HEV再生制动时NiMH电池快速充电策略与仿真

基于镍氢电池性能实验结果,分析了轻度HEV用镍氢电池在不同SOC情况下不同充电电流的最高温度、温差变化趋势.结合混合动力汽车镍氢电池实际工作情况和电池快速充电理论,基于马斯定律提出了适合混合动力汽车再生制动的镍氢电池恒流分阶段充电控制策略,并进行了HEV镍氢电池快速充电过程的建模与仿真.通过对比该快速充电策略、保护电压恒流充电策略和40 A恒流充电策略下的仿真结果,验证了所提出的电池分阶段恒流充电控制策略的正确性和可行性.     

基于电-热-老化耦合模型的自适应多段恒流充电研究

基于一阶RC等效电路模型、热网络法以及老化模型建立了锂离子电池的电-热-老化耦合的多状态联合估计模型，采用粒子群优化算法建立阶数自适应的多段恒流充电策略.通过构建充电时间-电池寿命的帕累托边界曲线，得到了电池最短充电时间(β=1)、最小老化(β=0)及平衡(β=0.02)充电三种充电策略，并与CC-CV充电策略进行了对比.结果表明，最短时间充电与2C CC-CV具有很高的一致性.最小老化充电与0.1C CC-CV充电的老化损失都很小，但前者缩短了61.7%的充电时间.平衡充电策略相比于最小老化策略，仅牺牲0.06%SOH，缩短71.19%的充电时间.相比于0.5C CC-CV充电策略，平衡充电策略的充电时间减少了44.9%.     

动力锂离子电池充电过程热模拟及影响因素灰色关联分析

针对不同充电工况,建立动力锂离子电池充电过程三维热模型,并对不同对流传热系数、辐射系数、环境温度和充电电流等影响因素下动力锂离子电池充电过程产热和散热机理进行模拟.研究结果表明:动力锂离子电池内部升温速率在充电电流增大到某值前基本不变,随后将随充电电流增大而增大;环境温度越高,充电完毕后动力锂离子电池内部温度越高;强制换热时,辐射系数的变化对电池内部温度影响不大,而自然对流换热时,热辐射对内部温度影响明显;充电电流关联度(0.792 53)＞环境温度关联度(0.658 04)＞对流换热系数关联度(0.633 88)＞热辐射系数关联度(0.511 03).     

镍氢电池均衡充电系统的设计

为实现镍氢电池动力系统电动大巴车的均衡充电,针对镍氢电池现有的均衡器均衡电流小,均衡时间长等不足,设计了大电流电压控制式均衡系统,与现有充电机和电池管理与检测系统配套使用．实验证明此系统可以有效地对电池组进行均衡充电,延长电池寿命．     

基于热模型的动力电池热故障诊断系统

为提高车载动力电池热管理系统的可靠性,使电池温度维持在合理的范围内,根据镍氢电池的结构及传热学原理,建立了电池的热模型,实现了电池内部及表面温度的在线预测.通过模型预测温度与实际温度的对比,对电池温度异常状况进行在线诊断,并将诊断信息通过控制器局域网(CAN)通信传送给整车控制器,使整车及时对故障做出响应.试验结果表明,该系统能准确及时地诊断风机故障、电池剩余容量(SOC)过高及电池过充故障,有效避免了因热故障引起的电池过温.     

HEV再生制动时电池快速充电模糊控制策略

为了提高混合动力汽车(HEV)再生制动时蓄电池的充电效率,保证蓄电池的使用安全,在分析蓄电池充电过程热交换模型的基础上,建立了电池开路电压-内阻模型与充电效率间的数学关系.然后,基于马斯定律,设计了适用于HEV再生制动时电池快速充电模糊控制算法.在Mat1ab环境下搭建了闭环控制系统仿真模型,通过建模与仿真计算出HEV在不同控制策略下的电能回收率.结果表明在相同制动情况下,设计的快速充电模糊控制策略与限流充电控制策略相比,电能回收率增加了8.41％.     

混合动力汽车用镍氢蓄电池组热管理方法

针对镍氢电池温度变化直接影响电池组的性能和寿命等问题,研究了镍氢蓄电池组充放电产生的温升和温度分布.分析了电池产热机理,以降低电池组的最高温升为目标,综合考虑了电池温升和充电电流等因素的较大初始充电电流,提出了分阶段恒流充电控制策略,并进行了数值仿真分析.通过电池组温度场模型理论分析,对现有电池组散热结构进行了优化,通...     

基于充电电压片段的锂离子电池状态联合估计方法

锂离子电池的荷电状态(SOC)、健康状态(SOH)和剩余使用使命(RUL)是锂离子电池安全稳定运行的重要状态参数,本文提出一种基于充电电压上升片段的锂离子电池状态联合估计方法,实现对电池预测起点(SP)到寿命终点(EOL)的较长运行周期内SOC、SOH和RUL的联合估计.该框架在充电阶段进行SOH和RUL估计,在放电阶段进行SOC估计.首先提取电池恒流充电电压曲线片段的上升时间作为健康特征(HF),以HF作为输入,循环容量作为输出,建立最小二乘支持向量机(LSSVM)电池老化模型,对当前健康状态进行估计;采用等效电路模型对该电压区段进行非线性拟合,用拟合参数建立状态空间模型,结合无迹卡尔曼滤波算法进行SOC估计;用高斯过程回归时间序列模型对电池的健康特征序列进行建模,通过循环次数外推预测健康特征的变化趋势,并结合LSSVM老化模型,对RUL进行预测并给出置信区间.实验结果表明,所提方法具有较高的估计精度和较好的稳定性.     

阀控密封铅酸电池建模及试验研究

建立了阀控密封铅酸电池的等效电路模型,并对90 Ah阀控密封铅酸电池进行了脉冲充电试验研究.通过分析阀控密封铅酸电池脉冲充电的实验结果,得到了电池内部参数的变化规律,为电池管理系统的能量控制提供了依据.     

基于二阶Thevenin模型的锂电池建模仿真

介绍了几种典型的电池模型,选取二阶Thevenin模型作为研究对象.对锂电池进行了性能试验,通过HPPC试验对电池模型参数进行辨识.借助Matlab中cftool工具箱对试验数据进行多项式拟合.在Matlab/Simulink中搭建仿真模型并进行仿真试验,通过对仿真和试验结果的对比分析,验证了锂电池模型参数辨识的有效性.分析了仿真误差增大的原因,提出了进一步提高电池模型参数精确度的方法.结果表明:该模型可以准确地描述不同工况下的锂电池外特性,随着电池SOC的降低,仿真误差有所增大,当SOC0.2时,仿真误差增大较明显.     

湿热环境下NCM三元锂离子电池热失控分析

从高温热滥用角度出发,对高湿高温环境中三元锂离子电池的热失控行为进行实验和模拟的对比分析.选择荷电量(SOC)为50%的镍钴锰三元锂离子动力电池(NCM523)作为研究对象,利用恒定功率1kW 的电热炉作为外加热源,加热660s后撤掉外热源,进行湿热环境下NCM三元锂离子电池热滥用实验,并利用COMSOL多物理场仿真软件进行数值模拟.结果表明:常湿条件下,环境初始温度的提高,造成热失控发生的时刻显著提前.对于SOC为50%的NCM三元锂离子电池,在相对湿度为50%的条件下,当环境初始温度由20℃增加到40℃时,电池达到热失控的时间提前了20.2%;在室温为30℃条件下,当环境湿度由50%增加到100%时,热失控导致的最高温度增加了37.2%.高温高湿环境将造成NCM三元锂离子电池热失控的危险性显著增加.     

基于液冷的锂离子电池组热均衡性研究

为了改善车用锂电池模组在高温高倍率工况下的热均衡性,根据圆柱形锂电池的传热特性,建立了18650锂电池单体的三维热模型,并完成40 °C环境自然对流下的热特性仿真,并通过温升试验验证了生热模型的可靠性. 在此基础之上,针对某型纯电动汽车的动力电池组,提出了一种夹套式电池模组冷却系统,利用Fluent研究了40 °C环境下冷却液流量、冷却液温度和放电倍率对电池组散热均衡性的影响. 结果表明:增加冷却液流量可以有效降低电池组最高温度、最大温差及电池自身温差,改善电池间的温度均匀性;但当入口流量增至0.03 kg/s后,对电池组散热性能的改善效果十分有限;降低冷却液温度后,电池组最高温度下降,但电池组最大温差与单体电池间温差不断上升,单体电池自身最大温差略有降低;当放电倍率增大时,电池组最高温度与最大温差均不断上升,单体电池间温差以及电池自身温差显著增大,电池组热均衡性变差.      

基于红外热成像技术的锂离子电池热特性试验研究

为了深入研究锂离子电池在工作状态下的热特性,通过试验与理论分析手段,结合红外成像技术与非接触式可视化观测方法,研究了锂离子电池单体在不同放电倍率下的表面温度分布特征及不同荷电状态(State of charge,SOC)下的温度均衡性和不同测量点的温升特性。结果表明:锂离子电池极耳附近区域为主要的产热源,且放电倍率越高,产热量越大;电池温度上升越快,最高温度越高,电池温度均衡性越差; 1C放电时,电池表面的温度梯度以多个类半圆形温区呈现;并以正极区为圆心向整个电池扩展; 2C放电时,初期形成的两个半圆形温区重合为一个以圆弧为下边的类矩形温区,直至扩展到电池下边缘;不同放电倍率下,电池温升速率均呈现先减小后增大的趋势。根据以上分析及研究成果,可以合理改进电池单体结构,设计电池组或电池包散热方案,提高锂离子电池在工作过程中的高效性和安全性。     

基于红外热成像技术的软包锂电池热特性分析

Based on infrared thermal imaging technology and visual testing methods, the surface temperature variation characteristics and heat generation law of ternary soft-pack lithium battery under different working conditions were investigated. The ambient temperature, the discharge rate, and the ear clamping method are three variable conditions. The two are coupled to the control variable experiment to monitor the temperature rise of the battery surface. The results show that the optimal working temperature of the battery is 25 °C, to ensure that the different rate of discharge experiments at the most suitable working temperature, found that with the increase of the discharge rate, the heat generation increased, the surface temperature of the battery increased, the conductive clip clamping tab is compared with the copper clip holding tab This method will lead to insufficient overcurrent at the ear, a sharp increase in heat generation, and a significant temperature rise on the surface of the battery. This type of clamping is not conducive to heat dissipation of the battery, which provides a parameter basis for thermal battery design optimization and experimental operation. The test results have guiding significance for the optimization of the heat dissipation scheme.     

单一压力容器氢镍电池电堆的温度场仿真

针对一实际空间用单一压力容器氢镍电池的实际传热特点,建立氢镍电池电堆的传热数学模型,采用有限差分的数值求解方法,对电堆中间层单片电池求解,并与实际测量数据进行对比.在验证模型有效性的基础上,分析了极堆内电池的温度场分布特点,为氢镍电池的热分析和热控制研究提供了理论基础.     

基于半导体制冷的动力锂电池包散热优化

为提升动力锂电池包的散热性能和能量密度,基于半导体制冷方案,提出一种多目标优化设计方法,对动力锂电池包的排布间距和半导体制冷量进行优化设计。基于建立的半导体制冷方案的热分析模型,采用拉丁超立方试验及径向基函数(radial basis function, RBF)、响应面法(response surface methodology, RSM)、Kriging代理模型方法建立最高温度、最大温差及间距体积的近似模型。以最大温差和间距体积为目标,最高温度为约束建立电池包散热优化模型,运用多目标遗传算法(multi-objective genetic algorithm, MOGA)进行寻优求解,并通过实验验证优化方案仿真结果的可靠性。优化后仿真结果表明：电池模组间距体积减小了32.42%,最大温差降低了13.64%,最高温度降低了0.53%,该方法显著地提升了电池包的散热性能和能量密度。     

车用锂电池组热流场特性数值模拟与优化设计

针对车用电池温升过高、电池组温差大的问题,开展电池包热流场分析与优化设计.根据Bernardi的生热速率方程式,建立由电池电解液、正负极柱和隔膜四部分组成的单体电池热耦合模型及成组电池传热模型;利用Fluent软件分析锂电池单体在自然对流环境下的温升特性,研究成组电池在强制对流条件下的热流场特性;通过增加导流板优化电池箱内流场结构,并评估导流板对电池组散热效率的作用.结果表明:单体锂电池在自然对流下温升明显,电池内核温度远高于正负极柱温度;电池箱进出风口位置及结构决定箱内空气的流向和成组电池的散热效果;通过对进、出风口位置的设计及增加导流板,可有效改进电池组热流场的均匀性,从而提高散热效果.     

基于电化学机理模型的锂离子电池早期内短路电热特征研究

锂离子电池的内短路故障是诱发其热失控的主要原因之一,早期内短路特征研究能够为电池管理系统的故障诊断和安全预警提供支撑,对提高电动汽车的安全性具有重要意义。构建了锂离子电池内短路电化学机理模型,实现了不同内短路阻值下的锂枝晶内短路故障模拟。结果表明,由锂枝晶导致的电池内短路产热98%以上来源于正负极产生的焦耳热,早期内短路过程中正负极集流体表面的温升小于1.5 K,不显著的外部热特征无法用于早期内短路故障诊断。与正常电池相比,内短路故障将使得电池充电速度变慢,放电速度变快,端电压异常下降,上述电特征可以为构建早期内短路故障诊断方法提供依据。     

基于最小热阻理论的混凝土导热系数计算模型

针对传统混凝土导热系数计算模型机械地按照混凝土组成来划分热流途径而导致计算结果偏大的问题,基于最小热阻理论,并考虑到混凝土中孔隙作用,对传统混凝土导热系数计算模型进行了改进.通过引入传热面积比例系数的方法,使混凝土中热流途径的划分不仅满足了混凝土组成的要求,而且满足了最小热阻理论.采用该模型分别计算了8种混凝土的导热系数,其计算结果与实测结果的误差率在-14.0%～+5.1%范围内,而Harmathy模型和Campbell-Allenand Throne模型的计算结果与实测结果误差率分别在4.9%～29.3%和11.0%～32.1%范围内.相比于传统的混凝土导热系数计算模型,基于最小热阻理论建立的混凝土导热系数计算模型精度有了较大的提高.     

Thermal behavior simulation of Ni/MH battery

Thermal behavior of overcharged Ni/MH battery is studied with microcalorimeter. The battery is installed in a special device in a microcalorimeter with a quartz frequency thermometer. Quantity of heat and heat capacity of the battery charged at different state of charge (SOC) at different rates are measured by the microcalorimeter. Based on a series of assumputions, heat transfer equation is set up. Expression of heat generation is attained by curve fitting instead of theoretical calculation. Thermal model is used to simulate thermal behavior of the battery in charging period, results of calculation and experiment match very well. The temperature distribution is non-uniform because the poor conductivity limits the heat transfer during charging process. It is difficult to greatly improve the heat conductivity of the battery because it is related to materials inside the battery including electrodes, separators and so on. Therefore, high rate charge should be avoided in actual use. It may cause some damage to the battery. Supported by the National Key Basic Research and Development Program of China (Grant No. 2002CB211800)