磷酸鐵鋰電池組安全保護(hù)技術(shù)研究.pdf

1、隨著能源危機(jī)和環(huán)境污染的加劇，以純電動和混合動力汽車為代表的新能源汽車受到了廣泛重視，電動汽車技術(shù)被認(rèn)為是未來汽車領(lǐng)域最具發(fā)展前景的技術(shù)之一。然而隨著電動汽車的逐漸普及，因動力電池組引發(fā)的各種故障和事故為其推廣乃至發(fā)展蒙上了陰影。動力電池組是電動汽車動力系統(tǒng)的核心部件之一，對其安全保護(hù)技術(shù)進(jìn)行研究，有利于提高電動汽車的使用安全性，促進(jìn)電動汽車產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的加快。
　　圍繞磷酸鐵鋰電池組安全保護(hù)技術(shù)，本文開展了以下研究工作:
　

2、　1.電池組性能研究平臺的搭建
　　為了進(jìn)行電池循環(huán)性能測試，給電池模型驗(yàn)證及電池狀態(tài)參數(shù)估算方法研究提供數(shù)據(jù)支持，開發(fā)了并聯(lián)單體電池參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，結(jié)合恒溫恒濕箱、動力電池性能測試臺，搭建了電池組性能測試平臺。并聯(lián)單體電池參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)包含主控模塊、電流測量模塊及電壓、溫度測量模塊。主控模塊配置了CAN通信，U盤存儲，用于接收、存儲或上傳電流測量模塊和電壓、溫度測量模塊傳來的電池參數(shù)。電壓、溫度測量模塊采集單體電池電壓，溫度，并通過

3、CAN總線獲取單體電池相應(yīng)支路的電流參數(shù)來計(jì)算單體電池內(nèi)阻。電流測量模塊采集單體電池電流，電池組總電流及總電壓等參數(shù)。
　　基于Matlab/Simscape平臺，建立了單體電池仿真模型，包括溫度計(jì)算子模型、SOC估算子模型、開路電壓描述子模型、歐姆內(nèi)阻描述子模型、極化內(nèi)阻及極化電容描述子模型。利用恒流充放電及脈沖放電試驗(yàn)對單體電池仿真模型進(jìn)行了驗(yàn)證，仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果吻合良好，最大誤差不超過1％;建立了8節(jié)單體電池串、并聯(lián)構(gòu)成的

4、電池組，進(jìn)行了恒流充放電試驗(yàn)，并利用所開發(fā)的單體電池仿真模型，組裝建立了相應(yīng)的電池組仿真模型，進(jìn)行了仿真計(jì)算，實(shí)測及仿真結(jié)果表明，基于Matlab/Simscape平臺建立的單體電池仿真模型可用于不同組合方式的電池組模型的構(gòu)建。
　　2.電池連接片阻值及電壓采樣系統(tǒng)輸入阻抗對電池組性能的影響
　　在對電池組進(jìn)行循環(huán)測試時(shí)發(fā)現(xiàn)，單節(jié)電池內(nèi)部并聯(lián)的各單體電池端電壓之間存在差異，另外，電池管理系統(tǒng)中單節(jié)電池電壓采樣系統(tǒng)輸入阻抗會導(dǎo)

5、致流經(jīng)各單節(jié)電池的電流出現(xiàn)差異。
　　利用電阻模擬連接片，基于構(gòu)建的單節(jié)電池仿真模型研究了連接片阻值對單節(jié)電池性能的影響。結(jié)果表明，連接片阻值的存在導(dǎo)致流經(jīng)各單體電池間的電流存在差異，與極柱相連的單體電池最先達(dá)到電池管理系統(tǒng)設(shè)定的充、放電截止電壓，影響了單節(jié)電池的使用性能;與極柱相連的單體電池會率先老化，導(dǎo)致其相鄰的單體電池出現(xiàn)過充、過放電現(xiàn)象，影響單節(jié)電池的安全性;并以設(shè)定的單節(jié)電池中各單體電池SOC間最大偏差為約束，分析了不同

6、并聯(lián)電池?cái)?shù)目及電池歐姆內(nèi)阻下連接片阻值的取值范圍。
　　建立了包含電池管理系統(tǒng)中單節(jié)電池電壓采樣電路的電池組仿真模型，研究了電壓采樣系統(tǒng)輸入阻抗對電池組性能的影響。電壓采樣電系統(tǒng)輸入阻抗即便達(dá)到兆級，仍有10μA左右的外載漏電流。依據(jù)某客車技術(shù)參數(shù)的仿真結(jié)果表明，循環(huán)2000次后，電池組中單節(jié)電池間SOC的偏差將達(dá)0.03。提出了依據(jù)外載漏電流與電壓采樣電路輸入阻抗及模組間串聯(lián)電池節(jié)數(shù)間關(guān)系，建立不同循環(huán)次數(shù)下電池組SOC估算值修

7、正系數(shù)，從而對電池組SOC估算值予以修正，以保證電池組使用安全的建議。
　　3.單體電池間參數(shù)差異對電池組性能的影響及電池組容量估算
　　單節(jié)電池內(nèi)部一般由多個(gè)單體電池并聯(lián)，各單體電池間內(nèi)阻的差異會導(dǎo)致流經(jīng)各單體電池的電流不一致，造成各單體電池充放電深度的不同，影響單節(jié)電池的使用容量，進(jìn)而影響電池組整體容量。為此，仿真研究了單體電池參數(shù)差異對充電過程中單節(jié)電池性能的影響，結(jié)果表明，若某單體電池因老化出現(xiàn)內(nèi)阻增加及容量降低后，

8、與之并聯(lián)的單體電池因充電電流增加，SOC上升速率將高于其余單體電池;單節(jié)電池SOC并不能表征其包含的所有單體電池的SOC，某些單體電池在應(yīng)用中可能出現(xiàn)“過充”現(xiàn)象;為了保證單體電池安全，需調(diào)整單節(jié)電池充電截止電壓，并重新估算電池組容量。
　　提出了針對具體的單節(jié)電池結(jié)構(gòu)，依據(jù)實(shí)際充電電流，以極端狀態(tài)下的單節(jié)電池充電截止電壓作為安全充電截止電壓的理念。包含n節(jié)單體電池的單節(jié)電池，安全充電截止電壓出現(xiàn)在單節(jié)電池內(nèi)部只有一節(jié)正常單體電池

9、，其余單體電池容量均降為初始容量0.8n-1—n-1的極端狀態(tài)下。
　　提出了利用充電結(jié)束時(shí)“正常單節(jié)電池”SOC及充入電量估算電池組容量的新方法。利用數(shù)學(xué)變換法估算“正常單節(jié)電池”容量及電壓偏移，利用電池SOC與充電電壓的關(guān)系曲線估算“正常單節(jié)電池”SOC。7組試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法進(jìn)行容量估算時(shí)最大誤差不超過0.35％。
　　4.基于DMC算法的電池電壓及瞬時(shí)可用功率預(yù)測
　　基于DMC算法的特點(diǎn)，提出了一種線性化R

10、C等效電路模型的方法，并利用遞推最小二乘法估算電池模型參數(shù)，據(jù)此提出了電池電壓及可用功率預(yù)測的新方法。臺架試驗(yàn)結(jié)果表明，電池電流變化頻率較高時(shí)，采用一階RC等效電路模型即可獲得較為理想的電池的狀態(tài)參數(shù)預(yù)測效果;但由于短時(shí)間常數(shù)的RC模塊不能反應(yīng)濃差極化的影響，導(dǎo)致模型參數(shù)辨識得到的開路電壓值與靜置獲得的開路電壓值存在一定的偏差;長時(shí)間常數(shù)的RC模塊在電池長時(shí)間靜置過程的后期起主導(dǎo)作用。多階RC等效電路模型具有高度非線性，為此提出了基于二

11、進(jìn)制編碼的多階RC模型求解算法;依據(jù)辨識得到的電池模型參數(shù)及放電截止電壓，可利用DMC算法結(jié)合二分法估算未來一定時(shí)間內(nèi)的最大持續(xù)放電電流，進(jìn)而估算電池可用功率。
　　在配備72 V/100 Ah及320 V/66 Ah磷酸鐵鋰電池組的純電動汽車及混合動力汽車上的試驗(yàn)結(jié)果表明，根據(jù)實(shí)測電流對電池電壓的預(yù)測偏差分別在0.8％及3.7％以內(nèi)。為簡化算法，利用優(yōu)化時(shí)間常數(shù)及固定時(shí)間常數(shù)，對純電動汽車及混合動力汽車實(shí)車工況下的電池組電壓進(jìn)行

12、了預(yù)測，結(jié)果表明，采用固定時(shí)間常數(shù)時(shí)DMC預(yù)測算法仍可獲得較為理想的結(jié)果，可實(shí)車應(yīng)用。
　　5.電池組SOH在線估算方法研究
　　鑒于DVA及ICA方法可直接利用電池充電電壓曲線特征值進(jìn)行電池容量衰減程度估算，選擇了4塊不同老化狀態(tài)的磷酸鐵鋰電池，實(shí)測了其充電電壓曲線，采用改進(jìn)中心最小二乘法在線獲取了高魯棒性性的IC及DV曲線。利用1塊電池的充電電壓曲線研究了不同電池循環(huán)數(shù)下IC及DV曲線的特點(diǎn)，提出了利用DV曲線特征點(diǎn)位置

13、差及曲線變換系數(shù)表征電池老化狀態(tài)的方法，并利用其余3塊電池的測試數(shù)據(jù)對所提方法的適應(yīng)性進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　依據(jù)電池嵌鋰過程中的分期現(xiàn)象在電池充電曲線上的反映，提出了電池初始電量修正方法，以及利用DV曲線駐點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)刻電池電量差估算電池SOH的方法，電池容量估算偏差在2％以內(nèi);電池未出現(xiàn)DV曲線特征點(diǎn)時(shí)，可依據(jù)電池初始充電DV曲線為標(biāo)準(zhǔn)，在考慮單節(jié)電池差異的基礎(chǔ)上，對在用電池的DV曲線進(jìn)行數(shù)學(xué)變換，利用變換系數(shù)表征電池SOH，估算偏差在