磷酸铁锂动力电池性能仿真及均衡技术研究

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伴随石油资源的日益匮乏与生态危机的愈发严重,随之而来的是油价的不断攀升与持续严重的雾霾污染,这些现象都在影响着我们的生活,充分开发新能源汽车势在必行,这不仅是汽车行业的趋势,更是国家的战略方向。电池技术是电动汽车发展的关键,电池成组应用技术是保证电池安全使用、估算电池状态、延长电池寿命所必需的。研究和建立电池的性能模型是进行电池SOC估算、均衡策略研究、整车性能仿真等的基础。磷酸铁锂(LiFePO4,简称LFP,也叫锂铁磷)电池性能优异并且具有较好的发展前景,通过对LFP电池展开实验研究,建立准确的电池性能仿真模型,并在此基础上研究搭建工作范围广,均衡效果好的电池组均衡方案。首先,文章对LFP动力电池的组织构造与运行机理展开分析,明确其开路电压、电流、等效阻抗、电动势、SOC以及SOH(State of Health)等的物理特性及内在联系,针对LFP电池的工作特性进行电池特性试验,获取其特性曲线。对比国内外主流电池性能模型,借鉴Massimo Ceraolo模型电路结构的优点,对其电压源与等效阻抗加以改善,获得本文电池模型。模型融入电池电压滞回特性,对欧姆内阻和极化内阻精度要求较高,对实验数据进行分析拟合得到模型参数。其次,根据电池模型的电路结构及其数学关系,在MATLAB/simulink软件环境中搭建电池的性能仿真模型,以UDDS,HPPC等代表性工况分别对模型进行仿真验证,其中验证对象加入一至四阶电池模型以及无滞回模块模型作为对比,对仿真数据进行分析比对,验证本文性能仿真模型的准确性及精度,最终确定电池模型的可行性。最后,分析LFP电池组不一致性产生的机理及危害,得到主要解决途径,明确均衡系统的设计方向。分析电池组不一致性外在表现及其量化方式,确定电池组的均衡判据。比较主流均衡电路拓扑结构及其优劣,选用储能电感及MOSFET等元器件,建立在静置及充放电状态均能实现相邻式均衡的电路结构,电路结构拓展性强,成本低。基于本文电池性能模型,以四节电池为例在Simulink中实现均衡电路的仿真模型。设计不同电池容量分布方案,分别在搁置,充电,放电三种工作状态下展开一致性控制测试,分析比对实验结果,验证均衡器件参数正确性及均衡模型有效性。
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