锂离子电池一致性研究

论文摘要

锂离子电池组在应用过程中,会因单体电池性能不一致引起组合后电池组寿命提前终结等问题。在电池组装配以前尽可能提高配组单体电池初始性能一致性和减小使用过程中差异放大成为锂离子电池应用中的重要问题。初始性能不一致主要依靠分选来解决;循环过程中的差异放大主要通过电源管理系统(BMS)对电池组进行状态管理和均衡管理来抑制。现有分选方法存在分选标准不够合理等问题;状态管理和均衡管理涉及到容量衰减预测,目前的容量衰减预测方法存在实用性不强等问题。本文对影响锂离子电池初始性能一致性和衰减速率的因素进行了分析,对分选方法和性能预测方法进行了研究。论文对电池性能差异的各种来源和影响因素进行了研究,重点研究了温度对电池性能衰减速率的影响。通过循环实验,分析了不同温度下电池容量衰减的速率,研究了充放电性能的变化;通过扫描电镜研究了不同温度下循环电极表面的形貌变化。结果表明温度对性能衰减速率有显著的影响。论文研究了单体锂离子电池的分选方法。单体电池性能的不一致会导致电池组在使用中的不均衡从而造成电池组过早失效。因此在组合成电池组以前通过一定的标准把单体电池分选是必要的。充放电曲线能够较全面地反映电池的特性,因此是合适的分选参数。通过统计分析软件Statistical Analysis System的计算,可以精确高效的对充放电曲线进行分类,结果表明通过分选后组合的电池组没有发生容量快速衰减和内阻快速增加,电池组的充放电曲线也很稳定,没有明显的波动。论文还研究了电池组使用过程中单体电池的性能预测。根据电池管理系统(BMS)记录的历史数据建立了锂离子电池容量衰减的时间序列模型,用该模型预测了电池容量的衰减情况。结果表明模型对不同倍率不同温度下循环的电池都能比较准确地预测,短期点预测的误差不超过3%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 锂离子电池概述
• 1.3 锂离子电池的应用现状和发展趋势
• 1.4 配组电池不一致的危害
• 1.4.1 单体电池初始性能差异的危害
• 1.4.2 循环存储中性能变化不一致性的危害
• 1.5 单体锂离子电池差异性解决方法研究进展
• 1.5.1 锂离子电池初始性能差异的解决方法
• 1.5.2 循环过程中性能衰退差异的解决方法
• 1.6 本文的研究背景和拟研究内容意义
• 第二章 测试仪器与方法
• 2.1 引言
• 2.2 实验测试仪器
• 2.2.1 电池充放电测试仪
• 2.2.2 内阻测试仪
• 2.2.3 电化学工作站
• 2.2.4 恒温烘箱
• 2.2.5 扫描电镜
• 2.3 实验测试方法
• 2.3.1 自放电实验
• 2.3.2 电池单体实验
• 2.3.3 扫描电镜
• 第三章 锂离子电池差异性研究
• 3.1 引言
• 3.2 单体电池差异性的表现
• 3.2.1 初始性能的差异
• 3.2.2 使用过程中性能衰减差异
• 3.2.3 存储过程中性能变化差异
• 3.3 温度对电池性能衰减的影响
• 3.3.1 容量衰减的研究
• 3.3.2 充电性能的研究
• 3.3.3 放电性能的研究
• 3.3.4 电池电极的研究
• 3.4 本章小结
• 第四章 电池分选
• 4.1 引言
• 4.2 分类参数的研究
• 4.3 充放电曲线倍率的选择
• 4.4 分选方法和结果
• 4.4.1 聚类方法概述
• 4.4.2 适于聚类分析的数据
• 4.4.3 单体锂离子电池之间差异程度的表示
• 4.4.4 单体电池的分类步骤
• 4.5 分选后电池组的循环性能
• 4.5.1 电池组的循环实验
• 4.5.2 电池组循环实验结果
• 4.6 本章小结
• 第五章 容量衰减预测
• 5.1 引言
• 5.2 预测方法
• 5.2.1 时间序列的处理与检验
• 5.2.2 模型的建立
• 5.2.3 模型定阶与参数计算
• 5.2.4 点预测与置信区间
• 5.3 实验
• 5.4 预测结果
• 5.4.1 模型的有效性
• 5.4.2 初始的预测结果
• 5.4.3 对预测结果的修正
• 5.5 模型的改进
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文目录
• 致谢
• 个人简历