论文题目：锂电池分数阶理论建模与荷电状态估计研究
摘要：目前,为缓和能源危机和改善生态环境,大力发展电动汽车是新形势下汽车工业的改革趋势。对于电池管理系统（Battery Management System,BMS）,电池建模以及荷电状态（Stage of Charge,SOC）的精确估算仍是技术研究的重点与难点,亟需研究新方法加以完善。本文针对锂离子电池的精确建模和SOC估计问题,选取18650型三元材料锂离子电池为研究对象,首先探讨了锂离子电池的反应原理和特性,其次建立了锂离子电池二阶分数阶等效电路模型实现了电池的精确建模,最后提出并构建了强跟踪分数阶卡尔曼滤波（Strong Tracking Filter Fractional-order Kalman Filter,STF-FOKF）算法实现了电池SOC的精确估计。主要工作包括以下4点:第1,对锂离子电池进行了归纳分类并阐述了其在充放电状态下的工作原理,进一步通过仿真和试验方式分析了电池的电压特性、内阻特性以及容量特性,为锂离子电池的建模奠定了基础。第2,为使模型能够精确反映锂离子电池在充放电过程中的极化效应和扩散现象同时降低模型的复杂度,通过分析电池电化学阻抗谱曲线构建了二阶分数阶等效电路模型;进一步通过混合脉冲功率特性（Hybrid Pulse Power Characterization,HPPC）试验数据分析,运用最小二乘法对分数阶模型元件参数进行辨识,运用遗传算法对元件分数阶阶数进行辨识;最后,通过脉冲放电试验在MATLAB环境中验证了分数阶模型的优越性,该模型不仅有效解决了模型复杂度与精度的权衡问题,同时为锂离子电池SOC估计奠定了基础。第3,针对电池模型具有不确定性以及外界随机因素干扰造成噪声统计特性不准确的问题,提出了STF-FOKF算法来实现电池SOC估计,并对该算法基于二阶分数阶模型进行了方程构造和初始化。第4,为验证STF-FOKF算法的有效性和精确性,设计并搭建了锂离子电池充放电平台实现电池SOC估计,通过在恒流放电和NEDC（New European Driving Cycle,NEDC）工况下验证了所提出的STF-FOKF算法不仅具有较高的精度,而且具有良好的收敛性和鲁棒性,符合课题研究要求。
关键词：锂离子电池;二阶分数阶等效模型;SOC估计;STF-FOKF算法
学科专业：电气工程（专业学位）
摘要
abstract
第一章 绪论
1.1 研究背景和意义
1.2 研究现状
1.2.1 锂离子电池模型的研究现状
1.2.2 锂离子电池SOC估计的研究现状
1.3 本文主要研究内容与章节安排
第二章 锂离子电池原理特性分析
2.1 锂离子电池的种类
2.2 锂离子电池的工作原理
2.3 锂离子电池的特性分析
2.3.1 电压特性
2.3.2 内阻特性
2.3.3 容量特性
2.4 本章总结
第三章 锂离子电池分数阶等效电路模型建立
3.1 分数阶微积分理论简介
3.2 锂离子电池分数阶等效电路模型构建
3.2.1 锂离子电池电化学阻抗谱试验测定
3.2.2 锂离子电池分数阶模型构建
3.3 锂离子电池分数阶模型参数辨识
3.3.1 HPPC试验设计原理
3.3.2 基于最小二乘法的元件参数辨识
3.3.3 基于遗传算法的分数阶阶数辨识
3.3.4 开路电压U_(OC)(SOC)辨识
3.4 锂离子电池分数阶模型试验验证与分析
3.5 本章小结
第四章 基于分数阶理论的锂离子电池SOC估计算法
4.1 卡尔曼滤波算法
4.2 扩展卡尔曼滤波
4.3 分数阶卡尔曼滤波算法
4.4 强跟踪分数阶卡尔曼滤波算法
4.4.1 基于模型STF-FOKF算法的方程构造
4.4.2 基于模型STF-FOKF算法的初始化
4.5 本章小结
第五章 锂离子电池试验平台设计与算法验证
5.1 硬件设计
5.1.1 控制电路设计
5.1.2 采样电路设计
5.1.3 过压保护和过流保护电路设计
5.1.4 供电电路设计
5.1.5 开关电路设计
5.2 软件设计
5.2.1 ADC采样配置
5.2.2 充放电控制设计
5.2.3 上位机设计
5.3 算法验证
5.3.1 恒流放电下SOC估计试验验证
5.3.2 NEDC工况下SOC估计试验验证
5.4 本章小结
第六章 总结与展望
6.1 总结
6.2 展望
参考文献
致谢