纯电动汽车磷酸铁锂电池性能研究

【摘要】：高安全性、长循环寿命的磷酸铁锂电池在纯电动汽车上得到了广泛应用，磷酸铁锂电池性能研究是搭建动力电池管理系统（Battery management system, BMS）必需的基础工作之一，对提高纯电动汽车的安全性和经济性具有重要意义。 本论文主要研究了磷酸铁锂电池的基本性能、多应力加速下的循环耐久性以及估算电池荷电状态（State-of-charge, SOC）的主要方法。 电池主要基本性能参数如容量、内阻、开路电压（Open-circuit-voltage, OCV）等随环境与工况的变化呈现高度的非线性。在电池基本性能研究中，首先，通过稳态放电实验研究了电池容量与电流倍率等因素的关系；其次，利用阶跃法研究了电池不同SOC下的充放电欧姆内阻和极化内阻；再次，实验得到了电池的开路电压曲线，并探讨了获取稳定开路电压曲线的合理实验方法；最后，研究了不同环境温度对电池容量、内阻和开路电压等参数的影响。 在电池耐久性研究中，建立了电池寿命预测模型。该模型全面考虑了电池寿命的多个影响因素，如环境温度、放电倍率、放电截止电压、充电倍率和充电截止电压等，通过对照实验，证实了因素间耦合性的存在，得到了耦合强度与应力水平的关系，分析了不同应力水平下的耦合性对寿命衰减的影响程度。进而，提出了基于耦合强度判断和多因素输入的寿命建模方法，并基于模型的因素敏感性分析了各因素对电池寿命影响的权重。在循环进入稳定衰减期后，这一考虑了因素间耦合性的耐久性模型对电池寿命的预测误差达到15%以内。 在电池SOC估算方法的研究中，分别使用了模型算法和改进的安时积分方法。直接使用模型算法的估算结果波动过大，结合卡尔曼滤波等递归算法一并使用可取得稳定的SOC估算结果。将多因素标定的SOC-OCV曲线簇替代传统的单一曲线用于校准安时积分方法中的SOC初值，可显著提高其校准精度，扩大方法在SOC区间上的适用范围，并提高初值校正的频率，减小误差累积。采用这一SOC-OCV曲线簇方法进行SOC初值校准，在SOC小于40%或大于70%的区间上，其精度在5%以内，而在40%至70%的区间内，精度在15%以内。 论文涉及的实验方法和主要结论对于混合动力汽车及其他类型的锂离子电池也具有一定的通用性。 【关键词】：电动汽车 磷酸铁锂电池 耐久性 因素耦合 OCV曲线簇
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TM912;U463.633
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 引言10-35
• 1.1 电动汽车的研发与大规模商业化10-19
• 1.1.1 电动汽车的研发10-11
• 1.1.2 纯电动汽车的产品化与商业化11-13
• 1.1.3 纯电动汽车大规模商业化专题问题探讨13-19
• 1.2 动力电池的研发概况19-25
• 1.2.1 动力电池分类及其研发内容19-22
• 1.2.2 磷酸铁锂电池的结构原理与研究现状22-25
• 1.3 研究目的、对象与内容25-28
• 1.3.1 研究目的25
• 1.3.2 研究对象25-26
• 1.3.3 研究内容26-28
• 1.4 文献综述28-35
• 1.4.1 磷酸铁锂电池耐久性模型研究28-33
• 1.4.2 磷酸铁锂电池 SOC 算法研究33-35
• 第2章 磷酸铁锂电池基本性能研究35-53
• 2.1 磷酸铁锂电池的容量特性35-38
• 2.1.1 电池容量与放电电流的关系36-37
• 2.1.2 电池容量与充满程度的关系37-38
• 2.2 磷酸铁锂电池的内阻特性38-41
• 2.2.1 磷酸铁锂电池内阻实验方法38-40
• 2.2.2 磷酸铁锂电池的内阻特性40-41
• 2.3 磷酸铁锂电池的开路电压41-46
• 2.3.1 插值法获取 SOC-OCV 曲线41-42
• 2.3.2 静置法获取 SOC-OCV 曲线42-44
• 2.3.3 开路电压 OCV 与电池 SOC 的关系44-46
• 2.4 磷酸铁锂电池的温度特性46-51
• 2.4.1 环境温度对电池容量的影响46-47
• 2.4.2 环境温度对电池内阻的影响47-49
• 2.4.3 环境温度对电池开路电压的影响49-51
• 2.5 本章小结51-53
• 第3章 磷酸铁锂电池耐久性实验与建模研究53-83
• 3.1 电池耐久性实验方案设计53-59
• 3.1.1 加速寿命实验与加速模型53-54
• 3.1.2 多因素模型及因素间耦合性54-56
• 3.1.3 电池耐久性总体实验方案56-59
• 3.2 电池耐久性实验测试59-68
• 3.2.1 单因素实验59-62
• 3.2.2 双因素实验62-68
• 3.3 耐久性实验结果分析68-72
• 3.3.1 电池的容量与内阻变化规律分析68-70
• 3.3.2 耦合性验证实验结果分析70-71
• 3.3.3 耦合强度规律分析71-72
• 3.4 考虑因素间耦合性的多因素耐久性模型72-79
• 3.4.1 耐久性建模过程72-76
• 3.4.2 模型参数辨识与精度验证76-79
• 3.5 耐久性模型的因素敏感性分析79-81
• 3.6 本章小结81-83
• 第4章 磷酸铁锂电池荷电状态估算方法研究83-123
• 4.1 用于 SOC 估算的两类电池模型及其辨识83-101
• 4.1.1 电化学机理模型83-95
• 4.1.2 PNGV 非线性电路模型95-101
• 4.2 基于电池模型算法的 SOC 估算101-105
• 4.2.1 使用模型算法直接估算电池的 SOC101-103
• 4.2.2 模型结合卡尔曼滤波算法进行电池的 SOC 估算103-105
• 4.3 安时积分方法估算电池 SOC 及其校正方法105-122
• 4.3.1 满电校正的误差分析106-109
• 4.3.2 OCV 校正的理论基础分析109-113
• 4.3.3 SOC-OCV 曲线簇标定及其校正效用分析113-117
• 4.3.4 电池可用容量校正117-119
• 4.3.5 安时积分方法校正流程图及初值误差分析119-122
• 4.4 本章小结122-123
• 第5章 总结123-126
• 参考文献126-133
• 致谢133-135
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果135-136

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