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混合动力车用双极性镍氢电池及电池组管理系统的研究

2020-11-22阅读(755)

混合动力车用双极性镍氢电池及电池组管理系统的研究

论文摘要

随着汽车的迅速发展和大量普及,人类面临着它所带来的两大问题:环境的污染和能源的消耗。混合动力车的发展可以明显降低汽车尾气对环境所造成的污染。目前,影响混合动力车技术发展的主要因素之一是动力型电池的研发。MH-Ni电池是采用储氢合金材料作为负极的新型化学电源。它具有高比功率、高比能量、长循环寿命、安全性好、价格低、无污染等优点,被誉为混合动力车用动力型电池的首选。传统的MH/Ni电池组是由单体电池串联而成,在电池组中存在极耳、连接条、电池壳等连接体,增大了电池的质量和内阻。双极性MH/Ni电池是一种具有叠层结构的新型电池,这种电池内部没有专用连接体,具有结构紧凑、比能量高、比功率高等优点,因而更适合于混合动力车的使用。本文主要针对双极性MH/Ni电池设计及制造过程中存在的问题,改进了电池的结构和制作参数,制备了新型双极性MH/Ni电池。并且应用人工神经网络技术建立了电池的网络模型,并且对电池的性能进行了预测。设计了电池管理系统的硬件电路和控制软件,通过调试使其达到了合理管理电池的目的。首先,改进了双极性MH/Ni电池的结构和工艺参数,制备了新型多单体双极性MH/Ni电池。研究了正负电极制备工艺、容量配比、电解液、密封胶等参数对电池性能的影响,并且确定了双极性MH/Ni电池制作的基本工艺参数。针对双极性电池结构中存在的问题,提出了双极性电池的改进结构。应用改进结构制备了5单体双极性MH/Ni电池,并对电池的电化学性能进行了分析测试。测试结果表明,电池具有良好的大电流充放电性能和较低的欧姆内阻。在脉冲循环测试中电池性能稳定,多次循环后性能没有明显衰减。其次,应用电化学方法对MH/Ni电池内部的阻抗分布进行了分析研究,并且采用两种方法对贮氢合金负极进行了修饰。应用电流阶跃法、线性电位扫描法和交流阻抗法研究了MH/Ni电池的正负极阻抗分布。结果表明,在放电初期,负极欧姆阻抗是电池欧姆内阻的主要组成部分。随着放电深度的增加,正极的欧姆阻抗逐渐增大,最终接近甚至超过负极,对电池性能影响变大。负极的电化学阻抗在放电初期大于正极,但是随着反应的进行,负极电化学阻抗减少,在放电末期,正极电化学阻抗超过负极,成为主要影响因素。根据对MH/Ni电池阻抗分布的研究,发现负极阻抗对电池的性能影响很大,因此采用两种方法对负极进行修饰以降低电极的阻抗。首先,在含有HF的CuSO4

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第1章 绪论
  • 1.1 HEV 用电池发展现状
  • 1.1.1 HEV 的特点
  • 1.1.2 HEV 用铅酸电池
  • 1.1.3 HEV 用锂离子电池
  • 1.1.4 HEV 用MH/Ni 电池
  • 1.2 MH/Ni 电池工作原理及主要特点
  • 1.2.1 MH/Ni 电池的工作原理
  • 1.2.2 MH/Ni 电池的特点
  • 1.3 MH/Ni 电池材料研究进展
  • 2 正极材料研究概况'>1.3.1 Ni（OH）2正极材料研究概况
  • 1.3.2 贮氢合金负极材料研究概况
  • 1.3.3 储氢合金的表面修饰
  • 1.4 双极性 Ni/MH 电池研究进展
  • 1.4.1 双极性电池结构
  • 1.4.2 双极性MH/Ni 电池研究概况
  • 1.5 HEV 用电池管理系统的研究
  • 1.5.1 数学模型方法
  • 1.5.2 安培积分法
  • 1.5.3 开路电压法
  • 1.5.4 阻抗法
  • 1.5.5 神经网络法
  • 1.6 本论文所研究的内容
  • 第2章 实验方法和仪器
  • 2.1 双极性MH/Ni 电池的制备
  • 2.1.1 正负电极的制备
  • 2.1.2 双极性电极的制备
  • 2.1.3 双极性电池的组装
  • 2.2 双极性MH/Ni 电池电极的表征
  • 2.2.1 扫描电子显微镜
  • 2.2.2 能谱分析
  • 2.2.3 X 射线衍射分析
  • 2.2.4 粒度分布测定
  • 2.2.5 原子吸收光谱法
  • 2.3 模拟电池和三电极体系的制备
  • 2.4 电化学分析测试方法
  • 2.4.1 充放电测试
  • 2.4.2 脉冲充放电测试
  • 2.4.3 电化学分析测试
  • 2.5 数据处理方法
  • 2.5.1 充电效率
  • 2.5.2 相对放电容量
  • 2.5.3 比容量
  • 2.6 实验仪器和材料
  • 第3章 双极性MH/Ni电池的基本参数设计
  • 3.1 正极制备工艺的改进
  • 3.1.1 正极厚度的设计
  • 3.1.2 正极填充密度的设计
  • 3.2 负极制备工艺的改进
  • 3.2.1 负极厚度的设计
  • 3.2.2 负极填充密度的设计
  • 3.3 正负极容量配比设计
  • 3.3.1 MH/Ni 电池内压分析
  • 3.3.2 正负极容量配比的调整
  • 3.4 电解液量的设计
  • 3.5 密封工艺的研究
  • 3.6 本章小结
  • 第4章 双极性MH/Ni电池的结构设计与性能测试
  • 4.1 双极性MH/Ni 电池的结构改进
  • 4.1.1 双极性MH/Ni 电池的改进结构
  • 4.1.2 实验装置的建立
  • 4.1.3 落后单体电池性能测试
  • 4.1.4 改进双极性结构内部反应分析
  • 4.2 双极性MH/Ni 电池性能测试
  • 4.2.1 恒流放电测试
  • 4.2.2 恒流充电测试
  • 4.2.3 充电效率测试
  • 4.2.4 脉冲放电测试
  • 4.2.5 功率性能测试
  • 4.2.6 脉冲循环测试
  • 4.2.7 电极循环过程变化分析
  • 4.3 本章小结
  • 第5章 MH/Ni电池正负极阻抗分布的电化学研究
  • 5.1 实验
  • 5.2 电流阶跃法
  • 5.3 线性极化法
  • 5.4 交流阻抗法
  • 5.5 各种电化学方法的比较
  • 5.6 本章小结
  • 第6章 贮氢合金电极的表面修饰及改性
  • 6.1 贮氢合金的表面修饰
  • 6.1.1 实验
  • 6.1.2 HF 对合金表面修饰的影响
  • 6.1.3 铜沉积量对合金性能的影响
  • 6.1.4 表面修饰合金的结构分析
  • 6.1.5 表面修饰合金的电化学性能
  • 6.1.6 表面修饰合金EIS 分析
  • 6.2 储氢合金电极的纳米氧化铜掺杂
  • 6.2.1 氧化铜的物相分析
  • 6.2.2 氧化铜掺杂对电池放电储备容量的影响
  • 6.2.3 氧化铜掺杂电极的SEM 分析
  • 6.2.4 掺杂合金电极的电化学性能测试
  • 6.2.5 交流阻抗分析
  • 6.3 本章小结
  • 第7章 基于神经网络的MH/Ni电池性能预测
  • 7.1 人工神经网络简介
  • 7.1.1 神经网络的基本原理
  • 7.1.2 神经网络的训练算法
  • 7.1.3 人工神经网络的特征及应用
  • 7.2 基于BP 神经网络的电池性能预测
  • 7.2.1 BP 算法的基本原理
  • 7.2.2 BP 算法的改进
  • 7.2.3 MH/Ni 电池分析及建模
  • 7.2.4 样本数据的选取
  • 7.2.5 网络的训练及测试
  • 7.2.6 基于BP 网络模型的电池性能预测
  • 7.3 基于RBF 网络的电池放电容量预测
  • 7.3.1 RBF 网络的基本原理
  • 7.3.2 MH/Ni 电池的RBF 网络建模
  • 7.3.3 数据的选取与处理
  • 7.3.4 网络的学习与训练
  • 7.3.5 网络性能测试
  • 7.4 本章小结
  • 第8章 电动车电池管理系统的软硬件设计及调试
  • 8.1 电池管理系统的硬件设计
  • 8.1.1 主控模块
  • 8.1.2 看门狗电路
  • 8.1.3 数码显示模块
  • 8.1.4 信号检测模块
  • 8.2 电池管理系统的软件设计
  • 8.2.1 软件设计要求
  • 8.2.2 主程序的设计
  • 8.2.3 电压检测模块
  • 8.2.4 电流、温度检测模块
  • 8.2.5 荷电状态检测模块
  • 8.2.6 数码显示模块
  • 8.3 电池管理系统的软硬件调试
  • 8.3.1 系统软件的调试
  • 8.3.2 系统硬件的调试
  • 8.3.3 软硬件结合调试
  • 8.4 本章小结
  • 结论
  • 参考文献
  • 攻读博士学位期间发表的论文
  • 哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明
  • 哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书
  • 哈尔滨工业大学博士学位涉密论文管理
  • 致谢
  • 个人简历

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