新能源汽车动力电池安全管理算法设计

1. 本书聚焦新能源汽车动力电池安全管理热难点问题，系统梳理了动力电池安全性能建模、故障诊断、系统安全设计、退役回收可重回建模等关键技术，对动力电池不同使用阶段技术难点进行了深入剖析。
2. 书各章节间模块化清晰，语言简洁顺畅，图表直观明确，全彩印刷，图文搭配，并辅以实际案例。
3. 本书适用于新能源汽车及相关行业工程师、技术人员、研究工作者和其他有关人员学习参考，也可作为高等院校新能源汽车动力电池、储能领域相关专业师生的参考书。

随着新能源汽车和动力电池技术的快速发展，其背后存在的安全问题也越发凸显。本书围绕新能源汽车动力电池安全管理关键技术，简述了动力电池基本参数和测试规程，聚焦于动力电池状态估计、安全管理防护，以及安全评估相关内容，重点介绍了动力电池荷电状态估计、数据驱动健康状态估计、健康状态和剩余使用寿命联合估计、故障诊断和安全防护，以及回收利用安全评估等内容。根据作者在本学科中积累的研究基础，详细描述了相关研究内容的算法设计、仿真及应用，所提出的建模及状态估计框架具有技术先进性及行业共性，可拓展应用于便携式电子设备、微电网、大规模储能等不同领域，为读者在动力电池安全管理方面的学习及研究提供参考借鉴。本书适用于新能源汽车及相关行业工程师、技术人员、研究工作者和其他有关人员学习参考，也可作为高等院校新能源汽车动力电池、储能领域相关专业师生的参考书。

前言
第1 章　新能源汽车及动力电池发展概述 .. 1
1.1　国内外新能源汽车发展现状分析 .. 1
1.1.1　国内新能源汽车发展概述 .. 1
1.1.2　国外新能源汽车发展现状 .. 3
1.2　动力电池发展概况 .. 5
1.2.1　动力电池发展概述 .. 5
1.2.2　磷酸铁锂电池 .. 6
1.2.3　三元材料电池 .. 7
1.2.4　钠离子电池 .. 8
1.2.5　固态电池 .. 8
1.3　动力电池衰退机理分析 .. 9
1.4　动力电池状态估计概述 .. 11
1.4.1　动力电池荷电状态（SOC） .. 11
1.4.2　动力电池健康状态（SOH） .. 13
1.4.3　动力电池剩余使用寿命预测（RUL） .. 15
1.5　本章小结 .. 17
第2 章　动力电池测试及基本概念 ..18
2.1　动力电池组系统的基本结构 .. 18
2.1.1　单体电池及电池组 .. 18
2.1.2　电池组系统 .. 19
2.2　动力电池的基本性能参数 .. 21
2.3　动力电池测试规程 .. 26
2.3.1　动力电池基本测试原理与方法 .. 26
2.3.2　典型的测试设备 .. 29
2.4　动力电池测试数据分析 .. 30
2.4.1　锂离子电池测试方案及数据库 .. 30
2.4.2　单体动力电池衰退性能特性分析 .. 33
2.4.3　实车动力电池衰退性能特性分析 .. 38
2.5　本章小结 .. 43
第3 章　动力电池荷电状态（SOC）估计 ..44
3.1　动力电池建模 .. 44
3.2　动力电池模型参数辨识 .. 46
3.2.1　动力电池离线参数辨识 .. 46
3.2.2　动力电池在线参数辨识 .. 50
3.3　动力电池SOC 估计算法设计 .. 54
3.3.1　自适应扩展卡尔曼滤波原理 .. 54
3.3.2　动力电池测试平台及电池组SOC 估计策略 .. 57
3.3.3　动力电池SOC 估计结果验证分析 .. 62
3.3.4　实车电池系统SOC 估计及验证 .. 68
3.4　本章小结 .. 70
第4 章　动力电池健康状态（SOH）估计 ..71
4.1　动力电池衰退数据分析 .. 71
4.1.1　动力电池老化实验及数据库 .. 71
4.1.2　电压差分（DV）计算方法 .. 73
4.1.3　容量增量（IC）曲线获取方法 .. 74
4.1.4　温度差分（DT）曲线滤波算法 .. 78
4.2　基于数据驱动模型的动力电池SOH 估计 .. 80
4.2.1　容量增量曲线峰值点提取方法 .. 80
4.2.2　支持向量机算法原理 .. 82
4.2.3　基于支持向量机电池衰退模型 .. 85
4.2.4　动力电池SOH 估计验证分析 .. 86
4.3　基于温度电压差分法的锂电池健康状态估计 .. 91
4.3.1　健康特征因子提取及相关性分析 .. 91
4.3.2　高斯过程回归算法原理 .. 94
4.3.3　基于高斯过程回归电池衰退建模 .. 97
4.3.4　动力电池健康状态估计验证分析 .. 98
4.4　本章小结 .. 102
第5 章　动力电池健康状态和剩余使用寿命联合估计 .. 104
5.1　动力电池SOH 与RUL 概述 .. 104
5.2　动力电池SOH 与RUL 开环联合预估 .. 108
5.2.1　基于线性回归算法的特征提取 .. 108
5.2.2　多项式回归模型 .. 108
5.2.3　开环SOH 与RUL 联合预估框架 .. 110
5.2.4　动力电池健康状况预测结果及讨论 .. 112
5.3　动力电池SOH 与RUL 闭环联合预估 .. 119
5.3.1　基于DT 曲线健康特征值提取 .. 120
5.3.2　粒子滤波算法原理简介 .. 124
5.3.3　多输出高斯过程回归算法原理 .. 126
5.3.4　闭环SOH 与RUL 联合预估框架 .. 127
5.3.5　动力电池健康状况预测结果及讨论 .. 129
5.4　本章小结 .. 145
第6 章　动力电池系统故障诊断 .. 146
6.1　动力电池系统故障分类概述 .. 146
6.2　基于端电压数据的动力电池故障诊断 .. 148
6.2.1　样本熵算法原理 .. 148
6.2.2　电池故障检测算法设计 .. 149
6.2.3　故障诊断准确性验证 .. 150
6.3　基于电热耦合模型的动力电池故障诊断 .. 157
6.3.1　动力电池电化学- 热耦合模型 .. 157
6.3.2　基于无迹卡尔曼滤波的故障诊断算法设计 .. 161
6.3.3　多故障类型诊断结果验证 .. 165
6.4　本章小结 .. 173
第7 章　动力电池系统安全管理与防护 .. 174
7.1　动力电池热失控 .. 174
7.1.1　动力电池热失控触发分类 .. 174
7.1.2　热失控扩展机理及防护 .. 176
7.2　动力电池滥用建模分析 .. 179
7.3　动力电池安全管理 .. 191
7.3.1　动力电池安全状态 .. 191
7.3.2　动力电池系统高压安全 .. 192
7.4　动力电池系统数据安全传输 .. 194
7.4.1　电池系统整车级数据安全传输 .. 194
7.4.2　网联级数据安全传输 .. 195
7.5　动力电池安全管理发展趋势 .. 197
7.5.1　机理分析到系统设计优化 .. 198
7.5.2　被动安全防护到主动风险预测与维护 .. 199
7.6　本章小结 .. 201
第8 章　动力电池回收利用安全评估 .. 202
8.1　动力电池梯次利用现状分析 .. 203
8.1.1　动力电池梯次利用研究背景 .. 203
8.1.2　国内外电池梯次利用规范 .. 204
8.1.3　动力电池梯次利用体系概述 .. 205
8.2　动力电池退役后性能测试及评估 .. 207
8.2.1　动力电池退役后性能特征分析 .. 208
8.2.2　退役动力电池分组算法设计 .. 213
8.2.3　退役动力电池分组结果验证 .. 215
8.3　动力电池全生命周期评价（LCA）技术 .. 217
8.3.1　动力电池回收处理方法概述 .. 217
8.3.2　国内外动力电池回收模式 .. 219
8.3.3　不同类型动力电池回收工艺LCA 对比 .. 220
8.4　本章小结 .. 221
参考文献 .. 222

新能源汽车作为清洁化电气运输装备的主要形式，是绿色交通发展的重要途径，在实现碳达峰和碳中和目标以及改变能源结构等方面具有巨大优势和广阔应用前景。
面对汽车电动化时代的到来，动力电池管理对于确保电动汽车电池安全可靠运行至关重要。动力电池作为电动汽车核心部件，对电动汽车的性能、续驶里程和寿命都起着决定性的作用，其运行状态及性能参数对汽车运行安全尤为关键，并且对整车的安全使用、合理维护和经济评估等方面有重要的价值。动力电池在不断使用过程中，其内部材料结构会发生恶化而使电池衰退老化，在整个衰退进程中，多种损失机制共同参与、相互作用，其不同老化阶段的主导机制也会发生改变，使得动力电池具有强时变、高度非线性的特点。因此，从复杂非线性动力电池内部提取有效稳定的电池衰退特征机制，建立高精度衰退模型，提高动力电池安全管理及防护水平，不仅是保障新能源汽车安全可靠运行的重要手段，更是提振新能源汽车市场活力的基本要求。
目前，动力电池面临着老化退化以及电池回收和处置等问题。本书结合我国电动汽车的发展趋势及动力电池技术的发展，以动力电池安全管理为主题，以实现动力电池性能状态综合评估为目的，对动力电池系统内部状态参数估计方法和电池系统健康状态评价进行了介绍，详细地介绍了新能源汽车动力电池安全管理算法开发的技术细节。全书共8 章，分为4 部分，第一部分包括第1章和第2 章，详细叙述了新能源汽车发展历史及现状，并对动力电池基本概念和相关参数测试进行了概述；第二部分包括第3 ~ 5 章，深入讨论了动力电池内部状态参数估计方法，包括动力电池荷电状态估计、动力电池健康状态估计，以及动力电池健康状态和剩余使用寿命联合估计；第三部分包括第6 章和第7 章，探讨了动力电池系统故障诊断以及安全管理和防护；第四部分，即第8 章，主要介绍了动力电池回收利用及安全评估方法。本书力求聚焦于领域内前沿研究，帮助读者掌握新能源汽车动力电池安全管理系统的核心算法设计方法。
本书的主要工作在北京理工大学电动车辆工程研究中心完成，感谢课题组各位老师及同门的支持与帮助，本书资料整理及提供帮助的有陈光副教授、袁昌贵硕士、赵敬玉硕士、魏晨阳硕士以及在读硕士生李廓、徐铖、高潇、刘彩霞等，在此对他们的辛勤付出表示感谢。
鉴于新能源汽车行业发展日新月异，很多关键技术还在快速迭代更新的过程中，书中难免存在疏漏或不当之处，敬请广大专家和读者批评指正。
著者