發(fā)布時(shí)間：2017-05-16 06:52

第一章 緒論 

1.1  本文研究的目的與意義 
隨著世界汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，石油能源的消耗日益增加，加快了能源短缺的步伐，以內(nèi)燃機(jī)為傳統(tǒng)動(dòng)力的汽車排放，，造成大氣污染和溫室效應(yīng)，使其成為世界的公害，人類社會(huì)和汽車產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展受到極大威脅，發(fā)展新能源汽車、開(kāi)發(fā)新型動(dòng)力汽車，成為世界汽車產(chǎn)業(yè)面臨的緊迫任務(wù)。電動(dòng)汽車以其污染小、噪聲低、能源效率高、能源來(lái)源多元化等優(yōu)勢(shì)備受青睞，隨著電動(dòng)汽車技術(shù)的日益完善，電動(dòng)汽車正在成為現(xiàn)代汽車工業(yè)的發(fā)展方向[1,2]。 得益于我國(guó)政府近年的政策扶持、社會(huì)大眾環(huán)保意識(shí)的逐步加強(qiáng)，我國(guó)電動(dòng)汽車市場(chǎng)在 2014 年迎來(lái)了“井噴”發(fā)展的一年。隨著國(guó)內(nèi)一批企業(yè)在技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)品推廣方面的持續(xù)努力，以及各地方充電基礎(chǔ)設(shè)施的大規(guī)模建設(shè)，我國(guó)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)鏈正在逐步形成，近年來(lái)電動(dòng)汽車年銷量和充電基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)情況如圖 1.1 所示，圖中數(shù)據(jù)顯示我國(guó)在 2015 年已基本實(shí)現(xiàn)了累計(jì)銷售 50 萬(wàn)量電動(dòng)汽車的推廣目標(biāo)，預(yù)計(jì)我國(guó) 2016 年度充電站建設(shè)數(shù)量將達(dá)到 2000 座以上。 鋰離子電池(簡(jiǎn)稱鋰電池)憑借重量輕、體積小、壽命長(zhǎng)、電壓高、無(wú)污染等優(yōu)勢(shì)逐步取代鉛酸、鎳氫、鎳鎘等蓄電池，成為電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的首選。當(dāng)汽車鋰電池組的荷電能力降低到原有容量 80%左右時(shí)，不再適合繼續(xù)在電動(dòng)汽車中使用，若將這些鋰電池組報(bào)廢進(jìn)行回收處理，未能實(shí)現(xiàn)物盡其用，將造成極大的資源浪費(fèi)[3,4]。在鋰電池外觀完好、沒(méi)有破損、各功能元件有效的情況下，可探討進(jìn)行鋰電池的梯次回收再利用，鋰電池梯次利用示意圖如圖 1.2 所示。概括地講，可將鋰電池的回收再利用分為四個(gè)梯度，其中第一梯度為在電動(dòng)汽車、電動(dòng)自行車等電動(dòng)裝置中應(yīng)用；第二梯度為第一梯度退役的鋰電池，可應(yīng)用于電網(wǎng)、新能源發(fā)電、UPS 等儲(chǔ)能裝置中；第三梯度為低端用戶等其它方面的應(yīng)用；第四梯度對(duì)電池進(jìn)行拆解回收[5]。 
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1.2  鋰電池梯次利用國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
到目前為止，隨著電動(dòng)汽車逐漸進(jìn)入人們的視線，鋰電池梯次利用已成為了當(dāng)今研究的熱點(diǎn)。相對(duì)來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)有關(guān)方面的研究還處于起步階段，國(guó)外的相關(guān)研究比較多，在動(dòng)力電池梯次利用方面，國(guó)內(nèi)外的研究狀況如下。美國(guó)、日本以及歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家于 2000 年左右就在這方面進(jìn)行了大量技術(shù)投入，技術(shù)領(lǐng)先。主要在如下幾個(gè)方面進(jìn)行了關(guān)鍵技術(shù)研究[8-11]：在動(dòng)力電池梯次利用領(lǐng)域，分析和研究了梯次利用動(dòng)力電池使用壽命與經(jīng)濟(jì)效益的聯(lián)系。由于鋰電池較高的初始使用成本，阻礙了其廣泛應(yīng)用，為了加大推廣力度、降低使用成本，進(jìn)行了鋰電池全壽命經(jīng)濟(jì)效益分析與研究，建立了相關(guān)的經(jīng)濟(jì)效益模型，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的成本預(yù)測(cè)管理系統(tǒng)，以達(dá)到優(yōu)化鋰電池使用壽命和經(jīng)濟(jì)效益的目的。 美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(National  Renewable Energy  Laboratory, NREL)進(jìn)行了電動(dòng)汽車動(dòng)力鋰電池梯次利用項(xiàng)目的研究[12]，指出從電動(dòng)汽車中退役下來(lái)的鋰電池仍有一定的使用價(jià)值，可在電網(wǎng)等公共事業(yè)、光伏和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、商業(yè)以及住宅中應(yīng)用，以鋰電池容量下降到原容量的 70%~80%為標(biāo)準(zhǔn)，淘汰第一梯度的鋰電池是不合理的，主要從經(jīng)濟(jì)效益的角度分析了鋰電池梯次利用的問(wèn)題，制定了“價(jià)值評(píng)估-性能驗(yàn)證-促進(jìn)實(shí)施”的研究策略；文獻(xiàn)[12]給出了美國(guó)最近的相關(guān)研究活動(dòng)，如南加州愛(ài)迪生公司電動(dòng)汽車技術(shù)中心[13]、美國(guó)電力公司和電力研究院、桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室等，都曾在動(dòng)力電池梯次利用等方面做過(guò)相關(guān)研究[14]；文獻(xiàn)[15]指出鋰電池昂貴的初始成本是阻礙其推廣應(yīng)用的主要原因，考慮鋰電池老化、折舊率、放電深度(Depth of Discharge, DOD)等影響因素，建立了基于鋰電池使用壽命的經(jīng)濟(jì)效益模型，將其應(yīng)用在電動(dòng)汽車、公共事業(yè)和電網(wǎng)儲(chǔ)能等領(lǐng)域，產(chǎn)生了一定的經(jīng)濟(jì)效益，最后說(shuō)明控制 DOD，可延長(zhǎng)鋰電池使用壽命、降低使用成本。  
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第二章 鋰電池離線建模與內(nèi)阻特性分析 

鋰電池是典型的非線性“黑箱”系統(tǒng)，且影響其工作的因素較多，如環(huán)境溫度、放電深度、充放電電流倍率等，為對(duì)其內(nèi)部工作狀態(tài)做出合理地估計(jì)和預(yù)測(cè)，通常需將此系統(tǒng)“灰箱”化，即構(gòu)建鋰電池?cái)?shù)學(xué)模型以滿足實(shí)際控制系統(tǒng)的需要。因此，建立既能描述鋰電池動(dòng)態(tài)工作特性、又便于工程實(shí)現(xiàn)的數(shù)學(xué)模型，是鋰電池使用和管理的研究基礎(chǔ)。鋰電池建模的過(guò)程通常分為模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和模型參數(shù)辨識(shí)兩個(gè)階段。在模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段需選用或設(shè)計(jì)適用于鋰電池的數(shù)學(xué)模型；模型參數(shù)辨識(shí)階段需設(shè)計(jì)必要的鋰電池工作特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)，采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中辨識(shí)出所需模型參數(shù)。 本章介紹了鋰電池測(cè)試系統(tǒng)的組成和基本工作原理，根據(jù)鋰電池建模需要設(shè)計(jì)了相應(yīng)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)，選取適用于鋰電池的 RC 等效電路模型，并采用離線辨識(shí)法獲取了模型參數(shù)，進(jìn)一步分析了測(cè)試設(shè)備不確定性誤差對(duì)所辨識(shí)內(nèi)阻帶來(lái)的影響。 

2.1  鋰電池測(cè)試系統(tǒng)與基本性能測(cè)試
目前商業(yè)化鋰電池，磷酸鐵鋰(Li Fe PO4, LFP)電池具有安全性較高、循環(huán)壽命較長(zhǎng)、價(jià)格適中等優(yōu)勢(shì)，已成為電動(dòng)汽車主要儲(chǔ)能元件。本文研究對(duì)象為國(guó)內(nèi)某公司生產(chǎn)的 18650 型磷酸鐵鋰動(dòng)力電池，表 2-1 為該電池的主要規(guī)格參數(shù)。 本文所使用的鋰電池測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 2.1 所示，主要由恒溫箱、鋰電池充放電測(cè)試系統(tǒng)和上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)三部分組成。鋰電池充放電測(cè)試系統(tǒng)為藍(lán)電電子股份有限公司生產(chǎn)的 CT2001A 測(cè)試設(shè)備，具有 8 個(gè)獨(dú)立控制測(cè)試通道，各測(cè)試通道采用專用夾具與被測(cè)電池相連，每個(gè)通道具有 5V 電壓量程，電壓測(cè)量精度為±0.1%，3A 電流量程，電流測(cè)量精度為±0.1%，溫度采集精度為±1℃，最高采樣率為 3Hz，具有過(guò)壓、欠壓、過(guò)充、過(guò)放、過(guò)流等多種保護(hù)功能；藍(lán)電數(shù)據(jù)處理系統(tǒng) LANDdt 安裝于上位機(jī)系統(tǒng)，通過(guò) RS232 接口與 CT2001A通信，負(fù)責(zé)下達(dá)可任意編程測(cè)試工況、接收實(shí)時(shí)上傳鋰電池測(cè)試數(shù)據(jù)，具有歷史數(shù)據(jù)處理、顯示、電池基本性能分析等功能；為保持鋰電池外界環(huán)境溫度恒定，整個(gè)測(cè)試過(guò)程將被測(cè)電池放置于恒溫箱中，恒溫箱 BPS-100CL 由上海一恒科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)，控溫范圍為-10℃~100℃，溫度控制精度為±0.1℃，支持多時(shí)段多溫度循環(huán)程序設(shè)置等功能。 
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2.2  鋰電池離線建模及其參數(shù)辨識(shí) 

常見(jiàn)鋰電池等效電路模型如圖 2.10 所示[9]，主要包括有 Rint 模型[10]、Thevenin 模型[11]、PNGV 模型[4,5]、NREL 模型[12]和 RC 模型[13-16]。 Rint 模型是其中電路結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的，因缺少必要電路元件，無(wú)法模擬鋰電池動(dòng)態(tài)工作狀態(tài)，已逐漸被淘汰，但易于進(jìn)行功率計(jì)算[9,10]；Thevenin 模型在Rint 模型的基礎(chǔ)上串聯(lián)了一個(gè) RC 并聯(lián)電路，適合描述鋰電池電壓極化特性，其電路結(jié)構(gòu)與一階 RC 模型相同[9,11]；PNGV 模型增加了模擬 OCV 變化的電容Cb，相比 Thevenin 模型更有利于描述鋰電池動(dòng)態(tài)特性，若能獲取完整的OCV-SOC 曲線，兩種等效電路的建模性能相當(dāng)[4,5,9]；NREL 模型的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 2.10(d)所示，為便于轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型，通常選取較小的電阻 Rc或設(shè)為 0，若將 Thevenin 模型(或一階 RC 模型)中的電路元件 Ro、Rp和 Cp做星-三角變換，可等效為 NREL 模型中的電路元件 Ro、Rb和 Cc。因此，通過(guò)電路變換或者簡(jiǎn)化處理，這些電路模型本質(zhì)上是等效的[14-17]。 RC 等效電路模型如圖 2.10(e)所示，在 Thevenin 模型的基礎(chǔ)上串聯(lián)了 n 個(gè)RC 并聯(lián)電路，其中 n 代表了該電路模型的階數(shù)。由圖中電路拓?fù)淇芍c其它等效電路模型相比，RC 模型通用性強(qiáng)、擴(kuò)展性好，是鋰電池建模的首選。理論上，電路階數(shù)越高越能更好地模擬鋰電池動(dòng)態(tài)工作特性，但同時(shí)也增加了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。實(shí)際上，三階或三階以上電路模型的精度沒(méi)有提高反而降低了，是因過(guò)度復(fù)雜的電路造成模型過(guò)擬合所導(dǎo)致[13]。因此，本文選用鋰電池 RC 等效電路模型，在權(quán)衡了模型復(fù)雜度和精度的基礎(chǔ)上主要考慮一階 RC 模型和二階 RC 模型。 

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第三章  鋰電池在線建模與參數(shù)辨識(shí)...... 47 
3.1  鋰電池 RC 等效電路模型...... 47 
3.1.1 RC 等效電路數(shù)學(xué)模型 ............ 48 
3.1.2  可辨識(shí)數(shù)學(xué)模型 ......... 49 
3.2  模型參數(shù)在線辨識(shí)法 ............ 51 
3.3  鋰電池開(kāi)路電壓辨識(shí) ............ 54
3.4  實(shí)驗(yàn)測(cè)試及其結(jié)果分析 ........ 59 
3.5  本章小結(jié) ....... 68 
參考文獻(xiàn).............. 69 
第四章  鋰電池荷電狀態(tài)估計(jì)....... 72 
4.1  常用鋰電池荷電狀態(tài)估計(jì)法 ............ 72 
4.1.1  鋰電池 SOC 估計(jì)要求............ 72 
4.1.2  擴(kuò)展卡爾曼濾波法...... 73 
4.2  基于離散滑模觀測(cè)器的荷電狀態(tài)估計(jì)法 ...... 75 
4.3  仿真實(shí)驗(yàn)分析 ........... 84
4.4  本章小結(jié) ....... 9
第五章  鋰電池健康因子與健康壽命模型......... 93 
5.1  鋰電池健康因子 ........ 93
5.2  鋰電池健康壽命實(shí)驗(yàn)研究 ..... 95 
5.3  健康因子實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 .... 96 
5.4  鋰電池健康壽命模型 ...........101 
5.5  本章小結(jié) ......106 

第五章 鋰電池健康因子與健康壽命模型 

依據(jù)健康狀態(tài)定義，以鋰電池當(dāng)前靜態(tài)容量作為健康因子是最為簡(jiǎn)單、有效、可靠的健康狀態(tài)判別方法。但在實(shí)際工程應(yīng)用中，多變的測(cè)試環(huán)境、受限的測(cè)試條件、有限的測(cè)試時(shí)間等因素，決定了很難直接獲取鋰電池有效容量信息。因此，開(kāi)展基于測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)間接獲取鋰電池性能參數(shù)，研究如何從中提取健康特征實(shí)現(xiàn)鋰電池老化程度識(shí)別，是鋰電池梯次利用急需解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。 本章從分析常用鋰電池健康因子入手，通過(guò)處理與分析鋰電池基本性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，內(nèi)阻-SOC 曲線可用于表征鋰電池健康狀態(tài)，進(jìn)而設(shè)計(jì)了基于單體電池的健康狀態(tài)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，采用在線辨識(shí)法從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中提取了相關(guān)健康特征數(shù)據(jù)并構(gòu)建健康因子，以此建立了鋰電池健康壽命模型。 

5.1  鋰電池健康因子 
常用鋰電池健康因子主要包括有 d Q/d V 峰值  (或 ICA)、OCV、內(nèi)阻等�？紤]不同健康因子測(cè)試方法和健康特征提取方法等方面問(wèn)題[1-7]，進(jìn)行以下具體分析。d Q/d V 峰值(或 ICA)  曲線反映出鋰電池在不同電極電勢(shì)點(diǎn)上的可充放容量能力[1,2]，隨著電池老化程度加劇其容量保持率下降，反映在曲線上 d Q/d V 峰值有所回落[4,5]。通常認(rèn)為在電池極化電壓較小的情況下曲線峰值位置較為穩(wěn)定，因此常以小倍率電流(C/20或C/25)充放電電壓曲線為基準(zhǔn)構(gòu)建ICA健康因子[1,2]，若要獲取可靠的 d Q/d V 峰值曲線需使用高精度萬(wàn)用表測(cè)量得到[4]，如此延長(zhǎng)了測(cè)試時(shí)間、增加了測(cè)試設(shè)備成本，不利于工程實(shí)現(xiàn)。通常將鋰電池老化歸結(jié)于電解液的分解、電極材料性能退化、有效鋰離子損失、表面電解質(zhì)的溶解等原因，而這些內(nèi)因直接反映于外部電特性即是電池內(nèi)阻增大，歐姆內(nèi)阻主要由電極材料、電解液、隔膜、極柱等接觸電阻組成，大量研究表明歐姆內(nèi)阻作為有效的健康因子已廣泛應(yīng)用于鋰電池SOH估計(jì)[1-7]。 常用的鋰電池歐姆內(nèi)阻測(cè)試方法有交流阻抗譜(EIS)法和脈沖電流法[4,5]，EIS 釆用較寬的頻域精確測(cè)量電池內(nèi)阻，還可獲得電池的動(dòng)力學(xué)信息和電極材料的界面信息，EIS 測(cè)試設(shè)備成本昂貴限制了其應(yīng)用范圍；脈沖電流法來(lái)源于第二章所描述的 HPPC 測(cè)試法，測(cè)試方法簡(jiǎn)單、對(duì)設(shè)備要求不高，得到了廣泛使用，此方法測(cè)試精度低于 EIS 法，在電池平衡狀態(tài)下測(cè)試內(nèi)阻被稱為靜態(tài)內(nèi)阻測(cè)試，需要長(zhǎng)時(shí)間靜置，增加了測(cè)試時(shí)間。 
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總結(jié) 

從電動(dòng)汽車退役的鋰電池仍有一定的使用價(jià)值，若將這些鋰電池報(bào)廢并回收處理，將造成極大的資源浪費(fèi)。在鋰電池外觀完好、沒(méi)有破損、各功能元件有效的情況下，可對(duì)退役鋰電池進(jìn)行梯次利用，從而降低鋰電池使用成本，有利于節(jié)能減排。然而，退役鋰電池處于離線狀態(tài)且單體電池之間存在性能差異，因此在進(jìn)行梯次利用之前需對(duì)其性能重新評(píng)估，以便判別其適用的梯度范圍。本文以 18650 型磷酸鐵鋰電池為研究對(duì)象，研究在特定的測(cè)試模式、測(cè)試狀態(tài)和測(cè)試條件下，制定合理評(píng)價(jià)鋰電池性能的測(cè)試工況，在有限的測(cè)試時(shí)間內(nèi)完成其健康狀態(tài)的性能評(píng)估，并形成一套相對(duì)完整的梯次利用鋰電池評(píng)價(jià)方法。全文主要包括以下幾方面的研究工作與創(chuàng)新點(diǎn)： 
1．從研究鋰電池工作特性入手，在深入研究和分析常見(jiàn)等效電路模型優(yōu)缺點(diǎn)和建模性能的基礎(chǔ)上，選取 RC 等效電路模型作為鋰電池工作模型，分別采用離線建模和在線建模的方法建立了鋰電池 RC 模型。在深入研究鋰電池離線建模方法的基礎(chǔ)上，針對(duì)電池測(cè)試系統(tǒng)存在不確定性測(cè)量誤差問(wèn)題，分析了檢測(cè)設(shè)備誤差對(duì)鋰電池被測(cè)內(nèi)阻造成的影響。針對(duì)在線建模過(guò)程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)飽和、動(dòng)態(tài)運(yùn)行工況適應(yīng)性、有色噪聲等問(wèn)題，提出采用變遺忘因子最小二乘法和偏差補(bǔ)償最小二乘法進(jìn)行模型參數(shù)在線辨識(shí)，仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了兩種自適應(yīng)辨識(shí)算法的有效性，通過(guò)對(duì)比離線建模法驗(yàn)證了在線建模法可提高建模性能 50%左右，進(jìn)一步驗(yàn)證了兩種辨識(shí)算法的可靠性。
2．在研究鋰電池開(kāi)路電壓測(cè)試方法的基礎(chǔ)上，將常用 OCV 測(cè)試法分為長(zhǎng)時(shí)間靜置法、小電流測(cè)試法和恒流充放電間歇法三種，基于三種 OCV 測(cè)試法設(shè)計(jì)了八種典型 OCV 測(cè)試實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了不同 OCV-SOC 曲線的建模性能，研究和分析發(fā)現(xiàn)恒流充放電間歇測(cè)試法耗時(shí)短且建模性能與其它兩種方法相當(dāng)，因此選用 ΔSOC 較小的恒流充放電間歇法不僅可減少 OCV 測(cè)試時(shí)間，而且有利于保證 OCV-SOC 曲線可靠性。在分析 OCV-SOC 曲線特性的基礎(chǔ)上，提出采用分段三次 Hermite 插值的方法可保證曲線的單調(diào)性，將獲得的OCV-SOC 曲線轉(zhuǎn)化為表格形式更有利于計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)。針對(duì)曲線受環(huán)境溫度、容量衰減等因素影響，提出了 OCV-SOC 曲線歸一化的方法。 
3．針對(duì)基于卡爾曼濾波的 SOC 估計(jì)法存在多步矩陣運(yùn)算過(guò)程、算法設(shè)計(jì)復(fù)雜等問(wèn)題，提出了基于離散滑模觀測(cè)器的 SOC 估計(jì)法，分別設(shè)計(jì)了一階、二階 DSMO 估計(jì)算法，詳細(xì)給出了兩種滑模觀測(cè)器的穩(wěn)定性證明。仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比了 EKF、1-DSMO 和 2-DSMO 三種 SOC 估計(jì)法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了基于 DSMO的 SOC 估計(jì)法具有較高估計(jì)精度，且具有較好魯棒性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比 1-DSMO和 2-DSMO 估計(jì)法發(fā)現(xiàn)，2-DSMO 估計(jì)法有利于減小因鋰電池參數(shù)波動(dòng)引起的抖振問(wèn)題，保證了 SOC 在線估計(jì)的可靠性。 
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號(hào)：370084