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电池管理系统关键技术研究及测试系统构建

曹铭  
【摘要】:电池管理系统是电动汽车中最重要的管理系统之一,它关系到动力电池的使用寿命、成本和安全,因此电池管理系统的研究具有理论意义和应用价值。动力电池是一个时变非线性控制对象,其在电动汽车的应用中会受工况、环境等随机性因素影响,这使得电池管理系统对动力电池的实时精准管理更具挑战性。本论文针对电动汽车电池管理系统,开展的具体研究工作包括:(1)首先搭建了动力电池及电池组测试平台,通过改进电池功率脉冲测试方法获取电池参数辨识数据。然后基于ADVISOR建立电池应用环境整车模型,获取动力电池面向应用车辆的多种工况测试数据,利用电池动态工况数据对电池模型进行验证。最后研究动力电池可用容量与放电倍率、温度、老化状况及自放电的关系,指导后期电池参数辨识更新,完成动力电池精确建模。(2)将不同的动力电池模型及模型参数辨识数据进行适应性匹配对比,对比不同动力电池等效电路模型所适应的电池辨识数据,实现动力电池模型复杂度和辨识精度之间的权衡。通过分析电池模型精度的影响因素,对电池模型进行改进,考虑动力电池电流、温度、荷电状态对电池参数的影响。最后提出一种基于Simulink参数估计工具的通用模型离线参数辨识方法。(3)对目前电池管理系统中的两种高压采集方法进行了融合,解决了总电压采集数据的误差以及噪声的问题。为精简高压采集数据融合的计算复杂度,改进了融合模型以及卡尔曼滤波器。最后验证所提出的高压采集方法具有较高的精度和稳定性。为确定动力电池的SOC和SOP这两个关键指标,提出了一种基于数据驱动的在线参数辨识方法,通过带遗忘因子的递归最小二乘法实时捕获电池的特性并更新模型参数;然后设计了一种基于自适应扩展卡尔曼滤波的多状态联合估计算法,并建立了包含电压、剩余电量和单体峰值电流的多约束条件、多采样间隔的持续峰值功率数学模型;最后在Matlab/Simulink环境下搭建基于纯电动汽车实际运行数据的仿真模型。(4)为了使电池组发挥最佳的性能和寿命,需要对电池进行热管理,将电池温度控制在合理的范围内。本文结合课题组在相变材料方面的研究,对相变材料在电池包中的实际应用问题进行改进,开展基于3D打印蜂窝结构复合相变材料与液冷结合的电池热管理方案的仿真及验证。(5)为了实现基于可执行模型开展的需求确认,迭代的仿真设计,自动化的代码生成,以及持续的测试与验证。本文利用先进的模型设计流程,搭建BMS控制器及被测对象模型,实现BMS功能的模型在环测试,利用d SPACE验证BMS的充电通讯流程。最后搭建基于RT_LAB的BMS硬件在环测试平台,完成对所开发BMS的全面测试与验证。本文提出的基于多传感器融合技术的高压采集算法、多参数约束的动态持续峰值功率估计算法和基于相变材料与液冷耦合的电池热管理方案,解决了参数采集、状态估计及电池温控等目前电池管理系统中存在的主要问题。本文提出的通用电池模型参数辨识方法和考虑电流的改进型电池模型,解决了动力电池模型复杂度与精度的权衡问题,为电动汽车电池管理系统的开发提供了理论基础,同时也具有良好的实际应用价值。


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