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《北京理工大学》 2016年
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锂离子电池分数阶模型及其充电策略研究

邵冰  
【摘要】:由于节能和环保优势,纯电动汽车已成为当代汽车工业的重要方向之一。作为电动车辆关键储能单元,锂离子动力电池的性能对车辆的动力性和燃油经济性影响较大。可靠的电池管理系统可以提高电池使用的寿命与效率,是锂离子电池在电动车辆的推广应用的前提。由于锂离子电池储能状态难以观测、使用成本较高等原因,锂电池动态特性以及充电策略成为电池管理系统的关键技术之一。本论文以锂离子电池为研究对象,应用分数阶系统建模方法建立电池动态模型,并基于分数阶模型进行电池充电策略优化的研究。具体内容包括:(1)基于电池阻抗谱和电池系统的动态特性,采用分数阶建模方法,利用等效电路模型的形式,建立锂离子电池分数阶模型,并依据Oustaloup近似求解分数阶微分方程。(2)采用粒子群优化算法在时域范围对模型参数进行辨识,并对辨识结果进行分析和讨论。所提出的分数阶电池模型在不同的工况、不同的老化程度、不同的单体电池条件下,均保持较高的精度,具有很好的鲁棒性。并与最常用的1-RC模型以及其他五种等效电路模型进行对比,证明分数阶模型能够准确地描述锂离子电池动态特性。(3)基于电池分数阶系统模型,考虑充电时间和能量损失等因素,对电池充电策略进行研究。采用伪谱算法将优化控制问题转化为非线性规划问题进行求解,最后分析最大充电电压、温度、老化程度等因素对充电的影响。
【关键词】:分数阶模型 锂离子电池 Oustaloup近似 粒子群优化算法 电池充电策略 伪谱算法
【学位授予单位】:北京理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TM912
【目录】:
  • 摘要4-5
  • Abstract5-9
  • 第1章 绪论9-20
  • 1.1 本论文研究的背景和意义9-11
  • 1.2 电池管理技术11-15
  • 1.2.1 车用动力电池11-12
  • 1.2.2 锂离子动电池12-13
  • 1.2.3 电池管理系统13-15
  • 1.3 电池建模和充电技术研究现状15-19
  • 1.3.1 电池模型研究现状15-17
  • 1.3.2 电池充电技术研究现状17-19
  • 1.4 本论文的研究内容与结构19-20
  • 第2章 分数阶控制系统20-31
  • 2.1 分数阶微积分的基本概念20-23
  • 2.1.1 基本函数20-21
  • 2.1.2 分数阶微积分定义21-22
  • 2.1.3 分数阶微积分的性质22
  • 2.1.4 分数阶微积分物理意义22-23
  • 2.2 分数阶控制系统23-26
  • 2.2.1 描述形式23-25
  • 2.2.2 能控能观性25
  • 2.2.3 系统稳定性25-26
  • 2.3 分数阶微分算子的离散化26-29
  • 2.3.1 直接离散化方法27
  • 2.3.2 间接离散化方法27-29
  • 2.4 分数阶系统方法在工程研究中的应用29-30
  • 2.5 本章小结30-31
  • 第3章 锂离子电池分数阶建模31-41
  • 3.1 锂离子电池工作原理和特性31-36
  • 3.1.1 定义31-32
  • 3.1.2 锂离子电池的工作原理32-33
  • 3.1.3 电池内部的热力学行为33-34
  • 3.1.4 运动和扩散过电压34-35
  • 3.1.5 双层效应35-36
  • 3.2 锂离子电池分数阶建模36-39
  • 3.2.1 分数阶建模方法在电池研究中的应用37
  • 3.2.2 LiFePO4电池分数阶模型推导37-39
  • 3.3 分数阶微分算子的数值求解39-40
  • 3.4 本章小结40-41
  • 第4章 模型参数辨识和结果分析41-59
  • 4.1 锂离子电池测试系统和实验41-47
  • 4.1.1 电池参数41
  • 4.1.2 电池测试系统简介41-42
  • 4.1.3 电池测试流程42-44
  • 4.1.4 电池数据特性分析44-47
  • 4.2 模型参数辨识方法47-50
  • 4.2.1 分数阶系统辨识方法概述47-48
  • 4.2.2 粒子群优化算法48-50
  • 4.3 参数辨识结果分析50-55
  • 4.3.1 分数阶阶次的预设50
  • 4.3.2 模型参数辨识结果50-53
  • 4.3.3 模型在不同条件下的验证53-55
  • 4.4 与等效电路模型的对比55-58
  • 4.5 本章小结58-59
  • 第5章 电池充电研究59-74
  • 5.1 概述59
  • 5.2 伪谱法简介59-62
  • 5.2.1 最优控制问题的描述60
  • 5.2.2 Legendre伪谱法基本框架60-62
  • 5.3 优化控制问题62-63
  • 5.4 结果分析与讨论63-73
  • 5.4.1 优化问题的算法实现63-66
  • 5.4.2 优化结果分析66-68
  • 5.4.3 最大充电电压的影响68-70
  • 5.4.4 温度的影响70-72
  • 5.4.5 老化的影响72-73
  • 5.5 本章小结73-74
  • 结论74-76
  • 1 全文总结74
  • 2 本文创新点74-75
  • 3 展望75-76
  • 参考文献76-85
  • 攻读学位期间发表论文与研究成果清单85-86
  • 致谢86

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