畢業(yè)論文：鋰電池等效電路模型比較分析

汽車工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
課題名稱 鋰電池等效電路模型比較分析
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系 部 電氣與電信工程學(xué)院
專 業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化

摘要

隨著環(huán)境污染和能源消耗的不斷加劇，新能源應(yīng)用正日益受到人們的重視,在新能源領(lǐng)域有巨大應(yīng)用前景的動(dòng)力電池也成為關(guān)注的焦點(diǎn)。本文對(duì)各種動(dòng)力電池進(jìn)行分析比較，最后選擇磷酸鐵鋰電池為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)相關(guān)模型的分析比較，得出一種較為精確的等效電路模型，從而能更準(zhǔn)確的估算電池的SOC及其相關(guān)內(nèi)部參數(shù)。
為了獲得準(zhǔn)確的電池模型，首先對(duì)鋰離子電池的充放電原理、等效電路結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)進(jìn)行了分析，同時(shí)比較了主要的充電策略，選擇使用分段充電法，結(jié)合恒定電流充電與脈沖充電，分時(shí)分段對(duì)電池采用不同的充電策略。電池放電過(guò)程采用恒流放電結(jié)合脈沖放電的方法，進(jìn)行各種參數(shù)測(cè)試。
采用電池測(cè)試系統(tǒng)（NBT公司生產(chǎn)）對(duì)電池單體和電池組進(jìn)行了充放電實(shí)驗(yàn)和混合脈沖功率特性實(shí)驗(yàn)(HPPC)，得出電池的充放電特性曲線，以及各特性參數(shù)。
根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，詳細(xì)分析了PNGV和動(dòng)態(tài)RC兩種等效電路模型的參數(shù)計(jì)算與處理過(guò)程，根據(jù)計(jì)算得到的電路內(nèi)部參數(shù)，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了誤差分析，討論了產(chǎn)生誤差的原因，通過(guò)對(duì)兩種模型的分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，獲得了各個(gè)模型的基本特性。
最后的總結(jié)中，對(duì)方法和結(jié)論進(jìn)行了討論，同時(shí)也對(duì)文章的不足之處提出了完善的設(shè)想，對(duì)模型在電池管理系統(tǒng)系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了展望。
關(guān)鍵詞:電池模型；磷酸鐵鋰電池；HPPC測(cè)試；SOC


Abstract

With the growing environmental pollution and energy consumption, the applications of renewable energy increasingly gained people’ attention. Power Batteries which have great prospects in renewable energy field are one of the focuses of attention. This paper analyzed and compared the power batteries, and the lithium-iron-phosphate battery was chosen to be the e*perimental subject. Through the analysis of related models, it draw a more accurate equivalent circuit model, which can more accurately estimate battery SOC and its internal parame
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4.2 動(dòng)態(tài)R-C 電路模型參數(shù)計(jì)算與數(shù)據(jù)優(yōu)化 29
4.2.1動(dòng)態(tài)R-C 電路模型參數(shù)計(jì)算 29
4.2.2動(dòng)態(tài)R-C 電路模型數(shù)據(jù)優(yōu)化 31
4.2.3 兩個(gè)模型的分析比較 35
第五章 分析與展望 36
5.1 結(jié)果分析 36
5.2 展望 36
第六章 結(jié)束語(yǔ) 38
致謝 39
參考文獻(xiàn) 40

第二章標(biāo)題還沒(méi)有改過(guò)來(lái)

第一章 緒論

1.1 引言

近年來(lái)，隨著對(duì)能源需求加劇以及環(huán)境污染日益嚴(yán)重，人們開(kāi)始尋求新的能源以獲得人類社會(huì)可持續(xù)的發(fā)展，提倡節(jié)能減排的意識(shí)，加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)。為了緩解汽車尾氣排放的壓力，電動(dòng)汽車的推廣已成為解決能源危機(jī)和環(huán)境污染的最佳途徑。
發(fā)展電動(dòng)汽車的關(guān)鍵問(wèn)題在于[1]：一方面是電動(dòng)汽車的性價(jià)比仍無(wú)法與燃油汽車相比，另一方面就是動(dòng)力電池還無(wú)法完全滿足電動(dòng)汽車的需要。近年來(lái)通過(guò)對(duì)各種動(dòng)力電池的研究發(fā)現(xiàn)，磷酸鐵鋰電池在安全性能、環(huán)保、循環(huán)壽命、材料來(lái)源方面有著非常顯著的優(yōu)勢(shì)，且其化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在過(guò)充電情況下也不會(huì)產(chǎn)生游離氧。隨著對(duì)該材料研究的深入，高倍率放電性能的不斷改善，使它的電化學(xué)性能可以應(yīng)用在實(shí)際中，被公認(rèn)為是儲(chǔ)能電池和動(dòng)力電池的首選材料[2]。
為了縮短研究周期，通過(guò)對(duì)電池的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能測(cè)試，建立電池的仿真模型對(duì)電池的研究開(kāi)發(fā)及市場(chǎng)化有著重要作用。在電池運(yùn)行過(guò)程中，過(guò)充和過(guò)放對(duì)電池有很大的損害，使電池的使用壽命縮短，而對(duì)電池的荷電狀態(tài)（SOC）的準(zhǔn)確估計(jì)可以有效的避免這種情況的發(fā)生，對(duì)于電動(dòng)車駕駛?cè)藛T來(lái)說(shuō)，電池的剩余容量的準(zhǔn)確估算也是對(duì)電動(dòng)汽車順利運(yùn)行的保障。
基于當(dāng)前動(dòng)力電池的發(fā)展?fàn)顩r，選擇磷酸鐵鋰電池作為研究對(duì)象。針對(duì)現(xiàn)存的問(wèn)題，本文將圍繞磷酸鐵鋰電池等效電路模型比較分析這一課題展開(kāi)深入的研究。

1.2 課題背景
1.2.1電動(dòng)汽車的發(fā)展?fàn)顩r
隨著全球性的石油問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題的日益加劇，傳統(tǒng)汽車行業(yè)受到了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。電動(dòng)汽車能源利用率高、環(huán)境污染小、動(dòng)力配置靈活等優(yōu)點(diǎn)，使其成為研究得熱點(diǎn)。近十年來(lái)新能源汽車已受到各國(guó)政府的高度重視。美國(guó)，在2009年的經(jīng)濟(jì)刺激計(jì)劃中，為電動(dòng)汽車研究提供2億美元的貸款與獎(jiǎng)金，撥款4億美用于政府購(gòu)置電動(dòng)汽車。日本，2009年4月起實(shí)施“綠色稅制”，對(duì)于電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力、清潔柴油車實(shí)行多種稅賦優(yōu)惠。韓國(guó)，在2011年以前投入23億美元，用于新能源的科技研發(fā)，150億韓元用于購(gòu)買(mǎi)電動(dòng)汽車的補(bǔ)貼。歐盟在2009年1月通過(guò)議案，將汽車排放等指標(biāo)列入公共采購(gòu)要求，并且將提供100億歐元左右的貸款，支持歐洲汽車企業(yè)對(duì)電動(dòng)汽車的開(kāi)發(fā)[3]。
在世界大力發(fā)展電動(dòng)汽車的浪潮中，我國(guó)政府也提出了許多政策來(lái)扶持電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，2009年1月，由發(fā)改委、科技部、工業(yè)和信息化部、財(cái)政部共同啟動(dòng)的十城千輛工程計(jì)劃，在三年內(nèi)努力使全國(guó)電動(dòng)汽車的運(yùn)營(yíng)規(guī)模占到汽車市場(chǎng)份額的10% 。2009年3月國(guó)務(wù)院辦公廳發(fā)布了《汽車產(chǎn)業(yè)調(diào)整和振興規(guī)劃》，提出了未來(lái)三年內(nèi)中國(guó)電動(dòng)汽車的發(fā)展戰(zhàn)略�！兑�(guī)劃》提出，推動(dòng)電動(dòng)汽車及關(guān)鍵零部件的產(chǎn)業(yè)化，掌握電動(dòng)汽車的專用動(dòng)力模塊的優(yōu)化設(shè)計(jì)、規(guī)模生產(chǎn)工藝和成本控制技術(shù)。2010年9月，科技部長(zhǎng)萬(wàn)鋼指出，“十城千輛”工程的試點(diǎn)城市已經(jīng)增加至25個(gè)[4]。與此同時(shí)，世界各大汽車企業(yè)也投入了大量的人才和資金用于電動(dòng)汽車的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。
電池作為電動(dòng)汽車的儲(chǔ)能單元，相當(dāng)于傳統(tǒng)汽車的汽油，因此，它對(duì)于電動(dòng)汽車的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展具有重要的影響。這也就是為什么世界各大汽車企業(yè)紛紛與實(shí)力雄厚的電池生產(chǎn)商強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手，加緊對(duì)動(dòng)力電池組以及相關(guān)配件的研究與開(kāi)發(fā)的原因所在。美國(guó)能源部、美國(guó)三大汽車企業(yè)和多家電池生產(chǎn)商早在1992年就成立了美國(guó)高級(jí)電池聯(lián)盟，制定了一系列的動(dòng)力電池測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)以及電池性能指標(biāo)，如表1.1所示。動(dòng)力電池必需具備以下特點(diǎn)[5]： (1) 高功率密度；(2) 高能量密度；(3) 工作溫度范圍寬；(4) 使用壽命長(zhǎng)；(5) 安全性能好；(6) 自放電率��；(7) 質(zhì)量比能高；(8) 快速充電能力強(qiáng)；(9) 深度放電能力強(qiáng)；(10) 污染小，可回收。
現(xiàn)有的電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池主要有鉛酸蓄電池、鎳氫電池和鋰離子電池，其中鋰離子電池主要有鋰錳電池和磷酸鐵鋰電池。上述各種電池的參數(shù)如表1.2所示。在多種動(dòng)力電池中，鋰離子電池突出的性能使其備受關(guān)注，尤其是磷酸鐵鋰電池。
本文主要以動(dòng)力電池組為研究對(duì)象，下文介紹磷酸鐵鋰電池。





1.2.2 動(dòng)力鋰離子電池研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

鋰電池的研究起源于上世紀(jì)五十年代[6]，于七十年代進(jìn)入實(shí)用化，因?yàn)槠鋸V泛的優(yōu)點(diǎn)，到90年代開(kāi)始廣泛應(yīng)用十通訊設(shè)備、便攜電子產(chǎn)品、航天設(shè)備，尤其是從本世紀(jì)開(kāi)始，磷酸亞鐵鋰電池技術(shù)的成熟，使得鋰離子電池開(kāi)始應(yīng)用于電動(dòng)汽車。根據(jù)德意志銀行2009年的調(diào)查，2009年全世界96%的混合動(dòng)力汽車采用鎳氫電池作為動(dòng)力源，并且估計(jì)十年內(nèi)，70%的混合動(dòng)力汽車和100%的純電動(dòng)汽車將采用鋰離子電池動(dòng)力源[7]。各大汽車公司也推出了多款鋰離子電池為動(dòng)力源的電動(dòng)汽車，比如克萊斯勒汽車公司推出的Smart Fortwo，豐田公司推出的采用鋰離子電池的Prius，美國(guó)通用汽車推出的裝備有16KWh的PHEV雪佛蘭Volt，比亞迪推出的F3DM。就目前市場(chǎng)而言，商業(yè)化的動(dòng)力鋰離子電池的生產(chǎn)商主要有以下企業(yè):日本的AESC、Sanyo、Parasonic；韓國(guó)的LG、SB Limotive；美國(guó)的A123、JCI Saft；中國(guó)的比亞迪、力神、比克[8]。
盡管鋰離子電池的發(fā)展給世界電動(dòng)汽車的發(fā)展起到了巨大的推動(dòng)作用，但這還不足以讓電動(dòng)汽車普及，其中一個(gè)重要的原因就是電池管理系統(tǒng)(BMS)技術(shù)相對(duì)落后，而鋰離子電池在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用，卻對(duì)電池管理系統(tǒng)的要求很高。鋰離子電池的過(guò)充很容易引起燃燒和爆炸，如果發(fā)生在電動(dòng)汽車上，會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的事故。目前電池的安全性已經(jīng)有了很大改善，但是提高電池的使用效率和延長(zhǎng)使用壽命為電池管理系統(tǒng)提出了新的要求。

1.2.3 電池管理系統(tǒng)及其發(fā)展現(xiàn)狀

電池管理系統(tǒng)的研究是近幾年才成為熱點(diǎn)研究對(duì)象的，技術(shù)還不成熟，因此，還沒(méi)有形成對(duì)電池管理系統(tǒng)的統(tǒng)一的定義。并且還有一些其它名稱的系統(tǒng)也具有相似的功能，比如電池電壓管理系統(tǒng)(VMS)和電路保護(hù)模塊(PCM)。根據(jù)國(guó)內(nèi)外關(guān)于電池管理系統(tǒng)的文獻(xiàn)，電池管理系統(tǒng)描述為用來(lái)管理二次充電電池的一種電子設(shè)備，主要包括的功能主要有:
(1)監(jiān)測(cè)電池的各種可測(cè)參數(shù)；
(2)估算電池的狀態(tài)；
(3)均衡電池單體的差異；
(4)與其它設(shè)備的通信；
(5)保護(hù)電池。
隨著電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外許多汽車公司、研究機(jī)構(gòu)和電池生產(chǎn)企業(yè)針對(duì)動(dòng)力電池研發(fā)了各自的電池管理系統(tǒng)，其中比較有名的有美國(guó)Aerovironment公司研發(fā)的SmartGuard電池管理系統(tǒng)，已經(jīng)應(yīng)用于美國(guó)通用汽車公司的純電動(dòng)汽車“EV1”上；美國(guó)EnergyCS公司的電池管理系統(tǒng)，已經(jīng)應(yīng)用于豐田混合動(dòng)力汽車Prius上。
我國(guó)在“十五”期間就設(shè)立了電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)，經(jīng)過(guò)十年的發(fā)展，在電池管理系統(tǒng)技術(shù)方面取得了一些成績(jī)，已有一些電池管理系統(tǒng)研應(yīng)用到電動(dòng)汽車上。其中比較有代表性的有，哈爾濱冠拓電源設(shè)備有限公司的電池管理系統(tǒng)，安徽力高新能源技術(shù)有限公司的電池管理系統(tǒng)等。目前使用的電池管理系統(tǒng)要么功能比較單一，要么不具有使用效果，有必要進(jìn)一步改進(jìn)和完善。良好的電池管理系統(tǒng)應(yīng)該對(duì)電池性能有較為準(zhǔn)確的了解，而這一點(diǎn)要依賴于對(duì)電池動(dòng)態(tài)靜態(tài)模型的掌握。

1.3課題的研究意義

近年來(lái)，隨著石油資源和尾氣排放造成的能源危機(jī)以及環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)重，世界上越來(lái)越多的國(guó)家開(kāi)始重視新能源的開(kāi)發(fā)，提高人們對(duì)節(jié)能減排的認(rèn)識(shí)，各個(gè)國(guó)家也開(kāi)始相互合作來(lái)積極推進(jìn)相關(guān)的能源支持政策。隨著對(duì)新能源的開(kāi)發(fā)和研究，動(dòng)力電池成為企業(yè)家爭(zhēng)相追逐的熱點(diǎn)。不僅是電池生產(chǎn)商，還有汽車廠商、電池材料廠商以及投資領(lǐng)域都對(duì)電池領(lǐng)域充滿了興趣。對(duì)于消耗石油資源嚴(yán)重和尾氣排放量大的汽車行業(yè)，開(kāi)發(fā)出安全，環(huán)保而且廉價(jià)的動(dòng)力源是汽車工業(yè)發(fā)展的必然。在無(wú)線通信領(lǐng)域，基站對(duì)應(yīng)用環(huán)境的要求日益苛刻，比如溫度、機(jī)房面積以及環(huán)保方面，傳統(tǒng)的蓄電池已不能滿足要求。由于磷酸鐵鋰電池具有眾多的優(yōu)點(diǎn)，故將其作為本課題的實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象。
電池在運(yùn)行過(guò)程中常常表現(xiàn)出非線性和時(shí)變性的特點(diǎn)，比如內(nèi)阻、荷電狀態(tài)、溫度，自放電等參數(shù)關(guān)系復(fù)雜。為了分析電池的內(nèi)部變化規(guī)律，通過(guò)大量的性能試驗(yàn)建立電池的仿真模型，可以降低電池能量的消耗；對(duì)于需求以及控制策略的分析，建立電池仿真模型可以大大縮短設(shè)計(jì)的周期以及設(shè)計(jì)的成本。而針對(duì)本課題而言，建立狀態(tài)空間方程以及量測(cè)方程，需要建立精確的電池模型，才能準(zhǔn)確地估算出電池的剩余容量。因此，電池精確的建模對(duì)于電池全面的分析和研究是非常必要的。
電池的剩余電量是電池在運(yùn)行過(guò)程中最重要的性能參數(shù)之一，剩余電量的估算是一個(gè)不可忽視的環(huán)節(jié)。對(duì)于電動(dòng)車來(lái)說(shuō)，通過(guò)準(zhǔn)確地估算電池的SOC，合理利用電池提供的電能情況下，可以使得電動(dòng)車的續(xù)航能力更強(qiáng)。而且電池在運(yùn)行過(guò)程中，大電流的充放電可能造成電池的過(guò)充或過(guò)放，此時(shí)精確地 SOC 估算對(duì)合理利用電池有很好的指導(dǎo)作用，以便進(jìn)行及時(shí)和準(zhǔn)確的調(diào)整和維護(hù)，防止由于過(guò)充或過(guò)放所造成不可修復(fù)性的損壞，提高電池的循環(huán)使用壽命，降低成本。因此，可以產(chǎn)生很好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

1.4 鋰電池模型國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

從 20 世紀(jì) 80 年代開(kāi)始，就有一些文獻(xiàn)從電池?zé)嵝?yīng)出發(fā)對(duì)電池進(jìn)行建模分析，鋰電池出現(xiàn)后，美國(guó)國(guó)家可再生能源室、日本的 Noboru Sato 等都用熱模型對(duì)鋰電池的溫度特性進(jìn)行了深入的研究。目前，電池模型分類有很多，綜合對(duì)文獻(xiàn)[9-11]的分析，電池模型主要分為三類：電化學(xué)模型[12，13]、熱模型[14，15]、性能模型。其中將電池性能模型又分為等效電路模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。
電化學(xué)模型描述的是電池內(nèi)部分子層次的化學(xué)反應(yīng)，通過(guò)建立各個(gè)反應(yīng)的常微分方程，來(lái)體現(xiàn)電池的動(dòng)態(tài)行為，為了滿足電池模型的精度，采用大量的參數(shù)來(lái)模擬電池的極化現(xiàn)象[16-18]，擴(kuò)散效應(yīng)等，文獻(xiàn)[19]中的 Shepherd模型和 Unnewehr 模型是在對(duì)電化學(xué)性能分析基礎(chǔ)上簡(jiǎn)化的電化學(xué)模型，在早期的文獻(xiàn)中研究較多，另外文獻(xiàn)[20]中提出的組合模型，它是基于Shepherd 模型、Un-newehr 模型和 Nerst 模型組合得到的，該組合模型在電池建模和仿真中經(jīng)常會(huì)被采用。由于電池的電化學(xué)機(jī)理模型與實(shí)際環(huán)境狀況有關(guān)，建立精確的電化學(xué)模型過(guò)于復(fù)雜，即使能在特定條件下建立精度較高模型，但使用范圍仍然有限，很難應(yīng)用在實(shí)際工況當(dāng)中。
熱模型的基本理論基礎(chǔ)是電池的電能，化學(xué)能，熱能相互轉(zhuǎn)化和能量守恒的原理。通過(guò)對(duì)電池的生熱和傳熱過(guò)程的研究，來(lái)建立一維模型、二維模型和三維模型[21]，2002 年，S ……（未完，全文共32562字，當(dāng)前僅顯示5857字，請(qǐng)閱讀下面提示信息。收藏《畢業(yè)論文：鋰電池等效電路模型比較分析》）