储能锂电池系统状态估计与热故障诊断研究
发布时间：2020-08-14 10:55
【摘要】：电池能量存储系统是新型智能微电网的能源缓冲器与纯电动汽车的动力源,在众多储能介质中,锂离子电池由于其功率密度与能量密度高、循环寿命长、自放电率低以及价格适中等优势,在微电网和纯电动汽车中得到了广泛的应用。但由于储能锂离子电池系统是由成百上千个锂离子电池单体组成的一个极为复杂的系统,其具有高度非线性、温度敏感特性、明显的老化特性以及不一致性等,这些特性使得锂离子电池储能系统的监测与控制都面临诸多挑战,不当的监测和控制会导致电池性能下降、快速退化,甚至引起火灾或爆炸。因此,如何实时、准确及鲁棒地监测电池内部状态参数、量化评估电池老化程度与预测电池剩余寿命,诊断及修复电池故障,对保障和提高锂离子电池储能系统安全性、可靠性以及持久高效性都具有重要的理论和应用价值,对智能微电网与纯电动汽车等系统的高效运行与市场推广都具有积极的促进作用。锂离子电池储能系统的安全、可靠、持久高效运行,核心问题包括以下五点:1.如何准确建立多变环境温度与复杂电流工况条件下锂离子电池储能系统的动态行为数学描述,以及如何根据电流、温度与端电压等估计不可直接测量的电池内部状态参数;2.如何量化评估锂离子电池的老化程度,并在此基础上预测锂离子电池剩余可用寿命;3.如何实现准确、实时的电池荷电状态与老化指标的联合估计,在线估计电池荷电状态的同时,获取电池的老化指标,进而为健康评估与寿命预测提供量化依据;4.在电池动态行为模型与状态估计方法的基础上,如何从电池运行数据中快速检测并甄别电池内部的故障;5.在电池单体的状态估计的基础上,如何估计大规模串联电池组的实时运行状态,并且基于电池组状态估计结果,设计避免由于电池组不一致性故障引起的储能系统性能衰减方案。针对以上五方面的问题,本文的主要工作及创新点如下:1)针对锂离子电池在多变温度与复杂电流工况运行环境下,动态行为描述、状态估计以及模型参数在线校正问题,首先基于电池一阶等效电路模型,建立了电池动态特性描述数学模型,其次基于递推最小二乘方法辨识得到数学模型参数的初始值,最后,基于扩展卡尔曼滤波与比例积分观测器设计了电池模型参数自适应校正与荷电状态估计方法,提高了多变环境温度条件下电池数学模型的自适应性与状态估计的准确性。2)针对锂离子电池老化行为建模、健康状态量化估计及剩余可用寿命预测问题,首先根据老化数据分析结果,归纳出电池恒压充电过程中的电流曲线特征适合用于表征电池的老化程度,其次基于支持向量回归方法,建立了电池老化特征与量化指标之间的非线性映射关系模型,基于该模型及粒子滤波估计器,建立了锂离子电池健康状态估计与剩余可用寿命预测的方法。最后,在多个电池老化数据上验证了模型与方法的有效性。3)针对锂离子电池荷电状态与老化指标联合估计的问题,构建了一种无需预知容量参数的电池状态空间模型表达形式,并且,基于此状态空间模型,提出了一种李亚普诺夫状态观测器,并依据李亚普诺夫直接方法,确定了保证观测器稳定且收敛的观测器增益选取方法。实验结果表明,该方法可以仅依据端电压与电流测量值估计得到电池荷电状态以及常用于量化评估老化程度的电池内阻、容量等。4)针对锂离子电池储能系统热故障诊断问题,首先基于电学行为与热行为的耦合作用,建立了电池的电热耦合模型,其次基于李亚普诺夫状态观测器与扩展卡尔曼滤波,提出了电池内阻与核心温度的估计方法,最后,基于内阻与核心温度估计结果,提出了锂离子电池热故障诊断及识别方法,实验验证结果充分展示了所提模型与故障诊断及识别方法的有效性。5)针对串联锂离子电池不一致性引起的性能衰减问题,首先分析了电池不一致性特征与其核心控制变量,并在此基础上设计了双时间尺度扩展卡尔曼滤波器,实时监控电池组内最大最小荷电状态,缩减计算负担。并在电池组状态估计的基础上,基于双向反激变压器的主动均衡拓扑,提出了一种电流切换的双粒度均衡控制策略,用以修复由于串联电池组内单体不一致性引起的性能衰减问题,实验结果表明,参数估计方法可以有效估计电池组内的荷电状态极值,提出的主动均衡控制方案可以显著改善电池组内单体不一致性,提高均衡精度并缩短均衡时间。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM912
【图文】：
飞轮储能与抽水蓄能，热储能包括低温能量存储，电能储能主要有电容储能。在逡逑众多储能形式中应用最为广泛的是电化学储能，如铅酸电池、锂离子电池、镍逡逑氢电池及镍镉电池等。图１．２展示了一些常见储能装置的能量与功率对比［８］。在逡逑３逡逑
１．２锂离子电池储能系统简介逡逑根据储能系统额定电压、电流和容量的需求，锂离子电池单体通常需要串并逡逑联使用。图１．３展示了不同封装等级的电池储能系统示意。其中，单电池（Ｍｏｎｏ？逡逑ｃｅｌｌ）邋或单元电池对应于电池最小化学单元，电芯一般是由一堆单元电池组成。若逡逑干单体电芯并联后可以组成电池模组。若干电池模组配备ＢＭＳ、热管理系统以逡逑及其他必需电子设备便组成电池组。在一些大功率高压应用场景中，电池储能系逡逑统需要由多个电池组组成。逡逑隔膜逦；邋Ｉ逦＾逦／逦Ｊａ逡逑ｎ邋懰逡逑阴极逦一逦；逦ｆ邋Ｉ逦￣逡逑单电池逦电芯逦模组逦电池组逦储能系统逡逑图１．３不同封装等级的电池储能系统示意图逡逑｜电池模组逦电池模组逦电池槟组逡逑—邋Ｖｉ邋Ｖｒ￣＾ｉ＾￣Ｔ￣逡逑电池模组管理单元邋电池模组管理单元逦电池模组管理单元逦开关逦ｉ逡逑！逦控制逡逑逦邋内部ＣＡＮ总线逦ｉ逡逑电池组管＾到上层控制甲元逡逑理单元逦产的外部ＣＡＮ总线逡逑：逦：逦ｆ＊￣＇＊＊＊＇＂＊＊＊＊逦邋邋邋邋邋邋邋＇＊＇；逦：逦：逡逑：逦：逦：逦：逦！逦：逡逑！逦Ｉ逦灥灥逦！逦！逡逑！逦！逦Ｉ邋■逦，邋ｉ邋ｇ－电池计算c劾镥澹湾澹慑危赍澹殄义希。撸掊危掊澹桑″义希″危哄危慑问萏幔殄蹇у澹殄澹樵げ庥耄″危赍澹殄迤鳎″危颍㈠
本文编号：2792935
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM912
【图文】：
飞轮储能与抽水蓄能，热储能包括低温能量存储，电能储能主要有电容储能。在逡逑众多储能形式中应用最为广泛的是电化学储能，如铅酸电池、锂离子电池、镍逡逑氢电池及镍镉电池等。图１．２展示了一些常见储能装置的能量与功率对比［８］。在逡逑３逡逑
１．２锂离子电池储能系统简介逡逑根据储能系统额定电压、电流和容量的需求，锂离子电池单体通常需要串并逡逑联使用。图１．３展示了不同封装等级的电池储能系统示意。其中，单电池（Ｍｏｎｏ？逡逑ｃｅｌｌ）邋或单元电池对应于电池最小化学单元，电芯一般是由一堆单元电池组成。若逡逑干单体电芯并联后可以组成电池模组。若干电池模组配备ＢＭＳ、热管理系统以逡逑及其他必需电子设备便组成电池组。在一些大功率高压应用场景中，电池储能系逡逑统需要由多个电池组组成。逡逑隔膜逦；邋Ｉ逦＾逦／逦Ｊａ逡逑ｎ邋懰逡逑阴极逦一逦；逦ｆ邋Ｉ逦￣逡逑单电池逦电芯逦模组逦电池组逦储能系统逡逑图１．３不同封装等级的电池储能系统示意图逡逑｜电池模组逦电池模组逦电池槟组逡逑—邋Ｖｉ邋Ｖｒ￣＾ｉ＾￣Ｔ￣逡逑电池模组管理单元邋电池模组管理单元逦电池模组管理单元逦开关逦ｉ逡逑！逦控制逡逑逦邋内部ＣＡＮ总线逦ｉ逡逑电池组管＾到上层控制甲元逡逑理单元逦产的外部ＣＡＮ总线逡逑：逦：逦ｆ＊￣＇＊＊＊＇＂＊＊＊＊逦邋邋邋邋邋邋邋＇＊＇；逦：逦：逡逑：逦：逦：逦：逦！逦：逡逑！逦Ｉ逦灥灥逦！逦！逡逑！逦！逦Ｉ邋■逦，邋ｉ邋ｇ－电池计算c劾镥澹湾澹慑危赍澹殄义希。撸掊危掊澹桑″义希″危哄危慑问萏幔殄蹇у澹殄澹樵げ庥耄″危赍澹殄迤鳎″危颍㈠
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