電動(dòng)汽車鋰電池管理系統(tǒng)的老化房研究與實(shí)現(xiàn)

二十世紀(jì)九十年代以來，鋰離子電池的研究和生產(chǎn)都取得了重大的進(jìn)展，在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛，近年來，鋰離子電池也被研究人員用在電動(dòng)車車上用作動(dòng)力能源，成為電動(dòng)車發(fā)展的一個(gè)新趨勢(shì)。本章首先介紹和電池有關(guān)的基本概念，然后介紹其鋰離子電池的特點(diǎn)和在電動(dòng)車上的應(yīng)用。

1.1充放電相關(guān)的基本概念

老化房、高溫老化房、溫度沖擊試驗(yàn)箱、快速溫變?cè)囼?yàn)箱、高低溫試驗(yàn)箱

單體電池、單個(gè)電池和電池組：單體電池（Cell）是指電動(dòng)勢(shì)為2V（鉛酸）或1.2V（鎳氫）或3.6V（鋰電池）左右的蓄電池，是組成單個(gè)電池的基本單元；幾個(gè)單體電池封裝組成單個(gè)電池，簡稱電池（Battery）；電池組（Battery Pack）由若干個(gè)電池串聯(lián)而成。

電池的容量：指一定的放電條件下可以從電池中獲得的電量，一個(gè)電池有理論容量、實(shí)際容量、額定或公稱容量和額定儲(chǔ)備容量之分。用Ah（安時(shí)）數(shù)、mAh（毫安時(shí)）表示。

理論容量：理論容量是指假設(shè)活性物質(zhì)全部參加電池的成流反應(yīng)所給出的電量。它是根據(jù)活性物質(zhì)的質(zhì)量按照法拉弟定律計(jì)算得到的。為了比較不同系列的電池常用比容量的概念，即單位體積或單位質(zhì)量電池所能給出的理論電量，常以Ah/Kg或Ah/L表示。

實(shí)際容量：實(shí)際容量是指在一定的放電條件下電池實(shí)際放出的容量，等于放電電流與放電時(shí)間的乘積。其值小于理論容量。計(jì)算方法是：



式中，C為實(shí)際容量，U為放電電壓，I為放電電流，R為放電電阻，T為放電至終止電壓的時(shí)間。

額定容量：額定容量是指設(shè)計(jì)和制造電池時(shí)，按國家或有關(guān)部門頒布標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定或保證電池在一定放電條件下應(yīng)該放出的zui低限度的電量。如電動(dòng)車規(guī)定為C/3放電率下放出的容量。

環(huán)境試驗(yàn)室、步入式環(huán)境試驗(yàn)室、高低溫試驗(yàn)室、溫度沖擊試驗(yàn)箱、冷熱沖擊試驗(yàn)箱、高低溫沖擊試驗(yàn)箱、冷熱沖擊試驗(yàn)機(jī)、溫度沖擊試驗(yàn)機(jī)、快速溫變?cè)囼?yàn)箱、高低溫交變濕熱箱、步入式恒溫恒濕試驗(yàn)室

額定儲(chǔ)備容量：電工學(xué)會(huì)（IEC）標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定汽車型蓄電池的容量用額定容量和儲(chǔ)備容量表示均可。我國采用額定容量。指不分電池規(guī)格大小，一律以2電流放電，到終止電壓1.75V時(shí)的放電時(shí)間以分鐘計(jì)。對(duì)規(guī)格不同的電池，規(guī)定不同的放電時(shí)間。

老化房電池的能量是指在一定放電條件下，電池所能給出的電能，通常用Wh表示。
 
電池的功率是指電池在一定放電條件下，于單位時(shí)間內(nèi)所給出能量的大小，單位為W（瓦）或KW。單位重量電池所能給出的功率稱為比功率，單位W/kg或KW/kg.

老化房、高溫老化房、溫度沖擊試驗(yàn)箱、快速溫變?cè)囼?yàn)箱、高低溫試驗(yàn)箱
 
充電狀態(tài)SOC（State Of Charge）：是描述電池荷電狀態(tài)的一個(gè)重要參數(shù)，通常把在一定溫度下電池充電到不能再吸收能量的狀態(tài)理解為充電狀態(tài)（SOC）為，而將電池再不能放出能量的狀態(tài)理解為充電狀態(tài)（SOC）0%.



式中Cr是剩余電量，C_T為電池標(biāo)稱容量，即在規(guī)定電流和溫度下處于理想狀態(tài)時(shí)的所能放出的容量。Qe已用電量。ω_i為不同放電電流和溫度下的電量加權(quán)系數(shù)；

放電深度DOD（Depth Of Discharge）：DOD = Qe/C_T，DOD=1－SOC。
充電深度DOC（Depth Of Charge）：電池可能放出的電量與實(shí)際電池容量的比。

DOC =（Ct－Qe）/C_t
式中Ct為實(shí)際電池容量，與放電電流和溫度有關(guān)。DOC的值不僅與當(dāng)前狀態(tài)（SOC，溫度，電流等）有關(guān)而且與將來電池的放電情況有關(guān)，因此DOC比SOC更能反映電池的實(shí)際情況。

充電接受能力（charge acceptance）：在蓄電池充電時(shí)，用于進(jìn)行充電反應(yīng)的電流與總的充電電流之比。
 環(huán)境試驗(yàn)室、步入式環(huán)境試驗(yàn)室、高低溫試驗(yàn)室、溫度沖擊試驗(yàn)箱、冷熱沖擊試驗(yàn)箱、高低溫沖擊試驗(yàn)箱、冷熱沖擊試驗(yàn)機(jī)、溫度沖擊試驗(yàn)機(jī)、快速溫變?cè)囼?yàn)箱、高低溫交變濕熱箱、步入式恒溫恒濕試驗(yàn)室、老化房、高溫老化房
即：a=I_A/I
a——充電接受能力
I_A——用于進(jìn)行充電反應(yīng)的那部分電流
I——總的充電電流
 
電池放電的電壓拐點(diǎn)：通過電池的放電實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)電池的電壓降到某點(diǎn)時(shí)，繼續(xù)放電其電壓會(huì)急劇下降，dv/dt數(shù)值很大，該點(diǎn)稱為拐點(diǎn)。該點(diǎn)標(biāo)示了電池電量已告罄，在拐點(diǎn)之下工作會(huì)造成對(duì)電池壽命的損害。如圖1.1所示。電池的實(shí)際容量就是電壓下降到拐點(diǎn)前所能釋放的電量。
 
放電率：指用放電時(shí)間來表示的電池放電速率，用公式表示如下：放電電流電池容量
放電率（ h）=電視容量/放電電流
 
老化房：電池老化房在開始使用初期的一段時(shí)間內(nèi)，電池容量增加大約5％——15％。接下來的一段時(shí)間，電池容量基本不變。然后就開始逐漸減少。當(dāng)電池容量衰減到額定容量80％時(shí)，就可以認(rèn)為電池的壽命結(jié)束了。
 

 
充放電周期（Cycle）：電池從充電開始到放電，再到下一次充電開始前稱為一個(gè)充放電周期。

循環(huán)壽命（Cycle_Life）：蓄電池在其實(shí)際容量降低至某一規(guī)定值之前所經(jīng)歷的充放電周期數(shù)。通常用來定義蓄電池的使用壽命。一般來講，放電深度不同，電池壽命也不同。

恢復(fù)效應(yīng)：電池在非連續(xù)放電的條件下，放電一段時(shí)間后，空載開路或從大電流變?yōu)樾‰娏鞣烹姡姵貎?nèi)部的電荷將進(jìn)行重新分布而至平衡，這時(shí)電池的端電壓回升，在小電流放電下仍能放出一定電量。

自放電現(xiàn)象（Self-Discharge）：電池在不工作時(shí)由于內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)造成的電池容量下降的現(xiàn)象。通常與時(shí)間和環(huán)境溫度有關(guān)，環(huán)境溫度越高自放電現(xiàn)象越明顯，所以在一段時(shí)間不用電池要定期對(duì)電池進(jìn)行補(bǔ)充電，并在適宜的溫度和濕度下進(jìn)行保存。

歷史檔案：電池自出廠以來的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，如電池出廠日期、標(biāo)稱容量、使用總安時(shí)數(shù)和過充過放記錄等信息。

電池運(yùn)行狀態(tài)SOR（State Of Running）：為了評(píng)價(jià)電池在充放電過程中所表現(xiàn)出的性能，而給出電池的運(yùn)行表現(xiàn)評(píng)估值。SOR分為1到10十級(jí)，SOR為10表示電池運(yùn)行性能很好，為1表示電池的運(yùn)行性能非常差，急需更換。

電池健康程度DOH（Degree Of Health）：為了評(píng)價(jià)綜合電池性能而給出一個(gè)健康程度評(píng)估值。DOH分為1到10十級(jí)，DOH為（7-10）表示電池性能正常，為（4-6）表示電池需要維護(hù)，為（1-3）表示的電池性能很差應(yīng)更換。
1.2鋰離子電池的特點(diǎn)
鋰電池是一種以金屬鋰或含有鋰物質(zhì)為負(fù)極的化學(xué)電源的總稱。它是近十幾年來獲得發(fā)展的新型高比能量電池體系。以鋰、鈉等活潑金屬作為電池的負(fù)極的設(shè)想zui早是美國加州大學(xué)的一位研究生于1958年提出的。到了七十年代，日本松下電氣公司的福田雅太郎首先發(fā)明了鋰氟化碳電池并獲得應(yīng)用，從此，鋰電池逐漸從實(shí)驗(yàn)的研究，走向了實(shí)用化和商品化。由于鋰電池出色的性能，各國都競(jìng)相開發(fā)出各種新型的鋰電池以滿足軍事和消費(fèi)方面的需要，如鋰碘電池（1972）、鋰鉻酸電池（1973）、鋰二氧化硫電池（1974）、鋰亞酸酰氯電池（1974）、鋰氧化銅電池（1975）、鋰二氧化錳電池（1976）、鋰二硫化鉬蓄電池（1989）、鋰離子蓄電池（1991）和鋰二氧化錳蓄電池（1994）等。尤其是90年代初，日本索尼能源技術(shù)公司發(fā)明和推出的高比能量、長壽命的鋰離子蓄電池，極大的促進(jìn)了鋰電池工業(yè)的發(fā)展。

鋰離子電池有許多*特性，比如高能量，較高的安全性，工作溫度范圍寬，工作電壓平穩(wěn)、貯存壽命長（相對(duì)其他的蓄電池）。從安全性來講，鋰離子電池要比其他蓄電池安全的多。特別是采取了控制措施后，鋰離子電池的安全性有了很大的保證，電池經(jīng)過過充、短路、穿刺、沖擊（壓）等濫用實(shí)驗(yàn)（ABUSE TEST），均無危險(xiǎn)發(fā)生。鋰離子電池與Cd-Ni，MH-Ni電池一樣，可以快速充電，且無記憶效應(yīng)，遠(yuǎn)比Cd-Ni電池*；它的自放電率遠(yuǎn)比MH-Ni電池低。從環(huán)境保護(hù)的角度看，世界環(huán)境保護(hù)組織早已把鎘（Cd）、汞（Hg）、鉛（Pb）三種元素列為有害物質(zhì)。因此含有這三種元素的電池的使用受到了限制，特別是在歐洲，有些政府大幅度提高了某些電池的環(huán)境稅，與之相比，鋰離子電池則不存這些問題。

當(dāng)然，鋰離子電池也有一些缺點(diǎn)，比如低溫放電率不高，電池的價(jià)格也比較高等。

1.3鋰離子電池在電動(dòng)車上的應(yīng)用
為了推動(dòng)和支持電動(dòng)車的研究試制工作，美國早在90年代初就成立了“*電池協(xié)會(huì)（USABC）”負(fù)責(zé)為電動(dòng)車提供電池。該機(jī)構(gòu)為扶持電動(dòng)車用電池（主要是鋰離子電池）的研制，先后投資2.6億美元，其中向美國SAFT公司投資1180萬美元，用以開發(fā)鋰離子電池，向加拿大魁北克公司投入8500萬美元，用以開發(fā)鋰離子電池和鋰聚合物電池；另外，還向Duracell及其合作伙伴德國Varta公司投入了1450萬美元，開發(fā)鋰離子電池，其技術(shù)指標(biāo)要求如下表：日本政府也投資了1億美元，并制定了一項(xiàng)叫做LIBES的計(jì)劃，開發(fā)用于電動(dòng)車的鋰離子電池。

在各國政府的支持下，不同性能的電動(dòng)車先后亮相。首先是日本索尼公司于1995年推出了以鋰離子電池為動(dòng)力的電動(dòng)車。該車重1.7T，載4個(gè)人，每次充電可以行駛200km.zui大時(shí)速可達(dá)120km，從零啟動(dòng)加速到80km/h只需要12s；該車的動(dòng)力電源是由96只尺寸為67*410mm以LiCoO₂為正極的的鋰離子電池組成的，每只電池的容量為100Ah，整個(gè)電源系統(tǒng)的比能量達(dá)到了110Wh/kg，能量密度達(dá)到250Wh/l.繼索尼公司之后，日本三菱公司于1996年推出了電動(dòng)車，該車以LiMn 2 O 4為正極的的鋰離子電池為電源，一次行駛可達(dá)250km.之后又有三菱重工、本田、尼桑等均有電動(dòng)車亮相，并于1997年初正式銷售以鋰離子電池為動(dòng)力的電動(dòng)車。繼日本之后，美國和歐洲的一些公司也相繼推出了自己研制的以鋰離子電池為動(dòng)力的電動(dòng)車。

電動(dòng)車作為一種未來的交通工具，在進(jìn)入市場(chǎng)方面，必然要同傳統(tǒng)的交通工具-燃油汽車進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)，這就對(duì)電動(dòng)車在價(jià)格和性能方面提出了一定的要求，就車的性能來講，電動(dòng)車的續(xù)駛里程，加速性能，爬坡能力等比較為大家關(guān)注，這些方面都很大程度上取決于作為動(dòng)力的電池的性能。對(duì)電池性能的要求一般集中在，能量密度，功率密度，循環(huán)壽命等方面，業(yè)界一般都以USABC的規(guī)劃作為參考，具體指標(biāo)如下：



經(jīng)過10多年的研究和發(fā)展，鋰離子蓄電池的生產(chǎn)技術(shù)逐漸成熟，在功率強(qiáng)度和循環(huán)壽命方面已經(jīng)接近或達(dá)到了USABC的中期目標(biāo)，與傳統(tǒng)的鉛酸和鎳氫蓄電池相比較，鋰離子蓄電池的功率強(qiáng)度有比較大的優(yōu)勢(shì)，見圖1.2：
 


鋰離子動(dòng)力電池代表了電池發(fā)展的方向。在電動(dòng)車用電源中，將是潛力的動(dòng)力電池。我國對(duì)鋰離子電池的應(yīng)用開發(fā)也十分重視。早在80年代初期，就開始了鋰離子蓄電池的開發(fā)研制工作，在國內(nèi)各個(gè)單位的努力下，取得了豐碩的成果。目前，雷天綠色電動(dòng)源（深圳）有限公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，其生產(chǎn)的10多種型號(hào)的大功率鉻氟鋰動(dòng)力電池性能優(yōu)良、價(jià)格合理，已經(jīng)投放市場(chǎng)。

2002年，世界上首輛采用雷天鋰動(dòng)力電池的電動(dòng)公交車在北京阜成門外大街投入試運(yùn)營，標(biāo)志著我國電動(dòng)車時(shí)代的到來。本論文所涉及的國家“863”課題就是使用雷天公司提供的100AH，384V鋰電池組。

1.4電動(dòng)車用鋰離子電池的充放電問題
蓄電池的充電過程是一個(gè)復(fù)雜的電化學(xué)變化過程，其復(fù)雜性表現(xiàn)為：
 
（1）多變量影響充電的因素很多，諸如極板、電介質(zhì)的濃度、極板活性物的狀態(tài)、充電環(huán)境溫度等等，都對(duì)蓄電池所能承受的zui大充電電流有直接的影響。

（2）非線性一般而言，充電電流在充電過程中隨充電時(shí)間呈指數(shù)規(guī)律下降，不可能只用簡單恒流或恒壓控制充電全過程。

（3）復(fù)雜的電化學(xué)性即使是同一類型同一容量的電池，隨著各自使用時(shí)放電的歷史狀態(tài)不一樣，剩余電量的不一樣，充電接受能力也有很大的不同。

作為給電動(dòng)車提供動(dòng)力的電池組，由于使用環(huán)境的復(fù)雜性，其充放電過程也更為復(fù)雜，尤其是過充電和過放電會(huì)對(duì)電池的結(jié)構(gòu)造成不可恢復(fù)的破壞，極大的影響其健康程度和性能。鋰電池技術(shù)與傳統(tǒng)的電池技術(shù)相比有很大的性能優(yōu)勢(shì)，但對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也有更高的要求。如果控制不當(dāng)?shù)脑挘粌H對(duì)電池的結(jié)構(gòu)會(huì)造成破壞，還會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)。

負(fù)極過充電時(shí)，會(huì)產(chǎn)生金屬鋰沉淀：Li+ +e->Li（s），這種情況容易發(fā)生在正極活性物質(zhì)相對(duì)于負(fù)極活性物質(zhì)過量的情況下，但是，在高充電率的情況下，即使正負(fù)極活性物質(zhì)的比例正常，也可能發(fā)生金屬鋰的沉積，金屬鋰的形成會(huì)從以下幾個(gè)方面造成電池容量的下降：
 
（1）可循環(huán)鋰量減少；

（2）沉積的金屬鋰與溶劑或支持電解質(zhì)反應(yīng)形成Li2CO3，LiF或其他產(chǎn)生物；

（3）金屬鋰往往在負(fù)極與隔膜間形成，可能阻塞隔膜的的空隙，造成電池內(nèi)阻的增大。當(dāng)正極活性物質(zhì)相對(duì)于負(fù)極活性物質(zhì)比例過低時(shí)，容易發(fā)生正極過充電。正極過充電主要是會(huì)形成惰性物質(zhì)，造成氧損失，從而導(dǎo)致電池容量的衰減。而過放電更是會(huì)造成極板晶格的破壞，如果過充電導(dǎo)致“反極”，會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)。

為了能給電動(dòng)車的電機(jī)提供比較高的老化房電壓，一般都采用了幾十個(gè)單體電池（cell）串聯(lián)的方式來提供電力（本文所涉及的實(shí)驗(yàn)樣車上裝有108節(jié)工作電壓為3.8V的單體鋰離子電池）。串聯(lián)使用的復(fù)雜性，和電池之間的不一致性，都對(duì)管理系統(tǒng)提出了更高的要求。

鋰動(dòng)力電池放電電流同其他電池相比，放電率偏小，比功率較小。好的長期可1C放電，脈沖2C，需要考慮增大電池的容量來滿足電動(dòng)車的要求。