关键词： 纯电动汽车   电池管理系统   磷酸铁锂电池   电池荷电   电池健康管理   数字信号处理器  

摘要： 汽车作为一种便捷的交通出行工具在人们日常生活中越发不可或缺。随着全球汽车保有量的急剧增长，其对环境的污染和能源安全的威胁已然成为亟需解决的问题。纯电动汽车作为新一代的清洁交通工具，以其无污染、噪声小、能源转换率高等优点，迅速成为了未来汽车工业的发展方向。电池管理系统(BMS)作为纯电动汽车核心部件之一已成为现阶段研究的热点，它不仅应该有效的监控和管理车载电池组，提升其工作性能、延长使用寿命，而且还要对可能出现的故障和突发情况采取必要措施，确保行驶安全性。\n 本文在研究锂电池基本特性及电池模型的基础上，针对潍坊某电池公司生产的纯电动汽车用72V-200Ah磷酸铁锂电池，设计了电池管理系统。主要完成工作如下:\n (1)在分析多种电池模型的基础上，建立锂电池戴维南(Thevenin)等效电路模型。在不同温度和电池健康状态下，运用复合脉冲功率性能(HPPC)测试方法对电池充放电过程中的模型参数进行辨识;\n (2)提出一种基于安时积分法-扩展卡尔曼滤波算法(Ah-EKF)的锂电池SOC估算方法，利用加权方法结合安时积分法和扩展卡尔曼滤波算法估算出SOC最优值，并运用Matlab软件进行仿真。另外，运用双扩展卡尔曼滤波(DEKF)算法，通过对电池组荷电状况(SOC)和欧姆内阻R0的不断更新来实时估算电池组健康状况(SOH)值;\n (3)在硬件设计部分，根据电池管理系统功能要求，采用模块化设计思想将整个系统分为中央主控模块、数据采集模块和通信模块三部分，以TMS320F2812数字信号处理器和MSP430F149单片机为主处理器完成单体电压采集、节点温度采集、均衡控制、供电电源、总电压电流采集、控制器局域网(CAN)通信等功能模块的电路设计和元件选型;\n (4)在软件设计部分，采用分层和模块化思想编写三大模块主程序、各功能模块子程序以及SOC、SOH算法程序，并将它们联合起来实现软件整体功能;\n (5)运用现有的实验设备，对电池管理系统进行单体电压采集精度等测试实验。试验证明系统采集精度和估算精度满足要求，能够实现各项功能，且整体性能较好。

关键词： 锂离子电池   水性粘结剂   羧化壳聚糖   导电聚合物   磷酸铁锂   三元材料   电极材料  

摘要： 同镍氢电池、镍铬电池相比，锂离子电池具有端电压高、比能量高、无记忆效应等优点，广泛应用于手机、笔记本电脑等移动设备上，并正在进行混合动力汽车的商业化研究。锂离子电池一般由外壳、正极、负极、电解质和隔膜几个部分组成，每个部分的材料选择都直接关系到电池的性能、生产成本以及安全问题。\n 目前对于锂离子电池的研究主要集中在正/负极材料、电解液等主要材料方面，对于粘结剂之类的辅助材料研究得很少。粘结剂是锂离子电池正负极中极其重要的组成部分，其功能是保持电极体系各部分材料之间的连接性，保证活性物质制浆时的均匀性和电池的安全性。\n 目前的粘结剂按照所使用的溶剂分类可以分为油性和水性两种，其中油性体系是主流，通常采用聚偏氟乙烯(PVDF)/N-甲基吡咯烷酮(NMP)作为粘结剂/溶剂。作为一种商业粘结剂，PVDF被广泛地应用于各种正负极材料中，其技术成熟，性能稳定，但是也有很多难以克服的缺点。首先，作为一种油性粘结剂，PVDF需要使用易燃易爆的有机溶剂N-甲基吡咯烷酮作为溶剂，给环境带来了严重的危害;其次，PVDF是一种人工合成的化合物，价格高昂且可循环率低下，难以在商业生产中大规模应用。因此，开发可以替代PVDF的环保型粘结剂是一个亟待解决的难题。\n 近年来，多种水性粘结剂被研究者们认识并逐渐应用到各种电极材料中，其中包括聚丙烯酸钠(PAANa)，羧甲基纤维素钠(CMC)以及海藻酸钠等等。这些关于水性粘结剂的工作集中在了石墨和硅之类的负极材料上，而关于正极材料研究的报道却很少。本论文的内容属于水性粘结剂的一部分，采用羧化壳聚糖(CTS)作为原料和主线，将其应用到了磷酸铁锂(LFP)、三元(NCM)等正极材料中，中间穿插了对于导电聚合物PEDOT∶PSS的应用研究，得到了以下的成果和结论:\n (1)运用共混法成功将CTS和SBR应用到了LFP体系中。作为一种新型的粘结剂，CTS可以承受通常采用的极片烘干温度并且不会产生对电池性能有负面影响的热效应。使用CTS作为粘结剂的电池具有媲美PVDF的循环性能并且优于CMC，电池在常温下200次循环具有96％以上的容量保持率。倍率性能优越是CTS/LFP体系的特色，电池的常温5C放电比容量达到101.7mAh/g，相比之下CMC和PVDF分别仅有83.5mAh/g和60.4mAh/g。高温性能是CTS/LFP体系的另一大特色，电池在60℃下80循环后1C/10C容量保持率分别高达91.8％和62.1％。\n (2) PEDOT∶PSS作为一种导电聚合物可以部分替代乙炔黑应用在CTS/LFP体系。在实验中，当PEDOT∶PSS取代50％乙炔黑时，电池的循环和倍率性能较之完全使用乙炔黑的电池得到最大程度的改善，由EIS可以得出电池的电荷转移阻抗较之原体系降低了50％，由CV算出锂离子在极片中的扩散系数提高了1.8倍。四探针测试结果和倍率以及阻抗结果有一致的趋势，这些都可以归因于PEDOT∶PSS改善了活性颗粒和导电剂的接触效果。除了电化学性能，极片的压实密度较之CMC和PVDF极片分别有效提高了25.4％和15.3％，直接提高了电池的容量密度。\n (3)运用共混法成功将CTS和PEO应用在了NCM材料中。实验中首先通过CV证实了CTS可以适应NCM的高电压区间，然后通过一系列的实验确定了CTS∶PEO=4∶1的最优比例。使用CTS/PEO作为粘结剂的电池不仅展示了优于CMC电池的循环性能，在倍率和阻抗方面也有明显的改善。根据EDS结果计算出CTS极片表面有更少的活性材料直接暴露在电解液中，带来了电池性能的提高。

关键词： 正极材料   磷酸铁锂   水热法   电化学性能   形貌结构  

摘要： 本论文采用水热法合成磷酸铁锂(LiFePO4)正极材料，从工作原理、合成工艺、结果与讨论等几个方面详细的介绍了水热法制备磷酸铁锂的研究，并确定了水热法制备磷酸铁锂及其改性磷酸铁锂的最佳工艺条件。通过单因素试验，添加有机添加剂氨基三亚甲基磷酸（ATMP）、掺杂金属离子并考察合成温度、时间以及pH值对制备磷酸铁锂及其改性磷酸铁锂粉体材料的形貌结构、粒度大小以及电化学性能的影响。\n 在添加有机添加剂ATMP的条件下，选择不同温度、时间对材料的形貌结构、纯度影响较小，而对材料的粒径影响较大，XRD、SEM以及激光粒度分析表明温度在160℃、合成时间7小时得到的磷酸铁锂正极材料结果较好;掺杂金属Ti4+，研究其含量、pH值、合成时间以及合成温度对材料结构的影响，结果显示Ti4+的含量为0.2％、pH=7、温度在160℃得到的磷酸铁锂正极材料结果较好。通过充放电实验表明:在0.1C倍率下，首次放电比容量最高为161mAh.g-1，且在0.5C倍率下，经过50次充放电，容量保留率为最高，达到95.28％，交流阻抗显示在160℃时所制备的磷酸铁锂正极材料的扩散系数为最高，达到1.61×10-12cm2s-1。

关键词： 磷酸铁锂电池   开关电源   支持向量机   荷电状态  

摘要： 随着全球能源短缺和环境污染问题的日益严峻,大力发展电动汽车已成为汽车工业实现可持续发展的重要措施。目前行业内公认磷酸铁锂电池是最具潜力的动力储能电池,研究磷酸铁锂电池合理的充电方法,设计开发充电系统尤为重要,如何提高电池荷电状态(SOC)的估算精度一直是电池管理系统研究的重点和难点。\n 介绍了磷酸铁锂电池的内部结构和工作原理,分析了影响电池性能的主要因素,对电池的电压、内阻、容量等基本特性进行了深入的分析研究。根据磷酸铁锂电池充电过程的电化学特性,提出了改进型的磷酸铁锂电池恒压恒流充电方法,基于LPC936微控制器,基于高频开关电源技术设计了一款输出电压电流可调的充电电源,实验结果证明,该充电电源可按预置的给定充电曲线自动控制充电过程,充电过程电池温升低。该充电电源具有体积小,免维护,高效节能等优点。\n 基于实验数据,提出了基于支持向量机(SVM)的荷电状态估计的方法,在特定条件下,采用支持向量机的方法对电池 SOC进行估计,结果表明支持向量机方法在SOC估计中具有很高的准确性。

关键词： 高温固相法   磷酸铁锂   碳复合材料   F-掺杂改性   扩散系数  

摘要： 本文采用高温固相法制备LiFePO4/C和LiFePO4-xFx/C复合材料,利用充放电测试系统、电化学工作站,结合XRD、SEM、FT-IR等手段,对比研究了LiFePO4/C、LiFePO4-xFx/C复合材料的结构、形貌和电化学性能。重点研究了烧结温度、烧结时间、碳源加入量和F-掺杂对LiFePO4物理及电化学性能的影响。\n 本论文的具体研究内容如下:\n 以氢氧化锂、草酸亚铁、磷酸氢二铵为原料,以葡萄糖为碳源,在不同条件下合成LiFePO4/C复合材料。结果表明:碳源加入量为15%,700℃下烧结15 h所制备出的LiFePO4/C复合材料性能最佳,该材料在0.2、0.5、1、2、5、10 C下的放电比容量分别为134.3、116.1、105.6、80.3、69.2、53.4 mAh/g。\n 采用F-掺杂制备的LiFePO4-xFx/C(x=0.02,0.05,0.08,0.1)复合材料。通过XRD图谱分析发现,不同F-掺杂量均未对LiFePO4结构造成影响。经充放电测试发现,随着F-掺杂量的增加,材料在0.2 C下放电比容量也随之提高。但随着F-掺杂量的继续增加,材料容量明显下降,极化也明显增大。最终发现, LiFePO3.92F0.08/C材料比容量提高最大,该材料在0.2 C下放电比容量高达154.9 mAh/g。\n 通过XRD、FT-IR、充放电、循环伏安和电化学阻抗测试对比LiFePO4/C和LiFePO3.92F0.08/C复合材料的结构及电化学性能发现, F-掺杂进入了磷酸铁锂晶体内部,且F-掺杂提高了材料的容量,增加了材料的循环稳定性,增加了电极反应速度,有效降低了复合材料在大倍率下的电化学极化。\n 采用循环伏安曲线和电化学阻抗谱图研究了LiFePO4/C和LiFePO3.92F0.08/C电极反应过程动力学。循环伏安研究表明, LiFePO3.92F0.08/C在电极反应过程中具有更好的可逆性,并由此计算了LiFePO4/C和LiFePO3.92F0.08/C复合材料电极中Li+在氧化峰附近的平均扩散系数分别为4.108×10-11和1.729×10-10 cm2/s。采用电化学阻抗谱法计算了LiFePO4/C和LiFePO3.92F0.08/C复合材料电极中Li+的扩散系数分别为1.584×10-14和0.851×10-13 cm2/s。

关键词： 变、配电站   直流电源系统   磷酸铁锂电池   集成控制器  

摘要： 研究了基于磷酸铁锂电池的变、配电站直流电源系统集成控制器的关键技术,通过实时监控直流电源装置、磷酸铁锂电池管理系统,实现电池性能测试管理、系统运行参数显示和完善系统保护功能,满足大、中、小型发电厂,变电站和配电站的智能型直流电源系统应用的要求。

关键词： 监控系统   磷酸铁   锂动力电池   剩余电量   扩展卡尔曼滤波   CAN总线   电动汽车  

摘要： 在21世纪中期，为解决燃油汽车所带来的能源危机和环境污染问题，电动汽车逐渐被大众所熟知，其作为一种新型的交通工具，必将逐步成为未来汽车行业的发展方向。电动汽车相较传统的燃油汽车具有能源利用率高、噪声小、无污染、能源利用多样化等优势，具有很大的市场竞争力。但是，电动汽车的不断发展仍需要在电池技术和电池管理技术方面取得重大突破，就目前的发展来看，动力电池技术及动力电池的管理技术已经成为决定电动汽车能否顺利推广的关键因素。\n 电池管理系统直接管理和监控动力电池运行的全过程，其基本功能包括实时采集各单体电池的电压、电流和温度，并根据采集到的数据，估算电池组的剩余电量。一旦电池发生故障，能够及时报警并处理，将电池基本信息、剩余电量和故障信息通过数据通信模块传输到整车仪表控制系统。\n 课题首先概述了电动汽车所用动力电池的性能和参数，通过比较电动汽车常用的几种动力电池，选用了在各个性能方面都相对比较优越的磷酸铁锂动力电池作为本课题的研究对象。详细分析了影响磷酸铁锂动力电池SOC的因素，通过结合扩展卡尔曼滤波算法、安时法和开路电压法，提出了一种基于Sage-Husa自适应算法对过程噪声和测量噪声进行预测和修正的复合SOC预测法。\n 软件方面，建立了新的复合SOC预测法，并根据模块化设计原则，对各个功能模块的流程进行了说明。\n 最后，课题将改进的磷酸铁锂动力电池SOC估计算法进行仿真实验，实验结果表明，改进的算法具有较好地跟踪效果、较快的收敛速度及较高的估算精度;并对磷酸铁锂动力电池监控系统的软件部分进行在线调试，基本可以实现电池电压、电流和温度等模拟量的检测、剩余电量的估算、重要数据的存储、状态信息的显示以及故障报警等相关功能。

关键词： 磷酸铁锂   锂离子电池   正极材料   制备工艺   炭掺杂改性  

摘要： 自从1997年Goodenough发现磷酸铁锂插入/脱嵌锂离子的性质以来，其作为锂离子电池正极材料已经受到广泛地关注和认同。磷酸铁锂理论容量达到170 mAh·g-1，在3.45 V（vs Li+/Li）附近有稳定充放电电压平台，保证了稳定的电压输出和较高的理论比能量密度。制备磷酸铁锂所需各原料来源广泛且无毒无害，利于大规模应用和降低生产成本。虽然目前锂矿产相对紧缺，但锂在地壳中仍具有较高的丰度。经历多年的研究，磷酸铁锂已经开始替代钴酸锂作为锂离子电池的正极材料，特别是作为电动汽车动力电池方面已经取得实际应用的突破。本文通过改进化学插锂法，研究了耗时较短、耗能较低的固态插锂法制备磷酸铁锂的方法，并利用碳材料对其进行改性。本论文的主要工作有:\n (1)采用液相共沉淀法以氯化铁和磷酸氢二铵为原料制备水合磷酸铁，在300℃左右利用碘化锂作为还原剂和锂源还原水合磷酸铁制备无定形水合磷酸铁锂。升高温度至400℃以上保持2h，水合磷酸铁锂脱水结晶生成橄榄石型磷酸铁锂晶体。对反应历程和原理进行了研究，优化了实验条件。得到在700℃下结晶的磷酸铁锂在0.1C倍率下比容量为140.1 mAh·g-1，达到理论容量的82.4％，放电电压平台在3.43 V;充放电倍率高达10C时，放电比容量83.1 mAh·g-1，为理论容量48.8％。\n (2)利用碳包覆法对固态插锂法制备的磷酸铁锂进行改性研究。探索出两步法制备磷酸铁锂/碳复合物的方法。首先在300℃附近生成无定形水合磷酸铁锂，利用葡萄糖作为碳源对其进行包覆，300℃下裂解1h，700℃下保持2h结晶得到最终产物。该样品在0.1C倍率下放电比容量达到159.4 mAh·g-1，达到理论比容量的93.8％，放电电压平台在3.41 V，平台电压差为40 mV;在10C倍率下时放电比容量达到117.6 mAh·g-1，达到理论值的69.2％，放电比容量比纯相磷酸铁锂高41.5％。\n (3)通过引入石墨烯对磷酸铁锂进行改性，得到磷酸铁锂/石墨烯复合物。首先利用共沉淀法将氧化石墨烯与水合磷酸铁形成复合物，而后利用固态插锂法还原磷酸铁复合物，于700℃下焙烧得到石墨烯/磷酸铁锂紧密结合的复合物。复合物中磷酸铁锂颗粒1μm粒径左右，石墨烯大小为1～3×1～3μm2，具有2～3层的片层结构。0.1C倍率下，放电比容量达到163.2 mAh·g-1，达到理论容量的96％，充放电平台电压差3.45 V，平台电压差为40 mV;在10C倍率下时放电比容量为63 mAh·g-1。

关键词： 锂离子电池   磷酸铁钒锂   正极材料   钒掺杂改性   水热法制备   电化学性能  

摘要： 锂离子电池与镍氢、镍镉电池相比具有工作电压高、比能量高、自放电率低、循环寿命长、无污染、安全性能好等独特的优势，具有广阔的应用前景。锂电正极材料是决定锂离子电池性能的关键因素之一，对正极材料的研究尤为重要。其中磷酸铁锂(LiFePO4)具有成本低、无污染、来源广泛等优点，尤其是在安全性和稳定性这两方面的突出优势，使其在电动汽车和电动自行车领域有很好的应用前景。但是同时存在电导率低和能量密度较低的缺点，严重限制了LiFePO4的应用。本课题针对以上问题，采用钒掺杂以及碳包覆的手段，以期改善LiFePO4正极材料的容量与电导率特性。主要研究结果如下:\n 采用固相煅烧法制备了钒掺杂Li1.02Fe0.99-xVxPO4/C复合材料，考察了锂铁比与钒掺杂对材料的电化学性能的影响。适量提高锂铁比有利于提高材料的电化学性能，钒掺杂能明显地改善材料的循环性能;锂与铁、钒的摩尔比为1.02∶0.96∶0.03的Li1.02Fe0.96V0.03PO4/C性能较好，室温下电导率为8.24×10-5S/cm，比未掺杂的样品提高了63.4％;在0.1C、0.2C、0.5C、2C时的放电比容量分别为163.5mAh/g、156.6mAh/g、139.7mAh/g和116.3mAh/g，然后在0.2 C充放电400次后，容量保持为初始值的95.4％。\n 利用水热反应结合热处理制备了由纳米颗粒自组装的LiFePO4/C介孔微米球。该方法以廉价的三价铁作为反应物，成本低廉，工艺简单。以葡萄糖做碳源对LiFePO4进行包覆，当包覆碳的质量为LiFePO4的10％时所制备的材料(LFP/10C)具有较好的电化学性能。LFP/10C的比表面积高达39.1m2/g，电导率为7.38×10-5S/cm，在0.1C时，放电比容量高达165.3mAh/g，接近理论值170mAh/g;0.5C，放电比容量为142mAh/g;在8C的高倍率下循环320次后保持初始值的92％，表现出优异的倍率性能。

关键词： 智能荷电状态估算   生热速率   磷酸铁锂电池   充放电性能   生热特性  

摘要： 磷酸铁锂(LFP)电池因其优异的充放电性能、良好的安全性以及循环寿命等特性而在可再生能源微网系统、电动汽车以及通信基站等储能领域占有重要地位。然而，电池单体特性的严重非线性特征使得“管好”是“用好”的基础，为此，在磷酸铁锂电池应用领域都必须配备相应的电池管理系统。其中，电池荷电状态SOC(State of Charge)的实时准确估算是电池管理系统工业应用过程中的重点和难点，也是科学合理利用电池能量的重要参数。\n 本文以LFP电池为研究对象，在SOC安时积分法基础上，从初始荷电状态(SOC0)和能量效率等影响因素入手，研究了充放电过程、生热特性、老化特性、自放电特性等对SOC的影响规律，获得了一种全新的智能SOC估算方法，并通过电动汽车领域的四项国际标准测试工况进行了实验验证。\n 首先，研究了LFP电池主要基本性能，获得了电池容量与电流倍率之间的关系，电池内阻与SOC之间的关系，以及环境温度对电池可用容量、内阻和开路电压的影响规律，为充分了解LFP电池的基本特性及提出新的估算模型提供了参数借鉴。\n 其次，通过理论分析和实验验证手段建立了多参数的SOC0估计方法，提高了SOC估算精度。以反映电池电化学极化和浓度极化的二阶双极化电池模型为基础，将电路模型转化成对应的传递函数，采用二阶系统时域分析理论确定了静置时间的计算方法;根据二阶双极化电池模型，将循环工况分为放电过程、放电静置阶段、充电阶段、充电静置阶段等四个主要阶段，建立数学函数表达式，采用系统辨识方法求解模型，建立了主要参数与荷电状态之间的对应关系;利用脉冲实验，研究了电流倍率和温度对开路电压的影响规律，建立了多参数的SOC0估计方法;通过模拟混合动力脉冲功率充放电的实验验证，证明新的SOC0估算方法的误差下降到4％以内。\n 随后，研究了LFP电池自身的生热特性对SOC的影响规律及因电-热转换的能量损失规律。以非平衡态热力学和极化介质系统的基本热力学关系为基础，探讨了电池生热速率的主要影响因素，研究了电池内部热量累积以及温度非均匀性对荷电状态的影响;以生热速率为基础，研究了浅充浅放过程中因电池生热特性而导致的能量损失。结果表明:(1)在同一放电深度下，随着放电倍率的增加，生热特性引起的能量损耗也越大;(2)在同一放电倍率下，生热特性引起的能量损耗与放电深度基本呈正比;(3)输出与输入能量比与放电深度(DOD，Depth of Discharge)呈抛物线关系，1C高电流倍率放电时，在DOD=60％处，生热特性引起的能量损耗最小。\n 最后，研究了电流测量误差、自放电和老化对电池容量的影响，建立多次循环模式下的SOC修正方法，获得一种全新的智能SOC估算方法。电流测量误差引起的估计误差，大约占安时积分法总误差的10％，电流倍率越高，误差占安时积分法总误差的比重越小;自放电特性方面:在初始阶段自放电现象明显，但随着时间的推移呈现下降趋势;电池老化特性方面:本文建立了电池容量与循环次数之间的特性函数关系式。\n 综合以上研究成果，建立了一种全新的智能SOC估算方法，分别应用电动汽车领域的四项国际标准的测试工况，即欧洲循环工况NEDC、联邦城市行驶工况FUDS、动态压力测试工况DST、公路燃料经济性测试循环HWFET，对智能荷电状态估算方法的精度进行了验证，结果表明，相对于传统的开路电压法和安时积分估算法，本文提出的智能荷电状态估算模型具有明显的精度优势。