关键词： 智能家居   磷酸铁锂电池（LiFePO4）   低压布线系统  

摘要： 在现代科技高速发展的今天,人们对生活质量的要求越来越高,特别是家用电子产品智能化的逐步普及,智能家居的概念也越来越被人们所接受。目前,智能家居在满足了传统的居住功能之外,还提供了更加安全、舒适、高品位的家庭生活环境。现代的智能家居系统是利用物联技术将所有智慧家电通过软件平台有机结合在一起,并通过互联网实现进行远程监控、通讯和管理等功能,在目前的智能家居系统中,低电压（DC36V以下）电器设备的使用也越来也广泛,二次电池（Rechargeable battery）技术也日趋成熟。对此,在现代智能家居环境中探讨、推广低压化布线模式就有了应用基础,并可以考虑在家居中实现不间断电池供电模式,达到节能、环保、安全的效果。本文是在利用现有的智能家居推广使用研究成果基础上,阐述了本课题研究的主要背景环境和研究意义,展开探讨了磷酸铁锂电池（LiFePO4）融入现有智能家居系统可行性分析研究工作。其中,对磷酸铁锂电池性能进行了详细研究分析,制定了在节能、安全型智能家居环境中使用磷酸铁锂电池充放电管理方案,设计、优化了磷酸铁锂电池（LiFePO4）在线充电、放电电路。同时,根据市场及家居环境实际需求,为了提供更为良好的用户体验,拟定了节能、安全型智能家居低压布线标准,并提出设计了在智能化家居环境中可推广、使用的低压布线方案,同时对智能家居低压布线系统在目前市场应用前景进行了分析。在研究过程中,进行了智能家居低压布线系统试验性施工,并根据施工过程中反馈的问题,改进了太阳能发电系统与磷酸铁锂电池（LiFePO4）并网充放电日照强度反馈数据更新采样方式,优化了低压布线系统终端过流检测保护电路设计,并进行了纯直流供电照明系统软硬件设计、施工试验,取得了较好效果。在完成以上设计、研究过程中,还探讨了当前节能型智能家居环境中,智能家电产品低压化开发可行性研究,提出相关建议。

关键词： 锂离子电池   正极材料   磷酸铁锂   磷酸锰锂   碳包覆   表面活性剂  

摘要： 在锂离子电池中,电极材料尤其是正极材料从根本上决定了电池的性能,正极材料占到电池成本比例的百分之四十。所以,从电池性能和成本两大决定性因素考虑,性能优异且价格低廉的正极材料,一直是锂离子电池研究和商业化进程的主要努力方向。其中,橄榄石型磷酸铁锂（LiFePO4）和磷酸锰锂（LiMnPO4）正极材料,具有良好的结构稳定性、较好的热稳定性、丰富的原料来源和环境友好等优点。磷酸铁锂己经应用于动力电池等高端领域,而磷酸锰锂具有更高的放电电压,成为下一代高能量密度锂离电池正极材料的研究热点。本论文以低成本制备高性能橄榄石型正极材料作为研究目的,采用适用于工业生产的湿法球磨工艺合成LiFePO4,引入双表面活性剂代替传统碳源,对LiMnPO4进行碳包覆,提高电化学性能;简化生产工艺,选用廉价的三价铁源,一步法合成球形核壳结构的碳包覆LiFePO4/C材料;通过液相法合成LiMnPO4纳米颗粒,通过多巴胺的聚合反应,制备了氮掺杂碳包覆的LiMnPO4正极材料:同时,进行了中试公斤级和工业化生产LiFePO4/C的工艺研究。首先采用湿法球磨法,针对性地选取两种环境友好的非离子表面活性进行复合,代替传统碳源,制备得到分散均匀、较高石墨化碳包覆的纳米碳包覆LiFePO4/C材料。研究了双表面活性剂的协同作用,及其对电化学性能的影响。制备得到的LiFePO4/C材料表现出优异的电化学性能。0.1C倍率下的首次放电比容量为168.7mAh/g,10C的容量还能达到111.8mAh/g,表现出良好的倍率性能。200次循环后的容量衰减不足1%,循环稳定性优异。选用廉价的羟基氧化铁（FeOOH）作为铁源,借助表面活性剂分子和原材料之间的相互作用,采取简化的一步法工艺,制备了球形核壳结构的纳米碳包覆LiFePO4/C复合正极材料。产物在0.1和5C倍率的放电比容量分别为163.6和121.6mAh/g,表现出较好的倍率性能。循环200次后的容量未发生衰减。另外,材料也表现出良好的低温放电容量和循环性能。对材料的形成机理进行了研究,在固相反应体系中,指导控制LiFePO4形成过程中中间相晶体的生长,设计制备出三维多孔球形LiFePO4/C材料。在本研究为工业化一步法制备电化学性能优异的LiFePO4/C正极材料提供了一个新的思路。采用液相共沉淀法在较低温条件下合成了粒度分布均匀且粒径在1OOnm左右的棒状LiMnPO4材料,选用含氮有机物多巴胺（dopamine）作为碳源,在LiMnPO4颗粒表面形成N掺杂的碳包覆膜。借助XRD、XPS和TEM等手段,对材料的物相和表面碳的结构进行表征,分析了 N掺杂碳的表面修饰对材料倍率性能提升的作用机理。建立在中试生产的基础上,选取不同包覆碳源生产的三代产品作为研究对象,对比了不同包覆碳源对产品电化学性能的影响。将研发的LiFePO4/C材料的中试制备技术成果落户于企业,采用大型工业化设备下制备出电化学性能优异的LiFePO4/C材料,产品呈现规则的球形和椭球形。以石墨作为负极,组装成200mAh软包装电池测试电化学性能,5C与O.1C倍率下首次放电比容量的比值为92.1%,500次循环后的容量保持率在90%以上。本成果实现了与企业之前的技术创新合作以及产业化应用,积累了丰富的理论经验,体现了重要的应用价值。

关键词： 磷酸铁锂电池   电压平台期   贝叶斯滤波   扩展卡尔曼滤波   无际卡尔曼滤波   粒子滤波  

摘要： 汽车尾气已经成为当今世界大气污染中所占比重最大的污染源,而随着汽车保有量的继续增加,大气污染的严重程度也会进一步提高。与此同时,用于交通领域的石油消耗量所占总石油消耗量比重越来越大,给资源带来沉重压力。这些问题使得世界各国达成共识:新能源汽车发展势在必行。电池管理系统(Battery management system,BMS)作为新能源汽车发展的核心,经过多年的发展,体系已十分成熟,但仍有一些问题尚未解决,剩余电量(State of Charge,SOC)的精确估算问题是这些难题的重中之重。在使用循环算法的剩余电量估算的理论研究中,通常都是设定已知的初始值,这并不符合实际应用,不能完全论证算法的各项性能指标。本课题在研究剩余电量估算问题时,则重点针对不确定的初始赋值,使用贝叶斯滤波次优解来研究其收敛到真值的情况,并辅以MATLAB仿真实验。本课题的研究对闭环算法的鲁棒性测验具有重要的意义。首先,本课题对选题的应用背景作了简介,分析了电池管理系统的一些基本功能,重点探究了初始赋值不确定情况下的剩余电量估计,并简述了本课题的文章构造与研讨意义。之后介绍了几种动力电池,结合现如今动力电池选择标准,选出本课题实验所用实验对象——磷酸铁锂电池,并对其的开路电压特性做了重点研究,定义了电压平台期。动力电池的模型构建有多种方法,本课题根据磷酸铁锂电池的外部特性,建立了SOC动态观测模型,并确定获取观测模型参数的方法——最小二乘法。接下来文章介绍了剩余电量估算的方法——无模型SOC算法和基于模型的SOC算法,重点介绍了基于模型的SOC算法中的贝叶斯算法的三种次优解——扩展卡尔曼滤波、无际卡尔曼滤波和粒子滤波。使用三种算法分别对不同剩余电量的初始赋值和真实值进行初值追踪,并给出了使用MATLAB仿真的结果。通过对多组数据的仿真,本课题发现:在对真实值处于电压平台期的样本进行初值追踪时,使用无际卡尔曼滤波效果最好,对其他区域的初值追踪则是粒子滤波效果最好。本课题针对这个事实提出了一种拟合无际卡尔曼滤波与粒子滤波的初值追踪方法,并给出了此种方法的流程图。

关键词： 磷酸铁锂电池   等效电路模型   参数估算   神经网络   扩展卡尔曼算法  

摘要： 影响国内外乃至全球经济发展的重要因素是能源的急剧减少与环境污染的严重,这两个问题现在很突出。因此研究新的可再生能源及新能源成为国内外政府亟待解决的重要问题。我国近几十年来科技实力和制造能力产生了急速的发展,尤其是新能源汽车行业发展迅速。有资料显示,我国在近几个月的汽车销售中,新能源汽车占例有很大的提高。但是BMS技术的发展仍有很大的上升空间,还需要大量的人力物力投入。其中最重要的就是动力电池的剩余电量的评估。动力电池是电动汽车的驱动力,对其剩余电量(SOC)的评估具有重要意义。精确的评估不仅能够保障电池高效使用还能够保障驾驶员的行车安全。本文选取了锂离子电池作为主要的研究方向,主要做了以下几个方面的工作:首先,本文介绍了新能源汽车动力电池估算SOC国内外发展现状,动力电池的发展背景以及电池性能和主要参数。通过查阅大量的相关文献并对比分析了各个电池等效模型,建立了锂离子电池内部机理对外展现出的特性的等效电路模型。之后通过对电池进行一系列的试验测试,采用最小二乘算法中的指数拟合,得到模型参数初值,以及得到了不同SOC下的开路电压。此时考虑了放电倍率对电池容量的影响,得到了放电倍率对电池容量的影响因子。其次,针对已经得出的等效电路模型参数,需要利用MATLAB/Simulink模块对这些参数进行验证。在Simulink模块模拟下得到的实验结果表明,此电路模型能有效的模拟电池的外特性。然后,利用神经网络算法进行等效电路模型中的参数与SOC关系的拟合。最后,通过分析锂离子电池的非线性外特性以及等效电路模型,建立了该等效电路模型的状态空间方程。卡尔曼滤波算法是主要应用在线性系统上,但是本文建立的模型是非线性系统,因此在此基础上分析了扩展卡尔曼滤波算法。由实验结果可以看出,本文提出的扩展卡尔曼神经网络算法对电池SOC的评估,具有以下的优点:抗干扰性强、收敛性强、估算精度高。

关键词： 电池管理   SOC算法   电池均衡  

摘要： 风力和太阳能等新能源由于具有环保无污染而且用之不竭等优点成为了当今能源研究的热点。运用新能源发电技术的关键环节之一就是电池储能技术,而电池储能应用的基础和核心就是储能电池管理系统。如何实现对电池状态参数的实时测量和控制,提高电池电量估计精度,提高电池组均衡效率,防止电池的过充过放,充分利用电池容量,延长电池寿命,是目前电池管理系统研究的热点问题,极具研究价值。本文选取储能电池中常用的大容量磷酸铁锂电池作为研究对象,在考虑到储能电池的电特性以及对国内外现有的电池管理系统进行研究分析的基础上,设计了一套以STM32芯片为子系统和以EPC-8900为主系统的电池管理系统。在设计中实现系统的标准化从而提高了系统的可扩展性。在综合考虑各种SOC算法的优缺点之后,本文选定改进的安时法和开路电压法来进行电池SOC的估算,并以放电实验法为基准估计改进算法的误差。在对现有各种电池组均衡技术进行研究之后,本文选定升降压电路作为主拓扑结构构建电池的均衡系统,同时对升降压电路拓扑进一步优化完善,完成了磷酸铁锂电池组均衡控制系统的设计,并在Matlab/SimPowerSystem仿真环境中搭建了此均衡系统,并对建立的电池均衡模型进行了仿真实验。最后将电池组成组,对电池管理系统的电压检测进行了误差分析,并对电池管理系统进行了调试,对磷酸铁锂电池的特性进行了进一步研究。

关键词： 水热法   三维多孔石墨烯/磷酸铁锂   电化学性能   锂离子扩散系数  

摘要： 橄榄石型结构的LiFePO4（LFP）材料,由于其具有高理论比容量、循环寿命长、高温性能好、安全性可靠、低成本和环境友好等优点,越来越受到人们的广泛关注,是一种很有发展前途的锂离子正极材料。本课题采用水热制备,冷冻干燥结合碳热还原技术,探索了两种不同复合方式合成的磷酸铁锂复合材料,并采用XRD、SEM、Raman、EIS、CV以及充放电测试对材料的结构、形貌、电化学性能进行研究,具体内容如下:（1）通过控制铁源与磷源比例、反应温度、时间、pH等因素制备出形貌较好的球形FePO4（FP）前驱体;（2）以乙酸锂为锂源,10 wt%抗坏血酸和10 wt%葡萄糖为碳源分别在350℃预烧4 h,650℃煅烧10 h制备出最优条件的LiFePO4/C复合材料;（3）采用改进的氧化还原法制备氧化石墨（GO）凝胶,通过超声、水热、冷冻干燥制备出具有三维多孔形的石墨烯材料;（4）在磷酸铁前驱体中加入5 wt%（理论生成LiFePO4的量）含量的三维石墨烯,充分研磨后碳热还原制得的磷酸铁锂材料具有较好的电化学性能,3DG-LiFePO4/C复合材料在0.2 C倍率下的首次放电比容量能够达到163.6 mAh/g,循环50圈后,容量仍能保持99.5%,且在0.5 C、1 C、2 C、5 C、10 C不同倍率下的首次放电比容量分别为152.7mAh/g、142.3 mAh/g、127.4 mAh/g、103.7 mAh/g、83.9 mAh/g,该材料在1 C倍率下循环100圈后容量仍能保持91.7%;（5）按GO与FePO4质量比为1:5,通过水热法成功制备出了以三维石墨烯均匀包覆磷酸铁的基体材料,再运用碳热还原成功合成了倍率性能和循环性能等电化学性能良好的LiFePO4/3DG/C复合材料,从SEM可以清晰地看出球形FePO4很好地镶嵌在3DG的孔径中,并且包覆得很均匀,材料在0.2 C首次放电比容量为165.1 mAh/g,循环50圈后容量仍能保持99.3%,且在0.5 C、1 C、2 C、5 C、10 C不同倍率下的首次放电比容量分别为153.8 mAh/g、144.7 mAh/g、130.4 mAh/g、110.1 mAh/g、91.3 mAh/g,材料在1 C倍率下循环100圈后容量仍能保持99.6%。

关键词： 磷酸铁锂电池   内阻   材料   工艺   可行性  

摘要： 磷酸铁锂（LiFePO4）材料由于晶体结构的特点,其电子导电性和离子扩散系数低,导致电池内阻高。因此,针对LiFePO4电池内阻特性进行研究非常有必要。本文从材料和电池工艺两方面入手,采用内阻测试和交流阻抗谱（EIS）等手段,研究活性物质形貌、石墨烯包覆、导电剂和黏结剂对LiFePO4电池内阻特性影响。通过对容量、倍率、循环、加工等性能进行测试,分析内阻对电池性能的影响,并讨论改善内阻方法的可行性。采用不同形貌LiFePO4及其全电池为研究对象,利用XRD、SEM、粒度测试等手段,对材料物理性能进行分析。测试电池内阻、EIS、倍率、加工等性能,研究了LiFePO4形貌与电池内阻特性之间的关系,并分析形貌改善内阻的可行性。结果表明,相比非球形,球形LiFePO4材料物理性能良好,其14500型全电池电荷转移阻抗和锂离子扩散阻抗较低,内阻为50.6 m?,降低了17.4 m?,且电池具有优异的倍率和加工性能。采用球形LiFePO4改善电池内阻可行性高。采用石墨烯包覆LiFePO4材料制备成全电池,对电池内阻和电化学性能进行测试,研究石墨烯包覆对LiFePO4电池内阻特性影响。结果表明,石墨烯包覆LiFePO4电池内阻较低,锂离子扩散阻抗得到极大改善,倍率性能良好。石墨烯包覆增强了LiFePO4结构的稳定性,其电池表现出极好的循环性能。研究了导电剂对LiFePO4电池内阻特性影响。结果表明,随导电剂含量增加,LiFePO4电池内阻和电荷转移阻抗逐渐降低,电池倍率性能逐渐增强,Super-P含量为3%时,电池10 C倍率下的放电容量保持率能够达到70.7%。但导电剂含量越多,浆料分散性越差,对制浆环境要求越高,加工性能越差。研究了黏结剂对LiFePO4电池内阻特性影响。对电池放电容量和安全性能进行分析,综合考虑工艺改进的可行性。结果表明,黏结剂对电池内阻影响显著。黏结剂通过影响LiFePO4电池极片电阻率、压实密度和电荷转移阻抗来影响电池内阻。水系黏结剂具有环保、低成本的优势,但水系黏结剂体系极片难以干燥完全,残留水分与电解液发生副反应,导致电池容量降低。水分电解,引发电池胀气,安全性能下降。

关键词： 磷酸铁锂   钒掺杂   碳包覆   电化学   锂离子电池  

摘要： 随着新能源汽车产业的快速发展和我国政策的扶持,磷酸铁锂（LiFeP04）作为一种重要的动力电池正极材料,由于其较高的安全性、结构稳定性、良好的循环性能和无毒廉价等优点引起了广泛的关注。但由于LiFePO4具有较低的电子导电率与锂离子扩散速度,其不适于大电流放电,限制了材料的发展,因此对磷酸铁锂的改性研究起到重要作用。本文主要通过水热法制备LiFePO4正极材料,并系统的研究钒元素掺杂,其掺杂量、反应温度、反应时间、添加不同表面活性剂和碳包覆等因素对材料组成、相结构、形貌以及电化学性能的影响。并通过固相法制备磷酸铁锂材料,系统的研究了热处理前后球磨和碳包覆对材料组成、相结构、形貌以及电化学性能的影响。本文采用水热法制备钒元素掺杂磷酸铁锂材料。研究发现,在制备LiVxFe1-xPO4时,当x=0.1时,在180℃反应24h能得到纯相的磷酸铁锂正极材料。对其添加不同表面活性剂发现,加入阳离子表面活性剂CTAB得到的LiFePO4材料的粒径（400～800nm）最小,且具有良好的电化学性能。最终我们对钒元素掺杂的磷酸铁锂材料进行碳包覆,材料具有最佳的电化学性能,0.1C时的放电比容量为104.8mAh/g。本文采用固相法合成过程中,以草酸亚铁为铁源,碳酸锂为锂源,葡萄糖为碳源（相对产物质量为20mass%）和磷酸二氢铵混合,经700℃烧结10h制备的LiFePOO4/C样品,XRD研究结果表明,所有合成样品的主要晶相均为橄榄石结构的LiFePO4。对样品反应前后球磨,从而减小磷酸铁锂的颗粒尺寸和增加其紧密接触度。同时,二次球磨的机械活化过程还允许原位形成碳层的磷酸铁锂粒子作为有机/聚合物复合过程中的碳源。通过球磨后磷酸铁锂材料的放电比容量可稳定维持在 112.1mAh/g（0.1C）左右。

关键词： 氮掺杂   纳米碳   磷酸铁锂   正极材料   电化学性能  

摘要： 随着现代化科技的快速发展,能源与环境问题日益突出,对新能源的开发及利用提出了更高的要求。锂离子电池以其工作电压高、自放电小、无记忆效应、环保等优点,成为最有前途的能量存储系统。橄榄石型的磷酸铁锂（LiFePO4）作为最具发展前景的一种锂离子电池正极材料,具有比容量高、价格低廉、循环寿命长、安全性能好和对环境无污染等优点。然而,较低的电子电导率和锂离子扩散系数导致了磷酸铁锂的电化学性能较差,限制了其在高倍率动力型锂离子电池中的广泛应用。因此,如何提高LiFePO4的导电率和锂离子扩散系数成为了研究的热点。碳纳米管和石墨烯等纳米碳具有奇特的性质,是一类优良的导电添加剂,而氮掺杂的纳米碳可进一步提高其物化性能。为改善LiFePO4的性能,本文采用冷冻干燥法合成氮掺杂碳纳米管-LiFePO4多孔复合材料,通过两步水热法制备氮掺杂碳纳米管-LiFePO4球形复合材料,并采用溶剂热法合成氮掺杂石墨烯气凝胶-LiFePO4复合材料。采用X射线衍射、扫描电镜、透射电镜、X射线光电子能谱、氮吸附和热重等表征手段对所合成材料的形貌结构进行分析,并进一步通过恒流充放电、循环伏安、交流阻抗等测试方法对复合材料的电化学性能进行研究。主要的内容和结论如下:（1）冷冻干燥法合成的氮掺杂碳纳米管-LiFePO4多孔复合材料呈现三维多孔结构。材料内部纵横交错的氮掺杂碳纳米管和孔洞可以分别为电子和锂离子提供快速传输的通道,从而提高锂离子的脱出/嵌入动力学。因此,复合材料表现出优异的放电比容量、倍率性能和循环性能。（2）两步水热法合成的氮掺杂碳纳米管-LiFePO4球形复合材料具有较高的振实密度,氮掺杂碳纳米管在微球内部构成的三维导电网络不仅提高了LiFePO4的电子电导率,而且还增加了锂离子和电子的扩散通道,缩短了锂离子的扩散距离,并进一步提高了材料的利用率。LiFePO4/N-CNTs在0.1 C和1 C放电比容量分别为153和140 m Ah g-1,而且1 C循环500次后的容量保持率为97.6%。（3）溶剂热法合成的氮掺杂石墨烯气凝胶-LiFePO4复合材料具有良好的电子电导性、高孔隙率和大比表面积,独特的结构可以为电子和离子提供三维的传输通道。通过对石墨烯基体进行氮掺杂,进一步提升电子的电导性以及电解液的润湿性,从而提高电荷转移率和锂离子扩散速率。因此,该材料具有良好的循环性能和倍率性能。

关键词： LiFePO4   改性研究   溶剂热法   柔性电极  

摘要： 锂离子电池(Lithium-ion batteries,LIBs)系统作为当前最有前途的储能系统之一,是能源互联网、智能电网和新能源车载动力储能设备中的关键组成部分。磷酸铁锂(LiFePO4,LFP)因具有安全性出色、理论比容量高、循环性能优异等优点,成为锂离子电池界的热点正极材料。然而LiFePO4因自身低电子电导率和低锂离子扩散系数限制了其进一步应用。针对其实际应用中的问题,本论文结合颗粒形貌优化和材料表面修饰等手段对LiFePO4材料进行改性研究。主要研究内容如下:通过两步溶剂热法制备中空LiFePO4微球材料,在此基础上通过单因素法优化实验条件,研究不同实验参数对合成LiFePO4材料的影响规律,得到优化的中空LiFePO4微球合成的参数条件:合成时间4 h、反应溶剂为乙二醇、温度为180?C、pH值为7。经过参数优化制备的材料为纯相橄榄石型LiFePO4结构,同时具有空心结构的球体形貌。该三维结构能缩短体相中电子传输和Li+扩散距离,所得材料在0.1 C倍率下首次充放电比容量分别为145.3 mA·h/g和143.2 mA·h/g,在0.5 C、1 C、2 C和5 C下的放电比容量分别为130.4、117.5、101.3和82.7 mA·h/g,同时在0.1 C循环100次后容量损失低于5%。采用碳纳米卷(CNS)和抗坏血酸(Vc)两种材料对LiFePO4中空微球材料进行碳包覆改性,分别制备LFP/CNS和LFP/C复合材料,两者均保持LiFePO4中空微球的微观结构,并在球体表面实现均匀的碳包覆。LFP/CNS和LFP/C材料在0.1C下首次放电比容量达到160.3 mA·h/g和156.3 mA·h/g,两者在较高的不同倍率下循环60次后的容量保持率分别为94.5%和92.8%。碳包覆提高了材料的电子电导率,其电化学性能较纯相LiFePO4中空微球有很大提升。此外,LFP/CNS中形成了颗粒间导电网络,使材料整体性能进一步提升。利用原纤化纳米纤维素(NFC)良好的力学性能以及石墨烯极高的电子电导率,使用真空抽滤法以NFC、石墨烯与LiFePO4为前驱物制备出自支撑的柔性复合电极。柔性复合电极具有良好的力学柔性和弯折可靠性,其中的NFC和石墨烯形成三维导电框架,为LiFePO4提供高速的电子传导通道,进而减小电极在充放电过程中的极化现象,使柔性LiFePO4/石墨烯/NFC复合电极的电化学性能得到明显增强,在0.1 C下首次放电比容量为150.6 mA·h/g,在高倍率下循环60次后,容量保持率为95%。