车用动力电池衰退分析与健康状态评估

作     者：闫煜坤 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：闵海涛

授予年度：2024年

学科分类：082304[工学-载运工具运用工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：电动汽车 锂离子电池 电池健康状态 数据驱动 电池容量 

摘      要：在能源危机和全球变暖的背景下,清洁能源的发展引起了各国政府的广泛关注。电动汽车(Electric Vehicle,EV)作为实现节能减排绿色发展和提升能源效率的重要途径,在政治、经济和技术领域发挥了关键作用。动力电池作为电动汽车的核心部件之一,电池系统的健康状况(State of Health,SOH)对车辆整体动力性能、续航里程和安全性能有重要影响。因此,开展动力电池管理系统研究,实现车载动力电池健康状态准确估计,对于提高电动汽车可靠性和安全性具有重要意义,也是实现电动汽车产品规模化和产业化的关键课题之一。 本文依托某校企合作项目,以电动汽车动力电池为研究对象,以实现动力电池衰退程度全面评估为研究目的,分别从单体电池角度和实车动力电池组角度对电池老化衰退规律展开研究。通过对实车运行采集的数据和实验室电池测试数据深入分析,重点从电池老化影响因素、电池健康因子筛选、容量衰退模型建立和电池综合健康度等方面展开研究。本文的具体研究内容如下: 首先对动力电池工作原理和衰退机理进行分析,基于电池循环充放电实验数据研究了充放电倍率、充放电深度、使用环境等条件对电池性能老化情况的影响,并基于复杂工况下的电动汽车运行数据,从时间角度和空间角度下分析充放电深度和环境温度等使用条件对实车动力电池老化情况的影响。为减缓动力电池的性能老化和电池衰退预测模型研究提供了参考,也为后续章节提供理论支持。 其次研究电动汽车动力电池容量计算方法,针对动力电池容量估计建模要求,对纯电动营运车辆的行驶数据进行分析处理。基于SOC变化特点进一步提取车辆停车充电片段,并且根据箱型图法处理异常数据并填充缺失数据采样。之后为得到平缓变化的电池参数,采用插值法对充电片段进行插补。在完整的充电片段基础上,基于安时积分法对各片段电池容量进行计算。基于前文研究分析的结论,从电池温度和充电倍率角度对容量计算结果进行修正,并结合CEEMD和小波去噪方法去除容量计算结果的噪声,最后采用多项式拟合方法建立电池容量衰退模型。 之后基于实车数据的电池容量建立预测模型,围绕电池内部衰退机理,从电池外特性参数和改进动态电压翘曲的电量增量曲线中深入挖掘电池老化特征,并通过相关性分析方法对提取的特征进行分析,筛选出最优特征子集作为电池容量预测模型的输入。同时根据动力电池数据集特点,为避免实车运行数据的噪声影响,提出了一种基于编码器和长短时记忆神经网络的电池容量衰退预测模型,对电池容量衰退程度进行实时估计。并且引入门控循环单元和普通长短时记忆网络对估计精度进行对比。结果表明,基于去噪编码器的长短时记忆网络方法在面对噪声输入时可以学习到高鲁棒性特征,具有较好的准确性和稳定性,而不受驾驶环境或驾驶员行为的影响。 最后针对实车动力电池健康度评价方法进行研究讨论,以电动汽车实际驾驶数据为研究对象,探索动力电池在多因素耦合条件下的衰退趋势,分析讨论实车工况下动力电池老化情况的指标,具体针对电池容量、内阻、端电压、充电耗时和不一致性变化情况等性能参数分析动力电池性能衰退情况。基于熵权法建立动力电池综合评价方法,并且考虑到车辆运行环境差异,主要针对环境温度因素对综合健康度结果进行修正。该方法为动力电池多角度、全天候健康状态评价方法提供方向,建立了动力电池综合性客观评价方法。 本研究基于实验电池充放电循环数据和电动汽车运行数据,通过分析挖掘动力电池实际运行条件下的老化影响因素,提取并筛选出高质量的健康因子以描述实车电池衰退情况,并实现了准确的动力电池容量衰退预估,为延长动力电池使用寿命和提高电动汽车可靠性和安全性提供解决思路。基于电池老化特点提出车载动力电池健康状态综合评价方法,为电动汽车电池健康状态多角度、全方位评估提供一种可行的解决途径。为促进我国新能源汽车动力电池健康状态管理方法发展提供理论支持,并为推动电动汽车稳定可靠发展提供方案支撑。