【《锂离子动力电池组的建模和失控控制策略》11000字（论文）】

锂离子动力电池组的建模和失控控制策略目录第一章绪论 11.1研究背景 11.2锂电池工作原理及安全问题 11.2.1锂电池的工作原理 11.2.2锂离子电池的安全事故 31.3锂离子电池的热失控、扩展 41.3.1锂离子电池热失控机理 41.3.2热失控扩展 51.4锂离子电池安全防护措施 61.5本文研究内容 8第二章锂离子动力电池组的建模 92.1锂离子电池单体模型 92.2二阶RC等效电路模型的建立 132.2.1SOC估计方法 132.3电池组的建模及热量计算 152.3.1电池组的建模 152.3.2电池组热量计算 162.3.3电池组产热模型 17第三章锂离子电池热失控控制策略 193.1控制思想 193.2基于PID控制的锂离子电池温度分段控制实现 253.2.1基于PID的温度控制策略研究 253.2.2基于PID的分段温度控制策略研究 29致谢 31参考文献 32

第一章绪论1.1研究背景20世纪以来，全球资源紧缺，全球生态环境也在日益恶化，各国都在努力寻求解决之道。目前，石油、煤炭、天然气这些传统能源仍占据全球大部分的能源市场但是随着人们生活水平的不断提高和工商业的高度发展，能源资源竞争日趋激烈。此外化学能源的消耗还会导致严重的环境污染问题，如二氧化碳排放量超标、温室效应、酸雨、大气污染等量为2.51吨。燃油汽车尾气的排放是大气污染的主要来源，多个欧洲国家颁布相关法律禁售燃油汽车。中国则是更为积极主动的推动新能源汽车的发展，环保新能源汽车采用的主要是非燃油动力装置,不需要燃烧汽油、柴油等,而是采用清洁能源,比如:电力、太阳能、氢气等。这样,就减少了二氧化碳等气体的排放,从而达到保护环境的目的。我国已成为全球新能源汽车的最大市场，锂电池是新能源汽车的主要动力来源，其安全性能也受到国内外的重视，因为电池自身的物理电化学特性仍然存在一定的安全隐患据不完全统计，2020年1月1日至11月8日国内新能源乘用车已发生了27起自燃事件，这些自燃的新能源车涉及到16个品牌共18款（纯电动、插电式混合动力和增程式电动）车型。在其他的领域，比如便携式设备，手机、笔记本电脑、航空航天、舰船等等锂电池的应用也越来越广泛，所以锂电池的安全问题已成为新能源领域需要解决的关键问题。1.2锂电池工作原理及安全问题1.2.1锂电池的工作原理锂电池具有高储存能量密度，已达到460-600Wh/kg，是铅酸电池的约6-7倍，且锂电池使用寿命可达到6年以上同时锂电池还具有自放电率低、重量轻、绿色环保，有较强的温度适应能力可在-45℃--60℃的环境下使用。现如今锂电池被广泛的应用在储能电网，新能源汽车、航空领域等各个方面。相应地锂电池在实际应用中可分为电池单体，电池组等形式。1970年，代埃克森的M.S.Whittingham采用硫化钛作为正极材料，金属锂作为负极材料，制成首个锂电池，1980年Goodenough等人[1]发现嵌入锂离子的氧化钴可以产生高达4伏特的电压，更加一步证实了钴酸锂（LiCoO2,LCO）作为锂电池电极的应用价值，1982年伊利诺伊理工大学（theIllinoisInstituteofTechnology）的R.R.Agarwal和J.R.Selman[2]发现锂离子具有嵌入石墨的特性，此过程是快速的，并且可逆。与此同时，采用金属锂制成的锂电池，其安全隐患备受关注，因此人们尝试利用锂离子嵌入石墨的特性制作充电电池。首个可用的锂离子石墨电极由贝尔实验室试制成功。2018年7月15日，从科达煤炭化学研究院获悉，一种由纯碳作为主要成分的高容量高密度锂电池用特种碳负极材料在该院问世，这种由全新材料制备的锂电池可以实现汽车续航里程突破600公里[3]。当今市场上常见的电池正极材料有钴酸锂（LiCoO2）、锰酸锂（Li2Mn2O4）、镍酸锂（LiNiO2）、磷酸铁锂（LiFePO4）、镍钴铝三元（LiNixCoyAl(1-x-y)O2）等。锂电池负极材料多采用石墨。另外锂金属、锂合金、硅碳负极、氧化物负极材料等。锂电池的隔膜是一种经特殊成型的高分子薄膜，薄膜有微孔结构[4]，可以让锂离子自由通过，而电子不能通过，市场上的隔膜材料主要是以聚乙烯（polyethylene，PE）、聚丙烯（polypropylene，PP）为主的聚烯烃（Polyolefin）类隔膜，其中PE产品主要由湿法工艺制得，PP产品主要由干法工艺制得其中PP产品相对更耐高温、密度比PE小、熔点和闭孔温度比PE高，环境适应能力更强等优点。锂离子电池电解液材料重点在于高安全性、高环境适应性，电解液是实现锂离子电池正、负极之间离子传导载体，大部分电解液是由浓度较高的有机溶剂，锂盐和一些添加剂组。常见的电解质锂盐有LiPF6、LiBF4、LiCIO、LIAsF6、LiCF3SO3等，常用的有机溶剂有碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯等[5]。图1.21为锂电池的结构图1.2.1锂离子电池的结构锂离子电池是一种充电电池，它主要是通过锂离子在正负极间来回移动来工作。充电池时，Li+从正极材料中出来，经过电解质嵌入负极此时电池负极处于富锂状态；放电时则相反。锂电池充放电时正负极反应如1.1~1.3式。充放电充放电正极反应：LiMxOy Li1-xMXOy+xLi++xe-（1.1）充放电充放电负极反应：nC+xLi++xe- LixCn （1.2）充放电充放电电池反应：LiMxOy+nC Li1-xMXOy+LixCn（1.3）锂电池正常充放电的过程中，锂离子在电池正负极之间的进出并不会破坏电极材料的结构。但在对电池进行过充时金属锂的表面沉积非常容易聚结成枝杈状锂枝晶，从而刺穿隔膜，造成正负极直接短路。1.2.2锂离子电池的安全事故锂离子电池虽然具有高效、节能、环保等优点但近年来它的安全问题也备大众受关注，电池火灾可发生在各种应用场所，比如手机、纯电动车、工厂等。下表1.1给出了部分近年来由锂离子电池热失控而造成的安全事故表1.1锂离子电池热失控而造成的安全事故时间事故地点事故诱因2018.01苹果手机爆炸瑞士（苏黎士）充电过程中突然爆炸2019.06江玲E400行驶过程中发生自燃中国（常州）行驶过程中突然起火2019.06宝马i3积水中自燃中国（武汉）积水中电池自燃2019.03特斯拉ModelS充电搁置时自燃中国（上海）充电自燃并蔓延2020.02纯电动客车静置自燃中（呼和浩特）电瓶漏液2020.02某超市设备房发生火灾中国（上海）电动工具锂电池故障起火2020.05南京依维柯行驶时自燃中国（深圳）追尾起火2020.05比亚迪秦proEV充电时自燃中国（深圳）充电自燃引起锂离子电池的安全问题常见的原因有：过充、过放、电池短路、热冲击、针刺以及电池生产工艺上的缺陷等均会导致热失控[6]发生。当电池发生热失控时其内部材料和电解液会发生反应释放出热量进而造成电池失火同时可能会伴随大量有毒气体和可燃气体[6~9]。新能源电动汽车中动力电池一般是由多个电芯组成，在这种情况下，若某块电芯着火通过对流或者热传导和火焰直接加热，热失控就会向相邻的电芯扩散最后造成火灾爆炸事故，所以电池热失控传播和阻隔机制的研究受到国内外科研人员的关注。1.3锂离子电池的热失控、扩展1.3.1锂离子电池热失控机理热失控是锂离子电池出现的最为严重的安全问题而诱发热失控的原因多种多样，大致可分为：电滥用（过充，短路等）、机械滥用（针刺、挤压等）、热滥用[10~13]。在滥用的条件下电池内部的活性材料与电解液接触并发生化学反应产生大量的热量，当电池的产热速率大于散热速率时这些热量不能及时的散发出去，导致电池内部温度上升加剧了电池内部的化学反应，图1.3.1为电池热失控诱因总结。图1.3.1为电池热失控诱因总结内部短路作为电池产生热失控的主要原因，近年来对于内部短路的研究引起了许多学者的关注，清华大学联合美国阿贡国家实验室、斯坦福大学、等[14]共同对电池内部短路问题展开了研究，提出了基于模型的故障诊断方法来检测电池的内部短路，通过试验验证了算法的有效性并讨论了内部短路对电池OCV和内阻的影响，在内部短路试验中观察到了融合现象，分析了融合现象的影响因素，图1.3.2为锂离子电池在受热条件下热失控演变机理，当电池温度达到90～100℃时，锂盐LiPF6开始分解,对于充电状态的碳负极化学活性非常高接近金属锂,表面的SEI膜发生分解发生下列式1.4的反应，随后负极失去隔膜嵌入石墨的锂离子与电解液黏合剂发生反应。导致电池内部环境上升到130~150℃会引发电池隔膜闭孔.从而阻断外部短路的电流回路，但如果温度继续上升，隔膜会在190℃左右解体，引发内部短路，产生的热量使电池温度升高，进而引发电池正极材料发生分解反应，电解质发生氧化反应，释放大量的热，电池内部产生高温和大量有毒气体最终导致电池燃烧爆炸等。图1.3.2锂离子电池在受热条件下热失控演变机理2(CH2OCO2Li)2 2Li2CO3+2C2H4+2CO2+O2(1.4)1.3.2热失控扩展在动力电源和储能系统中为满足实际生活需要，往往是将大量的单体电池进行串并联形成电池模组或电池簇。当电池模组中的某个电芯发生热失控其产生的能量和火焰通过各种方式向相邻的电芯传播[15]如下图1.7所示，如果没有得到有效的阻隔就会造成整个电池系统失控发生火灾。图1.3.3热失控扩展过程目前国内外对于锂离子电池热失控传播的研究较少，SpotnizRM等[16]用8只18650型圆柱电池构成的电池模块为研究对象，计算出电池模块中的任意一电池发生热失控时模块内其他电池的温度-时间曲线。该研究表明，单体电池热失控时释放热量越大，且电池模块向周围的散热越差越容易引起电池模块的热失控传播。清华大学的冯旭宁等[17]以由6只NCM三元锂离子电池组成的电池模组为实验对象，通过针刺法触发第一个单体电池产生热失控监测得到各单体电池的电压和温度，研究了热失控的传播特征，研究表明当发生热失控的单体电池的相邻电池的温度上升到65~116°C时容易发生热失控传播：热失控在电池单体之间的传播间隔通常为2min~4min：热失控电池的最高温度可为764°C~930°C。该研究还表明热失控传播中的热量传递主要通过电池壳间的热传导实现，电池喷射火焰传递的热量可以忽略不计。Lamb等人[18]分别用5块软包电池组和10块18650型电池组为研究对象，利用针刺法去随机触发电池组中的一块电池发生热失控，对比分析电池的连接方式和电池单体间接触的面积对电池单体间的热传播的影响，研究结果表明并联方式和增加接触面积都会加剧热失控的传播。1.4锂离子电池安全防护措施单个锂离子电池热失控导致的后果往往不严重但是热失控传播则可能导致严重事故。从现有的国内外研究电池热失控传播抑制技术研究成果看可将抑制手段分为隔热和散热两种方式。WestonArthurHermann等提出了可以通过添加隔离装置的达到热防护的措施，当热失控发生时，隔离层可以有效的降低对邻近电池的热影响，保证热传播有效阻隔在隔离装置内：杨凯等人提供一种包含硅酸盐骨料、硅溶胶、苯丙乳液表面活性剂、活性填料、固化剂、水玻璃、憎水剂的新型隔离材料,该隔离材料可以在电池热失控或者起火的情况下发生阻燃和隔热的效果，可以有效的抑制热传播的扩散，该材料中加入的增强纤维可以在电池出现热失控导致电池膨胀的时候有效的保护电池结构。美国FAUST等最早提出将热熔化封闭这一想法应用到电池热失控防范中，利用含有石蜡的无纺布隔膜，当温度升高时石蜡融化将堵住隔膜微孔，而具有高热稳定性的无纺布可以提供支撑避免电池短路。但制作这种隔膜对工艺的要求极高。BAGINSKA等提出将功能型微球加入电池，以实现高温热封闭，为了提高功能型微球的热响应速度，武汉大学的吉维肖等人[17]将一种直径只有1μm的乙烯-乙酸乙烯聚合物（EVA）微球涂在聚烯烃隔膜上，制作出一款方便使用的热关闭隔膜。当电池内温度高于90°C时EVA微球融化并在隔膜表面形成紧密聚合物绝缘膜，阻止电池正负极间的离子传输从而关闭电池反应。图1.4.1离子传输热熔化封闭原理图吉维肖等人还提出可将3,4-乙烯二氧噻吩单体（EDOT）加入电解液中，实验结果表明在电池充电过程中单体添加剂可以发生电氧化聚合并在正极形成聚3,4-乙烯二氧噻吩（PEDOT）,采用DSCQ200分析结果显示PEDOT成功阻止了正极表面和电解液的直接接触减少了过热条件下电解液与正极材料反应放热，实验结果表明在电解液中仅加入0.1％的EDO即可将电池在150°C高温热冲击下发生热失控的时间推迟13.8min，同时PEDOT还具有良好的导电性能这很好的提高了正极电子的传导能力，在一定程度上提高了电池的放电倍率和循环稳定性。国内对于新型灭火剂对锂离子电池热失控抑制的研究也有许多新成果如，郭君、贺元骅等人[19]利用水蛭石分散液灭火剂（AVD）对21700型锂离子电池（BI）热失控进行研究，研究表明AVD可以通过隔离可燃物、隔氧窒息以及吸热降温来抑制锂离子电池热失控传播同时BI爆炸后释放的AVD还可以有效的减少CO的产生。李毅、于东兴[20]等人用不同的灭火剂对18650型钴酸锂锂离子电池进行灭火实验，实验结果表明ABC干粉灭火剂，CO2灭火剂，水基型灭火器在对锂离子电池进行灭火后的几秒内均出现了复燃现象，采用喷雾强度为2.0L/(min∙m上海交通大学的瞿晓华[21]分别对电池采用了独立水冷和独立风冷两种方法搭建了两套电动车热管理系统，并通过环境模拟实验得出水冷方案具有更好的降温效果同时电池的SOC消耗也更小。瞿晓华以节能为目标并结合了模糊神经网络控制理论建立了完整的电动车热系统的控制模型，根据输入条件判断，在各控制对象中找到一种最适用的控制方法，使得电动车电池以及车内达到理想的温度的同时满足节能的要求。湖南大学的艾志华[22]以纯电动汽车为研究对象建立了一种集成式热管理系统结构，利用MATLAB/simulink和AMESim进行联合仿真，对电池热管理系统采用了逻辑门限控制策略，采用PID控制和模糊控制对电动压缩机进行调速度，电子节流膨胀阀采用PID控制，在不同温度环境下车辆的制冷制热效果都能到达理想的值。电子科技大学孙磊[23]通过研究在温度不断上升时锂离子电池的性能变化以及锂离子电池温度上升影响因数的研究选出最合适的温度作为锂离子电池的温度阈值。从锂离子电池工作的环境温度，电池内阻，工作电流等对温升的影响等因数中选取一个影响力最大的作为控制变量，使用模糊控制算法对工作电流进行控制从而达到控制电池内部温度，防止过温状态的出现。1.5本文研究内容本文主要的研究内容如下（1）第一章：描述本文研究背景及意义同时介绍锂离子电池工作原理，电池热失控和传播原理，以及现有的国内外锂离子电池安全防护措施。（2）第二章：介绍了几种常见锂离子电池单体模型，详细介绍4种了等效电路模型原理图并在Matlab中建立了二阶RC等效电路模型。利用所建立的电池单体模型对其进行串联和并联，在Matlab中建立了一并四串电池组模型和两并两串电池组模型。分析电池单体参热的原因，以及热量的组成部分，利用Q=I2R（3）第三章：基于PID控制对一并四串的电池组产热模型进行控制，通过控制输入电流的大小来达到控制电池组温度的目的同时利用PID建立了一个模块来模拟电池的散热系统。在有PID控制电流输入的一并四串模型基础上，增加了相应的电流控制模块当电池平均温度小于35摄氏度时候，3A放电。当电池平均温度大于35摄氏度且小于45摄氏度时，使用PID电流控制，当电池组中有某个电池单体温度大于45摄氏度时，电流为0，实现对电池单体的切断，以达到电池分段温度控制策略的实现。

第二章锂离子动力电池组的建模2.1锂离子电池单体模型电池性能模型是用来描述电池的工作特性与电池工作影响因数之间的数学关系，它考虑了电池的内阻，循环充放电次数，电压，电流，SOC，功率等因数。目前国内外研究文献中常出现的电池模型有电化学模型、等效电路模型、神经网络模型、热模型电化学模型（1）电化学模型电化学模型是在电化学反应方程式的基础上并结合数学方法描述电池内部化学反应过程在实际生产应用中锂离子电池内部会发生一系列的反应这也导致了电化学模型的复杂性，学者大多使用的是简化了的电化学模型。电化学模型多用于研究电池内部工作机理和化学反应过程以及电池结构优化设计，常用的电化学模型有平均电极电化学模型[24]，多项式近似多孔电极电化学模型[25],单粒子电化学模型[25]。（2）神经网络模型神经网络模型是由大量简单的神经元相互连接形成的一个复杂的网络系统，是一个高度的非线性动力学系统。神经网络可以对大量原始数据进行训练，具有较强的自适应力和自学能力，适用于需要同时考虑多个因数和条件、不精确和模糊的信息处理问题因此神经网络模型可以用于电池模型如图2.1.1为一种常见的三输入两输出的神经网络电池模型图2.1.1神经网络电池模型（3）热模型电池在循环的充放电过程中会形成电流而电流的本质则是电子的定向移动，电流的产生会引起电池发热引起电池温度升高，温度对电池工作性能有着至关重要的影响因此研究人员利用电池的热模型来对电池的温度特性进行研究。根据不同原理可将电池热模型分为、热滥用模型

、电-热耦合模型。（4）等效电路模型电池的等效电路模型是目前应用最为广泛的模型它能很好的描述出电池的工作特性，等效电路模型无需对电池内部的化学反应深入研究，通过电阻、电容等器件组成的电路来描述电池工作时的开路电压、直流内阻、极化内阻，以实现对电池外特性的表征。电池极化主要由欧姆极化、电化学极化、浓差极化组成。欧姆极化是由电极材料、导电材料、连接阻抗形成的电池内阻引起的，电化学极化是由电化学反应引起的，浓差极化是由电极表面反应物消耗速率大于补充速率引起的。在等效电路模型中研究人员往往串联一个电阻来表征欧姆极化而电化学极化和浓差极化无法简单的通过电阻来表征，往往通过一阶或多阶RC电路来表征，下面解释几种常见的的等效电路模型。1）内阻等效电路模型该模型是将电池视为电阻和一电压源串联而成，是一种最简单的电池等效模型如图2.12。等效电路电压源E和电阻R随电池状态是时刻变化的。相关参数容易得到，建模仿真也容易实现但是该模型的精度不高，不能精确体现蓄电池特性在充放电工况变化时的过渡过程。根据基尔霍夫电压定律，内阻等效电路模型的电路响应可表示式2.11：U=UOCV−I图2.1.2内阻等效电路模型UOCV代表电池开路电压，R0为电池欧姆内阻，U为端电压，I代表流过电池的电流2）PNGV等效电路模型PNGV模型在一阶模型的基础上串联了一个电容Cp用来描述负载的电流随时间累计产生的开路电压变化。PNGV模型比较适合模拟电池的动态性能但没考虑过充电过程，不适合对电池的长时间稳定充放电仿真。图2.1.3PNGV等效电路模型根据PNGV等效电路模型原理图可列出模型的状态方程：UP=1Us=1R观测方程：U=UOCV−URs:等效的极化内阻，Cs:等效的极化电容，Re:等效内阻，Cp3）Thevenin等效电路模型该模型也称之为一阶RC模型该模型是由一个包含电阻和电容的并联电路加上一个电压源共同组成。Rs和Cs构成的回路来模拟电池的动态过程。Thevenin等效电路模型的优点在于它考虑到了电动势与SOC图2.1.4Thevenin等效电路模型根据Thevenin等效电路模型可以列出电路响应的表达式：Us=1U=UOCV−Rs:等效的极化内阻，Cs:等效的极化电容，R（4）二阶RC等效电路模型二阶RC模型，在一阶等效电路模型的基础上再串联一组RC回路，组成二阶RC等效电路模型如图2.15。二阶RC模型的优点在该模型通过一个串联电阻和两个RC电路表示电池的内部电阻和瞬态响应，很好地兼顾电池的稳态特性和暂态特性但该模型的没有考虑自放电和温度的影响。由图可列出电路响应表达式Us1=−Us2=−U=UOCV−Rs1,Rs2为等效的极化电阻，Re为等效内阻，图2.1.5二阶RC等效电路模型2.2二阶RC等效电路模型的建立因为二阶RC等效电路模型在实际应用中有较高的价值深受科研人员的喜欢，所以本文也在Matlab/Simulink中建立二阶RC等效电路模型。2.2.1SOC估计方法电池容量(SOC)是锂离子电池的主要特性参数之一，是用来反映电池的剩余容量，其在数值上定义为剩余电容量与电池容量之比。SOC可以过端电压，电流和电池的内阻等相关参数来估计。在电池管理系统领域内电流积分法及按时计量法是该领域内最为常用的SOC估算方法。其原理是在电池充电或放电的时候，累计电池增加或者减少的电量来估算电池的SOC，同时根据电池的放电率和温度对估算出的SOC进行一定的补偿,安时积分法表达式如（2.2）SOCt=SOCSOCt：某个时刻电池的电荷量，SOCt0：电池的初始电荷量，CN：电池的额定容量,I下图2.21为根据式（2.2）在Simulink中的建模。图2.21安时积分法建模本文以iNR18650-30Q三元锂离子电池为研究对象，并结合图2.15所示的二阶RC等效电路原理图在Matlab中利用Simspace模块进行建模得到二阶RC等效电路模型如下图2.22图2.22二阶RC等效电路模型

2.3电池组的建模及热量计算2.3.1电池组的建模本文以INR18650-30Q型号的电池为研究对象，INF18650-30Q是由三星公式研发生产的具有3000毫安时高倍率高容量3000mAh18650动力钴酸锂电池，适合较大放点电流的使用环境。具体参数详情请参考下表2.31表2.31型号SamsungINR18650-30Q额定电容量3000mAH额定电压3.6V放电终止电压2.5V最大连续放电电流15A形状64.85mm(L)×18.33mm(D)本文建立了两并两串的电池组模型如图2.3.1和已经四个电池单体串联的电池组模型如图2.3.2。图2.3.1两串两并电池组模型图2.3.2四串电池组模型2.3.2电池组热量计算在锂离子电池充放电过程中随着化学反应的发生，电池内部的锂离子不断的在正负极之间嵌入脱出这个过程会伴随着吸热和放热。电池热量的产生主要分为：反应热，焦耳热，机化热以及副反应热，电池总热量的公式为式（2.31）。Q=Qr+Qr：反应热，Qj：焦耳热，Qp：极化热Qr是反应热:是指在电池充放电过程中电化学反应过程里产生的热量，与反应过程中的嫡变有关，充电状态时，该值为负值（即吸收热量)，放电状态时，该值为正值（即释放热量)，反应热QrQr=nmQIMFn表示电池单体个数;m表示正负电极质量;Q表示电池正极电化学反应产生热量和负极电化学反应产生的热量的代数和;Ⅰ表示充放电电流大小，单位为A;M代表摩尔质量,单位为g/mol;F表示法拉第常数,其值为96484.5C/mol.Qj是焦耳热，因为电池的材料存在电阻，电流流经时便会产生热量，部分热量是不可逆的，在充放电过程当中均为正值Qj=I2RⅠ为电流强度，单位为A;ReQp是极化热:由于电池的平均端电压与开路电压的差异，这部分压降而产生的热量即极化热。它与电池种类、电流大小、环境温度等有关。在充放电的状态下其值均为正值。在电池等效电路模型中会串联一个极化内阻RQp=Ⅰ为电流强度，单位为A;Rp为电池的内阻，单位为ΩQs为副反应热，该部分热量产量很小所以忽略不计。因为本文所采用的是二阶RC等效电路模型Q=Qp2.3.3电池组产热模型本文建立了两并两串电池组和由四个电池单体串联组成的电池组的产热模型。在二阶RC等效电路模型基础上结合式（2.25）在Matlab/simulink中建立如下模型如图2.3.3图2.3.3电池单体产热模型将每个电池单体产生的热量进行相加并通过ConvectiveHeatTransfer模块来模拟每个电池单体之间释放热量对相邻电池的温度的影响。假设一号电池是与外部接触的，本文还建立了一个模块来模拟外界的温度变化。图2.3.4两并两串电池组产热模型假设外界温度启始为26°C时此时两串两并电池组产热情况如下图2.3.5图2.3.5两串两并电池组产热结果

第三章锂离子电池热失控控制策略3.1控制思想本文对锂离子电池温度分段控制研究策略的思想是受到了电机串联电阻分级启动的影响，由3.1小节的研究可知道电机在启动时是通过不断的切除串联的电阻达到目的。本文所建立的电池组热量计算模型只与各电池单体中的等效电阻，欧姆极化电阻，流过电池组的热量有关。把四个相串联的电池单体想成四个依此串联的电阻，当某个串入电路的电池单体温度达到设定值时就将该电池单体切除。本文以直流电机为研究对象并在Matlab/Smulink中建立了直流电机分级启动模型，下表3.1为直流电机相关参数，使启动电流为额定电流的2.5倍,启动电流IS=2.5IN；启动转矩TS2=2.5T表3.1直流电机相关参数额定电压U220V额定转述n3000额定电流I88.9A额定功率P17KW电枢绕阻R0.087Ω理想空载转速：n0=U电枢回路串接电阻是启动电流为IS=Un/(Ra3.1.1直流电机串电阻分级启动原理图由于起动转矩T大于负载转矩TL，电动机受到加速转矩的作用，转速由零逐渐上升，电动机开始起动。在图3.12曲线ab中，由a点沿曲线上升，反电动势亦随之上升，电枢电流下降，电动机的转矩亦随之下降，加速转矩减小，上升到b点时，为保证一定的加速转矩，控制触点S3闭合，切除电阻R3。b点所对应的电枢电流玉称为切换电流，其对应的电动机的转矩TS1称为切换转矩。切除R3后，电枢回路总电阻为R=Ra+R1+R2这时电动机对应于由电阻R所确定的人为机械特性，见图3.1.2曲线cd。在切除起动R3电阻的瞬间，由于惯性电动机的转速不变，仍为n，其反电动势亦不变。因此，电枢电流突增，其相应的电动机转矩也突增。适当地选择所切除的电阻值R3，使切除R3后的电枢电流刚好等于IS2，所对应的转矩为TS1,即在曲线cd上的c点。又有TS1<TS2，电动机在加速转矩作用下，由c点沿曲线上升到d点。控制点S2闭合，又切除R2起动电阻。同理，由电动机的转速度不变图3.1.2直流电机分级启动特性曲线由式（3.11）~（3.13）可推出得到分级启动时电机所需要串联的电阻大小分别为：R1=0.1088Rn−n0=b点：n−nbc点：n−nb由式（3.12）和式（3.13）可得式（3.14）R3'R2'同理可得式（3.15），（3.16）R2'RR1'Ra'通过计算得到分级启动时电机所需要串联的电阻大小分别为：R1=0.1088R电阻的切除时间为：R3应在4.214s时切除，R2应在6.088s时切除，R1应在下图3.1.3为直流电池分级启动时串入电阻模块图3.1.3串联电阻模块图3.14串联的电阻大小通过计算，得出Aa段转速过渡方程为（0-4.214s）;n=n3L+nF0Ac段转速过渡方程为（4.214s-6.088s）;n=n2Ae段转速过渡方程为（6.088s-6.922s）;n=n1L+Ag段转速过渡方程为（6.922s以后）n=n0结合（3.17）~（3.2）在Matlab/Smulink中进行建模得到直流电机分级启动转速仿真结果图图3.15电机分级启动转速变化根据式（3.21）和（3.22）在Matlab/Smulink中建模可以得到电机分级启动时的电流特性曲线图3.17和机械特性曲线图3.18。I=U−CeT=Ct图3.16电机分机启动模图3.17电流特性曲线型图3.18转矩特性曲线3.2基于PID控制的锂离子电池温度分段控制实现PID控制策略发展至今已有近70余年的历史，PID控制的结构简单，稳定性强，可靠性高，是工业控制的主要技术之一。当我们不能清楚的知道被控对象的结构和相关参数时，或通过现有的技术手段很难获得相关参数时，这种情况下最适合用PID控制技术。PID控制根据设定的理想值与实际输出值的差值，将差值按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制消除偏差。3.2.1基于PID的温度控制策略研究本文建立了一并四串的电池组产热模型并对其采用PID控制，通过控制输入电流使得电池组的温度控制在理想的设定范围呢。本文将PID参数分别设置为1、0.96、50，环境温度设置为每分钟升高1°C。仿真结果入下图3.2.2，图3.2.3。图3.2.1基于PID控制的一并四串电池组产热模型图3.2.2温度变化由图3.2.2可知经由PID控制电池组的温度很好的控制在了26°C左右而没有PID控制时电池组的温度达到了28.23°C图3.23电流变化由图3.2.3可以看出电池的输入电流在PID的控制下逐渐变为0甚至由变为负值的趋势，这是因为PID控制是根据输入的温度和设定的温度之间差值对电流进行调整，随着外界温度的不断上升温度差值会逐渐增大。在PID的控制下就会不断的减少电流，但是因为热量Q=I2R,尽管电流不断减小为负值但是实际上热量还是在不断上升。为了使得控制效果更理想化，理论上可以通过不断的调试PID如图3.2.4本文采用PID控制模拟一个散热系统，使得外界温度的上升与设定温度的差值差尽量在可调节的范围内以防止电流出现负值。图3.2.4散热系统图3.2.5电流变化图3.2.6温度变化由图3.2.5看出此时电池组的电流也没有出现负值，图3.2.6看出电池组的温度也得到了更好的控制3.2.2基于PID的分段温度控制策略研究在电池组的实际应用中，热失控的传播往往是应为电池组中的某一块电池发生热失控然后传播到相邻电池组中，为了解决这一问题本文采用在PID控制策略基础上对最先达到预设温度的电池单体进行切断以防止热失控的传播。为了达到PID的分段温度控制的目的，本文增加了相应的电流控制模块如下图3.31当电池平均温度小于35摄氏度时候，3A放电。当电池平均温度大于35摄氏度且小于45摄氏度时，使用PID电流控制，当电池组中有某个电池单体温度大于45摄氏度时，电流为0，实现对电池单体的切断。图3.3.1电流控制模块图3.3.2电流变化由图可以看出在1350s时电池组的温度达到35°C开始采用PID对电流进行控制，在1642s时电池组中的某一电池单体温度超过了45°所以将电流设置为0对改电池单体进行切断。

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