應(yīng)用于高寒地區(qū)的電動(dòng)汽車(chē)電池管理關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池系統(tǒng)是電動(dòng)汽車(chē)的能量來(lái)源，是電動(dòng)汽車(chē)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(dòng)汽車(chē)電池管理帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。因此，對(duì)電池系統(tǒng)合理而有效的管理是提升電池使用效率、延長(zhǎng)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)

2、量減少，造成電池組容量和功率特性的衰減，充電時(shí)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(shí)，長(zhǎng)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(huì)引發(fā)電池生熱、溫度以及庫(kù)倫效率的不一致，使電池組性能進(jìn)一步惡化。上述問(wèn)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(xiǎn)和使用成本。
　　針對(duì)以上問(wèn)題，本文旨在解決電動(dòng)汽車(chē)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(wèn)題，

3、以及由于電池SOC不一致引發(fā)的生熱及溫度不一致問(wèn)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(duì)溫度引起的電池性能衰減機(jī)理進(jìn)行分析，針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)電池系統(tǒng)低溫運(yùn)行特點(diǎn)制定串聯(lián)電池組低溫?zé)峁芾聿呗裕诘蜏仡A(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(dòng)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(duì)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(wèn)題開(kāi)展仿真研究，對(duì)多種常見(jiàn)特性不一致帶來(lái)的容量和功率衰減機(jī)理進(jìn)

4、行分析。針對(duì)影響電池組性能最為嚴(yán)重的SOC不均衡問(wèn)題，設(shè)計(jì)串聯(lián)電池組均衡系統(tǒng)并開(kāi)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(duì)電池組性能及熱穩(wěn)定性的影響。具體研究?jī)?nèi)容如下：
　　針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)電池組性能衰減機(jī)理問(wèn)題，從理論上分析環(huán)境溫度和電池特性參數(shù)一致性對(duì)串聯(lián)鋰離子電池組性能影響機(jī)理，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證環(huán)境溫度對(duì)電池內(nèi)阻、開(kāi)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

5、分析模型，分析內(nèi)阻、開(kāi)路電壓和電量不一致對(duì)電池端電壓、電池組容量和峰值功率帶來(lái)的影響，定義電池組容量和功率衰減率對(duì)不同類(lèi)型不一致造成的電池組性能衰減進(jìn)行評(píng)價(jià)。此外，還對(duì)電池電量不一致帶來(lái)的電池組溫度和老化差異進(jìn)行分析。
　　針對(duì)電池系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中電池內(nèi)部溫度和峰值功率無(wú)法實(shí)際測(cè)量的問(wèn)題。利用電池等效電路模型，根據(jù)實(shí)時(shí)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(xiàn)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(guò)程中的峰值充放電

6、功率；建立電池內(nèi)部溫度估計(jì)模型，分析熵變生熱和過(guò)電勢(shì)生熱對(duì)電池總體生熱的影響，并在恒流充放電過(guò)程中對(duì)兩種生熱帶來(lái)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(shí)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(duì)串聯(lián)電池組低溫?zé)峁芾砜刂撇呗詥?wèn)題，通過(guò)對(duì)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(dòng)和起動(dòng)后的運(yùn)行監(jiān)控兩種模式。通過(guò)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

7、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(shí)節(jié)省預(yù)熱能耗。在起動(dòng)后運(yùn)行過(guò)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(duì)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(wèn)題，提出一種基于雙向全橋的串聯(lián)電池組主動(dòng)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