摘 要

如今，国家注重环保问题，大力提倡使用新能源汽车，而动力电池是其核心所在。锂离子动力电池的工作环境温度变化较大，环境温度的变化将影响电池热力学性能，通过对锂离子动力电池的热力学参数进行研究，可以更好地了解其工作特性。

本文首先阐述了锂离子电池的结构、工作原理以及主要优缺点，以18650三元材料锂离子单体电池为研究对象，其额定容量为2.2 Ah，搭建实验平台，进行了不同温度下的HPPC实验和温熵系数测定实验。结果表明：开路电压受温度改变的影响很小较稳定；欧姆内阻和极化电阻都随着温度的下降而有所增大，但前者受其影响较大；温熵系数随温度变化较小，主要随SOC值变化而变化，先随着SOC增大而增大，之后小幅度减小。

然后介绍并分析了几种不同的电池模型，最终选取二阶RC等效电路模型作为电池充电模型，根据各模型参数与温度和SOC关系，搭建考虑温度影响下的充电模型，并进行仿真分析。结果表明：随着温度的升高，HPPC脉冲循环电压值仿真量和测量量的平均误差百分比和最大误差百分比呈下降趋势，这表明修正后的模型能更好地体现电池充电过程中端电压的动态变化，温度是电池建模过程中不可忽视的因素。

关键词：锂离子电池；充电模型；热力学参数

Abstract

The development prospects of electric vehicles are broad. Power batteries are the only energy source for pure electric vehicles and occupy an extremely important position. Lithium-ion power battery operating environment temperature changes, changes in ambient temperature will affect the battery's thermodynamic performance, through the study of the thermodynamic parameters of lithium-ion battery, you can better understand its operating characteristics.

In this paper, the structure, working principle and main advantages and disadvantages of lithium ion battery are first described, with 18650 three yuan material lithium ion monomer battery as the research object, its rated capacity is 2.2 Ah, and the experimental platform is set up. The experiment of HPPC experiment and the temperature entropy coefficient test at different temperatures are carried out. The results show that the effect of the open circuit voltage on the temperature change is very small and stable, the ohm internal resistance and the polarization resistance increase with the decrease of temperature, but the former is greatly influenced by the temperature, and the temperature entropy coefficient varies with the temperature, which mainly changes with the SOC value, and first increases with the increase of SOC, then the small amplitude decreases.

Then, several different battery models were introduced and analyzed. Finally, the second-order RC equivalent circuit model was selected as the battery charging model. According to the relationship between each model parameter and temperature and SOC, a charging model considering the influence of temperature was built and simulated. The results show that with the increase of temperature, the average error percentage and the maximum error percentage of the simulated and measured quantities of the pulsed cyclic voltage of the HPPC show a decreasing trend, which indicates that the modified model can better reflect the terminal voltage during battery charging. With dynamic changes, temperature is a non-negligible factor in battery modeling.

Keywords: Lithium-ion battery; charging model; thermodynamic parame

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 电池热力学参数的测量研究现状 2

1.2.2 电池模型研究现状 3

1.3 研究内容和研究方法 4

1.3.1 研究内容 4

1.3.2 研究方法 5

第2章 三元型锂离子电池的工作特性 6

2.1 锂离子电池 6

2.1.1 概述 6

2.1.2 锂离子电池的工作原理 6

2.1.3 锂离子电池的主要优点 8

2.1.4 锂离子电池的主要缺点 8

2.2 锂离子电池的热力学参数 8

2.2.1 电池电压 8

2.2.2 温熵系数 9

2.2.3 电池内阻 9

2.3 锂离子电池热力学性能实验及分析 9

2.3.1 电池参数以及实验平台 9

2.3.2 开路电压、内阻的测量实验 11

2.3.3 温熵系数的测量实验 16

2.4 本章小结 18

第3章 三元型锂离子电池模型的建立以及工况仿真 19

3.1 电池模型的分类 19

3.1.1 等效电路模型 19

3.1.2 半经验模型 21

3.1.3 电化学模型 21

3.1.4 内阻模型 22

3.1.5 神经网络模型 22

3.2 电池模型的选取 22

3.3 电池模型的验证 23

3.3.1 HPPC工况验证 24

3.4 电池模型的参数辨识 26

3.4.1 参数辨识的实验 26

3.4.2 开路电压Uocv的辨识 27

3.4.3 欧姆内阻R₀的辨识 27

3.4.4 极化内阻Rp1,Rp2和极化电容Cp1,Cp2的辨识 28

3.5 本章小结 32

第4章 结论 34

4.1 研究总结 34

4.2 研究展望 34

参考文献 36

致谢 38

第1章 绪论

1.1 研究背景和意义

近些年来，世界各国都在大力发展经济和科技力量，以谋求在世界舞台上占有一席之地，也因此带来了一系列环境问题。如今，环境污染问题日益严重，已经越来越成为全世界人民关注的焦点问题。2015年，纪录片《穹顶之下》将雾霾问题搬上银幕，清晰地把环境污染对人体健康造成的伤害呈现在人们面前，并在全国引起了很大的关注。

环境问题不单单出现在我国，在发达国家工业化过程中也曾经历过类似阶段。1943年，美国洛杉矶因工业废气以及汽车尾气等造成的光化学烟雾事件，即著名的“洛杉矶烟雾”，导致400多人因五官中毒、呼吸衰竭而死。从1952年以来，在伦敦共发生过的重大的的烟雾事件就有整整12起，令人触目惊心。其罪魁祸首是粉尘和二氧化硫， 烟雾逼迫所有飞机停飞，汽车不得不在白天开灯行驶，行人走路困难，烟雾事件导致呼吸系统疾病患者人数急剧增加。在1952年的12月份，光5天内有4000多人去世，两个月内有8000多人去世。像这样的污染事件还有很多，但值得庆幸的是，在惨痛经历之后，他们都采取措施基本完成治理工作。我国目前还是发展中国家，大力发展经济，改善人民生活固然重要，但在追求经济效益的同时，也应该着眼于环境保护，避免类似的惨剧发展。

现如今，汽车已经是人们出行的必需品，随着人们生活水平不断提高，汽车的保有量也不断攀升。据相关部门统计数据显示，截至2017年6月底，我国机动车保有量达3.04亿辆，其中汽车2.05亿辆。汽车行业的迅猛发展给我国人民带来便利，但随之而来的还有环境问题。传统内燃机汽车以汽油和柴油为能量源，燃烧后会产生大量的二氧化碳，将加剧温室效应，燃料的不完全燃烧还会产生一氧化碳、氮氧化物等有害气体，污染大气。并且，我国能源结构为多煤少油少汽，石油资源十分匮乏，依赖进口。因此，在环境污染问题和能源危机的双重压力下，发展电动汽车是我国汽车产业未来发展的大趋势。

电动汽车能有力改善环境问题，这是由于工作中不会污染环境的有害气体，并且废气排出也比燃油汽车减少百分之九十以上^[1]。不仅如此，即使将电力消耗转化为发电厂排放, 除硫和微粒外, 其他污染物也会明显减少。而且，由于大多数发电厂的设施远离人口密集的城市 ,对居民造成的伤害小, 法电厂通常是固定不动的, 可以实现集中排放，更容易清除各种有害排放物。现如今，电力可以从多种能源获得, 如煤、核能 、水力等, 可缓解人类对石油资源的依赖。电动汽车还可以充分利用晚间用电低谷时富余的电力充电, 使发电设备日夜都能得到充分利用,大大提高其经济效益，降低成本。因此，不论从环保或是经济效益的角度，发展电动汽车都是至关重要的。

电动汽车一般可分为三种类型：纯电动汽车（BEV）、混合动力汽车（PHEV）以及燃料电池汽车（FCEV）^[2]。其中，燃料电池汽车以氢气作为能源，具有续航里程长、燃料补充速度快以及低温冷启动性能好等优点，但目前技术尚未成熟，在氢气的制取与储存、加氢站的建设、燃料电池整车集成技术等方面存在问题，这就导致燃料电池汽车要大规模生产并投入使用还需要很长的时间，技术上的限制制约着燃料电池汽车的大规模使用。而混合动力汽车是从传统内燃机汽车到电动汽车很好的过渡，但其主要动力还是通过燃油提供，无法从根本上解决环境污染的问题。因此，发展纯电动汽车是大势所趋。

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