开题报告---锂离子电池的功率特性分析.doc

题 目：锂离子电池的功率特性分析文献综述：一、研究背景随着科学技术的发展和人们对生活质量要求的提高，环境问题和可持续发展的问题越来越受到人们的重视。由于石油危机和能源紧缺，同时为了解决日益严重的汽车尾气排放造成的环境污染问题，目前世界各国竞相发展电动汽车。电动汽车采用蓄电池作为动力源，具有污染小，噪音小等优点。现在实际工程中用到的蓄电池主要有以下四种:铅酸蓄电池、镍镉蓄电池、镍氢蓄电池和锂离子蓄电池。锂离子蓄电池与其他电池相比，主要有以下特点:(l)电压高:所标志的开路电压通常为3.70v，而镍氢和镍镉电池的开路电压为1.2ov;(2)容量大:能量高、储存能量密度大，是锂离子蓄电池的核心价值所在，以同样输出功率而言，锂离子蓄电池的重量不但比镍氢电池轻一半，体积也小20%;(3)放电率:锂离子蓄电池的充电速度较快，仅需要1一2小时的时间就可充电，达到最佳状态;同时，锂离子蓄电池的漏电量极少，即使随意放置1一2周后再拿出来用时，一样能发挥电力、照常工作;锂离子蓄电池的自放电率低8%/月，远低于镍镉电池的30%和镍氢电池的40%;(4)锂离子蓄电池没有“记忆效应”，所以锂离子蓄电池可以在未完全放电的条件下充电而不会降低其容量。但是如果锂离子蓄电池已充足电还要继续充电(过充电)，则会损坏电池，锂离子蓄电池是目前应用非常广泛的可充电电池;(5)锂离子蓄电池的安全要求高，在电池上需配有保护元器件或保护电路以防止电池芯损坏。此外锂离子蓄电池充电要求也很高，要保证限制电压精度在1%之内。锂离子蓄电池的以上优点，使它成为一种很有发展前景的蓄电池。目前在北京己经有锂离子蓄电池纯电动公交车示范运行线，奥运会期间的部分交通也是锂离子蓄电池纯电动公交车提供的。蓄电池需要定期的对它进行满充满放的维护来提高电池性能。这使如何能快速、安全、高效地给蓄电池充放电变得非常重要。另外，锂离子蓄电池抗滥用能力低，不允许过充过放，对于hev来讲，动力电池主要用于功率补充，因此有必要研究锂离子电池的功率特性。二、国内外研究现状电动车辆的关键零部件之一电池系统,特别电池系统的管理系统被认作为电动车部件国内开发的重要障碍。电池组智能化管理对提高电池寿命,为多能源控制系统提供准确的电池组状态很有必要,是决定电池组能否实现车辆行驶功率均衡的关键。为确保电池性能良好,延长电池使用寿命,必须对电池进行合理有效的管理和控制,为此,国内外均投入大量的人力物力开展广泛深入的研究。例如,日本青森工业研究中心从1997年开始至今,仍在持续进行电池管理系统实际应用的研究;美国vdlanova大学和usnanocorp公司已经合作多年对各种类型的电池soc进行基于模糊逻辑的预测;丰田,本田以及通用汽车公司等都把bms纳入技术开发的重点。电池bms的开发难点一是在于要估计电池的荷电状态常说的电池soc估计,另外是要能够提供电池的瞬态输入输出功率,从而能够实现合理地使用和保护电池,通过该课题的研究,能够给电池的管理系统的开发提供一个电池10s脉冲峰值功率估计的方法,从而可以减小电池开发过程中的测试工作,为电池系统这一关键零部件的国产化提供研究的方法。第二个方面,通过该方法可以为我们提供电池在各种状态下的最大的持续时间不等的输入和输出功率,可以为我们优化整车的控制策略,提高整车系统的经济性和有效性提供数据依据;为电动汽车电机的控制器开发提供依据;以提高电动汽车的使用安全和可靠性,提高电动汽车动力电池的使用寿命,优化电动车的整车控制器的控制策略,提高电动汽车的燃油经济性和能量效率。美国usabc提供了电池的峰值功率的测试方法,但仅仅是一个电池80%dod(degree of discharge)持续时间30s的电池的估计峰值功率,而且是低于电池额定功率的一个大电流放电时的峰值功率值,并不是电池的实际峰值功率。在峰值功率测试方面,日本jevs电池的功率测试标准和美国usabc提供的测试方法相差不大,主要的差别有两点,一点是电池的vocv的计算方法不相同,usabc提供的是采用厂家和c/3放电至80%dod搁置lh中的较大值,日本标准则是通过测试电池的放电电流一电压下降特性,使用最小二乘法外插放电电流一电压下降特性,求出放电电流o(a)对应的电池电压vocv; 另一点电池在采用的测试dod是只选取了20%, 50%, 80%dod。十五863的电池测试规范,把电池在极限电流放电o.1s时的输出功率规定为峰值功率,计算了持续时间为ls,3s,5s和10s的平均功率。因而这三种方法均无法提供电池持续10s 的实际峰值输出功率。 三、本文价值与意义 对于整车设计来说,电池特性的了解非常重要。如果采用保守方式电池的功率过剩设计很大,才能确保整车在不同情况下的功率要求,易造成电池成本过高,重量过大,影响整车的性能;如果电池的功率设计比较小,则可能在使用过程中造成电池损坏,因此需要电池管理系统给整车提供比较精确的电池输入输出功率数值,从而能够优化使用和保护电池。本文将根据国内外常用的功率测试方法,进行电池的峰值输出功率估算的方法的研究并进行比较实验:(1)采用两段脉冲放电的方法,通过两段脉冲放电结束时的电流和电压估计电池的电流。电压特性,预估电池在截止电压3.0v时的电流,从而得出电池在截止电压时的峰值功率; (2)采用多段脉冲放电的估计方法,同样是通过脉冲放电寻找电流。电压的特性来预估电池的峰值功率; (3)直接采用恒功率放电的方法,通过调整电池放电功率,当电池的恒功率放电持续时间为10s电压达到电池的截止电压3.0v时的功率即为电池的10s峰值功率。本课题选取锂离子动力电池进行电池峰值输出功率测试,通过更改电池的截止电压同样可以对其它的电池体系进行峰值放电功率测试。主要参考文献：1 王静.电动车发展现状及前景分析.汽车研究与开发,2000,(2):30-31 2 刘莎，卢世刚，庞静. 锂离子动力电池脉冲功率特性的研究.2009, 33(4):276-2793 庞静，卢世刚，杜纪磊，张刚，刘人敏，陈晓红. 混合电动汽车用高功率型锂离子电池.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 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. 镍氢动力电池峰值输出功率测试方法硕士论文. 湖南：中南大学，20077 张宾，何勇灵，陈全世. 电动汽车用锂离子电池的能量功率特性分析.电源技术.2010,34(10):1076-10798 李文成，卢世刚，庞静，刘莎，王昌胤，靳尉仁，阚素荣，吴国良.高功率锂离子蓄电池制备与性能研究.2009,33(4):280-2839 周震涛,严燕. 锂离子动力蓄电池充放电基本性能的研究.2001, 29(4):17-21研究方案：本设计将主要应用以下方法：1两段脉冲放电法：两段脉冲放电的测试方法是对电池采用两段脉冲放电,记录电池的脉冲放电电流和电池的端电压,参照国家863电动汽车重大专项的测试规范,采用10秒脉冲放电的方法,设置电池的脉冲放电电流为电池允许的最大连续放电电流120a,首先将电池满充电,然后以lc放电1800s,调整电池的soc为50%, 再进行20c120a脉冲10s的放电。实验过程中记录电池的工作电流和电压。设第4步1800秒放电过程中第10s的电池电压为vl,电流为i1,第5步10s时的电压为v2,电流为i2;则:r=v/i=（v2一v1)/(i2-i1) 电池的10s峰值功率w则为电池的截止电压0.8v的平方,除以电池的电阻r, w=v*v/r=0.64*i/v2多段脉冲放电法:采用多段脉冲放电的测试方法对电池峰值输出功率的特性进行研究,就是对电池进行多段脉冲放电的测试,记录其电流和电压,通过电流和电压的数据规律来分析电池的10s放电功率。 首先对需要测试的电池进行充电,使电池达到预定的soc,通过对电池采用多段脉冲放电,同时在每一个脉冲放电后对电池进行适当的电量补充,使电池在每一个脉冲测试过程的荷电量soc接近预先设置的值,通过利用高精度的电流和电压检测设备,检测相对应的脉冲结束时的电池电压值,利用数值分析的方法对数据进行处理,建立数据模型来估计电池在对应的温度,soc,脉冲持续时间以及电压截止值时的电流值,从而通过对应电流和电压的乘积,得出电池对应的输出功率。然后通过采用恒功率放电的模式,在电池的对应温度,对应soc和对应电流持续时间时的峰值输出功率。 3.恒功率放电法:对于电池在某一个点的功率通过采用恒功率放电的方式进行测试。因为电池电化学反应具有它的特殊性,不一定会按照我们设定的测试规律进行。因此我们需要对采用估算测试的电池的实际峰值输出功率进行检验。具体的实验方法就是将电池首先在设定的温度环境下搁置到恒定的温度,然后将电池充电到设定的soc点,采用恒功率放电的方式,记录电池的放电电压和恒功率放电的持续时间,逐步加大恒功率放电的功率设置,使电池在达到截止电压时的恒功率放电持续时间为10s时的功率即为该温度条件下该soc点的10s的最大输出功率。因为实验过程为一个功率逐步加大的摸索过程,实验过程中需要进行多次的测试,需要逐步加大功率使其达到设定的截止电压和截止时间。具体研究方案：1.采用两段脉冲放电法对电池进行测试，由所记录的数据和公式可求出电池的内阻r，然后再求出电池的峰值功率w。 将预估的电池峰值功率与实际值相比较。2.采用多段脉冲放电法对电池进行测试，利用数值分析的方法对数据进行处理，建立数据模型，电压与电流的函数关系，从而可以计算出当电压达到截止电压3.0v时对应的电流，电流和电压的乘积，得出电池对应的峰值功率。对脉冲电流和电压的趋势进行预估,从而估计电池在脉冲放电至截止电压时电池的峰值输出功率.实验过程中将采用一次函数,二次函数和指数函数对电池的电流和电压特性趋势进行了评估。3.采用恒功率放电法对电池进行测试，记录功率值，并细化实验功率递增量，放电时间为10秒的功率即为所求峰值功率，记录数据。预期成果：通过采用两段脉冲放电法测试,预测的结果能够反映电池之间的功率差别的趋势。采用多段脉冲放电的测试方法,利用函数关系对电池的脉冲电流和电压的趋势进行预估,从而估计电池在脉冲放电至截止