基于退役锂动力电池容量、内阻和荷电状态的建模与参数估计

摘要

从电动汽车上退役下来的锂离子动力电池（简称退役电池）仍具有高达80％的剩余容量，研究剩余容量的再利用技术对间接降低锂动力电池成本与缓解环境污染问题有着重要的意义。为了最大限度发挥退役电池的价值，对其进行分选以及对具有利用价值的电池进行剩余寿命等方面的研究非常必要，这也是目前退役电池梯级利用及回收领域的热点课题之一。本文采用电化学检测-计算机模拟联合技术研究了电池在不同温度、放电倍率和放电深度下的电化学行为;针对电池的剩余寿命，劣化失效程度和荷电状态进行分析和估计，建立了电池寿命预测模型、劣化失效的普适模型和荷电状态估计模型，为确保退役电池安全、可靠地运行并保持在最佳工作状态提供了理论指导。通过对上述内容的深入研究，获得了以下四个方面的研究结果:
　　(1)采用现代物理测试技术和电化学检测手段对退役电池进行了安全性能检测，并结合外观/容量分选法、电压/内阻分选法及特征曲线法对退役的18650型磷酸铁锂动力电池进行了分选。本论文分选出了外观无破损特征，容量在1.1～1.0Ah，内阻在12～12.6mΩ，开路电压在3.2998～3.3002V，以及大倍率放电时，放电曲线一致性较好的退役电池作为研究对象。
　　(2)采用电化学检测-计算机模拟联合技术建立了退役电池的寿命预测模型，并提出了一种退役电池的寿命匹配检测方法。电化学检测结果表明:影响退役电池循环寿命的主要因素为循环次数(N)，环境温度(T)，放电倍率(C)和放电深度(DOD)。退役电池的放电容量随着循环次数的增加逐渐降低，环境温度越高，放电倍率越大，放电深度越深，退役电池的放电容量衰减越快。当循环时间足够长时，放电深度对退役电池寿命的衰减影响不大。计算机模拟结果表明:退役电池的放电容量衰减速率随循环次数，环境温度，放电倍率和放电深度的变化规律符合幂函数模型:Qloss=A·e(-2011-1370.4·C/RT)·(N·DOD·C标)0.527+cn cn为参数
　　以此为标准模型，采用匹配检测技术可利用较少的容量保持率与循环次数的数据对，准确地预测出任意一颗同规格退役电池当前所处的工况，以及在该工况时退役电池的剩余寿命。
　　(3)采用内阻-交流阻抗联合检测技术建立了退役电池的劣化失效模型。结果表明:内阻可用来表征退役电池的劣化失效程度。随着内阻的增加，退役电池劣化程度加剧。欧姆内阻和极化内阻的变化与环境温度、放电倍率和放电深度有关。环境温度的升高，放电深度的加深以及放电倍率的增大均会导致内阻加快增长。三种因素对欧姆内阻和极化内阻影响的重要程度为:放电深度＜放电倍率＜环境温度。欧姆内阻与极化内阻之和与循环次数的关系符合幂函数模型:R总=a·Nb+c（a，b，c为参数）
　　(4)采用交流阻抗测定法、SOC-OCV曲线法和脉冲放电法相结合的方法建立了退役电池荷电状态估计模型。交流阻抗测试结果表明:对退役电池进行全荷电态建模时，应同时考虑欧姆内阻和极化内阻对退役电池荷电状态的影响。而对退役电池进行SOC=20～80％区间段建模时，主要考虑极化内阻对荷电状态的影响。SOC-OCV测试结果表明:退役电池的SOC-OCV特性不受环境温度，放电倍率，储存时间及电池充放电状态的影响，退役电池的OCV随着SOC的递增而单调递增，随着SOC的递减而单调递减。等荷电态多步脉冲放电法测试结果表明:通过所建立退役电池的等效电路模型，可确定退役电池OCV关于SOC的模型，从而估算SOC值。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 文献综述

1．1 引言

1．2 电动汽车及锂动力电池

1．2．1 电动汽车的发展

1．2．2 电动汽车对锂动力电池的性能要求

1．2．3 锂动力电池产业的发展

1．2．4 锂动力电池技术现状

1．2．5 锂动力电池的回收

1．3 退役锂动力电池可靠性研究

1．3．1 残余寿命估计

1．3．2 劣化失效估计

1．3．3 荷电状态估计

1．4 数据处理方法

1．5 课题的研究目的与内容

第二章 电池检测设备、方法及分选

2．1 研究对象与检测设备

2．2 电池的性能参数

2．2．1 电池的电压

2．2．2 电池的容量

2．3．3 电池的电阻

2．3．4 放电深度

2．3．5 荷电状态

2．3．6 放电倍率

2．3．7 电池的寿命

2．3．8 SOC—OCV曲线

2．4 电池的基础性能测试

2．4．1 额定容量测试

2．4．2 剩余寿命测试

2．4．3 劣化失效测试

2．4．4 SOC—OCV测试

2．4．5 寿命截止条件

2．5 电池的分选

2．5．1 安全性测试

2．5．2 一致性分选

2．6 本章小结

第三章 电池剩余寿命估计

3．1 引言

3．2 影响电池寿命的因素

3．3 电池测试方案

3．4 试验数据初步分析

3．4．1 电池在不同放电深度下的放电行为

3．4．2 电池在不同放电倍率下的放电行为

3．4．3 电池在不同环境温度下的放电行为

3．5 建立电池寿命衰减模型

3．5．1 选取建立寿命模型的软件

3．5．2 电池寿命衰减模型的选择

3．5．3 模型修正

3．5．4 模型验证

3．5．5 电池剩余寿命预测

3．6 模型的推广

3．6．1 放电深度对电池寿命模型的影响

3．6．2 放电倍率对电池寿命模型的影响

3．7 本章小结

第四章 电池劣化失效估计

4．1 引言

4．2 电池劣化程度检测方案

4．3 拟合软件的选取

4．4 以欧姆内阻为研究基础的劣化失效估计

4．4．1 电池在不同放电深度下的劣化失效估计

4．4．2 电池在不同环境温度下的劣化失效估计

4．4．3 电池在不同放电倍率下的劣化失效估计

4．5 以交流阻抗为研究基础的劣化失效估计

4．5．1 电化学阻抗谱

4．5．2 等效电路

4．5．3 交流阻抗谱拟合过程

4．6 电池阻抗模型的建立

4．6．1 放电倍率对电池阻抗模型的影响

4．6．2 放电深度对电池阻抗模型的影响

4．6．3 环境温度对电池阻抗模型的影响

4．7 本章小结

第五章 电池寿命匹配检测

5．1 前言

5．2 电池的测试方案

5．3 拟合软件的选取

5．4 放电倍率对电池寿命的影响

5．5 电池寿命模型的建立

5．6 电池的寿命衰减匹配检测

5．6．1 匹配检测的过程

5．6．2 匹配检测的计算步骤

5．7 电化学阻抗谱分析

5．7．1 交流阻抗测试

5．7．2 等效电路拟合

5．7．3 等效电路参数的确定

5．7．4 参数拟合

5．8 本章小节

第六章 电池荷电状态估计

6．1 前言

6．2 SOC估计的方法

6．2．1 安时积分法

6．2．2 交流阻抗谱法

6．2．3 SOC—OCV试验法

6．2．4 脉冲放电试验法

6．3 电池测试方案

6．3．1 交流阻抗测试

6．3．2 SOC—OCV测试

6．3．3 脉冲放电测试

6．4 交流阻抗试验

6．4．1 电化学阻抗谱及等效电路模型

6．4．2 荷电状态对电池阻抗的影响

6．5 SOC—OCV试验

6．5．1 环境温度对电池SOC-OCV曲线的影响

6．5．2 放电倍率对电池SOC-OCV曲线的影响

6．5．3 电池的储存时间对SOC-OCV曲线的影响

6．5．4 充放电态对SOC-OCV曲线的影响

6．6 脉冲放电试验

6．6．1 脉冲放电曲线分析

6．6．2 等效电路模型

6．6．3 脉冲放电法参数拟合

6．7 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

附录

攻读博士学位期间主要研究成果

致谢