混合動力汽車動力電池容量預測模型及抗擾策略的研究

【摘要】：動力電池為混合動力汽車、電動汽車的電氣設(shè)備供電。影響估算電池續(xù)航里程的因素有兩個，一個是使用的電池容量預測模型是否可以準確地估算在不同工況下動力電池的容量，并且能夠預測動力電池的持續(xù)工作時間；另一個因素是車載供電系統(tǒng)是否具備抑制外界干擾的能力。 首先，從兩方面分析了限制動力電池容量準確估算的因素。即一方面，動力電池的制造材料、工藝以及結(jié)構(gòu)導致實際容量與理論容量不符；另一方面，動力電池的工作環(huán)境、客觀因素導致電池的容量是動態(tài)變化的。 針對電池進行單獨分析，或者是針對電池為某一電阻負載供電的情況下進行分析，都無法與車載動力電池的實際運行狀況相匹配。動力電池的容量隨混合動力汽車的運行狀況“動態(tài)”地發(fā)生變化。動力電池的電流、電壓、溫度以及持續(xù)工作時間之間呈現(xiàn)出動態(tài)對應關(guān)系。因此，本文提出基于電化學分析的方式推導鎳氫動力電池容量預測模型，結(jié)合電池溫度、工作電流、端電壓以及電池工作截止時間的測試數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上完成的。 在鎳氫動力電池的使用壽命內(nèi)，考慮電池的電解質(zhì)損耗較小，即擴散系數(shù)不發(fā)生變化的前提下，推導了動力電池的端電壓、溫度、工作電流與電池工作截止時間之間的對應關(guān)系。 對于動力電池發(fā)生的實際可逆反應，采用熱力學公式進行分析，得到電池反應電勢的表達式。表達式可以完全描述動力電池中電化學反應的平衡狀態(tài)。但是，熱力學平衡方程式無法描述各種狀態(tài)下的電流。采用電極反應動力學可以描述的是整個反應的過程。根據(jù)電極反應動力學，進一步推導出電流、電解質(zhì)濃度與過電勢之間的關(guān)系式。在這種平衡情況下，電極反應由動力學控制，而與物質(zhì)傳遞無關(guān)。 當電池的平衡狀態(tài)被打破，電池內(nèi)部出現(xiàn)過電勢時，反應的加速將導致電解液中反應物的濃度出現(xiàn)偏差。這時，物質(zhì)傳遞將控制反應的進行?；谖镔|(zhì)傳遞過程，完成了電池反應時電流與濃度關(guān)系的分析與推導；并且完成了動力電池阻抗模型的推導。進一步結(jié)合對某鎳氫單體電池、電池組多種放電率放電試驗數(shù)據(jù)的分析，建立了鎳氫電池放電模型。經(jīng)過測量數(shù)據(jù)與模型仿真數(shù)據(jù)的對比，驗證了模型的正確性以及準確性。 當動力電池對負載供電時，尤其是為變負載供電時，端電壓測量結(jié)果要比理論值低，而且隨著時間變化。電解液的濃度擴散、物質(zhì)遷移、對流、溫度以及雙電層電容等電化學因素造成電池內(nèi)阻是變化的；同時，回路中的負荷存在許多非線性元件，既有整流、逆變回路的開關(guān)元件，又有電動機以及濾波、平波元件。因此，當電阻增加或電流增大時，端電壓會加速下降，提前下降至截止電壓，并終止放電。電池容量估算的具體過程如下： （1）在輸出電流波動不大的范圍內(nèi)，可以近似認為電池處于恒電流放電工況，根據(jù)恒電流放電的持續(xù)時間得出已經(jīng)放出的A h容量。 （2）測量電池的輸出電流，當輸出電流發(fā)生較大變化時，等待輸出電流穩(wěn)定于新的狀態(tài)時，更新模型參數(shù)，調(diào)整放電率。從穩(wěn)定時開始采用新的電壓隨時間變化的曲線來估測電池的容量。 （3）當某個參數(shù)變化較大（溫度、擴散系數(shù)、濃度等）直至穩(wěn)定于新的狀態(tài)時，更新參數(shù)，從穩(wěn)定時開始采用新的電壓隨時間變化的曲線來估測容量。 （4）各個放電階段放出A h容量總和就是已經(jīng)放出的容量，截止至放電終止電壓，根據(jù)曲線可以預測出當前放電倍率下放電持續(xù)時間。 根據(jù)混合動力汽車鎳氫電池經(jīng)常處于變負荷工況下工作，以至經(jīng)常處于不同倍率工作電流下的特點，采用電壓隨時間變化的曲線來估計電池剩余容量，結(jié)合電池初始容量預測模型，對并不同倍率下放出的電量進行積分，得到電池的計算容量。通過對鎳氫動力電池的充、放電試驗證明，電池容量預測模型是準確、有效的。 限制動力電池容量準確估算的另一個因素是外界干擾。當車載電池工作在為電動機供電的狀態(tài)時，系統(tǒng)中出現(xiàn)的各種不確定因素將影響到電池系統(tǒng)運行狀態(tài)的穩(wěn)定性、效率?；旌蟿恿ζ囼?qū)動電動機的輸出軸端受到的擾動最具代表性，并且對系統(tǒng)的干擾效果也最明顯。當驅(qū)動電動機的輸出軸端受到擾動時，相應的干擾轉(zhuǎn)矩將導致車載動力電池輸出的電量產(chǎn)生波動。 基于廣義系統(tǒng)的框架分析。進一步提出了采用H理論來實現(xiàn)系統(tǒng)的幾乎干擾解耦的控制策略，使系統(tǒng)具有較好的魯棒性。結(jié)合試驗數(shù)據(jù)，建立了電動機的功率模型。在H控制理論的基礎(chǔ)上，設(shè)計了對電動機軸間擾動的抑制策略。進一步將電動機的具體參數(shù)代入，完成了實際控制策略的計算，使供電系統(tǒng)對特定的干擾實現(xiàn)了幾乎干擾解耦。 【關(guān)鍵詞】：混合動力汽車 電池 放電模型 電池容量預測模型 電動機 幾乎干擾解耦
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：U469.7
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 符號說明12-16
• 第1章 緒論16-24
• 1.1 課題研究背景16-21
• 1.1.1 混合動力汽車的發(fā)展16-18
• 1.1.2 我國混合動力汽車的發(fā)展18-19
• 1.1.3 動力電池的介紹19-21
• 1.2 電池容量預測國內(nèi)外研究現(xiàn)狀21-22
• 1.3 本文研究的主要內(nèi)容22-24
• 第2章 鎳氫動力電池充放電過程的研究24-49
• 2.1 電池工作過程分析25-27
• 2.1.1 電池和電池組的構(gòu)成25
• 2.1.2 電池種類的劃分25-26
• 2.1.3 電池工作原理26-27
• 2.2 電池內(nèi)部的過電勢分析27-40
• 2.2.1 電池反應的可逆性27-28
• 2.2.2 電池電勢的推導28-40
• 2.3 電池內(nèi)部帶電物質(zhì)傳遞過程的分析40-43
• 2.3.1 物質(zhì)傳遞的反應40-41
• 2.3.2 遷移和擴散引起的物質(zhì)傳遞41-43
• 2.4 電池阻抗特性的分析43-47
• 2.4.1 電池的阻抗模型43
• 2.4.2 法拉第阻抗的分析43-44
• 2.4.3 電池的阻抗變化44-47
• 2.5 本章小結(jié)47-49
• 第3章 電池容量預測模型的研究49-74
• 3.1 鎳氫動力電池的工作原理及電流模型的研究49-53
• 3.1.1 鎳氫動力電池的工作原理49
• 3.1.2 鎳氫動力電池電流表達式的推導49-53
• 3.2 電池初始容量預測模型的研究53-61
• 3.2.1 電量定義53-55
• 3.2.2 初始電池電量測量模型55-61
• 3.3 鎳氫動力電池容量預測模型的研究61-72
• 3.3.1 電池容量預測61-64
• 3.3.2 電池容量預測試驗及數(shù)據(jù)分析64-72
• 3.4 本章小結(jié)72-74
• 第4章 電池控制系統(tǒng)抑制擾動策略的研究74-102
• 4.1 車載電池的能量損失模型的研究74-79
• 4.1.1 電池能量損失的分析74-75
• 4.1.2 能量損失模型75-79
• 4.2 車載電池的能量損失抑制策略的研究79-94
• 4.2.1 幾乎干擾解耦策略的研究80-84
• 4.2.2 控制策略的推導84-89
• 4.2.3 動力電池抑制擾動的控制策略的研究89-94
• 4.3 車載電池抑制能量損失試驗94-100
• 4.3.1 試驗設(shè)備94-96
• 4.3.2 試驗結(jié)果及分析96-100
• 4.4 本章小結(jié)100-102
• 第五章 總結(jié)與展望102-106
• 5.1 工作總結(jié)102-104
• 5.2 主要創(chuàng)新點104
• 5.3 未來工作展望104-106
• 參考文獻106-113
• 作者簡介及在學校期間取得的科研成果113-115
• 致謝115

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