动力电池SOC估算与主动均衡研究

【摘要】：不可再生能源的不断耗尽和严重的环境污染问题在当今社会日益突出,而汽车作为被广泛使用的一种现代交通工具,其数量也在持续增加,这就引发了电动汽车(Electrical Vehical,EV)的研制热潮。近年来,锂离子电池被广泛的运用到电动汽车领域。为了防止锂离子电池的过充和过放,并向驾驶者提供准确的续航里程信息,电池管理系统(Battery Management System,BMS)需要实时提供电池荷电状态(State of Charge,SOC)的信息。同时,为了延长电池使用寿命和提高续航里程,也需要对电池组中SOC状态不一致的电池单体进行均衡。因此,电池SOC估算和电池均衡成为了本文的研究重点。针对电池SOC估算容易受到电池电压、电流等信号中包含的噪声信号影响的问题,提出了一种基于小波变换矩阵和自适应扩展卡尔曼滤波(Adaptive Extended Kalman Filter,AEKF)的电池SOC估算算法,从而实现对电池电压、电流等信号的有效降噪,大大提高了实际电动汽车工况下的SOC估算精度。本文详细分析了电池模型的建立过程、小波变换矩阵的建立方法、以及基于小波变换矩阵的信号分解、系数调整、重构的降噪过程,并结合小波变换矩阵和AEKF,实现对电池SOC的准确估算。针对电池组模型精度和均衡电路会影响电池组SOC估算精度的问题,本文对电池组SOC进行分析,给出一种符合电动汽车实际应用的新定义。同时,对于均衡电路中的均衡电流对电池组SOC估算产生的影响,本文也进行详细的分析,并在电池组SOC估算中加入均衡电流,有效提高了电池组的SOC估算精度。最后,针对现有电池组主动均衡电路体积大、均衡速度慢的缺点,提出一种基于开关矩阵和多端口双向反激变换器的主动均衡电路。所提多端口双向反激变换器的开关频率为1 MHz,并应用GaN器件,有效减小均衡电路的体积,提高电池组的均衡速度。搭建的电池组SOC估算测试平台包括BMS、10节串联的Li(NiCoMn)O_2电池(单节电池容量为200Ah,电压范围为3.6V-4.2V)、直流源、电子负载等。对比降噪前的电池单体SOC估算结果,信号降噪后的最大SOC估算误差可以减少1.5%。对比传统的基于电池组整体模型的SOC估算方法,本文提出的电池组SOC估算方法可以将SOC估算误差在充电和放电阶段分别减小2.5%和1%。对比不考虑均衡电流的电池组SOC估算方法,本文提出的电池组SOC估算方法可以将SOC估算误差减小1.4%。本文提出的基于开关矩阵和多端口双向反激变换器的电池组主动均衡电路,相比现有主动均衡电路,具有体积小,均衡速度快的特点。