关键词： 磷酸铁锂电池   使用特性   管理   通信应用  

摘要： 随着通讯设备的小型化和分散化发展及其长期在高温环境下使用的情况,要求通讯后备电池具有体积小、比能量高且耐高温等特点,因此锂离子电池替代铅酸电池的前景被看好。然而,锂离子电池的安全性差,需要进一步研究其安全性和电池组的管理系统。本文针对安全性较好的磷酸铁锂电池,结合本企业生产的通信后备磷酸铁锂电池,采用针刺、过充、短路、热冲击、挤压等方法进行了安全性测试,并研究了电池和电池组的循环性能、一致性和高低温性能,设计电池组的均衡限流管理系统。安全性测试表明,磷酸铁锂电池均能通过针刺、过充、短路、热冲击、挤压等各种严苛测试,不起火,不爆炸;在温度特性上,通过宽温度范围的放电测试表明,磷酸铁锂电池能够在-40℃至60℃范围内放电,25℃100%DOD(Depth of Discharge)循环寿命达到2100次以上,能够满足通讯后备电源使用要求。但是,电池经过45℃高温放置14天后一致性变差,内阻分散、自放电率差异大,需要进行均衡管理。针对通信后备用锂离子电池组的场景特点,建立了分充均衡模型,所设计的管理系统具有充电限流和分充均衡功能,通过软件逻辑控制,保证每个电池组在浮充情况下,将电池组每串电池充满电,达到电池组最理想放电容量。利用所设计的控制电路组装了15只10Ah磷酸铁锂串联电池组,1000次循环测试结果显示,分充均衡与传统旁路电阻均衡方式相比,电池组的剩余容量高出10.7%,表明设计的分充均衡管理系统能够提高电池组浮充使用的寿命。充电限流功能能够限制充电电流,在有损电池的充电电流情况下,可以将电池限制在设置值,保证电池可以适用于通信不同电源功率的场景,并可支持电池组并联扩容。

关键词： 磷酸铁锂电池   等效电路模型   SOC估算   LPV理论  

摘要： 动力电池作为电动汽车的能量源,其荷电状态(State of Charge,SOC)的估算不仅是电池管理系统(BMS)中的重要功能,而且SOC值是电动汽车整车性能的一个重要参数。对动力电池SOC的准确估算可以提高电池使用性能、减少维护成本,同时SOC值也是整车能量分配的重要参考,更可为驾驶员的安全驾驶提供保障。本文研究对象是磷酸铁锂电池,从电池特性试验、等效电路模型、SOC估算方法等方面进行了研究,主要完成了如下工作:⑴从磷酸铁锂电池的工作原理着手,结合大量的电池特性试验,探究了锂离子电池的充放电特性、开路电压特性、内阻特性、效率特性和电压迟滞特性。综合考虑库伦效率、温度及自放电对电池SOC的影响,提出SOC修正系数修正SOC定义公式。⑵建立了带有迟滞电压模块的二阶RC等效电路模型,利用最小二乘法和设计的辨识试验方案,拟合得到电池模型的参数,试验值与仿真值最大误差占电池额定电压0.47%,满足试验要求,验证了该模型具有较高的精度。⑶基于卡尔曼滤波算法,结合LPV(Linear Parameter Varying)系统理论,设计LPVKalman滤波法估算锂电池SOC。在MATLAB/Simulink中建立了混合动力汽车整车模型和电池SOC算法模型,在NEDC工况下的仿真结果表明,电池SOC变化区间为0.95.35之间,符合整车控制策略设定,验证了本课题提出的基于LPV-Kalman滤波的SOC算法有效可行。

关键词： 光储式电动汽车充电站   磷酸铁锂电池   飞轮   双向变换器   协调控制   下垂控制  

摘要： 随着世界工业的飞速发展,社会经济、环境与能源三者间的矛盾显得日益突出,成为影响人类社会可持续发展的主要因素。光伏发电和电动汽车的可再生特点优势和环境经济效益明显,未来随着储能技术的进步、电网智能水平以及电动汽车保有量的大幅提高,研究建设新型(光储式)电动汽车充电站是具有重要意义。本文主要针对新型光储式电动汽车充电站进行结构设计和仿真分析研究,包括充电站的基本构建、DC/DC和AC/DC变换器的结构与控制、充电站的设计及其协调控制和改进下垂控制。具体研究内容如下:首先,介绍了光伏发电系统、磷酸铁锂电池和飞轮储能系统,对它们的数学原理进行了分析,并分别进行了仿真建模。其中:光伏电池MPPT采用扰动观察法控制;磷酸铁锂电池基于Thevenin和指数曲线机理两种建模方式进行了对比分析;飞轮控制设置自由储放功率和空闲储备充放电两种运行模式,均能实现预期效果。其次,介绍了DC/DC和AC/DC变换器的拓扑结构、数学模型和控制策略。对于DC/DC,结合蓄电池的充放电策略,设计阶段式恒流充电控制和限流放电控制;设计CVC稳压控制策略,实现对光伏变换输出电压的稳定控制。对于AC/DC,对其工作于逆变器模式的PQ控制、U/f控制和Droop控制共3种控制策略进行了阐述,并进行仿真实现。然后,设计了本文光储式电动汽车充电站的基本结构,介绍了系统各部分的作用。提出了以飞轮和蓄电池混合储能作为系统的储能形式,在储能作为母线电压支撑时,飞轮平滑高频功率波动和部分低频功率,蓄电池平衡基准功率并维持母线电压平滑稳定。设计了基于5层的直流母线电压分层协调控制,实现充电站优化运行,又介绍了充电站中央控制结构。搭建了充电站仿真系统,在不同工况下进行了仿真验证。最后,针对光储式电动汽车充电站以DG形式接入微电网的情况,提出了一种基于SOC的改进型功率耦合下垂控制,在系统孤岛运行时,能根据充电站储能系统SOC的变化,改善充电站与其他DG之间的功率分配;在微电网并网/孤岛双模式切换时,结合相应的PQ并网输出功率的改变和预同步控制,来实现双模式切换的平滑过渡。在逆变器的双环控制中,电压外环采用准PR控制,电流内环采用比例P控制,实现对参考信号的快速跟踪和无差控制。并进行了仿真对比。

关键词： 锂离子电池   正极材料   磷酸铁锂   碳热还原法   溶胶-凝胶法  

摘要： 橄榄石型的磷酸铁锂(LiFeP04)具有电压高、比能量大、寿命长、自放电小、资源丰富、对环境友好、价格便宜和安全性能好等优点,被认为是非常具有发展前景的锂离子电池正极材料。本论文首先详细介绍了锂离子电池发展现状、锂电池正极材料研究进展,然后进行磷酸铁锂的合成工艺优化研究、以达到改善其性能和提高其实用价值的目的。本文首先以碳热还原法、溶胶-凝胶法来合成LiFePO4,采用TG-DTA、XRD和SEM等测试方法进行表征、并用蓝电测试系统进行电化学性能测试,探讨两种方法中最优的合成条件。碳热还原法合成LiFePO4主要研究内容如下:研究高温煅烧温度对LiFePO4性能的影响。以Li2CO3、FeC2O4·2H2O和NH4H2PO4为原料、加入15%的PVA,在450℃下烧结前驱体后,分别在550℃/600℃/650℃/700℃下进行烧结。实验结果表明:在600℃下得到的LiFePO4电化学性能最佳。研究热解碳结构对LiFePO4性能的影响。以Li2CO3、FeC2O4·2H20和NH4H2PO4为原料、分别加入15%的淀粉/蔗糖/柠檬酸/PVA,在450℃下烧结前驱体后,在600℃下进行烧结。实验结果表明:加入PVA制得的LiFeP04电化学性能最佳。研究掺入碳源含量对LiFeP04性能的影响。以Li2CO3、FeC2O4·2H2O和NH4H2PO4为原料,分别加入15%/20%/25%的PVA,在450℃下烧结前驱体后,在600℃下进行烧结。实验结果表明:加入20%PVA的LiFePO4电化学性能最佳。研究高温烧结时间对LiFePO4性能的影响。以Li2CO3、FeC2O4·2H20和NH4H2PO4为原料、加入20%的PVA,在450℃下烧结前驱体后,分别在600℃下进行烧结5小时/7小时/9小时。实验结果表明:高温烧结7小时后得到的LiFePO4电化学性能最佳。通过实验得出最佳的实验条件是以Li2CO3:FeC2O4· 2H2O:NH4H2PO4(0.5:1:1)为原料,掺入20%的PVA、在600℃下煅烧7小时后得到的产物性能最佳,其首次放电容量为140 mAh.g-1。溶胶-凝胶法与碳热还原法相比产物的重现性好、能源消耗小,因此本实验创新性的将溶胶-凝胶法和碳热还原法结合,利用溶胶-凝胶法合成了产物的前驱体,之后掺入碳源进行高温煅烧。通过实验,得到了最佳的实验条件:研究预烧结温度对LiFePO4性能的影响。将等摩尔的FeC2O4·2H2O,NH4H2PO4,LiOH溶于(CH2OH)2中形成溶液,分别在90℃/110℃/130℃/150℃中反应,制得干凝胶后掺入PVA在高温下煅烧。实验结果表明:在110℃下制得的LiFePO4电化学性能最佳。研究煅烧时间对LiFePO4性能的影响。将等摩尔的FeC204·2H20:NH4H2PO4:LiOH溶于(CH2OH)2中形成溶液在110℃中反应,制得干凝胶后掺入PVA分别在高温下锻烧5 h/6 h/7 h/8 h。实验结果表明:煅烧7h制得的LiFePO4电化学性能最佳。研究碳源对LiFePO4性能的影响。将等摩尔的FeC2O4·2H20:NH4H2PO4:LiOH溶于(CH2OH)2中形成溶液在110℃中反应,制得干凝胶后分别掺入PVA/柠檬酸/淀粉在高温下锻烧。实验结果表明:在掺入PVA制得的LiFePO4电化学性能最佳。通过实验得出最佳的实验条件是以FeC2O4· 2H20:NH4H2PO4:LiOH(1:1:1)为原料溶于(CH2OH)2中形成溶液在110℃中反应,制得干凝胶后掺入PVA,在高温下煅烧7小时后得到的产物性能最佳,其首次放电容量为132 mAh·g-1。

关键词： 应急电源   磷酸铁锂电池   均衡   电池管理系统  

摘要： 社会的信息化和现代化正在飞速的发展,人们生活水平有了改善,用户对供电可靠性要求越来越高。应用在某些大型会场、建筑场所和政府机构等的供电系统一旦突然发生故障而不能正常供电,会造成重大的政治和经济损失。为了保障重点负荷不间断供电,维持正常稳定的社会和生活秩序,开展适用于重点负荷的移动式应急电源技术研究非常必要。随着现代电力电子技术的高速发展,应急电源技术水平有了很大的提高,保证了供电系统的安全性和可靠性。本文基于STM32F103嵌入式处理器设计了应急电源系统。首先分析了磷酸铁锂电池的化学反应机理和充放电特性,并结合实际应用,构建了一阶电池模型。其次剖析了几种常用的电池组均衡电路及其工作原理,通过对比其优缺点,选用了电感式无损均衡电路结构。然后利用matlab/simulink仿真软件对磷酸铁锂电池充放电过程、五段式充电模式、均衡控制过程、双电源快速切换等进行了建模与仿真。接着设计了应急电源系统和电池管理系统的总体结构,所设计的电池管理系统主要包括主控模块、电源供电模块、电压采集模块、电流采集模块、温度采集模块、均衡模块、双电源快速切换模块、充放电控制模块等。其中,采集模块用来实时采集电池组中各节电池电压和温度以及流过整个电池组的电流大小；均衡模块是根据所采集的电压值判断出电压最高和电压最低的电池,并进行能量传递,达到电池电压一致；双电源快速切换开关模块用来在2ms内实现主副电源之间的切换,达到不间断供电的目的；充放电控制模块用来切换整个电池组充放电回路的开合。最后,对应急电源系统的各个模块进行了软件设计。经过系统建模仿真与样机实际测试,结果表明所设计的应急电源系统达到了预期目标和要求。

关键词： 风光互补系统   磷酸铁锂电池   充放电控制   均衡电路  

摘要： 随着社会经济的不断发展,环境问题越来越突出并受到人们的重视,新能源的发展利用已成为不可抵挡的趋势,而这其中太阳能跟风能是其中潜能最大、发展趋势最好的两种清洁能源。利用两种能源的互补特性而建立起来的分布式发电互补系统是一种经济合理的创新的供电方式。该供电系统不仅在解决环境问题方面能发挥积极作用,而且在偏远地区的能源供应问题上也能提供好的解决方案。由于太阳能和风能的随机性和间歇性,风光互补系统的稳定性是评价系统好坏的关键,所以一般引入蓄电池或其他储能环节。本文的研究对象即为系统中的蓄电池组储能环节。 首先,本文基于风光互补系统的发展情况及其具体特点,对比分析了常用蓄电池的性能,最终选择了磷酸铁锂电池作为储能环节的基本单元。结合锂离子电池的工作原理以及充放电特性,进一步选择了电池充放电拓扑并制定了控制策略,使电池组在风光互补系统功率波动较大时,能够维持系统的稳定,同时有效保证电池组的安全性,延长其使用寿命。 其次,针对蓄电池组充电过程中出现的不均衡现象,本文对比分析了非耗散电感均衡和单端反激变换器充电均衡方法,在Matlab/Simulink中分别建立了充电均衡仿真模型,通过对上述两种方法均衡效果的对比,最终得出单端反激变换器充电均衡方法在均衡速度及误差方面均比非耗散电感均衡有较大优势的结论。 最后,搭建了风光互补系统蓄电池充放电控制实验平台,在实验平台上实现了电池充放电控制实验,并在此基础上与一台20kVA双向变流器进行了蓄电池组联网实验调试。

关键词： 电池级   磷酸铁   微波结晶   界面强化结晶   磷酸铁锂   电化学性能  

摘要： 本文针对当下锂电池正极材料的研究热点,提出利用微波结晶法制备电池级磷酸铁的研究,同时研究了反应条件对磷酸铁形貌及电化学性能的影响。首先,采用微波气液混相反应结晶法制备出了电池级FePO4,并利用FT-IR、XRD、TGDSC、SEM以及粒度分析等手段表征产品的分子结构、晶体结构、形貌和粒度分布。研究了反应温度、反应时间、铁离子浓度、磷铁比和硝酸等工艺条件对产品产率和粒度的影响;探究了在较低pH值(0.1～0.3)下HNO3对磷酸铁微波结晶的影响,并对其结晶机理进行了初步推断;对不同条件下制备的产品以及以自制磷酸铁为前驱体制备出的磷酸铁锂进行电化学性能测试,分析影响电池性能的关键因素。其次,在微波结晶过程中,利用分散剂与沉淀剂的加入来改变产品粒径;通过使用不同的分散剂,改变分散剂浓度、沉淀剂浓度、铁离子浓度、磷铁比和加热功率等反应条件,分析产品粒径变化规律,并对最佳工艺条件下的产品进行电化学性能的测试与分析。实验结果表明:体系中由于HNO3的存在,微波加热后汽化、分解成的大量气相,在气液界面中强化并促使正磷酸铁的结晶,缩短了结晶时间,改变结晶产物形貌,晶粒外观更为规则,呈菱形结构;较高的酸度避免Fe3+的水解,提高正磷酸铁的纯度;循环伏安测试显示合成的磷酸铁具有对称的氧化还原峰,表明其可以可逆的脱嵌锂离子;但EIS测试显示电池内阻过大,导致首次放电比容量过低,原因在于产品粒度大造成Li+扩散通道长、扩散速率慢。以自制磷酸铁为前驱体合成了在0.1C下首次放电比容量为125.1mAh/g的性能良好的磷酸铁锂样品。以PEG为分散剂、尿素为沉淀剂时制备出最小产品粒径的最佳工艺条件如下:n(P)/n(Fe)=5,反应物浓度为c(PEG)=200g/L,c(Urea)=75g/L,c(Fe)=0.0833M在100℃、600W功率下反应2min。对制备出的产品进行电化学性能的分析,结果表明同不加分散剂和沉淀剂的产品相比其电化学性能有较大的提高,具有更高的放电比容量、良好的可逆性和较低的电池内阻。

关键词： 磷酸铁锂   溶胶-凝胶   掺杂改性   石墨烯   镁离子  

摘要： LiFePO4正极材料因其特有的橄榄石晶体结构而具备了能使锂离子嵌入和脱出的充放电能力,这是它能成为正极材料的理论基础,其原材料易得且价格便宜、有较高的工作电压、安全无毒、理论比容量大、绿色环保且热稳定性好,是已初步商业化应用和具有理想前景的锂离子电池正极材料。但是,同样因为LiFePO4自身的结构和组成的特点而使其本身电子电导率很低,且锂离子在晶体间扩散能力差。这些都限制了它的应用前景,有很多方法可以提高LiFePO4正极材料电化学性能,其中掺杂改性是的最常用且有效的途径。在本文中,首先综述了LiFePO4正极材料的发展和主要研究方向以及石墨烯作为导电材料的应用等。具体研究了石墨烯掺杂改性LiFePO4正极材料的掺杂量和不同掺杂阶段对其电化学性能的影响,在最优化的掺杂量和掺杂阶段下同时加入镁离子的影响等,并挑选了几种稀土金属元素中较便宜的金属离子进行掺杂的探索性实验。以进一步优化LiFePO4的电容量、循环与倍率性能等,促进锂离子电池的商业化发展,也为LiFePO4正极材料以及其他正积极材料的掺杂改性提供新的思路。主要研究结果和内容如下:采用溶胶-凝胶法合成了碳包覆的LiFePO4/C正极材料,并在其前驱体合成阶段分别加入了四种不同量的镧系稀土金属元素:氧化铥（Tm2O3）、氧化钐（Sm2O3）、氧化铈（CeO2）、氧化钆（Gd2O3）,对LiFePO4/C分别进行了质量百分比分别为1%、2%、3%、5%的掺杂实验,其中掺杂1%Gd3+、1%Ce4+和2%Ce4+会使LiFePO4/C的电化学性能提高,而掺杂1%Gd3+的效果最好,在0.1C下LiFePO4/C的比容量可达135.7mAh/g,10C下为85.5mAh/g,其50次充放电循环后任可保持93.3%的比容量,并具有较好的晶体结构和微观形貌。此外还在其不同合成的阶段分别加入了不同质量的石墨烯,通过XRD、SEM、Raman、振实密度仪和电池测试系统等对所制备的LiFePO4/C的结构、形貌、组成以及各种电化学性能进行了测试,结果表明:LiFePO4/C正极材料的比电容量随着石墨烯掺杂量的增加而增加,且在二次球磨前加入石墨烯的效果最好,但从经济实用、石墨烯的使用效率、振实密度这三个角度出发,2%石墨烯掺杂量的效果最好,其首次放电比容量为151.3mAh/g（0.1C）,在10C下为122.4mAh/g,在0.1C下50次充放电循环后其比容量只损失了2.13%,它的振实密度为1.17 g/cm3,单位体积容量为177.0 mAh/cm3。然而在二次球磨前加入5%石墨烯的LiFePO4/C正极材料其首次放电比容量为159.6 mAh/g,但在0.1C下50次充放电循环后,其比容量损失了6.23%,且单位体积容量仅为150.0mAh/cm3。基于对LiFePO4/C正极材料掺杂改性的优化机理不同,在最优化的条件下同时掺杂了已知对其电化学性能有较好改善的镁离子,在掺杂2%镁离子时,在0.1C下首次放电比容量为162.7mAh/g（理论容量的95.7%）,循环50次后其比容量损失了6.23%,其单位体积容量高达195.2mAh/cm3。

关键词： 磷酸铁锂电池   电池健康状态   内阻检测  

摘要： 随着能源及环境形势的日益严峻,电动汽车正得到越来越广泛的应用。但作为驱动电动汽车的主要能源,锂离子电池在大规模商用化方面仍面临一些技术挑战,比如提高车载使用寿命及一致性问题。本文正是以车载磷酸铁锂电池为研究对象,研究并设计基于内阻测试的锂电池健康状态估计系统,实现对锂电池的健康状态估计,为延长其使用寿命提供依据,主要研究工作如下:阐述了用于研究的磷酸铁锂电池的基本结构和工作原理,分析表征锂电池特性的基本参数和影响锂电池健康状态的内外因素。当前对电池健康状态的定义缺乏统一,本文列举和论证不同参数特点,提出较适合评价锂电池健康状态的指标--容量和内阻作为主要研究方向。研究了锂电池健康状态的估计方法,并着重分析内阻特性。选择合适的健康状态模型有利于理解内阻估计方法。所提出的内阻估计方法需要精确检测锂电池内阻,由此研究了两种内阻检测方法--直流放电法和交流阻抗法。根据内阻检测的基本原理和技术要求,完成锂电池内阻检测装置的总体方案设计,详细设计了主控制器和数据采集电路,包括主控制器中的继电器控制电路、硬件看门狗、存储设备进行详细设计和数据采集电路中的电池片选电路和交-直分离电路。搭建了锂电池内阻检测装置,测试了锂电池的各个特性参数。测试和分析结果表明:直流内阻能跟随锂电池健康状态变化,实现锂电池健康状态判断;绘制的直流内阻谱能够快速估计电池健康状态;基于内阻检测的SOH估计方法具有估计时间短、偶然因素小等优点。

关键词： 钴酸锂   磷酸铁锂   过放电   锂离子电池  

摘要： 钴酸锂电池具有良好的电化学性能和储能特性,成为一些便携电子设备的电源首选。对于钴酸锂电池存在的安全问题,已经有大量工作致力于为电池的过充电提供保护。另外,钴酸锂电池还存在过放电失效问题,目前普遍采用控制电路限制其过放电,但在某些场合不适用。因此,允许钴酸锂电池过放电,并防止其过放失效,是当前亟待解决的问题。本论文主要研究了过放电对钴酸锂电池和磷酸铁锂电池性能的影响及原因;首次提出在钴酸锂正极中添加适量的磷酸铁锂以改善钴酸锂电池的耐过放性能;研究了磷酸铁锂添加的方式及添加量对钴酸锂电池耐过放性能的影响。三电极体系研究表明,钴酸锂电池过放电到0 V时,负极电势上升到3.4 V(***+/Li),会发生铜箔溶解和活性物质脱落,导致电池失效;而磷酸铁锂电池过放电到0 V,负极不发生箔溶解和活性物质脱落。研究发现,采用钴酸锂正极和磷酸铁锂正极拼接方式与石墨负极组装的全电池,三次小电流过放电到0 V的容量保持率约95%,全电池的电化学性能得到了明显的改善;和膏过程中在钴酸锂正极浆料中添加12%的磷酸铁锂做成混合正极,并与石墨负极组装成全电池,一次过放电到0 V的容量保持率94%,三次过放后容量保持率只有70%,衰减比较严重;在商用钴酸锂极片上涂覆磷酸铁锂浆料,制备含有不同磷酸铁锂含量的混合正极极片,磷酸铁锂9.7%的效果比较好,三次过放电到0 V的容量保持率约95%,五次过放90%,表现出了较好的耐过放性能。电池过放电到0 V后搁置试验发现,拼接混合正极-石墨电池和涂覆混合正极-石墨电池,虽然在小电流过放电到0 V过程中没有铜箔氧化腐蚀发生,但是,电池在0 V的状态下搁置7周之后,电池基本失效。可见,0 V状态下搁置较长时间,电池的电化学性能衰减十分严重。在石墨负极敷适量的锂粉之后制备的电池,小电流过放电到0 V后较长时间的搁置,对电池的电化学性能影响较小。但是,负极锂粉量较多时,电池的电压不易放电至0 V,所以关于敷锂粉的量还需要进一步的实验和研究。