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锂离子电池过充及过放电故障诊断研究

郑勇  
【摘要】:迫于环境和能源的压力,发展电动汽车成为当今世界汽车行业的必然选择。然而,作为电动汽车动力之源的电池由于面临着安全性和耐久性的挑战,使得电动汽车的推广及产业化发展受到制约。过充电、过放电是动力电池使用过程中存在的典型问题,对电池的安全和耐久性有着较大的影响。因此,快速并准确地检测出过充、过放现象对于提升动力电池的安全性能并延长其使用寿命具有重要意义。本文以当前电动汽车中应用广泛的锂离子电池为研究对象,对其在使用过程中容易出现的过充、过放故障进行诊断研究。首先,从锂离子电池的充放电特性和不一致性问题着手,探讨过充电及过放电现象产生的原因及导致的后果。对锂离子电池过充、过放行为的分析表明:过充电可能造成锂离子电池的热失控从而引发严重的安全事故;过放电会给电池带来不可逆的损伤,大幅度的容量衰减致使电池寿命缩短而提前报废。其次,对目前比较常见的电池模型进行了分析,综合考虑锂离子电池的使用实际及已有电池模型的优点,建立了锂离子电池的二阶阻容模型,并由此推导出其状态空间方程。通过恒流放电实验完成了电池开路电压与荷电状态关系的标定,然后利用脉冲实验法获取电池模型参数。在Matlab/Simulink平台下搭建了电池的动态仿真模型,采用恒流放电和脉冲放电两种工况对模型精度进行验证。结果显示模型适用性较好,能够用于不同参数的锂离子电池模拟仿真。最后,针对锂离子电池在发生过充、过放行为时内部参数的变化,提出了基于卡尔曼滤波的多模型估计诊断方法,并进行仿真分析。依据锂离子电池在过充、过放条件下的不同参数,结合二阶阻容等效电路构造电池相应故障模型。卡尔曼滤波器对每个模型的输出电压进行估计并产生残差信号。滤波残差通过假设检验计算进而得出每个模型的概率。仿真结果显示,模拟的电池故障能被准确地辨识出来,表明多模型估计方法对于锂离子电池的过充、过放故障诊断的有效性。


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