面向SOC估计的锂离子电池电化学—热耦合建模

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1、分类号：TP273单位代码：10183研究生学号：2015522062密级：公开吉林大学硕士学位论文（学术学位）面向SOC估计的锂离子电池电化学-热耦合建模SOCOrientedElectrochemical-thermalCoupledModelingforLithium-ionbattery作者姓名：李光远专业：控制理论与控制工程研究方向：新能源汽车指导教师：马彦教授培养单位：通信工程学院2018年6月面向SOC估计的锂离子电池电化学-热耦合建模SOCOrientedElectrochemical-thermalCoupledModelingforLithium-

2、ionBattery作者姓名：李光远专业名称：控制理论与控制工程指导教师：马彦教授学位类别：工学硕士答辩日期：2018年6月2日未经本论文作者的书面授权，依法收存和保管本论文书面版本、电子版本的任何单位和个人，均不得对本论文的全部或Ｖ修改、部分内容进行任何形方程的复制、发行、出租改编等有碍作者著作权的商业性使用（但纯学术性使用不在此限否则，应承担侵权的法律责任。吉林大学硕士学位论文原创性声明，，本人郑重声明：所呈交学位论文是本人在指导教师的指导下独立进行研究工作所取得的成果，本论文不包。除文中己经注明引用的内容外含任何其他个人或集体己经

3、发表或撰写过的作品成果。对本文的研宄做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方方程标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担＾学位论文作者签名：每先Ｉ日期：別？年月Ｉ日摘要面向SOC估计的锂离子电池电化学-热耦合建模学生姓名：李光远专业名称：控制理论与控制工程指导教师：马彦教授随着能源危机的深化，以及污染问题的日趋严重，电动汽车因其高节能、高效率等优点成为了汽车工业的新星，而动力电池是发展新能源汽车的关键。在电动汽车动力电池管理系统中，电池荷电状态和健康状态等状态量的估计、电池寿命的预测等都需要精确的电池模型。另一方面，在电池管理系统硬件环境

4、中应用的电池模型需要保证较好的计算效率。所以，同时保证较高的精确度和计算效率的机理模型就是必不可少的。本文首先搭建了锂离子电池简化一维模型，进而考虑了温度因素，搭建了电化学-热耦合模型，并从应用角度出发，设计了基于耦合模型的SOC估计方法。主要研究内容如下：首先搭建了精确度与计算效率都比较高的简化一维模型。分析了锂离子电池的工作机理，介绍了电池常用的电化学模型——准二维模型，并分析了准二维模型在应用时的两个数值问题：两个维度导致的状态量过多，和双曲正弦非线性导致的计算复杂度高。进而，本文针对准二维模型存在的两个问题，首先对准二维模型进行降维，搭建了一维模型，并进一步使

5、用Padé近似进行简化，最后提出了简化的一维模型。然后，采用J.Newman基于准二维模型编写的Fortran程序，验证了所搭建的模型的精确性，也分析了产生误差的原因，即对液相锂离子浓度变化的忽略以及参数误差。进而，由于在较高倍率充放电时，温度因素不可忽略不计。为了提高模型的精确性与适用范围，在所搭建的简化的一维模型基础上，考虑温度的影响，搭建了电化学-热耦合模型。首先分析了电池的生热原理与电池的热交换原理，并基于此搭建了基于Bernardi方程与牛顿冷却原理的电池的集中质量热模型，然后引入服从Arrhenius方程关系的电池内部参数变化，搭建了锂离子电池电化学-热耦

6、合模型。最后，使用考虑温度的准二维模型作为基准值，分别从端电压和温度两方面验证了所搭建的电化学-热耦合模型的精度。最后将电化学-热耦合模型应用于SOC估计中。首先分析了电化学-热耦合模型的特性，进而对基于耦合模型的估计问题进行分析，设计了基于电化学-热耦合模型的自适应SOC观测器，进而对各个估计量的渐进收敛性进行了Lyapunov分析，然后给出选择观测器增益的一般方法。最后，利用Fortran程序输出的SOC值作为参考，在恒流工况下对所设计的自适应观测器进行验证，估计器有较高的估计精度，验证了所搭Ⅰ建的电化学-热耦合模型可以有效地应用于SOC的估计中。本文的主要贡献为

7、：第一，解决了准二维模型的两个数值问题，提出了精确、计算效率高的简化的一维模型。第二，在简化一维模型的基础上，考虑了温度因素，搭建了电化学-热耦合模型。第三，将电化学-热耦合模型应用于SOC自适应估计器的设计中。关键词：锂离子电池，简化一维模型，Padé近似，电化学-热耦合模型，自适应SOC估计器IIAbstractSOCOrientedElectrochemical-thermalcoupledmodelingforLithium-ionbatteryCandidate:LiGuangyuanSpecialty:ControlTheoryandCo