電池管理系統(tǒng)（battery management system, BMS）是電動車輛的技術(shù)核心,而精確的電池模型是實現(xiàn)BMS的關(guān)鍵。電池模型的精度與材料、環(huán)境溫度、工作模式、老化程度等密切相關(guān),而在建模時完整地包含上述因素是非常困難的。本文在簡單介紹BMS功能和結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,通過對近幾年鋰離子電池建模文獻(xiàn)的整理,著重介紹了電學(xué)特性模型、熱模型及電-熱耦合模型的建模方法。由于電-熱模型綜合了其他兩種方法的優(yōu)點,模型相對簡單且在實際中使用較多。在此基礎(chǔ)上闡述了三種模型在電池內(nèi)部狀態(tài)如電池荷電狀態(tài)（state of charge,SOC）、電池健康狀態(tài)（state of health, SOH）、溫度等參數(shù)估計中的應(yīng)用。特別是SOH的狀態(tài)估計,除受電流、溫度、SOC等因素影響外,還與機(jī)械振動及過電勢等密切相關(guān)。考慮到狀態(tài)估計變量之間的相互耦合如電池的SOC、內(nèi)部溫度等,故需進(jìn)一步提高耦合參數(shù)的估計精度以確保BMS工作的可靠性。在未來,還需要繼續(xù)對模型進(jìn)行降階,以實現(xiàn)BMS工作的實時性。 

【文章來源】：儲能科學(xué)與技術(shù). 2020,9(06)CSCD

【文章頁數(shù)】：7 頁

【部分圖文】：

電池管理系統(tǒng)功能及結(jié)構(gòu)Fig.1Diagramoffunctionandstructureofbatterymanagementsystem

吩げ�。�?內(nèi)外有大量電化學(xué)模型用于研究相關(guān)反應(yīng)機(jī)理及鋰電池的優(yōu)化設(shè)計[7-9]，但此類模型參數(shù)較多且計算量大，難以應(yīng)用在電池管理系統(tǒng)中。適當(dāng)簡化的降階電化學(xué)模型在電池管理中得到了廣泛的研究。Zou等[10]建立了磷酸鐵鋰電池的降階電化學(xué)模型，用于預(yù)測不同條件下鋰電池的荷電狀態(tài)。Li等[11]提出一種考慮液相擴(kuò)散、反應(yīng)極化和歐姆極化的簡化電化學(xué)模型，并實現(xiàn)了鋰電池SOC的準(zhǔn)確估計。等效電路模型使用電壓源、電阻及電容等組成電路，用來模擬鋰電池的動態(tài)特性。典型的等效電路模型框架如圖2所示。相對于電化學(xué)模型，等效電路模型結(jié)構(gòu)簡單且參數(shù)較少，方便用于系統(tǒng)的實時控制。常見的等效電路模型包括Rint模型、一階電阻電容(RC)模型和二階RC模型等[12]。研究表明，一階RC及二階RC模型應(yīng)用較廣泛，而更高階的模型的適用性有所降低[13-14]�？紤]到電池內(nèi)部離子擴(kuò)散為非線性過程，分?jǐn)?shù)階等效電路模型也被用于描述鋰電池的特性。鄒淵等[15]建立了分?jǐn)?shù)階阻抗模型，并使用粒子群優(yōu)化算法識別了模型參數(shù)；魯偉等[16]以18650型鋰電池為對象，建立了分?jǐn)?shù)階阻抗模型，并使用分?jǐn)?shù)階卡爾曼濾波器實現(xiàn)了鋰電池荷電狀態(tài)的估算。鋰電池是一個非線性、時變的動態(tài)系統(tǒng)�；跀�(shù)據(jù)驅(qū)動的模型使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)及高斯過程回歸等方法，通過大量數(shù)據(jù)建立起鋰電池輸入信號與響應(yīng)的關(guān)系。張彩萍等[17]建立了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電路模型，對電池的電學(xué)特性進(jìn)行獲齲孫培坤[18]建立了基于高斯過程回歸的數(shù)據(jù)驅(qū)動模型，對鋰電池的健康狀態(tài)進(jìn)行了準(zhǔn)確預(yù)測。Wang等[19]利用支持向量回歸算法建立非線性電池模型，該模型在FUDS測試數(shù)據(jù)中的最大相對電壓誤差為3

問?饒Ｐ捅揮糜詬咝Ъ撲愫腿?管理控制。Hu等[31]基于計算流體力學(xué)提出一種降階狀態(tài)空間模型，在保證計算量較小的同時能提供與CFD模型相近的結(jié)果。Richardson等[32]提出了一種考慮瞬態(tài)生熱、各向異性熱傳導(dǎo)及非均勻?qū)α鬟吔鐥l件的低階二維熱模型，通過與有限元計算結(jié)果的比較，驗證了模型的計算效率及精度。2.3電-熱耦合模型鋰電池的電學(xué)效應(yīng)與熱特性通過發(fā)熱量形成強(qiáng)耦合。電池溫度直接影響電學(xué)特性模型的重要參數(shù)(如內(nèi)阻、電壓等)，而這些參數(shù)同時也影響電池的發(fā)熱量，其電熱耦合關(guān)系如圖3所示。為同時精確獲得電池的電效應(yīng)(例如電流、電壓和SOC)和熱特性(例如溫度分布)，學(xué)者們建立了一系列電熱耦合模型。常見的電熱耦合模型可分為電化學(xué)-熱耦合模型及電-熱耦合模型。電化學(xué)熱耦合模型考慮了電芯內(nèi)部的電極反應(yīng)、離子傳輸、固相擴(kuò)散、電荷傳遞以及熱能守恒，能夠精確反映電池內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)過程。Xu等[33]建立了三維電化學(xué)-熱耦合模型，對不同放電倍率下電池的溫度分布進(jìn)行仿真，發(fā)現(xiàn)極耳的分布會影響電池的電壓和局部反應(yīng)速率，且靠近極耳處電池溫度較高。Alipour等[34]建立了一種多層三維電熱耦合模型用于電池溫度分布預(yù)測，仿真結(jié)果表明相對于單層模型，多層模型能更準(zhǔn)確地描述鋰電池的熱行為。盡管這類模型精度較高，但模型由多個偏微分方程組成，因其較大的計算量并不適用于當(dāng)前電池管理系統(tǒng)的實時控制。電-熱耦合模型從宏觀角度考慮電流、輸出電壓及電池生熱的相互作用，將等效電路模型與熱模型耦合。此類模型復(fù)雜程度相對較低，在工程實踐方面有較多的應(yīng)用。Lin等[35]針對圓柱形鋰電池建圖3電熱耦合關(guān)系Fig.3Diagramofelectrothermalcoupl

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]電池管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 呂杰,宋文吉,馮自平.  電池. 2019(06)
[2]車用鋰離子動力電池組均衡管理系統(tǒng)研究進(jìn)展[J]. 華旸,周思達(dá),何瑢,崔海港,楊世春.  機(jī)械工程學(xué)報. 2019(20)
[3]中國新能源汽車行業(yè)發(fā)展水平分析及展望[J]. 唐葆君,王翔宇,王彬,吳鄖,鄒穎,許黃琛,馬也.  北京理工大學(xué)學(xué)報(社會科學(xué)版). 2019(02)
[4]鋰離子電池?zé)峁芾砗桶踩匝芯縖J]. 董緹,彭鵬,曹文炅,王亦偉,岑繼文,郭劍,趙春榮,蔣方明.  新能源進(jìn)展. 2019(01)
[5]鋰電池分?jǐn)?shù)階建模與荷電狀態(tài)研究[J]. 魯偉,續(xù)丹,楊晴霞,周陽.  西安交通大學(xué)學(xué)報. 2017(07)
[6]電動汽車動力電池?zé)峁芾砑夹g(shù)的研究與實現(xiàn)[J]. 李軍求,吳樸恩,張承寧.  汽車工程. 2016(01)
[7]電動汽車用鋰離子電池?zé)崽匦院蜔崮Ｐ脱芯縖J]. 雷治國,張承寧,雷學(xué)國,李軍求.  電工電能新技術(shù). 2015(12)
[8]基于壽命量化的混合儲能系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制參數(shù)優(yōu)化[J]. 李逢兵,謝開貴,張雪松,趙波,陳健.  電力系統(tǒng)自動化. 2014(01)
[9]鋰離子電池單體熱模型研究動態(tài)[J]. 宋麗,魏學(xué)哲,戴海峰,孫澤昌.  汽車工程. 2013(03)
[10]鋰離子電池內(nèi)部溫度場的傳遞函數(shù)在線估計[J]. 劉光明,歐陽明高,盧蘭光,李建秋,梁金華,韓雪冰.  汽車安全與節(jié)能學(xué)報. 2013(01)

碩士論文
[1]電動汽車動力電池健康狀態(tài)估計方法研究[D]. 孫培坤.北京理工大學(xué) 2016



本文編號：3420542