应用于高寒地区的电动汽车电池管理技术研究开题报告7.5

PAGEPAGE10TONGJIUNIVERSITYTONGJIUNIVERSITY学术型硕士研究生学位论文选题报告及工作计划课题名称应用于高寒地区的电动汽车电池管理技术研究 学号 研究生 专业车辆工程 所在院系中德学院 导师 副导师 选题时间2018年4月15日同济大学研究生院2018年6月15日1．研究问题1）在预研究的基础上提出应用研究（设计）中的科学问题.2）课题来源、选题依据和背景情况3）课题的研究目标以及锂论意义和实际应用价值1）提出问题：如何提高高寒地区的电动汽车电池管理技术，并更好的应用于实践？课题来源：国家自然科学基金项目选题依据和背景情况：储能系统是新能源汽车的能量和动力来源，是电动汽车的核心部件，是车辆动力输出性能和续驶里程的保证。锂离子电池以其无记忆效能、高比能量、高比功率、长循环寿命和高安全性等特性成为电动汽车储能系统的首选，目前绝大多数电动汽车采用的都是锂离子电池储能方案。虽然锂离子电池具有诸多优点，但为了满足电动汽车驱动系统的电压需求，需要将几十节甚至上百节单体串联构成电池组。锂论上电池单体之间没有差异，电池组可以认为是具有高电压等级的单体，而实际上由于电池制作工艺原因形成的电池特性不一致和外界环境温度因素造成的电池组性能衰减是影响电池组容量和功率特性的两个主要原因。电池单体之间由于制作工艺和使用环境形成的特性不一致是影响电池性能的重要因素。在电池制造过程中，电解液浓度、电极活性物质均匀程度、极板厚度等均不可避免的会存在差异，这是引起电池单体内阻、开路电压、容量等特性不一致的主要原因，在使用中体现为单体端电压的不一致，长期使用后还会出现电池单体之间电量的不均衡影响电池系统功率和容量特性，电池长期工作在不同的放电深度还会引起电池老化程度不同，使电池组性能进一步恶化。当串联电池组中单体电量不均衡时，各单体在充放电使用过程中无法同步达到上下限截止电压，为了保证使用安全和防止过充或过放电现象的发生，电池管理系统会对充放电过程进行限制，这虽然保证了电池组使用安全，但会缩短电池组放电电量。根据美国FreedomCar标准规定，当电池单体容量衰减到额定容量的80%时就需要更换电池，而实际情况下很可能只是个别单体不均衡造成了整组电池容量的衰减。如果在这种情况下以电池组容量作为更换电池标准则将造成能源的浪费和电池组使用成本的增加。因此，电池自身特性不一致造成的电池组电量不均衡是电池管理系统需要解决的重要问题。选题意义：电动汽车电池系统性能不仅与电池组内单体一致性有关，还容易受到环境温度的影响锂离子电池工作原锂本质上是内部正负极与电解液之间的氧化还原反应，低温下电极表面活性物质嵌锂反应速率减慢、活性物质内部锂离子浓度降低，这将引起电池平衡电势降低、内阻增大、放电容量减少，极端低温情况甚至会出现电解液冻结、电池无法放电等现象，极大的影响。电池系统低温性能，造成电动汽车动力输出性能衰减和续驶里程减少，据报道，在北京运营的电动出租车冬季续驶里程较夏季缩减接近40％，在美国销售的电动汽车同样存在类似问题。此外，在低温环境下充电容易在负极表面形成锂沉积，金属锂在负极表面积累会刺穿电池隔膜造成电池正负极短路，威肋、电池使用安全，电动汽车电池系统低温充电安全问题极大的制约了电动汽车在寒冷地区的推广。锂离子电池长期工作在高温环境下，电极表面固态电解质界面(SEI)膜加厚，锂离子迁移阻力增大，电池容量将造成不可恢复的损失，加速电池容量衰减。因此，对电池系统进行热特性研究，尤其是低温热管理技术研究是电动汽车在寒冷地区推广和应用函待解决的重要问题。2．文献综述（文献综述不得少于2000字）1）国内外在该研究方向的研究现状及发展动态2）研究问题在本研究领域应用上的地位与价值研究现状及发展动态为了保证电池组使用安全和提高电池组能量利用率，国内外学者对电池均衡技术展开了深入研究，开发出多种均衡结构和方法。均衡技术的本质是在电池组单体之间进行能量的重新分配，如果能够合理利用电池均衡技术，对于延长电池组使用寿命、提高功率输出能力、节约电池组使用成本都是有促进作用的，反之如果均衡不当则在电池组内埋下了安全隐患，不但不能延长电池组使用寿命，反而可能形成热不均甚至失控或者使电量不均衡进一步恶化。因此，为了使电池均衡技术能够最大限度发挥优势，需要从均衡结构复杂程度、可靠性、均衡速度、能量效率、使用成本和故障模式等多方面对均衡结构与方法进行评判，对均衡系统的整体评价在实际应用中具有实际意义。均衡电路结构的选取决定了整体结构的复杂程度，复杂的均衡结构降低了自身运行可靠性的同时提高了系统成本和运行失效风险。随着电池容量的增大，迫切需要均衡系统提供更大的均衡电流和更高的能量转换效率以满足用户快速均衡维护的需求，而大电流均衡又要综合考虑电路结构、系统生热、布局走线、能量转移形式等多方面因素，系统能量转换效率与均衡系统结构和能量转移方式的选取直接相关，综合考虑上述因素有助于减少均衡过程中的能量浪费。电池均衡系统属于维护系统，电池系统定期维护时启动，不需要均衡时在系统中不应影响正常充放电使用。由于均衡系统直接对电池系统进行能量分配，在均衡系统失效时应保证电池系统仍能正常使用，避免由于均衡系统故障造成电池系统起火甚至爆炸。由此可见，均衡系统是“双刃剑”，合理应用均衡技术对电池系统延长使用寿命、降低运行成本、提高系统性能等都会带来有益效果，一旦设计或运用不当将对电动汽车及使用者造成财产损失和人身安全威肋、。下面将从上述评价标准出发对现有串联电池组均衡结构和均衡策略分别进行综述。1.1电池均衡结构研究（1）能耗型均衡N.Kutkut在串联铅酸电池组使用过程中最早发现电池不均衡现象，并设计了早期的电池均衡结构，这种方式不需要控制电路，结构简单，只需在单体两端并联一个电阻就可以在充电过程中实现电流旁路。在充电过程中电压较高单体流过并联电阻的电流大于其他电压较低单体，通过电阻分流将能量转化为热量。这种方式虽然可以在充电时实现有选择的均衡，而且无需外接控制电路，但是这种均衡的代价是持续将电能转化为热能，浪费能量。Stuart在这种结构的基础上进行了改进，提出一种可控能量消耗型均衡结构，每个并联电阻回路上串联一个开关，可以有选择的对特定电池进行放电均衡。这种方式虽然缓解了非可控均衡的持续能量消耗，但这种方式的本质还是将电能转化为热能，同样存在热失控的隐患，此外控制电路的引入提高了结构复杂度和成本。因此，这类均衡方式由于是以消耗电池能量方式实现均衡的，所以被称为能耗型均衡。（2）开关电容均衡耗型均衡虽然可以将电量较高单体放电从而实现电量均衡，可是消耗能的能量转化为热量可能造成电池温度上升，如果不能及时散热会对电池组使用安全形成威胁。是否可以将电能在电池组内重新分配而不是消耗掉，出于这种思路，1997年CesarPascual提出了开关电容均衡方法，每个电池两端并联一个电容，由开关控制电池正负极与电容两端接通和断开。控制开关交替工作形成两种模式，第一种模式下所有开关与上端点连接，第二种模式下所有开关与下端点连接，这样就可以通过储能电容使量在相邻单体之间从电压能较高单体向电压较低单体传递。这种方法的优势在于能量传递效率高，结构简单，可以应用于高压和低压场合，而且不需要传感器和闭环控制，节省系统成本的同时提高稳定性。而这种方法的主要缺点是均衡速度慢，均衡电流小，仅限于相邻单体之间的能量传递，如果电池串联数量多时均衡时间也会相应延长。为了克服上述弊端，提高均衡时间效率，有学者提出了双层开关电容均衡结构和飞渡电容结构，双层开关电容均衡结构可以有效的减少均衡时间，而飞渡电容结构则可以有选择的进行电量均衡。（3）隔离变压器均衡随着对电池均衡结构研究的深入，隔离变压器作为能量传递载体被引入电池均衡电路中，常见的均衡结构有单变压器多副边绕组均衡结构、多变压器结构以及单副边变压器结合开关网络结构。1.2电池均衡策略研究电池均衡系统除了需要稳定可靠的硬件结构，还需要软件策略的配合才能最大限度的发挥均衡系统效能，实现能量效率和均衡时间的最优化。早期出现的均衡策略主要是针对串联铅酸电池提出的，由于铅酸电池电压特性曲线同电池的剩余电量有明显的对应关系。所以利用这种对应关系判断电池的不均衡程度，并以最终各节串联电池电压一致作为最终电池均衡的判据，因此这种方法简称为电压均衡。1.3电池热管理技术研究现状温度是影响电池性能的重要因素，利用电化学手段改变电池电解液配方、开发新型正负极材料都无法兼顾高温和低温性能，对于己经大批量使用电池出现的温度特性问题仍无能为力。因此，对电池生热机理和温度特性进行理论和实验分析对于提高电池组性能和使用安全性具有重要意义。为此，国内外学者对电池热特性和电池温度控制方法进行了大量研究。20世纪70年代，学者HFGibbard建立了电池电化学机理热模型。1985年，Newman等人从热动力学和电池内部反应角度提出了通用电池热模型，模型考虑了电池生热来源和热平衡数学原理，可以用来预测电池热特性，他们认为热源来自于电化学反应热、嫡变生热、扩散生热和焦耳生热等。Newman等人对热能平衡方程进行简化，只考虑嫡变生热和焦耳生热，该简化模型在后续的研究中得到了广泛的应用。Ashwi提出一种一维集中参数热模型，仿真分析Sony电池在不同倍率放电时的生热情况。Forgez采用集中参数热模型预测圆柱形磷酸铁理电池表面和内部温度，并通过实验获得模型参数。LinXinfan在一维热模型的基础上加入了在线自适应参数辨识方法来预测圆柱形理离子电池内部温度变化。AhmadouSamba针对大容量方形磷酸铁理电池建立二维热模型预测电池表面温度分布，利用有限元分析软件在不同环境下进行温度场仿真，此外还针对热失控进行了分析。Abbas利用多维电池模型估计电池温度，在Z轴理离子迁移方向建立电化学一维模型来计算电池生热量和端电压，在X和Y轴方向建立二维模型计算电流和温度分布，从而估计电池表面温度，并将实验结果与仿真结果进行比较分析。附：参考文献序号文献目录（作者、题目、刊物名、出版时间、页次）1席振鹏.新能源汽车电池工业的发展[J].低碳世界,2018(01):340-341.2杜弘.电动汽车电池当前现状以及发展趋势探析[J].时代汽车,2017(20):45-46.3华政,梁风,姚耀春.电动汽车电池的发展现状与趋势[J].化工进展,2017,36(08):2874-2881.4任金波,张翔,施火结.新能源汽车电池散热风扇轴向振动分析与改进[J].河南科技大学学报(自然科学版),2017,38(04):25-29+34+116-117.5曹明伟.纯电动汽车电池组被动式液冷散热系统仿真分析与优化[D].合肥工业大学,2017.6逯彦红,段国林.泡沫铝对电动汽车电池模块散热的研究[J].电源技术,2017,41(01):12-14+114.7黄青斌,何涛,乐慧杰,陈平,陈文剑.基于新能源汽车电池包装配策略的研究[J].汽车工艺与材料,2016(12):6-9.8侯元元,刘彤,黄裕荣,郭鲁钢.基于专利分析的电动汽车电池技术发展态势研究[J].科技管理研究,2016,36(22):157-161.9佘小莉,邾玢鑫.新型绿色电动汽车电池更换站的研究[J].电子测量技术,2016,39(10):16-20.10翁国庆,黄飞腾,张有兵,谢路耀,戚军.电动公交汽车电池集群参与海岛微网能量调度的V2G策略[J].电力自动化设备,2016,36(10):31-37.11郭向伟.电动汽车电池荷电状态估计及均衡技术研究[D].华南理工大学,2016.12袁彤煜.电动汽车电池的现状及发展趋势[J].科技展望,2016,26(15):285.13李志鹏,赵杨.纯电动汽车电池管理系统及SOC精确估计[J].电源技术,2016,40(05):1090-1093.14孙金磊.应用于高寒地区的电动汽车电池管理关键技术研究[D].哈尔滨工业大学,2016.15王俊杰,张伟,金杰峰,楼向明,叶利峰.电动汽车电池装箱生产线控制系统的设计[J].组合机床与自动化加工技术,2016(02):122-125.16王文伟,程雨婷,姜卫远,刘志山.电动汽车电池箱结构随机振动疲劳分析[J].汽车工程学报,2016,6(01):10-14.17李英,胡剑.基于专利分析的我国电动汽车电池技术发展趋势研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3．研究内容明确研究对象、研究内容及工作范围3.1研究对象汽车电池，电池温度，串联电池3.2研究内容及工作范围本文在综合国内外研究现状的基础上，围绕影响高寒地区电动汽车电池系统性能的低温问题和电池组电量不均衡问题开展深入研究。首先，针对电池温度特性进行理论分析与实验研究，分析电池内在特性参数不一致和环境温度对电池组性能的影响机理，揭示电池组电量一致性对生热、温度一致性以及电池组老化的影响。然后，开展电动汽车串联电池组低温热管理策略研究。主要研究内容如下:（1）开展环境温度和一致性对电池组性能影响研究从电池自身特性不一致和环境温度对电池组性能的影响角度出发进行分析，通过实验分析温度对电池容量、开路电压、内阻、功率等特性的影响。建立电池特性一致性分析模型，分别针对电池内阻、开路电压和SOC不一致进行仿真分析，并提出串联电池组容量和峰值功率衰减评价方法对上述不一致情况进行评价和分析。（2）开展电池运行峰值功率与内部温度估计方法研究为了实现对电动汽车电池系统预热后运行状态的监控，分别建立了电池内部温度估计模型和电池等效电路模型。在运行过程中根据实时电压和电流数据在线估计等效电路模型参数并结合电池电压和电流限制条件估计电池峰值充放电功率。根据电池表面温度和环境温度实时数据结合模型估计电池内部温度。（3）开展电动汽车串联电池组低温热管理策略研究通过对电动汽车电池系统低温运行状态分析，将运行模式分为电池低温预热模式和预热后运行状态监控模式。针对低温预热模式建立低温预热数学模型，结合对电池系统的功率需求和SOC状态确定预热目标温度，提出了基于比例因子自校正的变功率低温预热模糊控制方法，根据电池表面最大温差和电池平均温度调节预热功率，提升电池性能的同时减少预热能耗。（4）开展电池均衡结构及策略研究通过分析电池电量不均衡对电池组容量、功率以及温度特性的影响，制定了电池均衡系统设计要求。在此基础上提出了双向主动电量均衡结构方案，实现串联电池组内任意单体与模块整组之间的能量转移。结合该均衡结构特点提出了基于粒子群优化算法的电池电量均衡优化控制方法，以均衡时间和电量一致性作为均衡优化控制目标。通过与现有其他方法的比较证明了该方法的优越性。4．拟解决的关键技术或问题明确工作中的关键技术难点，提出解决的方法4.1技术难点电池运行峰值功率与内部温度估计方法研究、开展电池均衡结构及策略研究4.2解决方法针对电动汽车电池系统低温环境下性能衰减问题进行起动前电池组低温热管理策略研究。针对起动运行后电池峰值功率及内部温度无法实际测量的问题进行内部温度及峰值功率状态估计方法研究。5．研究方法1）选择科学的研究方法，制订完整的技术路线2）工作方案的可行性分析，预设研究中可能遇到的难点，提出解决的方法5.1.1研究方法本文旨在解决电动汽车电池系统由于外界环境温度和电池自身特性不一致引发的电池组性能衰减问题，以及由于电池soc不一致引发的生热及温度不一致问题。为了实现这一目的，本文分别从理论和实际角度出发对温度引起的电池性能衰减机理进行分析，针对电动汽车电池系统低温运行特点制定串联电池组低温热管理策略，在低温预热模式下采用基于变功率调节的低温预热控制方法提升电池性能，预热起动后进入运行监控模式估计电池内部温度和峰值功率状态。针对串联电池组电池电量不均衡引发的电池组性能衰减和生热及温度不一致问题，提出一种基于双向全桥的串联电池组主动均衡结构，实现串联电池组模块与模块内任意单体与之间的双向电量主动均衡。5.1.2技术路线5.2.1可行性分析本文研究所用的基础算法均已成熟，关键之处在于对算法进行改进以达到研究所需的目的。在研究过程中有大量的文献和实验方法可供参考，同时导师也可提供相应的技术支持，使得研究难度大大降低。本次研相应的难点均已找到对应的解决方法。综上所述，本次研究成功率很高。5.2.2技术难点电池运行峰值功率与内部温度估计方法研究、开展电池均衡结构及策略研究5.2.3解决方法针对电池组单体电量不一致引起的电池组容量、功率特性衰减以及温度不一致问题，开发串联电池组双向主动均衡系统，并以均衡时间和电量一致性为优化目标进行均衡优化控制方法研究。6．预期成果和结论对研究问题的解答进行科学预设，提出预期的成果和结论本文针对应用于高寒地区的电动汽车电池系统由于外界低温环境造成的电池组性能衰减问题，以及由于电池soc不一致引发的生热及温度不一致问题进行研究，开展了串联电池组低温热管理方法研究和电池均衡结构及控制策略相关研究。本文针对电动汽车电池系统由于外界环境温度和电池自身特性不一致引发的电池组性能衰减问题，以及电池荷电状态不一致引发的生热及温度不一致问题，对电池组容量及功率性能影响因素进行理论研究，结合实际运行中遇到的问题进行应用研究，并对所提出的策略和方法进行实验验证。

7．研究基础1）科学评估研究条件和实验条件以及自己的专业基础和导师的专业把控能力2）所需经费，经费来源，开支预算（工程设备、材料须填写名称、规格、数量）7.1.1实验条件课题组拥有实验用车和实验场地，可供研究使用，能满足研究所需的条件。7.1.2专业基础本科及硕士阶段均学习过电池相关知识，同时也学习过汽车电池的相关知识，满足基本的研究条件；此外，导师已从事多年汽车领域的研究，能有效把控相关技术难点，并给予一定的帮助。7.2预算文章费用2000元设备费用10000元试验费用10000元总计22000元8．工作计划（含