（光學(xué)工程專業(yè)論文）基于單電池壽命模型的電池一致性研究.pdf

摘要 摘要 動(dòng)力電池作為電動(dòng)汽車的關(guān)鍵部件，對(duì)整車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和安全性都有 重大影響。車載電池系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中均由多節(jié)電池單體串聯(lián)而成來(lái)保證電動(dòng) 汽車具備足夠高的輸出電壓。然而由于生產(chǎn)工藝的制約，各單體電池之間不可 避免地存在不一致性。在實(shí)際使用中這種不一致性將會(huì)逐漸拉大，出現(xiàn)惡性循 環(huán)，成為嚴(yán)重影響動(dòng)力電池性能和壽命的基本問(wèn)題，必須通過(guò)電池管理系統(tǒng)對(duì) 不一致性問(wèn)題進(jìn)行有效的檢測(cè)和管理。 動(dòng)力電池系統(tǒng)不一致性問(wèn)題的實(shí)質(zhì)在于電池系統(tǒng)中各單體因工作在不同環(huán) 境工況下導(dǎo)致壽命衰減程度各不相同，對(duì)電池不一致性問(wèn)題的研究，最終歸結(jié) 到單體電池的壽命衰減特性和機(jī)理的研究上來(lái)。同時(shí)借助電池均衡措施，避免 對(duì)單體電池的濫用以及單體電池之間不一致性的無(wú)限制擴(kuò)大。本文開(kāi)展基于電 池壽命特性的電池不一致性研究，改進(jìn)和完善電池管理系統(tǒng)的作用，旨在控制 和降低動(dòng)力電池系統(tǒng)的不一致性，最大限度發(fā)揮動(dòng)力電池的性能。 本文針對(duì)電動(dòng)汽車高功率型鋰離子動(dòng)力電池單體及電池組，從電池系統(tǒng)電 化學(xué)特性出發(fā)，通過(guò)開(kāi)展單體電池加速壽命實(shí)驗(yàn)，建立起電池循環(huán)壽命的評(píng)價(jià) 指標(biāo)，初步獲得單體電池的壽命特性，確立了基于壽命實(shí)驗(yàn)和模型辨識(shí)的單體 電池壽命估計(jì)方案。結(jié)合電池壽命實(shí)驗(yàn)結(jié)論，本文分析電池組的不一致性具體 表現(xiàn)，引入統(tǒng)計(jì)學(xué)概念對(duì)電池組不一致性進(jìn)行定義，初步確立了電池系統(tǒng)不一 致性量化體系；并對(duì)電池組不一致性的具體影響和控制措施進(jìn)行探討。為實(shí)現(xiàn) 對(duì)電池系統(tǒng)不一致性的管理和控制，本文首先在已有的軟硬件基礎(chǔ)上改進(jìn)了下 層電池管理系統(tǒng)( l e c u ) 方案，針對(duì)不同電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)通用的單體電池電壓巡 檢系統(tǒng)；其次以電池組不一致性為參考依據(jù)，重點(diǎn)研究各種鋰離子電池均衡方 案，測(cè)試比較其特性和使用范圍，確立了電池均衡方案選用原則，并設(shè)計(jì)了電 池管理系統(tǒng)的均衡策略，為不同類型電池的管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)提高參考。 最后，本文對(duì)進(jìn)一步的工作方向做了簡(jiǎn)要討論。 關(guān)鍵詞：電池管理系統(tǒng)電池壽命實(shí)驗(yàn)不一致性鋰離子電池電池均衡 a b s t r a c t a sa 1 1t m p o r t a n tc o m p o n e n to fe l e c t r i cv e h i c l e s t h ep o w e r b a t t e r i e sh a v eg r e a t e l l e c t so nt h ep o w e r p e r f o r m a n c e , e c o n o m ya n ds e c u r i t yo ft h ew h o l ev e h j c l e p o w e r b a t t e r i e sa p p l i e di ne l e c t r i cv e h i c l e sa r eu s u a l l yi n s e r i e sb yt e n so fb a t t e d e st o p r o v l d ee n o u g hv o l t a g ef o re l e c t r i c v e h i c l e s h o w e v e r , d u et ot h ep r o d u c t i o n t e c h n o l o g y , t h ed i f f e r e n c ea m o n gs i n g l eb a t t e r i e se x i s t si n e v i t a b l y m o r ee r i t i c a l l mm e d i f f e r e n c eo ft h e i rp e r f o r m a n c ew i l lb ee n l a r g e dd u r i n gu s e a sa r e s u l t ，t h ep o s i t i v e f e e d b a c ks h o w s u p ，m a k e st h ed i f f e r e n c el a r g e ra n dl a r g e r , a n dh a sas 舒o u si n f l u e n c e 0 nb a t t e r yp e r f o r m a n c ea n dc y c l el i f e b a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e ma sa ni m p o r t a n t c o m p o n e n to ft h eb a t t e r ys y s t e ms h o u l d s y s t e m m o n i t o ra n dm a n a g et h ed i f f e r e n c eo f b a t t e r y t h ee s s e n t i a lo fb a t t e r yd i f f e r e n c ei s t ob a t t e r yd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n s o t h ed i f f e r e n c eo fb a t t e r yd e g e n e r a t i o nd u e t h er e s e a r c ho f b a r e r yc o n s i s t e n c yc a l lb e t u r n e dt ot h ec y c l el i f ed e g e n e r a t i o ns t u d yo f s i n g l eb a t t e r y f u r t h e r m o r e ，t h eb a t t e r y b a l a n c em o d u l ec a nb ea p p l i e dt oa v o i db a t t e r ya b u s ea n dt h er a i s i n g d i f j 融r e n c e w i t h o u tl i m i t a c c o r d i n gt os i n g l eb a t t e r i e sc y c l el i f ec h a r a c t e r , t h i sp a p e r s t u d i e s t h eb a t t e r yc o n s i s t e n c y , a m e l i o r a t e st h ee f f e c to f b a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m ，h o p i n g t oc o n t r o la n dr e d u c et h eb a t t e r y d i f f e r e n c e ，l e tb a t t e r yo u t p u ti t sm a x i n l u m p e r f o r m a n c e t h i sp a p e rf o c u so nh i g hp o w e rb a t t e r yc e l l sa n d b a t t e r ym o d u l e s ，a n a l y z e st h e b a t t e r ye l e c t r o c h e m i c a lp e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c w eo r g a n i z ea n dd e v e l o pt h e p o w e rs i n g l eb a t t e r ya c c e l e r a t ec y c l el i f et e s t ，e s t a b l i s ht h e e v a l u a t i n gi n d e xo f b a t t e r v c y c l el i f e b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a ld a t a ，t h es i n g l eb a t t e r yc y c l el i f ec h a r a c t e ri s s u m m a r i z e do r i g i n a l l y t h es i n g l e b a t t e r yc y c l el i f ee s t i m a t i o na l g o r i t h m sa r e c o n f i r m e db ye x p e r i m e n t a ld a t aa n dm o d e li d e n t i f i c a t i o n t h i sp a p e ra n a l y z e st h e c o n c r e t ep r e s e n t a t i o n so f b a t t e r yc o n s i s t e n c y , d e t e r m i n e st h em a t h e m a t i cd e f i n i t i o no f b a t t e r yc o n s i s t e n c yi ns t a t i s t i c a ll a n g u a g e , d i s c u s s e si t ss e r i o u si n 丑u e n c ea n dp u t s 士o n a r ds o m ec o n t r o lm e a s u r e s i no r d e rt or e a l i z et h em a n a g e m e n to fb a t t e r y c o n s i s t e n c y , t h i sp a p e ri m p r o v et h el o c a le l e c t r i cc o n t r o lu n i t ( l e c u ) s c h e m eb a s e d o nt h ee x i s t e dh a r d w a r e & s o f t w a r es t r u c t u r e f i r s t ，a u n i v e r s a ll e c us c h e m ei s d e s i g n e df o ra l lk i n d so fb a t t e r ys y s t e m s t h e nw ei n v e s t i g a t ed i 眠n tk i n d so f b a t t e 哆b a l a n c em o d u l e sp a r t i c u l a r l y a c c o r d i n gt ot h e b a t t e r yc o n s i s t e n c v w e c o m p a r et h ec h a r a c t e ra n dr i s e s c o p eo fb a t t e r yb a l a n c em o d u l e s ，e s t a b l i s ht h e i r s e l e c t l o n p r i n c i p l e f u r t h e r m o r e ，t h eb a l a n c ec o n t r o ls t r a t e g i e sa r ed r a r e df o rt h e d e s i g no fb a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m i nt h el a s tp a r t ，t h ec u r r e n t p r o b l e m sa n df u t u r es t u d yd i r e c t i o na i i eb r i e f l v d i s c u s s e d k e yw o r d s b a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e r n ，b a t t e r ya c c e l e r a t ec y c l el i f e t e s t ，b a t t q i n c o n s i s t e n c y , b a t t e r yl i t h i u m - i o nb a t t e r y , b a t t e r yb a l a n c e 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū) 本人完全了解同濟(jì)大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用學(xué)位論文的規(guī)定， 同意如下各項(xiàng)內(nèi)容：按照學(xué)校要求提交學(xué)位論文的印刷本和電子版 本；學(xué)校有權(quán)保存學(xué)位論文的印刷本和電子版，并采用影印、縮印、 掃描、數(shù)字化或其它手段保存論文；學(xué)校有權(quán)提供目錄檢索以及提供 本學(xué)位論文全文或者部分的閱覽服務(wù)；學(xué)校有權(quán)按有關(guān)規(guī)定向國(guó)家有 關(guān)部門或者機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版；在不以贏利為目的的前 提下，學(xué)校可以適當(dāng)復(fù)制論文的部分或全部?jī)?nèi)容用于學(xué)術(shù)活動(dòng)。 學(xué)位論文作 同濟(jì)大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下，進(jìn)行 研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本學(xué)位論文 的研究成果不包含任何他人創(chuàng)作的、已公開(kāi)發(fā)表或者沒(méi)有公開(kāi)發(fā)表的 作品的內(nèi)容。對(duì)本論文所涉及的研究工作做出貢獻(xiàn)的其他個(gè)人和集 體，均己在文中以明確方式標(biāo)明。本學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明的法律責(zé)任 由本人承擔(dān)。 簽名： 力卅 日 第1 章緒論 第1 章緒論 1 1 車用動(dòng)力電池的發(fā)展?fàn)顩r 電動(dòng)汽車是2 0 世紀(jì)最偉大的2 0 項(xiàng)工程技術(shù)成就中前兩項(xiàng)技術(shù)的融合，即 “電氣化”和“汽車的融合產(chǎn)物。電動(dòng)汽車具有低噪聲、幾乎零排放、綜合 利用能源等突出的優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)今解決能源、環(huán)保等問(wèn)題的重要途徑，無(wú)疑成為 汽車工業(yè)未來(lái)的發(fā)展方向?，F(xiàn)代電動(dòng)汽車一般可分為三類：純電動(dòng)汽車( p e v ) 、 混合動(dòng)力汽車( h e v ) 、燃料電池電動(dòng)汽車( f c e v ) 。它們各有自己獨(dú)特的特點(diǎn) 以及不同的應(yīng)用范圍，處于不同的開(kāi)發(fā)階段【l 弓】。 電動(dòng)汽車作為機(jī)械、電子、能源、計(jì)算機(jī)、汽車、信息技術(shù)等多種高新技 術(shù)的集成，是典型的高新技術(shù)產(chǎn)品，其最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)智能化、數(shù)字化和輕量化 目前，研制和開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)主要有電池、電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)控制以及能量管理技 術(shù)等。其中，車用動(dòng)力電池技術(shù)越來(lái)越成為電動(dòng)汽車的發(fā)展瓶頸，是一直制約 電動(dòng)汽車發(fā)展的關(guān)鍵因素。與動(dòng)力電池相關(guān)的技術(shù)一直是電動(dòng)汽車研究的重要 課題，受到廣泛關(guān)注【鈾j 。 電池作為純電動(dòng)汽車的動(dòng)力源泉，為電機(jī)提供能量。同時(shí)，與電池在混合 動(dòng)力汽車的應(yīng)用類似，考慮到燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的工作特點(diǎn)以及回收制動(dòng)能量， 燃料電池汽車也可配備相應(yīng)的動(dòng)力電池作為輔助動(dòng)力源。因此，電池在電動(dòng)汽 車中的作用還體現(xiàn)在【3 j ： 1 1 ) 提供內(nèi)燃機(jī)、燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)甚至汽車起動(dòng)所需的能量； 2 ) 在汽車加速或爬坡時(shí)，提供一部分輔助功率； 3 ) 回饋制動(dòng)時(shí)，吸收由電機(jī)逆變而來(lái)的電能； 4 ) 由于內(nèi)燃機(jī)取消了怠速，在汽車停車但未關(guān)機(jī)時(shí)，為轉(zhuǎn)向、空調(diào)等系統(tǒng) 。 提供能量。 在電池1 0 0 多年的發(fā)展歷史中，出現(xiàn)了多種多樣的電池，而這其中適合于 車用的并不多，主要有下面幾種：鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫蓄電池、鋰離子 電池。除了以上以電化學(xué)原理構(gòu)成的電池以外，還有超級(jí)電容和飛輪電池這兩 種以物理方式儲(chǔ)能的裝置在電動(dòng)汽車研究中受到了廣泛重視【6 】。汽車工業(yè)對(duì)車用 動(dòng)力電池的性能有著嚴(yán)格的要求，主要集中在安全性、高功率充放電能力和長(zhǎng) 第1 章緒論 壽命等方面，同時(shí)還要求化學(xué)電源不污染環(huán)境、充電操作方便、電源內(nèi)阻小、 自放電率低、抗震性好、對(duì)環(huán)境溫度變化不敏感，易于調(diào)試和維護(hù)等。 目前，動(dòng)力電池的造價(jià)和使用壽命問(wèn)題是制約電動(dòng)汽車推廣應(yīng)用的最主要 因素。解決上述問(wèn)題，除了依靠基礎(chǔ)科學(xué)，材料科學(xué)和制造工藝的突破外，在 當(dāng)前的技術(shù)條件下，更主要的是加強(qiáng)對(duì)動(dòng)力電池的深入研究，并在此基礎(chǔ)上充 分發(fā)揮電池管理系統(tǒng)的性能和作用，使電池各方面性能達(dá)到最優(yōu)化，滿足電動(dòng) 汽車實(shí)際條件下的要求【5 7 j 。 1 2 車載電源管理系統(tǒng)的現(xiàn)狀 隨著電動(dòng)汽車的發(fā)展及產(chǎn)業(yè)化，車載電池管理系統(tǒng)將具有巨大的市場(chǎng)需求， 對(duì)化學(xué)電源學(xué)科也將提出更高的要求。用來(lái)對(duì)電池組進(jìn)行安全監(jiān)控及有效管理， 提高電池的使用效率，以達(dá)到增加續(xù)駛里程、延長(zhǎng)電池使用壽命、降低運(yùn)行成 本的目的的電池管理系統(tǒng)能夠進(jìn)一步提高電池組的可靠性。電池管理系統(tǒng)在電 動(dòng)汽車發(fā)展的同時(shí)，其技術(shù)也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步【l , 2 1 。 早期的電池管理系統(tǒng)一般只具有監(jiān)測(cè)電池電壓、溫度、電流的簡(jiǎn)單功能。 隨著先進(jìn)電池在電動(dòng)汽車中應(yīng)用的推廣，對(duì)電池管理系統(tǒng)的要求越來(lái)越高，電 池管理系統(tǒng)的功能也越來(lái)越強(qiáng)。電動(dòng)汽車事業(yè)的蓬勃發(fā)展，給電池管理技術(shù)的 發(fā)展帶來(lái)強(qiáng)大動(dòng)力。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間廣泛的研究和裝車應(yīng)用，人們對(duì)電池的認(rèn)識(shí)增 強(qiáng)，對(duì)電池的管理也同趨有效，電池管理系統(tǒng)的雛形已經(jīng)建立，人們對(duì)其的功 能已有明確的定義，其重要性也得到充分的肯定。電池管理系統(tǒng)已經(jīng)從監(jiān)控系 統(tǒng)逐漸向管理系統(tǒng)轉(zhuǎn)變【2 , 3 , 8 j 。 歷經(jīng)數(shù)年的研發(fā)，研究人員對(duì)電池的荷電狀態(tài)s o c ( s t a t eo f c h a r g e ) 估算 取得了一定的成果，并在電動(dòng)汽車實(shí)際應(yīng)用中得到了驗(yàn)證【8 】。而在動(dòng)力電池另一 大問(wèn)題電池使用壽命及其估計(jì)上尚不能滿足車輛和電池實(shí)際需求，是電池 管理系統(tǒng)最大的缺陷，這極大地限制了電池管理系統(tǒng)功能的進(jìn)一步提高，使得 電池過(guò)充電和過(guò)放電控制缺乏充足的依據(jù)，電池使用的安全性和可靠性隨之降 低。這直接影響到電池的性能和電池壽命以及電動(dòng)汽車的駕駛性能和電動(dòng)汽車 事業(yè)的推廣一j 。 對(duì)電池壽命模型的研究f 1 漸成為大家關(guān)注的課題。從整體而言，當(dāng)前對(duì)電 池壽命模型的研究還處于初步階段，沒(méi)有系統(tǒng)的理論支持，也未產(chǎn)生具有普遍 2 第1 章緒論 價(jià)值的通用電池壽命模型。但可以看到，國(guó)內(nèi)外都明顯加強(qiáng)了對(duì)這方面的研究， 取得了階段性的成果。例如：較早前提出的根據(jù)電池電化學(xué)特性，基于差分方 程的精確電池模型；針對(duì)電子設(shè)備用鋰電池，b a l e rr a k h m a t o v 等人提出的基于 擴(kuò)散理論的解析模型，可以對(duì)任意給定負(fù)載精確預(yù)測(cè)鋰離子蓄電池壽命【9 】；對(duì)于 我們關(guān)注的動(dòng)力電池的壽命模型，在美國(guó)a r g o n n e 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和i d a h o 國(guó)家實(shí)驗(yàn) 室主導(dǎo)下的美國(guó)能源部發(fā)起的f r e e d o m c a r 計(jì)劃中，系統(tǒng)地給出了進(jìn)行電池 壽命試驗(yàn)的參考步驟和相應(yīng)數(shù)據(jù)處理方法，對(duì)壽命實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展具有重要的參考 價(jià)值【1 0 12 1 。 研究發(fā)現(xiàn)，動(dòng)力電池組的使用壽命大大低于單電池的使用壽命，其很大程 度上是由于電池的不一致性造成的。動(dòng)力電池的不一致性是指將相同的單電池 組成電池組后，其容量、電壓、內(nèi)阻等參數(shù)存在一定的差別。分析電池不一致 性的產(chǎn)生原因可知，除去制作工藝的問(wèn)題，不一致性問(wèn)題很大程度上是因?yàn)檫\(yùn) 行過(guò)程中的各方面差異造成的。此時(shí)，通過(guò)電池管理系統(tǒng)的控制，努力消除不 一致性帶來(lái)的影響，對(duì)解決該問(wèn)題有著至關(guān)重要的意義i l 引。 目前，對(duì)于電池不一致性研究主要集中在對(duì)單電池電壓不一致性研究。其 優(yōu)點(diǎn)是參數(shù)易檢測(cè)，且對(duì)于蓄電池而言，電壓的獲得也可推得電池荷電狀態(tài) s o c 。另外，介于電池本質(zhì)上屬于電化學(xué)系統(tǒng)，有研究機(jī)構(gòu)開(kāi)始針對(duì)單電池的阻 抗不一致性開(kāi)展研究。其側(cè)重于電池的電化學(xué)特性，力圖從本質(zhì)上研究電池的 不一致性問(wèn)題。一般認(rèn)為，阻抗譜特性與電池的容量，壽命有著密切關(guān)系【9 l 引。 在電動(dòng)汽車上實(shí)現(xiàn)電池一致性的另一難點(diǎn)是電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的均衡技 術(shù)。要實(shí)現(xiàn)單體電池的均衡控制，均衡器是電池管理系統(tǒng)的核心部件，離開(kāi)均 衡器，管理系統(tǒng)即使得到了電池組測(cè)量數(shù)據(jù)，也無(wú)所作為，也就無(wú)所謂管理。 隨著電動(dòng)汽車技術(shù)的不斷發(fā)展，電池組均衡技術(shù)和均衡裝置的需求已經(jīng)迫在眉 睫，國(guó)內(nèi)外高校和相關(guān)公司已有許多研究，但技術(shù)尚未成熟【l 引。 目前在電動(dòng)汽車領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)的單體的制作水平與國(guó)外水平相差不大，但國(guó) 內(nèi)電池系統(tǒng)的一致性水平還不夠好，電池管理系統(tǒng)的系統(tǒng)建模，控制策略研究 水平與國(guó)外相差較大，這些都影響著電動(dòng)車的市場(chǎng)化進(jìn)程。主要原因除了產(chǎn)業(yè) 起步較晚，還在于管理系統(tǒng)的研發(fā)與電池的研發(fā)生產(chǎn)之問(wèn)的合作、了解程度不 夠。在國(guó)家“十五”和“8 6 3 ”計(jì)劃電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)中，將電池及其管理系統(tǒng) 設(shè)為一個(gè)項(xiàng)目組，也有加強(qiáng)這方面合作的寓意，以此來(lái)促進(jìn)電動(dòng)車盡快發(fā)展【l 引。 第1 章緒論 1 3 本文的主要研究?jī)?nèi)容 在實(shí)際應(yīng)用中，為使電池組有足夠高的輸出電壓，通常的車載電池組都是 由多節(jié)單體電池串聯(lián)而成的，由于生產(chǎn)工藝的制約，各單體電池之間不可避免 的會(huì)存在不一致性，電動(dòng)汽車的工況又決定了動(dòng)力電池將不停的在充電和放電 之間轉(zhuǎn)換，因此電池在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，它們之間的差異會(huì)更加明顯，導(dǎo)致各 單體電池之間電壓，荷電狀態(tài)以及容量等出現(xiàn)差異，這樣就會(huì)導(dǎo)致荷電狀態(tài)較 高的電池容易過(guò)充，荷電狀態(tài)較小的電池容易過(guò)放，使電池的使用效率降低， 使用壽命縮短，致使整個(gè)電池組過(guò)早報(bào)廢。事實(shí)上，電池的不一致性問(wèn)題已成 為嚴(yán)重影響電池使用壽命的基本問(wèn)題之一【5 l 引。 由上述分析可知，電池系統(tǒng)不一致性問(wèn)題的實(shí)質(zhì)在于單體電池因工作在不 同工況下導(dǎo)致壽命衰減程度各不相同，對(duì)電池不一致性問(wèn)題的研究，最終還是 歸結(jié)到單體電池的壽命衰減特性上來(lái)。由于電池在本質(zhì)是屬于電化學(xué)系統(tǒng)，具 有非線性和時(shí)變的特性，因此現(xiàn)階段電池管理系統(tǒng)的研制和開(kāi)發(fā)都是建立在電 池外特性的基礎(chǔ)上的，這對(duì)電池狀態(tài)的j 下確描述以及電池控制策略的精確實(shí)施 帶來(lái)很大的難題1 4 j 。因此要從根本上解決電池的不一致性問(wèn)題，需要建立起動(dòng)力 電池壽命模型，電池管理系統(tǒng)將以此模型作為依據(jù)，準(zhǔn)確估計(jì)當(dāng)前電池的s o h ( s t a t eo fh e a l t h ) 狀態(tài)等參數(shù)，作為電池均衡的參考依據(jù)，降低電池在使用 過(guò)程中的不一致性，延長(zhǎng)整個(gè)電池組的使用壽命，提高電動(dòng)汽車的性能。 本課題以電動(dòng)汽車鋰離子動(dòng)力電池及電池組為研究對(duì)象，從鋰離子電池的 電化學(xué)機(jī)理出發(fā)，通過(guò)進(jìn)行單體電池加速壽命實(shí)驗(yàn)，建立起電池壽命的評(píng)價(jià)指 標(biāo)，擬合適應(yīng)實(shí)際應(yīng)用的單體電池的壽命數(shù)學(xué)模型，為研究電池的均衡策略、 電池故障診斷以及保護(hù)策略的研究奠定基礎(chǔ)。同時(shí)對(duì)電池組的不一致性展開(kāi)量 化分析，討論和試驗(yàn)不同電池均衡方案在實(shí)際電池系統(tǒng)中的應(yīng)用，設(shè)定合理的 電池均衡策略，以保證電池在電動(dòng)汽車上得到更好的應(yīng)用。 基于電池壽命模型的電動(dòng)汽車動(dòng)力電池一致性的研究：是對(duì)當(dāng)前采用的電 池管理系統(tǒng)下層控制器( l e c u ) 功能的改進(jìn)和完善，為電池管理系統(tǒng)的均衡策 略，提供了另一個(gè)參考依據(jù)，有助于更好地解決電池組的不一致性問(wèn)題，給電 池系統(tǒng)的生產(chǎn)和成組提供借鑒；本課題涉及了電池壽命模型的建立，其結(jié)論， 可以被眾多高功率動(dòng)力電池應(yīng)用場(chǎng)合所參考；其思想，也適用于各種管理系統(tǒng)的 研究和應(yīng)用。 4 第2 章鋰離子單體動(dòng)力電池壽命研究 第2 章鋰離子單體動(dòng)力電池壽命研究 表征車載動(dòng)力蓄電池內(nèi)部性能的兩個(gè)主要狀態(tài)量是荷電狀態(tài)s o c ( s t a t eo f c h a r g e ) 和壽命狀態(tài)s o h ( s t a t eo f h e a l t h ) 。其中，s o c 的在線估計(jì)方法經(jīng)多年的 研究實(shí)踐已形成了較為成熟的方法體系及相應(yīng)的實(shí)施方案，如：電流積分法、 放電試驗(yàn)法、開(kāi)路電壓法、負(fù)載電壓法、電化學(xué)阻抗譜法、內(nèi)阻法、線性模型 法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和卡爾曼濾波算法等。各種方法均有其優(yōu)缺點(diǎn)和使用范圍，目 前電動(dòng)汽車上常使用的是電流積分法、開(kāi)路電壓法，以及由他們結(jié)合所衍生出 的算法 9 1 。 相對(duì)于s o c 而言，s o h 反映的是電池的壽命狀態(tài)。對(duì)其進(jìn)行估計(jì)首先涉及 電池內(nèi)部老化機(jī)理的分析、壽命衰減模型的建立、外部應(yīng)力因子的選擇等問(wèn)題。 由于化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的復(fù)雜性、實(shí)車運(yùn)行下的時(shí)變性以及電池本身的非線性，因 而對(duì)s o h 的研究尚處于起步階段，大多是從基于機(jī)械疲勞失效中的某些經(jīng)驗(yàn)公 式出發(fā)，從統(tǒng)計(jì)的角度進(jìn)行預(yù)測(cè)【l6 1 。這對(duì)于電動(dòng)汽車車載應(yīng)用來(lái)說(shuō)，很難獲得 有效的預(yù)測(cè)結(jié)果。 2 1 單體電池壽命基本理論 2 1 1 過(guò)渡狀態(tài)理論一艾林方程分析 化學(xué)動(dòng)力學(xué)在引入了量子力學(xué)學(xué)說(shuō)之后，對(duì)化學(xué)反應(yīng)的微觀過(guò)程進(jìn)行了新 的論證，形成了過(guò)渡狀態(tài)理論，從而將反應(yīng)速率理論向前推進(jìn)了一大步。如公 式2 1 所示，過(guò)渡狀態(tài)理論認(rèn)為：反應(yīng)物分子a 和b 要變成產(chǎn)物，總要經(jīng)過(guò)足 夠能量的碰撞先形成高勢(shì)能的活化絡(luò)合物義；活化絡(luò)合物可能分解為原始反 應(yīng)物并迅速達(dá)到平衡，也可能分解為產(chǎn)物；活化絡(luò)合物以單位時(shí)間v 次的頻率 分解為產(chǎn)物，此速率即為該反應(yīng)的速率【1 7 , 1 8 】。 對(duì)于雙分子反應(yīng)： 彳+ bf 麗茅x 一一產(chǎn)物 ( 2 1 ) 第2 章鋰離子單體動(dòng)力電池壽命研究 以過(guò)渡狀態(tài)理論為基礎(chǔ)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)基本公式推導(dǎo)，可得到該雙分子反 應(yīng)的反應(yīng)速率為： ! 墜= 查：! 三一ea ，e ，矗e a 日e r r ( 2 2 ) dthc 8 其中，m 為電池容量衰減量；t 為電池使用時(shí)間，在電池系統(tǒng)中可用充放電 t 0 0 循環(huán)次數(shù)表征；h 為活化焓； as 為活化熵；k 為波爾茲曼常數(shù)；h 為 普朗克常數(shù)；r 為摩爾氣體常數(shù)；c e 為標(biāo)準(zhǔn)濃度。 對(duì)于雙分子反應(yīng)來(lái)說(shuō)，可以證明： 日 =e。一2 rt ( 2 3 ) 4、， 其中：。4 為活化能。 另外標(biāo)準(zhǔn)濃度c 目一般可取為l m o l k g ，從而雙分子反應(yīng)的反應(yīng)速率為： 墜：二墜g 2 ea ，e ，re e 。，置7 ( 2 4 ) 一= 。4 lz 4 j dth 其中，k ，l l e ，e a 為常數(shù)；t 為熱力學(xué)溫度； a s 為活化熵。 鈔 公式2 4 即為雙分子反應(yīng)的艾林方程熱力學(xué)表達(dá)式。艾林方程對(duì)化學(xué)反應(yīng) 的反應(yīng)速率與溫度及其他應(yīng)力之間的關(guān)系給出了理論依據(jù)，為動(dòng)力蓄電池循環(huán) 壽命模型的建立提供了可能。然而，由于艾林方程中的活化熵很難通過(guò)實(shí)驗(yàn)的 方法測(cè)得其精確取值，同時(shí)式中的活化能雖然是由反應(yīng)物自身的結(jié)構(gòu)所確定， 可視為常數(shù)，但也大多通過(guò)事后的擬合計(jì)算出其大致取值。因而在利用艾林方 程進(jìn)行蓄電池循環(huán)壽命的研究中，首先必須對(duì)電池的失效機(jī)理做出一定的分析 并對(duì)艾林方程進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化【1 7 棚】。 2 1 2 鋰離子電池失效機(jī)制分析 由于j 下極材料晶型結(jié)構(gòu)的差異、循環(huán)工況的強(qiáng)隨機(jī)性，因而鋰離子電池性 能衰減的內(nèi)部機(jī)理很難有統(tǒng)一的解釋。一般來(lái)說(shuō)，影響鋰離子蓄電池循環(huán)壽命 因素有以下幾點(diǎn)【1 7 2 0 】： 6 第2 章鋰離子單體動(dòng)力電池壽命研究 1 1 正極活性材料的損失導(dǎo)致了可逆容量的下降。隨著充放電的不斷循環(huán)， 活性物質(zhì)的消耗不可避免，但研究表明，隨著溫度的升高，由于活性物 質(zhì)的損失所引起的容量損失會(huì)急劇升高，這也已在艾林方程中加以表 述。 2 1 電解液的氧化引起可逆容量的衰減。其成因主要是由于電解液與正極材 料發(fā)生反應(yīng)引起正極材料和電解液的損失，同時(shí)在電極表面形成鈍化 膜，阻止了電子的傳送，促使電化學(xué)極化加劇，引起電極電阻、電極極 化的增加，導(dǎo)致了表觀容量( 即可逆容量) 的衰減。 3 ) 電極的極化。無(wú)論是傳質(zhì)過(guò)程中的濃差極化還是電極表面得失電子過(guò)程 所引起的電化學(xué)極化都會(huì)對(duì)活性物質(zhì)的遷移產(chǎn)生阻礙，從而引起電池可 逆容量的下降。從外特性分析，使電極極化加劇的主要因素是充放電電 流的大小，電流越大，極化現(xiàn)象就越明顯，電極的活性也就下降得越明 顯。 4 ) 晶體結(jié)構(gòu)的不可逆變化導(dǎo)致高溫下材料可逆容量的急劇衰減。在電池的 循環(huán)過(guò)程中，材料結(jié)構(gòu)由于離子價(jià)態(tài)的變化，會(huì)逐漸形成多態(tài)共存的內(nèi) 部結(jié)構(gòu)，當(dāng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)不利于鋰離子的嵌入和可逆脫出時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致容量 的衰減。尤其是在高溫條件下，內(nèi)部的結(jié)構(gòu)變化明顯，材料老化嚴(yán)重。 由上述對(duì)引起鋰離子電池性能衰減的主要因素的分析可知，溫度是決定電 池內(nèi)部反應(yīng)速率、晶體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)突變的因子；而充放電電流的大小是決定電極 極化程度的影響因子；另外，活性物質(zhì)的損耗則可由電池的放電深度加以表征。 2 1 3 影響電池壽命的外部因素 研究表明，影響電池單元壽命的因素包括放電深度、放電速率、電池溫度、 充電策略、不同荷電狀念下的間歇時(shí)間、電池維護(hù)過(guò)程、電流波紋以及過(guò)充電 量和過(guò)充頻度等等?，F(xiàn)階段考慮所有因素的影響是很不現(xiàn)實(shí)的?；诒疚牡? 1 2 節(jié)對(duì)電池性能衰減機(jī)理的分析，本文以環(huán)境溫度t ，充放電速率i ，放電深度d o d 作為外部影響因子，以艾林方程為依據(jù)，建立鋰離子電池的循環(huán)壽命模型。在 加速壽命實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，也是采取這三個(gè)因子作為加速因子i j l , 1 2 , l m u j ： 1 ) 充放電深度d o d ( d e p t ho fd i s c h a r g e ) d o d 體現(xiàn)了電池充放電的深入程度，如2 0 d o d 即為電池工作在1 0 0 s o c 第2 章鋰離子單體動(dòng)力電池壽命研究 至8 0 s o c 之間。動(dòng)力蓄電池應(yīng)用于新能源汽車中，除了較高的能量或功率輸 出之外，還承擔(dān)著反饋制動(dòng)，能量回流利用的任務(wù)。相同容量的蓄電池，充放電 深度越大，電池釋放的能量就越大，因此，考慮到車載應(yīng)用時(shí)動(dòng)力蓄電池系統(tǒng) 需要提供的充放電深度較大，在電池壽命實(shí)驗(yàn)中需要將充放電深度作為一個(gè)重 要的因素加以測(cè)試。 2 ) 充放電速率i 新能源汽車中動(dòng)力蓄電池的工況變化幅度較大，充放電電流會(huì)在一個(gè)很大 的范圍內(nèi)隨著整車工況的變化而劇烈變化。因此，同樣也將充放電電流作為電 池壽命實(shí)驗(yàn)需要考慮的主要因素之一。 3 ) 環(huán)境溫度t 作為汽車的一個(gè)部件，動(dòng)力蓄電池系統(tǒng)必然會(huì)經(jīng)歷一個(gè)相當(dāng)大的溫度范圍。 因此，研究者需要特別關(guān)注溫度對(duì)電池壽命狀態(tài)的影響。與其他兩個(gè)因素相比， 電池的溫度，特別是內(nèi)部溫度很難檢測(cè)；而另一方面，電池管理系統(tǒng)熱管理的 目標(biāo)就是將環(huán)境溫度控制在一定范圍內(nèi)，因此，本實(shí)驗(yàn)將環(huán)境溫度也作為影響 電池壽命狀態(tài)的三個(gè)主要因素之一。 2 2 基于艾林方程的電池循環(huán)壽命模型 2 2 1 艾林方程的簡(jiǎn)化 錳酸鋰動(dòng)力電池化學(xué)反應(yīng)方程式如y t 5 洲： j 下極反應(yīng) 負(fù)極反應(yīng) 電池反應(yīng) l i m 咒2 04 斧2 m ，z 02 + f + + p lf + + p + c6 ；= 塾li c6 ( 2 5 ) 、 放i 也 li m 療2 04 + c6 案2m 刀02 + li c 與 第2 章鋰離子單體動(dòng)力電池壽命研究 爹i _ 墨爹 簽圈羚 圖2 i 鋰離子電池工作原理 錳酸鋰離子電池是由涂有l(wèi) i m n 2 0 4 括性物質(zhì)的鋁集電體作為正極、碳( 石 墨或活性碳) 和溶解有l(wèi) i p f 6 的有機(jī)溶液構(gòu)成的。當(dāng)充電時(shí)，l i m n 2 0 4 中三維框 架或隧道結(jié)構(gòu)里“離子游向負(fù)極被碳所吸附；當(dāng)放電時(shí)，碳負(fù)極材料里吸附的 鋰離子又回游到正極，于是正極復(fù)原成l i m n 2 0 4 隧道結(jié)構(gòu)負(fù)極也復(fù)原成碳分 層結(jié)構(gòu)。也就是說(shuō)，該蓄電池在周而復(fù)始的充放電過(guò)程中，出現(xiàn)的只是鋰離予 而不是活潑的鋰金屬。因此，鋰離子電池具備較好的安全性和使用壽命。鋰離 子電池在充電時(shí)，鋰離子從正極中脫嵌，通過(guò)電解質(zhì)和隔膜，嵌入到負(fù)極中； 反之電池放電時(shí)，鋰離子由負(fù)極中脫嵌，通過(guò)電解質(zhì)和隔膜，重新嵌入到了f 極 中，故鋰離子電池也常被稱為搖椅電池，意指電池工作時(shí)鋰離子在正負(fù)極之間 搖來(lái)?yè)u去，而鋰離子在電極之間“搖擺”受到的阻礙，即表現(xiàn)為電池的阻抗【5 】。 正如文章21 1 節(jié)中所述，雙分子反應(yīng)的反應(yīng)速率如公式2 4 所述，采用以 o 下方式解決凸5 的求值問(wèn)題：根據(jù)熵變的定義，從狀態(tài)l 到狀態(tài)2 之間的熵變 為： as 2 j ( jo ，t ) ( 26 ) 其中，d q 為系統(tǒng)與環(huán)境交換的可逆熱，【6 q ，= q ，為從特定狀態(tài)l 至特 定狀態(tài)2 的可逆熱。 可逆熱q 體現(xiàn)了化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中熱力學(xué)能量的交換?，F(xiàn)階段并無(wú)具體的可 逆熱求解公式，但q 的大小收到外部環(huán)境因素的影響，本文將可逆熱q ，表征為 電池外部環(huán)境因素的函數(shù)。由于溫度已在定義公式2 , 6 中列出，結(jié)合文章2l3 節(jié)外部影響因子的選擇，可認(rèn)為活化熵的形式為： at5o ：叢! ，堡! ! ! ( 27 ) 第2 章鋰離子單體動(dòng)力電池壽命研究 充放電電流i 對(duì)電池循環(huán)壽命的影響主要是體現(xiàn)在電極的極化，電流越大， 極化越明顯，電池系統(tǒng)越偏離平衡狀態(tài)，在外部特性上表現(xiàn)為對(duì)電池電壓及對(duì) 電池內(nèi)阻的影響。而放電深度d o d 對(duì)電池循環(huán)壽命的影響則是通過(guò)有效電量的 消耗程度來(lái)加以體現(xiàn)，d o d 越大，參與反應(yīng)的有效電量越多，可用活性物質(zhì)的消 耗也越多。從統(tǒng)計(jì)角度來(lái)看，d o d 體現(xiàn)為活性物質(zhì)參與電池內(nèi)部反應(yīng)的程度，在 外部特性上表現(xiàn)為對(duì)電池容量的影響1 7 9 1 。 由此可見(jiàn)，充放電速率i 及放電深度d o d 對(duì)電池循環(huán)壽命的影響方式相對(duì) 獨(dú)立，耦合程度不大( 相比較環(huán)境溫度t 而言) 。因而，活化熵s 眇中的 f ( i ，d ) 可以簡(jiǎn)化為( j ) f ( d o d ) 的形式。因此，活化熵簡(jiǎn)化為 。f ( ，) 廠( dod ) 丁 ( 2 8 ) 這樣實(shí)現(xiàn)了充放電速率i ，放電深度d o d 及溫度t 這三個(gè)影響因子的解耦， 從而使得電池加速壽命實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)得以簡(jiǎn)化，并使得利用艾林方程建立鋰離子 電池的循環(huán)壽命模型變得可行。 2 2 2 基于艾林方程的單體電池循環(huán)壽命模型 通過(guò)上述簡(jiǎn)化過(guò)程，鋰離子電池的反應(yīng)速率公式變?yōu)椋?絲= 望pz 一譬剛盯= 旦 掣產(chǎn)p 魯 d thh ( 2 9 ) 其中：kh ，r ，e a 為常數(shù)，另選取常數(shù)a 簡(jiǎn)化公式，得到： 型l ：彳丁p 寺t ，( ，t 。- ， dt ( 2 1 0 ) 并以此作為鋰離子電池的容量衰減率。 定義：c ( t ) 為電池的瞬時(shí)容量，為使用時(shí)間t 的函數(shù)； c o 為電池的初始容 量； r 為電池釋放出的總?cè)萘俊Ｒ陨蠁挝痪鶠榘矔r(shí)( a h ) 。設(shè)置出及f 為表征 電池壽命的量綱，單位為循環(huán)充放次數(shù)( 次) ，若在f 時(shí)問(wèn)問(wèn)隔內(nèi)，電池系統(tǒng)所 處的環(huán)境溫度t 、充放電電流i 以及d o d 均保持不變，則絲：a m ，得公式 如下：dt a t l o 第2 章鋰離子單體動(dòng)力電池壽命研究 r = i c ( ，) 拈j c 。，百d m 礎(chǔ)= j c o - d m = c 。+ 塒 ( 2 1 1 ) ：c n 彳n 畝，m 姍h f 依據(jù)s y m o n s 假設(shè)：電池具有有限的壽命，在整個(gè)壽命期內(nèi)可以從中釋放出 的總有效容量是一定的【2 1 1 。則任一實(shí)際工況( a c t u a l ) 下電池所釋放出的有效容量 相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)工況( r ) 下所釋放出的有效容量，有： 一f a c u a l = 魚(yú)互聲業(yè)鬯必半h 告一鈔鱉 kc o r五 出r ( 2 1 2 ) 其中，f a c u a l 為實(shí)際工況下電池釋放的有效容量；f r 為定義的標(biāo)準(zhǔn)工況下電 池所釋放的有效容量。 根據(jù)s y m o n s 假設(shè)，在電池失效機(jī)理不發(fā)生變化，即外界工況均處于合理范 圍內(nèi)的情況下，電池在在整個(gè)壽命期內(nèi)可以從中釋放出的總有效容量是一定的。 則： ! ：g ggf ：1 ( 2 1 3 ) i 置 只需確定上式中的廠( ，) ，廠( d ) 的關(guān)系式，即可通過(guò)公式2 1 2 和2 1 3 預(yù) 測(cè)出歸一化至標(biāo)準(zhǔn)工況下的電池循環(huán)壽命。一般來(lái)說(shuō)，若排除不一致性因素的 影響，同一批次的電池的初始容量c o 可認(rèn)為相同，于是可得如下所示的循環(huán)壽 命預(yù)測(cè)公式： l 。，。，：= t 丁r p 【( 爭(zhēng)一每 一! 1 二2 ；：掣 叢玉上堅(jiān)叢旦d 】 r r 。三足 ( 2 1 4 ) 其中，厶，為實(shí)際工況下電池的充放電循環(huán)次數(shù)；厶為標(biāo)準(zhǔn)工況下電池的 充放電循環(huán)次數(shù)。 2 2 3 充電電流與充放電深度關(guān)系的確定 由前述艾林方程的闡述可知，( ，) ，廠( d d d ) 是反應(yīng)電池內(nèi)部反應(yīng)的活化熵， 很難導(dǎo)出其機(jī)理公式【5 t t ，因此本文采用查表插值的方式建立廠( ，) ，廠( d d d ) 與衰 第2 章鋰離子單體動(dòng)力電池壽命研究 減率之間的的近似關(guān)系。具體處理過(guò)程如下： 由簡(jiǎn)化的艾林方程公式2 1 0 ，可以得到： d m = 彳丁e 吉( 川( 。d d ) 一e d f 若設(shè)定在出時(shí)間間隔內(nèi)，電池系統(tǒng)所處的外界環(huán)境溫度t 、 以及充放電深度d o d 均保持不變，即可轉(zhuǎn)化得到： ( 2 1 5 ) 充放電電流i m ：彳丁p 萬(wàn)i ( ，( ，。h ) f ( 2 1 6 ) 其中：a m 為某一工況下的可用容量衰減率，a t 為電池循環(huán)壽命，以循環(huán) 次數(shù)來(lái)表示。 設(shè)置l = a t 為電池充放電循環(huán)次數(shù)，推得： 三：壘絲p 寺昱一，( 。”( 2 1 7 ) 彳丁 首先，可先通過(guò)可靠性試驗(yàn)理論中的方法，并參考電化學(xué)試驗(yàn)中對(duì)活化能 的測(cè)定，推算出具體型號(hào)鋰離子電池的活化能；然后，根據(jù)單體電池壽命實(shí)驗(yàn) 數(shù)據(jù)測(cè)得電池在達(dá)到的一定容量衰減率下( 比如普遍采用的以2 0 衰減作為壽 命終結(jié)標(biāo)準(zhǔn)) 的循環(huán)數(shù)，即可通過(guò)擬合算得不同充放電電流i 和充放電深度d o d 下的廠( ，) ，f ( d o d ) 取值；這樣就可以分別建立廠( j ) ，f ( d o d ) 的插值表，可在以 后預(yù)測(cè)電池循環(huán)壽命時(shí)加以使用。 2 3 單體電池壽命試驗(yàn) 2 3 1 電池壽命實(shí)驗(yàn)?zāi)康?在混合動(dòng)力汽車上，由于采用“電一電混合”或是“油電混合”的方案， 動(dòng)力電池系統(tǒng)作為輔助電源，一般均工作在短時(shí)充放，變化劇烈的工況之下【2 2 1 。 以同濟(jì)大學(xué)自主研制的“超越”系列燃料電池車為例，經(jīng)過(guò)設(shè)定的控制策略進(jìn) 行能量分配，在典型u d d s 整車工況下，電池系統(tǒng)的電流時(shí)問(wèn)例程如圖2 2 所示 ( 定義電流正為電池系統(tǒng)放電，電流負(fù)為電池系統(tǒng)充電) 。 第2 章鋰離子單體動(dòng)力電池壽命研究 3 器 i m d s - i - 況下的電池系統(tǒng)電流一時(shí)同歷程 圖2 2u d d s 工況下的電池系統(tǒng)的電流時(shí)間歷程 針對(duì)動(dòng)力電池上述特點(diǎn)，開(kāi)展單體電池壽命試驗(yàn)【1 1 , 1 2 】，試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)為： 1 ) 得到電池的加速老化過(guò)程中容量變化與內(nèi)阻變化的規(guī)律。 2 ) 得到放電深度、充放電電流及環(huán)境溫度對(duì)電池壽命影響的規(guī)律。 3 ) 總結(jié)得到電池壽命衰減的經(jīng)驗(yàn)公式。 在上述實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)合理的壽命估計(jì)算法，進(jìn)而為后續(xù)的電池 系統(tǒng)s o h 估計(jì)，電池系統(tǒng)管理策略提供合理依據(jù)。 2 3 2 實(shí)驗(yàn)樣品及設(shè)備 本文所述的電池壽命實(shí)驗(yàn)主要是針對(duì)h e v 應(yīng)用的車載高功率型錳酸鋰電池 為目標(biāo)展開(kāi)，力求使試驗(yàn)結(jié)果為h e v 電池系統(tǒng)的控制，管理及優(yōu)化提供參考。因 此本實(shí)驗(yàn)采用基于同濟(jì)大學(xué)“超越”系列燃料電池汽車上使用的某型號(hào)高功率 型錳酸鋰電池單體為實(shí)驗(yàn)樣品，表2 1 為實(shí)驗(yàn)樣品的具體規(guī)格。 表2 1 錳酸鋰電池實(shí)驗(yàn)樣品規(guī)格 額定電壓 。 3 7 v 容量 8 0 0 0 m a h 放電電壓限制 2 7 v 最高充電電壓 4 2 v 最大充放電電流1 5 0 a ( 充) 2 0 0 a ( 放) 比容量6 0 w h k g 比功率 10 0 0 w k g 第2 章鋰離子單體動(dòng)力電池壽命研究 表2 2 為應(yīng)用于電池壽命實(shí)驗(yàn)的設(shè)備 表2 2 電池壽命實(shí)驗(yàn)硬件設(shè)備 設(shè)備生產(chǎn)商數(shù)量實(shí)驗(yàn)中所起的功能 電子負(fù)載 a r b i l 31 電池參數(shù)的測(cè)定 電子負(fù)載m a c c o r l 電池參數(shù)的測(cè)量和實(shí)驗(yàn)標(biāo)定 循環(huán)測(cè)試儀金帆8 通道電池充放電循環(huán)的加載 溫控箱 e s p e c1 設(shè)定環(huán)境溫度 溫控箱 e s p e c6 設(shè)定環(huán)境溫度 便攜式內(nèi)阻測(cè)試議 a l b e r1 電池直流內(nèi)阻的測(cè)定 2 3 3 電池壽命參數(shù)及測(cè)定 電池的壽命狀態(tài)必須通過(guò)相應(yīng)的電池外特性參數(shù)來(lái)加以表征。本文引入電 池可用容量，電池內(nèi)阻作為單體電池壽命狀態(tài)的指標(biāo)2 3 矧。 電池可用容量 電池可用容量體現(xiàn)了電池在不同壽命狀態(tài)儲(chǔ)存電量的能力，反應(yīng)了電池不 同時(shí)期的能量特性。一般而言，電池的充電效率與電池的放電效率并不一致， 因此從應(yīng)用的角度考慮，電池的可用容量可以定義為電池充滿電后在標(biāo)準(zhǔn)放電 方式下所能釋放出的電量。該放電容量要受放電電流、電池的溫度、電池充放 電循環(huán)次數(shù)等諸多因素的影響，其計(jì)算方式如下所述： 1 ) 參考電池廠商給出的電池標(biāo)準(zhǔn)充電方式，在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境溫度下以額定充 電電流將電池充滿電； 2 ) 靜置一定的時(shí)間，使電池內(nèi)部趨于平衡； 3 ) 用額定的l c 電流將電池放電至其截止電壓( 對(duì)于錳酸鋰電池而言設(shè)為 3 o v ) 得電池可用容量： 1 4 第2 章鋰離子單體動(dòng)力電池壽命研究 c2 1 0 id ( ) d ( 2 1 8 ) 其中，t 為放電時(shí)間；l o 【f ) 為放電電流。 電池內(nèi)阻 電池內(nèi)阻是指電池在工作時(shí)，電流流過(guò)電池內(nèi)部所受到的阻力。電池內(nèi)阻 大，會(huì)導(dǎo)致電池放電工作電壓降低，放電時(shí)間縮短。內(nèi)阻大小主要受電池的材 料、制造工藝、電池結(jié)構(gòu)等因素的影響，是衡量電池性能的一個(gè)重要參數(shù)。 對(duì)于鋰離子電池而言，電池內(nèi)阻分為歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻。歐姆內(nèi)阻有電 極材料、電解液、隔膜電阻及各部分零件的接觸電阻組成。極化內(nèi)阻是指電化 學(xué)反應(yīng)時(shí)由極化引起的電阻，包括電化學(xué)極化和濃差極化引起的電酣5 1 。 鋰離子電池的內(nèi)阻特性可以由圖2 3 所示的脈沖響應(yīng)來(lái)加以說(shuō)明，對(duì)電池加 載電流后，電池組的電壓響應(yīng)首先出現(xiàn)一個(gè)跳躍式的壓降，接著電池端電壓開(kāi) 始緩慢下降；而在電流加載撤除之后，電壓響應(yīng)也是先出現(xiàn)一個(gè)跳躍式的電壓 反彈，接著電壓開(kāi)始緩慢升高。圖中o r 段即為歐姆內(nèi)阻引起的電池壓降；p r 段表示極化內(nèi)阻所引起的電池壓降。顯然，根據(jù)歐姆定律，相應(yīng)的電壓降除以 放電電流即是相應(yīng)的電阻值。 圖2 3 動(dòng)力鋰離子電池脈沖響應(yīng)圖 實(shí)驗(yàn)中設(shè)定電池內(nèi)阻計(jì)算方式如下所示： 1 ) 通過(guò)充放電使電池保持恒定的s o c ，并靜置足夠的時(shí)間； 2 ) 對(duì)電池加載一定的電流( 本實(shí)驗(yàn)中使用的是2 0 a ) ，并持續(xù)一定的時(shí)間 ( 本實(shí)驗(yàn)中為1 8 秒) ； 第2 章鋰離子單體動(dòng)力屯池壽命