車用鋰離子動(dòng)力電池實(shí)驗(yàn)報(bào)告

實(shí)用文檔試驗(yàn)題目：車用鋰離子動(dòng)力電池實(shí)驗(yàn)?zāi)夸浽囼?yàn)題目：車用鋰離子動(dòng)力電池實(shí)驗(yàn) 11. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?22. 動(dòng)力電池簡(jiǎn)介 2a) 車載動(dòng)力電池介紹 2b) 國(guó)內(nèi)電動(dòng)車用鋰離子動(dòng)力電池的標(biāo)準(zhǔn) 33. 實(shí)驗(yàn)儀器 34. 試驗(yàn)方法 45. 數(shù)據(jù)處理分析 5a) 分析不同溫度下、不同倍率下電池能放出或充進(jìn)的電量 5b) 電池的直流內(nèi)阻特性（與溫度、SOC關(guān)系） 7c) 電池開路電壓與溫度的關(guān)系 9d) 電池的開路電壓穩(wěn)定時(shí)間 10e) 電池的功率特性（與溫度、SOC關(guān)系） 11f) 各溫度下電池特性比較 126. 實(shí)驗(yàn)總結(jié) 147. 附錄 14a) 參考文獻(xiàn) 14b) 數(shù)據(jù)處理代碼 15實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私鈩?dòng)力電池主要性能參數(shù)了解動(dòng)力電池基本性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及方法了解動(dòng)力電池試驗(yàn)設(shè)備基本掌握試驗(yàn)結(jié)果分析方法動(dòng)力電池簡(jiǎn)介車載動(dòng)力電池介紹新能源汽車動(dòng)力電池可以分為蓄電池和燃料電池兩大類，蓄電池用于純電動(dòng)汽車（EV），混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（HEV）及插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（PHEV）；燃料電池專用于燃料電池汽車（FaV）。主要類型有主要有閥控式鉛酸蓄電池（VRLAB）、堿性電池（Cd-Ni）電池、MH-Ni電池）、Li-ion電池、聚合物L(fēng)i-ion電池、Zn-Ni電池、鋅-空氣電池、超級(jí)電池、質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）、直接甲醇燃料電池（DMFC）等。而就電池性能而言，不同需求造成了對(duì)電池的性能需求不同。HEV有汽油發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力來(lái)源，更強(qiáng)調(diào)加速性能和爬坡能力，因此更注重電池的比功率（要求高達(dá)800——1200W/kg）；PHEV和EV完全以電池作為動(dòng)力，更強(qiáng)調(diào)充電后的續(xù)駛能力，因而更關(guān)注電池的比能量（要求達(dá)到100——160Wh/kg）。在現(xiàn)有的新能源汽車動(dòng)力電池中，鋰離子電池生產(chǎn)成本相對(duì)較低，重復(fù)充電利用非常方便，相比其他可攜帶能源具有更高的成本優(yōu)勢(shì)。其還具有比能量高、比功率大、工作范圍寬等特點(diǎn)。因此，這類電池成為了目前最受歡迎的動(dòng)力源。國(guó)內(nèi)電動(dòng)車用鋰離子動(dòng)力電池的標(biāo)準(zhǔn)2001年，我國(guó)出臺(tái)了第一個(gè)鋰離子電池國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)性文件GB/Z18333.1-2001《電動(dòng)道路車輛用鋰離子蓄電池》。在2006年，頒布了汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T743-2006《電動(dòng)汽車用鋰離子蓄電池》。該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)鋰離子單體蓄電池和鋰離子蓄電池模塊的安全性。分別規(guī)定了測(cè)試要求，主要包括：過(guò)放電、過(guò)充電、短路、跌落、加熱、擠壓、針刺、耐振動(dòng)等。實(shí)驗(yàn)儀器電池充放電機(jī)充放電模式恒流充電、恒壓充電、恒流恒壓充電、恒功率充電、SIM、脈沖充電恒流放電、恒功率放電、恒壓放電、恒阻放電、SIM、脈沖放電截止條件主通道：電壓、電流、相對(duì)時(shí)間、容量、-ΔV輔助通道：溫度、電壓溫箱電池出廠性能指標(biāo)序號(hào)項(xiàng)目具體內(nèi)容1電池種類三元鋰離子動(dòng)力電池3標(biāo)稱容量37Ah4充電截止電壓4.2V5放電截止電壓2.8V6最大充電電流6C(連續(xù))8C(10s,50%SOC)試驗(yàn)方法步驟內(nèi)容注意事項(xiàng)開始前根據(jù)試驗(yàn)內(nèi)容，選擇試驗(yàn)設(shè)備，并檢查測(cè)試設(shè)備試驗(yàn)臺(tái)架與溫箱工作是否正常試驗(yàn)電池是否有破損第一步連接試驗(yàn)電池，準(zhǔn)備試驗(yàn)測(cè)試過(guò)程所需要的傳感器（如溫度傳感器）是否連接標(biāo)注電池序號(hào)電池連接件是否緊固第二步設(shè)置試驗(yàn)設(shè)備試驗(yàn)臺(tái)架的通道選擇根據(jù)試驗(yàn)需求，設(shè)置溫箱的控制溫度第三步根據(jù)電池，設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，編寫試驗(yàn)程序，確定采樣頻率設(shè)置電池充放電過(guò)程中的上下限電壓電池運(yùn)行過(guò)程中的跳轉(zhuǎn)條件是否正確電池運(yùn)行溫度上下限第四步檢查試驗(yàn)整體程序，操作試驗(yàn)設(shè)備開始試驗(yàn)檢查試驗(yàn)過(guò)程中電池電壓電流是否有異常情況電池初始電壓是否正常電池電流是否有不正常跳變第五步采集整理并分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，整理實(shí)驗(yàn)設(shè)備與實(shí)驗(yàn)室整理實(shí)驗(yàn)室，保證實(shí)驗(yàn)室美觀檢查得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)是否有異常數(shù)據(jù)處理分析分析不同溫度下、不同倍率下電池能放出或充進(jìn)的電量利用所給excle容量測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)于每個(gè)循環(huán)中的充電容量以及放電容量取平均值，計(jì)算如下表：平均容量-2502555溫度1/330.1835.5939.4641.47131.1635.1138.5641.01334.5734.6937.9240.55倍率繪制電池容量與溫度倍率的關(guān)系如下圖：利用電池的標(biāo)稱容量：37Ah計(jì)算相應(yīng)的SOC與DOD如下圖：如圖可見(jiàn)，隨溫度升高，電池的充電容量和放電容量都有所上升，可知，低溫下，電池容量衰減得極快，而在常溫左右，容量隨著溫度升高而增長(zhǎng)，其速率相對(duì)低溫下較慢。-25℃時(shí)，電池的容量?jī)H為標(biāo)稱值的80%，而在0℃到55℃，電池的容量從標(biāo)稱容量的95%升至110%。同時(shí)也可以看到。當(dāng)溫度較高時(shí)，越小的充/放電倍率可以擁有越大的充/放電容量，相反當(dāng)溫度較低時(shí)（如在-25℃），越大的充/放電倍率可以擁有越大的充/放電容量。機(jī)理分析：溫度下降，電極的反應(yīng)速率也下降。假設(shè)電池電壓保持恒定，放電電流降低，電池的功率輸出也會(huì)下降。在所有的環(huán)境因素中，溫度對(duì)電池的充放電性能影響最大，在電極/電解液界面上的電化學(xué)反應(yīng)與環(huán)境溫度有關(guān)，電極/電解液界面被視為電池的心臟。如果溫度上升則相反，即鋰聚合物電池輸出功率會(huì)上升。溫度也影響電解液的傳送速度，溫度上升則加快，傳送溫度下降，傳送減慢，電池充放電性能也會(huì)受到影響。電池的直流內(nèi)阻特性（與溫度、SOC關(guān)系）根據(jù)電流階躍方法計(jì)算不同時(shí)間的直流充放電內(nèi)阻Rdch和Rcha利用MATLAB尋找下圖中的脈沖狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)所求功能利用MATLAB處理數(shù)據(jù)，導(dǎo)入至Excel中，繪制得到如下圖表可見(jiàn)，無(wú)論是充電電阻還是放電電阻，都隨溫度降低而上升，特別是在零度以下格外明顯，同時(shí)，隨著電池容量的下降，電池內(nèi)阻也有所上升，當(dāng)溫度較低時(shí)，這個(gè)現(xiàn)象更為明顯。在較寬的SOC區(qū)間內(nèi)，如SOC值處于0.3～1.0時(shí)，同一溫度下電池的內(nèi)阻基本上不變。而在SOC值較低的情況下，如SOC值小于0.1這一區(qū)間，電池的內(nèi)阻隨著SOC的降低而急劇增加。由充放電歐姆內(nèi)阻曲線可以看出，25℃雖然是10℃和40℃的中位溫度，但是25℃曲線明顯地更傾向于40℃曲線。也就是說(shuō)，相比高溫，電池內(nèi)阻的變化對(duì)于低溫更加敏感，變化的速度在低溫下更大。即溫度越低，電池的充放電歐姆內(nèi)阻隨SOC值減小而上升的速率和幅度均越大。原理分析：隨著溫度的降低，電池充放電的歐姆內(nèi)阻增加。這是因?yàn)椋鲜鰷y(cè)試方法得到的是電池的直流內(nèi)阻，該直流內(nèi)阻主要由電池極板、極柱等金屬連接件和電解液的歐姆內(nèi)阻共同組成。本試驗(yàn)中使用的電解液為鋰鹽電解質(zhì)和有機(jī)溶劑，該電解液主要依靠電解質(zhì)的離子導(dǎo)電，因此，在一定的溫度范圍內(nèi)，溫度降低，離子遷移速度降低，電解液的歐姆內(nèi)阻增大，由于電解液的內(nèi)阻是電池歐姆內(nèi)阻的主要來(lái)源，因此，溫度降低，電池的歐姆內(nèi)阻增大。同時(shí)，溫度降低，離子移動(dòng)速度減慢，化學(xué)反應(yīng)速度降低，濃差極化和電化學(xué)極化增大，這使得極化內(nèi)阻也增大。兩者疊加，使得總內(nèi)阻增大。電池開路電壓與溫度的關(guān)系根據(jù)電池靜置的電壓，得到不同溫度下的開路電壓UOCV如圖可見(jiàn)，磷酸鐵鋰電池的開路電壓隨著電池SOC的增加而單調(diào)增加。但是SOC-OCV曲線在很寬廣的中段SOC范圍內(nèi)上升緩慢，曲線非常平坦，在SOC值為0.2～0.6的區(qū)間里，電池的開路電壓OCV隨著SOC值的變化而變化很小；而磷酸鐵鋰電池在SOC值大于0.6的范圍內(nèi)，電池的開路電壓OCV隨著SOC值的升高上升得非?？臁ｊP(guān)于環(huán)境溫度對(duì)電池開路電壓的影響，我們可以看到不同溫度下得到的SOC-OCV曲線基本相同，原因分析如下：Nernst方程指出，OCV與電池的標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)勢(shì)、電池?zé)崃W(xué)溫度和反應(yīng)物產(chǎn)物量的濃度積有關(guān)，由于方程中的溫度以熱力學(xué)溫度計(jì)算，因此，在10～40℃的溫度范圍內(nèi)，其OCV的相對(duì)差異很小。電池的開路電壓穩(wěn)定時(shí)間如圖可見(jiàn)，由于計(jì)算處理方法的問(wèn)題，所得的電壓穩(wěn)定時(shí)間曲線波動(dòng)較大，這也與采樣時(shí)間選取較長(zhǎng)，且瞬態(tài)測(cè)量不夠穩(wěn)定所造成，不過(guò)可見(jiàn)溫度越低，穩(wěn)定時(shí)間越長(zhǎng)，這是由于化學(xué)反應(yīng)速度與溫度有關(guān)。對(duì)于SOC與穩(wěn)定時(shí)間的關(guān)系，情況有所波動(dòng)，不過(guò)總體可見(jiàn)，隨著電池SOC增大，電壓穩(wěn)定時(shí)間變短。電池的功率特性（與溫度、SOC關(guān)系）根據(jù)直流內(nèi)阻及電池開路電壓、最低允許工作電壓(Umin)、最高允許工作電壓(Umax)計(jì)算電池的充放電最大功率Pdch、Pcha，繪制相關(guān)圖表如圖分析可見(jiàn)，從總體上看，充放電功率受溫度影響最大，溫度越高，電池的充放電功率就越大，同時(shí)也可以發(fā)現(xiàn)，隨著SOC的增大，充電功率下降，而放電功率上升。低溫情況下，由于化學(xué)反應(yīng)速率較慢，電流放不出來(lái)，功率下降十分明顯，同時(shí)隨著電池電量的不斷上升，開路電壓增大，充電的速率逐步下降，反之，放電的功率不斷上升。從而出現(xiàn)如上現(xiàn)象。各溫度下電池特性比較根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)要求，利用MATLAB處理數(shù)據(jù)，導(dǎo)出至Excel中得到的數(shù)據(jù)如下。由上面幾張表可以看出，電池特性受溫度、SOC影響明顯。實(shí)驗(yàn)總結(jié)通過(guò)這次實(shí)驗(yàn)，我明白各種動(dòng)力電池的分類以及檢測(cè)方法，通過(guò)老師對(duì)電池試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)及方法的講解，以及親手對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理，我明白了鋰離子電池對(duì)工作環(huán)境是有一定要求的，特別是受溫度影響十分明顯，當(dāng)環(huán)境發(fā)生改變的時(shí)候，電池的工作效率將會(huì)大大下降。如今，新能源汽車正逐步走上歷史舞臺(tái)，研究鋰電池對(duì)于混合動(dòng)力汽車，純電動(dòng)汽車有著很深刻的意義！感謝這次試驗(yàn)中老師耐心地的講解和辛勤的付出！附錄參考文獻(xiàn)[1]李哲,韓雪冰,盧蘭光,歐陽(yáng)明高.動(dòng)力型磷酸鐵鋰電池的溫度特性[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2011,47(18):115-120.數(shù)據(jù)處理代碼所用MATLAB數(shù)據(jù)處理代碼如下：N=size(HPPC,1);ii=0;STEP=0;s=0;%尋找充放電脈沖while(ii<N)ii=ii+1;if(HPPC(ii,4)>0.1)s=s+1;STEP=HPPC(ii,2);Xcha=find(HPPC(:,2)==STEP);Xdch=find(HPPC(:,2)==(STEP-2));U3(s)=HPPC(ii-1,3);U4(s)=HPPC(Xcha(end),3);Icha(s)=HPPC(Xcha(2),4);U5(s)=HPPC(Xdch(end)-1,3);U1(s)=HPPC(Xdch(1)-1,3);Uocv(s)=HPPC(Xdch(1)-20,3);Idch(s)=HPPC(Xdch(2),4);U2(s)=HPPC(Xdch(10),3);ii=Xcha(end)+1;fort=0:1:1000if(HPPC(Xcha(end)+t-2,3)==HPPC(Xcha(end)+t,3))break