电动汽车动力电池剩余电量SOC的研究

RESEARCH OF ELECTRIC VEHICLE POWER BATTERIES REMAINING POWER SOC A Dissertation Submitted to the Graduate School of Henan Normal University in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Engineering Science By Zhu Yuanpei Supervisor．Gao Jinhui April，2013 摘 要 化石能源的短缺与越来越严重的环境问题使得人们不得不从事新能源交通工具的 探索丌发，由此电动汽车技术已得到了迅猛的发展。在电动汽车中，动力电池的剩余电 量是影响电动汽车的续驶罩程和行驶性能的主要因素，也是电池管理系统的重点和难点 之一，因此准确的估计电池的剩余电量，可以提高电池的能量效率，延长电池的使用寿 命，从而保证电动汽车更好的行驶。 电池的荷电状态用SOC来表示，即：State of Charge。对电动汽车动力电池剩余电 量的准确估算是电动汽车技术的关键技术。本文分析了锂电池的工作原理、充放电特性、 影响电池SOC的因素，研究了国内外先进的算法，针对目前电动汽车动力电池剩余电 量估算存在的缺点和不足，充分考虑到温度、电池老化程度以及电池容量对电池SOC的 影响，提出了自己新的优化算法。 传统的安时计量法的缺点是无法估计电池的初始剩余电量，并且由于电流测量精度 的原因会导致累积误差。因此本文在传统的安时计量法原有研究的基础上结合丌路电压 法、Peukert方程Kalman滤波法和模糊控制理论来估计电池的荷电状念，优化电动汽车 动力电池SOC的估算结果。同时还选取磷酸铁锂电池作为研究对象，模拟电动汽车动 力电池组进行实验研究，证明了新算法的可行性和有效性；利用Matlab软件对新算法 进行仿真，同丌路电压法、安时计量法的估算结果进行对比分析；再将仿真结果与实验 结果对比，可以看出新的优化算法较其它的算法，更加接近实验结果，在估算精度上有 了很大的改善和提高，该论文提出的新的优化算法具有一定的创新，并且简单易行，能 够很好的完成电动汽车动力电池SOC估算的以及电量校『F。 关键词：安时计量法，Peukert方程，库伦效率， Kalman滤波法，模糊理论 ABSTRACT Fossil energy shortage and increasingly serious environmental problems that people have to is engaged in the exploration of new energy vehicle development，the electric vehicle technology has been rapid development．In electric vehicles，power battery remaining power is affecting the trip range of electric cars and the main factors of driving performance，is also one of the important and difficult of battery managemenl system，SO the accurate estimate battery remaining power,can improve the energy efficiency of the battery，prolong the service life of batteries，thus ensuring better driving electric cars． Battery charged State by SOC，namely：the State of Charge．Accurate estimates of the electric vehicle power battery remaining power is the key technology of electric vehicle technology．Are analyzed in this paper the working principle of lithium-ion batteries，charge and discharge characteristics and the influencing factors of the battery SOC，studied the domestic and foreign advanced algorithm，aiming at the disadvantages of electric vehicle power battery SOC estimation and the insufficiency，fully considering the temperature and battery aging degree and battery capacity on the battery SOC，the influence of his new optimization algorithm is proposed． Traditional Ann measurement when the defect is unable tO estimate the initial battery SOC，and because the cause of the current measurement accuracy will lead tO cumulative error．So based on the traditional Ann measurement on the basis of existing research combining the open circuit voltage method，Kalman filtering Peukert equation method and the fuzzy control theory tO estimate the battery charged state， optimization of electric vehicle power battery SOC estimation results．Also select the lithium iron phosphate battery as the research object，simulation experiment electric vehicle power battery research， proved the feasibility and effectiveness of the new algorithm；A new algorithm to make use of Matlab software simulation，with the open circuit voltage method，the Ann when comparing the estimation result of measurement；To compare simulation results with the experimental results，it can be seen that the new optimization algorithm is compared with other algorithms，the more close to experimental results，in have made a lot of improvement and improve the estimation accuracy，the paper puts forward a new optimization algorithm has certain innovation，and easy，can very good complete electric vehicle power llI battery SOC estimation and power correction． KEY WORDS：Ah counting method，Peukert equation，Coulomb efficiency，Kalman filtering method，The fuzzy theory 目 录 摘要…．…………………………………………．．…………．I ABSTRACT．．．。．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．I I I 目录…………………………………………………………．V 第一章绪论……………………………………………………．．1 1．1电动汽车技术研究的背景…………………………………………………………．．1 1．2电动汽车动力电池剩余电量的定义………………………………………………．2 1．3电动汽车动力电池SOC国内外的研究现状………………………………………3 1．4论文的研究内容……………………………………………………………………．4 第二章锂离子电池的性能分析研究……………………………………5 2．1锂离子电池简介……………………………………………………………………．5 2．2锂离子电池的优缺点………………………………………………………………一5 2．3锂离子电池相关的性能参数………………………………………………………．．6 2．3．1电池容量的概念………………………………………………………………6 2．3．2电压的概念……………………………………………………………………7 2．3．3电池循环寿命的概念………………………………………………………．．8 2．3．4电池充放电效率的概念……………………………………………………．．8 2．3．5库伦效率的概念……………………………………………………………。8 2．3．6电池的自放电现象……………………………………………………………8 2．3．7电池健康程度………………………………………………………………．．9 2．4锂离子电池的种类…………………………………………………………………．9 2．4．1镍锂电池………………………………………………………………………9 2．4．2镍镉电池……………………………………………………………………．1 0 2．4．3镍钴锂电池…………………………………………………………………l O 2．4．4磷酸饮锂电池………………………………………………………………．．1 0 2．5磷酸铁锂电池工作原理的分析……………………………………………………11 2．5．1磷酸铁锂电池的物理特性…………………………………………………1 l V 2．5．2磷酸铁锂电池的化学特性…………………………………………………11 2．6影响电池SOC估算的因素………………………………………………………．13 2．6．1电池充放电电流的大小……………………………………………………．14 2．6．2电池的自放电因素……………………………………………………………………1 5 2．6．3温度因素……………………………………………………………………l 5 2．6．4终止电压……………………………………………………………………．1 6 2．6．5老化…………………………………………………………………………………………………．16 2．7小结…………………………………………………………………………………．1 7 第三章锂离子电池S012预测方法详解…………………………………1 9 3．1安时计量法…………………………………………………………………………l 9 3．2丌路电压法…………………………………………………………………………l 9 3．3内阻法………………………………………………………………………………………………………．20 3．4放电试验方法………………………………………………………………………2l 3．5神经网络法…………………………………………………………………………2l 3．6卡尔曼滤波法………………………………………………………………………22 3．7模糊控制理论法……………………………………………………………………23 3．8小结…………………………………………………………………………………24 第四章基于改进的Ah计量法的优化算法．…………………．．…………25 4．1传统的Ah计量法…………………………………………………………………25 4．2本文提出的SOC优化算法………………………………………………………．．26 4．2．1电池初始电量SOCo的测量…………………………………………………26 4．2．2利用Kalman滤波法对SOCo优化…………………………………………28 4．2．3 Peu kert方程介绍……………………………………………………………29 4．2．4优化库伦效率………………………………………………………………30 4．2．5修J下电池容量………………………………………………………………31 4．3小结……………………………………………………………………………………………………………37 第五章Mat I ab仿真与实验分析研究…………………………………．．39 5．1利用Matlab进行仿真……………………………………………………………．．39 5．2实验验证……………………………………………………………………………39 5．3．小结…………………………………………………………………………………………………………．．41 第六章总结与展望……．………………．．．…．．．……．…………．．43 6．1对研究结果的总结…………………………………………………………………43 6．2对未来研究工作的展望……………………………………………………………43 参考文献………………………………………………………．45 致谢…………………………………………………………49 攻读硕士学位期间的研究成果………………………………………．51 独创性声明…………………………………………………．53 关于论文使用授权的说明…………………………………………．．53 V¨ 第一章绪论 第一章绪论 1．1电动汽车技术研究的背景 依赖于科技的高速发展，全球的经济也取得了骄人的成绩，但与此同时，也带来了 一系列严重的问题，不可再生能源石油、煤炭、天然气等的存储量急剧下降，环境污染 问题越来越严重，全球变暖、热岛效应、酸雨、雾霾等自然灾害频频发生，造成了重大 的人员伤亡和经济损失。其中汽车尾气对环境的影响不可忽略，人类早在1866年就发明 了汽车，随之汽车就成为了人们同常工作和生活中不可或缺的运输和代步工具，缩短了 人与之间的距离，也改变了人们的生活方式，但是汽车在使用的过程中会消耗掉大量的 石油资源，排放出大量的废气、产生大量的噪音，对环境造成了极大的污染…。根据 IHSautomotive数据显示，至!U2012年为止，世界拥有汽车总数已经超过10亿辆，也就是意 味着，每七个人就有一人j}}j有汽车。其中就北京而言，汽车尾气排放占大气污染物的50％ 以上，面对如此严峻的形势，电动汽车的研究与开发引起了世界各国的关注心1。 电动汽车技术作为一科，新能源的形式，它除了具有环保节能、低噪音、结构简单等 优点外，其转矩响应迅速、加速快等优势也较传统的燃油汽车显示出了强人的竞争力， 因此电动汽车技术的研发受到了全世界的关注和支持。电动汽车一般可以分成三类：纯 电动汽车(BEV)、混合动力电动汽车(HEV)以及燃料电池电动汽车(FCEV)。纯电 动汽车是指电动机驱动的汽车，电动机的驱动能源来源于车载可充电蓄电池或者其他能 量储存装置。由于电池能量的限制，只适用于低速度、短距离的行驶；混合动力电动汽 车是指能够至少从两类车载储存的能量中获得动力的汽车，目自i『比较适应市场的需求， 但是其结构复杂，也是一个技术难点；燃料电动汽车的动力电源来自燃料电池。¨。 无论哪一类的电动汽车，其动力电池是其核心关键，如何才能更好的管理和利用电 动汽车的动力电源也就成了技术研发的重心。电池管理系统决定了电动汽车性能的好 坏，其作用是控制电源的输出与输入状态。不同材质的电池有着不同的缺陷，例如存储 能量少、循环次数!扮、剩余的容量计算困难等¨1。 电池管理系统不仅能够保护电池，同时提高对电池的使用效率，还能延长电池的循 环次数和实时反馈电池的状态。主要表现在： 电动汽下动力电池剩余电鼙SOC的研究 (1)反馈当的SOC状念； (2)反映当fi{『状态(主要为温度)； (3)平衡电池组之间的电压差值。 电池是电动汽车的动力源泉，对电动汽车的发展起着关键作用，准确预测电动汽车 动力电池的剩余电量则成了电动汽车技术发展的首要任务。 1．2电动汽车动力电池剩余电量的定义 电动汽车动力源主要来自于动力电池，而电池性能的重要指标之一是电池容量，电 池容量的定义是：电池在一定条件下，所放出的电量，即电池的容量。通常以安培、小 时作为单位，简称安时(用Ah表示)。电池的剩余电量用荷电状态SOC(state ofcharge) 来表示，它是表征电池剩余电量状态的重要参数之一，定义是：在一定放电率的条件下， 剩余电量与相同条件下额定容量的比值隋1： 阳c：娶枣100％(I-1) Ql 1 一般用SOC=100％表示电池处二f充满状态，SOC=O％表示电池处于完全放电的状 态。SOC不能从电池本身获得，需要通过测量电池的一些特性参数，如：电池的电压、 电流、温度、内阻、老化程度等，利用已测黾的数据，再结合相应的具体算法以及软件 等等问接获得。 公式(1．1)中： Q：表示电池剩余电量： Q，：表示电池以恒定电流I放电时的容量： 剩余电量Q，可以定义成： Qr=Q，一Ql (1·2) 公式(1-2)中： Q：表示已经消耗掉的电池容量； 2 Q=Ik宰idt (卜3) O k：表示在不相同放电倍率条件下消耗电量的相关参数。 第一章绪论 1．3电动汽车动力电池SOC国内外的研究现状 针对电动汽车动力电池的剩余电量的预测和研究，国内外已经开展了大量的研究。 目前的预测方法大致上可以分成以下几大类：如表卜1： 表I-I电池S00预测方法的分类 SOC估算方法 优点 缺点 适用场合 扶得lU池SOC的估计值 适用范11爿比较广泛．尤1e适合 卡尔曼滤波法 的砌时，还能得到lU池 能力要求比较商 于IU流波动比较剧烈的混合 SoC的估计议差 动力汽车I乜池SOC的估计 需要对lU池进行较K时间的静 开路lU胜法 操作简单 l乜动汽印处于静置状态 簧，／fi适用于I乜池的“i线测量 比较适用十I乜池放I乜的 IU池放I乜初期，Je内阻的变化比 内阻法适用于放l乜后期I【l池 内阻法 SOC的{卉计，町’j Ah计量法 后期时问段内 较人，增加丫该方法的难度 结合使用‘6‘ 町n：线估算IU池的SOC． 负载IU J卡法很少心用十实印． 小太适用十变I乜流或嚣删烈波 负载I【lK法 n：恒流放l【l时，具弁较好 但常用水做为IU池充放IU截 动的放I也T}兄 的效果 止的判断 对测量以差和错认的衲 适用十低I也流，SOC缓变的馈 线性模型法 适用范I卅／f；广泛 况，W此小适用于混合动力T 始条件有很强的鲁棒性 程机械 只螫能够准确测量欣IU 由于IU流测量稍度的原I六l会导 IU流。日．何足够的估算起 致j}{积洪差，受考虑I也池充放lU Ah计量法 始点町{J}台表使用，那么 效率，放lU倍半，n：岛温状态和 町用十所仃I乜动汽下l乜池 它足一种简单口，靠的估 I【}流波动删烈的情况下，以差较 算方法 人 需爱较K时间，测量时l乜池必须 放lU实验法 具有町靠，精度-茼的优点 I乜池的榆修和维护 处十脱机状态 快速，方便．具有较高精 需要人量的参考数据进行训练， 人T神经蜘络法 度，町以由现场T况水确 估计误差受训练数据和数据方 适用十再种IU池 定也池的SOC 法的影响较人 动态jl!i近法 简单 稍度一般 精度螫求4i商的场合 以上是目日l『国内外关于电动汽车动力电池SOC预测方法研究的一些归类汇总，从 表1．1中可以看出，每一种研究方法都存在利弊，并不能完全满足需求在实际应用中的 需求，对于每一类具体的影响因素和分析方法，该论文将在以后的章节中做进。一步研究 分析。 3 电动汽币动力电池剩余电餐SOC的研究 1．4论文的研究内容 目前电动汽车中使用较普遍的电池有铅酸电池、锂离子电池、镍氢电池(Ni．MH Battery)、铅酸蓄电池、镍氢电池等。本文主要以磷酸铁锂离子电池为研究对象。 本文在安时计量法原有研究的基础上，充分考虑到库伦效率对电动汽车动力电池荷 电状态的影响，提出了一种新的优化算法，即结合丌路电压法、卡尔曼滤波法、Peukert 方程以及模糊理论来估计电池的剩余电量。与实验结果对比，可以看出新的优化算法的 仿真结果与实验结果基本吻合，误差较小，从而证明了本方法的正确性、对将来更进一 步的研究提供了一定的帮助和参考。 4 第一二章锂离子电池的性能分析研究 第二章锂离子电池的性能分析研究 2．1锂离子电池简介 在同常生活中，大多数人们对于锂离子电池的概念认识不清，比较容易和锂电池以 及锂离子聚合物电池混淆，下面我们简单的介绍一下： (1)锂电池：锂离子电池经常被简称为锂电池，但是二者存在本质上的差别。锂 电池的负极材料是金属锂，它存在锂单质，而锂离子电池则不存在； (2)锂离子聚合物电池：这类电池主要是以聚合物来取代液态有机溶剂的一种电 池，它的安全系数较高。 (3)锂离子电池是一种充电电池，它工作的时候，主要是靠锂离子在电池内部之 间来回移动完成的。对锂离子电池进行充放电的时候，锂离子电池内部会产生一系列的 化学变化。例如，充电时，锂离子电池内部会产生离子，传递的的方向是由正极到负极， 而锂离子电池负极的材料主要是石墨碳，它的结构形式是具有大量细小的孔的层状结 构，锂离子电池抵达电池负极的时候就会嵌入到这些细小的孑L中，电池负极嵌入的锂离 子电池越多，电池的充电容量就越大。与此过程相反的锂离子电池放电过程，则是大量 的锂离子离丌电池的负极，到达电池『F极的过程，到达萨极的锂离子越多，电池的放电 容量就越大。 2．2锂离子电池的优缺点 锂离子电池是一种可充电电池，目前使用的范围比较广泛，主要应用在笔记本电脑、 手机、电动汽车等领先领域，是一种性价比很高的新型环保的电池，接下来，主要是介 绍一下锂离子电池的一些优缺点。 首先锂离子电池的优点是： (1)锂离子电池具有较高的能量密度，按照体积计算的话，一般情况下可以达到 0．9～1．9kJ／cm：‘，如果按照质量计算则可以达到540～720kJ／kg： (2)一般的锂离子电池，因材料不同，它的丌路电压也不同，不过。一般情况下均 可以达到3．3V到4．2V； (3)锂离子电池有较大的输出功率；常规电池可达300“--1500W／kg； ‘ 5 电动汽下动力电池剩余电馘SOC的研究 (4)有较高的充放电速率： (5)锂离子电池在电池容量没有全部释放的情况之下，可以随时进行充放电行为， 因此锂离子电池具有无记忆效应，这也使得它使用的时候比较方便简单； (6)锂离子电池具有较低的自放电率； (7)锂离子电池可以在零下20度到60度之问进行正常的工作，它拥有较宽的工 作温度范围‘71； 缺点： (1)锂离子电池由于电池经过使用之后，其内部的电阻会慢慢的增大，这样就会 使得锂离子电池的容量遭到损失，出现老化现象，锂离子电池的存储温度和容量的永久 损失速度之I’日J的关系如表2—1所示； 表2-1存储容量与容量永久损失的关系： ＼ 茏 ＼ IU存八川量 40％一60％ 100％ 掰 ＼ 摩， ＼ 0·C 、 2％／盆 6％／年 25 6C 4％1年 20％／年 40。C 15％／钜 35％／钲 60。C 25％／钲 80*／年 (2)锂离子电池在充电的时候，如果存在过充电现象的话，就会缩短锂离子电池 的使用寿命，这是因为部分锂离子会永久的嵌入到品格中，再也不能被释放出来，从而 导致电池的使用时间大大缩短，锂离子电池的耐充性能不是很强： (3)同样的道理锂离子电池在放电的过程中，如果存在过放电的情况的话，就会 导致部分的锂离子脱离电池的电极，使得品格坍塌，进而缩短了电池的使用时间，降低 电池的使用寿命，使得锂离子电池的耐放电性比较弱； (4)锂离子电池由于使用不当，会出现爆炸等情况，因此在进行锂离子电池设计 的时候，就应该多考虑一下它的保护机制，尽可能的保证其安全性。 2．3锂离子电池相关的性能参数 2．3．1电池容量的概念 电池在工作的时候，实际是靠释放电池内部的电量来工作的。因此接下来就先介绍 6 第二章锂离子电池的性能分析研究 一下有关于锂离子电池容量的基本概念。 电池容量是电池性能的重要性能指标之一，它表示在一定条件下，电池所能够释放 出电量的多少，即是电池存储能量的大小。根据规定可以分为三个不同的指标，即实际 值、理论值和额定值； (1)电池容量的理论值是按照电池材质的质量，经过法拉第定律计算得到的最高 值。比容量的计算能够在不同材质电池之间进行衡量，其定义为单位体积或质量下，电 池所能存储的最大能量值，单位为Ah／kg或AⅣL； (2)电池容量的实际值是保证电池安全时，电池释放的能量。其数值上等于电流 与时问的乘积，即Ah，实际上小于理论值； (3)电池容量的额定值，就是按照有关的法律法规，电池能够释放出的最少的能 量值‘刖。 在具体应用中，关于实际容量的计算方法一般用公式(2．3)和公式(2-4)来计算： C=，牛丁 (2．3) c-p 2专P 。(2-4) 公式(2．3)计算的是电池在恒电流放电的条件下电池的容鼍； 公式(2-4)计算的是电池在恒电阻放电的条件下电池的容量。 在上述的两个公式中： C：表示的是电池的实际容量； ，：表示的是电池放电时候的恒定电流； U：表示的是电池放电电压； r：表示的是电池的放电时问； 尺：表示的是电池的恒定电阻。 2．3．2电压的概念 (1)丌路电压：电池没有接入回路工作时的端电压。数值上等于币极与负极的电动 势之差； (2)工作电压：电池工作在回路当中，处在放电状态时的电压； (3)初始电压：电池刚接入电路工作时的电压。电池在接通负载后，由于欧姆电阻 和极化过电位的存在，电池的工作电压低于丌路电压阳1。 电动汽下动力电池剩余}H鼙SOC的研究 2．3．3电池循环寿命的概念 电池在完全充电后完全放电，循环进行，直到容量衰减为初始容量的80％，此时循 环次数即为该电池之循环寿命，循环寿命与电池充放电条件有关着一定的关系¨…。锂离 子电池在室温下1C充放电循环寿命可达300．500次，最高可达1000次以上。 2．3．4电池充放电效率的概念 电池的充放电效率的定义如下： (1)充电效率是充电时电池中存储的电能与充电所消耗的电能的比值。其影响因 素主要是电池本身和温度，近似与温度成反比关系。 (2)放电效率定义为电池工作到截rIE放电电压时释放出的能量与额定值的比值。 受到材质本身和温度的影响。一般情况下，放电倍率越高，则放电效率越低。温度越低， 放电效率越低¨¨。 2．3．5库伦效率的概念 库伦效率(coulombic efficiency)的定义是：电池放电容量与同循坏过程中充电容 量之比。即放电比容量与充电比容量之比。 电池的库伦效率其实是受很多因素影响的，例如：电解质分解，界面钝化，电极活 性材料的结构、形态、导电性的变化等等都会降低库伦效率。 2．3．6电池的自放电现象 电池自放电又被叫做电池的荷电保持能力，就是在电池没有接入电路工作时，在一 定的温度下，保持存储能量稳定的能力。电池的自放电是衡量电池性能的主要参数之一 tlzJ 0 一般情况下，影响电池的自放电的因素包括电池的制造工艺、电池制作生产的时候 使用的材料以及电池储存的条件和环境。一般情况下，电池的自放电现象和温度及湿度 有较大的关系，一般条件下，电池的储存温度越低，自放电率也越低，但同时也需要提 醒大家注意的是，电池储存温度过低或者过高的时候，也都有可能对电池造成损坏，从 而导致电池无法使用。常规条件下，电池一般储存环境温度大致是在零下20‘C和45’C 之间。电池充满电后，丌路搁置一段时间，会出现一定程度的自放电现象，这属于正常 现象。 3 第二章锂离子电池的性能分析研究 电池自放电的基本类型包括物理自放电和化学自放电。 物理自放电：指由物理原因引起的自放电，电池发生自放电时，电子从电池负极流向 电池正极形成电子电流与电解液中的离子电流形成电流回路。 l、物理自放电的特点：①受温度影nlhj,J,；②能导致电池最终丌路电压为零； 化学自放电：指由化学原因引起的自放电，电池发生自放电时，在电池的正极和负极 之间没有电流形成。 2、化学自放电的特点：①受温度影响较大；②受电池荷电状态影响较大；③化学 自放电不能导致电池电压为零…1。 2．3．7电池健康程度 如何才能知道电池的是否处于良好的状念，在此就需要提及电池健康程度这一名词 概念。 一般用DOH表示电池的健康程度…1，为了可以比较明显的知道电池的健康状况，了 解电池的一个使用情况，我们可以简单的把电池健康程度划分成十个等级，范围是在一 到十之问。如果当电池的健康程度数值是在七到十之削的时候，这时候就表明电池的健 康程度是比较良好的，此时的电池是比较健康的，可以继续放心的使用；如若电池电池 的健康程度指标是在四到六之间的时候，此时电池的健康程度就出现了一些问他．需要 对电池进行及时的检修，以确保电池可以正常的工作；但是如果电池的健康程度数值在 一和三之阳J的话，这时候电池的健康程度就令人担忧了，需要马上对电池进行更换，从 而保证电池不会影响到讵常的工作。 2．4锂离子电池的种类 锂离子电池的种类有很多种，目自{『使用比较多的是镍锂电池、镍镉电池、镍钻锂电 池以及磷酸铁锂电池¨钔，现在我们就主要来介绍一下这四种电池，尤其需要重点介绍本 次研究的对象磷酸铁锂电池。 2．4．1镍锂电池 镍锂电池的电池容量比较大，况且它的制作生产成本普遍偏低，这也是镍锂电池的 一个优势，但是镍锂电池的制作过程比较复杂，又由于生产材料的性能一致性和再现性 还不是很好，导致镍锂电池在一定程度上存在着安全隐患。 9 电动汽下动力电池剩余电鬣SOC的研究 2．4．2镍镉电池 镍镉电池是最早使用在手机上的一种电池，它是以会属镍和氢氧化镉作为产生电能 的一种电池n引。 镍镉电池的优点： (1)经济耐用，可以循环充电在500次以上； (2)充电效率很高，镍镉电池的内部电阻比较小，能够很快的充电，放电，同时 其内部电压变化较小，是一类比较理想的直流供电电池； (3)耐充电和耐放电性能比较好，不容易造成电池的损坏； (4)对使用环境没有过高的要求，并且使用简单，易于电池的维护 但是镍镉电池也具有一些缺点，例如它本身具有的镉是重金属污染物，同时镍镉 电池还具有记忆效应。 2．4．3镍钴锂电池 镍钴锂电池曾经被认为是取代钻锂电池的最好的『F极材料选择，这主要是因为镍钴 铿电池同时具有镍锂电池和镍钻电池的优点，是这二者电池的以个综合体，但是，它却 因为一些技术条件的限制和不足，导致它的安全性能不是很好，一直存在着一些安全隐 审…】 ·‘■’0 2．4．4磷酸铁锂电池 磷酸铁锂电池是本次研究选取的研究对象，它同时兼具了镍钴电池、镍锂电池以及 锰锂电池的优点，是目前适用范围比较大的一种锂离子电池n刖。磷酸铁锂电池具有下列 的优点： (1)磷酸铁锂电池使用的主要材料是锂、铁、磷等，它们在自然矿藏的资源是十 分丰富的，从而也使得磷酸铁锂电池在生产制作的过程中不用担心原材料的问题，由于 不含有钴等比较稀有的贵重会属，使得磷酸铁锂电池在价格方面也比较低廉； (2)磷酸铁锂电池具有较大的电池容量，比一般的普通电池的电池容量要大得多， 常规的磷酸铁锂电池单体具有的电池容量最大可以达到1000Ah； (3)磷酸铁锂电池的具有很强的耐高温性能和耐热性能，一般的锰酸锂电池和钴 酸锂电池的电热峰值是在200度左右，但是磷酸铁锂电池，它的电热峰值可以达到350 lO 第二章锂离子电池的性能分析研究 度到500度之间，从而使得磷酸铁锂电池具有比较宽的温度使用范围，一般是在零下25 度到70度之问； (4)磷酸铁锂电池可以在短时问内进行大电流充放电，可以达到2C快速充放电， 于此同时的是，磷酸铁锂电池的循环使用寿命也较长； (5)磷酸铁锂电池的重量比较轻，相同规格容量的电池，磷酸铁锂电池的重量是 铅酸电池的I／3，体积是铅酸电池的2／3，这也使得磷酸铁锂电池在使用起来比较简单 方便； (6)磷酸铁锂电池的的安全性v．台1-,LL,较好，使用性能比较高，是一种环保高效的 锂离子电池。 但是磷酸铁锂电池也具有一些缺点以及不足： (1)磷酸铁锂电池在低温环境下的工作性能比较差； (2)磷酸铁锂电池的压实密度不高，进而导致了该电池的能量密度不高； (3)磷酸铁锂电池由于生产材料的一致性比较差，造成了该电池的成品率不高， 这也是磷酸铁锂电池面临的一个问题； (4)磷酸铁锂电池面临的另一个问题是，它的知识产权问题，目f；订磷酸铁锂电池 的基础专利所有权是美国德州大学，但是它的碳包覆的专利权则是由加拿大人持有的， 这也就造成了磷酸铁锂电池在商业化的道路上愈加坎坷，面临着比较高的成本费用。 2．5磷酸铁锂电池工作原理的分析 2．5．1磷酸铁锂电池的物理特性 磷酸铁锂电池主要是由正极、负极、隔膜以及电解液组成的，其中它的『F极材料是 磷酸铁锂，负极材料是碳，而隔膜和电解液则是在电池内部的正负极之间¨引。常规的磷 酸铁锂电池的标称电压一般是3．2V，终止电压是3．6V，终止放电电压是2．OV，瞬间放 电的大电流脉冲最大可以达到20CmA。磷酸铁锂电池在电池容量完全放完的情况下，存 储30天仍旧不会损坏电池的使用性能，这种情况在其它电池身上则是不行的㈨。 2．5．2磷酸铁锂电池的化学特性 磷酸铁锂电池大约是在2002年的时候研发出来的，随之以后科学家就对它展丌了 大量的研究，投入了很大的人力以及资命。通过了长时间的研究，科学家发现磷酸铁锂 电动汽下动力电池剩余电餐SOC的研究 电池工作的化学特性。锂离子电池一般以石墨类材料作为电池的负极，在习惯上，锂离 子进入正极材料的过程叫做嵌入，离丌的过程叫做脱嵌；锂离子进入负极的过程叫做插 入，离丌的过程叫做脱插心¨。 由于锂离子电池正负极是由两种不相同的锂离子嵌入化合物构成的，这就造成了锂 离子电池在实际上是一个锂离子浓差电池。锂离子电池的充放电过程是通过电池内部大 量的锂离子￡f+来起作用的。在锂离子电池中，电池内部存在有大量的锂离子￡f+，在电 池进行充电的过程中，￡f+从电池的正极脱嵌，经过电解质切入到电池的负极，从而电 池的讵极￡f+较少，处在贫锂状态，而电池的负极，￡f+较多，处在富锂状态，；锂离子 电池的放电过程与其充电过程恰巧是相反的，￡f+从电池的负极脱嵌，经过电解质，进 入到电池的正极，由于这一过程的作用，使得锂离子电池的正极￡f+较多，处于富锂状 态，负极处于贫锂状态。在嵌入锂离子￡f+的过程中，电池内部的主体结构用作于电荷 补偿，从而保持电中性。从以上可以看出，锂离子电池在充放电循环的过程中，￡f+分 别在锂离子电池的『F极一负极上产生“嵌入一脱嵌”反应，使得￡f+在电池的诈极和负极 之问来回移动，