(zhǔn)二維模型作為基準(zhǔn)值,分別從端電壓和溫度兩方面驗(yàn)證了所搭建的電化學(xué)-熱耦合模型的精度。最后將電化學(xué)-熱耦合模型應(yīng)用于SOC估計(jì)中。首先分析了電化學(xué)-熱耦合模型的特性,進(jìn)而對(duì)基于耦合模型的估計(jì)問(wèn)題進(jìn)行分析,設(shè)計(jì)了基于電化學(xué)-熱耦合模型的自適應(yīng)SOC觀測(cè)器,進(jìn)而對(duì)各個(gè)估計(jì)量的漸進(jìn)收斂性進(jìn)行了Lyapunov分析,然后給出選擇觀測(cè)器增益的一般方法。最后,利用Fortran程序輸出的SOC值作為參考,在恒流工況下對(duì)所設(shè)計(jì)的自適應(yīng)觀測(cè)器進(jìn)行驗(yàn)證,估計(jì)器有較高的估計(jì)精度,驗(yàn)證了所搭建的電化學(xué)-熱耦合模型可以有效地應(yīng)用于SOC的估計(jì)中。本文的主要貢獻(xiàn)為:第一,解決了準(zhǔn)二維模型的兩個(gè)數(shù)值問(wèn)題,提出了精確、計(jì)算效率高的簡(jiǎn)化的一維模型。第二,在簡(jiǎn)化一維模型的基礎(chǔ)上,考慮了溫度因素,搭建了電化學(xué)-熱耦合模型。第三,將電化學(xué)-熱耦合模型應(yīng)用于SOC自適應(yīng)估計(jì)器的設(shè)計(jì)中。
【圖文】：

子電池由于其高能量密度而占據(jù)更大的市場(chǎng)份額，這使得它們對(duì)應(yīng)用(例如 HEV)具有吸引力。它們具有較長(zhǎng)的循環(huán)壽命(> 500 次循月<10％)。高昂的初始成本限制了它們?cè)趦r(jià)格敏感的應(yīng)用中的使規(guī)模經(jīng)濟(jì)有望在未來(lái)降低鋰離子電池的成本。1 為鋰離子電池的示意圖。其中 M 代表金屬如 Co 的鋰金屬氧化物(LixC)分別是正極和負(fù)極中的活性材料。正極中的金屬是一種過(guò)渡性材料與電池兩端的金屬箔集流器相連，并通過(guò)微孔聚合物隔膜。液體或凝膠聚合物電解質(zhì)使鋰離子(Li +)在正極和負(fù)極之間擴(kuò)散程插入或脫離活性材料。統(tǒng)工程角度來(lái)看，電池是多輸入多輸出系統(tǒng)。 主要輸入電流由供 主要輸出是電池電壓。 其他輸出包括溫度，單個(gè)電池或電池電的離子濃度分布。 系統(tǒng)工程師需要使用標(biāo)準(zhǔn)(例如，狀態(tài)變量和傳元，，電池和封裝模型，這些模型可用于預(yù)測(cè)，估計(jì)和控制這些輸出

吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文32圖3.2 電池內(nèi)阻脈沖充放電測(cè)量方法示意圖20 25 30 35 401415161717.5溫度（ C）阻（內(nèi)mΩ）圖 3.3 鋰電池內(nèi)阻隨溫度變化曲線3.3.2 電化學(xué)-熱耦合模型的驗(yàn)證本節(jié)將所搭建的電化學(xué)-熱耦合模型與考慮溫度的準(zhǔn)二維模型進(jìn)行對(duì)比。同樣使用Matlab/Simulink 與 Fortran 程序進(jìn)行仿真，對(duì)鋰離子電池的充放電行為特性進(jìn)行分析。在 Matlab/Simulink 中搭建的電化學(xué)-熱耦合模型如圖 3.4 所示。首先在不同工況下對(duì)比所搭建模型與參考值的輸出端電壓。圖 3.5、圖 3.6 與圖 3.7是在不同工況，25A m 、210 A m 與215A m 的放電電流密度下，分別取 30 個(gè)采樣點(diǎn)，比較搭建模型與參考模型的端電壓。與一維模型類(lèi)似，可以看出，電化學(xué)-熱耦合模型同樣隨著放電電流的變大，誤差也逐漸增大。但是電化學(xué)-熱耦合模型的誤差要小于一維模型，可以更好地跟隨參考值。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：U469.72;TM912

【參考文獻(xiàn)】

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1 商云龍;張奇;崔納新;張承慧;;基于AIC準(zhǔn)則的鋰離子電池變階RC等效電路模型研究[J];電工技術(shù)學(xué)報(bào);2015年17期

2 陳虹;宮洵;胡云峰;劉奇芳;高炳釗;郭洪艷;;汽車(chē)控制的研究現(xiàn)狀與展望[J];自動(dòng)化學(xué)報(bào);2013年04期

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2 周秀文;電動(dòng)汽車(chē)鋰離子電池健康狀態(tài)估計(jì)及壽命預(yù)測(cè)方法研究[D];吉林大學(xué);2016年

3 應(yīng)振華;鋰離子動(dòng)力電池電化學(xué)建模與仿真[D];吉林大學(xué);2015年

本文編號(hào)：2703024