关键词： 磷酸铁锂电池   荷电状态   拓展卡尔曼滤波   神经网络   电池管理系统  

摘要： 近年来,随着世界经济的蓬勃发展,电动汽车已成为汽车行业新兴的研究对象。加之全球能源危机和环境问题,电动汽车的发展规模和影响力正在逐渐赶超传统燃油汽车。磷酸铁锂动力电池作为现在主流的电动汽车配给电源,其优点毋庸置疑。其中安全可靠的电池管理系统是关键,它的主要功能是对车载动力电池进行监控并对荷电状态(State Of Charge,SOC)进行估计。这样不仅可以科学管理电池的工作状态,延长电池的使用寿命,而且还能提供准确的电池状态的基本信息,驾驶员可以依据此信息合理规划行程和充电时间。所以,建立可靠的电池管系统和准确的SOC估计算法对进一步提高电动汽车的整车性能有着至关重要的意义。本文以磷酸铁锂动力电池作为主要研究对象,依据其电池结构图,详细地介绍了其工作原理和特性。并在电池充放电实验的基础上,建立了戴维南电池等效电路模型,对其动态参数进行辨识,最后以脉冲放电方式验证了电池模型的准确性。对电池SOC估计算法进行了研究,介绍几种传统估计算法的工作原理和优缺点,详细地分析了拓展卡尔曼滤波法(Extend Kalman Filtering,EKF)的工作性能并应用于电池SOC估计中。在此基础上,为进一步减小EKF算法的估计误差,本文引进BP(Back-Propagation)人工神经网络对EKF算法的估计结果进行优化和补偿。搭建了基于改进BP-EKF算法的电池SOC估计仿真模型,在多种工况下对BP-EKF算法和EKF算法的估计准确性做了对比验证仿真。设计了电池管理系统(Battery Management System,BMS)平台并给出其拓扑结构图,以DSP(TMS320LF2407)为主控芯片完成了对BMS硬件平台的搭建。针对BMS平台的硬件组成和主要功能,设计了SOC估计功能软件程序和工作流程,最终实现了在实验平台上对电池SOC的准确估计。实验结果表明,采用改进算法可以大大提高估计精度,这不仅体现了实验平台的运行可靠性,也验证了改进算法的正确性和有效性。

关键词： 水热法   LiFePO4   制浆   电解液酸度   LFP/C全电池  

摘要： 目前商业化的磷酸铁锂（LFP）正极材料可由固相法和水热法制备。水热法LFP产品因其具有纯度高、晶体择向生长、颗粒细小均匀等特点成为高端产品。目前国内尚无水热法LFP产品供应。作为电极材料,需满足电化学性能和加工应用性能等多方面的要求。不同方法或工艺所得样品的理化指标不尽相同,这导致了材料在应用性能上的差异。本课题组已对水热法合成磷酸铁锂工艺进行了基础研究,尚需对样品的应用性能进行详细研究。探索了LFP/C的制浆性能。通过改变导电剂的含量和不同导电剂组合,考察浆料的固含量、表面电阻和面密度,得到最佳制浆配方。当Li FePO4:PVDF:Super-P:KS-6=93.5:3.5:2:1时,浆料的稳定性和分散性能最好,涂覆出的极片的一致性最好。考察了水热法LFP对电解液酸度的敏感性并与固相法LFP进行了对比。将电解液放置于空气中10-30分钟以改变其中的水分和酸度。无论水热法或固相法的LFP,随电解液中酸度和水分的增加,电池的充电电压平台均有0.02-0.05V升高,但首次容量、倍率性能和循环性能在电解液酸度为59.2 ppm时出现最佳值。电解液酸度升至110.6 ppm时,两种材料的倍率性能均有所下降,相对于固相法LFP,水热法LFP对电解液中酸度更为敏感。考察了压实密度为2.15、2.25和2.30 g·cm-3时,水热法LFP材料的容量发挥。压实密度为2.25 g·cm-3时,电池放电容量最高,放电电压平台平滑,且平台较高。用26650型全电池对水热法LFP进行了测试,并与德国南方化学水热法产品（P2）、台湾长园固相法产品的电化学性能进行了对比。水热法的产品放电比容量分别为144.2（P2）、142.0 mAh·g-1（本实验室）,高于固相法产品128.0 mAh·g-1的比容量。本实验水热合成的磷酸铁锂电池的倍率性能最好,其0.5 C、1 C、3 C和5 C的容量保持率分别为98.78%、97.25%、96.94%和96.64%,本实验室样品在高温存储后,其容量保持率和容量恢复率分别为96.23%和97.10%,内阻增长率较小,电压降为0.049V。在充放电100次循环后容量保持率仍为98.91%,500次后电池的容量保持率为97.61%,循环1000次后容量保持率也有93.97%。

关键词： 电池不一致性   加权反馈模型   QPSO-BP网络   加权反馈自适应融合算法   基于单体SOC的均衡算法   基于自适应遗传算法的均衡控制  

摘要： 电动汽车具有低噪声、几乎零排放的优点,是解决能源、环境等问题的重要途径。动力蓄电池是电动汽车的重要组成部分,在很大程度上决定了电动汽车的性能。由于磷酸铁锂电池具有功率密度高、单体电压高等特性,在电动汽车应用中倍受青睐。单体电池在制造中不可避免地存在不一致性,电动汽车频繁且不规则的起步停车、加速爬坡及减速制动等工况切换造成了电池组的充放电方式、电流大小及历时长短的不确定性,导致了电池组内热环境的不均匀性,因而加剧了电池间不一致性,这对大容量串联电池组尤为明显。这种不一致性的加剧将致使单体电池寿命急速衰减,直至失效。要实现大容量磷酸铁锂电池的广泛应用,有效的电池均衡系统是改善电池组性能、延长电池组寿命的关键技术,也是电池管理系统研究的热点。本文的主要研究内容如下:1)针对当前耗散型均衡电路能耗大以及非耗散型均衡电路结构复杂、效率低的缺陷,结合磷酸铁锂串联电池系统的特点,提出兼有充电模式与放电模式的复合均衡电路,同时也对放电电阻与DC/DC转换器进行参数设计,为获得良好的均衡性能提供了可靠的硬件基础;2)采用Digatron多功能电池测试仪对磷酸铁锂电池进行恒流充放电特性、脉冲充放电特性、循环寿命特性、内阻特性、迟滞特性、开路电压特性及效率特性的实验研究,并建立相应的回归模型。通过上述各项特性的研究,获得磷酸铁锂电池各项特性的物理表现和数学表达及其演变规律,为电池荷电状态(SOC)的动态估算以及均衡控制算法的优化提供强大的数据基础;3)考虑到电压均衡易造成过度均衡,容量均衡不宜在线实施的缺陷,本文采用SOC均衡。针对目前电池SOC估算存在的适用性差、精度低的问题,结合对磷酸铁锂电池的电化学机理及其动态特性演变规律研究,提出基于加权反馈模型与动态修正模型的加权反馈自适应融合算法以实现电池动态SOC的估算。针对单一算法的局限性,采用遗传模糊控制算法对安时积分法与Thevenin等效电路模型进行加权反馈从而形成加权反馈模型;考虑到电池实时工况下电池温度、SOH、自放电因子、自恢复因子等参数对SOC的影响,建立基于QPSO-BP神经网络的动态修正模型以实现对加权反馈模型的修正。为了验证加权反馈自适应融合算法的有效性,对磷酸铁锂电池进行不同初始SOC、不同电池温度及不同老化条件下的试验验证,并获得较好的估算精度,为均衡控制提供了有效的评价指标;4)针对目前均衡算法存在的过度均衡、均衡能量损耗以及均衡时间浪费的问题,通过解决单体电池SOC估算中采样参数时间不一致性与噪声等难题,本文提出基于单体电池SOC的自适应遗传算法以实现均衡控制,同时对均值-差值均衡算法、模糊控制均衡算法进行比较研究。考虑到自适应遗传算法实时性差的缺陷,采用数据驱动参数辨识法实现算法的在线优化。为了验证自适应遗传算法对均衡控制的有效性,对磷酸铁锂电池组进行仿真及实验研究,研究结果表明自适应遗传算法在改善动力电池组一致性的基础上,能有效提高均衡能量效率与时间效率。

关键词： 磷酸铁锂动力电池组   SOC   能量管理   扩展卡尔曼滤波   自适应卡尔曼滤波  

摘要： 电动汽车的电池管理系统的需要准确了解当前电池组的荷电状态(State of charge, SOC).电池管理系统中的均衡系统以及安全管理系统,都需要使用SOC值判断电池状态以及进行控制策略的设计。而磷酸铁锂电池由于本身特性,其过放电会导致电池产生不可逆转的损伤,过充电会导致电池过热甚至爆炸,因而对电池管理系统提出了更多的要求。但如何准确测量工况下的磷酸铁锂电池的SOC仍然是世界性难题。论文从分析磷酸铁锂电池内部电化学反应开始,通过设置在不同SOC状态,不同电流工况下的充放电实验,测取电池模型SOC-OCV曲线,以及欧姆内阻,浓差阻抗等动态参数,建立出适合用于现代计算机所使用的二阶RC等效电池模型,为下一步SOC仿真提供建立模型。在二阶RC模型基础上,本文在实物设备中实现了扩展卡尔曼滤波SOC估计算法设计,证明该算法在SOC估计系统中的有效性,并分析其在不同工况下表现的差距,提出了目前所使用的经典扩展卡尔曼滤波算法的局限性与不足。针对复杂工况下磷酸铁锂动力电池组SOC估计不准确的问题,本文提出实物电池SOC估计误差主要来源之一是模型误差,特别是在复杂工况下,电池模型误差影响因素会进一步增加。因此本文提出并实现基于模型信息的噪声补偿扩展卡尔曼滤波算法,一种针对电池组工况特性下卡尔曼滤波方法,该算法基于电池组工况放电特性,提取其特征参数并进行模式分类,对扩展卡尔曼滤波模型进行不同的噪声模型数据补偿,实现优化估计。该算法可应用在系统测量噪声模型已知的SOC估计系统中,能有效避免由于多因素所引起的系统状态模型误差而导致的SOC估计发散或矫正性能差的问题。在实际电池系统中,测量噪声模型通常处于未知状态,同时也容易受到外界干扰而变化。此时噪声补偿扩展卡尔曼滤波算法难以收到良好结果。本文使用自适应滤波算法,使得滤波系统能够实现自动跟踪外界噪声模型的变化。同时针对单独的自适应滤波算法在存在SOC初值误差系统的表现较差的情况,结合多模型自适应滤波理念,实现了多模型自适应卡尔曼滤波算法。该算法具有更好的精度与收敛性能,能够适应更复杂的工况条件。

关键词： 电动汽车   磷酸铁锂电池   热特性   使用寿命  

摘要： 随着汽车交通工业的快速发展，能源短缺和环境污染日趋严重，电动汽车的应用越来越广泛。但是电动汽车的蓄电池在使用过程中会产生大量的热，影响电池的工作性能和使用寿命。　　本文针对泰汽电动车辆有限公司研制开发的TF-01新型熊猫电动汽车磷酸铁锂电池为研究对象，对其热特性进行仿真研究。利用Ansys软件建立了单体电池的热模型，在单体电池0.5C倍率，1C倍率，2C倍率，3C倍率，4C倍率下放电时的温度场进行了仿真分析，结论表明，在电动汽车正常工作条件下，单体电池热性能良好，满足使用要求。单体电池最大放电倍率为4C，单体电池在4C倍率放电时，电池内部温差超过10℃，且单体电池最高温度达到56℃，严重影响单体电池的安全性。　　本文建立了电池组的热模型，进行了流-热耦合模拟计算，对其温度场进行了仿真分析。研究结果表明，电池组在2C倍率放电时，其内部温差超过10℃，长时间使用，会影响电池组的工作性能与使用寿命。　　为了解决电池组在加速、爬坡等工况下由于放电倍率高而导致温差过大的问题，提出利用强制通风对电池箱进行散热，并对改进后的电池箱的热特性进行了仿真。仿真结果表明，强制通风后，可降低电池箱的最高温度与最低温度，减小电池箱内部的温差。在电池3C倍率放电时，电池箱的最高温度是302℃，电池箱的温差为10℃，满足电动汽车加速爬坡的要求。

关键词： 磷酸铁锂电池   均衡电路   峰值电流控制   反激式变换器  

摘要： 新能源技术的发展促使蓄电池在生产生活领域发挥着日益重要并有着不可替代的作用。以磷酸铁锂电池为代表的锂离子电池具有安全性、重量轻、寿命长、绿色环保等性能而成为新一代主要动力蓄电池。在高电压大容量应用场合,单体电池的串并联使用非常普遍,单体电池与电池组的关系犹如木桶效应,虽然电池组系统受很多因素影响,但其不均衡性是最重要的因素。针对磷酸铁锂高性能动力蓄电池,研究设计高效率、模块化及快速性的电池组均衡系统具有较大的实际应用价值。本文首先简述了锂离子电池分类,对不同正极材料锂离子电池特性做了对比分析,对磷酸铁锂电池结构与工作原理、放电特性、储能特性、开路特性做了深入分析；在分析了电池特性不一致问题的成因基础上提出了电池组均衡技术的必要性,对比分析了现有被动均衡技术与主动均衡技术及其电路的优势与不足。然后提出并设计了一种基于反激式变压器作为DC/DC转换器的快速无损电池组均衡电路,从高电压电池抽取电流返还回整个电池组,采用多环式分层结构与峰值电流控制策略显著提高均衡速度,缩短均衡时间。一方面,对设计的电池组快速均衡电路在PSIM环境下进行模型搭建,与传统结构的均衡电路进行了对比仿真分析,验证了快速均衡电路的可行性与高速性。另一方面,对设计的电池组快速均衡电路就不同充放电情况下的动态均衡及模拟实际情况下的均衡效率做了仿真分析。最后进行了电池组快速均衡系统的软硬件设计与实验测试。从均衡系统整体架构出发,对电压电流检测电路、缓冲电路、滤波电路、MOSFET驱动电路做了深入分析。基于STM32F103控制器完成了均衡系统软件设计。对四单体磷酸铁锂串联电池组均衡系统做了实验测试,结果表明实际工作情况与理论及仿真分析基本吻合,验证了系统设计的可行性。

关键词： MULTIPLE criteria decision making   NEW product development   LITHIUM-ion batteries   AIR pollution   COMPETITIVE advantage   STRUCTURAL models  

摘要： Recent years, since problems with respect to atmosphere pollution hasten countries to accentuate green-related policy regarding the sustainable energy, the lithium-iron phosphate (LiFePO4) battery has been appealed to the world. However, more and more firms invest the LiFePO4 batteries production that has launched a fierce competition. Successful new product development (NPD) processes have been considered the key for LiFePO4 battery firms to increase their competitive advantage. Firms must make correct decision faster due to the rapid development of technology and the decreasing product life cycle. This study proposes a hybrid multiple criteria decision making (MCDM) model based on the literature review and consultation with the experts, interpretive structural modeling (ISM), and fuzzy analytic network process (FANP) for evaluating various strategies for NPD. First of all, reviewing of literature and meeting with the experts are used to screen factors and select the criteria. Then, an ISM is managed to determine the feedback and interdependency of those factors in a network. Finally, a fuzzy theory is applied to resolve the linguistic hedges and an ANP is adopted to obtain the weights of all the factors. A case study is undertaken to validate the model in a Taiwanese company that provides professional packing and design for lithium-iron phosphate battery.

关键词： 电动汽车无线充电   磷酸铁锂电池   负载特性   频率跟踪补偿  

摘要： 随着全球能源短缺和环境恶化,电动汽车因环保、节能、低碳等优势而得以快速发展,而无线电能传输技术对于电动汽车来说是一个新型充电方式,相对于传统有线充电方式,电动汽车无线充电具有安全可靠、供电方式灵活、无接触火花等诸多优点,具有良好的市场应用前景。本文以无线充电系统高效稳定供电为研究目的,对电动汽车动力电池的负载特性变化进行研究,搭建了一套电动汽车无线充电样机对锂电池进行高效充电,全文主要内容如下：本文首先介绍了电动汽车无线充电的研究背景及意义,详细阐述了目前国内外电动汽车无线充电技术的研究状况,并指出目前该技术存在的瓶颈问题。其次,本文以电路互感理论为基础对磁耦合谐振式电动汽车无线充电技术进行建模分析,建立了SS拓扑结构下电动汽车无线充电系统输出功率与传输效率模型,并对谐振线圈进行参数优化分析,对不同负载接入系统模型的影响展开分析。然后针对电动汽车无线充电时负载参数的实时变化,以磷酸铁锂电池为研究目标,对其充电时的负载特性(电池SOC、开路电压、等效外电阻)进行研究分析,得出其变化规律,并以此建立准确的电池模型,针对负载参数实时变化会导致无线充电系统的失谐,提出了基于负载实时变化的频率跟踪补偿控制方案并搭建仿真模型进行理论验证。最后,以磷酸铁锂电池为负载搭建了一套电动汽车无线充电样机,系统电源采用全桥逆变结构,可实现频率调节和移相调压功能；频率跟踪补偿控制方案采用CD4046芯片实现频率跟踪补偿；整流稳压装置采用BOOST-BUCK电路,可为锂电池进行稳定供电；通过无线充电实验验证了锂电池的最优充电范围,并通过系统电源输出波形频率变化验证了频率跟踪补偿控制方案的可行性。

关键词： 太阳能光伏电池   电动三轮车   磷酸铁锂电池   扰动观察法   交错并联Boost  

摘要： 节能减排是人类急需解决的主要问题。具有节能减排效果的光伏电动三轮车用途广泛。本文为电动三轮车设计了一套基于TMS320F28335的数字光伏充电控制系统,系统搭载2块48V/20AH的磷酸铁锂电池,可轮流利用光伏电池为其充电。绪论主要介绍光伏电动三轮车充电技术现状和趋势,说明研究背景、内容和意义;第二章介绍双相交错并联Boost升压和传统单相Boost升压两种电路的工作特性及原理;第三章利用PSIM软件对两种电路进行光伏电池MPPT(最大功率点跟踪)P&O(扰动观察)算法的仿真;第四章介绍硬件及软件设计;第五章对样机进行测试;最后进行总结和展望。对锂电池恒流充电阶段光伏电池MPPT P&O算法仿真表明:在相同扰动步长下,双相交错并联Boost升压电路具有较低的光伏电池输出电流纹波及输出功率振荡。设计了双相交错并联Boost升压电路,对锂电池恒压限流充电算法进行了Simulink仿真,表明设计的双闭环系统具有较快的输出响应速度。实验室测试表明:恒压限流充电算法下,所设计的双相交错并联Boost升压电路具有更好的输出特性。将设计的双相交错并联Boost升压电路安装在光伏电动三轮车上进行锂电池充电测试。户外测试表明:尽管太阳辐射度变化较大,但在恒流充电阶段,光伏电池板始终工作在35V左右的最大功率点电压处。正常负载范围以上,充电效率达到95%以上。研究结果表明,双相交错并联Boost升压充电器(尺寸10.0cm×8.0cm×2.9cm)较传统单相Boost升压充电器(尺寸12.0cm×10.0cm×3.4cm)具有较大功率密度,能够减小输入电流纹波,减小了光伏电池板MPPT P&O算法功率振荡的问题,且能够长时间对锂电池进行充电。

关键词： 聚丙烯腈   磷酸铁锂   碳包覆   固相烧结   分散剂  

摘要： 自从Goodenough提出聚阴离子正极材料以来,磷酸铁锂就被看作为一种具有巨大应用潜力的电池正极材料,特别是在电动汽车的应用中。由于磷酸铁锂安全环保,原材料价格低廉,放电平台稳定等优点。然而,该材料的低振实密度,低导电率,以及低离子扩散速率等缺点制约着磷酸铁锂的应用。本文通过丙烯腈低聚物(LPAN)对磷酸铁锂进行改性,从前驱体合成方法,LPAN含量,分散剂极性,分散剂p H值,分散剂添加剂5个方面研究该因素对磷酸铁锂的影响。并通过电化学测试系统测试其电化学性能,通过拉曼光谱、X射线粉末衍射仪、扫描电镜、透射电镜表征其结构与形貌。1.研究了前驱体合成方法对磷酸铁锂材料性能的影响,本实验中前驱体的合成分别采用了砂磨-喷雾干燥法以及高能球磨法。研究表明,采用砂磨-喷雾干燥法合成的磷酸铁锂材料为纺锤形的多级结构,而高能球磨法合成的磷酸铁锂材料为不规则颗粒。2.研究了LPAN含量对磷酸铁锂的影响,本实验中LPAN的含量分别为4%,6%,8%,10wt%。研究表明:LPAN含量为6wt%下的磷酸铁锂材料比容量最高,0.1c下约为130m Ah/g。3.研究了分散剂极性对磷酸铁锂的影响,本实验中的分散剂分别采用了去离子水、甲醇、乙醇、异丙醇、正丁醇、辛醇以及癸醇。研究表明:采用的分散剂极性越小,合成的材料颗粒粒径越小,比容量越高。以癸醇作为分散剂合成的磷酸铁锂比容量最高,0.1c下的比容量约为170m Ah/g。4.研究了分散剂的p H值对磷酸铁锂的影响,本实验中的分散剂分别为p H为2、3、5的乙酸溶液,以及p H为9、11、12的氨水溶液。研究表明,酸性条件下,随着p H值的降低,合成的磷酸铁锂粒径逐步减小。p H为3下合成的磷酸铁锂比容量最高,0.1c下为147m Ah/g。而在碱性条件下合成的磷酸铁锂,由于合成过程中亚铁离子被氧化,合成的材料电化学性能均不佳。5.研究了分散剂添加剂对磷酸铁锂的影响,本实验采用了十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)作为添加剂。研究表明:CTAB含量为4wt%下合成的磷酸铁锂比容量最高,1c下为129m Ah/g。