本書是一部關(guān)于動力鋰離子電池應用中的狀態(tài)監(jiān)測、能量控制調(diào)節(jié)與安全管理技術(shù)的書籍。全書以動力鋰離子電池管理系統(tǒng)應用理論和設(shè)計方法為基礎(chǔ),主要講述了新能源測控與電源管理的關(guān)鍵技術(shù),為動力鋰離子電池管理系統(tǒng)的設(shè)計和應用提供了技術(shù)參考。
全書共10章,主要包括鋰離子電池與管理系統(tǒng)概述、BMS參數(shù)測量與控制策略、鋰離子電池的狀態(tài)測定與評價、鋰離子電池的等效建模及其參數(shù)辨識、鋰離子電池SOC估算方法、鋰離子電池SOC估算設(shè)計實例、電池組的均衡控制管理、BMS中的CAN通信技術(shù)、BMS集成電路與設(shè)計實例、鋰離子電池性能測試與BMS故障診斷。
本書針對動力鋰離子電池應用的技術(shù)要求,以BMS的研發(fā)、應用與電源管理為出發(fā)點編著而成,特色鮮明、講解清晰、內(nèi)容系統(tǒng)、實例豐富,既可作為高等院?刂瓶茖W與控制、自動化、電氣工程等相關(guān)專業(yè)的教材,又可作為新能源測控技術(shù)應用與研究人員的參考用書。
講解新能源測控與電源管理的關(guān)鍵技術(shù),內(nèi)容系統(tǒng)詳盡,為電池管理系統(tǒng)的設(shè)計和應用提供了技術(shù)參考。
講解清晰、內(nèi)容系統(tǒng)、實例豐富,極具實用性。
能源和環(huán)保問題日益受到國內(nèi)外各界人士的關(guān)注,新能源汽車已經(jīng)成為汽車工業(yè)的重要發(fā)展方向。進入21世紀以來,全球范圍內(nèi)掀起了新能源汽車的研發(fā)熱潮。雖然各國發(fā)展新能源汽車的技術(shù)路線各不相同,但動力電池作為新能源汽車的關(guān)鍵部件和關(guān)鍵技術(shù),一直受到重視。
近年來,動力電池技術(shù)飛速發(fā)展并逐步成熟,鋰離子電池已經(jīng)成為新能源汽車用動力電池的主體。在鋰離子電池組儲能和供能過程中,電池管理系統(tǒng)(Battery Management System,BMS)對其工作狀態(tài)進行監(jiān)測和能量管理。由于鋰離子電池組工作對象安全性要求高、工況復雜,應用中的能量控制管理和SOC估算成為研究熱點。
在動力電池技術(shù)飛速發(fā)展的同時,編著者通過長期的研究發(fā)現(xiàn),單體電池技術(shù)的進步并不代表成組應用的動力電池組整體壽命的提高,串并聯(lián)后的電池組性能并非單體電池性能的線性疊加。一致性控制、成組技術(shù)、充電技術(shù)、電池監(jiān)控和管理、熱管理控制、狀態(tài)估算、均衡技術(shù)和性能測試技術(shù)等逐步成為新能源汽車用動力電池應用技術(shù)的關(guān)鍵和核心。
在總結(jié)多年從事動力鋰離子電池管理系統(tǒng)開發(fā)所形成的電池成組應用理論、經(jīng)驗和設(shè)計方法的基礎(chǔ)上,編著者從新能源測控與電源管理的角度,結(jié)合新能源汽車等對動力鋰離子電池的技術(shù)要求,以鋰離子電池應用與電源管理為出發(fā)點,編著本書。希望通過對新能源測控與電源管理的理解和經(jīng)驗的總結(jié),能夠?qū)恿︿囯x子電池管理系統(tǒng)的設(shè)計、匹配和應用提供一些技術(shù)方面的參考,為我國新能源技術(shù)應用事業(yè)的發(fā)展做些貢獻。
全書共10章。其中,第1章為鋰離子電池與管理系統(tǒng)概述,使讀者可以對鋰離子電池以及電池管理系統(tǒng)有一個全面的認識,為后續(xù)鋰離子電池的相關(guān)學習打下基礎(chǔ)。第2章主要介紹了BMS參數(shù)測量與控制策略。第3章主要介紹了鋰離子電池的狀態(tài)測定與評價,即鋰離子電池的容量、內(nèi)阻測定與電池健康狀態(tài)評價。第4章主要介紹了鋰離子電池的等效建模及其參數(shù)辨識。第5章和第6章主要介紹了鋰離子電池SOC估算方法和SOC估算設(shè)計實例。第7章主要介紹了電池組的均衡控制管理。第8章主要介紹了BMS中的CAN通信技術(shù)。第9章主要介紹了BMS集成電路與設(shè)計實例。第10章主要介紹了鋰離子電池性能測試與BMS故障診斷。
本書由西南科技大學新能源測控研究團隊執(zhí)筆完成,研究團隊一直聚焦新能源檢測與控制領(lǐng)域,在教學、科研方面具有豐富的經(jīng)驗和產(chǎn)學研密切結(jié)合的優(yōu)良傳統(tǒng)。團隊根據(jù)自身的成果和參閱的相關(guān)資料編著本書。王順利老師構(gòu)建了整體框架并執(zhí)筆完成第1章、第5章和第6章,于春梅教授主導編寫第2章和第3章,李小霞教授主導編寫第4章,畢效輝教授主導編寫第7章和第8章,鄒傳云教授主導編寫第9章,靳玉紅老師主導編寫第10章。其他參與編著的有范永存、喬靜、胥海倫、李永橋、張曉琴、熊莉英、顏偉、王建偉、張春峰、潘小琴、張良、陳蕾、張麗、王瑤、周長松、李進等。全書由王順利老師統(tǒng)一補充、修改和定稿。中國科技大學的陳宗海教授審閱了全稿。電子科技大學的唐武教授為本書提出了豐富的參考資料。重慶大學的柴毅教授對本書的出版提出了大量建設(shè)性的意見。研究團隊的學生參與了書稿資料的整理,主要有康財、王露、謝非、蔣聰、時浩添、王晨懿、張校偉、謝滟馨、劉小菡、熊鑫、梁雪晴、舒歡、蘇杰、周義樅、張爵儒、劉峻杉、鄭雙林、鄧雪、傅鵬有、安晨旭、趙情緣、陳一鑫、張秋月、宋媚琳等人,在此對他們的辛勤工作表示感謝。
本書得到了綿陽市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗所(國家電器安全質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心)、德陽市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗所、唐山奇點科技有限公司、四川華泰電氣股份有限公司、深圳市亞科源科技有限公司、東莞市貝爾實驗設(shè)備有限公司、深圳市新威新能源技術(shù)有限公司、正旭光伏能源科技有限公司等單位科技人員的幫助和支持,在此也一并感謝。
新能源測控與電源管理涉及面廣,受編著者水平所限,在書稿的組織和編寫過程中難免有不當之處,敬請各位讀者批評指正。編著者E_mail:wangshunli@swusteducn。相關(guān)資料下載網(wǎng)址:http://wwwjcyjscom,http://jcyjsswustedulabcn。希望以本書為交流的平臺,與各位讀者建立聯(lián)系,促進新能源測控與電源管理技術(shù)的進步。
出版說明
“電氣工程新技術(shù)叢書”編委會
前言
第1章鋰離子電池與管理系統(tǒng)概述
1.1鋰離子電池簡介
1.1.1特點與優(yōu)勢
1.1.2基本類型
1.1.3工作原理
1.1.4命名規(guī)則
1.2鋰離子電池的基本參數(shù)
1.2.1電壓
1.2.2容量
1.2.3內(nèi)阻
1.2.4能量
1.2.5能量密度
1.2.6功率與功率密度
1.3鋰離子電池的狀態(tài)參數(shù)
1.3.1荷電狀態(tài)
1.3.2溫度性能
1.3.3放電性能
1.3.4使用壽命
1.4電池管理系統(tǒng)
1.4.1定義
1.4.2功能
1.4.3集成芯片
1.5單體間一致性與改進措施
1.5.1一致性差異來源
1.5.2一致性差異體現(xiàn)
1.5.3一致性差異的改善方法
1.6電池管理系統(tǒng)的分類
1.6.1按功能分類
1.6.2按技術(shù)分類
1.6.3按拓撲結(jié)構(gòu)分類
第2章BMS參數(shù)測量與控制策略
2.1電池關(guān)鍵參數(shù)的測量
2.1.1電壓
2.1.2溫度
2.1.3電流
2.2鋰離子電池安全保護
2.2.1基礎(chǔ)安全保護措施
2.2.2鋰離子電池安全
2.2.3電池管理單元
2.2.4永久性失效保護
2.2.5BMS設(shè)計規(guī)范
2.2.6鋰電芯的品質(zhì)保障
2.2.7提高電池安全性
2.3鋰離子電池組的熱管理
2.3.1熱管理的必要性
2.3.2風冷
2.3.3液冷
2.3.4相變冷卻
2.3.5熱管冷卻
2.4常規(guī)充電管理
2.4.1恒流充電法
2.4.2恒壓充電法
2.4.3階段充電法
2.4.4充電器設(shè)計
2.5快速充電管理
2.5.1脈沖式充電法
2.5.2變電流間歇充電法
2.5.3變電壓間歇充電法
2.5.4充電過程保護
第3章鋰離子電池的狀態(tài)測定與
評價
3.1鋰離子電池的容量與內(nèi)阻測定
3.1.1容量測定
3.1.2內(nèi)阻分析
3.1.3內(nèi)阻測定
3.2電池健康狀態(tài)評價
3.2.1健康狀態(tài)的定義
3.2.2容量衰減的影響因素
3.2.3健康狀態(tài)的評價方法
第4章鋰離子電池的等效建模及其
參數(shù)辨識
4.1電池模型概述
4.2常用等效模型
4.2.1電化學模型
4.2.2內(nèi)阻模型
4.2.3電池Thevenin模型
4.2.4電池PNGV模型
4.2.5電池RC等效模型
4.2.6二階等效模型
4.3電池成組等效建模
4.3.1復合等效模型構(gòu)建
4.3.2狀態(tài)空間數(shù)學描述
4.4模型參數(shù)辨識
4.4.1參數(shù)辨識的實驗設(shè)計
4.4.2開路電壓的參數(shù)辨識
4.4.3歐姆內(nèi)阻的數(shù)學描述
4.4.4充放電內(nèi)阻
4.4.5自放電效應的表征
4.4.6等效RC參數(shù)辨識
第5章鋰離子電池SOC估算方法
5.1荷電狀態(tài)估算
5.1.1荷電狀態(tài)
5.1.2放電深度和容量
5.1.3SOC估算的數(shù)學描述
5.1.4估算效果的評價方法
5.2傳統(tǒng)的SOC估算方法
5.2.1開路電壓法
5.2.2安時積分法
5.3基于KF的新型SOC估算方法
5.3.1卡爾曼濾波法
5.3.2擴展卡爾曼濾波法
5.3.3無跡卡爾曼濾波法
5.3.4雙卡爾曼濾波法
5.3.5自適應卡爾曼濾波法
5.3.6二次方根無跡卡爾曼濾波法
5.4其他的新型SOC估算方法
5.4.1支持向量機
5.4.2粒子濾波法
5.4.3神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法
5.4.4基于優(yōu)勢互補的算法融合
第6章鋰離子電池SOC估算
設(shè)計實例
6.1基于二分法的靜態(tài)SOC估算
6.1.1靜態(tài)SOC估算問題分析
6.1.2二分法的迭代計算過程
6.1.3BMS中的實現(xiàn)流程
6.2基于無跡卡爾曼的動態(tài)SOC
估算
6.2.1非線性迭代計算
6.2.2無跡變換
6.2.3基于UKF的迭代運算
6.2.4估算方法的改進策略
6.2.5估算模型的模塊化設(shè)計
第7章電池組的均衡控制管理
7.1均衡調(diào)節(jié)的意義
7.2電池組的均衡管理分類
7.2.1均衡電路拓撲結(jié)構(gòu)
7.2.2被動均衡電路
7.2.3主動均衡電路
7.3均衡能量轉(zhuǎn)移策略
7.3.1單體均衡
7.3.2成組均衡
第8章BMS中的CAN通信技術(shù)
8.1CAN通信技術(shù)概述
8.1.1發(fā)展歷程
8.1.2技術(shù)特點
8.1.3應用趨勢
8.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
8.2.1國內(nèi)應用
8.2.2國外應用
8.3技術(shù)分析
8.3.1基本概念
8.3.2CAN總線的特點
8.3.3分層結(jié)構(gòu)及功能
8.3.4調(diào)度算法
第9章BMS集成電路與設(shè)計實例
9.1基于MPS430的BMS設(shè)計
9.2基于STM32的BMS設(shè)計
9.3基于ISL78600的BMS設(shè)計
9.4基于AD7280A的BMS
設(shè)計
9.5基于LTC6804的BMS設(shè)計
第10章鋰離子電池性能測試與BMS
故障診斷
10.1單體電池的性能測試
10.2成組電池的性能測試
10.2.1標準充放電測試
10.2.2不同倍率充放電測試
10.2.3循環(huán)充放電測試
10.3BMS性能測試
10.4BMS故障排除
10.4.1故障原因及其分析
10.4.2故障解決方法
參考文獻