关键词： 均衡管理系统   充放电均衡   开关矩阵   磷酸铁锂动力电池  

摘要： 近年来，环境污染和能源危机日益加重，电动汽车以其清洁环保、节约能源的优势成为各国研究的热点。电动汽车主要依靠动力电池提供能量来源。但是，动力电池的储能量少，使用寿命有限，这成为制约电动汽车发展的关键问题。由于单体电池储电量有限，而且单体的电压比较低，所以电池一般要串并联以后才可以使用。如此一来，由于单体间性能的差异，又会引起电池组内单体间电量的不均衡问题，电池组在不均衡状态下使用，会影响电池的利用率，降低电池的使用寿命。所以，解决电池组的均衡问题对电动汽车的发展有着至关重要的意义。 课题从前人研究的基础上入手，分析各种均衡方法的优缺点，并在此基础上进行改进，提出了改进的开关矩阵均衡方法，并给了出相应的拓扑结构。此方法在原来的基础上，将开关数量减少一半，大大节省了成本，同时减少了硬件设计的复杂度。 以磷酸铁锂动力电池为研究对象，依据给出的拓扑结构，设计了相应的硬件系统，结合静态时的偏差控制法和动态时的周期性滞后补偿控制法，设计了相应的软件系统，搭建了均衡管理系统试验平台。同时，为了便于系统调试，还设计了输入输出系统和上位机数据接收系统。另外，为了提高系统安全性，加入了报警系统和错误应急保护措施，基本上完善了电池均衡管理系统的功能。 通过搭建的试验平台，对磷酸铁锂动力电池组进行放电试验，并通过上位机系统接收检测到的测试数据。最后，利用MATLAB软件对检测的实验数据进行处理和分析，绘制出相应的实验测试曲线。试验结果表明，系统很好的实现了对电池组的均衡管理，从而，也验证了改进方法的可行性。

关键词： 磷酸铁锂电池   电池管理系统   SOC算法   均衡控制   DSP  

摘要： 矿用救生舱是用来研究解决矿山企业的重大灾害应急救援的一项关键技术设备,为了保证救生舱能够在矿井灾难发生时正常使用,需要配备不间断电源。而锂离子电池,以其较高的能量质量比、能量体积比、无记忆效应、较长的循环使用寿命等特点,成为救生舱供电的不间断电源首选材料。 本文首先介绍了锂电池的应用现状和国内外对电池管理系统的研究现状,并采用磷酸铁锂电池作为研究对象,简要说明了其工作原理。其次介绍了锂电池的关键性能和特性,对锂电池的充放电特性、温度特性、倍率特性作了重点说明。再者,一个完整的电池管理系统包括五大部分,我们主要研究的是电池的状态检测、剩余电量评估和均衡控制管理。对于电池的剩余电量(SOC)估计,我们提出了结合Ah计量法、开路电压法和扩展卡尔曼滤波算法的新算法。同时,为了适合卡尔曼滤波算法,使用复合模型来对电池建模。由于电池组中的各个单体电池存在了不可避免的不一致性,我们需要给系统加入均衡控制管理结构。本文采用非耗散型双向均衡控制电路,使相邻的两个单体电池之间的多余能量可以双向流动,减少了能量的损失。另外,为了控制开关管的通断,还加入了驱动电路的设计。在系统的硬件设计中,采用了TMS320LF2407作为主控制器,外围电路则主要包括信号的采集和串行通讯电路的设计,需要采集的信号包括串联电池组中的单体电池电压值、电池组总电压值、电池组电流值和电池组的温度值。串行通讯电路采用的是RS-485的接口设计,以满足工业上长距离通讯的控制要求。在软件设计上,采用定时器中断来采集数据,并从中调用其他子程序的执行。最后,我们用MATLAB来仿真验证SOC算法的可行性和估算精度,仿真的结果表明该算法能够对误差进行修正,达到了很好的估算效果。对于均衡控制电路的实验,与另外两种均衡控制电路结构进行对比,表明了该均衡控制电路结构在均衡性能和均衡时间上都有很大的提高。文章的结尾是对本文研究的总结与展望。

关键词： 锂离子电池   磷酸铁锂   锂硫电池   碳/硫电极  

摘要： 随着电力车和各种新型便携式电子设备应用的迅速发展，对于清洁可再生能源的需求也与日俱增。因此，探索下一代能量储存的新材料和新设备尤为重要，开发高效的能源存储方式意义非凡。 二次锂电池是近年来发展起来的一种新型电源，是世界各国争相研究和开发的热点。在过去的二十年内，锂电池以其高能量密度的特性引领可携带电子设备走向了一个新的变革。但是，随着市场需求的不断变更，人们对下一代的锂电池也提出了更高能量密度、更好的安全性能以及更低的成本等的要求。对比各类电池体系，开发新型锂离子电池或锂硫电池是锂电池行业的发展方向。 橄榄石型LiFePO4理论比容量高，热稳定性好，是动力型锂离子电池理想的正极材料之一，但其本身结构缺陷导致电子电导率低，锂离子扩散速率慢限制了实际应用。本文提出了氮甲基吡咯烷酮(NMP)辅助溶剂热合成LiFePO4工艺，并采用蔗糖为碳源对其进行碳包覆改性。结果表明，NMP能有效抑制晶粒过度生长改善分散性，碳包覆能够促进LiFePO4颗粒进一步细化；制备的LFP/C复合材料具有简单快速的锂离子扩散和良好的电子传输路径，25oC测试，0.2C放电容量130mAh/g，60oC测试，0.2C放电容量160mAh/g，接近理论容量。 锂硫电池相较锂离子电池，其能量密度更高，成本低廉，是极具发展前景的二次电池储能体系。但S及放电产物Li2S的绝缘性，充放电过程中产生的飞梭效应与体积膨胀效应导致电极材料结构不稳定，限制了锂硫电池的实际应用。构建具有高导电性以及多孔道高比表面积的刚性载体结构，抑制多硫化物扩散，提高电池的电化学性能，成为其研究的关键。为了解决这些技术瓶颈，本文提出了利用碳纳米管(MWCNT)、石墨烯(HPG)的高比表面、优良导电性和力学性能以改善锂硫电池上述问题，以碳材料MWCNT、HPG为基元材料，与硫液相复合，制备了“fish in net”结构石墨烯-硫、同轴结构MWCNT@S复合电极材料。构建了能够对体积膨胀及飞梭效应有效抑制的高性能复合电极。电化学性能测试，两种复合电极0.5C放电容量均超过1000mAh/g。

关键词： 导电剂   正极材料   动力电池   碳纳米管   磷酸铁锂   锂离子电池   锂离子二次电池  

摘要： 石油危机和环境污染是全球面临的两个巨大挑战,且形式日益严峻。燃油汽车是造成这两个问题的一个主要原因。纯电动汽车(EVs)和混合电动汽车(HEVs)具有不使用或使用少量燃油,几乎没有污染排放的突出优点,已成为取代传统燃油汽车的主要发展方向,受到了广泛的关注,世界各国都投入巨大的人力、物力、财力来研发电动汽车,而动力电池的研发是其中的一个关键所在。锂离子电池由于具有能量密度高、循环寿命长、无记忆效应等突出优

关键词： 锂离子电池正极材料   磷酸铁锂   水热法   碳酸氢钠   碳包覆  

摘要： 橄榄石型LiFePO4正极材料因具有廉价、原料来源广、循环寿命长、环境相容性高和良好的安全性等优点,备受广大研究者关注,前景广阔。本文采用水热法合成LiFePO4正极材料,并对合成的正极材料进行碳包覆改性合成LiFePO4/C复合材料,运用XRD、SEM、激光粒度和恒电流充/放电等分析手段研究材料的组织结构和电化学性能。 1.正交分析表明磷酸和磷酸盐的摩尔比对材料的纯度的影响最小,而反应时间、锂的摩尔比对其影响分别位于第一、第二位,反应温度对材料纯度的影响居于第三位。正交分析表明反应时间对材料的振实密度影响最小,而反应温度对其影响是最大的,磷酸和磷酸盐的摩尔比、锂的摩尔比对振实密度的影响分别居于第二、第三位。以NH4H2PO4为磷源合成样品的振实密度明显低于采用H3PO4为磷源合成样品的振实密度,但是前者合成LiFePO4的形貌更均匀,颗粒更小,且电化学性能更优。 2.对比分析纯水、乙醇和水、丙酮和水混合溶剂合成LiFePO4,结果表明乙醇和水混合溶剂能够细化磷酸铁锂颗粒,并且减低材料团聚程度,改善材料的电化学性能。 3.样品的颗粒大小随着NaHCO3浓度的增加而降低,NaHCO3浓度增大,能够合成纯相的LiFePO4。 4.采用聚乙烯醇或酚醛树脂为碳源进行碳包覆处理后,样品的形貌和晶体结构没有明显改变,碳包覆处理后样品的电化学性能明显得到改善,采用聚乙烯醇为碳源处理后的样品颗粒表面碳层更加均匀且电化学性能更优。

关键词： 磷酸铁锂动力电池   剩余容量（State of Charge，SOC）   参数在线辨识   自适应扩展Kalman滤波   装车验证  

摘要： 为了保证电动汽车安全可靠的行驶，电池管理系统必须提供车载动力电池组实时准确的使用状态信息。电池的剩余容量(State of Charge，SOC)直接反映电池的荷电状态，为驾驶员提供续航里程信息，是整车控制的重要依据，准确估计SOC是电池管理系统的核心，一直是目前研究的热点和难点。 磷酸铁锂动力电池以其优越的动力性能成为电动汽车最佳动力源之一，本文以磷酸铁锂动力电池为研究对象，针对其SOC估计进行了以下研究工作： 1.首先阐述并给出了传统SOC定义方法及其存在的不足，然后详细介绍了磷酸铁锂动力电池的反应原理、优缺点和主要特性参数。在此基础上具体分析了温度、充放电倍率、循环寿命和自放电等因素对电池建模即电池主要特性参数的影响，结合电池模型，得出了考虑这些因素后修正的SOC表达式。 2.重点分析了电池等效电路模型中表征电池暂态响应的无限RC网络的简化问题。结合相关实验数据，对分别采用一、二、三和四个RC网络的串联来模拟电池暂态响应所带来的模型误差进行了对比分析，综合考虑模型的复杂程度和模型精度，选取二阶等效电路模型作为本文的电池模型是一个很好的解决方案。为了进一步减小模型误差，对电池二阶等效电路模型参数在线辨识方法进行了研究，采用Kalman滤波法在线辨识电池模型参数。 3.针对Kalman滤波法由于不合理的噪声假设会影响算法的估计性能，甚至导致算法不收敛，改用了自适应扩展Kalman滤波法并应用于电池二阶等效电路模型来动态的估计SOC。在估计SOC的同时对未知噪声的均值和方差进行实时预测和修正，降低了未知噪声对SOC估计的影响，并对算法的精确性和可行性进行了仿真验证。 4.自适应扩展Kalman滤波法结合电池二阶等效电路模型对电池的SOC估计效果较好，可以满足工程应用的要求。以改装后的纯电动汽车电池管理和监控系统为试验平台对SOC估计算法进行了装车验证。电池管理系统采集电池的电压、电流、温度并估算SOC；监控系统主要用来显示电池的信息并保存历史记录，两者通过CAN总线实现双向通信。基于模块化的编程思想，设计了相应的软件流程图，并通过装车道路试验对算法的适用性进行了验证。 仿真和装车道路试验结果表明本文的SOC估计算法能够较精确的估计SOC，符合国家关于电动汽车动力电池SOC估计的精度要求，具有指导工程应用的意义。

关键词： 储能电池   电池管理系统   CAN总线   MC9S12   PC104  

摘要： 风力和太阳能等新能源发电是当今研究的热点,新能源取之不尽和无污染等优点使其成为未来发电技术的发展方向。电池储能是新能源发电技术领域的关键技术之一,而储能电池管理系统是电池储能应用的基础和保证。储能电池管理系统通过对电池状态参数的实时测量和控制,有效保证电池使用的安全性,高效性和寿命。 本文选取大容量磷酸铁锂电池作为储能电池,完成对电池特性的测试,并绘制相关的特性曲线。在对国内外现有的电池管理系统调研基础上结合储能电池的特点,设计了一套以飞思卡尔MC9S12单片机为子系统和PC104为总系统的电池管理系统。一个电池管理子系统管理4-192个电池单体,系统传输数据采用CAN总线和RS232。系统设计遵循现有的标准,实现系统的标准化,提高系统的可扩展性。 单片机的硬件设计采用模块化设计方法,包括串口通信设计、CAN通信设计、SPI通信设计和数模转换模块设计,提高了系统的灵活性和稳定性。对电池的电压、温度和电流的采集方案进行对比和分析,完成采集方案设计,并介绍了PC104的硬件结构。 软件设计也遵循模块化和层次化设计方法,单片机的软件设计主要完成电池的电压、电流和温度采集,CAN通信和串口通信,SOC估算等模块子程序的设计。上位机软件采用MFC开发监控界面,实现传输数据、显示数据,接收报警、处理报警、记录和查询历史参数等功能。在上位机软件设计的基础上完成了监控人机界面设计和PC104的软件设计。 本文最后介绍系统实际验证与调试。验证了各个设计环节的可行性,并给出具体设备的实物图。按照一致性测试和电池成组技术选取并连接电池,完成管理系统的硬件连接和软件调试,并解决调试中遇到的问题。

关键词： LiFePO4   受潮处理   气流粉碎   热处理   碳包覆层   性能恢复  

摘要： 磷酸铁锂由于其比能量高、工作电压高、安全性能好、环境友好、成本低等优点仍然是目前研究的重点之一，在市场上也占有一定的比例。随着磷酸铁锂生产技术的日趋成熟和产量的增加，储存问题也更加值得关注与研究，众所周知，磷酸铁锂因其本证电导率低制约了它的广泛使用，对其改性的方法多种多样，同时也决定着影响磷酸铁锂性能的因素也是种类不一的，在以上角度分析的基础上本文主要研究受潮与气流粉碎对磷酸铁锂性能的影响。 探索受潮处理对磷酸铁锂及其前驱体的影响，把LFP、喷雾粉料置于自制恒湿环境中，称取受潮LFP粉料制作扣电比较受潮前后电化学性能差异以及随着受潮时间的延长对磷酸铁锂性能的影响；称取适量受潮喷雾粉料在720℃管式炉中烧结后制作扣电恒流充放电测试其电性能，采用热稳定性分析（TG-DSC）和结构与形貌分析（XRD、SEM）等手段研究其性能衰减与恢复机理，并最终得到性能恢复的最佳方法。 探索了气流粉碎对磷酸铁锂结构以及性能的影响，本文使用蔗糖对粉碎后磷酸铁锂进行再次碳包覆，采用TG-DSC确定碳包覆的烧结温度，XRD、SEM、拉曼光谱进行成分、结构与形貌的分析，并阐述磷酸铁锂性能衰减及恢复机理。 研究表明：受潮后的磷酸铁锂电性能明显下降，随着受潮时间的延长衰减更加严重，但经过合适的热处理之后，其性能得到了较大程度的恢复，添加微量蔗糖并于550℃下保温10h后磷酸铁锂的循环性能和比容量都得到了95%以上的恢复。受潮喷雾粉料烧结而成的LFP放电比容量明显低于未受潮的放电比容量；而短期受潮对喷雾粉料影响较小，但是随着时间的延长，其性能呈下降趋势；对受潮粉料在不同温度下进行处理，结果显示将受潮喷雾粉料200℃保温2小时后725℃烧结后产品的性能较大程度上得到了恢复,尤其是高倍率性能。 SEM形貌分析和含碳量测试结果印证了气流粉碎对磷酸铁锂复合材料碳包覆层具有一定的破坏，导致磷酸铁锂比容量和循环性能的下降，通过对粉碎磷酸铁锂颗粒表层进行一定量的蔗糖包覆并在720℃条件下烧结，实验结果显示磷酸铁锂0.2C放电比容量接近150mAh/g。

关键词： 电动汽车   电池管理系统   主控单元   荷电状态估测   磷酸铁锂电池  

摘要： 为了解决环境污染以及能源短缺问题，电动汽车作为零污染汽车走入公众视线并成为全球各大汽车公司竞相研究的对象。电池技术及电池管理技术作为电动汽车的关键技术在很大程度上决定了电动汽车的续航里程以及使用成本，因此在目前的电池技术条件下有必要对电池管理技术进行系统的开发与研究。 本文主要从电池组荷电状态估测、电池组总电压与充放电电流的实时监测以及电池管理系统控制策略等方面对电池管理系统进行了设计与开发，主要内容包括： （1）制定电池管理系统的总体设计方案，根据现有的实验条件对总体方案进行改进以实现电池管理系统的功能测试与硬件资源的最优化利用。 （2）选择TMS320LF2407A型号的DSP作为电池管理系统主控单元的微处理器，进行DSP外围接口电路以及数据采集电路的硬件设计。 （3）在CCS3.3软件的开发装置下使用C语言进行电池管理系统不同功能模块的编程工作，主要包括主程序模块、程序初始化模块、荷电状态估测模块以及与PC机的串行通信模块。 （4）搭建电池管理系统实验测试装置，参照电池管理系统的功能要求对系统的硬件与软件进行测试，验证了所设计的电池管理系统能够在实验条件下完成电池管理系统的功能要求。

关键词： 锂离子电池   磷酸铁锂   溶剂热   碳包覆   乙二醇  

摘要： 磷酸铁锂因其较高的充放电性能和充放电过程的结构稳定性,以及环保、资源丰富等特点,是最有希望应用于动力汽车等大功率设备驱动的锂离子电正极材料。尽管较低的电子电导率和较低的锂离子扩散系数的缺点使得其高倍率充放电性能较低,但这些缺点可以通过降低LiFePO4颗粒的尺寸减小锂离子扩散路径和碳包覆提高导电率获得解决。本研究为了获得高倍率充放电性能优异的LiFePO4锂离子电池正极材料,采用水／乙二醇溶剂热制备出了分散性良好的LiFePO4纳米颗粒、花球状和一维棒状纳米结构。研究了不同比例水／乙二醇混合溶剂、溶剂热反应温度,以及聚乙二醇表面修饰剂对合成的LiFePO4颗粒大小、形貌及分散性的影响。在此基础上,进一步研究了采用不同碳源包覆进行表面改性,对LiFePO4单分散纳米颗粒电化学性能的影响。发现乙二醇引入的溶剂中,不仅改善了LiFePO4的分散性,还使得有水热合成的团聚较严重的不规则颗粒,演化为混合溶剂中水占比例较大时的菱形块状颗粒,和乙二醇比占例较大时的枣核状颗粒。并且随着乙二醇的量增多,所合成的枣核状LiFePO4,颗粒减小,分散性增强。单纯以乙二醇为溶剂合成的LiFePO4颗粒具有良好的单分散性,大小约为200纳米。关于抗坏血酸、葡萄糖和氧化石墨烯作为碳源的碳包覆研究发现,尽管使用这三种碳源都能很好地实现对纳米颗粒的包覆,形成LiFePO4/C的核壳结构,但只有抗坏血酸的碳包覆使得LiFePO4具有了优异的高倍率充放电性能。在30C充放电电流密度下,放电容量达到111.9mAh/g,并且具有很好的充放电循环稳定性。