開題報(bào)告鋰離子電池的功率特性分析

1、題 目：鋰離子電池的功率特性分析文獻(xiàn)綜述：一、研究背景隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人們對生活質(zhì)量要求的提高，環(huán)境問題和可持續(xù)發(fā)展的問題越來越受到人們的重視。由于石油危機(jī)和能源緊缺，同時(shí)為了解決日益嚴(yán)重的汽車尾氣排放造成的環(huán)境污染問題，目前世界各國競相發(fā)展電動(dòng)汽車。電動(dòng)汽車采用蓄電池作為動(dòng)力源，具有污染小，噪音小等優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)在實(shí)際工程中用到的蓄電池主要有以下四種:鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池、鎳氫蓄電池和鋰離子蓄電池。鋰離子蓄電池與其他電池相比，主要有以下特點(diǎn):(l)電壓高:所標(biāo)志的開路電壓通常為3.70v，而鎳氫和鎳鎘電池的開路電壓為1.2ov;(2)容量大:能量高、儲(chǔ)存能量密度大，是鋰離子蓄電池的核心價(jià)值所

2、在，以同樣輸出功率而言，鋰離子蓄電池的重量不但比鎳氫電池輕一半，體積也小20%;(3)放電率:鋰離子蓄電池的充電速度較快，僅需要1一2小時(shí)的時(shí)間就可充電，達(dá)到最佳狀態(tài);同時(shí)，鋰離子蓄電池的漏電量極少，即使隨意放置1一2周后再拿出來用時(shí)，一樣能發(fā)揮電力、照常工作;鋰離子蓄電池的自放電率低8%/月，遠(yuǎn)低于鎳鎘電池的30%和鎳氫電池的40%;(4)鋰離子蓄電池沒有“記憶效應(yīng)”，所以鋰離子蓄電池可以在未完全放電的條件下充電而不會(huì)降低其容量。但是如果鋰離子蓄電池已充足電還要繼續(xù)充電(過充電)，則會(huì)損壞電池，鋰離子蓄電池是目前應(yīng)用非常廣泛的可充電電池;(5)鋰離子蓄電池的安全要求高，在電池上需配有保護(hù)元器

3、件或保護(hù)電路以防止電池芯損壞。此外鋰離子蓄電池充電要求也很高，要保證限制電壓精度在1%之內(nèi)。鋰離子蓄電池的以上優(yōu)點(diǎn)，使它成為一種很有發(fā)展前景的蓄電池。目前在北京己經(jīng)有鋰離子蓄電池純電動(dòng)公交車示范運(yùn)行線，奧運(yùn)會(huì)期間的部分交通也是鋰離子蓄電池純電動(dòng)公交車提供的。蓄電池需要定期的對它進(jìn)行滿充滿放的維護(hù)來提高電池性能。這使如何能快速、安全、高效地給蓄電池充放電變得非常重要。另外，鋰離子蓄電池抗濫用能力低，不允許過充過放，對于hev來講，動(dòng)力電池主要用于功率補(bǔ)充，因此有必要研究鋰離子電池的功率特性。二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀電動(dòng)車輛的關(guān)鍵零部件之一電池系統(tǒng),特別電池系統(tǒng)的管理系統(tǒng)被認(rèn)作為電動(dòng)車部件國內(nèi)開發(fā)的重要

4、障礙。電池組智能化管理對提高電池壽命,為多能源控制系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的電池組狀態(tài)很有必要,是決定電池組能否實(shí)現(xiàn)車輛行駛功率均衡的關(guān)鍵。為確保電池性能良好,延長電池使用壽命,必須對電池進(jìn)行合理有效的管理和控制,為此,國內(nèi)外均投入大量的人力物力開展廣泛深入的研究。例如,日本青森工業(yè)研究中心從1997年開始至今,仍在持續(xù)進(jìn)行電池管理系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用的研究;美國vdlanova大學(xué)和usnanocorp公司已經(jīng)合作多年對各種類型的電池soc進(jìn)行基于模糊邏輯的預(yù)測;豐田,本田以及通用汽車公司等都把bms納入技術(shù)開發(fā)的重點(diǎn)。電池bms的開發(fā)難點(diǎn)一是在于要估計(jì)電池的荷電狀態(tài)常說的電池soc估計(jì),另外是要能夠提供電池的

5、瞬態(tài)輸入輸出功率,從而能夠?qū)崿F(xiàn)合理地使用和保護(hù)電池,通過該課題的研究,能夠給電池的管理系統(tǒng)的開發(fā)提供一個(gè)電池10s脈沖峰值功率估計(jì)的方法,從而可以減小電池開發(fā)過程中的測試工作,為電池系統(tǒng)這一關(guān)鍵零部件的國產(chǎn)化提供研究的方法。第二個(gè)方面,通過該方法可以為我們提供電池在各種狀態(tài)下的最大的持續(xù)時(shí)間不等的輸入和輸出功率,可以為我們優(yōu)化整車的控制策略,提高整車系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和有效性提供數(shù)據(jù)依據(jù);為電動(dòng)汽車電機(jī)的控制器開發(fā)提供依據(jù);以提高電動(dòng)汽車的使用安全和可靠性,提高電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的使用壽命,優(yōu)化電動(dòng)車的整車控制器的控制策略,提高電動(dòng)汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性和能量效率。美國usabc提供了電池的峰值功率的測試方

6、法,但僅僅是一個(gè)電池80%dod(degree of discharge)持續(xù)時(shí)間30s的電池的估計(jì)峰值功率,而且是低于電池額定功率的一個(gè)大電流放電時(shí)的峰值功率值,并不是電池的實(shí)際峰值功率。在峰值功率測試方面,日本jevs電池的功率測試標(biāo)準(zhǔn)和美國usabc提供的測試方法相差不大,主要的差別有兩點(diǎn),一點(diǎn)是電池的vocv的計(jì)算方法不相同,usabc提供的是采用廠家和c/3放電至80%dod擱置lh中的較大值,日本標(biāo)準(zhǔn)則是通過測試電池的放電電流一電壓下降特性,使用最小二乘法外插放電電流一電壓下降特性,求出放電電流o(a)對應(yīng)的電池電壓vocv; 另一點(diǎn)電池在采用的測試dod是只選取了20%, 50%

7、, 80%dod。十五863的電池測試規(guī)范,把電池在極限電流放電o.1s時(shí)的輸出功率規(guī)定為峰值功率,計(jì)算了持續(xù)時(shí)間為ls,3s,5s和10s的平均功率。因而這三種方法均無法提供電池持續(xù)10s 的實(shí)際峰值輸出功率。 三、本文價(jià)值與意義 對于整車設(shè)計(jì)來說,電池特性的了解非常重要。如果采用保守方式電池的功率過剩設(shè)計(jì)很大,才能確保整車在不同情況下的功率要求,易造成電池成本過高,重量過大,影響整車的性能;如果電池的功率設(shè)計(jì)比較小,則可能在使用過程中造成電池?fù)p壞,因此需要電池管理系統(tǒng)給整車提供比較精確的電池輸入輸出功率數(shù)值,從而能夠優(yōu)化使用和保護(hù)電池。本文將根據(jù)國內(nèi)外常用的功率測試方法,進(jìn)行電池的峰值輸出

8、功率估算的方法的研究并進(jìn)行比較實(shí)驗(yàn):(1)采用兩段脈沖放電的方法,通過兩段脈沖放電結(jié)束時(shí)的電流和電壓估計(jì)電池的電流。電壓特性,預(yù)估電池在截止電壓3.0v時(shí)的電流,從而得出電池在截止電壓時(shí)的峰值功率; (2)采用多段脈沖放電的估計(jì)方法,同樣是通過脈沖放電尋找電流。電壓的特性來預(yù)估電池的峰值功率; (3)直接采用恒功率放電的方法,通過調(diào)整電池放電功率,當(dāng)電池的恒功率放電持續(xù)時(shí)間為10s電壓達(dá)到電池的截止電壓3.0v時(shí)的功率即為電池的10s峰值功率。本課題選取鋰離子動(dòng)力電池進(jìn)行電池峰值輸出功率測試,通過更改電池的截止電壓同樣可以對其它的電池體系進(jìn)行峰值放電功率測試。主要參考文獻(xiàn)：1 王靜.電動(dòng)車發(fā)展

9、現(xiàn)狀及前景分析.汽車研究與開發(fā),2000,(2):30-31 2 劉莎，盧世剛，龐靜. 鋰離子動(dòng)力電池脈沖功率特性的研究.2009, 33(4):276-2793 龐靜，盧世剛，杜紀(jì)磊，張剛，劉人敏，陳曉紅. 混合電動(dòng)汽車用高功率型鋰離子電池.2004,34(6):159,1604 s. j. lee, j. h. kim, j. m. lee, and bo h. cho. the maximum pulse current estimationfor the lithium-ion battery. downloaded on june 30,2009 at 02:34 from ieee

10、 xplore.5 michael d. eskra, paula ralston, alvin salkind, robert f. plivelich. pulse power 350 v nickelmetal hydride batterypower-d-005-00181. journal of power sources 162(2006)900905l.6 李方. 鎳氫動(dòng)力電池峰值輸出功率測試方法碩士論文. 湖南：中南大學(xué)，20077 張賓，何勇靈，陳全世. 電動(dòng)汽車用鋰離子電池的能量功率特性分析.電源技術(shù).2010,34(10):1076-10798 李文成，盧世剛，龐靜，劉莎

11、，王昌胤，靳尉仁，闞素榮，吳國良.高功率鋰離子蓄電池制備與性能研究.2009,33(4):280-2839 周震濤,嚴(yán)燕. 鋰離子動(dòng)力蓄電池充放電基本性能的研究.2001, 29(4):17-21研究方案：本設(shè)計(jì)將主要應(yīng)用以下方法：1兩段脈沖放電法：兩段脈沖放電的測試方法是對電池采用兩段脈沖放電,記錄電池的脈沖放電電流和電池的端電壓,參照國家863電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)的測試規(guī)范,采用10秒脈沖放電的方法,設(shè)置電池的脈沖放電電流為電池允許的最大連續(xù)放電電流120a,首先將電池滿充電,然后以lc放電1800s,調(diào)整電池的soc為50%, 再進(jìn)行20c120a脈沖10s的放電。實(shí)驗(yàn)過程中記錄電池的工作電

12、流和電壓。設(shè)第4步1800秒放電過程中第10s的電池電壓為vl,電流為i1,第5步10s時(shí)的電壓為v2,電流為i2;則:r=v/i=（v2一v1)/(i2-i1) 電池的10s峰值功率w則為電池的截止電壓0.8v的平方,除以電池的電阻r, w=v*v/r=0.64*i/v2多段脈沖放電法:采用多段脈沖放電的測試方法對電池峰值輸出功率的特性進(jìn)行研究,就是對電池進(jìn)行多段脈沖放電的測試,記錄其電流和電壓,通過電流和電壓的數(shù)據(jù)規(guī)律來分析電池的10s放電功率。 首先對需要測試的電池進(jìn)行充電,使電池達(dá)到預(yù)定的soc,通過對電池采用多段脈沖放電,同時(shí)在每一個(gè)脈沖放電后對電池進(jìn)行適當(dāng)?shù)碾娏垦a(bǔ)充,使電池在每一個(gè)

13、脈沖測試過程的荷電量soc接近預(yù)先設(shè)置的值,通過利用高精度的電流和電壓檢測設(shè)備,檢測相對應(yīng)的脈沖結(jié)束時(shí)的電池電壓值,利用數(shù)值分析的方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,建立數(shù)據(jù)模型來估計(jì)電池在對應(yīng)的溫度,soc,脈沖持續(xù)時(shí)間以及電壓截止值時(shí)的電流值,從而通過對應(yīng)電流和電壓的乘積,得出電池對應(yīng)的輸出功率。然后通過采用恒功率放電的模式,在電池的對應(yīng)溫度,對應(yīng)soc和對應(yīng)電流持續(xù)時(shí)間時(shí)的峰值輸出功率。 3.恒功率放電法:對于電池在某一個(gè)點(diǎn)的功率通過采用恒功率放電的方式進(jìn)行測試。因?yàn)殡姵仉娀瘜W(xué)反應(yīng)具有它的特殊性,不一定會(huì)按照我們設(shè)定的測試規(guī)律進(jìn)行。因此我們需要對采用估算測試的電池的實(shí)際峰值輸出功率進(jìn)行檢驗(yàn)。具體的實(shí)驗(yàn)方

14、法就是將電池首先在設(shè)定的溫度環(huán)境下擱置到恒定的溫度,然后將電池充電到設(shè)定的soc點(diǎn),采用恒功率放電的方式,記錄電池的放電電壓和恒功率放電的持續(xù)時(shí)間,逐步加大恒功率放電的功率設(shè)置,使電池在達(dá)到截止電壓時(shí)的恒功率放電持續(xù)時(shí)間為10s時(shí)的功率即為該溫度條件下該soc點(diǎn)的10s的最大輸出功率。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)過程為一個(gè)功率逐步加大的摸索過程,實(shí)驗(yàn)過程中需要進(jìn)行多次的測試,需要逐步加大功率使其達(dá)到設(shè)定的截止電壓和截止時(shí)間。具體研究方案：1.采用兩段脈沖放電法對電池進(jìn)行測試，由所記錄的數(shù)據(jù)和公式可求出電池的內(nèi)阻r，然后再求出電池的峰值功率w。 將預(yù)估的電池峰值功率與實(shí)際值相比較。2.采用多段脈沖放電法對電池進(jìn)行測

15、試，利用數(shù)值分析的方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，建立數(shù)據(jù)模型，電壓與電流的函數(shù)關(guān)系，從而可以計(jì)算出當(dāng)電壓達(dá)到截止電壓3.0v時(shí)對應(yīng)的電流，電流和電壓的乘積，得出電池對應(yīng)的峰值功率。對脈沖電流和電壓的趨勢進(jìn)行預(yù)估,從而估計(jì)電池在脈沖放電至截止電壓時(shí)電池的峰值輸出功率.實(shí)驗(yàn)過程中將采用一次函數(shù),二次函數(shù)和指數(shù)函數(shù)對電池的電流和電壓特性趨勢進(jìn)行了評估。3.采用恒功率放電法對電池進(jìn)行測試，記錄功率值，并細(xì)化實(shí)驗(yàn)功率遞增量，放電時(shí)間為10秒的功率即為所求峰值功率，記錄數(shù)據(jù)。預(yù)期成果：通過采用兩段脈沖放電法測試,預(yù)測的結(jié)果能夠反映電池之間的功率差別的趨勢。采用多段脈沖放電的測試方法,利用函數(shù)關(guān)系對電池的脈沖電流和電壓的趨勢進(jìn)行預(yù)估,從而估計(jì)電池在脈沖放電至截