隔爆环境下锂电池充放电特性研究

摘要

随着煤炭开采量的加大，煤矿井下的用电设备快速增长，一方面对其安全可靠供电提出了更高的要求，另一方面在一些移动场合也提出了便携性的要求。而不论是不间断电源，还是电机车、便携监测设备等，均对储能电池提出了更高的容量、安全要求。相比传统的铅酸蓄电池而言，锂离子电池，以其具有较高的能量质量比与能量体积比、无记忆效应、自放电率低、较长的使用寿命等特点，成为煤矿井下储能装置的首选。为了推动锂离子电池在煤矿井下的安全可靠应用，必须要了解锂离子电池在煤矿井下隔爆密闭环境中的充放电特性，为充放电电路、电池管理系统、保护等的设计提供依据。鉴于此，本研究显得很有必要。
　　本文首先介绍了锂电池的相关特性、应用现状以及国内外对锂电池充放电的研究现状，并以磷酸铁锂电池作为研究对象，说明了其工作原理。之后又介绍了锂电池的关键性能和特性参数，并针对锂电池的充放电特性、温度特性做出了重点说明。然后，介绍了电池的荷电状态的定义，以及预测它的各种方法。在研究原有电池模型的基础上，对比了几种模型的优缺点，提出了修正的Thevenin模型。由于单体电池电压较低、容量较小，故实际使用时需要若干单体电池串并联之后组成电池组再使用。而单体电池存在不可避免的不一致性缺点，我们需要给电池组加入均衡控制结构。本文采用非耗散型双向均衡电路，使相邻的两个单体电池之间的多余能量可以双向流动，相比耗散型均衡方法减少了能量的损失。为了研究磷酸铁锂电池在矿井隔爆、密闭、散热不良工况下的充放电特性，设计了一套充放电检测采集装置。在采集装置的硬件设计中，采用了TI公司的TMS320LF2407 DSP作为主控制器，外围电路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、温度、电池组总电压值以及电池组电流值。串行通讯电路采用的是RS-232接口设计，将采集的电池数据传输至上位机。编写了上位机软件，由上位机完成数据的处理、显示与存储。
　　由此采集装置，将磷酸铁锂电池置于模拟的矿井下隔爆、密闭、散热不良的隔爆腔中，实际测试磷酸铁锂电池的充放电特性，得出其在此种环境下的充放电特性曲线。由特性曲线，通过曲线拟合算法，辨识出模型中的参数，得到其数学表达式，建立了磷酸铁锂电池在此种环境下的数学模型。对于均衡控制电路，搭建了实际电路，并进行相关的实验，表明了该均衡电路可以完成均衡的任务。最后，在MATLAB\Simulink环境下，搭建了电池模型电路，对模型进行验证，得出了结论。为磷酸铁锂电池在隔爆环境中的安全、高效应用，奠定一定的基础。
　　文章的结尾是对本文研究的总结与展望。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题背景及研究意义

1．2 课题的提出

1．3 国内外研究现状与存在问题

1．4 研究的主要内容

1．5 本章小结

2 锂电池特性与参数

2．1 锂离子电池概述

2．2 锂离子电池工作原理和特点

2．2．1 锂离子电池的工作原理

2．2．2 锂离子电池的特点

2．3 锂离子电池的参数

2．4 本章小结

3 荷电状态预测及建模

3．1 电池荷电状态概述

3．2 常见的荷电状态预测方法

3．2．1 安时计量法

3．2．2 内阻法

3．2．3 开路电压法

3．2．4 负载电压法

3．2．5 人工神经网络算法

3．3 Kalman滤波算法

3．3．1 卡尔曼滤波器

3．3．2 标准卡尔曼滤波算法

3．3．3 扩展卡尔曼滤波算法

3．4 电池的建模

3．4．1 电池的内阻模型

3．4．2 电池的阻容模型

3．4．3 电池的PNGV模型

3．4．4 电池的GNL模型

3．4．5 电池的Thevenin模型

3．4．6 修正的Thevenin模型

3．5 本章小结

4 电池组的能量均衡

4．1 均衡控制的意义

4．2 均衡原理及方案

4．3 非耗散型双向均衡电路的设计

4．4 均衡电路参数的选择

4．5 驱动电路设计

4．6 本章小结

5 锂电池实验数据的采集

5．1 主采集板设计

5．2 电压采集

5．3 电流采集

5．4 温度采集

5．5 上位机通讯

5．6 上位机界面设计

5．7 本章小结

6 锂电池的实验与验证

6．1 实验对象

6．2 电池充电实验

6．3 电池放电实验

6．4 电池组均衡验证

6．5 修正Thevenin模型参数的辨识

6．5．1 放电方向模型参数的辨识

6．5．2 充电方向模型参数的辨识

6．6 修正Thevenin模型的MATLAB验证

6．7 本章小结

7 总结与展望

7．1 总结

7．2 不足与展望

参考文献

致谢

作者简介及读研期间发表论文情况