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锂离子动力电池低温恒压放电预热和交流预热研究

锂离子动力电池低温恒压放电预热和交流预热研究

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作者：张富涛湖南大学

学位级别：硕士

锂离子电池因具有高功率、高能量密度、优异的循环寿命和存储特性等优点,已成为电动汽车能源系统的首选。但是在日常使用中锂离子电池的性能与寿命受温度的影响较大,尤其在低温环境下锂离子电池的性能出现显著下降,甚至在低温环境对锂... 详细信息

锂离子电池因具有高功率、高能量密度、优异的循环寿命和存储特性等优点,已成为电动汽车能源系统的首选。但是在日常使用中锂离子电池的性能与寿命受温度的影响较大,尤其在低温环境下锂离子电池的性能出现显著下降,甚至在低温环境对锂离子电池充电会产生析锂导致内短路的发生。那么对处在低温环境下的锂离子电池在使用前进行预热恢复其性能就显得尤为重要。本文内容围绕锂离子电池低温环境下使用恒压放电预热和交流预热这两种预热方式展开了研究,其中恒压放电适用于可大倍率放电的功率型电池,而对于不能进行大倍率放电的能量型电池本文主要探索了交流预热这种方式。具体的研究内容如下:(1)恒压放电预热影响因素和效率研究:本文对所采用的软包锂离子电池进行了一系列的实验探究电池低温性能变化以及不同预热参数下的恒压放电预热特性,结果表明电池性能随着环境温度的降低而出现降低的现象,随着放电倍率的增大而降低;预热效率随着放电电压的降低而增加,随环境温度的升高而增加,随着初始荷电状态(SOC)的降低而减小;能耗比随着放电电压的降低而减小,随环境温度的升高而降低,但随着初始SOC的降低而增大。在预热的过程中对外做功占据了能量消耗的较大比例。在选取的预热电压下进行300次预热循环,观察到电池健康状态(SOH)降低,电池内阻增大,以及从扫描电子显微镜(SEM)图片观察到随着预热电压的降低,电极材料出现更大的裂纹和裂痕。电池最低可预热SOC,随着预热电压的增加而增加。经过预热循环老化后的电池进行不同预热参数下的测试,性能均出现不同程度的降低;(2)恒压放电预热最佳预热电压的求取:基于实验结果建立电池寿命衰减模型以及预热时间预测模型,采用NSGA-Ⅱ多目标遗传算法,考虑电池寿命衰减率和预热时间,权重系数取值为0.5,所求得最佳的预热电压为2.65V。(3)基于端电压避免析锂准则的电池分级脉冲交流预热研究:通过不同环境温度下的EIS实验的结果可知,电池的电化学阻抗谱对环境温度变化敏感;基于EIS实验结果选择合适的电路拟合出交流阻抗参数,从拟合结果可知电池电荷转内阻随着温度的降低而显著增大且占据较大比例;基于端电压的避免析锂准则求出在100Hz的交流电下的最大电流边界与温度呈现线性关系;采用提出电池交流预热分级脉冲预热方式,经过318s可以将电池从-20℃预热到5℃。

关键词：锂离子电池低温预热恒压放电预热效率交流预热

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