锂离子电池模型的参数辨识

摘要 (i)

ABSTRACT ......................................................................................................... i i 第一章绪论 (1)

1.1 课题研究背景及意义 (1)

1.1.1 单兵电源系统简要介绍 (1)

1.1.2 锂离子电池及电池管理系统 (2)

1.2 本文研究内容及国内外研究现状 (3)

1.3 本文组织结构 (6)

第二章锂离子电池建模方法 (8)

2.1 锂离子电池简单介绍 (8)

2.2 经验模型 (10)

2.3 等效电路模型 (14)

2.3.1 Rint模型 (15)

2.3.2 RC等效电路模型 (16)

2.4 本章小结 (18)

第三章基于离线数据的电池模型参数辨识 (19)

3.1 锂离子电池的试验方法 (19)

3.1.1 试验设备 (19)

3.1.2 试验方案 (21)

3.2 经验模型的参数辨识 (24)

3.2.1 Nernst模型的参数辨识 (25)

3.2.2 混合模型的参数辨识 (27)

3.3 等效电路模型的参数辨识 (29)

3.3.1 一阶RC模型的参数辨识 (31)

3.3.2 二阶RC模型的参数辨识 (34)

3.4 模型验证 (38)

3.4.1 恒流工况验证 (39)

3.4.2 阶梯脉冲工况验证 (40)

3.5 模型参数分析 (42)

3.5.1 电池容量和OCV-SOC曲线的影响因素分析 (42)

3.5.2 欧姆内阻R的影响因素分析 (44)

3.6 本章小结 (46)

第四章单兵电源系统的锂离子电池在线辨识方法 (47)

4.1 单兵电源系统的轮休工作方式 (47)

4.2 递推最小二乘的模型参数辨识 (49)

4.3 基于粒子群算法的模型参数辨识 (50)

4.3.1 粒子群算法简介 (50)

4.3.2 模型参数辨识的算法设计 (51)

4.4 参数在线辨识算法的仿真验证 (52)

4.4.1 递推最小二乘辨识方法的仿真验证 (54)

4.4.2 基于粒子群辨识方法的仿真验证 (55)

4.5 本章小结 (57)

第五章总结与展望 (58)

5.1 本文的主要工作 (58)

5.2 进一步的研究展望 (59)

致谢 (60)

参考文献 (62)

作者在学期间取得的学术成果 (65)

表目录

表3.1 UR18650FM相关性能参数 (20)

表3.2 NCR18650A相关性能参数 (20)

表3.3 应力表 (21)

表3.4 25℃环境温度下电池的Nernst模型参数估计值 (25)

表3.5 35℃环境温度下电池的Nernst模型参数估计值 (26)

表3.6 45℃环境温度下电池的Nernst模型参数估计值 (26)

表3.7 25℃环境温度下电池的混合模型参数估计值 (28)

表3.8 35℃环境温度下电池的混合模型参数估计值 (28)

表3.9 45℃环境温度下电池的混合模型参数估计值 (28)

表3.10 1号电池在25℃环境温度下，1200mA进行脉冲放电时的阻抗参数 (33)

表3.11 1号电池在25℃环境温度下，2400mA进行脉冲放电时的阻抗参数 (33)

表3.12 1号电池在25℃环境温度下，3600mA进行脉冲放电时的阻抗参数 (33)

表3.13 6号电池在25℃环境温度下，1200mA进行脉冲放电时的阻抗参数 (34)

表3.14 6号电池在25℃环境温度下，2400mA进行脉冲放电时的阻抗参数 (34)

表3.15 6号电池在25℃环境温度下，3600mA进行脉冲放电时的阻抗参数 (34)

表3.16 1号电池在25℃环境温度下，1200mA进行脉冲放电时的阻抗参数 (36)

表3.17 1号电池在25℃环境温度下，2400mA进行脉冲放电时的阻抗参数 (36)

表3.18 1号电池在25℃环境温度下，3600mA进行脉冲放电时的阻抗参数 (37)

表3.19 6号电池在25℃环境温度下，1200mA进行脉冲放电时的阻抗参数 (37)

表3.20 6号电池在25℃环境温度下，2400mA进行脉冲放电时的阻抗参数 (37)

表3.21 6号电池在25℃环境温度下，3600mA进行脉冲放电时的阻抗参数 (37)

表3.22 恒流工况下模型的误差分析表 (40)

表3.23 阶梯脉冲工况下模型的误差分析表 (41)

图目录

图1.1 美国海军研究实验室研制的MSP系统 (1)

图1.2 电池管理系统中的参数辨识与状态估计过程 (5)

图2.1 锂离子电池的工作原理图 (9)

图2.2 Shepherd模型恒流放电曲线 (11)

图2.3 Unnewehr模型恒流放电曲线 (11)

图2.4 Nernst模型恒流放电曲线 (12)

图2.5 混合模型恒流放电曲线 (12)

图2.6 实测锂离子电池恒流放电曲线 (13)

图2.7 Nernst模型脉冲放电曲线 (14)

图2.8 混合模型脉冲放电曲线 (14)

图2.9 实测锂离子电池脉冲放电曲线 (14)

图2.10 Rint模型 (15)

图2.11 一阶RC等效电路模型 (16)

图2.12 二阶RC等效电路模型 (16)

图2.13 n阶等效电路模型 (17)

图2.14 RC模型恒流放电曲线 (18)

图2.15 RC模型脉冲放电曲线 (18)

图3.1电池测试平台的示意图和测试仪的实物图 (20)

图3.2 恒流定容放电制度 (22)

图3.3 脉冲放电制度 (23)

图3.4 25℃环境温度下，1号电池的脉冲放电曲线 (24)

图3.5 25℃环境温度下，6号电池的脉冲放电曲线 (24)

图3.6 实测脉冲放电曲线与Nernst模型估计脉冲放电曲线 (27)

图3.7 实测脉冲放电曲线与混合模型估计脉冲放电曲线 (29)

图3.8 （a）1/25C小电流充放电曲线及其平均曲线，（b）OCV-SOC曲线 (30)

图3.9 OCV与SOC的线性插值关系 (30)

图3.10 放电过程中断时电压的变化特性 (31)

图3.11 1号电池在25℃环境温度下的OCV-SOC关系 (33)

图3.12 6号电池在25℃环境温度下的OCV-SOC关系 (33)

图3.13 1号电池在25℃环境温度下的OCV-SOC关系 (36)

图3.14 6号电池在25℃环境温度下的OCV-SOC关系 (36)

图3.15 一阶RC等效电路模型的仿真流程图 (39)

图3.17 阶梯脉冲工况的放电电流和放电电压曲线 (41)

图3.18 阶梯脉冲工况下模型仿真放电曲线与实测放电曲线对比图 (41)

图3.19 环境温度对电池容量的影响 (43)

图3.20 放电电量与开路电压的曲线 (43)

图3.21 SOC与开路电压的曲线 (43)

图3.22 欧姆内阻与SOC、环境温度之间的关系图 (44)

图3.23 欧姆内阻与SOC、放电电流之间的关系图 (45)

图3.24 极化内阻与SOC、放电电流之间的关系图 (45)

图3.25 极化内阻与SOC、放电电流之间的关系图 (46)

图4.1 单兵电源系统的电池组结构示意图 (47)

图4.2 一种简单的轮休放电方式 (48)

图4.3 粒子群算法流程图 (51)

图4.4 轮休工作方式下的放电电流 (53)

图4.5 单体的实际阻抗参数 (53)

图4.6 模型仿真电压数据 (53)

图4.7 欧姆内阻的RLS辨识结果 (54)

图4.8 极化内阻的RLS辨识结果 (54)

图4.9 极化电容的RLS辨识结果 (55)

图4.10 基于RLS辨识的SOC估计结果 (55)

图4.11 欧姆内阻的粒子群算法辨识结果 (56)

图4.12 极化内阻的粒子群算法辨识结果 (56)

图4.13极化电容的粒子群算法辨识结果 (57)