新型电动汽车锂电池管理系统的研究与实现 — 锂离子电池的特点及在电动车上的应用

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二十世纪九十年代以来，锂离子电池的研究和生产都取得了重大的进展，在各个领域的应用也越来越广泛，近年来，锂离子电池也被研究人员用在电动车车上用作动力能源，成为电动车发展的一个新趋势。本章首先介绍和电池有关的基本概念，然后介绍其锂离子电池的特点和在电动车上的应用。
         
        1.1充放电相关的基本概念
          单体电池、单个电池和电池组：单体电池（Cell）是指电动势为2V（铅酸）或1.2V（镍氢）或3.6V（锂电池）左右的蓄电池，是组成单个电池的基本单元；几个单体电池封装组成单个电池，简称电池（Battery）；电池组（Battery Pack）由若干个电池串联而成。
         
        电池的容量：指一定的放电条件下可以从电池中获得的电量，一个电池有理论容量、实际容量、额定或公称容量和额定储备容量之分。用Ah（安时）数、mAh（毫安时）表示。
         
        理论容量：理论容量是指假设活性物质全部参加电池的成流反应所给出的电量。它是根据活性物质的质量按照法拉弟定律计算得到的。为了比较不同系列的电池常用比容量的概念，即单位体积或单位质量电池所能给出的理论电量，常以Ah/Kg或Ah/L表示。
         
        实际容量：实际容量是指在一定的放电条件下电池实际放出的容量，等于放电电流与放电时间的乘积。其值小于理论容量。计算方法是：
       
       
         
        式中，C为实际容量，U为放电电压，I为放电电流，R为放电电阻，T为放电至终止电压的时间。
       
        额定容量：额定容量是指设计和制造电池时，按国家或有关部门颁布标准规定或保证电池在一定放电条件下应该放出的最低限度的电量。如电动车规定为C/3放电率下放出的容量。
       
        额定储备容量：国际电工学会（IEC）标准中规定汽车型蓄电池的容量用额定容量和储备容量表示均可。我国采用额定容量。指不分电池规格大小，一律以25A电流放电，到终止电压1.75V时的放电时间以分钟计。对规格不同的电池，规定不同的放电时间。
         
        电池的能量是指在一定放电条件下，电池所能给出的电能，通常用Wh表示。
           
          电池的功率是指电池在一定放电条件下，于单位时间内所给出能量的大小，单位为W（瓦）或KW。单位重量电池所能给出的功率称为比功率，单位W/kg或KW/kg.
           
          充电状态SOC（State Of Charge）：是描述电池荷电状态的一个重要参数，通常把在一定温度下电池充电到不能再吸收能量的状态理解为充电状态（SOC）为100%，而将电池再不能放出能量的状态理解为充电状态（SOC）0%.
         
       
         
        式中Cr是剩余电量，CT为电池标称容量，即在规定电流和温度下处于理想状态时的所能放出的容量。Qe已用电量。ωi为不同放电电流和温度下的电量加权系数；
       
        放电深度DOD（Depth Of Discharge）：DOD = Qe/CT，DOD=1－SOC。
          充电深度DOC（Depth Of Charge）：电池可能放出的电量与实际电池容量的比。
       
        DOC =（Ct－Qe）/Ct
          式中Ct为实际电池容量，与放电电流和温度有关。DOC的值不仅与当前状态（SOC，温度，电流等）有关而且与将来电池的放电情况有关，因此DOC比SOC更能反映电池的实际情况。
       
        充电接受能力（charge acceptance）：在蓄电池充电时，用于进行充电反应的电流与总的充电电流之比。
           
          即：a=IA/I
          a——充电接受能力
        IA——用于进行充电反应的那部分电流
        I——总的充电电流
           
          电池放电的电压拐点：通过电池的放电实验发现当电池的电压降到某点时，继续放电其电压会急剧下降，dv/dt数值很大，该点称为拐点。该点标示了电池电量已告罄，在拐点之下工作会造成对电池寿命的损害。如图1.1所示。电池的实际容量就是电压下降到拐点前所能释放的电量。
           
          放电率：指用放电时间来表示的电池放电速率，用公式表示如下：放电电流电池容量
          放电率（ h）=电视容量/放电电流
           
          老化：电池在开始使用初期的一段时间内，电池容量增加大约5％——15％。接下来的一段时间，电池容量基本不变。然后就开始逐渐减少。当电池容量衰减到额定容量80％时，就可以认为电池的寿命结束了。
           
         
           
          充放电周期（Cycle）：电池从充电开始到放电，再到下一次充电开始前称为一个充放电周期。
       
        循环寿命（Cycle_Life）：蓄电池在其实际容量降低至某一规定值之前所经历的充放电周期数。通常用来定义蓄电池的使用寿命。一般来讲，放电深度不同，电池寿命也不同。
       
        恢复效应：电池在非连续放电的条件下，放电一段时间后，空载开路或从大电流变为小电流放电，电池内部的电荷将进行重新分布而至平衡，这时电池的端电压回升，在小电流放电下仍能放出一定电量。
       
        自放电现象（Self-Discharge）：电池在不工作时由于内部的电化学反应造成的电池容量下降的现象。通常与时间和环境温度有关，环境温度越高自放电现象越明显，所以在一段时间不用电池要定期对电池进行补充电，并在适宜的温度和湿度下进行保存。
       
        历史档案：电池自出厂以来的关键数据，如电池出厂日期、标称容量、使用总安时数和过充过放记录等信息。
       
        电池运行状态SOR（State Of Running）：为了评价电池在充放电过程中所表现出的性能，而给出电池的运行表现评估值。SOR分为1到10十级，SOR为10表示电池运行性能很好，为1表示电池的运行性能非常差，急需更换。
       
        电池健康程度DOH（Degree Of Health）：为了评价综合电池性能而给出一个健康程度评估值。DOH分为1到10十级，DOH为（7-10）表示电池性能正常，为（4-6）表示电池需要维护，为（1-3）表示的电池性能很差应更换。
        1.2锂离子电池的特点
          锂电池是一种以金属锂或含有锂物质为负极的化学电源的总称。它是近十几年来获得发展的新型高比能量电池体系。以锂、钠等活泼金属作为电池的负极的设想最早是美国加州大学的一位研究生于1958年提出的。到了七十年代，日本松下电气公司的福田雅太郎首先发明了锂氟化碳电池并获得应用，从此，锂电池逐渐从实验的研究，走向了实用化和商品化。由于锂电池出色的性能，各国都竞相开发出各种新型的锂电池以满足军事和消费方面的需要，如锂碘电池（1972）、锂铬酸电池（1973）、锂二氧化硫电池（1974）、锂亚酸酰氯电池（1974）、锂氧化铜电池（1975）、锂二氧化锰电池（1976）、锂二硫化钼蓄电池（1989）、锂离子蓄电池（1991）和锂二氧化锰蓄电池（1994）等。尤其是90年代初，日本索尼能源技术公司发明和推出的高比能量、长寿命的锂离子蓄电池，极大的促进了锂电池工业的发展。
       
        锂离子电池有许多优越特性，比如高能量，较高的安全性，工作温度范围宽，工作电压平稳、贮存寿命长（相对其他的蓄电池）。从安全性来讲，锂离子电池要比其他蓄电池安全的多。特别是采取了控制措施后，锂离子电池的安全性有了很大的保证，电池经过过充、短路、穿刺、冲击（压）等滥用实验（ABUSE TEST），均无危险发生。锂离子电池与Cd-Ni，MH-Ni电池一样，可以快速充电，且无记忆效应，远比Cd-Ni电池优越；它的自放电率远比MH-Ni电池低。从环境保护的角度看，世界环境保护组织早已把镉（Cd）、汞（Hg）、铅（Pb）三种元素列为有害物质。因此含有这三种元素的电池的使用受到了限制，特别是在欧洲，有些政府大幅度提高了某些电池的环境税，与之相比，锂离子电池则不存这些问题。
       
        当然，锂离子电池也有一些缺点，比如低温放电率不高，电池的价格也比较高等。
       
        1.3锂离子电池在电动车上的应用
          为了推动和支持电动车的研究试制工作，美国早在90年代初就成立了“先进电池协会（USABC）”负责为电动车提供电池。该机构为扶持电动车用电池（主要是锂离子电池）的研制，先后投资2.6亿美元，其中向美国SAFT公司投资1180万美元，用以开发锂离子电池，向加拿大魁北克公司投入8500万美元，用以开发锂离子电池和锂聚合物电池；另外，还向Duracell及其合作伙伴德国Varta公司投入了1450万美元，开发锂离子电池，其技术指标要求如下表：日本政府也投资了1亿美元，并制定了一项叫做LIBES的计划，开发用于电动车的锂离子电池。
       
        在各国政府的支持下，不同性能的电动车先后亮相。首先是日本索尼公司于1995年推出了以锂离子电池为动力的电动车。该车重1.7T，载4个人，每次充电可以行驶200km.最大时速可达120km，从零启动加速到80km/h只需要12s；该车的动力电源是由96只尺寸为67*410mm以LiCoO2为正极的的锂离子电池组成的，每只电池的容量为100Ah，整个电源系统的比能量达到了110Wh/kg，能量密度达到250Wh/l.继索尼公司之后，日本三菱公司于1996年推出了电动车，该车以LiMn 2 O 4为正极的的锂离子电池为电源，一次行驶可达250km.之后又有三菱重工、本田、尼桑等均有电动车亮相，并于1997年初正式销售以锂离子电池为动力的电动车。继日本之后，美国和欧洲的一些公司也相继推出了自己研制的以锂离子电池为动力的电动车。
       
        电动车作为一种未来的交通工具，在进入市场方面，必然要同传统的交通工具-燃油汽车进行竞争，这就对电动车在价格和性能方面提出了一定的要求，就车的性能来讲，电动车的续驶里程，加速性能，爬坡能力等比较为大家关注，这些方面都很大程度上取决于作为动力的电池的性能。对电池性能的要求一般集中在，能量密度，功率密度，循环寿命等方面，业界一般都以USABC的规划作为参考，具体指标如下：
         
       
         
        经过10多年的研究和发展，锂离子蓄电池的生产技术逐渐成熟，在功率强度和循环寿命方面已经接近或达到了USABC的中期目标，与传统的铅酸和镍氢蓄电池相比较，锂离子蓄电池的功率强度有比较大的优势，见图1.2：
           
         
         
        锂离子动力电池代表了电池发展的方向。在电动车用电源中，将是最具潜力的动力电池。我国对锂离子电池的应用开发也十分重视。早在80年代初期，就开始了锂离子蓄电池的开发研制工作，在国内各个单位的努力下，取得了丰硕的成果。目前，雷天绿色电动源（深圳）有限公司已经首家实现产业化生产，其生产的10多种型号的大功率铬氟锂动力电池性能优良、价格合理，已经投放市场。
       
        2002年，世界上首辆采用雷天锂动力电池的电动公交车在北京阜成门外大街投入试运营，标志着我国电动车时代的到来。本论文所涉及的国家“863”课题就是使用雷天公司提供的100AH，384V锂电池组。
       
        1.4电动车用锂离子电池的充放电问题
          蓄电池的充电过程是一个复杂的电化学变化过程，其复杂性表现为：
           
          （1）多变量影响充电的因素很多，诸如极板、电介质的浓度、极板活性物的状态、充电环境温度等等，都对蓄电池所能承受的最大充电电流有直接的影响。
       
        （2）非线性一般而言，充电电流在充电过程中随充电时间呈指数规律下降，不可能只用简单恒流或恒压控制充电全过程。
       
        （3）复杂的电化学性即使是同一类型同一容量的电池，随着各自使用时放电的历史状态不一样，剩余电量的不一样，充电接受能力也有很大的不同。
       
        作为给电动车提供动力的电池组，由于使用环境的复杂性，其充放电过程也更为复杂，尤其是过充电和过放电会对电池的结构造成不可恢复的破坏，极大的影响其健康程度和性能。锂电池技术与传统的电池技术相比有很大的性能优势，但对监测系统也有更高的要求。如果控制不当的话，不仅对电池的结构会造成破坏，还会发生危险。
       
        负极过充电时，会产生金属锂沉淀：Li+ +e->Li（s），这种情况容易发生在正极活性物质相对于负极活性物质过量的情况下，但是，在高充电率的情况下，即使正负极活性物质的比例正常，也可能发生金属锂的沉积，金属锂的形成会从以下几个方面造成电池容量的下降：
           
          （1）可循环锂量减少；
          （2）沉积的金属锂与溶剂或支持电解质反应形成Li2CO3，LiF或其他产生物；
          （3）金属锂往往在负极与隔膜间形成，可能阻塞隔膜的的空隙，造成电池内阻的增大。当正极活性物质相对于负极活性物质比例过低时，容易发生正极过充电。正极过充电主要是会形成惰性物质，造成氧损失，从而导致电池容量的衰减。而过放电更是会造成极板晶格的破坏，如果过充电导致“反极”，会发生危险。
       
        为了能给电动车的电机提供比较高的电压，一般都采用了几十个单体电池（cell）串联的方式来提供电力（本文所涉及的实验样车上装有108节工作电压为3.8V的单体锂离子电池）。串联使用的复杂性，和电池之间的不一致性，都对管理系统提出了更高的要求。
       
        锂动力电池放电电流同其他电池相比，放电率偏小，比功率较小。好的长期可1C放电，脉冲2C，需要考虑增大电池的容量来满足电动车的要求。
           
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