关于锂离子电池自放电检测的工程硕士学位论文研究与应用

关于锂离子电池自放电检测的工程硕士学位论文研究与应用

分类号：TP23 工程硕士学位论文 锂离子电池自放电检测研究及应用 候选人： 导师： 刘双全 王海英 申请学位： 发动机硕士 规范： 控制发动机 D口服实验日期：2014年3月大学：哈尔滨理工大学

哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人在此郑重声明：此处提交的硕士学位论文《锂电池自放电检测技术的研究与应用》是我在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间，在导师指导下独立完成的研究工作成果。据本人所知，本文除注明外，不包含任何已经发表或他人撰写的研究成果。对本文研究工作作出贡献的个人和团体，已在文中写明。本声明的法律后果由本人全部承担。 作者签名： 2009年1月1日 哈尔滨理工大学硕士学位论文授权书 《锂电池自放电检测技术的研究与应用》是我在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间，在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文研究成果归哈尔滨理工大学所有，不得以其他单位名义发表本论文研究内容。本人完全了解哈尔滨理工大学关于学位论文保存和使用的规定，同意学校将论文及电子版留存并提交相关部门，允许查阅、借阅。本人授权哈尔滨理工大学以影印、缩小或其他复制方式保存本论文，论文可全部或部分发表。本论文为保密性质，将于2017年解密。作者签名：日期：2017-03-11。导师签名：王某事件发生日期：2011年2月

哈尔滨理工大学硕士学位论文锂电池自放电检测技术研究与应用摘要随着全球能源短缺的加剧，新能源产业悄然兴起，具有良好应用前景的二次电池技术被纷纷研究锂离子电池因无污染、比能量高、循环寿命长等特点，被广泛应用于各类仪器仪表、电动汽车等能源系统。然而锂电池的自放电现象不仅会造成电池能量的损耗，电池间自放电的不一致还会降低锂电池组的寿命、造成容量衰减迅速，导致电池管理系统（BMS）对电池荷电状态（SOC）预测出现较大误差，电动汽车控制策略失效，从而造成电动汽车电池系统过放电。因此对电池自放电的快速测量具有重要意义。由于自放电发生在电池内部，现有的测量方法无法直接检测出来，这使得电池自放电检测变得困难。根据自放电的定义，可以通过将电池长时间处于开路待机状态来检测电池的自放电，但时间周期过长，不能体现快速性和实时性，同时常规方法无法实现自放电的准确测量。基于以上问题，本文以间接测量为指导思想，设计了一种自放电检测系统，实现了对电池自放电的快速准确测量。系统采用数字控制技术，以单片机为核心控制器，控制型数模转换器输出一个高精度电压作为检测电路的基准电压，最终得到此电压下电池的自放电电流。设计了开路待机实验和自放电检测系统测量实验，通过对比实验结果，验证了该系统具有检测自放电的能力，提高了放电测量的可靠性、准确性和快速性。在此基础上，本文进一步研究了自放电对电池SOC预测的影响，通过建立自放电电流Map模型，实现了基于扩展卡尔曼滤波（EKF）的自放电电流对电池SOC预测的影响，并对基于EKF算法的电池SOC估计初值进行了修正。设计了仿真实验，验证了该修正方法可以提高EKF对电池SOC估计的准确性，从而提高BMS对电池SOC预测的准确性。 关键词：锂离子电池；自放电；Map图；卡尔曼滤波

锂离子电池自放电检测研究及应用 摘要 为应对全球日益紧迫的能源短缺问题，近年来代表新兴资源的可充电电池正在不断推进。锂离子电池作为动力源，具有环保、节能、循环寿命长等优良特性，被广泛应用于各种设备和电动汽车中。然而电池组内部存在的自放电现象会造成能量损失，由自放电不一致性组成的电池组整体寿命缩短，也有可能造成电池容量的快速下降。自放电不一致将导致电池管理系统（BMS）对荷电状态（SOC）预测产生重大误差，并可能导致电动汽车控制策略失效，从而引发过电压。自放电是电池内部存在的一种无法直接测量的现象，这增加了提前观察自放电的困难。通常的测量都是将目标电池放置较长时间，观察电池的容量损失，这种方法耗费大量的时间和周期，且需要较高的快速性和实时性。为了提高自放电检测系统的快速性和实时性，本文提出了一种采用间接测量的精密数字自放电检测系统，该系统以 149 作为微控制器，以高分辨率电压 DAC 1220 D/A 转换器为检测电路提供参考电压。对传统电池放置实验与新提出的检测系统进行了相应的比较,结果证明了该系统在可靠性、精度和可靠性方面的有效性。

哈尔滨理工大学 硕士论文 针对自放电电流对SOC预测精度的影响，在扩展—卡尔曼滤波的基础上，通过自放电电流修正SOC初值，建立了自放电电流Map模型，并在此基础上分析了自放电对SOC预测精度的影响，并进行了相应的工作考虑仿真实验，验证了该修正方法在SOC预测中的有效性，有利于提高BMS的总体预测精度。 关键词 锂电池 自放电 扩展—卡尔曼滤波 Map模型

哈尔滨理工大学硕士学位论文目录摘要…………………………………………………………………………………………I摘要……………………………………………………………………１章绪论………………………………………………………………１１１１．１选题的目的和意义…………………………………………………………１１２１２电池自放电检测方法的研究现状…………………………………………………………２１１．３利用卡尔曼滤波法进行SOC估计的国内外研究现状……………………………………………………２１１．４． ４ 1.4 本论文主要研究内容………………………………………………………………………………５ 第二章 锂电池自放电特性研究…………………………………………………………………………7 2.1 自放电机理研究………………………………………………………………………………7 2.2 锂电池自放电影响因素研究……………………………………………………………………8 2.2.1 自放电影响因素分析……………………………………………………………………８ 2.2.2 开路待机实验设计…………………………………………………………………………9 23 实验结果分析…………………………………………………………………………………． １ 02.4 本章小结…………………………………………………………………………． １ 3 第三章 自放电检测系统设计………………………………………………………………………………． 14 3.1 系统结构设计…………………………………………………………………………………… １４ 3.2 系统硬件设计…………………………………………………………………………． １５ 3.2.1 单片机控制系统设计……………………………………………………～１５ 3.2.2 自放电检测电路设计…………………………………………………………．ｊ ７３.2.3 DAC 模块设计………………………………………………………………． １９ 3.2.4 室温维持模块设计……………………………………………………． ２０ 3.3 系统软件设计…………………………………………………………………………． ２１ 3.3.1 总体程序流程设计………………………………………………………………． 22 3.3.2 系统初始化过程……………………………………………………………… 23 3.3.3 键盘功能设计……………………………………………………………… ２３ 3.3.4 D/A 转换软件设计…………………………………………………… ２４ 3.4 本章小结…………………………………………………………………………． ２５ 第四章 系统性能测试及实验结果分析…………………………………………………………． ２６ 4.1 系统性能测试……………………………………………………………………． ２６

哈尔滨理工大学工程硕士论文 4.2 实验设计……………………………………………………………………………………． ２７ 4.3 实验结果分析…………………………………………………………………………． ２８ 4.3.1 开路电压与 SOC 对应关系……………………………………………… …２８ 4.3.2 20℃自放电电流检测实验…………………………………………………………２９ 4.3.3 50℃自放电电流检测实验………………………………………………………………３ 14.3.4 SOC 及温度对电池自放电影响分析………………………………………………． ３ 14.4 本章小结……………………………………………………………………………………..33 第五章 自放电电流对 SOC 估计的修正………………………………………………………………34 5.1 SOC 估计的扩展卡尔曼滤波法……………………………………………………３４ 5.2 初值修正前模拟工况实验 SOC 估计分析………………………………………………37 5.3 电池 SOC 估计初值的修正………………………………………………………………３９ 5.3.1 建立自放电电流修正模型…………………………………………………………～３９ 5.3.2 自放电电流修正的 SOC 初值估计……………………………………………………40 5.4 初值修正后模拟工况实验 SOC 估计…… ... ……………………４１ 5.5 本章小结………………………………………………………………………………． ４３ 结论……………………………………………………………………………………………………………………………………． ４４ 参考文献………………………………………………………………………………………………４５ 学位学习期间发表的学术论文…… ... …………………………４９ 致谢…………………………………………………………………………………………………………………… ……．５０

哈尔滨理工大学工程硕士论文第1章引言随着电动汽车在世界范围内的悄然兴起和近二十年来的不断推广，作为电动汽车储能电源的充电电池行业也得到了迅速的发展。自从二次电池问世以来，逐渐出现了铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂电池等不同材料制成的电池。但适用于电动汽车的动力电池应具有单位体积和单位质量储能高、载流量大等特点。磷酸铁锂电池作为二次电池的佼佼者，具有工作电压高、体积小、重量轻、能量密度高、无记忆效应、自放电率低等特点，电池组具有寿命长等优点，如今在电动汽车上得到了广泛的应用。1.1研究项目的目的和意义动力电池组作为电动汽车的能量来源，其性能的好坏是电动汽车正常运行的关键。动力电池性能的不一致性对电池组的性能和使用寿命有显著的影响[3​​-4]。电池组的寿命取决于组成电池组的电池的一致性。新生产出来的电池由于彼此性能差异较大，不能直接用来组装电池组，需要经过人工或自动检查分选，目前广泛应用的分选依据是单体电池的电压、容量、内阻等性能参数，并按照分类标准剔除性能较差的电池，将性能一致的电池组装成电池组。这样形成的电池组一致性好，但随着使用时间的增加、电池组的增大，性能差异会逐渐明显。因此，电池组一致性研究的方向指向电池的自放电[91]。电池的自放电是指电池在开路状态下电压下降、容量减小的现象，是衡量电池性能的主要参数之一。镍氢电池的自放电率为每月20%~25%，锂离子电池的自放电率为每月2%~5%。理论上，电池的自放电率可以降低，但由于制造工艺上的问题，在实际的电池应用中自放电无法消除[110,11]。单个电池的过度自放电往往造成其电压快速下降，进而削弱整个动力电池组的荷电保持能力，因此电池自放电的检测尤为重要。自放电过程发生在电池内部，与电池材料和工艺有关，并随环境温度、电池寿命、荷电状态等而变化。但现有的测量方法不能直接测量电池内部结构，这使自放电的检测变得困难。 31、行业标准制定的长期开路存放方法是将电池在高温或常温下开路放置7天或28天，放电至截止电压，测量电池的放电容量，以判断其自放电性能。电池最多需要放置一个月进行测试。