毕业论文：锂电池等效电路模型比较分析

汽车工业学院毕业设计（论文）
课题名称 锂电池等效电路模型比较分析
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系 部 电气与电信工程学院
专 业 电气工程及其自动化

摘要

随着环境污染和能源消耗的不断加剧，新能源应用正日益受到人们的重视,在新能源领域有巨大应用前景的动力电池也成为关注的焦点。本文对各种动力电池进行分析比较，最后选择磷酸铁锂电池为研究对象，通过对相关模型的分析比较，得出一种较为精确的等效电路模型，从而能更准确的估算电池的SOC及其相关内部参数。
为了获得准确的电池模型，首先对锂离子电池的充放电原理、等效电路结构和性能参数进行了分析，同时比较了主要的充电策略，选择使用分段充电法，结合恒定电流充电与脉冲充电，分时分段对电池采用不同的充电策略。电池放电过程采用恒流放电结合脉冲放电的方法，进行各种参数测试。
采用电池测试系统（NBT公司生产）对电池单体和电池组进行了充放电实验和混合脉冲功率特性实验(HPPC)，得出电池的充放电特性曲线，以及各特性参数。
根据实验所得数据，详细分析了PNGV和动态RC两种等效电路模型的参数计算与处理过程，根据计算得到的电路内部参数，对计算结果进行了误差分析，讨论了产生误差的原因，通过对两种模型的分析结果进行对比，获得了各个模型的基本特性。
最后的总结中，对方法和结论进行了讨论，同时也对文章的不足之处提出了完善的设想，对模型在电池管理系统系统中的应用进行了展望。
关键词:电池模型；磷酸铁锂电池；HPPC测试；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
……（新文秘网https://www.wm114.cn省略2085字，正式会员可完整阅读）……　

4.2 动态R-C 电路模型参数计算与数据优化 29
4.2.1动态R-C 电路模型参数计算 29
4.2.2动态R-C 电路模型数据优化 31
4.2.3 两个模型的分析比较 35
第五章 分析与展望 36
5.1 结果分析 36
5.2 展望 36
第六章 结束语 38
致谢 39
参考文献 40

第二章标题还没有改过来

第一章 绪论

1.1 引言

近年来，随着对能源需求加剧以及环境污染日益严重，人们开始寻求新的能源以获得人类社会可持续的发展，提倡节能减排的意识，加强环境保护。为了缓解汽车尾气排放的压力，电动汽车的推广已成为解决能源危机和环境污染的最佳途径。
发展电动汽车的关键问题在于[1]：一方面是电动汽车的性价比仍无法与燃油汽车相比，另一方面就是动力电池还无法完全满足电动汽车的需要。近年来通过对各种动力电池的研究发现，磷酸铁锂电池在安全性能、环保、循环寿命、材料来源方面有着非常显著的优势，且其化学结构稳定，在过充电情况下也不会产生游离氧。随着对该材料研究的深入，高倍率放电性能的不断改善，使它的电化学性能可以应用在实际中，被公认为是储能电池和动力电池的首选材料[2]。
为了缩短研究周期，通过对电池的静态和动态性能测试，建立电池的仿真模型对电池的研究开发及市场化有着重要作用。在电池运行过程中，过充和过放对电池有很大的损害，使电池的使用寿命缩短，而对电池的荷电状态（SOC）的准确估计可以有效的避免这种情况的发生，对于电动车驾驶人员来说，电池的剩余容量的准确估算也是对电动汽车顺利运行的保障。
基于当前动力电池的发展状况，选择磷酸铁锂电池作为研究对象。针对现存的问题，本文将围绕磷酸铁锂电池等效电路模型比较分析这一课题展开深入的研究。

1.2 课题背景
1.2.1电动汽车的发展状况
随着全球性的石油问题和环境问题的日益加剧，传统汽车行业受到了严重的挑战。电动汽车能源利用率高、环境污染小、动力配置灵活等优点，使其成为研究得热点。近十年来新能源汽车已受到各国政府的高度重视。美国，在2009年的经济刺激计划中，为电动汽车研究提供2亿美元的贷款与奖金，拨款4亿美用于政府购置电动汽车。日本，2009年4月起实施“绿色税制”，对于电动汽车、混合动力、清洁柴油车实行多种税赋优惠。韩国，在2011年以前投入23亿美元，用于新能源的科技研发，150亿韩元用于购买电动汽车的补贴。欧盟在2009年1月通过议案，将汽车排放等指标列入公共采购要求，并且将提供100亿欧元左右的贷款，支持欧洲汽车企业对电动汽车的开发[3]。
在世界大力发展电动汽车的浪潮中，我国政府也提出了许多政策来扶持电动汽车产业的发展，2009年1月，由发改委、科技部、工业和信息化部、财政部共同启动的十城千辆工程计划，在三年内努力使全国电动汽车的运营规模占到汽车市场份额的10% 。2009年3月国务院办公厅发布了《汽车产业调整和振兴规划》，提出了未来三年内中国电动汽车的发展战略。《规划》提出，推动电动汽车及关键零部件的产业化，掌握电动汽车的专用动力模块的优化设计、规模生产工艺和成本控制技术。2010年9月，科技部长万钢指出，“十城千辆”工程的试点城市已经增加至25个[4]。与此同时，世界各大汽车企业也投入了大量的人才和资金用于电动汽车的研发和产业化。
电池作为电动汽车的储能单元，相当于传统汽车的汽油，因此，它对于电动汽车的长远发展具有重要的影响。这也就是为什么世界各大汽车企业纷纷与实力雄厚的电池生产商强强联手，加紧对动力电池组以及相关配件的研究与开发的原因所在。美国能源部、美国三大汽车企业和多家电池生产商早在1992年就成立了美国高级电池联盟，制定了一系列的动力电池测试标准以及电池性能指标，如表1.1所示。动力电池必需具备以下特点[5]： (1) 高功率密度；(2) 高能量密度；(3) 工作温度范围宽；(4) 使用寿命长；(5) 安全性能好；(6) 自放电率小；(7) 质量比能高；(8) 快速充电能力强；(9) 深度放电能力强；(10) 污染小，可回收。
现有的电动汽车用动力电池主要有铅酸蓄电池、镍氢电池和锂离子电池，其中锂离子电池主要有锂锰电池和磷酸铁锂电池。上述各种电池的参数如表1.2所示。在多种动力电池中，锂离子电池突出的性能使其备受关注，尤其是磷酸铁锂电池。
本文主要以动力电池组为研究对象，下文介绍磷酸铁锂电池。





1.2.2 动力锂离子电池研究与应用现状

锂电池的研究起源于上世纪五十年代[6]，于七十年代进入实用化，因为其广泛的优点，到90年代开始广泛应用十通讯设备、便携电子产品、航天设备，尤其是从本世纪开始，磷酸亚铁锂电池技术的成熟，使得锂离子电池开始应用于电动汽车。根据德意志银行2009年的调查，2009年全世界96%的混合动力汽车采用镍氢电池作为动力源，并且估计十年内，70%的混合动力汽车和100%的纯电动汽车将采用锂离子电池动力源[7]。各大汽车公司也推出了多款锂离子电池为动力源的电动汽车，比如克莱斯勒汽车公司推出的Smart Fortwo，丰田公司推出的采用锂离子电池的Prius，美国通用汽车推出的装备有16KWh的PHEV雪佛兰Volt，比亚迪推出的F3DM。就目前市场而言，商业化的动力锂离子电池的生产商主要有以下企业:日本的AESC、Sanyo、Parasonic；韩国的LG、SB Limotive；美国的A123、JCI Saft；中国的比亚迪、力神、比克[8]。
尽管锂离子电池的发展给世界电动汽车的发展起到了巨大的推动作用，但这还不足以让电动汽车普及，其中一个重要的原因就是电池管理系统(BMS)技术相对落后，而锂离子电池在电动汽车上的应用，却对电池管理系统的要求很高。锂离子电池的过充很容易引起燃烧和爆炸，如果发生在电动汽车上，会导致严重的事故。目前电池的安全性已经有了很大改善，但是提高电池的使用效率和延长使用寿命为电池管理系统提出了新的要求。

1.2.3 电池管理系统及其发展现状

电池管理系统的研究是近几年才成为热点研究对象的，技术还不成熟，因此，还没有形成对电池管理系统的统一的定义。并且还有一些其它名称的系统也具有相似的功能，比如电池电压管理系统(VMS)和电路保护模块(PCM)。根据国内外关于电池管理系统的文献，电池管理系统描述为用来管理二次充电电池的一种电子设备，主要包括的功能主要有:
(1)监测电池的各种可测参数；
(2)估算电池的状态；
(3)均衡电池单体的差异；
(4)与其它设备的通信；
(5)保护电池。
随着电动汽车产业的发展，国内外许多汽车公司、研究机构和电池生产企业针对动力电池研发了各自的电池管理系统，其中比较有名的有美国Aerovironment公司研发的SmartGuard电池管理系统，已经应用于美国通用汽车公司的纯电动汽车“EV1”上；美国EnergyCS公司的电池管理系统，已经应用于丰田混合动力汽车Prius上。
我国在“十五”期间就设立了电动汽车重大专项，经过十年的发展，在电池管理系统技术方面取得了一些成绩，已有一些电池管理系统研应用到电动汽车上。其中比较有代表性的有，哈尔滨冠拓电源设备有限公司的电池管理系统，安徽力高新能源技术有限公司的电池管理系统等。目前使用的电池管理系统要么功能比较单一，要么不具有使用效果，有必要进一步改进和完善。良好的电池管理系统应该对电池性能有较为准确的了解，而这一点要依赖于对电池动态静态模型的掌握。

1.3课题的研究意义

近年来，随着石油资源和尾气排放造成的能源危机以及环境问题日益严重，世界上越来越多的国家开始重视新能源的开发，提高人们对节能减排的认识，各个国家也开始相互合作来积极推进相关的能源支持政策。随着对新能源的开发和研究，动力电池成为企业家争相追逐的热点。不仅是电池生产商，还有汽车厂商、电池材料厂商以及投资领域都对电池领域充满了兴趣。对于消耗石油资源严重和尾气排放量大的汽车行业，开发出安全，环保而且廉价的动力源是汽车工业发展的必然。在无线通信领域，基站对应用环境的要求日益苛刻，比如温度、机房面积以及环保方面，传统的蓄电池已不能满足要求。由于磷酸铁锂电池具有众多的优点，故将其作为本课题的实验研究对象。
电池在运行过程中常常表现出非线性和时变性的特点，比如内阻、荷电状态、温度，自放电等参数关系复杂。为了分析电池的内部变化规律，通过大量的性能试验建立电池的仿真模型，可以降低电池能量的消耗；对于需求以及控制策略的分析，建立电池仿真模型可以大大缩短设计的周期以及设计的成本。而针对本课题而言，建立状态空间方程以及量测方程，需要建立精确的电池模型，才能准确地估算出电池的剩余容量。因此，电池精确的建模对于电池全面的分析和研究是非常必要的。
电池的剩余电量是电池在运行过程中最重要的性能参数之一，剩余电量的估算是一个不可忽视的环节。对于电动车来说，通过准确地估算电池的SOC，合理利用电池提供的电能情况下，可以使得电动车的续航能力更强。而且电池在运行过程中，大电流的充放电可能造成电池的过充或过放，此时精确地 SOC 估算对合理利用电池有很好的指导作用，以便进行及时和准确的调整和维护，防止由于过充或过放所造成不可修复性的损坏，提高电池的循环使用寿命，降低成本。因此，可以产生很好的社会效益和经济效益。

1.4 锂电池模型国内外研究现状

从 20 世纪 80 年代开始，就有一些文献从电池热效应出发对电池进行建模分析，锂电池出现后，美国国家可再生能源室、日本的 Noboru Sato 等都用热模型对锂电池的温度特性进行了深入的研究。目前，电池模型分类有很多，综合对文献[9-11]的分析，电池模型主要分为三类：电化学模型[12，13]、热模型[14，15]、性能模型。其中将电池性能模型又分为等效电路模型和神经网络模型。
电化学模型描述的是电池内部分子层次的化学反应，通过建立各个反应的常微分方程，来体现电池的动态行为，为了满足电池模型的精度，采用大量的参数来模拟电池的极化现象[16-18]，扩散效应等，文献[19]中的 Shepherd模型和 Unnewehr 模型是在对电化学性能分析基础上简化的电化学模型，在早期的文献中研究较多，另外文献[20]中提出的组合模型，它是基于Shepherd 模型、Un-newehr 模型和 Nerst 模型组合得到的，该组合模型在电池建模和仿真中经常会被采用。由于电池的电化学机理模型与实际环境状况有关，建立精确的电化学模型过于复杂，即使能在特定条件下建立精度较高模型，但使用范围仍然有限，很难应用在实际工况当中。
热模型的基本理论基础是电池的电能，化学能，热能相互转化和能量守恒的原理。通过对电池的生热和传热过程的研究，来建立一维模型、二维模型和三维模型[21]，2002 年，S ……（未完，全文共32562字，当前仅显示5857字，请阅读下面提示信息。收藏《毕业论文：锂电池等效电路模型比较分析》）