（电气工程专业论文）电动汽车智能电池系统的研究.pdf

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c a r b o ne c o n o m y e l e c t r i c v e h i c l e su s ee l e c t r i c i t yt od r i v e ，a n dc a nr e d u c ec a r b o nd i o x i d ee m i s s i o n so rr e a c hz e r o e m i s s i o n s oe l e c t r i cv e h i c l e sg e tm a n ys t a t e s a t t e n t i o na n dd e v e l o pf a s t b e c a u s eo fi t s l o n gl i f e ，g o o ds a f e t yp e r f o r m a n c ea n dl o wc o s t ，l i f e p 0 4b a t t e r yh a sb e c o m ea ni d e a l p o w e r s o u r c ef o re l e c t r i cv e h i c l e s t h i sp a p e rs t u d i e st h eo p e r a t i o np r i n c i p l e sa n dc h a r a c t e r so fl i f e p 0 4b a t t e r y , a n d a n a l y z e st h ep r o b l e m sn e e d e dt os o l v ew h e nu s i n gl i f e p 0 4b a t t e r yi np r a c t i c e o nt h i s b a s i s ，t h i sp a p e rs t u d i e st h es o ce s t i m a t i o na n dc o r r e c t i o ns t r a t e g y , b a l a n c ec o n t r o l s t r a t e g y , t h e r m a lm a n a g e m e n ts t r a t e g y , d i s c h a r g i n gc o n t r o ls t r a t e g ya n dc h a r g i n g c o n t r o ls t r a t e g yo fl i f e p 0 4b a t t e r y f i n a l l y , b yc o m b i n i n gl i f e p 0 4b a t t e r ya n db m s ， t h i sp a p e rs t u d i e st h ei m p l e m e n t a t i o no fs m a r tb a r e l ys y s t e m h a r d w a r eh a sc o m p l e t e s t r u c t u r ea n dc i r c u i t t h ec o n t r o ls t r a t e g yo fl i f e p 0 4b a t t e r yi se m b e d d e di nt h e s o f t w a r e s m a r tb a t t e r ys y s t e mc a r lf u l f i l lt h et a s ko f b a t t e r ym e a s u r e m e n t , m a n a g e m e n t a n dp r o t e c t i o n , a n dc a n p r o v i d eb a t t e r yi n f o r m a t i o nc o m p l e t e l y , a n dc o n t r o lc h a r g ea n d d i s c h a r g ee f f i c i e n t l y t h es m a r tb a t t e r ys y s t e mh a sb e e nu s e di ne l e c t r i cc l e a n i n gv e h i c l ei nb e i j i n g t h e r e s u l ts h o w st h a tt h es y s t e mc a ne n s u r et h eb a t t e r ys a f e t ya n dr e l i a b i l i t y , a n dg u a r a n t e e e l e c t r i cc l e a n i n gv e h i c l e so p e r a t i o ns t a b i l i t y k e y w o r d s ：e l e c t r i cv e h i c l e ；l i f e p 0 4 ；s m a r tb a t t e r ys y s t e m ；c o n t r o ls t r a t e g y c l a s s n o ：u 4 6 3 6 3 v 目录 目录 中文摘要：i i i a b s l r a c t 。v 1绪论1 1 1电动汽车的发展1 1 2电动汽车智能电池系统概述3 1 2 1 车用电池的概述3 1 2 2 电池管理系统概述6 1 2 3 智能电池系统概述6 1 3 本文主要研究的内容7 2 磷酸铁锂电池的原理特性及使用问题分析9 2 1 磷酸铁锂电池的基本原理一9 2 1 1 磷酸铁锂电池的工作原理9 2 1 2 磷酸铁锂电池的内部结构9 2 2 磷酸铁锂电池的特性和使用问题分析1 0 2 2 1 磷酸铁锂电池的s o c 估算1 0 2 2 2 磷酸铁锂电池的一致性问题1 2 2 2 - 3 磷酸铁锂电池的温度特性13 2 2 4 磷酸铁锂电池的放电特性1 4 2 2 5 磷酸铁锂电池的充电问题1 5 3电池管理系统对磷酸铁锂电池的管理策略研究1 7 3 1磷酸铁锂电池的s o c 估算和修正策略1 7 3 2磷酸铁锂电池的均衡控制策略2 1 3 3磷酸铁锂电池的热管理策略2 3 3 4磷酸铁锂电池的放电控制策略2 4 3 5 磷酸铁锂电池的充电控制策略2 5 3 5 1 充电允许控制2 7 3 5 2 充电电流控制。2 8 3 5 3 充电后期对s o c 修正2 9 3 5 4 充电控制的完整过程2 9 4智能电池系统设计31 4 1智能电池系统的整体设计与运行模式3 1 北京交通大学硕士学位论文 4 1 1 智能电池系统的设计要求。3 1 4 1 2 智能电池系统的整体设计。31 4 1 3 智能电池系统的运行模式。3 3 4 2智能电池系统从控模块设计3 4 4 2 1 从控模块硬件设计。3 4 4 2 2 从控模块软件设计4 2 4 3智能电池系统主控模块设计4 6 4 3 1 主控模块硬件设计4 6 4 3 2 主控模块软件设计4 9 4 4 智能电池系统监控终端设计5 1 4 4 1 监控终端硬件设计。5 1 4 4 2 监控终端软件设计5 2 5智能电池系统的运行和验证6 1 6 结论6 3 6 1本文总结6 3 6 2对今后工作的思考6 4 参考文献6 5 作者简历6 7 独创性声明6 9 学位论文数据集7 1 绪论 1 1电动汽车的发展 1 绪论 汽车在社会进步和经济发展中扮演着重要的角色，但是汽车的发展主要以地 球上有限的矿物燃料资源为基本前提，在目前及今后相当长的一段时间里，绝大 部分汽车都是靠燃烧各种燃料驱动的。随着世界原油储备的下降，能源短缺的问 题逐渐凸显。此外，气候变化、环境污染等问题都促使人们对汽车节能减排更加 的关注。 随着中国经济的快速发展与人民生活水平的逐步提升；越来越多的中国普通 百姓家庭拥有了汽车，汽车及相关产业的发展将成为中国的重要经济支柱之一。 2 0 0 9 年中国的汽车保有量已经达到6 9 6 2 万辆，由于汽车保有量的快速增加，我国 的燃油消耗也相应快速增加，对我国燃油供应甚至是整个中国经济都造成了相当 程度的冲击。自1 9 9 3 年开始，我国己成为石油净进口国，而且进口数量在逐年增 加，对国际市场原油依存度与日俱增。资料显示到2 0 2 0 年后，我国石油消耗总量 的5 0 以上需要进口石油来提供，这无疑对我国能源安全形成严重威胁。 随着我国汽车保有量的增加，汽车排放的问题日益严重。汽车造成的污染除 了交通扬尘，主要是尾气排放。发动机燃烧后，排放的主要污染物包括碳氢化合 物、氮氧化物、一氧化碳、二氧化碳和细微颗粒物。汽车尾气更接近地面，也更 接近经常在市区活动的人群，因此对我们的健康有更大的危害。汽车尾气中细小 的颗粒物可进入我们的呼吸道，附着在肺壁上能引起呼吸系统疾病，损坏肺部， 使已有的呼吸及心血管问题恶化。当颗粒有毒时，可能导致癌症，还可刺激皮肤 和眼睛，造成皮炎、眼结膜炎。尾气在直接危害人体健康的同时，还影响着气候 和环境。汽车尾气容易导致酸雨的发生，造成土壤和水源酸化，影响农作物和森 林的生长，而二氧化碳则是引起地球变暖的罪魁祸首。全球变暖会造成两极冰川 融化，海平面上升，极端天气气候事件( 厄尔尼诺、干旱、洪涝、雷暴、冰雹、 风暴、高温天气和沙尘暴等) 出现的频率与强度增加，此外还会造成农作物减产 甚至大量物种灭绝。为了减缓全球气候变暖，许多国家都开始重视节能减排和发 展低碳经济。 为了应对能源危机、环境污染和气候变化，发展电动汽车是一个重要方向【l 】。 中国如要继续发展汽车工业和普及汽车，一方面必须大幅度节省燃料消耗，另一 方面必须寻找数量级与石油相当的燃料来源，而唯一能在数量级上与石油燃料相 提并论的只有电力资源。电可以用各种能源来生产，除了煤发电以外，我国还正 北京交通大学硕士学位论文 在大力发展核能、水能、风能、太阳能、各种生物质能和废弃有机物等资源发电。 由于电动车多数在夜间充电，可以利用它来平衡电网的峰谷差，提高电网的效率， 达到节能的效果。此外，电动汽车因为部分或全部采用电力进行驱动，可以降低 二氧化碳的排放量甚至实现零排放，所以发展电动汽车得到各国的重视。 美国发布了美国的新能源计划，打出了开发清洁能源、创造绿色工作、 发展低碳经济等主张，明确其能源政策立场和采取的具体行动和措施。与电动车 相关的主要措施和目标是：投资开发新能源汽车，实现2 0 1 5 年前1 0 0 万辆插电式 电动汽车上路的目标。支持美国汽车制造企业加大开发混合动力车和纯电动车， 特别是先进电池技术的研发。给予购买新能源汽车的美国消费者高达7 0 0 0 美元的 税收抵免，给予美国汽车制造企业开发和制造节能汽车约4 0 亿美元的税收抵免和 贷款担保。2 0 0 9 年8 月初，美国政府宣布将向车用电池、电动驱动装置等4 8 个项 目提供总额2 4 亿美元的补助金，希望通过此举加快电动汽车等新能源汽车配套的 技术研发，提高国际竞争力。 日本的混合动力车研发和销售均在全球处于遥遥领先的地位，为促进环保车 的普及，日本从2 0 0 9 年4 月1 日起实施“绿色税制”。它的适用对象包括纯电动汽 车、混合动力车、清洁柴油车、天然气车以及获得认定的低排放且燃油消耗量低 的车辆。前3 类车被日本政府定义为“下一代汽车 ，购买这类车可享受免除多种 税赋优惠。日本对购买混合动力车型给予约2 0 万日元的补贴。政府对混合动力汽 车扶植主要有两方面的动机，一方面是通过降低汽车油耗减少本国对进口石油的 依赖；另一方面，通过发展混合动力技术，减少使用汽车对环境造成的污染。 德国在发展新能源汽车方面雄心勃勃。2 0 0 9 年8 月1 9 日，德国政府颁布了国 家电动汽车发展计划，旨在促进本国电动汽车开发并推向市场，目标是到2 0 2 0 年使德国拥有1 0 0 万辆电动汽车。电动汽车的动力主要使用生态电力，需建立一 个为电动汽车充电的充电站网络。为此，德国工业界要继续开发研究蓄电池和电 动汽车新技术。德国政府希望借助这项计划突破诸多技术和基础设施瓶颈，使德 国成为世界电动车市场的领军者。 汽车业是法国的国民经济支出产业，其就业人口占全国总人口的1 1 0 。同时， 法国还素以“环保大国”自居，因此，无论政府还是企业都将新能源汽车视为重 点发展对象，而且政府和企业间已形成了良好的互动。在金融危机形势下，法国 不顾国际批评，大力扶持汽车产业。在政府层面上，法国就新能源汽车的发展出 台了一系列鼓励措施。法国总统萨科齐在去年的巴黎国际车展上宣布，政府将投 入4 亿欧元，用于研发新能源汽车。 中国原油对外依存度高达4 8 ，原油消费中6 0 是交通用油。同时我国又是 世界第二大二氧化碳排放国，占全球排放总量的1 8 8 ，而汽车尾气排放占二氧化 2 绪论 碳排放总量的1 5 9 。各国新能源政策的实施，哥本哈根谈判的结果，都使中国面 临更大的碳减排压力。推广使用新能源汽车，是我国在碳减排压力下经济转型的 必然选择。中国承诺到2 0 2 0 年实现单位g d p 碳排放降低4 0 - 4 5 。为实现该目 标，交通领域减排势在必行。主要原因有：( 1 ) 交通领域碳排放巨大，减排潜力 较大。( 2 ) 交通减排技术更容易实现，相对其他行业，技术门槛容易突破，且成 本较低。( 3 ) 主要由消费者投资，政府不需要承担太多成本，只需要前期培育和 引导。“十五”期间，国家设立了电动汽车重大科技专项课题，确定了“三纵三横” 的研发布局，其中“三纵”指燃料电池汽车、混合动力电动汽车和纯电动汽车三种车 型；“三横”指多能源动力总成控制系统、驱动电机及其控制系统和动力蓄电池及其 管理系统三种共性技术。2 0 0 8 年北京奥运之后，科技部提出“十城千辆”新能源示 范工程，推进包括混合动力车、燃料电池车和纯电动车在内的新型动力汽车商业 化，计划三年内，在全国十个以上有条件的大城市，每个城市进行1 0 0 0 辆节能与 新能源汽车的推广j 并形成新能源供应设施的规模市场，使我国到2 0 1 0 年节能与 新能源汽车的规模达到1 万辆。这些均表明国家的配套政策有望真正实施。科技 部部长万钢表示，希望经过4 5 年的努力，在2 0 1 2 年的汽车产量中有1 0 ，就是 至少1 0 0 万辆以上是节能新能源汽车。 电动汽车主要分为纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池电动汽车等几种形 式，随着各国的重视、加大资金投入和技术进步，纯电动汽车和混合动力汽车初 步满足了产业化的要求1 2 1 1 3 1 。 1 2电动汽车智能电池系统概述 电池是电动汽车的主要能量存储系统，是关键核心部件，动力电池的性能对 新能源汽车的发展起着至关重要的作用。电池管理系统肩负着监控电池状态、优 化使用电池能量、杜绝电池滥用以及延长电池寿命的重要职责，是电动汽车不可 或缺的重要部件。由于电池的管理与电池的化学特性密切相关，不同种类的电池 具有不同的充电和使用特性，所以电池管理系统随着车辆电池配置的不同变得日 趋复杂。电池和电池管理系统密不可分，他们共同组成电动汽车的电池系统，在 电动汽车上起着重要作用。 1 2 1 车用电池的概述 动力电池的性能对新能源汽车的发展起着至关重要的作用。新能源车动力电 池应具有比能量高、比功率大、自放电少、使用寿命长及安全性好等特性。目前 3 北京交通大学硕士学位论文 技术最成熟、商业化最成功的是镍氢动力电池，但是锂离子电池具有很多有优点 和良好的发展前景，逐渐成为各国研发的重点，而燃料电池则因可以做到完全零 排放，而被视作远期目标。下表是各种电池的比较吲【5 】： 表1 1 常用蓄电池比较 r 铅酸电池镍氢电池锂离子电池燃料电池 工作电压( v )21 23 7 o 6 0 8 比能量( 咧姆) 3 5 4 07 5 8 01 1 0 1 6 05 0 0 比功率( 酬堙) 5 01 6 0 2 3 03 0 01 0 0 体积比能量( 砌三) 8 01 0 0 2 0 02 0 0 2 8 0 1 0 0 0 充放电寿命( 次) 3 0 0 5 0 05 0 0 1 0 0 06 0 0 15 0 0 自放电率( 月) 53 0 3 5 5 0 0 5 0 0 1 0 0 0 成本( s k w h ) 5 7 7 52 0 2 52 5 3 5 安全性能低好很好 优良的循环性、安 安全性好、耐过 全性和稳定性、理 优点工艺成熟论比容量高、较高 充性好、价格低 的振实密度、成本 低廉 成本高，存在安充放电时容量 缺点全隐患，只适合衰减严重，循环 电化学性能差、低 温性能较差 小容量单体电池寿命低 钴酸锂材料具有工艺成熟、材料的加工性能好、密度高、比容量相对较高， 材料的电压平台较高且比较稳定等优点，广泛用于小型移动电源产品上。但是它 含有贵重金属成本较高，抗滥用能力差，安全性能较差，不适合于大型动力电池 领域推广应用。锰酸锂材料因具有较高的电压平台，良好的安全性能、丰富的资 源和低廉的价格，而被认为是极具市场竞争力的正极候选材料之一。但其存在的 充放电过程中结构不稳定性问题和循环寿命低是一项重要研究课题。磷酸铁锂材 料是最近几年快速发展起来的一种新的正极材料，在动力电池和备用电源领域具 有广阔的应用前景。与传统的正极材料，尖晶石结构的l i m n 2 0 4 和层状结构的 l i c 0 0 2 相比，橄榄石结构的l i f e p 0 4 结构极其稳定，不会因为短路而产生爆炸， 容量达到1 7 0 m a h g ，原材料来源更广泛、价格更低廉。由于l i f e p 0 4 与f e p 0 4 结 构相似，锂离子脱出、嵌入后，l i f e p 0 4 晶体结构几乎不发生重排。因此l i f e p 0 4 的循环性能更好，锂离子可以自由进出，可反复充放电达1 0 0 0 次以上。相比较而 言，钴酸锂最大的问题是安全性差，高温时易爆炸、成本高、循环寿命短；锰酸 锂安全性比钴酸锂好很多，但高温环境的循环寿命更差。磷酸铁锂因为高放电功 率、成本低、可快速充电且循环寿命长，在高温高热环境下的稳定性高，具有很 5 北京交通大学硕士学位论文 好的安全性能，因而是目前最理想的动力汽车用锂电正极材料。 1 2 2电池管理系统概述 电动车运行工况比较复杂，如环境温湿度变化、载荷量变化、气压变化、大 气腐蚀、振动冲击、输入输出功率的骤变、静态放置等等，由此决定了电池的工 况也比较复杂。锂电池的成本较高，抗滥用能力较差。电池的过充电、过放电、 过热和过电流等可能导致电池的寿命严重衰减，甚至出现电池着火或者爆炸等安 全事故。在成组锂电池中由于电池的一致性差异，问题表现得更为突出。因此， 要使电动车在各种工况下具有良好的工作特性，就必须采用电池管理系统来保证 电池能够可靠、安全使用，避免过充电和过放电，延长蓄电池的使用寿命，提高 电池的综合性能。 随着电动汽车的不断发展和示范运行，电池的管理技术经过一段时间的发展 逐渐由简单管理过渡到全面管理阶段，技术更加先进，对电池的检测、管理和保 护更加智能1 6 1 。 电池管理系统主要有三个功能：( 1 ) 实时监测电池状态。通过检测电池的外 特性参数( 如电压、电流、温度等) ，采用适当的算法，实现电池内部状态( 如直 流内阻、容量和s o c 等) 的估算和监控，这是电池管理系统有效运行的基础和关 键；( 2 ) 在正确获取电池的状态后进行热管理、电池均衡管理、充放电管理、故 障报警等；( 3 ) 建立通信总线，向显示系统、整车控制器、充电机和计算机等实 现数据交换。电动汽车的发展及产业化，对电池管理系统提出更高的要求。 1 2 3 智能电池系统概述 过去，电动汽车领域还没有智能电池系统的概念，智能电池最初在笔记本电 脑电池中提出。i n t e l 和d u r a c e l l 于1 9 9 5 提出了笔记本智能电池的概念s m a r t b a t t e r y ，s m a r tb a t t e r y 把锂电池和管理控制系统结合在一起本身具有测量、计算、 保护、通信等功能 7 1 。随着电池在电动汽车领域的广泛应用，电动汽车用智能电池 成为智能电池应用发展的一个特殊方向，电池与电池管理系统相结合应用形成电 动汽车智能电池系统，此时电动汽车智能电池系统逐步有了定义。偏向内部功能 表述的定义是嗍：智能电池系统是能对自身进行高效管理的电池电源系统，包括电 池和控制系统，电池进行能量的存储和供给，控制部分一般由单片机系统及其周 边检测控制模块组成，完成智能化测量、计算和管理控制，整体构成完整的、可 靠的、安全的电力供给系统。偏向对外功能表述的定义是：装备有硬件控制电路 6 绪论 的电池，在软件控制下，向系统管理总线主机提供电池的目前状态、计算并预测 信息。这两种定义各有侧重，并不完整，所以本文将两者结合起来，将电动汽车 用智能电池系统定义为：电动汽车智能电池系统是能对自身进行高效管理的电池 电源系统，主要由电池和电池管理系统构成。电池进行能量的存储和供给，电池 管理系统完成对电池的智能化监测、状态估算、管理控制和保护，整体构成完整 的可靠的电力供给系统。 1 3本文主要研究的内容 磷酸铁锂电池因为其诸多优点逐渐成为电动汽车首选的电池，随着对电池特 性了解得更深以及电池管理技术的提高，电池管理系统和电池更加紧密的结合， 检测、控制和保护更加智能化。本文主要研究的内容是：研究磷酸铁锂电池的工 作原理和特性，针对磷酸铁锂电池在电动汽车上使用时存在的一些问题制定控制 策略，研究运用磷酸铁锂电池和电池管理系统构建电动汽车的智能电池系统。此 电动汽车智能电池系统主要针对北京市纯电动环卫车设计和应用，电池是由北大 先行公司提供的磷酸铁锂电池组，惠州亿能电子有限公司在硬件和实验平台上提 供了许多帮助。 本论文的研究工作主要包括以下几个方面： ( 1 ) 研究磷酸铁锂电池特性和工作原理，分析电动汽车应用磷酸铁锂电池作 为动力源时存在的一些难点问题。 ( 2 ) 针对磷酸铁锂电池应用的一些问题，制定相应的控制策略，结合这些控 制策略设计电池管理系统，对磷酸铁锂电池组进行智能检测、管理和控制。将电 池管理系统从控模块与磷酸铁锂电池组成智能电池包，完善智能电池包相应的功 能；将智能电池包与电池管理主控模块及监控终端构成智能电池系统，研究解决 电动汽车整车运行时及电池包快速更换时两种情况下智能电池系统的实现。 ( 3 ) 将所研究的智能电池系统在北京市纯电动环卫车上安装、使用，对该系 统的功能、可靠性、控制策略进行测试，对出现的问题进行改进和完善。 7 磷酸铁锂电池的原理特性及使用问题分析 2 磷酸铁锂电池的原理特性及使用问题分析 智能电池系统由电池和管理它的电池管理系统组成，要想更好的使用电池和 管理电池，必须对电池的原理和特性有较好的了解，对使用中存在的问题进行分 析。本章对磷酸铁锂电池的工作原理及特性进行深入研究，并总结出使用时存在 的难点和问题，为电池管理系统的设计提供依据。 2 1磷酸铁锂电池的基本原理 2 1 1 磷酸铁锂电池的工作原理 锂离子电池反应是一种理想的可逆反应，锂离子电池是一个锂离子浓差电池， 充电时锂离子从正极化合物中脱出经过电解质嵌入负极晶格，负极处于富锂态， 正极处于贫锂态，同时电子的补偿电荷从外电路供给到负极，保证负极电荷平衡； 放电时则相反，锂离子从负极脱出，经过电解质嵌入正极，正极处于富锂态。由 于锂离子电池正负极材料都用层间化合物，所以在正常充放电时，锂离子在层状 机构的碳材料和层状结构的氧化物的层间嵌入和脱出，只引起层间距的变化，不 会引起晶体结构的破坏，所以伴随着充、放电的进行，正负极材料的化学结构基 本不变，因此从充、放电反应的可逆性看，锂离子电池反应是一种理想的可逆反 应，称之为“摇椅式”锂离子电池体系。 锂离子电池的充放电过程是锂离子在电池正负极中的脱出和嵌入实现的【9 】，磷 酸铁锂液态锂离子电池的反应方程式如下： 充电：l i f e p 0 4 一x l i + 一x g 一一x f e p 0 4 + ( 1 - x ) l i f e p 0 4( 2 1 ) 放电：f e p 0 4 + x l i + + x e 一一x l i f e p 0 4 + ( 1 一x ) l i f e p 0 4 ( 2 - 2 ) 2 1 2磷酸铁锂电池的内部结构 磷酸铁锂电池的内部结构，一侧是橄榄石结构的l i f e p 0 4 作为电池的正极，由 铝箔与电池正极连接，中间是聚合物的隔膜，它把正极与负极隔开，但锂离子l i + 可以通过而电子e 不能通过，右边是由碳( 石墨) 组成的电池负极，由铜箔与电池 的负极连接。电池的上下端之间是电池的电解质，电池由金属外壳密闭封装。 l i f e p 0 4 电池在充电时，正极中的锂离子l i + 通过聚合物隔膜向负极迁移；在 放电过程中，负极中的锂离子l i + 通过隔膜向正极迁移。锂离子电池就是因锂离子 9 北京交通大学硕士学位论文 在充放电时来回迁移而命名的。 fl ：滗1囊仓锯隰曩9 ( 磺化铹) 焉西弼嗽_ 9 电麓履 麓) i 晶 ( 锯箍) 铀曩， 图2 1 磷酸铁锂电池的内部结构 f 追2 - 1i n t e r n a ls t r u c t u r eo f l i f e p 0 4b a t t e r y 2 2磷酸铁锂电池的特性和使用问题分析 2 2 1 磷酸铁锂电池的s o c 估算 电压是电池实际可以直接测量的最基本的物理量之一，是电池性能评价和使 用的重要指标。电池实际可以在线测量到的电压是电池的两个极柱上的电位差， 又称为电池的端电压或外电压( v o ) 。电池的端电压等于电池的开路电压( y ) 加上电池的欧姆压降( 以) 以及电池的极化电压( 啡) 。即： u o = u o c 矿坼( 充电时为+ ，放电时为- )( 2 - 3 ) 当电池没有使用，即充放电电流为0 ，并且静置足够长的时间之后，电池的欧 姆压降和极化电压都为0 ，那么电池的开路电压矿就等于电池的端电压，在 外部通过测量电池的端电压就可以知道电池的开路电压矿。 为了更加准确的表述电池的剩余容量，通常用荷电状态来表征电池的剩余容 量，即s o c ( s t a t e o f - c h a r g e ) 。它是用来描述电池的剩余电量的重要参数，但是不 能直接从电池本身获得，而只能通过测量电池的外特性参数( 如电压、电流、老 化程度、内阻等) 间接获得。它是指电池的剩余电量和最大可用电量绌之比， 即： s o c ：譬( 2 - 4 ) q 。 1 0 磷酸铁锂电池的原理特性及使用问题分析 电池的开路电压( o c v ) 和它的荷电状态( s o c ) 具有一定的对应关系，通 常把这一特性称为电池的o c v - s o c 曲线，o c v - s o c 曲线对了解电池的性能，以 及对电池的状态估算有一定的作用【l o 】。 如图2 2 所示，对于锰酸锂电池而言，o c v 和s o c 之间具有单调、稳定的对 应关系。锰酸锂电池的o c v - s o c 特性在不同温度、不同电流及不同老化程度下几 乎不受影响。在充、放电状态下锰酸锂电池o c v - s o c 曲线对比中，o c v - s o c 略 有差异，在同一o c v 点的s o c 最大相差不到5 ，所以也可以大致认为是吻合的。 这样，锰酸锂电池可以根据o c v - s o c 曲线对电池的s o c 估算或修正【1 0 】【】。 一一- 一一 一 - 一一，一 。- 一 一一一t ? ， ， r u1口j，j uq 口j uw，ut 托，u1 口口 c ( ” 图2 2 锰酸锂电池o c v - s o c 曲线 f i g 2 - 2o c v - s o c c u r v eo f l i m n 2 0 4b a t t e r y 但是对于磷酸铁锂电池来说，如图2 3 所示，电池的o c v 曲线比较平坦。磷 酸铁锂电池的s o c 从2 0 9 0 之间变化时，o c v 的变化非常小，仅在曲线的起 始端和末端o c v 的变化比较明显。这样就不能简单利用o c v - s o c 曲线来对电池 的s o c 进行估算和修正。一 一， _ _ _ _ 一1 一 r 一。 + 一 f | 7 7 ol o2 03 04 0 图2 3 磷酸铁锂电池o c v - s o c 曲线 f i g 2 - 3o c v - s o cc u r v eo fl i f e p 0 4b a t t e r y 北京交通大学硕士学位论文 2 2 2磷酸铁锂电池的一致性问题 单体磷酸铁锂电池寿命目前可超过1 5 0 0 次，但电池组的寿命会大打折扣，有 可能是8 0 0 次。因为电池组是由大量单体电池串并联而成，其工作状态好比一群 人用绳子绑在一起跑步，即使每个人都是短跑健将，如果大家的动作一致性不高， 队伍就跑不快，整体速度甚至比跑得最慢的单个选手的速度还要慢。电池组同理， 只有在电池性能高度一致时，电池组寿命才能接近单体电池的水平。从生产环节 影响磷酸铁锂电池一致性的因素主要有三点： ( 1 ) 原材料的品质：特别是磷酸铁锂材料系新生事物，其制造设备、合成工 艺都不成熟、品质易出现波动，导致电池产品一致性受到影响。 ( 2 ) 生产环境：磷酸铁锂电池是一个化工原料众多、工艺繁杂的高科技产品， 其生产环境对温度、湿度、粉尘等都有很高的要求，如果没有控制到位，电池品 质将出现波动。 ( 3 ) 制造设备：生产过程中手工的成分越少、设备自动化程度越高，电池一 致性越好。 总之，在制造过程中，由于工艺问题和材质的不均匀，使电池极板厚度、微 孔率、活性物质的活化程度等存在微小差别，这种电池内部结构和材质上的不完 全一致性，就会使同一批次出厂的同一型号电池的容量、内阻等参数值不可能完 全一致。 除了在生产过程中，工艺和材料的问题会造成各电池之间的不一致性外，在 装车使用时，由于电池组中各个电池的温度、通风条件、自放电、电解液密度等 差别的影 2 0 0 1 1 6 0 1 4 0 筝- 2 0 塞l o 。 霹0 0 6 0 o 4 0 0 2 0 0 霸_ 暖嬲 缀 笏 圈 l 霭翻日呖励箩溪阂溺 露 豳 翳l 习 曩l 。： 箩霪朗 l 溯 蓥 荔荔 罄鹰ll黪l踢l ，1豳 霭豳豳翻 髟日l 曩 凑 ；i豳嬲阔 l 囊目溺 霸 4 ! l目l i嬲l翻 瀚溺瀚瀚瀚溺瀚黝溺囫 123456789 1 0 电池镰号 图2 - 4 使用一段时间后磷酸铁锂电池的内阻 f i g 2 4l i f e p 0 4b a t t e 巧sm t e r n a lr e s i s t a n c ea f t e rap e r i o do f u s e 电池的不一致性会使得电池组在串联充电过程中，容量小或内阻高的单体容 1 2 磷酸铁锂电池的原理特性及使用问题分析 易产生过充电，而容量较大或内阻较低的单体往往易产生欠充，导致各个电池之 间的容量不一致，即充电不均衡。串联的单体电池个数越多，充放电次数越多， 各串联电池之间的不均衡性就越严重。同理，在放电使用过程中，同样由于各个 电池单体参数的不一致，将导致容量小的电池过放电，容量大的电池剩余大量的 能量。在不断充放电过程中而进入恶性循环，使电池组提前损坏，缩短电池组的 厂、 t 一一一 一 ? - t ，l 一 ? - _ _ h r 户州 ， 一，。￥* i r 卜6 叫l ；。一一k 1 c 广 十最高电压 | 。 十最低电压 | * 一平均电压 + 充电电流 图2 5 磷酸铁锂电池组充电过程单体电压变化 f i g 2 - 5v o l t a g ec u r v ew h e nl i f e p 0 4b a t t e r yp a c ki sc h a r g i n g 图2 5 所示为使用过一段时间以后的磷酸铁锂电池组充电过程中单体最高电 压、平均电压和最低电压的变化曲线。在各单体电池存在不一致性的情况下，随 着充电的进行，单体电池最高电压和最低电压相差可达l o o m v - 3 0 0 m v 左右，那么 充电末期单体电池电压高的电池可能已经充满，而单体电池电压低的电池还远未 充满。这时如果希望电池组能多充入一些电量的话，那么部分电池可能会过充。 如果停止充电的话，有的电池电量还比较低，在放电的时候就会先到达电压下限， 限制了整组电池的使用。 基于以上原因，为了延长电池的使用寿命，降低电动汽车的使用成本，必须 对电池组进行均衡控制。 2 2 3 磷酸铁锂电池的温度特性 锂离子蓄电池在电动汽车上应用时，必须对其进行热管理。在设计热管理系统 尤其是确定热管理控制策略前，则必须首先考察电池的温度特性。 磷酸铁锂电池不怕高温，但是温度太高时也会影响电池的性能，所以磷酸铁 北京交通大学硕士学位论文 锂电池温度高时可以采用风冷措施控制电池温度。磷酸铁锂电池温度特性中主要 问题是低温性能差，电池的工作温度一般为2 0 c 6 0 t 2 ，尽管人们通过各种方法( 例 如锂位、铁位、甚至磷酸位的掺杂改善离子和电子导电性能，通过改善一次或二 次颗粒的粒径及形貌控制有效反应面积、通过加入额外的导电剂增加电子导电性 等) 改善磷酸铁锂的低温性能，但是磷酸铁锂材料的固有特点，决定其低温性能 劣于锰酸锂等其他正极材料。一般情况下，对于单只电芯而言，其0 时的容量保 持率约6 0 7 0 ，1 0 时为4 0 5 5 ，2 0 时为2 0 4 0 。影响电池低温容量的原 因主要有：( 1 ) 电解液的传输性能差；( 2 ) 充电过程中由于金属锂的沉积导致电 解液的分解；( 3 ) l i + 在石墨负极中的扩散速度慢。这样的低温性能显然不能满足 动力电源的使用要求。当前一些厂家通过改进电解液体系、改进正极配方、改进 材料性能和改善电芯结构设计等使磷酸铁锂的低温性能有所提升，但还未真正满 足需求。 图2 - 6 磷酸铁锂电池不同温度下l 3 c 放电曲线 f i g 2 - 6l i f e p 0 4b a t t e r yl 3 cd i s c h a r g ec u r v ei n d i f f e r e n tt e m p e r a t u r e 如图2 6 所示，磷酸铁锂电池低温时放电性能比较差，由于内阻的显著增大和 材料活性降低，低温下电压平台和可用容量的下降都更明显。 在低温下充电时，由于电池的活性差，特别是电池负极石墨的嵌入能力下降， 正极反应放出的锂离子可能在电负极沉积下来，造成锂枝晶的形成，使得可用的 锂离子减少，严重的时候造成电池内部的短路。低温时磷酸铁锂电池的可接受充 电电流能力减弱，电池的内阻比较大，在o c 以下一般是不建议对电池进行充电。 基于以上原因，在使用磷酸铁锂电池时需对其进行热管理，使其工作在合适 的温度，保证电池具有良好的工作性能。 2 2 4磷酸铁锂电池的放电特性 1 4 磷酸铁锂电池的原理特性及使用问题分析 在磷酸铁锂电池的使用过程中，为了保护电池工作在合适的电流，延长电池 的使用寿命，那么就需要对其充放电电流进行控制。 如上节所述，在不同的温度时，磷酸铁锂电池有不同的工作特性，尤其是低 温的情况下，电池的可用容量降低，电压平台下降迅速，所以放电电流需要根据 l 、 1 、 ； ； ； 2 04 06 08 01 0 01 2 01 4 0 时阃，分 图2 7 磷酸铁锂电池放电曲线 f i g 2 7d i s c h a r g eg u l n eo fl i f e p 0 4b a t t e r y 此外，电池电压也反映了电池能提供放电电流的能力。如图2 7 所示，对于磷 酸铁锂电池的放电过程，在放电末端，电池电压下降很快，如果这时候仍以较大 的电流放电的话，电池电压就会迅速到达下限截止电压，这样电池的电量就不能 够被充分利用。如果继续大电流使用电池，甚至会出现电池过放的可能，所以需 根据电池电压控制放电电流。 2 2 5磷酸铁锂电池的充电