1、 锂电池组均衡充电与管理系统设计 重庆大学硕士学位论文 （学术学位） 学生姓名：孙 朝 指导 教师 ：苏玉刚 教 授 专 业：控制科学与工程 学科门类：工 学 重庆大学自动化学院 二 O 一三年四月 Design of Li-Battery Charging Equalization and Management System A Thesis Submitted to Chongqing University in Partial Fulfillment of the Requirement for the Masters Degree of Engineering By Sun Zhao
2、Supervised by Prof. Su Yugang Specialty: control theory and control engineering College of Automation of Chongqing University, Chongqing, China April, 2013 重庆大学硕士学位论文 中文摘要 I 摘 要 为了解决能源危机和环境污染，各国加大科研投入，促进了电动汽车的快速发展。锂电池以其优越的性能成为电动汽车动力电池的首选，但是对锂电池管理系统也提出了更高要求。为了获得较高的电压和功率，需要将大量锂电池单体串并连接。由于生产工艺的限制，在串联时单
3、体间存在初始容量、内阻、电压等不一致性，使用过程中会导致电池组利用率降低、使用寿命缩短甚至引发安全事故，这些问题成为电动汽车技术发展的瓶颈。本文对锂电池组进行的均衡充电研究和管理系统优化设计有利于推动电动汽车的发展。 围绕上述问题本文主要做了以下工作： 针对电池组充电电路输出不稳定和充电效率低的问题，通过分析当前几种锂电池组充电方案，设计基于 Buck 电路的恒流恒压充电电源；根据对锂电池组常用连接方式的分析，得出采用先串后并 (S-P)和先并后串 (P-S)正常导通概率的数学模型， 为分析不同连接方式的可靠性提供了理论依据 。 针对均衡电路效率低和成本高等问题，分析了当前已有的几种典型均衡方
4、案，以集中多绕组变压器均衡电路为基础，提出改进了均衡电路，该电路具有体积小、结构简单、成本低等特点，给出了改进后电路的 数学模型并仿真 验证了改进后电路的可行性；基于均衡电路提出改 进了均衡控制判定算法。 针对 荷电状态 (SOC， state of charge)估算精度低和实现难的问题，分析了当前多种常用 SOC估算方案，基于锂电池 Thevenin模型 ，结合扩展卡尔曼 (EKF)滤波器原理，建立锂电池 SOC估算算法， 仿真分析验证了 EKF滤波算法可以实现对锂电池组电量的有效估计， 能够解决安时积分法初值和开路电压法开路电压难测定的问题 。 基于上述研究工作，完成了对锂电池管理系统硬
5、软件设计，重点集中在 FPGA控制电路设计，检测电路设计和均衡控制子程序设计 。 关键字： 锂电池管理系统、不一致性、均衡 、集中式多绕组变压器、 SOC 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 II ABSTRACT In order to solve Energy crisis and environmental pollution, many countries increase research investment, promoting the rapid development of electric vehicles, lithium battery is the first selec
6、tion with excellent function for electric vehicles, but a higher demand for lithium battery management system. In order to obtain high voltage and power, a large number of cells should string and parallel in connections. Due to the limitations of the production process, the cell used in series, the
7、initial capacity, internal resistance, voltage and other inconsistencies, causing reduced available capacity of the battery pack, utilization fell, severe will shorten the service life of the battery pack even produce safety incident and serious impediment to the popularity of electric vehicles, it
8、is the impediment for the development of electric vehicles. The lithium battery pack equalizing charge and management system optimized design is conducive to promoting the development of electric vehicles. In response to these problems, the paper mainly has done the following work: For its output un
9、stable and charging efficiency, the design based on the Buck circuit constant current constant voltage charging power; Based on the analysis of lithium batteries commonly used in connection, concluded that the first string after parallel and first parallel after string of two connections normal cond
10、ucting probabilistic mathematical model, provides a theoretical basis for the reliability of the analysis of different connection. For the equalization circuit low efficiency and high cost problems, the analysis of the existing several typical equalization scheme, focus on multi-winding transformer
11、circuit that was proposed based on improved equalization circuit, the circuit has a small size, simple structure, low cost characteristics and has given mathematical model and simulation to verify the feasibility of the improved circuit improved circuit; improved balance control decision algorithm b
12、ased on statistical laws. In accordance with domestic and international state of charge (SOC state of charge) Research, analyze a variety of commonly used the SOC estimate the program for its low estimation accuracy and difficult problem, based lithium battery Thevenin model, combined with the exten
13、ded Kalman (EKF) filtering is the principle of the establishment of a lithium battery SOC estimation algorithm, simulation analysis to verify EKF filtering algorithm can achieve estimated power lithium battery pack, can 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 III solve problems An initial value of integration method and th
14、e open-circuit voltage the method open circuit voltage is difficult determination the difficult to achieve Based on the above-mentioned study, the completion of the lithium battery management system hardware and software design, focus on the design of the FPGA control circuit, the design of the dete
15、ction circuit and equalized. Keywords: Lithium battery Management system, Inconsistency, equalization, multi-winding transformer, SOC. 重庆大学硕士学位论文 目 录 IV 目 录 中文摘要 I 英文摘要 II 1 绪论 1 1.1 研究背景及意义 . 1 1.2 国内外研究现状 . 2 1.2.1 均衡电路研究现状 3 1.2.2 荷电状态 (SOC)估算研究现状 6 1.3 论文主要研究内容 . 7 1.4 本章小结 . 7 2 锂电池模型与电池组一致性分析
16、8 2.1 锂电池发展与原理介绍 . 8 2.1.1 锂电池的发展 8 2.1.2 锂电池充放电原理 9 2.1.3 锂电池性能分析 10 2.2 锂离子电池经验模型分析 . 10 2.1.1 理想模型 11 2.2.2 线性模型 11 2.2.3 Thevenin 模型 . 12 2.2.4 阻抗模型 13 2.2.5 四阶动态模型 13 2.3 锂电池组不一致性分析 . 14 2.3.1 不一致性产生原因 15 2.3.2 单体间不一致性对电池组性能的影响 15 2.4 电池组充电方案分析 . 16 2.5 本章小结 . 18 3 锂电池组均 衡充电技术研究与仿真分析 19 3.1 电池组
17、结构分析与均衡方式选择 . 19 3.1.1 电池组连接方式分析 19 3.1.2 均 衡方式选择 20 3.2 锂电池组均衡充电电源设计 . 21 3.3 均衡电路方案分析 . 22 重庆大学硕士学位论文 目 录 V 3.4 基于反激式原理的集中式多绕组均 衡电路的优化设计 . 25 3.4.1 均衡电路工作原理 25 3.4.2 改进后的均衡电路分析 26 3.4.3 均衡充电控制设计 28 3.4.4 仿真结果分析 29 3.5 本章小结 . 31 4 锂电池组 SOC 估算方案分析与建模 32 4.1 SOC 的定义与影响因素 . 32 4.1.1 SOC 的定义 32 4.1.2 S
18、OC 的影响因素 33 4.2 锂电池 SOC 预测方案分析 . 35 4.3 基于扩展卡尔曼滤波器的 SOC 估算算法 . 36 4.3.1 EKF 原理分析 . 36 4.3.2 基于 EKF 的 SOC 算法原理 . 38 4.3.3 SOC 仿真与结果分析 40 4.4 本章小结 . 41 5 锂电池管理系统设计 . 42 5.1 锂电池组管理系统结构设计 . 42 5.2 锂电池组管理系统硬件电路设计 . 43 5.2.1 TMS320LF2407 芯片介绍与外围电路设计 . 43 5.2.2 锂电池组电压检测电路 45 5.2.3 锂电池组总电流检测电路设计 47 5.2.4 锂电
19、池组管理系统温度检测电路 48 5.3 锂电池管理系统软件设计 . 48 5.3.1 系统主程序设计 48 5.3.2 电池状态判断子程序 49 5.3.3 均衡控制子程序 50 5.3.4 电池组 SOC 估算子程序 51 5.4 本章小结 . 52 6 总结与展望 53 6.1 全文总结 . 53 6.2 后续研究工作展望 . 54 致 谢 . 55 参考文献 . 56 重庆大学硕士学位论文 目 录 VI 附 录 . 59 A. 作者在攻读硕士学位期间参与的项目 59 B. 作者在攻读硕士学位期间获得的奖励 59 重 庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 绪论 1.1 研究背景及意义 随着
20、社会的不断发展，人类对能源的获取越来越大。然而煤炭、石油、天然气等化石能源的日益枯竭和环境污染的 双重制约，已经严重影响了社会的可持续发展。为了解决这些问题，走可持续发展道路，开发新能源成为各国的共识。美国、西欧、日本等发达经济体早已投入大量资金来解决内燃机车带来的环境污染和能源危机，相继开发了混合动力和纯电动汽车。 我国在 十二五 规划中明确了要大力发展节能环保、新能源汽车等战略性新兴产业，重点发展燃料电池汽车技术、混合动力汽车和纯电动汽车，战略性新兴产业增加值占国内生产总值比重达到 8%左右。虽然 太阳能、风能、核能等新能源技术涌现在一定程度上缓解了能源危机和环境污染，但是电动汽车和数码产
21、品等用电设备要利 用这些能源则需要能量存储装置，锂离子电池以其端电压高、自放电率低、能量密度大和无记忆效应、寿命长等优良的性能得到了广泛应用。 根据日本矢野经济研究所调查统计分析，结果显示便携 设备用锂电池全球产量于 2007 年已达 24.5 亿只，在 2012 年有望达到 37.7 亿只 。近年来，随着国家政策的支持，我国电动车市场的迅猛发展，使锂电池的产量急速增长。据统计， 2010年我国锂电池市场规模达到 276.1 亿元，较 2009 年增长 37.9%。这几年我国锂电池产量突飞猛进， 2010 年锂电池全国产量达到 36.7 亿颗，同比增长 33.9%。 2010年中国锂电池产量占
22、全球的 30%以上，并呈现出逐年增加的趋势 1。在我国，电动车已经进入到百姓的生活中，大到一线城市小到乡村，随处可见各种品牌的电动汽车、电动自行车飞驰于道路上。可以说电动车和手机等通讯工具一样已成为中国百姓生活中非常重要的一部分。可以说未来我们能否解决内燃机车带来的环境和能源问题，锂电池将发挥不可替代的作用。 在锂电池生产过程中受生产工艺的限制，单体之间存在电压、容量、内阻等的不一致性，即使在同一批锂电池单体中随着循环使用次数的增加也会产生不一致性。特别地为了获得较大的电压等级和功 率等级，需要把大量单体串并使用，单体不一致性的缺点表现更加明显，使得电池组在放电过程中无法充分利用，从而造成电量
23、利用率低和缩短使用寿命。如果在充放电过程中发生过充、过放及过流现象，会对锂电池造成不可逆转的破坏，并可能造成安全事故。所以为了保证电池组的安全使用并延长电池组的使用寿命，电池组单体必须保持在一致的荷电状态 (SOC)，唯有通过高效的电池管理使所有单体的荷电状态均衡到电池一致性安全的范围。总之， 锂电池生产工艺的限制阻碍了电动汽车产业的发展，优良的锂重 庆大学硕士学位论文 1 绪论 2 电池均衡充电管理系统可加速动力电池产业化进程，电动汽车 的普及又能促进锂电池生产工艺和管理系统的进一步改进，为锂电池的应用带来更大的市场需求。所以可靠、高效的锂电池组均衡管理系统对于锂电池的推广应用，特别对电动汽
24、车的发展和应用具有重大意义。 1.2 国内外研究现状 锂电池组管理系统主要是以应用于电动汽车为研究基础，各国汽车生产商和高校都已经在这方面展开了大量研究并取得了许多成果。国外如德国的 B.Hauck公司推出的 BATTMAN系统；美国通用汽车公司生产的电动汽车 EV1上应用的锂电池控制管理系统；美国 AC Propulsion公司开发的 Batt-Opt和 Batt-Mon高性能锂电池控制管理系统 23；美国 Aero-vironment公司开发的 Smart Guard系统 4； 日本丰田汽车公司于 1997年推出了世界上第一个大规模生产的混合动力汽车 PRIUS Hybrid（ PRIUS
25、） ，松下公司也进军电池管理系统市场，各国已申请专利，开始走向实用化。我国在这方面也发展迅速，国内以 重庆大学自动化学院、 清华大学、北京航空航天大学 、 北京理工大学等 院 校和比亚迪汽车、长安汽车、东风汽车等公司也推出了自己的锂电池控制管理系统。 电池管理系统 (BMS， Battery Management System)主要实现电池组在工作时能够保障其高效、可靠、安全运行。电池组外部参数的检测、热管理、均衡控制、充放电控制、故障诊断及报警、与外部设备通信、状态显示、荷电状态 (SOC)和健康状态 (SOH， State of Health)估计等是电池管理系统必须具备的功能。 均衡 充
26、电管理系统结构框图如图 1.1所示，在电池充放电过程中，通过数据采集器获得各单体电池的工作状态、工作温度等参数，微控制器分析其性能，然后控制器依据微控制器发送的信号控制充电电源、负载、均衡器，并显示电池组运行状态信息，实现电 池的最优化管理。 均衡器数据采集微 控 制器显 示 器充 电 电 源负 载图 1.1 均衡 充电管理系统结构框图 Fig.1.1 The block diagram of Charging management system 重 庆大学硕士学位论文 1 绪论 3 1.2.1 均衡电路研究现状 随着节能成为当前的热门话题，衡量一个设备优劣，节能成为一个重要的判断标准。电池组
27、均衡技术由简单的耗散型逐渐转向控制复杂的非耗散型，研究内容主要围绕均衡电路的设计，电路优化，管理系统的检测电路设计等。均衡电路用到的电能变换技术主要 包括： Buck-Boost 技术、开关电容技术、多绕组变压器技术、准谐振技术等。 文献 5介绍了多绕组 DC-DC 均衡模型和多绕组磁芯变压器模型。通过对其原理进行分析，设计出一种分级均衡策略，即先把电池组分成多个子模块，分别对其均衡，然后对整个模块均衡，整个设计框图如图 1.2 所示。这样虽然加快了均衡速度，缩短了充电时间，提高了充电效率，也提升了能量转换效率。但是随着均衡分级则器件的使用必然增加，控制会更加复杂，也会增大成本，工业应用价值不
28、高。 充电电源I G B T 控 制网 络2 级 均 衡2 级 均 衡一 级 均 衡2 级 均 衡一 级 均 衡一 级 均 衡一 级 均 衡电 池 组 n电 池 组 3电 池 组 2电 池 组 1控制电路图 1.2 多级均衡系统原理图 Fig.1.2 Multi-level equalization system schematic diagram 文献 67提出了一种非耗散型充电均衡技术。每个均衡单元都采用一个电感储能和能量转移，通过控制开关管的通断实现双向均衡的功能，结构如图 1.3 所示。这种电路结构简单，均衡速度快，均衡方式灵活。通过计算平均电流，平均电压和占空比，能够更好地实现均衡。
29、通过在四个电压不同的锂电池上进行试验得到实验结果和理论分析在误差允许的范围内相吻合，但是这 种均衡电路均衡效率低，只适合于电池单体数较少的场合。 重 庆大学硕士学位论文 1 绪论 4 1234P2BT3BT1BT210mHL210mHL410mHL310mHL1D1Diode 1N5401D3Diode 1N5401100pFC1Q1Q4Q3Q212P1D4Diode 1N5401D2Diode 1N5401图 1.3 buck-boost 转换电路原理图 Fig.1.3 buck-boost converter circuit schematic diagram 对于一些电池单体较多的应用设
30、备如电动汽车等，在均衡过程中单体间能量的互相转换很频繁这将使大量的能量损耗在开关管上。文献 8针对在均衡过程中高频开关管的损耗，提出了一种准谐振变换器技术。使用准谐振零电流开关双向DC-DC 转换器，通过驱动 PWM 信号控制开关管进而调节单体电压值，电路结构原理拓扑如 图 1.4 所示。这种方案能够实现零电流软开关，降低开关损耗提高均衡效率，并且可以降低开关电流应力，降低 EMI 电磁辐射。通过实验发现利用这种技术，相对于硬开关技术开关损耗大大降低了，电磁干扰也得到改善 ,但是对于多单体的场合需要对每一个单体增加一个零电流开关，这将使电路复杂，成本大大提高。 B C E 2B C E n -
31、 2B C E 1B C E jB C E n - 1I sBattery1 Battery2CLrLD2Q2D1Q1I sI s(a) 结构框图 (b)相邻电池均衡原理图 图 1.4 软开关均衡电路 Fig.1.4 The equalization circuit of the soft-switching 重 庆大学硕士学位论文 1 绪论 5 在文献 9-13中提出了一种基于反激式原理的均衡电路拓扑，如图 1.5 所示。反激式 DC-DC 变换电路控制简单，具有绝缘隔离，可靠性高，电路体积小，成本低等优势，特别适用于输出功率小于 150W 的场合，而电池均衡系统的均衡输出功率一般都不大。对
32、于这种设计，一般有两种设计方案：使用集中式多绕组变压器方案和使用多个独立的反激式 DC-DC 转换器方案。第一 种方案优点是电路结构简单，成本较低，缺点是均衡速度慢；第二种方案优点是均衡速度快，精度高，控制简单，但是均衡单元增加，成本提高。为了减小均衡单元体积，提高转换效率，反激式变压器一般工作在 DCM 模式，但是开关管的电压应力也会增加，一般在电路中增加一个 RCD 钳位电路，用来吸收漏感电能，减小开关管电压应力。 1234*B11234*1234*B2BnGNDGNDGNDT1T2TnS1S2SnQnQ2Q1BnDsnQnACsnRsnTnB1Ds1Q1ACs1Rs1T1Dr(a)双向均
33、衡电路 (b)单向均衡电路 图 1.5 分别为反激式 DC-DC 双单向均衡充电原理图 Fig.1.5 Fly-back dc-dc dual unidirectional equalizing charge schematic diagram 在文献 1415中，一种新型快速均衡电路被应用到电池管理系统。这种技术基于 buck-boost 变换方案，能够快速首先均衡，通过电路改进，整个均衡部分共用一个均衡电感，通过单向开关管连接，实现双向均衡。这种方案简化了电路结构，降低了系统成本，提高了均衡 速度，但是由于用到大量的开关管使得控制复杂。在实验过程中对三个不同电压铅酸电池进行均衡， 20 分
34、钟完成均衡，达到预定要求。 重 庆大学硕士学位论文 1 绪论 6 LAB图 1.6 共电感型均衡电路原理图 Fig.1.6 Total inductance equalization circuit schematics 1.2.2 荷电状态（ SOC）估算研究现状 锂电池当前研究的难点是电池剩余电量的精确估计即电池 SOC 估计， SOC 能够影响电池组单体间均衡的效果和决定用 电设备后续使用时间，因此实现 SOC 的精确估计是电池管理系统有效管理的重要因素。锂电池 SOC 估计方法主要有安时积分法，开路电压法、内阻法等，但是当电池运行工况复杂时这些方法往往会带来较大的误差，以下是当前国内外
35、采用先进控制方法估算 SOC 的一些研究。 文献 16提出了一种基于滑模观测器的锂离子动力电池荷电状态估计方案。通过采用 Thevenin 电路电池模型建模，基于混合动力脉冲功率特性试验数据辨识得到了 Thevenin 电路电池模型参数，提出了基于滑模观测器算法的动力电池荷电状态估计方法。实验结果表明估算误差相较 于传统方法大大降低，稳定性很好。文献 17提出了锂离子电池动态模型参数辨识方法，利用电池初始状态建立最小二乘法辨识参数建立电池仿真模型。在文献 1819中描述了一种闭环模糊推理方法在铅酸蓄电池 SOC 估计技术方面的应用。其中 ,闭环反馈环节通过一个经验公式来调节铅酸蓄电池 SOC
36、的预测值。此方法稳定性好，智能性是模糊逻辑方法最大的优点，后续的研究工作是不断地完善模糊规则， SOC 的预测精度也会相应提高。当前介绍的最多且技术最完善的是基于 EKF 滤波的 SOC 估算算法，通过 Thevenin电路电池模型，建立系统状 态方程，实现对 SOC 的估计。 重 庆大学硕士学位论文 1 绪论 7 1.3 论文主要研究内容 锂电池组管理系统 (BMS)研究内容主要包括以下几个部分：均衡充电电路设计、 SOC 的估计，管理系统硬件电路和软件设计。为了实现电池管理系统对电池组精确，稳定，可控的管理，本课题研究的重点内容如下所示： 电池组均衡电路是电池管理系统 (BMS)的重要部分
37、，作为本论文研究的核心部分，重点研究内容首先是分析锂电池充电方案，设计稳定简单的充电电路；再次分析锂电池组各种连接方式，确定不同连接方式的可靠性；最后分析当前各种经典均衡方案和均衡电路的实现原理，改进优 化电路设计，简化控制回路，实现系统体积减小，成本降低。 对于 SOC 的估计，首先要研究影响 SOC 的参数，如温度，电池内阻，极化内阻等，分析这些参数对 SOC 的影响。依据可测参数如温度，端电压，电流，选择最佳 SOC 估计算法，实现 SOC 的精确估计。 完成均衡充电电路和 SOC 估算算法研究， BMS 的硬件电路和软件设计也是本文的研究重点，主要集中在检测电路， PWM 驱动硬件电路
38、和均衡控制、 SOC估算软件设计。 1.4 本章小结 本章主要介绍了锂电池管理系统研究的背景及意义，分析了国内外锂电池的均衡电路和荷电状态 (SOC)研究现状、管理系统有待解决的关键问题；最后对本文主要研究的内容作了一些简单的概括。 重庆大学硕士学位论文 2 锂电池模型与电池组一致性分析 8 2 锂电池模型与电池组一致性分析 通过绪论我们了解到锂电池在我们日常生活中随处可见，并与我们的生活息息相关。本章首先分析锂电池充放电原理和几种常用电池模型为解决荷电状态(SOC)估算做铺垫；然后分析电池组不一致性和充电方案是为了解决均衡充电做准备。 2.1 锂电池发展与原理介绍 2.1.1 锂电池的发展
39、锂是荷质比最高的金属元素，且无污染，具有很高的能量密度， 20世纪 50年代末被引入电池领域，并迅速得到关注， 锂一次电池在 70年代后进入商业研发阶段。自 20世纪 90代年后，随着制造电解质、正负极材料技术的革新，推动了可充电二次锂电池研究成功并不断发展，逐渐走向市场实现商品化。如今制造工艺的创新更是推动锂电池技术快速发展并进一步影响人类生活，日本索尼公司 1991年 6月推出第一块商品化锂离子电池，标志着电池工业的一次革命，有学者甚至将它同晶体管取代电子管的半导体革命相提并论。锂电池的发展历程如图 2.1所示。 锂 金 属 蓄 电 池 1 9 8 4M o S 2 / T i S 2 有
40、 机 液 L i ( M )锂 原 电 池L i / ( C F ) n 1 9 7 0L i / M n O 2 , L i / A g 2 V 4 O 1 1 1 9 7 6 阴 极 物 质 变 化 嵌 入 化 合 物 1 9 7 2阴 极 物 质 变 化 摇 椅 式 概 念 电 池 1 9 8 0（ L i 变 成 L i 离 子 ） C I C 应 用 1 9 9 0锂 电 池L i / C u C l 2 1 9 6 2锂 离 子 蓄 电 池 L i - C I C / G I C 有 机 液 L i M O 2 ( M = N i ， M n , C o )锂 离 子 聚 合 物
41、电 池 1 9 9 4L i - C I C / G I C G e l 有 机 液 L i M O 2 ( M = N i ，M n , C o )锂 离 子 固 态 聚 合 物 电 池 M n S 2 固 体 聚 合 物 L i M O 2 ( M = N i ， M n , C o )( C S x ) nV O 2电 解 质 变 化 （ 液 体 - 凝 胶 ）一 次 电 池二 次 电 池图 2.1 锂电池发展框 图 Fig.2.1 Block diagram of the development of lithium batteries 重庆大学硕士学位论文 2 锂电池模型与电池组一致
42、性分析 9 锂凝胶聚合物电解质电池于 1994年研究成功，并在 1999年实现商品化。聚合态锂离子电池是目前最先进的可充电电池，其正负极材料与液态锂离子电池没有多大区别，只是将原来液态电解质变为含有锂盐的凝胶聚合物电解质。由于液态电解液较多，容易燃烧，存在爆炸的安全隐患，因此把液态电解质改为多孔性的聚合物后，随着电解液的减少，使安全性大大提高 20。另外，聚合态锂离子电池较液态锂离子电池其体积 减小，质量变轻，成本相对降低，而且电池形状可以依据需要任意制作。 2.1.2 锂电池充放电原理 图 2.2显示锂离子电池的工作原理图，由图可知电池由三部分组成：正电极，负电极，隔膜。放电过程中，负电极锂
43、离子扩散到活性物质 LixC6的表面所发生的化学反应表达式如下所示： 负极反应 6 0 6xL i C L i C x L i X e 放 电充 电 (2.1) 正电极，锂离子由电解液经扩散和离子的电导作用到达正极。发生的化学反应表达式如下所示： 正极反应 0 2 2yL i M O y L i y e L i M O 放 电充 电 (2.2) 最后带电离子向金属氧化物活性物质的内陆区域扩散。多空分离器作为电绝缘体，迫使电子遵循相反的方向通过外部电路或负载。这两种复合电极中含有粘结剂和填料，以提高整个固体基质电子的传输。充放电完成后，伴随着电压的上升或衰减，在固化阶段，集中在两极上的锂离子的浓
44、度耗尽或饱和；在电解阶段，锂离子在两极附近耗尽。 r隔膜电流集电极（Cu）电流集电极（Al）-+r 6xLi C 02Li MOeCLi,seC ,seC ee电 解 液图 2.2 锂离子电 池模型示意图 Fig.2.2 A schematic diagram of the lithium-ion battery model 重庆大学硕士学位论文 2 锂电池模型与电池组一致性分析 10 2.1.3 锂电池性能分析 铅酸电池自发明到现在有 100 多年时间了，其他类电池要么对环境有害，要么价格贵，而锂电池出现不过几十年，并且能够迅速占领市场，成为大部分移动设备和机房的备用电源，与其优越的经济和使
45、用性能分不开 。与铅酸电池、镍镉、镍氢电池相比，锂离子电池具有以下诸多优点。 能量密度高：即单位质量能够携带的电量较高。锂作为荷质比最高的金属，锂电池能量密度比其他各类 电池高很多。 目前生产出来的锂电池能量密度是铅酸电池的约 6-7倍，已达到 460-600Wh/kg；相同体积下重量约为铅酸电池产品的 1/6左右 。 电池单体电压高：锂电池最高标称电压为 4.2V，而镍氢电池、镍镉电池的端电压一般为 1.2V，铅酸电池为 2V左右。若要获得相同的工作电压，锂电池所需单体数最少。另外锂离子电池稳定放电终止电压一般为镍镉电池、镍氢电池的 3倍，即工作状态更稳定 21。 自放电率低：自放电率即荷电
46、保持率，指电池如果静置不用，自动对外电量的损耗。镍氢电池的月自放电率为 60%，镍镉电池为 30%，而锰酸锂电池的月自放电率大约为 10%-12%，磷酸铁锂为 2-5%。 能量体积比 (Wh/L)高：即单位体积的锂电池所携带的电量比其他常用动力电池高。锂电池的能量体积比一般在 200500之间，是镍氢电池、镍镉电池的 23倍 21。 无记忆效应：镍氢电池、镍镉电池会有使用了一部分而不得不全部放电完全后再充电的问题 21。锂电池无记忆效应，可在任意安全范围电压下对其充放电。 循环寿命长：锂电池循环充电寿命高于镍镉、镍氢电池寿命，正常使用情况下寿命可达到 6年以上，磷酸铁锂电池在 1CDOD条件下
47、 充放电，有可以使用 1000循环充放电的记录。 工作温度范围宽：一般在 -35 +65 间均可稳定工作，尤其在 -20 时，仍然能够释放 80%90%的电量 21。 无污染：锂电池不含汞（ Hg）、镉（ Cd）、铅（ Pb）等有毒重金属元素，是绿色环保电池。 2.2 锂离子电池经验模型分析 锂电池内部结构是一个复杂的非线性系统，许多学者依据其充放电过程的特性建立起不同的电池模型，对研究电池内部状态和外部电气特性的定量关系，并根据电池的电压、电流、温度等外部变量研究电池的 SOC、 SOH、内阻、电动势等内部状 态具有重要的意义。锂电池电路模型由一些基本的电子元件（电阻，电重庆大学硕士学位论文
48、 2 锂电池模型与电池组一致性分析 11 容等）组成。这些电子元件在通电状态下能够反应一定电池内部能量损耗过程，能够模拟电池在不同工况下的特性。文献 22-27介绍了各种实时状态的电池模型。接下的部分将讨论几种基本的电池模型。 2.1.1 理想模型 电池的理想模型如图 2.3(a)所示。把电池假设为一个内阻为零的模型，由一个简单的电压源组成， Voc是电池的开路电压即电动势， Vt为端电压，关系曲线如图2.3(b)所示，可知电池的端电压 Vt等于电池的电动势。由于没考虑电池的内阻，实际情况 有很大的差别 28，理论模型只能应用于一般的教学和理论分析，在实际应用中很少用到。 VocVtI VtV
