轨道交通用钛酸锂电池建模与状态估计研究
发布时间：2021-05-17 15:10
面对严峻的能源危机和环境问题,加速发展新能源轨道交通车辆是城市实施可持续发展的重要措施。钛酸锂电池凭借性能优良和绿色环保的特点,被广泛应用于轨道交通车载储能领域,其状态估计关乎整车的高效管理和安全运行。但现有动力电池状态估计方法仍聚焦于负极为石墨材料的锂离子电池,其研究结论无法直接推广至钛酸锂电池。轨道交通车载工况中高倍率和宽温度范围的特点,进一步加深了钛酸锂电池状态精准估计的难度。本论文以商业化钛酸锂电池为研究对象,基于国内外文献及国际测试标准规范,建立了钛酸锂电池测试平台并积累了特性和老化数据,围绕轨道交通用钛酸锂电池不同时间尺度状态估计难题,开展了模型驱动的短时间尺度钛酸锂电池状态估计方法研究,以及基于衰退机制的长时间尺度钛酸锂电池状态估计工作,其主要研究内容如下:（1）针对短时间尺度下电池状态估计所采用的传统等效电路模型在高倍率和宽温度范围内逐渐失真,进而导致估计结果不准确的问题,基于钛酸锂电池特性测试数据,分析了开路电压-荷电状态映射关系、欧姆内阻及电池极化的倍率和温度依赖性,发现模型精度的下降源于电化学极化关系模型的缺失。应用电化学动力学理论推导了 Butler-Volme...
【文章来源】：北京交通大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：154 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
致谢
中文摘要
ABSTRACT
1 绪论
1.1 课题背景与选题意义
1.1.1 轨道交通车辆发展趋势
1.1.2 钛酸锂电池
1.1.3 课题的提出
1.2 与本课题相关的国内外研究现状综述
1.2.1 动力电池等效模型研究现状
1.2.2 动力电池SOC估计研究现状
1.2.3 动力电池SOP预测研究现状
1.2.4 动力电池衰退机制研究现状
1.2.5 动力电池容量估计研究现状
1.3 本领域存在的科学问题
1.4 主要研究内容与论文结构
2 基于电化学方程的钛酸锂电池等效电路模型研究
2.1 常用电池等效电路模型
2.2 电池等效模型改进依据
2.2.1 电池OCV-SOC曲线的倍率和温度依赖性
2.2.2 电池欧姆内阻的倍率和温度依赖性
2.2.3 电池极化特性分布规律
2.2.4 电化学动力学方程
2.3 基于Butler-Volmer方程的钛酸锂电池等效电路模型
2.3.1 电池模型结构
2.3.2 电池模型响应过程分析
2.4 恒流工况及动态工况下的钛酸锂电池模型验证
2.4.1 常温恒流工况下钛酸锂电池模型验证
2.4.2 常温FUDS动态工况下钛酸锂电池模型验证
2.4.3 不同温度条件下钛酸锂电池模型适应性验证
2.4.4 钛酸锂电池模型合理性分析
2.5 本章小结
3 模型驱动的钛酸锂电池SOC估计和SOP预测方法研究
3.1 电池SOC定义修正及电池SOP约束条件分析
3.1.1 计及温度效应的电池SOC定义修正
3.1.2 电池SOP约束条件影响因素分析
3.2 实验准备及方案设计
3.3 基于钛酸锂电池模型和观测器技术的SOC估计
3.3.1 钛酸锂电池模型状态空间方程
3.3.2 卡尔曼滤波器
3.3.3 自适应卡尔曼滤波器
3.3.4 PI观测器
3.3.5 粒子滤波
3.3.6 钛酸锂电池SOC估计结果对比
3.4 基于钛酸锂电池模型和电压约束条件的SOP预测
3.4.1 钛酸锂电池最大可用电流及SOP预测方法
3.4.2 钛酸锂电池SOP预测结果验证
3.5 本章小结
4 循环应力下钛酸锂电池衰退机制研究
4.1 原位分析法ICA和DVA
4.2 钛酸锂电池循环寿命实验设计
4.3 钛酸锂电池核心特征参数演变规律
4.3.1 常温循环应力下特征参数分析
4.3.2 高温循环应力下特征参数分析
4.4 钛酸锂电池循环寿命衰退机理研究
4.4.1 服役状态钛酸锂电池典型区域划分
4.4.2 钛酸锂电池dQ/dV-V曲线的特征属性识别
4.4.3 基于ICA的钛酸锂电池容量衰退机理分析
4.5 基于DVA的钛酸锂电池衰退模式损失量化
4.6 本章小结
5 基于部分电压差分曲线的钛酸锂电池容量估计方法研究
5.1 电池容量估计原理
5.1.1 经验模型驱动的电池容量估计
5.1.2 基于OCV-SOC映射关系的电池容量估计
5.1.3 计及相变特征的电池容量估计
5.2 基于部分电压差分曲线的钛酸锂电池容量估计方法
5.2.1 轨道交通车载电池工况特点分析
5.2.2 基于钛酸锂电池衰退机理的dV/dQ-Q曲线特征提取
5.2.3 LTO电池容量在线估计方法
5.3 钛酸锂电池容量估计结果对比
5.4 本章小结
6 总结与展望
6.1 研究内容总结
6.2 论文主要创新点
6.3 研究工作展望
参考文献
附录A
作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果
学位论文数据集
【参考文献】：
期刊论文
[1]2017年中国城市轨道交通运营线路统计与分析[J]. 田时沫,鲁放,杨珂,刘宇,雷丽霞,李若怡,张红健,杨瑞霞. 都市快轨交通. 2018(01)
[2]中国城市轨道交通发展[J]. 翟兰书. 智慧中国. 2018(01)
[3]“四纵四横”高铁网提前建成运营,2017年共投产新线3038km[J]. 建筑技术开发. 2018(02)
[4]浅谈我国新能源轨道列车技术在轨道交通中的研发和展望[J]. 王诚林,李宏健,于洋,夏秀华. 科学技术创新. 2017(36)
[5]地铁钛酸锂电池车载储能系统研究[J]. 王子超,高硕遥. 城市轨道交通研究. 2017(10)
[6]“一带一路”背景下我国高铁“走出去”的机遇与挑战[J]. 栾申洲. 郑州航空工业管理学院学报. 2017(05)
[7]复兴路上驶来“复兴号”——中国铁路发展历程百年回顾[J]. 杨戈. 中国科技奖励. 2017(08)
[8]“一带一路”为轨道交通装备制造业带来的机遇及其对策[J]. 万其凤. 科技创新导报. 2017(16)
[9]中国高铁“走出去”研究[J]. 陈新光,陈林,韩精艺,郝远杰. 科学发展. 2016(10)
[10]中国高铁“走出去”的十大挑战与战略对策[J]. 徐飞. 人民论坛·学术前沿. 2016(14)
博士论文
[1]车用锂离子电池机理模型与状态估计研究[D]. 韩雪冰.清华大学 2014
[2]基于数据模型融合的电动车辆动力电池组状态估计研究[D]. 熊瑞.北京理工大学 2014
硕士论文
[1]锂离子电池串并联成组优化研究[D]. 姜君.北京交通大学 2013
本文编号：3191980
【文章来源】：北京交通大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：154 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
致谢
中文摘要
ABSTRACT
1 绪论
1.1 课题背景与选题意义
1.1.1 轨道交通车辆发展趋势
1.1.2 钛酸锂电池
1.1.3 课题的提出
1.2 与本课题相关的国内外研究现状综述
1.2.1 动力电池等效模型研究现状
1.2.2 动力电池SOC估计研究现状
1.2.3 动力电池SOP预测研究现状
1.2.4 动力电池衰退机制研究现状
1.2.5 动力电池容量估计研究现状
1.3 本领域存在的科学问题
1.4 主要研究内容与论文结构
2 基于电化学方程的钛酸锂电池等效电路模型研究
2.1 常用电池等效电路模型
2.2 电池等效模型改进依据
2.2.1 电池OCV-SOC曲线的倍率和温度依赖性
2.2.2 电池欧姆内阻的倍率和温度依赖性
2.2.3 电池极化特性分布规律
2.2.4 电化学动力学方程
2.3 基于Butler-Volmer方程的钛酸锂电池等效电路模型
2.3.1 电池模型结构
2.3.2 电池模型响应过程分析
2.4 恒流工况及动态工况下的钛酸锂电池模型验证
2.4.1 常温恒流工况下钛酸锂电池模型验证
2.4.2 常温FUDS动态工况下钛酸锂电池模型验证
2.4.3 不同温度条件下钛酸锂电池模型适应性验证
2.4.4 钛酸锂电池模型合理性分析
2.5 本章小结
3 模型驱动的钛酸锂电池SOC估计和SOP预测方法研究
3.1 电池SOC定义修正及电池SOP约束条件分析
3.1.1 计及温度效应的电池SOC定义修正
3.1.2 电池SOP约束条件影响因素分析
3.2 实验准备及方案设计
3.3 基于钛酸锂电池模型和观测器技术的SOC估计
3.3.1 钛酸锂电池模型状态空间方程
3.3.2 卡尔曼滤波器
3.3.3 自适应卡尔曼滤波器
3.3.4 PI观测器
3.3.5 粒子滤波
3.3.6 钛酸锂电池SOC估计结果对比
3.4 基于钛酸锂电池模型和电压约束条件的SOP预测
3.4.1 钛酸锂电池最大可用电流及SOP预测方法
3.4.2 钛酸锂电池SOP预测结果验证
3.5 本章小结
4 循环应力下钛酸锂电池衰退机制研究
4.1 原位分析法ICA和DVA
4.2 钛酸锂电池循环寿命实验设计
4.3 钛酸锂电池核心特征参数演变规律
4.3.1 常温循环应力下特征参数分析
4.3.2 高温循环应力下特征参数分析
4.4 钛酸锂电池循环寿命衰退机理研究
4.4.1 服役状态钛酸锂电池典型区域划分
4.4.2 钛酸锂电池dQ/dV-V曲线的特征属性识别
4.4.3 基于ICA的钛酸锂电池容量衰退机理分析
4.5 基于DVA的钛酸锂电池衰退模式损失量化
4.6 本章小结
5 基于部分电压差分曲线的钛酸锂电池容量估计方法研究
5.1 电池容量估计原理
5.1.1 经验模型驱动的电池容量估计
5.1.2 基于OCV-SOC映射关系的电池容量估计
5.1.3 计及相变特征的电池容量估计
5.2 基于部分电压差分曲线的钛酸锂电池容量估计方法
5.2.1 轨道交通车载电池工况特点分析
5.2.2 基于钛酸锂电池衰退机理的dV/dQ-Q曲线特征提取
5.2.3 LTO电池容量在线估计方法
5.3 钛酸锂电池容量估计结果对比
5.4 本章小结
6 总结与展望
6.1 研究内容总结
6.2 论文主要创新点
6.3 研究工作展望
参考文献
附录A
作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果
学位论文数据集
【参考文献】：
期刊论文
[1]2017年中国城市轨道交通运营线路统计与分析[J]. 田时沫,鲁放,杨珂,刘宇,雷丽霞,李若怡,张红健,杨瑞霞. 都市快轨交通. 2018(01)
[2]中国城市轨道交通发展[J]. 翟兰书. 智慧中国. 2018(01)
[3]“四纵四横”高铁网提前建成运营,2017年共投产新线3038km[J]. 建筑技术开发. 2018(02)
[4]浅谈我国新能源轨道列车技术在轨道交通中的研发和展望[J]. 王诚林,李宏健,于洋,夏秀华. 科学技术创新. 2017(36)
[5]地铁钛酸锂电池车载储能系统研究[J]. 王子超,高硕遥. 城市轨道交通研究. 2017(10)
[6]“一带一路”背景下我国高铁“走出去”的机遇与挑战[J]. 栾申洲. 郑州航空工业管理学院学报. 2017(05)
[7]复兴路上驶来“复兴号”——中国铁路发展历程百年回顾[J]. 杨戈. 中国科技奖励. 2017(08)
[8]“一带一路”为轨道交通装备制造业带来的机遇及其对策[J]. 万其凤. 科技创新导报. 2017(16)
[9]中国高铁“走出去”研究[J]. 陈新光,陈林,韩精艺,郝远杰. 科学发展. 2016(10)
[10]中国高铁“走出去”的十大挑战与战略对策[J]. 徐飞. 人民论坛·学术前沿. 2016(14)
博士论文
[1]车用锂离子电池机理模型与状态估计研究[D]. 韩雪冰.清华大学 2014
[2]基于数据模型融合的电动车辆动力电池组状态估计研究[D]. 熊瑞.北京理工大学 2014
硕士论文
[1]锂离子电池串并联成组优化研究[D]. 姜君.北京交通大学 2013
本文编号：3191980
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