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新能源汽车动力电池SOC估算及其实现.pdf

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新能源汽车动力电池SOC估算及其实现Estimation and realization of SOC of green-car’Sdynamiq battery2011年4月合肥工业大学本论文经答辩委员会全体委员审查,确认符合合肥工业大学硕士学位论文质量要求。主席:委员:导师:答辩委员会签名(工作单位、职称)魂磁了挺剥 I少t炽;多||暇.会月巳二监始絮%乞桫ji洲尼矿名’(老七谣 、可。娥哆雠势磁荔.yIP、’I●●●--,广Y独创性声明本人声明所警交的学位论文是本人在导师指导-卜.进行的研究jI:作及取得的研究成果。据我所知,除了文中特别加以标忐和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得金日巴:!:些厶堂 或其他教育机构的学位或让I 5而使川过的材料。与我一同‘I:作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签字:Z 句 签字日期:沁1 1 年 垆月7,Z-日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解合肥:】:业人学有关保留、使用学位论文的规定,有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许论文被奄阅或借阅。本人授权合肥:J:业大学可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索,可以采刚影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文者签名: 已移签字日期: 沙f 1 年 ‘中月“沙日学位论文作者毕业后去向:工作单位:通信地址:导师弛求纠签字日期:oLo P1年争月电话:邮编:22 E1)新能源汽车动力电池SOC估算及其实现摘要随着全球能源危机与环境污染的加剧,电动汽车越来越多地受到各国的关注。电池管理系统(BMS)是电动汽车的核心组成部分之一,而剩余荷电状态(soc)估算是BMS的重点难点所在。本文以Ah计量法为主体,结合开路电压法和卡尔曼滤波法,利用模糊方法对SOC进行估算,并搭建实验系统将理论研究付诸实践。第一章阐明选题意义与研究内容。回顾了电动汽车的发展历程,分析SOC估算策略的研究背景,指出其在电动汽车动力电池管理系统中的重要性,叙述了本文的主要研究内容。第二章分析SOC估算相关的理论并对其做出总结。首先分析了锂离子电池的特性;接着探讨了SOC的定义;之后着重研究了SOC估算的经典方法,例如Ah计量法,开路电压法等;最后通过对比各种方法的优缺点,做出总结。第三章是在前文研究的基础上,分析本文方法的思路。结合实际应用的需要,选取Ah计量法作为本文方法的基础。利用开路电压法计算出初始值SOCo,运用卡尔曼滤波法对其进行优化,使开路电压法的误差减小。针对温度、电池老化对计算公式中的电池容量CA的影响,构建模糊隶属函数,设计模糊规则,通过模糊推理得到其修正值。第四章是关于库仑效率的修正。对于Ah计量中所需要的库仑效率11,首先给出其定义以及模糊预测的概念,然后结合本文需要,针对充放电电流、温度、电池老化和电池内阻变化等对库仑效率的影响,利用基于模糊聚类的预测方法,详细地推导在第S时刻库仑效率的修正值。第五章设计实验系统并仿真。在分析功能需求的基础上设计实验系统,详细介绍系统各模块的功能以及设计思路,并给出实物图。将本文方法编程并在电池管理系统中加以实现,将实验结果与仿真结果相对比,验证方法的可行性与精度。第六章总结全文。关键词:动力电池;SOC(state ofcharge)模糊逻辑;模糊预测L_bEstimation and realization of SOC of green-car’Sdynamic batteryABSTRACTAs the global energy crisis and environmental pollution is getting worse,electricvehicles have attracted more and more attention among different countries.Since BMS isone of the essential parts of electric vehicles,the estimation of SOC is the focus and the keyproblem of BMS.This dissertation is mainly about the Ah measurement,combined with themethod of open-circuit voltage and Kalman filter, aiming at estimating SOC andconstructing the experiment system to put theoretical study into practice by the fuzzymethod.The first chapter is the illustration of the significance and the main content of thisdissertation,which makes a review of the development of electric vehicles,make,ananalysis of the background of SOC estimation research and the importance of batterymanaging system of electric vehicles.The second chapter analyzes the related theories concerning SOC estimation andmakes a summary.The author analyzes the characteristics of Li-ion batteries and discussesthe definition of SOC.Then,the author focuses on the classical methods of SOC estimation,such as Ah measurement,the method of open-circuit voltage and SO on;finally,makes asummary of these methods by comparison and contrast.The third chapter selects Ah measurement as the basic method of the dissertation fromthe respect of practical application.This dissertation calculates the original value of SOC0by the method of open—circuit voltage and optimizes it by Kalman filter to reduce thedeviation of the method of open-circuit voltage.Aiming at the impact of temperature andbattery aging on CA,the author constructs fuzzy membership functions and designs thefuzzy rules to get the modifier through fuzzy reasoning.The fourth chapter is mainly about the modification of Coulombic efficiency.Thischapter makes a definition of Coulombic q and fuzzy forecasting.Then,from the aspect ofthe impact of charging and discharging voltage,temperature,battery aging and the changeof battery resistance on Coulombic efficiency,the author deduces the modifier ofCoulombic efficiency at S time based on the orecasting method of vague clustering.The fifth chapter designs the experiment system and makes emulation.The experimentsystem is based on the analyzed needs,which includes‘the detailed introduction of thefunction of each module and designing structures as well as practicality pictures.Then,this、lchapter makes an comparison between the experiment results and emulation results throughprogramming the methods and realizing it in battery managing system to validate thefeasibility and precision of the method of this dissertation.The sixth chapter is a conclusion of the whole dissertation.Keywords:Dynamic battery;SOC(state of charge);Fuzzy logic;Fuzzy predictionV致谢本论文的工作是在我的导师张利教授和陈泽坚教授的悉心指导下完成的,张老师和陈老师丰富的经验、渊博的知识使我收益颇多,在论文的完成过程中给我提出了很多的宝贵意见,使得论文顺利完成。张利教授严谨的治学态度和科学的工作方法均给了我极大的帮助和影响,在生活上,张老师也给我们以慈母般的关爱,在此,对张老师表示最真挚的感谢。感谢芜湖埃泰克汽车电子公司,感谢埃泰克总经理陈泽坚教授对于合肥工业大学学子的热忱关怀和全面培育,感谢陈泽坚教授给予我提供的许多指导、帮助和将理论研究应用于实践的机会。感谢刘征宇老师,作为车载电子项目组的负责人,刘老师带领我们投入课题研究,多次参加大学生“挑战杯”科技作品竞赛并获得优异成绩。在此还要感谢韩江洪老师、张建军老师、史久根老师、刘国田老师在实验室的学习和工作期间,给予了我很多指导和帮助。我相信,你们对我的教诲会对我以后的人生道路产生深远的影响。然后要感谢的是在实验室和我一起工作学习的师兄弟姐妹们,三年的成长结下了彼此之间深厚的友谊,共同的讨论也开拓了彼此的视野。最后,感谢我的父母、亲人对我的理解与支持,使我能够专心在学校完成学业。V目 录第一章 绪论………………………………………………………………………………11.1电动汽车发展概况………………………………………………………………..11.2课题研究背景………………………………………………………………………31.3国内外研究现状…………………………………………………………………。41.4课题来源及研究内容………………………………………………………………61.5本章小结…………………………………………………………………………。6第二章 SOC估算方法研究…………………………………………………………….72.1锂电池特性………………………………………………………………………。72.2 SOC定义……………………………………………………………………………………………………82.3 SOC经典估算方法…………………………………………………………………82.2.1 Ah计量法……………………………………………………………………92.2.2放电实验法…………………………………………………………………92.2.3卡尔曼滤波法………………………………………………………………92.2.4神经网络法…………………………………………………………………102.2.5内阻法…………………………………………………………………………………………….1 02.2.6开路电压法…………………………………………………………………112.2.7负载电压法…………………………………………………………………112.4 SOC估算方法小结……………………………………………………………….11第三章 改进的All计量法…………………………………………………………….133.1方法概述…………………………………………………………………………133.2初始SOCo的计算……………………………………………………………….133.3对电池容量CA的修正……………………………………………………………173.3.1模糊控制…………………………………………………………………。1 83.3.2输入输出模糊语言变量隶属度函数的确定……………………………..203.3.3模糊规则的设计…………………………………………………………..233.3.4反模糊化输出……………………………………………………………..233.4本章小结…………………………………………………………………………23第四章 对库仑效率'l的修正…………………………………………………………254.1库仑效率的定义…………………………………………………………………254.2模糊聚类分析……………………………………………………………………254.2.1模糊ISODATA聚类分析方法……………………………………………254.2.2模糊ISODATA聚类效果的检验…………………………………………284.3模糊预测…………………………………………………………………………284.3.1模糊预测的概念…………………………………………………………..284.3.2库仑效率模糊预测的具体实现步骤……………………………………~284.4模糊预测的检验…………………………………………………………………3 14.5本章小结…………………………………………………………………………32第五章 实验系统设计与仿真…………………………………………………………。335.1实验系统设计……………………………………………………………………335.1.1底层检测模块……………………………………………………………….335.1.2控制模块…………………………………………………………………..345.1.3均衡电源模块………………………………………………………………355.2实验对象………………………………………………………………………….355.3实验与仿真结果…………………………………………………………………375.3.1实验系统与仿真结果对比………………………………………………..375.3.2两种方法仿真结果对比…………………………………………………..385.4本章小结…………………………………………………………………………39第六章 总结与展望……………………………………………………………………406.1研究总结…………………………………………………………………………406.2工作展望…………………………………………………………………………40参考文献……………………………………………………………………………………42附勇乏……………………………………………………………………………………………………………………..45硕士期间参与的科研项目………………………………………………………………..46硕士期间发表的学术论文…………………………………………………………………46获奖情况…………………………………………………………………………………..46特别声明…………………………………………………………………………………………………………47Vl插图清单图3.1本文方法思路流程……………………………………………………………….13图3.2磷酸铁锂电池OCV与SOC关系……………………………………………….14图3.4电池容量随温度变化规律…………………………………………………………1 8图3.5温度模糊语言变量的隶属函数………………………………………………….21图3.6时间模糊语言变量的隶属函数……………………………………………………22图3.7电池容量CA模糊语言变量的隶属函数………………………………………。22图5.1实验系统结构图………………………………………………………………….33图5.2检测与均衡电路实物图………………………………………………………….34图5.3均衡电源模块…………………………………………………………………….35图5.4由锂电池构成的电池模块……………………………………………………….36图5.5实验负载电阻箱………………………………………………………………….36图5.6 12000S内电池管理系统记录到的电流…………………………………………37图5.7实验系统SOC结果与传统Ah计量法仿真结果对比…………………………38图5.8本文方法与传统Ah计量法仿真结果对比……………………………………..39表格清单表3.1实验对象单体电池电压检测值(单位/Ⅵ………………………………………1 5表5.1两种方法误差分析……………………………………………………………….39X第一章 绪论1.1电动汽车发展概况所谓的电动汽车,是指以车载电源为动力,用电机驱动车轮行驶,符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。包括纯电动汽车EV(Electric Vehicle),混合动力电动汽车HEV(Hybrid Vehicle)和燃料电池汽车FCEV(Fuel Cell ElectricVehicle)---种类型。早在1873年,英国人罗伯特·戴维森(Robert Davidsson)带0作了世界上最初的可使用电动汽车,这比德国人戴姆勒(Gottlieb Daimler)$1汽油发动机汽车要早上1 0多年。电动汽车在欧美最繁荣的时期是在19世纪末期。1899年,法国人考门·吉纳驾驶一辆功率为44kW,运用双电动机作为动力的后轮驱动电动汽车,创造了时速1 06km的记录。在美国,1900年,所有生产的汽车中电动汽车15755辆,蒸汽机汽车1684辆,而当时汽油机汽车仅仅936辆。进入到20世纪以后,随着内燃机技术的不断进步,在1908年,美国福特汽车公司的T型车问世,以流水线生产模式大规模批量生产降低成本,使汽油机汽车变得普及,而蒸汽机汽车与电动汽车由于存在着技术性能及经济上的不足,前者被岁月无情地淘汰,后者则呈萎缩状态,无法与汽油机汽车在市场中形成竞争。进入20世纪70年代后,汽车保有量迅速增长,环境污染变得越来越严重。随着化学污染等发生,西方发达国家政府开始注重对环境的保护,促使一些著名的汽车公司转向研究和开发电动汽车,发达国家纷纷对电动汽车的商业化开发与应用投入巨资,电动汽车也迎来了新的发展高潮…。美国是世界第一经济体,同时也是世界上大气污染最严重的国家之一,其对大气污染的防止和限制措施也最为严厉。1 976年7月,美国国会通过《电动汽车和复合汽车的研究开发和样车试用法令》,以立法的形式、财政补贴和政府资助等手段加快发展电动汽车的速度。1 993年,美国能源部与三大汽车公司签订了混合动力电动汽车开发合同,其中通用汽车公司投资1.48亿美元,福特汽车公司投资1.38亿美元,克莱斯勒汽车公司投资8480万美元,进行为期5年的电动汽车研发工作,并于l 998年在北美国际汽车展上展出了样车。在此基础上,现已推出三款混合动力概念车GMPrecept、Ford Prodigy、Daimler ChryslerDodge ESX3。另外,美国还制定了“PNGV计划”、“Freedom CAR计划“以及“AVP计划”,通过多种方法推动电动汽车的发展。着眼当今世界整体形势,日本是电动汽车技术发展速度最快的国家之一,特别是混合动力汽车的产品发展领域,日本位居世界前列。日本通产省1 965年正式把电动汽车开发列入国家项目,着手进行电动汽车的研制。据日本电动车辆协会的统计,日本使用的电动汽车在1989年为1046辆,1990年为1271辆,1991年为1 037辆,1 992年为1300辆。1997年12月,丰田汽车公司率先在日本汽车市场上推出了世界上第一款批量生产的混合动力车PRIUS。PRIUS于2000年7月份开始出口北美,同年9月出口欧洲,现在已经在全世界20多个国家登上销售舞台。目前推出的已经是PRIUS改进后的第二代产品,其生产工艺更加成熟,性能也更卓越。丰田汽车公司的测试报告显示,PRIUS车在城市工况下比同等排量的丰田花冠节油44.4%,在市郊节油29.7%,综合情况下节油40.5%。相关统计数据表明,丰Ffl汽车公司在全球混合动力汽车市场己占有90%的份额。2004年9月15日,一汽集团与丰田汽车公司在北京举行了混合动力汽车合作项目签字仪式,宣布双方在2005年内,共同生产丰田PRIUS混合动力轿车。继PRIUS混合动力轿车之后,丰田汽车公司还推出了搭载软混合动力系统的CROWN轿车和ESTIMA混合动力汽车。丰田汽车公司在普及混合动力系统的低燃耗、低排放和改进行驶性能方面均走在了世界的前列。此外,本田汽车公司开发的Insight混合动力电动汽车也已投放市场,供不应求。2002年4月,本田汽车公司在美国市场上投放了Civic混合动力汽车。英国是当今世界上电动汽车技术较为先进和使用最广泛的国家,其历史已有50年之久,早在上个世纪80年代中期,英国就有12万辆电动汽车在使用,到目前为止英国已拥有40万辆电动汽车。瑞士为了防止环境污染,要求在旅游区只能使用电动汽车,它是欧洲电动汽车使用效益最高的国家之一。意大利为了降低空气污染,上世纪80年代末建立了电动汽车车队,共投入52辆电动汽车试验,所有车均用铅酸电池。丹麦、奥地利、捷克、匈牙利等也都在开展电动汽车的研发工作。中国首辆电动汽车于1 966年在上海问世,1977年相应试制出SHDl 70、SHD61 0型电动汽车,但均因受蓄电池技术的限制,当时并未能推广投入实际使用。我国从20世纪90年代后将电动汽车的研发又重新提到议事日程上。在“十五”规划中被列为国家高科技攻关项目,同时被列为国家“863’’科技攻关项目。在2010年的中国汽车产业发展国际论坛上,科技部长万钢表示,科技部将通过整合国家计划资源,进一步加大对电动汽车科技研发的投入,继续支撑和引领中国电动汽车的发展。经过1 0多年的努力,我国在电动汽车整车技术、电池、电机、控制系统、技术标准、检测能力、基础研究以及国际合作方面都得到了长足的发展。在未来的5.10年,纯电动汽车将成为近期发展战略的主流。东风汽车公司早在“九五”期间就己经研制出我国第一台拥有自主知识产权的燃料电池电动汽车一一EQ6700FCEV燃料电池客车。2002年5月,上海燃料电池系统公司与同济大学新能源汽车工程中心试制成功“春晖l号“燃料电池电动汽车。2003年8月,上汽集团、同济大学又联合开发了“超越1号’’具有自主知识产权的燃料电池混合动力轿车。目前国内清华大学,同济大学以及武汉理工2大学等,都正在积极研发电动汽车。汽车产业的可持续发展战略及我国汽车产业所面临的现状,迫使我们必须寻求新的发展道路。电动汽车为我国汽车产业提供了一次发展机遇。我国在电动汽车研发方面呈现出明显的跟进战略特点,与发达国家的科技水平差距不是很大,所以,我国完全有条件、有可能生产出达到当代国际水平并具有自主知识产权的电动汽车。《电动汽车科技发展“十二五“专项规划》的总目标是全面掌握电动汽车核心技术,培育自助研发能力,发挥市场和资源优势,形成有较强竞争力的电动汽车以及关键零部件工业体系,最终实现我国由“汽车大国”向“汽车强国”的转变。1.2课题研究背景随着世界人口的快速增长和经济的飞速发展,汽车的数量急剧上升。2010年,仅在中国,汽车销售就达到了1 800万辆。目前能源问题已成为世界十大焦点问题之首,而作为不可再生资源,世界石油的储量正在迅速减少,保守预测,在30“--'40年后,石油资源将会枯竭。当前汽车耗油量约占我国石油消费量的三分之一,预计到2020年我国汽车保有量达到1.5亿辆。假设届时电动汽车占汽车总量的20%,约3000万辆,年节约石油可达5000万吨,相当于大庆油田一年的产量。目前我国已面临石油资源短缺的局面,因此,能源问题成为制约传统燃油汽车工业可持续发展的一个重要因素。在著名的哥本哈根会议之后,环境问题也日益成为世界各国普遍关注的焦点。近几十年来,汽车数量的急剧膨胀导致全球环境严重恶化。汽车行驶过程中所产生的废气、噪声等污染物,对自然环境造成严重破坏并直接威胁到人体健康。汽车尾气的排放已成为我国大气污染的重要来源【2】,联合国开发计划署公布的《中国人类发展报告》指出,在全球20个空气污染最严重的城市里,中国占了1 6个【3】。预计在50年内,全球的汽车将增至2亿5千万辆。如果这些汽车全都采用燃油来提供动力,将会对地球上所剩不多的石油资源造成枯竭的危机,并会对自然环境构成巨大污染。因此,世界各国都致力于新能源的开发和研究,以应付巨大的能源需求,缓解环境的污染【4】。电动汽车作为智能、清洁、高效的交通工具,是燃油汽车最佳的替代品,可以很好地缓解能源危机,减轻环境污染,因此,也越来越受到各国政府和科研人员的重视。中共中央在国民经济和社会发展“十二五“规划中,明确提出要加快新能源开发。与燃油汽车相比,到目前为止,电动汽车具有以下优点【5】:1.高效。从油井到车轮的能源利用效率明显由于燃料电池车,更比内燃机汽车效率高得多(参见附录表1和表2);32.f氐排放。一次能源效率最高,相应地二氧化碳排放量最低;3.动力性能与普通内燃机车相当;4.续航里程不断延长;5.充电方便。可利用家用充电接口充电,快速充电技术可在15~30分钟内使电池电量充满80%;6.平衡电网。在晚间充电可充分利用电网低谷时富余电力,有助于平衡电网负荷,提高电网效能和可靠性;7.分布式储能。可充分利用风能、太阳能等间歇式清洁能源,实现分布式储能。动力电池作为电动汽车最基本的组成单元之一,是主要的储能元件,其性能优劣直接影响电动机的驱动性能,从而影响整车性能。对于电动汽车来说,为充分发挥动力电池的性能、提高其在使用时的安全性,就必须要对电池进行高效管理,这样才可以延长电池的使用寿命和提高电动汽车整车的性能。电池管理系统(BMS)的主要任务是对电动汽车动力电池的管理,其对象是电池组中的每个单体电池以及电池整体,主要功能应该包括:剩余荷电状态(soc)估算、数据采集(包括单体电池电压、电池组电压、工作电流、电池组工作温度)、电池均衡控制和热平衡控制、故障报警等。其中,SOC估算是电池管理系统中的重点和难点所在。正如同驾驶汽油汽车需要了解油箱中还有多少油一样,电动汽车的驾驶人员同样要清楚动力电池的剩余荷电状态(SOC),SOC值的大小直观地反映了电池的状态,而电池管理系统所做的数据采集工作,也都是为估算SOC服务,所以,SOC估算成为BMS的重中之重。到目前为止,由于电动汽车的动力电池在工作时处于高度的非线性状态,而在实际系统为了降低成本,SOC估算策略大都采用简单、可靠的线性模型,致使SOC的估算精度普遍不高,电池的这种非线性的特性使得研究人员很难建立准确的数学模型,SOC估算也成为BMS中的难点。因此,找到一种精度高、可靠的SOC估算策略,具有非常重要的意义。1.3国内外研究现状目前国内外对于电动汽车动力电池SOC估算的研究主要分成两个大类:一类是着眼于电池的电化学性质,首先分析电池发电的根本原理,通过进一步研究电池内部的各种电化学反应以及各离子的存在状态来分析其剩余电量,但是由于电池的内部电化学反应非常复杂,涉及的因素也很多,因此这种方法并不被广泛地应用;另一类就是外部工作参数的研究方法,它把电池看作一个黑箱,不考虑它内部具体的反应,只是通过测量其工作时的相关的外部参量值,例如工作电压、电流、温度等,总结出一定的规律和算法,从而来估计电池的SOC。由于外部参数很容易测量,而且与电池的剩余电量之间也有一定关联,此类方4法就体现出了很大的优势,它也被大部分研究者所采用【6】。对于第二类研究,国内外研究人员提出了很多经典估算方法,主要有开路电压法、Ah计量法、内阻法、线性模型法、负载电压法、人工神经网络法、卡尔曼滤波法、放电实验法等等。对于恒定小电流或者电流缓变的情况,除开路电压法、负载电压法、放电实验法外,其他各估计算法都有很好的适应性,且其估算的精度也满足要求;对于大电流或者电流波动很剧烈的情况,卡尔曼滤波法和神经网络法的适应性较好,其余估算方法均有不同程度的误差。卡尔曼滤波法和神经网络法虽然能适应该种情况,但是由于能力要求高,实现起来难度较高,这个确定导致这两种方法在实际中受到限制。对于这些方法的原理及其优缺点,本文将在第二章中详细介绍。正是由于上述的基础存在一些缺点,近年来,国内外专家学者提出了各种各样的SOC估算新方法。例如,林成涛等在Ah计量法的基础上,提出折算库仑效率的定义,建立开路电压法、卡尔曼滤波法相结合的方法来估计SOC,并且对电池可用容量的变化也给出了修正,在镍氢电池组FUDS上试验后,其SOC估算误差相对传统Ah计量法有所提高【l 3】;潘双夏等在能量守恒定律和四线法测量电池内阻的基础上,提出了一种新的SOC预测方法,不考虑传统SOC估算方法中对估算精度有较大影响的因素如充放电倍率、充放电效率、自恢复效应等,只要准确计算电池已经释放的能量,根据电池初始能量,就可以计算出SOC的值【3 9】;朱元等描述了一种闭环模糊推理方法在电池SOC预测技术方面的应用,其中,闭环反馈环节运用一个经验公式来调节电池SOC的预测值,并重新定义了一种电池内阻,使其能更简单地从放电曲线中获得,利用这个电池内阻值可以把不同工况下的电池端电压等效到一个固定工况下的端电压,从而简化模糊规则的设计【40】;田晓辉等采用了一种新方法,将电池的工作状况分为充放电、静止、恢复三种状态,对这三种状态分别进行SOC估算,在估算过程中分散并消除SOC值的影响,特别在充放电状态下,对Ah计量法进行改进,运用了以库仑效率因子为基础的电量的动态回复量,解决了Ah计量法产生累积误差的问题【4I】;邵海岳等提出了一种集总参数等效电路模型,用状态空间来描述R.C电池模型,在此基础上建立了一种新的基于状态空间的SOC递推算法【42】;李蓓等通过将出于工作状态下的电池周期性外接一恒定电流负载,测得一系列电池端电压,并利用恒定电流放电下端电压与剩余时间的关系推算动力电池的剩余容量,得到了高精度的SOC结果【43】;李革臣等在分析了与电池SOC相关因数的基础上,提出了基于模糊神经网络的电池剩余电量预测模型,充分利用了模型可逼近任何多输入输出参数函数的性能【44】;时玮等在磷酸铁锂电池现有SOC估算分析基础上,研究了反应电池电化学特征的伏安特性曲线,提出了不同充电倍率、不同老化程度下可靠和准确的AQ/AV分析方法,利用电池在充电过程中的峰值AQ来修正电池SOC值【451。不管是经典的SOC估算方法,还是提出来的新估算策略,都有着各自的优缺点。在实际应用中,考虑到要便于实现和安全性,因此要选用一种简单易实现、稳定可靠的SOC估算方法。目前,Ah计量法是实际中最常用的估算方法,但常与其他方法结合使用,如Ah.内阻法、Ah.Peukert方程法、Ah.开路电压法。这些组合算法通常比单纯使用Ah计量法的精度更高。1.4课题来源及研究内容本课题的研究以国家电子信息产业发展基金项目一一新能源汽车电子控制系统研发与产业化为背景。本课题的SOC估算以Ah.开路电压法为基础,针对温度、充放电电流、电池使用时间、内阻等因素的影响,分别对计算公式中的库仑效率和电池容量CA进行修正,最后估算SOC值。主要有以下研究内容:1.对目前国内外电动汽车动力电池SOC估算方法进行总结,比较各方法的优劣性,在此基础上,提出使用Ah.开路电压法的合理性。2.针对温度、电池老化对Ah计量法中的电池容量CA的影响,分别构建模糊隶属函数,将温度、电池使用时间、SOC等模糊化,根据经验设计模糊规则,利用模糊推理对CA进行计算得到其模糊子集,最后反模糊化输出其结果;3.结合温度、充放电电流、电池使用时间、内阻等,运用模糊预测方法,经过因素筛选、数据规格化、因果聚类、模糊特征提取等步骤,对公式中的库仑效率进行修正,并对其模型进行检验。4.搭建实验系统,分析系统各部分功能以及设计思路,并结合仿真,比较本文方法与传统Ah.开路电压法的结果,以验证本文方法的可行性与精度。1.5本章小结结合电动汽车发展概况,在能源危机与环境污染的背景下,各国大力发展新能源汽车行业。SOC估算作为电池管理系统中核心功能之一,也是其重点和难点所在。分析目前国内外专家学者研究SOC估算的现状,最后给出本课题的来源与研究内容。6第二章 SOC估算方法研究2.1锂电池特性本课题的试验对象为磷酸铁锂电池,是锂离子电池的一种,总结锂离子电池,其优点主要体现在以下几点【7j:(1)工作电压高、容量大。其容量为同等镉镍电池的两倍,通常情况下,单体锂离子电池的电压为3.6V,是镍镉和镍氢电池的3倍。(2)锂离子电池的荷电保持能力强,其允许工作温度范围宽。在常温(20±5)℃环境下,以开路形式储存30天后,电池的可用容量仍大于额定容量的85%。锂离子电池在高低温环境下都具有优良的放电性能,可以在一20“-“50℃下工作,其高温放电性能优于其他各类电池。(3)循环使用寿命长。锂离子电池的负极一般采用石墨作为材料,在充放电过程中,锂离子不断地在正、负极材料之间脱嵌,负极不会生成枝晶锂,从而避免了电池因为内部枝晶锂短路而引起的损坏。在连续充放电1200次后,电池的可用容量依然不低于额定容量的60%,远远高于其他各类电池,具备经济性因此可以长期使用。(4)安全性高、可安全快速充放电。锂离子电池与金属锂电池相比较,具有抗冲击(1 0kg重物自lm高自由落体形成的冲击),抗短路,防振动、枪击、针刺(穿透),不爆炸,不起火等特点;由于其负极采用石墨来代替金属锂电极,因此允许快速充放电,可以在l C速率的条件下进行充放电,其安全性能得到大幅度提高。(5)无环境污染。锂离子电池中不含有铅、镉、汞等有害物质,是一种洁净的“绿色“能源。(6)无记忆效应。可随时反复进行充、放电操作。这种特点尤其在战时和紧急情况下更能显示其优异性。同时这一特点对于电动汽车来说也是至关重要的。(7)体积小、重量轻、比能量高。通常情况下,锂离子电池的比能量可比镍镉电池高1倍以上,而与同容量镍氢电池相比,其体积减小30%,重量降低50%,非常有利于便携式电子设备的轻量化和小型化。在具备以上种种优点的同时,锂离子电池也存在着如下缺点:(1)其内部阻抗高。锂离子电池内的电解液为有机溶剂,其电导率要远低于MH.Ni电池、Cd.Ni电池的水溶液电解液,因此,一般情况下,锂离子电池内部阻抗比MH.Ni、Cd.Ni电池约高十一倍。(2)工作电压变化较大。放电至额定容量的80%时,镍镉电池的电压变化较小(约20%),锂离子电池的电压变化较大(约40%)。这对由电池供电的设备来说是严重的缺点。(3)成本高。主要是电池正极LiC002的原材料价格高。7
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