基于改进单粒子模型的锂离子电池组充电策略研究

发布时间：2017-09-25 00:47

  本文关键词：基于改进单粒子模型的锂离子电池组充电策略研究

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【摘要】：锂离子电池以其优越的性能逐步成为新能源领域的核心储能部件,与此同时对锂离子电池管理系统也提出了更高的要求,高效、健康的电池充电方法受到越来越多的关注。本文开展了锂离子电池组充电策略的研究,提出基于电池模型参数的长寿命快速充电方法,结合机理模型实现电池组均衡控制,为电化学模型应用于管理系统提供了技术支持。首先,详细叙述了锂离子电池的改进单粒子模型,给出了机理模型中各个物理、化学反应过程的相关表达式。在此基础上,分析模型参数与电池外在行为之间的联系,利用激励响应分析的方法,通过不同的辨识工况实现模型参数的分步获取。通过商品钴酸锂电池的参数获取实验,验证参数获取的有效性和精度。实验表明参数获取结果准确,可用于电池状态参量的估计以及电池管理的研究中。为实现锂离子电池快速且安全的充电,详细分析了锂离子电池充电老化机理,在传统充电方式的基础上,基于改进单粒子模型并结合模型参数,从电池健康管理的角度出发,设计出一种监测并控制负极活性粒子表面嵌锂率的充电方式。搭建充电实验平台实现锂离子电池长寿命快速充电,实验数据指出该充电方式具备较高充电速度和深度的同时,能够延长电池寿命。针对当前电池组均衡技术中出现的问题,结合改进单粒子模型确定了电池组均衡控制方案。基于改进单粒子模型并利用扩展卡尔曼滤波算法估计电池SOC,分别利用恒流工况和动态工况对SOC估计的精确度进行评估,讨论不确定因素如初始偏差、量测噪声对SOC估计的影响。结果表明该估计方法具有较高的精度和较强的抗干扰能力,该估计结果用来作为电池组均衡的数据依据。与此同时,设计出一种能量非耗散型电感均衡电路拓扑结构,对电路的工作原理进行了详细的分析,确定SOC均衡的具体实现方法。最后,采用聚类算法筛选出性能相近的电池,对于本文设计的长寿命快速充电方法、电池组均衡控制方案,在搭建的电池组充电实验系统平台上进行实验,验证整个充电策略的可行性和有效性,实验结果表明该充电策略能够有效地延缓电池组容量衰减。
【关键词】：锂离子电池组 改进单粒子模型 长寿命快速充电 SOC估计 电池组均衡
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM912
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-15
• 1.1 课题的背景及研究意义9-10
• 1.2 锂离子电池模型与参数获取方法的研究现状10-11
• 1.2.1 电池模型的研究现状10-11
• 1.2.2 参数获取方法的研究现状11
• 1.3 锂离子电池充电技术的研究现状11-13
• 1.4 锂离子电池组均衡控制技术的研究现状13-14
• 1.5 本课题的主要研究内容14-15
• 第2章 锂离子电池改进单粒子模型与参数获取15-28
• 2.1 改进的单粒子模型15-21
• 2.1.1 基本工作过程15-17
• 2.1.2 固相扩散过程17-18
• 2.1.3 液相扩散过程18-19
• 2.1.4 反应极化作用19-20
• 2.1.5 欧姆极化作用20-21
• 2.2 模型的参数获取21-25
• 2.2.1 基本工作过程相关参数的获取21-22
• 2.2.2 欧姆内阻参数的测量22
• 2.2.3 正负极反应极化系数的获取22-23
• 2.2.4 固液相扩散过程相关参数的获取23-24
• 2.2.5 液相扩散时间常数的获取24-25
• 2.3 参数获取结果验证25-27
• 2.4 本章小结27-28
• 第3章 锂离子电池的长寿命快速充电28-38
• 3.1 锂离子电池充电老化机理28-31
• 3.1.1 锂离子电池的充电过程28-29
• 3.1.2 过度充电对电池的影响分析29-31
• 3.2 长寿命快速充电方案设计31-35
• 3.2.1 马斯定律31-32
• 3.2.2 长寿命快速充电方案32-35
• 3.3 充电方案实验验证35-37
• 3.4 本章小结37-38
• 第4章 锂离子电池组在线SOC估计及均衡控制方法38-50
• 4.1 基于SP+模型的SOC估计38-42
• 4.1.1 SOC估计方法的选择38-39
• 4.1.2 扩展卡尔曼滤波原理39-40
• 4.1.3 SOC估计的实现40-42
• 4.2 SOC估计方法验证42-45
• 4.2.1 不同工况下SOC的估计结果42-44
• 4.2.2 初始误差对SOC估计结果的影响44
• 4.2.3 测量噪声对SOC估计结果的影响44-45
• 4.3 锂离子电池组的均衡控制45-49
• 4.3.1 均衡电路设计45-48
• 4.3.2 均衡控制方法48-49
• 4.4 本章小结49-50
• 第5章 锂离子电池组充电策略实验验证50-64
• 5.1 实验电池筛选50-52
• 5.2 电池组充电实验设计52-59
• 5.2.1 总体实验方案52-53
• 5.2.2 实验系统平台53-54
• 5.2.3 硬件电路实现54-56
• 5.2.4 Lab VIEW实现56-59
• 5.3 实验结果分析59-62
• 5.3.1 电池组均衡实验结果分析59-62
• 5.3.2 电池组充电实验结果分析62
• 5.4 本章小结62-64
• 结论64-65
• 参考文献65-70
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及其他成果70-72
• 致谢72

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本文编号：914438