关键词： 微波溶剂法   水热法   磷酸铁锂   磷酸钴锂  

摘要： LiCoPO4作为正极材料,用于制备的电池理论放电比容量高达167mAh/g,放电平台接近4.8V,能量密度高达802Wh/Kg,被称为未来高压高容量电池领域最有发展前途的正极材料之一。但因该材料本身固有的锂离子扩散迁移运动困难和电子导电性能差,一般方法制备得到的LiCoPO4材料的电化学活性较低,制约了其在实际应用方面的进一步发展。本论文使用新颖的水热合成技术制备高能量密度x%LiFePO4/LiCoPO4正极材料。研究中,通过对合成过程中各项参数对获得材料物相和形貌的分析,改变合成过程中的关键控制手段,包括反应时间、反应温度、LiFePO4含量等手段,制备出一系列不同的x%LiFeP04/LiCoP04(x=0, 5,10,15)粉体。然后使用XRD、SEM等分析手段对这些x%LiFePO4/LiCoPO4样品进行分析表征,进一步优化合成LiCoPO4的制备工艺,对获得材料的电化学性能进行测试,最终获得了高能量密度x%LiFePO4/LiCoPO4正极材料。研究中发现,微波溶剂热法可以获得纳米尺寸磷酸铁锂晶种。合成磷酸铁锂晶种的最佳条件为反应温度140℃,反应时间1Omin。实验所得纯相的磷酸铁锂晶种,粒径分布曲线呈正态分布趋势,颗粒大小分布均匀,为30～80nm颗粒。在水热合成磷酸钴锂的过程中,不加入纳米LiFePO4,获得纯相磷酸钴锂的较适宜条件为220℃/12h; LiCoPO4的颗粒大小范围在0.2um～1.5um之间;电化学性能测试表明,0.1C下,磷酸钻锂的克容量为56.4mAh/g,能量密度为328.4Wh/Kg, 50次循环后容量保持率为44.6%。添加磷酸铁锂晶种,获得纯相磷酸钴锂的较适宜条件为180℃/8h。磷酸铁锂的加入降低了磷酸钴锂的合成温度,缩短了磷酸钴锂的合成时间,有利于纯相磷酸钴锂的合成。x%LiFeP04/LiCoP04(x=5,10, 15)的颗粒大小范围在0.7um～1um之间。电化学性能测试结果表明,含有10%磷酸铁锂的复合材料,具有最佳的电化学性能。其比容量为133.2mAh/g,50次循环后容量保持率82.7%,能量密度为628.4Wh/Kg。相比于一般方法制备的磷酸钴锂材料,能量密度提高了90%,比现有磷酸铁锂能量密度高出了19%,有望今后在动力电池领域得到广泛应用。

关键词： 磷酸铁锂电池   电池荷电状态   Thevenin等效电路模型   库伦效率   卡尔曼滤波算法  

摘要： 在科技日新月异的今天,越来越多设备将锂离子电池视为能量来源。电池荷电状态(SOC,state of charge)的估计在锂离子电池管理系统中扮演着日益重要的角色,同时其值也是最基本的一部分。准确的估计电池荷电状态不仅可以为设备提供可靠的信息,并且有助于汽车管理系统进行在线充放电和能量均衡的控制,所以对锂离子电池的SOC估计的研究至关重要。本文针对磷酸铁锂电池,利用安时积分法与卡尔曼滤波算法,对其预测SOC算法作深层的理论探究。预测SOC要清楚电池的基本工作原理,掌握其充放电特征,并考虑影响锂离子电池SOC估计的因素;然后针对磷酸铁锂电池的基本特征,通过对比各类电池的基本模型,构建Thevenin空间状态模型,并对其参数进行辨识;之后分析现有的几类电池SOC估计算法,本文提出一种创新的电池SOC的估计算法:在Thevenin等效电路模型基础上,加入库伦效率对SOC估计的影响,将改良的安时积分法和开路电压法相结合,利用扩展卡尔曼滤波算法(EKF,extended Kalman Filter algorithm)对磷酸铁锂电池进行预测。为了验证改进算法的优点和有效性,最后使用Matlab/Simulink模块做仿真实验。通过实验验证,本文提出的算法可以提高对SOC估计的精度;当初始SOC值与实际SOC值有很大误差时,该算法可以有效的修正。

关键词： 电池管理   建模仿真   均衡电路   均衡策略  

摘要： 随着汽车行业的发展,纯电动汽车以其污染少、噪声小、维护方便等优势逐渐成为当今汽车发展的主流方向,而磷酸铁锂电池由于其外特性表现出来的宽广的平台区逐渐成为电动汽车动力电池的不二选择。因此,电池间的不一致性成为了制约电动汽车发展的关键因素。本文针对大数量级磷酸铁锂电池的电量均衡问题进行了一系列建模仿真实验,设计了相应的均衡电路,并进行了多种均衡策略的对比研究。首先,本文进行了磷酸铁锂动力电池的性能测试实验,获取了电池的性能参数数据,在以此实验数据参数的基础上分别建立了磷酸铁锂电池的单体电池模型和整体电池组模型,创造性地通过虚拟电池的引入大大提高了整体运行的速度。并通过建立“144v电池组模型联合DC motor直流电机”实际仿真系统与“144v理想电压源联合DC motor直流电机”理论仿真系统进行仿真对比,从电机的电流、电压、力矩和转速四个方面的参数来进行衡量,实际仿真系统与理论仿真系统的最大误差不超过5%,从而验证了磷酸铁锂整体电池组模型的可靠性和精确性。其次,设计了一种基于相邻电池间的快速可靠的磷酸铁锂电池均衡电路,建立出相应的电路模型并通过simulink软件进行电路建模与仿真验证,再分三次实验:“多电池单向串联连接”、“多电池单向并联连接”以及“多电池串并联混合连接”三种连接形式分别对均衡电路进行验证,均衡效果均能达到实验要求。实验结果表明该均衡电路快速可靠,能够实现电池间电量双向均衡的目的且均衡电流大小可调,精度可控。再次,以设计好的均衡电路为研究对象,针对整体磷酸铁锂电池组模型采用多种均衡策略进行实验对比,包括“没有均衡功能”的均衡策略、“两两对比”的均衡策略、引入predict预测机制的均衡策略、加入中断功能的均衡策略等,分析了各个均衡策略的利弊并做出了改进。最终很好的实现了电池均衡的目的。最后,将设计好的均衡电路通过PCB软件分别画出对应的原理图和布线图,并且将其制作出来并完成焊接。通过硬件电路来对上文的建模仿真进行了实验,验证了磷酸铁锂电池模型的准确性和均衡电路的可靠性。

关键词： 磷酸铁锂蓄电池   荷电状态   试验设计   扩展卡尔曼滤波算法   多因素耦合  

摘要： 磷酸铁锂（LiFePO4）蓄电池具有体积小、使用寿命长、可进行大电流放电、免维护等优势,已广泛应用于电动车、通讯工具、储能系统等领域。目前LiFePO4电池作为纯电动汽车的动力来源,最常被使用在该类场合,而作为电动汽车的核心部件,动力电池的性能对整车性能产生重要影响。动力电池的荷电状态（State of Charge,SOC）是电动汽车的重要参数之一,反映了其剩余电量的多少。由于在电动汽车在行驶过程中电池的环境温度对电池的影响很大,进而影响到了电池SOC估计的精确度。因此,高效率地管理这些蓄电池,准确预估实际运行中的电池SOC,能更有效地进行电池和整车管理,对预测电动车的剩余行驶里程以及电池组的使用和维护有着重要的意义。论文首先介绍了LiFePO4电池在纯电动汽车中的应用背景,及其电化学原理和工作特性,分析了影响电池性能的多种因素。然后通过分析对比LiFePO4电池的常见的传统电池模型,选择本文使用的电池模型。针对LiFePO4电池的SOC估计受环境温度影响较大这一现象,通过分析比对,基于Nernst电化学方程提出了一种新型的电池建模方法,将实验数据应用于统计学方法试验设计（Design of Experiment,DOE）,通过测量较少的数据得到较为精确的电池内阻模型,模型中的其他参数能够用连续变化的温度、电池不同时刻SOC进行拟合,从而实现整个电池模型的实时估计。最后,介绍了扩展卡尔曼滤波（Extended Kalman Filter,EKF）算法,分析了基于改进后的Nernst电池模型的LiFePO4电池的状态空间方程,在实验室条件下进行不同温度、不同工况的充放电实验,并在MATLAB/Simulink模块里搭建了LiFePO4电池SOC估计的EKF模型进行实验数据的仿真分析,实现对LiFePO4电池SOC的动态估计,比较改进后的电池模型与传统电池模型在SOC估计时的误差大小,结果表明改进的Nernst电池模型可以获得较高的SOC估计精度。

关键词： 磷酸铁锂电池   液冷式   正交设计   模拟仿真   结构优化  

摘要： 随着汽车尾气排放污染的日益增加以及能源短缺的日益严重,新能源电动汽车产业的发展受到越来越多关注。电动汽车包括混合动力电动汽车和纯电动汽车。他们有一个共同的核心组件:动力电池组。动力电池组的性能和生命周期对整车的安全和性能至关重要。保持动力电池组在一个合理的温度范围内工作是保证电池性能的关键条件。因此,高效电池热管理系统通常是必不可少。本文以方型动力磷酸铁锂电池(50A·h)为研究对象,通过分析电池的组成以及工作原理,对单体磷酸铁锂电池的热特性进行分析,并建立单体电池的热模型,针对该电池设计了液冷式电池热管理系统,对该系统进行仿真分析,并利用正交试验设计对其进行了优化。本文以长沙市科技局重点项目[kh1601129]、新能源汽车协同创新综合服务平台[2016XK2008]和中国动力谷创新创业发展专项[ZJ/2016-006]为依托,结合已有的研究成果及传热基础理论,采用仿真模拟与实验结合的方法,论文的主要工作和创新点如下:(1)对电池在不同工况下的产热进行了数值模拟。计算得到不同放电倍率下的单体电池的产热情况以及电池单体的表面温度分布随时间变化的情况,分析了在不同换热工况下电池温度的变化,以及达到稳态的时间。并对电池在1C工况下进行实验研究,发现仿真与实验结果较为吻合,验证了模型设置的正确性。(2)设计了一种液冷式电池热管理系统结构,对冷却模型的传热进行了分析,对液冷式电池热管理系统结构进行了仿真分析,分析了不同冷却平板材料对散热的影响,仿真计算了不同电池产热工况下的冷却结构中冷却平板的温度场,以及不同环境温度下冷却平板的温度变化。(3)利用正交试验设计分析了影响该系统散热效果的4个参数:管道高度H、管道宽度L、管道数量M、冷却液流速V。结果表明:对于冷却平板平均温度,管道数量影响最为明显,冷却液流速次之,管道高度影响效应最小。对于冷却平板温差,管道数量和冷却液流速的影响效应相近,为主要影响因子,管道宽度和管道高度影响效应相近,为次要影响因子。通过对较优模型分析,结果表明环境温度对冷却系统的温差影响不大,而对冷却系统的温度区间影响较大。冷却液不同流向对冷却平板平均温度影响不大,而对冷却平板温差影响较为明显,冷却平板加入肋片结构明显增强了冷却平板的换热能力。

关键词： 磷酸铁锂电池   电池模型   极化电压   快速充电  

摘要： 本论文在国家自然科学基金(No.51675258,51261024,51075372)、江西省科技计划项目(No.20141BBE50021)和电池制造企业(鸥瑞智诺能源科技(天津)有限公司)资助下,针对常用充电方法充电时间相对较长,充电效率和电能利用率低,以及存在的极化现象,影响充电速度和电池使用寿命等问题展开研究,课题研究主要包括以下内容:1、研究了磷酸铁锂电池在充放电两种工作状态下的OCV-SOC曲线、不同倍率充放电特性、温度特性以及充放电循环寿命特性。由研究结果可知,充电与放电过程的电池开路电压存在差异,两者的OCV-SOC曲线并不是完全相同的,建模时,需要考虑两者对电池模型参数的影响;充放电初期和末期,电池开路电压变化较快,中期相对缓慢;充电倍率越大,电池端电压上升得越快,放电倍率越大,电池端电压下降得越快,同时充放电倍率越大,端电压变化率也越大,充放电过程电池充入和放出的容量越少;充电倍率越高,电池温度上升得越快,并且随着充电的进行热量呈现累积现象;磷酸铁锂电池使用寿命较长。2、实验分析充放电极化电压和内阻,发现充放电过程极化电压近似相同,而欧姆内阻却相差较大,同时还是一个动态值,基于此,对传统二阶RC电池模型存在的不足进行改进,改进的模型充分考虑了充放电倍率、充放电方式、温度与SOC状态对模型的影响。由二阶RC改进模型建立起极化电压关系式,并讨论了优化极化电压的方法。同时,还研究了极化电压SOC区间特性、充放电极化电压倍率特性、极化电压时间常数、充电方式对极化电压影响特性、极化电压温度特性与极化电压容量损失特性,研究结果可知,极化电压在SOC低值端和高值端变化较大,中端变化较平衡;充放电的电流按倍数增加时,极化电压并不会随之增加相应倍数,而是增加的倍数逐渐变小;同一SOC点浓差极化电压时间常数要比电化学极化电压时间常数大得多,前者需要更长时间来消除;极化电压具有滞后性和超调效应;极化电压越大,电池温度越高;充电过程中,容量损失随着极化电压的增大而增大。3、研究了停歇优化极化电压的SOC区间特性和倍率特性,通过实验分析发现,当停歇时间在某个值内时,停歇得到的极化降电压与SOC区间无关;停歇时间在某个范围值内,停歇得到的极化降电压与充电电流近似线性关系,基于此,建立起停歇时间、充电电流和极化降电压三者的关系。此外,由研究结果可知,停歇时间要选择合适,要既不影响充电的时间效率,又能够很好的降低极化电压。4、研究了放电脉冲优化极化电压的SOC区间特性和倍率特性,通过实验分析发现,当放电脉宽小于某个值时,放电脉冲得到的极化降电压与SOC区间无关;放电脉宽在某个范围值内,放电得到的极化降电压与充电电流并不呈现线性关系,而是出现不规律的现象,基于此,建立起放电脉冲幅值、脉宽和极化降电压三者的关系。此外,由研究结果可知,放电脉冲的幅值和脉宽要选择合适,既不影响充电的时间效率,又能够很好的降低极化电压。5、提出了基于优化极化电压磷酸铁锂电池快速充电方法的充电模式,即阶段升电流充电、优化极化电压大电流充电和新型阶段降电流充电三阶段充电模式。实验结果表明,阶段升电流充电可以很好的优化极化电压,比0.5C标准充电充入更多的容量,同时,让电池提前进入可以接受大电流充电阶段;优化极化电压大电流充电阶段,通过优化极化电压能效地减小极化电压,从而减小电池温升和电能损耗,同时充入更多容量;新型阶段降电流充电,优化极化电压的效果明显要比常规阶段降电流充电要好,同时减小充电对电池的损害,延长电池使用寿命。最后,将优化极化电压磷酸铁锂电池快速充电方法与标准充电、变电流间歇充电方法进行实验对比。实验对比表明,提出的充电方法明显优于标准充电、变电流间歇充电方法,提高了充电效率和电能利用率,充电时间大幅度减少,甚至高出几倍的效率,同时减少了充电对电池的损害。

关键词： 锂离子电池   磷酸铁锂   第一性原理   合成   改性  

摘要： 橄榄石型磷酸铁锂（LiFePO4）理论比容量高（170mAh/g）,充放电平台平稳,体积能量密度较大,安全,无毒价格便宜,是最具潜力的锂离子动力电池用正极材料之一。目前磷酸铁锂商业化还受到一些瓶颈技术的制约:LiFePO4材料本身较差的导电性和较低的锂离子扩散系数,使其倍率性较差,特别是在大电流密度下充放电比容量衰减厉害。基于上述问题,本研究从提高LiFePO4体相锂离子扩散系数和电导率入手,以理论计算为指导,通过掺杂、包覆、形貌控制等多种手段对LiFePO4进行改性研究,加快其商业化进程。本文首先从理论入手,用Materials studio软件,基于总能量平面波赝势方法的第一性原理,由广义梯度近似的密度泛函理论计算了LiFePO4的电子结构,并进行几何优化计算。建立Ru掺杂体系模型,对不同钌掺杂量的LiFePO4原子几何结构和电子结构进行了系统理论研究。计算结果表明掺杂Ru之后体系均保持了单一的橄榄石结构,Ru的掺杂会使LiFePO4晶胞参数a和b显著降低,晶胞参数c却有略微的增大,掺杂后样品的晶胞体积变小。更小的晶胞参数b使得锂离子在[010]晶面沿一维方向上移动的路径变短,Ru掺杂有利于提高锂离子在晶体内部的扩散能力。同时计算结果显示掺杂Ru会使得体系Fermi能升高,提高能量密度。态密度计算结果表明,LiFe1-xRuxPO4总态密度峰值显著增强,并随着掺杂量的增加而增强,特别是Fermi能级附近的峰强度增大明显。掺杂后峰普遍向左移动,总态密度均向低能方向移动,表明掺杂后能级减小,有利于LiFePO4导电性能增强。能带计算结果显示Ru掺杂后,带隙降低,能带整体下降,导带底向费米面移动,使得电子从价带跃迁到导带更加容易,从而提高了LiFePO4的电导率。在理论计算结果指导下,通过表面活性剂辅助溶胶-凝胶法形成前驱,碳热还原合成LiFePO4/C和Ru掺杂LiFe0.99Ru0.01PO4/C。表面活性剂月桂酸在形成胶体粒子阶段作为阻滞剂防止了微粒的团聚,降低了微粒的粒径,最终得到直径约为100nm,近似球形,相互堆积成一个松散的多孔网状结构LiFePO4材料。掺杂的Ru取代磷酸铁锂晶格中铁原子的位置,产生少量高电导率的Fe2P和Li3PO4,这将提高LiFePO4电导率。掺杂样品LiFe0.99Ru0.01PO4/C与LiFePO4/C相比有着更高的放电比容量和倍率性,0.1C下放电比容量达到162mAh/g。在高倍率10 C下LiFe0.99Ru0.01PO4/C仍然能够保持107 mAh/g的放电比容量,且放电平台仍能保持在3.0 V以上。阻抗测试（EIS）数据显示,相比于未掺杂LiFePO4/C,LiFe0.99Ru0.01PO4/C有着更小的界面反应电阻（Rct）,同时锂离子扩散系数提高到7.152×10-12 cm2/s,是未掺杂样品的2.38倍。以上结果表明,磷酸铁锂体相中锂离子脱/嵌动力学特性可通过Ru的掺杂来提升,从而达到改善材料倍率性的目标。再次,通过软模板法合成特殊形貌LiFePO4晶体,提高材料大电流密度下的充放电性能。表面活性剂辅助溶剂热法一步合成LiFePO4粉体材料,考察表面活性剂的用量对LiFePO4微粒的形貌的影响。SEM结果显示当前驱溶液中表面活性剂SDS的浓度为0.025 g/L时,合成出的LiFePO4样品为规则的纳米棒状结构,纳米棒长约400-500 nm,直径约为150 nm,整个样品结晶度好,表面光滑,分散均匀,团聚较小。LiFePO4纳米棒晶体结构中有着更短的b轴,这将有利于锂离子在[010]晶面沿一维方向移动。LiFePO4纳米棒在0.1 C、0.5 C、1 C、2 C和5 C倍率下,放电比容量分别为151、135、121、106和95 mAh/g,充放电循环20次后,容量保持率仍高于98%。LiFePO4纳米棒的倍率性与循环稳定性均高于无规则形貌的LiFePO4。EIS结果表明,LiFePO4纳米棒界面反应电阻（Rct）降低,锂离子扩散系数提高。最后,采用导电聚合物聚吡咯（PPy）对溶剂热合成出的LiFePO4纳米棒进行原位包覆。与未包覆样品相比,当包覆量为2.95%时LiFePO4/PPy正极材料有着最优异的电化学性能:0.1 C、1 C、和5 C倍率下,放电比容量分别为153、138和118 mAh/g。导电聚合物表面包覆改性是提高磷酸铁锂微粒表面电导率的有效途径之一,包覆后的材料展现出更好的倍率性与稳定性。

关键词： 电动汽车   充电电源   磷酸铁锂电池   正负脉冲充电   全桥逆变结构  

摘要： 电动汽车近年来越来越受人们的关注，电动汽车充电桩也迅速发展。围绕充电桩充电电源模块展开研究，确定研究方向为直流快速充电的实现。充电方式的选取对快速充电的实现起到至关重要的作用。综合比较各类充电方式，确定选用基于正负脉冲充电方式的改进三段式充电方式，即用正负脉冲充电方式取代传统的恒压充电部分。通过对市场上各类动力电池的研究，选用磷酸铁锂电池作为充电对象。　　设计包括硬件和软件两部分。样机硬件电路设计包括主电路设计，控制板电路设计，驱动、RC缓冲电路、采样电路等辅助电路设计。主电路基本结构为“交-直-交-直”，采用移相控制的全桥逆变结构和带有能量回馈的半桥DC/DC充放电回路。控制板自制，芯片采用瑞萨RX62T系列MCU。控制板电路设计包括芯片外围电路以及PCB设计。　　充电主电路、采样电路、控制板构成闭环控制系统。芯片控制方式由改进的三段式充电策略决定。电池在充电过程中端电压和充电电流不断变化。通过对充电电压、充电电流的实时监测，即可大概判断电池当前充电阶段，从而选择合适的充电程序。当电池端电压达到某一高值或充电电流低于某一低值即认为充满，从而停止充电。　　在大量设计基础上，先仿真后搭建样机一台。对电池进行了大量充放电测试，根据实测出现的问题对电路、控制程序作出改进。实验结果表明改进的三段式充电方式充电速度比传统三段式充电方式快。

关键词： 酚醛保温材料   锂离子电池   锂离子二次电池   锂电池   导热聚合物   正极材料   沸石分子筛   热塑性聚合物   磷酸铁锂   磷酸钒锂   填充型  

摘要： 本征型导热热塑性聚合物研发前景广阔导热聚合物具有优秀的综合性能,广泛应用于电气、电子、汽车、LED照明、化工换热器、航天航空、太阳能等许多工业领域。导热聚合物分为填充型和本征型两大类。填充型导热聚合物是在聚合物中加入高热导率无机粒子制得,是目前工业化的主要制法,其优点是工艺简便,成本低;其缺点是降低了聚合物的韧性、力学强度和加工性能。本征型导热热塑性聚合物是在加工过程中通过改变聚合物单体分子、链节及分子链结构

关键词： 应急电源   磷酸铁锂电池   不间断供电   集成设计与应用  

摘要： 近年来,配电网得到了快速发展,其供电可靠性引起电网公司的高度重视,特别是在重大保供电活动中,各供电部门以确保活动期间不停电的最高目标,全力做好电力供应,维护社会稳定与正常活动秩序。尤其在政府机构、医院等重要场所对供电要求很高,因此针对重要负荷进行应急电源技术的研究是非常有必要。电力电子器件快速的响应速度为应急电源系统的快速响应能力提供了技术支撑。本文对基于磷酸铁锂电池的智能化储能式应急电源关键技术进行理论分析和系统集成研究。首先对磷酸铁锂电池在应急电源系统中的应用进行了可行性分析,从电池性能、投资效益、智能化耦合等角度进行了探讨;其次剖析了提升磷酸铁锂电池的运行寿命的关键技术,主要从充电模式以及电池均衡能力两个方面进行研究,依据电池特性选用五段式充电模式,提出了主动式均衡控制策略并设计了均衡电路;随后对磷酸铁锂电池应急电源放电性能以及快速切换开关响应等不间断技术进行研究,通过增加功率保护单元以及采样点判据来提升不间断响应能力;然后提出移动式智能化的应急电源集成设计方案,并通过集成技术实现智能应急电源的车载实用化;最后对应急电源系统进行了工作模式切换、瞬时响应能力以及充电模式等关键技术的验证测试,测试结果表明所设计的电源系统达到预期的要求。