純電動(dòng)汽車(chē)磷酸鐵鋰電池性能研究

【摘要】：高安全性、長(zhǎng)循環(huán)壽命的磷酸鐵鋰電池在純電動(dòng)汽車(chē)上得到了廣泛應(yīng)用，磷酸鐵鋰電池性能研究是搭建動(dòng)力電池管理系統(tǒng)（Battery management system, BMS）必需的基礎(chǔ)工作之一，對(duì)提高純電動(dòng)汽車(chē)的安全性和經(jīng)濟(jì)性具有重要意義。 本論文主要研究了磷酸鐵鋰電池的基本性能、多應(yīng)力加速下的循環(huán)耐久性以及估算電池荷電狀態(tài)（State-of-charge, SOC）的主要方法。 電池主要基本性能參數(shù)如容量、內(nèi)阻、開(kāi)路電壓（Open-circuit-voltage, OCV）等隨環(huán)境與工況的變化呈現(xiàn)高度的非線性。在電池基本性能研究中，首先，通過(guò)穩(wěn)態(tài)放電實(shí)驗(yàn)研究了電池容量與電流倍率等因素的關(guān)系；其次，利用階躍法研究了電池不同SOC下的充放電歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻；再次，實(shí)驗(yàn)得到了電池的開(kāi)路電壓曲線，并探討了獲取穩(wěn)定開(kāi)路電壓曲線的合理實(shí)驗(yàn)方法；最后，研究了不同環(huán)境溫度對(duì)電池容量、內(nèi)阻和開(kāi)路電壓等參數(shù)的影響。 在電池耐久性研究中，建立了電池壽命預(yù)測(cè)模型。該模型全面考慮了電池壽命的多個(gè)影響因素，如環(huán)境溫度、放電倍率、放電截止電壓、充電倍率和充電截止電壓等，通過(guò)對(duì)照實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了因素間耦合性的存在，得到了耦合強(qiáng)度與應(yīng)力水平的關(guān)系，分析了不同應(yīng)力水平下的耦合性對(duì)壽命衰減的影響程度。進(jìn)而，提出了基于耦合強(qiáng)度判斷和多因素輸入的壽命建模方法，并基于模型的因素敏感性分析了各因素對(duì)電池壽命影響的權(quán)重。在循環(huán)進(jìn)入穩(wěn)定衰減期后，這一考慮了因素間耦合性的耐久性模型對(duì)電池壽命的預(yù)測(cè)誤差達(dá)到15%以?xún)?nèi)。 在電池SOC估算方法的研究中，分別使用了模型算法和改進(jìn)的安時(shí)積分方法。直接使用模型算法的估算結(jié)果波動(dòng)過(guò)大，結(jié)合卡爾曼濾波等遞歸算法一并使用可取得穩(wěn)定的SOC估算結(jié)果。將多因素標(biāo)定的SOC-OCV曲線簇替代傳統(tǒng)的單一曲線用于校準(zhǔn)安時(shí)積分方法中的SOC初值，可顯著提高其校準(zhǔn)精度，擴(kuò)大方法在SOC區(qū)間上的適用范圍，并提高初值校正的頻率，減小誤差累積。采用這一SOC-OCV曲線簇方法進(jìn)行SOC初值校準(zhǔn)，在SOC小于40%或大于70%的區(qū)間上，其精度在5%以?xún)?nèi)，而在40%至70%的區(qū)間內(nèi)，精度在15%以?xún)?nèi)。 論文涉及的實(shí)驗(yàn)方法和主要結(jié)論對(duì)于混合動(dòng)力汽車(chē)及其他類(lèi)型的鋰離子電池也具有一定的通用性。 【關(guān)鍵詞】：電動(dòng)汽車(chē) 磷酸鐵鋰電池 耐久性 因素耦合 OCV曲線簇
【學(xué)位授予單位】：清華大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類(lèi)號(hào)】：TM912;U463.633
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 引言10-35
• 1.1 電動(dòng)汽車(chē)的研發(fā)與大規(guī)模商業(yè)化10-19
• 1.1.1 電動(dòng)汽車(chē)的研發(fā)10-11
• 1.1.2 純電動(dòng)汽車(chē)的產(chǎn)品化與商業(yè)化11-13
• 1.1.3 純電動(dòng)汽車(chē)大規(guī)模商業(yè)化專(zhuān)題問(wèn)題探討13-19
• 1.2 動(dòng)力電池的研發(fā)概況19-25
• 1.2.1 動(dòng)力電池分類(lèi)及其研發(fā)內(nèi)容19-22
• 1.2.2 磷酸鐵鋰電池的結(jié)構(gòu)原理與研究現(xiàn)狀22-25
• 1.3 研究目的、對(duì)象與內(nèi)容25-28
• 1.3.1 研究目的25
• 1.3.2 研究對(duì)象25-26
• 1.3.3 研究?jī)?nèi)容26-28
• 1.4 文獻(xiàn)綜述28-35
• 1.4.1 磷酸鐵鋰電池耐久性模型研究28-33
• 1.4.2 磷酸鐵鋰電池 SOC 算法研究33-35
• 第2章 磷酸鐵鋰電池基本性能研究35-53
• 2.1 磷酸鐵鋰電池的容量特性35-38
• 2.1.1 電池容量與放電電流的關(guān)系36-37
• 2.1.2 電池容量與充滿(mǎn)程度的關(guān)系37-38
• 2.2 磷酸鐵鋰電池的內(nèi)阻特性38-41
• 2.2.1 磷酸鐵鋰電池內(nèi)阻實(shí)驗(yàn)方法38-40
• 2.2.2 磷酸鐵鋰電池的內(nèi)阻特性40-41
• 2.3 磷酸鐵鋰電池的開(kāi)路電壓41-46
• 2.3.1 插值法獲取 SOC-OCV 曲線41-42
• 2.3.2 靜置法獲取 SOC-OCV 曲線42-44
• 2.3.3 開(kāi)路電壓 OCV 與電池 SOC 的關(guān)系44-46
• 2.4 磷酸鐵鋰電池的溫度特性46-51
• 2.4.1 環(huán)境溫度對(duì)電池容量的影響46-47
• 2.4.2 環(huán)境溫度對(duì)電池內(nèi)阻的影響47-49
• 2.4.3 環(huán)境溫度對(duì)電池開(kāi)路電壓的影響49-51
• 2.5 本章小結(jié)51-53
• 第3章 磷酸鐵鋰電池耐久性實(shí)驗(yàn)與建模研究53-83
• 3.1 電池耐久性實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)53-59
• 3.1.1 加速壽命實(shí)驗(yàn)與加速模型53-54
• 3.1.2 多因素模型及因素間耦合性54-56
• 3.1.3 電池耐久性總體實(shí)驗(yàn)方案56-59
• 3.2 電池耐久性實(shí)驗(yàn)測(cè)試59-68
• 3.2.1 單因素實(shí)驗(yàn)59-62
• 3.2.2 雙因素實(shí)驗(yàn)62-68
• 3.3 耐久性實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析68-72
• 3.3.1 電池的容量與內(nèi)阻變化規(guī)律分析68-70
• 3.3.2 耦合性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析70-71
• 3.3.3 耦合強(qiáng)度規(guī)律分析71-72
• 3.4 考慮因素間耦合性的多因素耐久性模型72-79
• 3.4.1 耐久性建模過(guò)程72-76
• 3.4.2 模型參數(shù)辨識(shí)與精度驗(yàn)證76-79
• 3.5 耐久性模型的因素敏感性分析79-81
• 3.6 本章小結(jié)81-83
• 第4章 磷酸鐵鋰電池荷電狀態(tài)估算方法研究83-123
• 4.1 用于 SOC 估算的兩類(lèi)電池模型及其辨識(shí)83-101
• 4.1.1 電化學(xué)機(jī)理模型83-95
• 4.1.2 PNGV 非線性電路模型95-101
• 4.2 基于電池模型算法的 SOC 估算101-105
• 4.2.1 使用模型算法直接估算電池的 SOC101-103
• 4.2.2 模型結(jié)合卡爾曼濾波算法進(jìn)行電池的 SOC 估算103-105
• 4.3 安時(shí)積分方法估算電池 SOC 及其校正方法105-122
• 4.3.1 滿(mǎn)電校正的誤差分析106-109
• 4.3.2 OCV 校正的理論基礎(chǔ)分析109-113
• 4.3.3 SOC-OCV 曲線簇標(biāo)定及其校正效用分析113-117
• 4.3.4 電池可用容量校正117-119
• 4.3.5 安時(shí)積分方法校正流程圖及初值誤差分析119-122
• 4.4 本章小結(jié)122-123
• 第5章 總結(jié)123-126
• 參考文獻(xiàn)126-133
• 致謝133-135
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷、在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成果135-136

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