48V锂离子动力电池组充放电台架建立与实验研究毕业论文

 2020-04-08 02:04

摘 要

电动车辆的主要能源来源于动力电池,磷酸铁锂电池凭借其动力、高安全性、循环寿命长及环保等优良特性,成为电动汽车动力电池的最优选择,是当前电池界争相开发研究的热点。为了掌握磷酸铁锂电池组的充放电特性,本文主要从磷酸铁锂电池工作原理、48V磷酸铁锂电池成组、电池组的充放电台架和电池组的建模方面开展研究。本论文主要研究内容如下:

通过对大量文献的参考阅读,了解磷酸铁锂电池的工作原理以及充放电特性。通过串联单节磷酸铁锂电池得到48V锂电池组,根据磷酸铁锂电池的充放电特性,基于电子负载搭建了电池组的充放电台架,用不同充电方法对磷酸铁锂电池组进行了大量的实验,获取了磷酸铁锂电池组的性能参数数据和电池组的充放电特性曲线。

然后,通过对遴选铁锂电池组的充放电特性的分析,在以实验数据参数的基础上建立了整体磷酸铁锂电池组的电池模型。通过Matlab软件对电池模型进行电路建模与仿真验证。通过对比实验所得充放电曲线与仿真结果,验证了磷酸铁锂电池组模型的准确性。

关键词:磷酸铁锂动力电池,48V锂离子电池组,充放电台架,锂电池模型

Abstract

Power batteries are the core energy of electric vehicles. Lithium iron phosphate batteries have become the best choice for electric vehicles because of their high safety, power, long cycle life, and environmental protection. They are the hot topics in the battery industry. In order to grasp the charge-discharge characteristics of lithium iron phosphate battery packs, this paper mainly studies the working principle of lithium iron phosphate batteries, the formation of 48V lithium iron phosphate batteries, the charge-discharge gantry of battery packs, and the modeling of battery packs. The main research contents of this paper are as follows:

Through the reference reading of a large number of documents, understand the working principle of lithium iron phosphate battery and charge and discharge characteristics. A 48V lithium battery pack is obtained by connecting a single lithium iron phosphate battery in series, and a charging and discharging stand of the battery pack is built based on the electronic load according to the charge and discharge characteristics of the lithium iron phosphate battery, and a large number of lithium iron phosphate battery packs are subjected to different charging methods. In the experiment, the performance parameter data of the lithium iron phosphate battery pack and the charge and discharge characteristic curve of the battery pack were obtained.

Then, based on the analysis of the charge-discharge characteristics of the selected iron-lithium battery pack, the battery model of the overall lithium iron phosphate battery pack was established based on the experimental data parameters. Matlab software for battery model circuit modeling and simulation verification. Comparing the charge-discharge curve and simulation results obtained from the experiment, the accuracy of the lithium iron phosphate battery model was verified.

Key words: Lithium iron phosphate power battery,Lithium ion battery pack,Charge and discharge gantry,Lithium battery model

目 录

摘 要 I

Abstract II

第 1章 绪论 1

1.1 课题背景及意义 1

1.2 锂离子动力电池的发展 2

1.3 国内外锂离子电池的发展及现状 3

1.4 论文主要工作及研究内容 4

第 2章 磷酸铁锂动力电池特性分析 5

2.1 磷酸铁锂电池工作原理分析 5

2.2 磷酸铁锂电池性能分析 7

2.3 磷酸铁锂电池的充放电特性分析 8

2.3.1 磷酸铁锂电池充电方法 8

2.3.2 磷酸铁锂电池充电特性 9

2.3.3 磷酸铁锂电池的放电特性 11

2.4 48V锂动力电池成组 11

第 3章 锂离子电池充放电台架的建立与研究 13

3.1 基于ITS5300的电池测试台架建立 13

3.2 经典动力电池模型分析 14

第 4章 新型动力电池模型的建立 17

4.1 二阶RC等效电路模型的建立 17

4.2 模型参数离线辨识 18

4.3 参数辨识结果 20

第 5章 结论与展望 23

5.1 全文工作总结 23

5.2 展望 23

参考文献 25

致 谢 27

绪论

课题背景及意义

能源危机与环境污染这两大难题一直困扰着全世界,大力发展新能源汽车是解决这两大难题的最优方案之一,建立新的能源体系以及发展节能环保型电动汽车己成为当前全球的共识。不断进步的科技推动着新能源电动汽车向前发展,逐渐占据汽车市场,电动汽车的研发逐渐成为当今世界的热点。此外,各国政府的节能环保、可持续发展的理念让新能源汽车得到了史无前例的发展[1]。新能源电动汽车将逐渐成为21世纪主要交通工具。

相比于与燃油汽车,新能源电动汽车具有众多优良特性,例如无污染,磷排放,运行效率高,所使用的能源电能来源方便多样等。新能源电动汽车的研发已经成为当今科技的热点,自2000年以来,在全世界范围内掀起了新源电动汽车研发的潮流,许多企业都开始看好新能源电动汽车的发展,争相研究。我国政府同样重视电动汽车的研发,2009年国务院审计并通过汽车振兴计划,其中与新能源汽车密切相关,我国科技部制订了相关的电动汽车专项[2]
虽然各国研究与开发新能源电动汽车的方向及技术路线不尽相同,但是新能源电动汽车的核心部位一直都是与动力电池相关。动力电池作为电动车辆的新能源,长期以来一直受到各研究者的重视。目前动力电池仍然存在一系列亟待解决问题存在,例如低能量密度,充电速度迟缓等,这是制约电动汽车产业化和商业化发展的瓶颈[3-5]。本文通过建立锂离子电池组充放电台架的建立,对48V锂离子动力电池组进行大量的充放电实验,研究锂离子动力电池组的工作原理及特性和充放电特性,对锂离子电池建立电池模型,对锂离子动力电池的发展具有重要的意义。

表1-1 各类锂离子电池的主要性能比较

锂电池类型

优点

缺点

锰酸锂

资源丰富、安全性好

高温循环性能差

钴酸锂

可逆性好、能量密度高

资源稀缺、抗滥用能力差

磷酸铁锂

循环寿命长、耐过充力强

低温性能差、导电性差

三元锂

循环性能好、热稳定性好

成本高、制备工艺复杂

聚合锂

耐过充能力强

能量密度低、寿命低

锂离子电池按照正极电解材料的差异可分为:钴酸锂、磷酸铁锂、锰酸锂、三元锂和聚合锂等,其电池特性分析如上表1-1所示[6]。本课题的研究对象为磷酸铁锂电池,其优势主要表现在如下方面:1)工作电压高,电动汽车动力电池通常是由多块动力电池串并联使用,单体磷酸铁锂电池的工作电压比较大可以减少相应的电池串联数目。2)耐流能力强,磷酸铁锂电池可以承受较大的电流变化,能够明显缓解快速充放电的冲击3)能量密度大,能够用更小体积的电池组满足电动汽车的需求。研究磷酸铁锂电池的工作特性、充放电特性,能够减小环境温度外界冲击和循环次数都会对电池造成一定的安全隐患,更加安全合理的利用磷酸铁锂电池。

锂离子动力电池的发展

20世纪70年代,在一些相关机构的努力下,锂原电池开始变成商品化[1]。在1982年,锂离子能够快速嵌入石墨并且可逆的特性被研究者发现。自此以后,锂离子开始逐渐用于制作可充电蓄电池。直至1991年,日本索尼公司发布了首个锂离子电池,为锂离子电池的发展奠定了坚实基础。自此以后,凭借着自身的单体电压高、循环寿命长、充电时间短、自放电率低等优良特性,锂离子电池成为研究者的热点。据统计,至2008年,国际锂离子电池的产量已经达到了16亿只[1]

电动汽车的主要能源来自于动力电池,动力电池相关技术经历了多次材料体系的变迁,从20世纪初的铅酸电池技术到20世纪八十年代镍氢电池技术,再到20世纪九十年代出现的锂离子动力电池技术,凭借着自身优良的特性,锂离子动力电池改变了如今汽车发展的现状,带来了现如今以纯电驱动为核心的电动车辆研发新世纪[8]

电动汽车的车载电源,当前以锂电池组驱动的电动汽车及储能占据电动汽车的主流。锂离子电池具有端电压高、能量密度大、充放电循环寿命长、放电性能稳定、低自放电率以及绿色无污染等优点,表1-2为常用不同电化学体系电池的单体额定电压值,锂离子电池的应用能够可以有效减少二氧化碳等污染气体的排放,从而实现保护地球环境的目的。迄今为止,锂离子动力电池被誉为是最有希望的电动汽车用动力蓄电池之一,并早已推广应用于多种电动汽车上,形成了以锂离子动力电池为主的电动汽车动力电池引用体系。

近年来,锂离子动力电池在许多方面取得了突破性的进展,例如循环寿命功率密度、能量密度、安全性等方面,推动了电动汽车的发展。在锂离子动力电池领域里面,随着磷酸铁锂等优秀电极材料的研究和发展,锂离子电池的充放电循环寿命得到了明显提升,同时让电池的材料成本得以降低,锂离子动力电池逐渐成为近期内最有发展应用前景的动力电池。

表1-2 常用不同电化学体系电池的单体额定电压值

电池类型

单体额定电压/V

铅酸电池(VRLA)

2

镍镉电池(Ni-Cd)

1.2

镍锌电池(Ni-Zn)

1.6

镍氢电池(Ni-MH)

1.2

锌空气电池(Zn/Air)

1.2

铝空气电池(Al/Air)

1.4

钠氯化镍电池(Na/

2.5

钠硫电池(Na/S)

2.0

锰酸电池(LiM

3.7

磷酸铁锂电池(

3.2

国内外锂离子电池的发展及现状

一直以来,电池寿命和成本问题制约着电动汽车的发展,随着不断的技术创新与技术改变,电池技术得到了迅速发展。锂离子动力电池在能量、功率、循环寿命、成本等方面取得显著进步。锂离子动力电池成为电动汽车用动力电池技术研发的主要方向,并且Plag-in混合动力概念的提出,为锂离子动力电池的应用开拓了广阔市场。

目前,各大国际电池公司相继斥巨资研发锂离子动力电池,锂离子动力电池技术得到了迅猛发展。如美国的A123公司研制出新型锂离子动力电池,其、该种锂离子动力电池容量为2.3安时,充放电循环寿命长达千次以上,并且支持以70安培的大电流长时间放电,瞬时放电电流甚至高达120安培,安全性高。U-charge磷酸铁锂电池,由美国Valence公司研制,不仅在能量密度、安全性等方面有极大优势,还可以在-20至60摄氏度的范围内安全放电及储存,其重量比铅酸电池的0.7倍,一次充电后所能运行的时间是普通铅酸电池的两倍,充放电循环寿命是铅酸电池的六至七倍[1]。随着锂电池技术的持续进步,锂电池市场不断扩大,其在电动车辆上的应用前途被汽车企业普遍看好,这些年来,各大电动汽车公司的大多数电动汽车都采用了锂离子动力电池。

近年来,我国有权威部门对我国自主研发的动力蓄电池进行测试,这些自主研发的动力蓄电池的能量以及功率密度实测数据及其客观,甚至还达到了同类型动力蓄电池的国际领先水平,电池的安全性方面同样优秀。其中的镍氢动力蓄电池在荷电保持方面有大幅度优化,能在常温情况下搁置28天以上,该动力蓄电池的荷电保持能力甚至高于95%;新型锂电池动力电池各方面的特性也是十分优秀,锂离子动力电池的功率密度可达到2000W/kg以上[1]。“863”计划的电动汽车专项锂电池动力电池的工作由众多国内电动车辆单位共同完成。《电动汽车科技发展“十二五”专项》草案拟定,近期电动汽车发展的重点为插电式电动汽车,同时一系列的配套基础设施也将开始逐步建设,让电动汽车能够用产业化发展开来[8-11]

近年来,我国部分电动汽车生产厂家同国家电网等部门展开了一系列合作,例如建立城市快速充电站,满足电动汽车车主快速充电需求,但由于国内充电技术依旧停留在可控硅技术上,功率因素比较低,并且大部分充电站只是满足少数电池组的充电需求。电动汽车动力电池的如何充电以及如何快速充电,一直阻碍着电动车辆的大众化,但总而言之,在动力电池领域里面,磷酸铁锂动力电池是最有望大规模普及应用的电池[12]

论文主要工作及研究内容

论文以磷酸铁锂动力电池为研究对象,了解磷酸铁锂电池的工作原理;通过对串联单节磷酸铁锂动力电池,完成48V磷酸铁锂动力电池成组,并基于电子负载建立充放电实验台架,设计动态循环工况,完成磷酸铁锂动力电池组的充放电实验测试;分析实验结果并进行分析,对磷酸铁锂电池建模。具体来说,完成了以下工作:

  1. 论文在对磷酸铁锂动力电池充放电特性分析的基础上,将单节磷酸铁锂动力电池串联得到48V锂离子电池组,通过实验的方法对磷酸铁锂电池组进行大量的的充放电实验,了解磷酸铁锂电池组的充放电特性。
  2. 磷酸铁锂动力电池的充放电是一个漫长的过程,为得到大量的实验结果,并记录数据,需要构建锂离子电池组充放电台架;另外,磷酸铁锂电池充放电过程需要根据充放电方法对充放电台架进行控制。基于以上两点,搭建了锂离子电池组充放电台架。
  3. 对锂离子电池建立电池模型,能为电池管理系统的开发奠定一个良好的基础。通过大量的充放电实验,得到磷酸铁锂电池组的充放电数据;对充放电数据进行分析,建立一个磷酸铁锂电池模型,通过离线辨识获得等效模型的参数辨识结果,证明了二阶RC等效电路模型的建立的精确性。

磷酸铁锂动力电池特性分析

自首个锂离子电池研发以来,凭借着自身循环寿命长、能量密度大、功率密度大、无记忆效应、环保无污染等优良特性,锂离子动力电池成为动力电池应用领域中研究与应用的热点。电动车辆的最核心部件之一为锂离子电池,对电动汽车各个方面起着重作用。磷酸铁锂动力电池是能够大电流放电池动力电池,该电池在大放电电流、放电电压平稳上有着极大的优势,可以很好地满足电动汽车对动力电池的要求。

磷酸铁锂电池工作原理分析

锂离子电池内部主要包含正极、负极、电解质和隔膜等部位,锂离子电池包含锰酸钾锂电池、磷酸铁锂电池、钴酸锂电池,这些电池是根据锂离子电池的正极材料来分类的。用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池称为磷酸铁锂电池。磷酸铁锂具有极强的动力学与热力学的稳定性,作为锂离子电池正极材料,锂离子电池容量较大,在充放电过程中结构稳定。与此同时,凭借着无毒、无污染、安全性能好、材料来源广泛等优点,磷酸铁锂有广泛的应用[13~14]

图2.1简化的描述了磷酸铁锂电池内部结构,正极包含了铜箔与橄榄石结构的,铜箔是磷酸铁锂和正极相连的桥梁,锂电池中间是聚合物隔膜,该隔膜能够将电池正极与负极相隔开。电池负极为碳材料,碳材料通过铜箔与负极相连,电解质存在于电池上下端。

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