锂电池组单体不一致性综合评价方法研究

Southwest university of science and technology本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ）锂电池组单体不一致性综合评价方法研究学 院 名 称 信 息 工 程 学 院专 业 名 称 电 气 工 程 及 其 自 动 化学 生 姓 名学 号指 导 教 师二一五年六月西南科技大学本科生毕业论文 I锂电池组单体不一致性综合评价方法研究摘要：由于单体电压和容量的限制，锂电池需要串并联成组使用，但是由于电池材料和生产工艺等原因，各单体电池之间不可避免地存在不一致性。为了提高电池组使用寿命以及消除使用时的安全隐患，本文在制造和使用过程中寻找锂电池不一致性的形成原因，分析了锂电池电压、容量、内阻和自放电率这几项参数对电池组的影响。分析了四种不同的电池数学模型，根据本文所需以及各自的优缺点，采用了具有静态特性的 Rint 模型和具有良好动态特性的 PNGV 模型。对 Rint 模型进行仿真分析锂电池组并联和串联时，内阻和电压不同对锂电池组的影响。以及使用MATLAB 对 PNGV 模型进行建模并仿真分析所构建模型，通过改变额定容量，分析输出电压的改变。在实验室蓄电池 BMTS 检测与维护平台上针对锂电池的电压、容量、内阻和自放电率这几项参数进行相关的几个实验，通过比较分析参数对锂电池的不一致性进行研究。最终达到针对其不一致性这个根本问题，研究其不一致性评价方法，实现机载蓄电池组单体不一致性综合评价，达到安全保障和有效报废回收目标。关键词：锂电池组；不一致性；使用寿命；串并联西南科技大学本科生毕业论文 IIComprehensive evaluation method research of lithium battery monomer inconsistenciesAbstract:Because of cell voltage and capacity limitations, lithium battery series -parallel groups need to use, but because the battery materials and production processes and other reasons, it is inevitable inconsistencies between various cells. In order to increase battery life and eliminate safety hazards when used herein Looking lithium causes inconsistencies in the manufacturing and use, analysis of the lithium battery voltage, capacitance, resistance and self-discharge rate of the battery which several parameters effect of the group. Analysis of four different battery mathematical model, based on the desired article and their advantages and disadvantages, using Rint model and static characteristics PNGV model has good dynamic characteristics. Rint lithium batteries in parallel and in series resistance and voltage different effects on lithium batteries. And use MATLAB to PNGV model modeling and simulation model constructed by changing the nominal capacity to analyze changes in the output voltage. BMTS on laboratory testing and maintenance of the battery platform for several experiments related to the lithium battery voltage, capacity, internal resistance and self-discharge rate that several parameters, conducting research on lithium batteries inconsistency by comparing the analysis parameters. Ultimately for their inconsistency this fundamental issue, study its inconsistency evaluation methods to achieve comprehensive evaluation on board battery monomer inconsistencies achieve security and effective scrap recycling targets.Key words: Lithium battery pack，inconsistency ， service life，series-parallel 西南科技大学本科生毕业论文 III目 录第 1 章 绪论 .11.1 选题背景 .11.2 国内外研究现状 .11.3 选题目的和意义 .21.4 本课题主要设计内容与要求 .2第 2 章 锂电池不一致性分析 .42.1 锂电池不一致性形成原因分析 .42.2 锂电池组不一致性对使用寿命的影响 .42.3 单体电池对锂电池组一致性的影响 .52.3.1 容量的一致性 .52.3.2 电压的一致性 .62.3.3 内阻的一致性 .62.3.4 自放电的一致性 .62.4 连接方式、结构件和器件对锂电池组一致性的影响 .72.5 使用工况及环境对锂电池组一致性的影响 .7第 3 章 数学模型的选择 .83.1 数学模型 .83.1.1 Rint 模型 .83.1.2 Thevenin 模型 .83.1.3 RC 模型 .83.1.4 PNGV 模型 .93.2 模型分析 .93.2.1 单体模型 .93.2.2 串联和并联模型 .10第 4 章 实验分析 .114.1 容量不一致 .114.1.1 锂电池充放电前后可用容量 .114.1.2 放电倍率对电池容量的影响 .11西南科技大学本科生毕业论文 IV4.1.3 温度对电池容量的影响 .114.2 自放电率不一致 .124.3 内阻不一致 .134.3.1 新旧锂电池的内阻 .134.3.2 锂电池 SOC 与内阻的关系 .134.4 电压不一致 .14第 5 章 模型仿真 .165.1 PNGV 模型仿真分析 .165.1.1 参数获取 .165.1.2 模型建立 .165.2 Rint 模型仿真分析 .225.2.1 串联锂电池组 .235.2.2 并联锂电池组 .245.3 提高电池一致性的举措 .265.3.1 生产过程 .265.3.2 分选制度 .275.3.3 模块 .275.3.4 电池均衡管理 .275.3.4 电池热管理 .275.3.5 控制策略 .275.3.6 其他使用过程 .28设计总结 .29致 谢 .30参考文献 .31西南科技大学本科生毕业论文1第 1 章 绪论1.1 选题背景航空领域受重量、体积限制，需要高能量密度和高功率密度蓄电池作为应急供能和辅助动力电源。锂电池具有能量高、无记忆效应、低自放电率、贮存寿命长等优点，已广泛应用于军事和民用小型电器中，如移动电话、便携式计算机、摄像机、照相机等、部分代替了传统电池 。大容量锂离子电池已在电动汽车中试用，将成1为 21 世纪电动汽车的主要动力电源之一，并将在人造卫星、航空航天和储能方面得到应用。但目前由于单体电压和容量的限制，锂电池需要串并联成组使用，但是由于电池材料和生产工艺等原因，动力电池成组以后安全性和使用寿命显著降低，甚至频繁发生电池燃烧以及爆炸等严重事故 。如 2011 年杭州的电动出租车和上海电2动公交车因锂电池过热导致自燃、2013 年 JA829J 次航班波音 787 型客机中锂电池组模块冒烟起火事故、近年来我国电动自行车起火事件频发，包括通用、卡玛、日产、比亚迪等几乎所有品牌都发生过因锂电池组引发的安全事故。国内相关单位，如北航、清华、中科大、中航锂电、长虹电源、德赛能源、天津力神、武汉力兴、西科大等单位开展了相关研究工作，取得了一定成效，但仍缺乏可靠的解决办法 。31.2 国内外研究现状电池组有串联、并联、混联等多种成组方式，不同的成组方式对电池组的不一致性的影响是不一样的。电池组的不一致性又会严重影响到电池组的容量、寿命、安全等多个方面。目前，由于电动汽车用磷酸铁锂动力电池的制造工艺还处于发展阶段，电池组中不一致性的问题更加突出 。4动力锂离子电池的寿命问题是制约目前电动汽车和电池储能技术的关键问题之一,经过“八五 ”到“十一五”期间的持续攻关和技术发展 ,我国在动力锂离子电池的材料本体和电池制造应用等方面都取得了显著成绩,并已成为世界锂离子电池的主要生产国。通过北京奥运会、上海世博会的电动汽车示范运行,国家“十城千辆” 的电动汽车推广工程,以及南方电网和国家电网公司的电池储能电站示范工程的实施,大力推动了动力锂离子电池的产业发展 。进入“十二五” 以来,为了进一步推动我国的电池技术5的发展,国家高技术研究发展(863)计划、国家重点基础研究发展(973)计划已经明确了西南科技大学本科生毕业论文2电池的性能指标,并将电池寿命分列至材料、电池和电动汽车等多项课题进行研究。目前国内外对电池组不一致性的研究并不成熟，相关文献较少。王震坡 等提6出了“电池容量损伤系数 ”论证了不一致性对电池组寿命的重要影响。张宾 等提出7了“量衰减系数 ”的概念,论证了不一致性对电池组容量的影响。单毅 通过对不一致8性的研究，对电池分选和容量衰减预测提出了建议。现在动力锂离子电池寿命的研究大致可分为以下四个方面:电池测试标准和测试手册、电极材料的衰退机理、电池容量衰退建模、电池寿命状态评估。1.3 选题目的和意义 近年来，锂离子电池以其特有的性能优势已在便携式电器如手提电脑、摄像机、移动通讯中得到普遍应用。目前开发的大容量锂离子电池已在电动汽车中开始试用，预计将成为 21 世纪电动汽车的主要动力电源之一，并将在人造卫星、航空航天和储能方面得到应用 。随着能源的紧缺和世界的环保方面的压力。锂电现在被广泛应9用于电动车行业，特别是磷酸铁锂材料电池的出现，更推动了锂电池产业的发展和应用 。10但是由于生产工艺的制约,各单体锂电池之间必然存在不一致性。同时,在实际中使用这种不一致性将逐渐拉大,因为单体锂电池的容量和电压均达不到用电设备的需求，所以需要将多节单体锂电池串并联使用 。但是同一类型、同一型号、1同一规格的电池间在内阻、电压、容量等方面的参数值有着差别，即锂电池存在不一致性，使得锂电池组在使用时，性能往往达不到单电池的原水平，使用寿命也大大缩短，严重影响锂电池的应用。本课题的选题意义在于对锂电池不一致性的研究,改进以及完善电池管理系统,从而降低锂电池的不一致性,最大限度发挥电池的性能以及延长锂电池的使用寿命。1.4 本课题主要设计内容与要求本课题的主要目的是在制造和使用过程中寻找锂电池不一致性的形成原因，以提高电池组使用寿命和性能。故本课题的核心就在于分析锂电池温度、容量、内阻和自放电率这几项参数对电池组的影响。设计内容如下：1、在进行设计前，需要收集资料，了解锂电池的发展和研究的现状以及选题的西南科技大学本科生毕业论文3意义所在；2、查看资料，了解不一致性的形成原因，以便完善方案；3、整理并阅读相关资料，分析锂电池不一致性的影响因素；4、查阅资料，分析锂电池的数学模型，并选择合适的方案；5、在实验室蓄电池 BMTS 检测与维护平台上进行测量同种型号多个锂电池的各个参数，进行比较分析锂电池的不一致性；6、在 MATLAB 中构建 PNGV 和 Rint 模型，通过改变相应的参数得到仿真数据，来研究分析锂电池的不一致性；7、针对锂电池不一致性的现状，提出相应的解决措施。设计要求如下：1、根据导师指导进行国内外研究现状调研，文献查阅 60 篇；2、针对课题蓄电池对象和应用环境，与导师交流后构建单体不一致性综合评价思路；3、建模并仿真分析所构建模型，进行优化改进；4、在实验室蓄电池 BMTS 检测与维护平台上实验验证该方法；5、撰写毕业设计论文(达到学校和学院规定的要求)。西南科技大学本科生毕业论文4西南科技大学本科生毕业论文5第 2 章 锂电池不一致性分析2.1 锂电池不一致性形成原因分析锂电池不一致性产生的原因 有两方面：1、锂离子动力电池的制造过程包括2配料、装配、涂膜、和化成等步骤，在每个环节中都可能会由于材质的不均匀和工艺问题等原因，使微孔率、电池极板厚度、活性物质的活化程度等有着微小差别,电池材质和内部结构的不完全一致