【摘要】：電動汽車動力電池系統(tǒng)是電動汽車的能量來源,是電動汽車的核心部件,電池內(nèi)部復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)容易受到溫度的影響,而高緯度寒冷地區(qū)冬季氣溫低、冬夏溫差大,為電動汽車電池管理帶來了新的挑戰(zhàn)。因此,對電池系統(tǒng)合理而有效的管理是提升電池使用效率、延長電池使用壽命、保障電池組使用安全,優(yōu)化系統(tǒng)能量管理策略的基礎(chǔ)。但是由于電池溫度特性原因,在高溫環(huán)境下電池加速老化,形成不可恢復(fù)的容量損失。而在低溫環(huán)境下,電化學(xué)反應(yīng)速率降低、內(nèi)阻增大、參與反應(yīng)的鋰離子數(shù)量減少,造成電池組容量和功率特性的衰減,充電時甚至可能出現(xiàn)鋰枝晶刺穿隔膜形成內(nèi)部短路,威脅使用安全。同時,長期循環(huán)使用后電池自身特性不一致造成的電量不均衡不僅影響電池組容量和功率特性,還會引發(fā)電池生熱、溫度以及庫倫效率的不一致,使電池組性能進(jìn)一步惡化。上述問題極大地制約了電池系統(tǒng)性能發(fā)揮,增大了電池系統(tǒng)使用風(fēng)險和使用成本。針對以上問題,本文旨在解決電動汽車電池系統(tǒng)由于外界環(huán)境溫度和電池自身特性不一致引發(fā)的電池組性能衰減問題,以及由于電池SOC不一致引發(fā)的生熱及溫度不一致問題。為了實(shí)現(xiàn)這一目的,本文分別從理論和實(shí)際角度出發(fā)對溫度引起的電池性能衰減機(jī)理進(jìn)行分析,針對電動汽車電池系統(tǒng)低溫運(yùn)行特點(diǎn)制定串聯(lián)電池組低溫?zé)峁芾聿呗?在低溫預(yù)熱模式下采用基于變功率調(diào)節(jié)的低溫預(yù)熱控制方法提升電池性能,預(yù)熱起動后進(jìn)入運(yùn)行監(jiān)控模式估計(jì)電池內(nèi)部溫度和峰值功率狀態(tài)。針對電池特性不一致引起的電池組性能衰減及生熱和溫度不均問題開展仿真研究,對多種常見特性不一致帶來的容量和功率衰減機(jī)理進(jìn)行分析。針對影響電池組性能最為嚴(yán)重的SOC不均衡問題,設(shè)計(jì)串聯(lián)電池組均衡系統(tǒng)并開發(fā)優(yōu)化均衡控制策略以改善電池組電量一致性,緩解SOC不均衡對電池組性能及熱穩(wěn)定性的影響。具體研究內(nèi)容如下:針對電動汽車電池組性能衰減機(jī)理問題,從理論上分析環(huán)境溫度和電池特性參數(shù)一致性對串聯(lián)鋰離子電池組性能影響機(jī)理,通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證環(huán)境溫度對電池內(nèi)阻、開路電壓、放電容量、峰值功率的影響,為電池低溫?zé)峁芾硐到y(tǒng)及控制方法設(shè)計(jì)提供依據(jù)。建立電池特性參數(shù)一致性分析模型,分析內(nèi)阻、開路電壓和電量不一致對電池端電壓、電池組容量和峰值功率帶來的影響,定義電池組容量和功率衰減率對不同類型不一致造成的電池組性能衰減進(jìn)行評價。此外,還對電池電量不一致帶來的電池組溫度和老化差異進(jìn)行分析。針對電池系統(tǒng)運(yùn)行過程中電池內(nèi)部溫度和峰值功率無法實(shí)際測量的問題。利用電池等效電路模型,根據(jù)實(shí)時采集的電池電壓和電流數(shù)據(jù),結(jié)合擴(kuò)展卡爾曼濾波在線估計(jì)模型參數(shù),并根據(jù)電池電壓和電流限制條件估計(jì)運(yùn)行過程中的峰值充放電功率;建立電池內(nèi)部溫度估計(jì)模型,分析熵變生熱和過電勢生熱對電池總體生熱的影響,并在恒流充放電過程中對兩種生熱帶來的影響進(jìn)行分析,提出基于自生熱的電池內(nèi)部溫度估計(jì)方法,利用實(shí)時采集的電池表面和環(huán)境溫度估計(jì)電池內(nèi)部溫度。針對串聯(lián)電池組低溫?zé)峁芾砜刂撇呗詥栴},通過對低溫運(yùn)行狀態(tài)的分析將低溫運(yùn)行分為低溫預(yù)熱起動和起動后的運(yùn)行監(jiān)控兩種模式。通過分析電池低溫預(yù)熱模型,給出了預(yù)熱目標(biāo)溫度確定方法,提出了基于比例因子自校正的變功率低溫預(yù)熱模糊控制方法,根據(jù)電池表面最大溫差和電池平均溫度調(diào)節(jié)預(yù)熱功率,提高電池性能的同時節(jié)省預(yù)熱能耗。在起動后運(yùn)行過程中監(jiān)控電池峰值功率和內(nèi)部溫度變化,利用峰值功率估計(jì)方法實(shí)現(xiàn)變溫度狀態(tài)下的電池功率能力估計(jì),根據(jù)電池表面和環(huán)境溫度結(jié)合內(nèi)部溫度估計(jì)方法實(shí)現(xiàn)電池內(nèi)部溫度的準(zhǔn)確估計(jì)。最后,針對串聯(lián)電池組電池電量不均衡引發(fā)的電池組性能衰減和生熱及溫度不一致問題,提出一種基于雙向全橋的串聯(lián)電池組主動均衡結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)串聯(lián)電池組模塊與模塊內(nèi)任意單體與之間的雙向電量主動均衡。在此基礎(chǔ)上提出了均衡時間和電量一致性優(yōu)化均衡控制策略,該策略根據(jù)電池初始SOC不均衡狀態(tài)進(jìn)行全局尋優(yōu),提前預(yù)知所需均衡步驟、時間以及均衡后電量分布,尋求最短時間內(nèi)達(dá)到電量一致的最優(yōu)途徑,避免往復(fù)均衡帶來的能量浪費(fèi)。
[Abstract]:Electric vehicle power battery system is the energy source of electric vehicle and the core component of electric vehicle. The complex electrochemical reactions inside the battery are easily affected by temperature. The low temperature in winter and large temperature difference in winter and summer in high latitude and cold regions bring new challenges to the battery management of electric vehicle. Management is the basis of improving battery efficiency, prolonging battery life, ensuring battery safety, and optimizing system energy management strategies. However, due to the temperature characteristics of the battery, the battery accelerates aging at high temperatures, resulting in irreversible capacity loss. The large number of lithium ions involved in the reaction decreases, resulting in the decrease of the capacity and power characteristics of the battery pack. Lithium dendrite piercing through the diaphragm may even occur during charging, resulting in internal short circuit and threatening the safety of use. At the same time, the imbalance of power caused by the inconsistent characteristics of the battery itself after long-term recycling not only affects the capacity and power characteristics of the battery pack, but also affects the battery pack These problems greatly restrict the performance of the battery system and increase the risk and cost of the battery system. In view of the above problems, this paper aims to solve the problem of the battery system of electric vehicles due to the external environment temperature and the battery itself. In order to achieve this goal, the mechanism of battery performance attenuation caused by temperature is analyzed theoretically and practically, and the low-temperature operation characteristics of battery system in electric vehicles are formulated. The low temperature thermal management strategy of series battery pack is to adopt the low temperature preheating control method based on variable power regulation in the low temperature preheating mode to improve the performance of the battery. In order to solve the problem of SOC unbalance which affects the performance of batteries most seriously, a series battery equalization system is designed and an optimal equalization control strategy is developed to improve the power consistency of batteries and alleviate the unbalance of SOC on batteries. Specific research contents are as follows: Aiming at the performance attenuation mechanism of EV battery pack, the influence mechanism of environmental temperature and battery characteristic parameter consistency on the performance of series Li-ion battery pack is analyzed theoretically, and the effect of ambient temperature on battery internal resistance, open circuit voltage, discharge capacity and peak power is verified by experiments. The influence of internal resistance, open circuit voltage and inconsistency of power on battery terminal voltage, battery pack capacity and peak power is analyzed, and the influence of battery pack capacity and power attenuation rate on different types of inconsistency is defined. The performance attenuation of battery packs is evaluated. In addition, the differences of temperature and aging caused by the inconsistency of battery capacity are analyzed. Extended Kalman filter is used to estimate the model parameters on-line, and the peak charge and discharge power is estimated according to the battery voltage and current constraints. The model for estimating the internal temperature of the battery is established, and the influence of entropy and overpotential on the overall heat generation of the battery is analyzed. Based on the analysis of the influence, a method for estimating the internal temperature of the battery based on autogenous heat is proposed, and the internal temperature of the battery is estimated by the surface and ambient temperature of the battery collected in real time. By analyzing the low temperature preheating model of batteries, the method to determine the preheating target temperature is given. A fuzzy control method of variable power low temperature preheating based on proportional factor self-tuning is proposed. The preheating power is adjusted according to the maximum temperature difference on the surface of the batteries and the average temperature of the batteries. The peak power and internal temperature of the battery are monitored during the operation of the battery after moving. The power capacity of the battery under the condition of variable temperature is estimated by the peak power estimation method. The internal temperature of the battery is estimated accurately according to the surface and environmental temperature of the battery and the internal temperature estimation method. Battery performance attenuation, heat generation and temperature inconsistency caused by weighing are discussed. An active equalization structure of series battery pack based on bidirectional full bridge is proposed to realize bidirectional active equalization between series battery pack module and any unit in the module. Simply, according to the initial SOC imbalance state of the battery, the strategy searches for the global optimization, predicts the required equalization steps, time and power distribution after equalization in advance, seeks the optimal way to achieve the same power in the shortest time, and avoids the energy waste caused by reciprocating equalization.
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：U469.72

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本文編號：2242749