延长电池循环寿命的电池管理系统研究

论文摘要

汽车的发展改善了人们的生活，促进了社会的发展。在可持续发展呼声高涨的今天，汽车为可持续交通带来了能源、环保和安全三大挑战，人们逐渐把目光投向了新能源汽车，尤其是混合动力汽车和纯电动汽车，研发技术已日趋成熟并已投入市场运营。随着对混合动力汽车和纯电动汽车研究的深入，车载动力电池也已成为研究热点。当前，车载动力电池主要包括铅酸电池、镍镉、镍氢电池和锂离子电池等二次动力电池。几种动力电池在单体制造工艺研发方面取得了显著成就，它们的比能量和比功率都有明显提升，循环使用寿命也有长足进步，然而，无论是哪种车载动力电池，仍与我们的期望目标存在较大的差距。于是人们开始转向研究如何合理管理和使用电池，希望在电池管理方面取得一定技术突破，来弥补电池技术的不足。电池管理系统已成为电池技术研究的子方向之一，然而电池的循环寿命始终是新能源汽车的发展瓶颈。本文从延长电池组循环寿命出发，对车用锂离子动力电池组及其管理系统进行了深入研究。论文的主要研究内容包括：1.查阅国内外在电池组循环寿命方面的研究进展，得出了电池组循环寿命的主要影响因素：充放电倍率、电池放电深度以及电池单体的均一性。其中，充放电倍率超出了电池组的承受能力和放电深度控制不合理属于滥用电池，电池单体的不一致引起电池组的短板效应，都会严重影响电池组的循环寿命。2.以磷酸铁锂电池为研究对象，根据电池特性建立锂离子电池的非线性等效电路模型，利用电路原理知识分析了该模型在阶跃输入下的动态响应。在此研究结果基础上设计了参数辨识实验，利用数学工具Matlab的拟合工具包Curve Fitting Tool辨识出模型参数，并基于Matlab/Simulink搭建了电池模型仿真平台，通过对实验数据和仿真数据的对比分析，验证了模型选择合理且辨识方法有效。3.对电池管理系统进行了详细功能分析。基于主从分布式拓扑结构设计理念，对电池管理系统进行功能划分，将系统分为多个子控制单元和一个主控制单元。子控制单元负责电池单体的电压采集、温度采集、均衡控制、电池组的总电压采集、总电流采集以及漏电状态检测，主控制单元则主要关注电池组整体的状态信息，比如对电池组荷电状态SOC的估算、根据电池组当前SOC对可充放电电流进行估计、子控制单元的弱电管理、高压电继电器控制、以及与整车其他控制器间的信息交互。依据各控制单元的功能需求选择相应的硬件类型并完成硬件电路设计。4.本着延长电池循环寿命的目的，根据对电池组循环寿命影响因素的分析，重点设计了管理系统的软件部分，包括电池组单体均衡控制以及电池组荷电状态SOC和可充放电电流的实时估算。在电池单体均衡方面提出模组最优原则，将数理统计中的标准差理论应用到均衡控制中，通过改善电池组单体一致性来延长电池组循环寿命；通过精确估算电池组SOC和实时估算可充放电电流，为整车合理使用电池提供依据，避免了对电池的滥用，延长了电池组的循环寿命。5.以容量衰减和欧姆内阻增加为电池组循环寿命的评价指标，对本文设计的电池管理系统进行了台架实验。结果表明，本文的设计能有效延长电池组循环寿命，且SOC估算精度符合国家标准要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 车载动力电池现状
• 1.2 电池管理系统国内外发展现状
• 1.2.1 国外发展现状
• 1.2.2 国内发展现状
• 1.3 现有电池管理系统的不足
• 1.4 论文研究意义及主要研究内容
• 1.4.1 研究意义
• 1.4.2 主要研究内容
• 第二章 锂离子电池模型研究
• 2.1 锂离子电池
• 2.1.1 锂离子电池概述
• 2.1.2 锂离子电池原理
• 2.2 动力电池模型概述
• 2.2.1 等效电路模型
• 2.2.2 电化学模型
• 2.2.3 其他模型
• 2.3 锂离子电池模型参数辨识
• 2.3.1 模型参数辨识实验设计
• 2.3.2 模型参数辨识
• 2.3.3 模型参数仿真验证
• 2.4 本章小结
• 第三章 电池管理系统硬件设计
• 3.1 BMS总体功能设计
• 3.1.1 电池组整体布局
• 3.1.2 BMS功能分析
• 3.2 各功能模块硬件电路设计
• 3.2.1 LECU硬件电路设计
• 3.2.2 HMU硬件电路设计
• 3.2.3 BMU硬件电路设计
• 3.3 硬件抗干扰设计
• 3.3.1 电源干扰抑制
• 3.3.2 传播途径干扰抑制
• 3.4 本章小结
• 第四章 电池管理系统软件设计
• 4.1 LECU软件设计
• 4.1.1 LECU整体流程设计
• 4.1.2 单体均衡控制理论
• 4.2 HMU软件设计
• 4.2.1 HMU整体流程设计
• 4.2.2 绝缘电阻检测算法与精度分析
• 4.3 BMU软件设计
• 4.3.1 BMU整体流程设计
• 4.3.2 基于EKF的SOC估算策略
• 4.3.3 可充放电电流估算
• 4.4 本章小结
• 第五章 电池管理系统台架实验验证
• 5.1 循环寿命评价指标
• 5.2 循环寿命实验验证
• 5.2.1 实验步骤
• 5.2.2 实验结果
• 5.3 SOC估算与可充放电电流验证
• 5.4 本章小结
• 第六章 全文总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 研究遇到的问题
• 6.3 工作展望
• 参考文献
• 作者简介及在学期间所取得的科研成果
• 致谢