关键词： 废旧磷酸铁锂电池   风选参数   优化分析   仿真模拟  

摘要： 全球经济快速发展，发展新能源汽车产业已成为全球必然趋势。新能源汽车的普及，使得动力锂电池的使用也越来越多，待其退役后，大量废旧动力锂电池的回收利用问题亟需解决。国内外进行锂电池回收方法的研究很多，本文采用风选的方法进行回收不需要高温，也不会产生二次污染，同时也可以保证回收效率，因此具有明显的优势。　　本文以废旧磷酸铁锂电池为研究对象，重点研究采用风选的方法分离回收废旧磷酸铁锂电池破碎产物中的铜箔和铝箔。建立铜铝颗粒在风场中运动过程的数学模型，分析影响分离回收效率的主要因素;设计风选箱，基于Fluent仿真分析研究气流初始角度和风选箱出风口大小对风选分离效果的影响;基于回归分析建立水平位移差与有风区高度和气流初始速度间的回归模型，从而确定最佳的风选参数。基于选定风选参数，采用离散相模型仿真模拟破碎产物的风选过程，验证理论数学模型和回归方程的正确性;最后设计风选实验验证理论模型的准确性。　　研究发现，基于铜铝颗粒间的水平位移差来设计风选箱进行风选是可行的，增大气流初始速度可增大水平位移差进而降低风选的难度，提高风选准确率;最佳的气流初始速度为10m/s-11m/s，此时风选箱的风选准确率高达92%。

关键词： LiFePO4   电子特性   扩散速率   电压平台   第一性原理  

摘要： 磷酸铁锂（LFP）作为锂离子电池正极材料在动力电池等领域备受欢迎。因其容量高、工作电压稳定、结构稳定性好、循环性能好、价格亲民、环保等优良特性,已成为最具竞争力的材料之一。然而,LFP在倍率性即电池的充放电速率方面一直备受关注,改善LFP的导电性和锂离子扩散速率一直是热点课题。由于LFP的改性会受到实验条件和多方因素的限制,而利用模拟来进行验证实验和预测性能是应用广泛且行之有效的研究方式。基于此,本文利用第一性原理计算方法,对LFP掺杂改性体系的电化学性质进行模拟研究,力图找寻倍率性优异的改性LFP材料。使用DFT框架下的第一性原理计算考察了LiFe1-nN_nP1-mMmO4（N,M为Si或S）改性材料的电子特性。发现LiFe P7/8Si1/8O4体系具有最稳定的结构;掺杂后,带隙值逐渐减小,其中,LiFe7/8S1/8PO4的带隙值最小为1.553e V;值得一提的是,LiFe P7/8S1/8O4体系显示了n型半导体的特性,而其他掺杂系统和本征体系却具有p型半导体的特性。本征体系Si-O键的共价性在LiFe P7/8Si1/8O4体系中得到了增强,S掺杂显着拓宽了LiFe7/8S1/8PO4和LiFe P7/8S1/8O4体系中的Li离子脱嵌的通道。此外,掺杂体系的电压有较为明显的下降,电压位于2.23-2.86V的范围内。设计了LiFe10/12Co1/12Mn1/12P11/12S1/12O4(LF（CM）P（S）)三元掺杂体系,并系统地研究了体系的稳定性,锂离子扩散速率,平均嵌锂电压,放电曲线和电子特性。LF（CM）P（S）体系的形成能为2.01e V,表现出最佳的稳定性。相较于本征体系,掺杂后体系LF（CM）P（S）中的锂离子扩散速率比本征系统快10个数量级。由于S的掺杂,体系特征存在从p型半导体到n型半导体的转变。Mn和Co的掺杂导致杂质能带的产生以及带隙的减小,从3.78e V减小到0.737e V。较于本征体系,掺杂系统中电子的有效质量为1.59m0,远大于1m0,这有助于提高掺杂后材料本身的电导率。电子富集的消失和电子局域程度的降低是锂离子快速迁移的原因。掺杂体系的工作电压和充放电平台远高于本征体系,为4.7V,充放电平台和较大的电压差有助于提高材料的电化学性能,这为LFP正极材料进一步应用奠定了坚实的数据基础。

关键词： 磷酸铁锂电池   过充   热失控   热场仿真   防护措施  

摘要： 磷酸铁锂电池以其循环寿命长、制造成本低等特点在规模化储能领域应用广泛,而MW级磷酸铁锂储能电站是由电池模组（多个电池单体串并联）、电池簇（多个电池模组串并联）排列组合而成,受制于该电池固有的产热特性,紧密排列的储能电池过充热失控成为储能电站发生安全事故的严重威胁。目前针对锂离子电池的热失控研究对象主要集中在单体锂离子电池,鲜有从电池模组出发研究其热失控过程及热扩散规律。本文基于实验分析及仿真分析相结合的研究方法,对磷酸铁锂单体电池及电池模组的过充热失控现象、温度分布、热扩散规律进行研究,探究磷酸铁锂电池及模组的过充热失控特性,并提出了过充热失控的防护措施。首先,搭建磷酸铁锂储能电池及电池模组过充热失控实验平台,在0.4C、0.5C两种不同过充倍率下研究单体电池及模组的热失控现象和温度变化规律。实验结果表明:单体电池在0.4C、0.5C倍率过充时,电池会发生鼓包产气现象,充电倍率越高、热失控时间越早;电池模组在0.4C倍率过充时产出大量烟气,模组表面最高温度211~oC;电池模组在0.5C过充时,产生大量烟气后会发生燃烧爆炸现象,模组表面最高温度达530~oC。其次,在实验的基础上根据磷酸铁锂电池热失控的产热机理与阿伦尼乌斯反应公式,建立磷酸铁锂单体电池过充热失控仿真模型,仿真结果表明所建模型能够准确的预测电池过充热失控后电池内部温度分布情况以及电池内部活性材料含量变化。此外,对单体电池热失控扩散规律进行研究,发现单个电池在模组中心发生过充热失控时不会触发周边电池热失控。最后,建立磷酸铁锂电池模组过充热场模型,研究电池模组不同倍率过充时的温度特性以及电池模组的热失控扩散规律,仿真结果表明:电池模组0.4C倍率过充时,不会触发周围电池模组热失控;电池模组0.5C倍率过充时,会向上逐级触发电池模组热失控。此外,基于电池模组过充热失控的扩散现象,设计加装隔热板的热扩散防护措施。通过仿真验证可知:隔热板防护效果与材料导热系数直接相关,当材料的导热系数足够低时,可避免模组热失控的扩散。

关键词： 废旧磷酸铁锂电池   废旧钴酸锂电池   选择性回收   联合回收   原位氧化   异位氧化  

摘要： 随着新能源汽车行业的蓬勃发展,以锂离子电池为代表的动力电池开始被广泛使用。磷酸铁锂电池(LFP)凭借其低廉的成本、良好的稳定性、较长的循环寿命等优势,逐渐取代钴酸锂电池(LCO)以及三元锂电池(NCM),成为使用最广泛的动力电池。随着锂离子电池的广泛应用,也产生了大量废弃的锂离子电池。对这些废弃锂离子电池的有效回收不仅有利于环境保护,也能循环利用其中的高价值金属,对于促进锂离子电池产业的绿色可持续发展具有重要的意义。由于磷酸铁锂中的有价金属只有锂,故采用选择性回收的方法对锂进行回收。选取甲酸-过氧化氢体系对锂离子进行选择性浸出,通过单因素条件优化,获得了最佳浸出操作条件为:甲酸浓度0.8mol/L,固液比50g/L,初始过氧化氢体积分数8%,浸出温度60℃,浸出反应时间为1 h。在最佳浸出操作条件下,锂的浸出率达到99.9%,铁的浸出率仅为0.05%。随后通过多因素响应曲面实验,得到的最佳浸出操作条件为:甲酸浓度0.87mol/L,固液比49.46g/L,过氧化氢初始体积分数5.22%,反应温度67.2℃,可以看出两种优化方法获得的最佳浸出操作条件非常相近。采用碳酸钠沉淀法从浸出后的滤液中回收锂离子,其一次沉淀率和纯度分别可达到85.05%和99.9%。为了降低氧化剂的添加量,甚至不添加氧化剂,同时实现废旧钴酸锂电池中的有价金属的回收,基于磷酸铁锂中二价铁离子被氧化而钴酸锂中三价钴离子被还原的需求,提出了钴酸锂与磷酸铁锂电池联合回收的创新工艺。在联合回收体系中,依据化学计量设计实验,通过条件优化获得最佳浸出条件为:硫酸浓度为0.75 mol/L,硫酸总量为理论值的120%,钴酸锂加入时间为15 min,磷酸铁锂与钴酸锂的摩尔比为1:1,温度为60℃,在此条件下,锂和钴的浸出率分别可达到99.92%和81.11%。从浸出液中回收钴和锂,回收率分别为97.71%与78.54%,纯度分别可达到99.94%与99.95%。最后对磷酸铁锂-甲酸-过氧化氢体系回收与磷酸铁锂-硫酸-钴酸锂体系联合回收的反应路径进行了初步研究。磷酸铁锂-甲酸-过氧化氢体系是在酸性环境和高氧化还原电位中原位选择性的将磷酸铁锂晶格中Fe2+氧化为Fe3+,实现锂离子浸出到溶液中。而磷酸铁锂-硫酸-钴酸锂联合回收则是通过硫酸将磷酸铁锂结构完全破坏释放出亚铁离子,再加入钴酸锂,在酸性环境下实现钴酸锂中钴离子与亚铁离子非原位氧化还原反应的浸出过程。

关键词： 磷酸铁锂电池   锂离子电池火灾   热失控传播   液氮灭火   冷却降温  

摘要： 磷酸铁锂电池凭其热稳定性好、循环寿命长、容量大、重量轻等优势得到了广泛应用,如新能源汽车、大规模储能电站、5G基站等。但是热失控行始终时磷酸铁锂电池应用当中最大的安全性问题。一旦因短路等问题导致电池单体发生热失控行为,可能引起热失控的传播并造成灾难性的火灾爆炸事故。因此,亟需寻求针对锂离子电池热失控的高效阻断技术,把其造成的损害降至最低。本文从磷酸铁锂电池单体及电池组热失控特性出发,分析电池组热失控传播特性,探究液氮对磷酸铁锂电池防灭火效能。本文开展了32650型磷酸铁锂电池热失控特性试验,发现其热失控过程共分为:被动加热阶段、初爆阶段、自加速反应阶段、燃爆阶段、阴燃阶段。SOC决定了其发生热失控的严重程度,即电池SOC越大,燃爆响应温度越低,燃爆时的温升速率和温度峰值更高,释放能量更多。SOC越大,O2的消耗和CO、CO2的产量越大。电池组规模越大,热失控过程中电池上方温升速率及峰值温度越高。同时,电池组燃爆的质量损失与氧气的消耗量相比于单体并不是简单的倍数增长,而是分别随着电池数量的增多呈指数与幂函数趋势上升。分析了32650型磷酸铁锂电池组热失控传播特性,A危险级单体燃爆能够造成相邻单体B发生热失控行为而燃爆。且初爆发生后,单体B发生燃爆时间比A危险级单体提前,电池组热失控危险性增大。针对电池组热失控传播特性,对其防护提出了对策建议,提出利用液氮喷射来阻断电池组热失控传播的方法。液氮喷射造成的低温和缺氧氛围能迅速将火焰熄灭,使池体达到的峰值温度降低。分析了不同液氮喷射时长对热失控阻断效果的影响,发现短时液氮喷射冷却深度不足,无法阻断电池组内热失控传播。而30s液氮喷射可阻止燃爆的发生,阻断电池组内热失控传播。开展了大容量磷酸铁锂电池液氮灭火试验,研究了液氮对大容量磷酸铁锂电池火灾的灭火效能。通过比较分析不同灭火工况火焰熄灭后电池达到的峰值温度、产烟时间和质量损失发现,喷射液氮时间越早,其冷却灭火效果越好,且喷射时长的增加能够提高液氮对池体的冷却深度,喷射口与池体距离的缩短能够减少液氮损失。本论文有图63幅,表19个,参考文献77篇。

关键词： 锂离子电池   磷酸铁锂   离子掺杂   碳层改性   生物质酸  

摘要： 随着能源危机和环境污染问题的日益凸显,开发新能源和解决存储问题已成为当前的主要能源战略任务。高性能的储能设备是新能源利用的重要载体。绿色环保的锂离子电池因其工作电压适宜、循环寿命长、能量密度大、自放电小等优点广受人们的欢迎。橄榄石型结构的LiFePO4相比于其他材料,具有热稳定性好、安全性能高、价格低廉、环境友好等优点受到人们的青睐,成为最具发展潜力的正极材料之一。然而,较差的电导率和较慢的锂离子扩散速率等缺点严重影响了该材料电化学性能的发挥,限制了其应用空间。本论文在查阅大量相关文献的基础上,以提升LiFePO4材料电导率和锂离子扩散速率为目标,主要通过离子掺杂,碳层改性、颗粒纳米化及界面设计等多种手段对LiFePO4进行改性研究。论文主要内容如下:首先,为了从晶粒内部提高LiFePO4材料的电导率,通过溶剂热法,探究了聚阴离子P位B掺杂,制备了LiFeP1-xBxO4-δ材料。系统研究了掺杂量对材料物相结构、微观形貌及电化学性能的影响。结果表明,适量的B掺杂并未改变材料的物相结构,但减小了晶胞体积,提高了颗粒的分散性及增强了Fe O6八面体层与层之间的电子传导能力,从而提高了材料的电化学性能。当B掺杂量为2%时,LiFeP0.98B0.02O4-δ在1C下放电比容量为144.8 m Ah g-1,相对于纯相LiFePO4的性能提升了5.4%。而当B掺杂量提高到4%时,电化学性能有所下降,这主要是由于氧缺陷的产生导致的。为避免上述材料制备过程中氧缺陷的产生,在P位掺B制备LiFeP1-xBxO4-δ的基础上,又采用Mg平衡电荷,制备了Li Fe MgxP1-xBxO4材料。研究表明,Mg的引入不但可以缩短锂离子的扩散路径还可有效改善氧缺陷,从而提高材料电化学性能。当B、Mg掺杂量为2%时,Li Fe Mg0.02P0.98B0.02O4在0.1、0.2、0.5、1、2、5和10C下的放电比容量分别为153.4、151.3、148.6、146.3、140.6、123.3和114.9 m Ah g-1。而当B、Mg的掺杂量为4%时,材料又出现了电化学性能下降的现象,这主要是由于过量Mg的引入,其有可能进入Li位,堵塞锂离子的传输通道。其次,通过改性LiFePO4材料表面碳包覆层,改善其电子电导率,以进一步提高材料的大倍率充放电性能。以三苯基膦为掺杂剂,通过煅烧法,成功制备了磷改性碳层的新型LiFePO4/C正极材料。研究表明,适量磷改性碳层未改变LiFePO4的晶体结构,颗粒的形貌、分散性及表面碳层的厚度。但是,掺杂的磷原子创造了更多的电子传递通道,提升了电子的传递速率,从而提高了材料的大倍率性能。首次提出以蛋黄同时为碳、氮及磷源,在对LiFePO4实现碳包覆的同时完成碳层的氮磷共掺杂,并深入分析了蛋黄用量对材料各方面的影响。当LiFePO4与蛋黄的质量比为1:1时,复合材料表现出优异的循环性能和大倍率性能,这主要是由于N和P原子均为给电子体,其电子更易被电离,生成的电子会成为多余的载流子,致使电子传输速率加快,从而提高材料的导电性。两个给电子体的协同作用,使得这种双掺杂的复合材料表现出优异的电化学性能。再次,以乙二醇为溶剂,可再生的生物质植酸为磷源,利用溶剂热法可控制备了LiFePO4材料,详细研究了反应温度、时间、摩尔比以及浓度对其物相、形貌及电化学性能方面的影响,并重点讨论了其合成机理。研究发现,当温度为180℃,时间为4 h,Li:Fe:P摩尔比为3:1:1.5,浓度为0.5 M时制备的LiFePO4材料具有特殊的分层结构及相对较好的结晶性和均匀性。对合成LiFePO4机理过程研究发现,由于植酸的强螯合作用导致首先生成中间体Fe3（PO4）2,其再与Li+结合逐渐生成LiFePO4。最后,采用植酸做为磷源,MWCNTs作为导电网络,设计并制备了一种具有3D纳米导电网络及良好界面结合的LFP@MWCNTs复合材料,并阐明了形成机理。利用植酸不但可与Fe2+络合还可与功能化MWCNTs表面的-C=O或-COOH等氧化基团可形成化学键的特性,经过溶剂热和高温煅烧后生成界面特性良好且电化学性能优异的LFP@MWCNTs复合材料。

关键词： LiFePO4   超临界法   溶剂热法   油胺   形貌  

摘要： 随着社会生活的不断发展,人们对能源储存的需求也越来越大。锂离子电池作为一种新型能源储存装置,应用越来越普遍,尤其是在新能源电动汽车等方面,近些年来受到了广泛的关注。采用橄榄石结构的磷酸铁锂(LiFePO)作为锂离子电池正极材料具有循环稳定、无毒、原料便宜等优点,受到了研究者的青睐。但由于其锂离子和电子扩散系数低,影响了其实际应用。传统的固相法虽然合成工艺简单,但存在合成的材料粒径不均匀,无法制备纳米级材料的问题。超临界方法在合成纳米材料方面具有独特的优势,具有合成粒径小、结晶度高和方便操作等特点,是一种制备电极材料的理想方法。本文采用超临界乙醇热法对LiFePO进行了制备,考察了工艺参数对产物的性能的影响,所做工作和结论主要包括以下内容:研究利用乙醇溶剂热法制备碳包覆的LiFePO纳米颗粒,以油胺作为碳源前驱体,在超临界反应过程中,油胺可均匀地附着在LiFePO表面,防止颗粒长大。表层油胺在氮气保护下经过高温煅烧处理后,油胺发生热解,转变为一层超薄均质的碳层,沉积在LiFePO的表面,提高了材料的导电性和在电解液当中的稳定性。实验系统地研究了溶剂热条件下,不同反应时间下制备的LiFePO的晶体结构、微观形貌和电化学性能。研究表明,当反应时间为1h和3h时,制备的产物具有良好的电化学性能,主要是由于较短的反应时间下生成了具有较小粒径且形貌均匀的LiFePO,虽然在未经过煅烧处理时,结晶性能不如6h和12h条件下的LiFePO,但经过煅烧处理后,材料的结晶性能得到了显著的提高,且粒径也有所减小。交流阻抗测试表明反应时间为1h条件下的LiFePO的性能最好。研究利用超临界乙醇溶剂热法制备碳包覆的LiFePO结构,当温度和压力达到临界点时,此时流体进入超临界状态,可在超临界状态下制备LiFePO。系统地研究了反应温度、装填度、乙醇油胺体积比和物料量对合成的LiFePO的晶体结构、形貌和粒径的影响,并解释了LiFePO在该超临界工艺下的形成机理。研究表明,随着温度、装填度和物料量的增加,LiFePO的结晶度不断增高,且材料的粒径也有所增加,随着反应体系中的油胺比例增高,材料的结晶度有所减小,粒径也变得更为均匀。在单因素实验的基础之上,以温度、乙醇油胺比、装填度和物料量设计了四因素三水平正交实验,以合成的LiFePO的面积平均粒径作为评价标准,制备了具有较好形貌和粒径的LiFePO材料,首次放电比容量为138.5 m Ah/g。通过正交实验分析各因素对实验的影响,得到优化粒径的参数为:温度360℃、乙醇油胺体积比为3.5:1、装填度为64%、物料量为0.5mmol。在最优反应条件下,制备了钒掺杂的LiFePO,掺杂量范围为0%～20%,系统地研究了不同钒掺杂量下的LiFePO的晶体结构、形貌特征和电化学性能,研究表明,掺杂量在5%的条件下,材料具有较好的交流阻抗性能和循环伏安性能。

关键词： 2345RLS   参数辨识   EKF   CKF   SOC估算  

摘要： 为缓解能源危机及解决环境污染问题,电动汽车成为我国重点发展的战略性新兴产业之一,根据目前的发展现状与存在的技术问题,分析得出电池管理系统中的电池荷电状态(SOC)估算对电动汽车具有重要意义,因此作为本文的研究内容,在深入了解现有SOC估算算法的基础上,展开如下研究:(1)建立电池模型并辨识模型参数。磷酸铁锂电池在电动汽车上使用时,受到环境、工况等因素影响,电池SOC表现出很强的时变非线性,因而选用等效电路模型来描述电池特性,采用带遗忘因子的递推最小二乘法(RLS)来进行模型参数的在线辨识。对比一阶RC模型和二阶RC模型的仿真结果,表明等效电路模型能够较好地模拟电池特性,其中二阶RC模型的误差较小,故而选用于电池SOC估算算法中。(2)结合扩展卡尔曼滤波器(EKF)构建联合算法估算电池SOC。在辨识模型参数后,根据RLS与EKF算法的优缺点,构建出RLS-EKF的SOC联合估算算法。针对EKF算法在应用过程中存在的偏差问题,将原有的新息多维化,将单个新息扩展为新息矩阵,并引入权重计算来处理扩展出的数据,同时对观测噪声进行了降噪处理,获得了改进的IEKF算法,再与RLS方法结合构建改进的RLS-IEKF联合算法。仿真结果表明,改进后的RLS-IEKF算法较改进前的RLS-EKF算法能更好地逼近真实的电压曲线,平均误差小于0.03V;在三种动态工况下的SOC估算的平均绝对误差分别为1.85%、1.34%、1.59%,总体平均误差小于2%,最大误差小于4%,均方根误差也小于RLS-EKF算法,且收敛速度更快,对SOC的估算结果更准确。(3)针对电池系统的非线性特性,在使用RLS方法在线辨识模型参数的基础上,对SOC估算算法进行扩展性研究,使用容积卡尔曼滤波器(CKF)替换EKF构建新的联合算法。根据CKF算法的特点,引入了强跟踪STF原理,构建了改进的RLS-ICKF算法。仿真结果表明,RLS-ICKF算法能逼近真实的电压曲线,平均误差小于0.05V,能够适应电流波动的动态工况。三种动态工况下RLS-ICKF算法的SOC估算的平均绝对误差分别是1.17%、1.09%、0.81%,总体平均误差小于1.5%,最大误差小于3.5%,比RLS-IEKF算法结果的精度略有提高,均方根误差也更小。结果证明RLS方法能与CKF有效结合,建立的RLS-ICKF算法具有更好的估算精度和较好的鲁棒性,扩展了RLS方法在SOC估算领域的应用方式。

关键词： 磷酸铁锂电池   热特性   容量衰减   液冷散热   温度场  

摘要： 由于受能源危机和环境污染的双重压力,电动汽车成为当今汽车产业发展的趋势。锂离子电池作为电动汽车的动力来源,其具有比能量高、输出功率大、倍率性能优异、循环寿命长、安全性好等特点,但是随着电动汽车的发展,动力电池的热安全性问题日益突出。锂离子电池长时间循环使用过程中内部会产生大量的热,如果无法及时散去而积聚在内部,会使电池工作温度逐渐升高,而高温容易导致电池工作性能急剧下降及电池寿命衰减,严重时会引起着火甚至爆炸等安全性问题。因此,关于动力电池使用过程发热及散热特性的研究已经成为电动汽车设计领域的重要研究课题。本文首先基于电化学-热耦合模型,首先对磷酸铁锂单体电池和电池模组进行热特性研究,分析了电池产热及散热基本特征及主要影响因素;在此基础上建立了电池容量衰减模型,分析了不同温度下电池容量衰减的特征及规律;最后基于磷酸铁锂发热及散热特征,设计了电池模组液冷散热结构,并分析其对电池组温度场的影响规律,优化了液冷散热的参数及结构。具体研究内容如下:(1)基于电化学-热耦合模型,建立了磷酸铁锂单体电池热仿真模型,研究了放电倍率、环境温度和交流换热系数对单体电池及电池组热特性的影响,分析了其对电池温度场的影响。结果表明:电池放电倍率、对流换热系数和环境温度对单体电池及电池组的温度场具有重要的影响,放电倍率越高,对流换热系数越大,电池温差越大,温度均匀性越差,高温和低温环境使电池温差变大,温度均匀性变差。(2)基于电池负极SEI生长理论建立了磷酸铁锂单体电池容量衰减模型,研究不同温度条件下放电倍率、负极粒径大小和充电截至电压对电池容量衰减的影响,分析了温度对电池容量衰减过程的影响规律,结果表明:放电倍率、负极粒径及充电最大截至电压对电池容量衰减具有明显的影响,放电倍率越高,充电截至电压越大,电池容量衰减速度越快,负极材料的粒径变小可减缓容量衰减速率。温度升高将加快电池内部副反应的发生,使电池活性锂的降低,正负极材料结构破坏,金属离子溶出,最终导致容量衰减过程加速,降低其使用寿命。(3)针对6个软包磷酸铁锂电池组,设计了板式和蛇形弯管液冷结构,分析了流体流向、流体入口温度和流体流速对电池组温度场的影响,结果表明:蛇形弯管散热系统降温效果优于板式散热系统,这是因为弯管结构使流体曲折回旋,避免进出口温度冷却效果差异,提高了电池组温度均匀性。综上,本文对锂离子电池单体及电池组的热特性、容量衰减及液冷散热等关键问题进行了研究,探讨了热行为及容量衰减的影响因素,采用液冷散热方式对电池组散热并进行液冷性能优化,本文研究结果为电池安全使用提供理论指导,液冷散热优化结果为电池热管理策略的开发提供一定的参考,以便进一步保证动力电池的使用性能以及提高电池的热安全性。

关键词： 电动车辆   电池管理系统   磷酸铁锂电池   SOC估算  

摘要： 能源短缺、环境污染是当今全球面临的两大问题,备受世界各国关注,节能环保型汽车成为当代汽车发展的主要方向。纯电动汽车拥有零污染、能源可再生且利用率高等优点,成为最符合节能环保主题的汽车,受到大众青睐。动力电池组作为纯电动汽车的动力来源,由于汽车工况复杂且工作环境多变,电池组会出现性能及安全问题,进而直接影响整车性能和安全,因此需要电池管理系统(Battery Management Systems,简称BMS)来保护电池系统可靠运行。本文以磷酸铁锂电池为研究对象,进行BMS的开发设计。首先通过纯电动汽车几种常用动力电池的对比,确定方形磷酸铁锂电池为动力源,并对其结构、工作原理及性能指标等进行了学习研究。基于纯电动拖拉机的持续作业时间和永磁同步驱动电机的具体参数,对电池系统参数进行了详细计算,并选择先串联后并联再串联的连接方式作为电池系统的拓扑结构。在分析SOC估算方法的基础上,将开路电压法与安时积分法相结合,进行了电池SOC估计。其次,采用主从式拓扑结构进行本文BMS硬件系统的设计,硬件系统包括负责数据处理分析、环境温湿度采集、SOC估算、故障报警、与上位机通信等任务的主控板及负责电池电压、电流、温度等数据采集任务的从控板两部分组成,二者之间通过CAN总线进行通讯和数据传输。主控芯片与从控芯片均采用STM32F103系列芯片,功耗低、运算速度快、硬件集成度高且事务处理能力强,能够很好地保证硬件系统的安全可靠性。在硬件系统基础上,根据主控板和从控板各自需要实现的功能,完成对应软件程序的设计,主要包括主程序、SOC估算程序、故障报警程序、通信程序及电池数据采集程序等,同时使用Visual Studio软件进行上位机监控界面的设计,实时监控电池各项参数。最后,搭建实验平台,通过对磷酸铁锂电池组进行电压、电流、温度等数据的采集试验及在充放电状态下的SOC估算实验,测试系统的功能和可靠性。测试结果表明,本文所设计的BMS硬件系统和软件结构均合理,实现了预期目标,具有一定实用价值。