轨道交通动力电池系统核心技术

　　《轨道交通动力电池系统核心技术》以锂离子动力电池为研究对象，系统地介绍了它们的原理、构成、数学模型，以及它们在轨道交通机车车辆应用领域的配置及管理技术、数据监控和分析技术、测试与评价技术等，期望相关研究人员及工程设计人员，可以较快地了解和掌握动力电池核心技术，并在轨道交通机车车辆上加以应用。《轨道交通动力电池系统核心技术》既是一本从理论上系统地阐述轨道交通动力锂离子电池原理及应用的专著，也是一本具有工程价值的锂离子动力电池系统分析和设计指导书。因此，本书可作为电气工程的硕士生、博士生和教师的参考教材，也可供从事相关专业的科研人员及工程技术人员在轨道交通锂离子动力电池系统分析和设计中使用。

　　张维戈，北京交通大学新能源研究所所长。 吴健，国家能源主动配电网技术研发中心副主任，曾为中国北车集团首席专家，牵头完成具有完全自主知识产权的“北车心”大功率交流传动及网络控制系统的研发工作，目前从事锂离子电池储能系统技术及轨道交通装备储能系统技术研究工作，主导轨道交通相关技术标准制订及测试评估工作。

目 录

第1 章 新能源轨道交通概述.1

1.1 新能源轨道交通技术概述. 2

1.2 新能源轨道交通技术发展现状. 3

1.2.1 油-电混合动力. 3

1.2.2 电-电混合动力. 9

1.2.3 燃料电池动力. 13

1.3 新能源轨道交通技术应用. 17

1.3.1 油-电混合动力. 18

1.3.2 电-电混合动力. 18

1.3.3 油-电-电多源混合动力. 22

1.3.4 氢燃料电池混合动力. 22

参考文献. 23

第2 章 轨道交通车载储能元件概述.24

2.1 电池基本原理介绍. 24

2.2 锂离子电池. 26

2.2.1 锂离子电池的工作原理. 27

2.2.2 锂离子电池的分类. 29

2.3 超级电容. 38

2.3.1 双电层电容器. 40

2.3.2 赝电容. 42

2.3.3 锂离子电容器. 42

2.4 燃料电池. 44

2.4.1 燃料电池的分类. 44

2.4.2 燃料电池的工作原理. 45

2.5 其他储能元件概述. 46

2.5.1 锂硫电池. 47

2.5.2 锂-空气电池. 48

2.5.3 固态锂离子电池. 48

参考文献. 49

第3 章 锂离子动力电池建模.52

3.1 锂离子动力电池建模目的. 52

3.1.1 端电压建模目的. 52

3.1.2 热建模目的. 52

3.2 P2D 电化学模型. 52

3.2.1 P2D 电化学模型介绍. 53

3.2.2 P2D 电化学模型的构建方法. 54

3.3 等效电路模型. 57

3.3.1 等效电路模型介绍. 57

3.3.2 一阶RC 等效电路模型. 58

3.3.3 二阶RC 等效电路模型. 59

3.3.4 等效电路模型参数影响因素. 59

3.4 热模型. 60

3.4.1 生热率模型. 60

3.4.2 温度预测模型. 60

3.5 热-电耦合模型. 61

参考文献. 62

第4 章 锂离子动力电池SOC 和SOP估计.64

4.1 锂离子动力电池SOC估计. 64

4.1.1 SOC估计方法汇总. 64

4.1.2 基于一阶RC等效电路模型和EKF观测器技术结合的SOC估计方法. 66

4.2 锂离子动力电池SOP 估计. 72

4.2.1 SOP 估计方法汇总. 72

4.2.2 常用静态功率谱测试方法. 73

4.2.3 基于一阶RC 等效电路模型的SOP 估计方法. 78

参考文献. 78

第5 章 锂离子动力电池BMS 设计.80

5.1 轨道交通BMS功能需求. 80

5.1.1 BMS 对锂离子电池的重要意义. 81

5.1.2 BMS 的基本功能. 82

5.1.3 轨道交通BMS 的特点. 84

5.2 BMS拓扑及通信. 85

5.2.1 BMS 拓扑架构. 85

5.2.2 BMS 通信. 87

5.3 BMS的检测功能. 89

5.3.1 单体电压检测. 89

5.3.2 总电压检测. 91

5.3.3 总电流检测. 92

5.3.4 电流电压检测的发展趋势. 93

5.3.5 温度检测. 93

5.4 BMS的控制功能. 94

5.4.1 上下电控制. 95

5.4.2 对充放电的控制. 95

5.4.3 对热管理系统的控制. 96

5.4.4 分级预警机制. 97

5.5 BMS的均衡管理. 97

5.5.1 均衡策略. 98

5.5.2 均衡电路. 99

5.6 BMS可靠性设计及发展趋势. 101

5.6.1 BMS 可靠性设计. 101

5.6.2 BMS 发展趋势. 103

参考文献. 103

第6 章 多能源耦合车载储能系统配置及管理.105

6.1 多能源耦合车载储能系统应用工况提取. 105

6.1.1 工况提取的方法. 105

6.1.2 案例分析. 109

6.2 多能源耦合列车动力系统仿真. 114

6.2.1 EMR概述. 115

6.2.2 物理系统的EMR 描述. 115

6.2.3 控制系统的EMR 模型. 123

6.2.4 案例分析. 129

6.3 多能源耦合车载储能系统优化配置及能量管理. 134

6.3.1 多能源耦合车载储能系统能量管理. 134

6.3.2 优化配置及能量管理策略方法. 141

6.3.3 优化配置及能量管理策略模型. 142

6.3.4 优化算法. 144

6.3.5 案例分析. 147

参考文献. 150

第7 章 锂离子动力电池数据监控和数据分析.153

7.1 电池数据分析的目标和作用. 153

7.1.1 电池数据分析的目标. 153

7.1.2 电池数据分析的作用. 154

7.2 数据监控系统构架. 156

7.3 电池数据分析应用案例. 160

7.3.1 快速容量差异辨识方法（一致性分析）. 160

7.3.2 基于历史数据的电池容量评估和预测（容量估计）. 168

7.3.3 基于离群点检测的异常电池诊断（安全预警）. 177

参考文献. 179

第8 章 车载储能系统测试与评价技术.181

8.1 车载储能系统测评方法. 181

8.1.1 测评标准的体系架构. 182

8.1.2 测评标准的关键指标. 185

8.1.3 测评标准的重点问题. 187

8.2 车载储能系统锂离子电池单体/模块电池测试. 188

8.2.1 标准试验. 190

8.2.2 安全试验. 191

8.2.3 工况验证试验. 192

8.3 车载储能系统锂离子电池包和系统测试. 196

8.3.1 标准试验. 197

8.3.2 安全试验. 199

8.3.3 工况验证试验. 200

8.3.4 主要试验设备. 203

8.4 车载储能系统管理系统测试. 209

8.4.1 状态参数测量精度测试. 209

8.4.2 绝缘性能测试. 210

8.4.3 环境适应性测试. 211

8.4.4 状态估算测试. 214

8.4.5 均衡测试. 217

8.4.6 阻燃测试. 218

8.5 车载储能锂离子电池系统评估. 218

8.5.1 能量评估. 219

8.5.2 功率评估. 223

8.5.3 工况寿命评估. 224

参考文献. 225