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关于航空用动力锂电池组工作特性分析

作者:学报期刊
出处:www.lunrr.com
时间:2019-09-30

随着电动汽车,航空,通信等领域的发展需求,可再充电锂电池由于其比能量高,重量轻,尺寸小,成熟和成本优势而被广泛使用。操作系统复杂性的提高导致锂电池从单体到成组的发展。单个电池远不能满足系统的能源需求,因此必须串联或并联使用电池。锂电池的性能通常是指单个锂电池的性能。锂电池在分组后不同于单体,其性能大大降低。存在诸如组中的不平衡,散热差,安全性降低以及寿命缩短之类的问题。因此,锂电池组的应用限制了电动汽车和航空航天等新能源产业领域的发展。准确预测锂电池,特别是锂电池的性能和寿命仍然是一个挑战。自1990年代以来,随着计算能力和软件技术的提高,当时的预测能力还不是很成熟,但是许多研究学者进行了一些高级研究实验,为以后的研究奠定了基础。张华辉和齐铂研究了组合前后锂电池的特性,并考虑了组合前后电池容量和SOC的变化。韩志强,姜久春等人模拟了锂离子动力电池电路模型的频率特性。它为铁路乘用车电池建模提供了基础。 P. Hong-Sun,K。Chong-Eun等人。研究了混合动力汽车锂电池组的充电均衡模块;胡小松,李胜波等。对模型进行了研究和分析,为锂电池的后续研究等提供了研究依据。另外,国内外许多公司,大学和研究机构都在进行锂电池组的管理和维护方面的研究。例如,曼彻斯特大学,美国通用汽车公司,日本丰田汽车和松下电器工业有限公司,韩国LG化工公司,中国比亚迪有限公司,清华大学,大连化工学院和以此类推。

首先,对锂电池进行建模,并基于扩展的卡尔曼滤波算法估算剩余电池电量。然后,对于航空7ICP系列的锂电池组,使用锂电池状态监控系统平台对组前后的锂电池进行充电和放电。实验结果表明了锂电池组的工作特性。

1锂电池化学

锂离子电池使用碳材料作为负极,并使用含锂化合物作为正极,不存在锂金属,仅锂离子。实验中使用的7ICP系列锂电池组由锂离子电池组成。正极材料为LiCoO2,负极材料为C。

2剩余电量估算

卡尔曼滤波适用于状态向量,系统输入和观察向量为线性的系统。扩展的卡尔曼滤波方法线性化了系统的非线性系统功能,并结合了基本的卡尔曼滤波算法进行状态估计。因此,扩展的卡尔曼滤波器适用于非线性系统。

通过将剩余电池电量作为状态参数xk,将电流ik作为控制量,并通过将电池电压yk作为观察值来建立观察方程式,来建立状态方程式。

该计算过程可以通过Matlab软件仿真获得电池剩余电量的估计结果。结合室温下的电池放电实验,实验结果验证了该估计算法的可行性和准确性。

3锂电池组充放电实验与分析

3.1充电实验

恒流充电后,通过恒流充电进行充电。恒流充电电流为9.0A。当串联电池组中电池电压的最高电压为4.15V(恒定电压点)时,它将切换为恒定电压充电。当充电电流小于0.4A时,停止充电。

使用相同的充电控制策略,比较两条曲线,可以看出单节电池的电压和电池电压的变化通常是相同的,但是电池电压的上升要慢得多。首次恒压充电时,电池组和单电池的电压在充电开始时迅速上升,但电池组电压的斜率较小,电压缓慢上升,到达转折点的时间滞后于单细胞在充电过程中,电池组和电池电压均趋于平缓,但电池电压的曲线波动较大。在充电的后期,单节电池的电压逐渐稳定,电池组的电压继续上升,并且需要更长的时间才能稳定下来。从实验结果可以清楚地看出,组装后的锂电池的充电特性不同于单体的充电特性,并且充电特性劣化。

3.2放电实验

放电使用45A大电流恒流串联放电。当检测到总电池电压降至21V或至少一个电池电压降至3.0V时,停止放电。

比较两条曲线,可以看出两条变化的趋势基本相同。在放电的初始阶段和结束阶段,电池和单体的放电速率相对较大,而中期则相对平坦。与单体相比,在放电的初始阶段,电池组的波动较大。在放电过程中,电池组与单体的放电速率不一致,电池组曲线变化比较缓慢。在放电的后期,电池组的曲线转折点相对滞后,单个元件的曲线发生变化。相对陡峭,放电速度快。结果表明,将锂电池分组后,其放电特性与单体的不同,尤其是在放电的开始和结束时。

3.3循环充放电实验

循环充放电实验中的充放电是实验阶段。实验之前,对电池组进行放电处理,经过一段时间后温度和活性恢复正常,然后进行循环充电实验。充电过程的控制与第一节的充电实验相同;充电完成后,执行保持过程;之后,进行放电实验,并且对放电过程的控制与第二部分的放电实验相同,并且对该循环重复该实验,并测量实验数据。

本文选取其中一个周期进行分析。从图中可以看出,电池组与单体的曲线基本相同。从充电的三个阶段看,电池分组后,充电速度比单体电池慢、长;在空闲状态下,单体电池的电压基本保持不变,电池组的电压仍然上下浮动。浮充时,应放置较长时间;在放电初期,电池组变化比较快,波动较大,然后趋于缓慢,因此放电过程中放电速度比单体电池慢。放电时间长,进入放电结束的时间滞后于单电池。结果表明,锂电池分组后对电池的充电、搁置和放电特性有影响,其工作特性与单体不同。

4结论

锂电池的性能一般是指单个电池的特性。当且仅当电池组中的单个电池完全相同时,电池组才显示出单个电池的特性。基于扩展卡尔曼滤波算法,实现了电池剩余容量的估计,并通过实验验证了电池的可行性和准确性。通过对锂电池和电池组充放电实验的研究,发现锂电池组具有不同于单体的充放电特性。其特点是充放电速度慢,时间长。锂电池一般是以组为单位提供电源的,因此锂电池组技术关系到消费电子、通信、航天、混合动力和军事应用的发展。本研究促进了锂电池组特性研究的发展,为航空动力锂电池的检修和健康管理提供了研究依据。

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2019年09月