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锂离子电池状态联合估计算法研究 摘 要 随着我国电动汽车市场的发展，近年来对电动汽车性能及安全的要求越来越 高。动力电池作为电动汽车的主要能源，是影响电池汽车的动力特性及安全的重 要因素。为最大限度发挥电池的性能和提高安全性，需要准确地获取电池的荷电 状态、健康状态及功率状态。电池的状态无法实测且相互影响，本文以磷酸铁锂 电池为研究对象，研究可准确获取其荷电状态、健康状态、功率状态的联合估计 算法。 论文根据已有研究成果和实验室条件设计了测试实验，分析了电池的开路电 压、欧姆内阻、极化内阻、极化电容在不同荷电状态、健康状态的变化特征，分 析了不同电流对欧姆内阻、极化内阻、极化电容的影响。选用一阶Thevenin模型 对电池进行建模，通过最小二乘法辨识模型参数，并利用不同工况的实验数据对 模型进行验证。 论文分别对电池荷电状态、健康状态、功率状态的估计算法进行研究。其中 荷电状态估计采用无迹卡尔曼滤波算法，通过分析电池模型参数对估计精度的影 响，提出简化的估计方案；健康状态估计基于建立的容量损失率与电池累计放电 容量关系的老化模型；功率状态则是通过分别拟合电池等效模型中欧姆内阻、极 化内阻、时间常数与电流的关系式并最终带入电池模型进行估计。论文还分析不 同健康状态下电池模型参数对荷电状态估计精度的影响，并以此为依据结合电池 模型参数与容量损失率的关系提出根据电池的容量损失率更新模型参数的荷电 状态估计算法。最终设计电池状态联合估计算法并验证了其可行性。 关键词：锂离子电池，荷电状态，健康状态，功率状态 I 目 录 摘 要 I ABSTRACT II 第一章 绪论 1 1.1 研究背景 1 1.2 国内外研究现状 1 1.2.1 电池状态的定义 1 1.2.2 荷电状态估计的研究现状2 1.2.3 健康状态估计的研究现状4 1.2.4 功率状态估计的研究现状5 1.2.4 状态联合估计的研究现状6 1.3 研究难点6 1.4 研究内容7 第二章 实验设计 8 2.1 研究对象及搭建实验平台8 2.1.1 研究对象8 2.1.2 搭建实验平台8 2.2 实验设计9 2.2.1 实验总体方案设计9 2.2.2 活化实验9 2.2.3 容量标定实验 10 2.2.4 混合脉冲功率特性实验 11 2.2.5 电池峰值功率测试实验 11 2.2.6 电池老化实验 12 2.3 电池特性分析 12 2.3.1 电池容量特性 12 2.3.1 电压特性 13 2.3.3 内阻特性 15 2.4 本章小结 19 第三章 锂离子电池建模20 3.1 电池等效模型的搭建20 3.2 模型参数的辨识22 3.2.1 基于最小二乘法的模型参数辨识22 3.2.2 电池模型参数特性分析23 3.3 电池等效模型的验证25 3.4 本章总结27 第四章 锂离子电池状态估计29 4.1 锂离子电池SOC 估计29 4.1.1 建立系统状态空间方程29 4.1.2 无迹卡尔曼滤波算法概述30 4.1.3 SOC 的估计结果与分析33 4.2 锂离子电池SOH 估计36 4.2.1 建立电池老化模型36 4.2.2 SOH 估计结果与分析38 4.3 锂离子电池SOP 估计40 4.3.1 建立SOP 模型40 4.3.2 SOP 估计实现及验证43 4.4 本章小结44 第五章 锂离子电池状态联合估计46 5.1 锂离子电池老化对SOC 估计的影响46 5.2 老化对锂离子电池模型参数的影响49 5.3 状态联合估计方案设计52