车用锂离子动力电池实验报告

实用文档试验题目：车用锂离子动力电池实验目录试验题目：车用锂离子动力电池实验 11. 实验目的： 22. 动力电池简介 2a) 车载动力电池介绍 2b) 国内电动车用锂离子动力电池的标准 33. 实验仪器 34. 试验方法 45. 数据处理分析 5a) 分析不同温度下、不同倍率下电池能放出或充进的电量 5b) 电池的直流内阻特性（与温度、SOC关系） 7c) 电池开路电压与温度的关系 9d) 电池的开路电压稳定时间 10e) 电池的功率特性（与温度、SOC关系） 11f) 各温度下电池特性比较 126. 实验总结 147. 附录 14a) 参考文献 14b) 数据处理代码 15实验目的：了解动力电池主要性能参数了解动力电池基本性能试验标准及方法了解动力电池试验设备基本掌握试验结果分析方法动力电池简介车载动力电池介绍新能源汽车动力电池可以分为蓄电池和燃料电池两大类，蓄电池用于纯电动汽车（EV），混合动力电动汽车（HEV）及插电式混合动力电动汽车（PHEV）；燃料电池专用于燃料电池汽车（FaV）。主要类型有主要有阀控式铅酸蓄电池（VRLAB）、碱性电池（Cd-Ni）电池、MH-Ni电池）、Li-ion电池、聚合物Li-ion电池、Zn-Ni电池、锌-空气电池、超级电池、质子交换膜燃料电池（PEMFC）、直接甲醇燃料电池（DMFC）等。而就电池性能而言，不同需求造成了对电池的性能需求不同。HEV有汽油发动机作为动力来源，更强调加速性能和爬坡能力，因此更注重电池的比功率（要求高达800——1200W/kg）；PHEV和EV完全以电池作为动力，更强调充电后的续驶能力，因而更关注电池的比能量（要求达到100——160Wh/kg）。在现有的新能源汽车动力电池中，锂离子电池生产成本相对较低，重复充电利用非常方便，相比其他可携带能源具有更高的成本优势。其还具有比能量高、比功率大、工作范围宽等特点。因此，这类电池成为了目前最受欢迎的动力源。国内电动车用锂离子动力电池的标准2001年，我国出台了第一个锂离子电池国家标准指导性文件GB/Z18333.1-2001《电动道路车辆用锂离子蓄电池》。在2006年，颁布了汽车行业标准QC/T743-2006《电动汽车用锂离子蓄电池》。该标准对锂离子单体蓄电池和锂离子蓄电池模块的安全性。分别规定了测试要求，主要包括：过放电、过充电、短路、跌落、加热、挤压、针刺、耐振动等。实验仪器电池充放电机充放电模式恒流充电、恒压充电、恒流恒压充电、恒功率充电、SIM、脉冲充电恒流放电、恒功率放电、恒压放电、恒阻放电、SIM、脉冲放电截止条件主通道：电压、电流、相对时间、容量、-ΔV辅助通道：温度、电压温箱电池出厂性能指标序号项目具体内容1电池种类三元锂离子动力电池3标称容量37Ah4充电截止电压4.2V5放电截止电压2.8V6最大充电电流6C(连续)8C(10s,50%SOC)试验方法步骤内容注意事项开始前根据试验内容，选择试验设备，并检查测试设备试验台架与温箱工作是否正常试验电池是否有破损第一步连接试验电池，准备试验测试过程所需要的传感器（如温度传感器）是否连接标注电池序号电池连接件是否紧固第二步设置试验设备试验台架的通道选择根据试验需求，设置温箱的控制温度第三步根据电池，设计试验方案，编写试验程序，确定采样频率设置电池充放电过程中的上下限电压电池运行过程中的跳转条件是否正确电池运行温度上下限第四步检查试验整体程序，操作试验设备开始试验检查试验过程中电池电压电流是否有异常情况电池初始电压是否正常电池电流是否有不正常跳变第五步采集整理并分析试验数据，整理实验设备与实验室整理实验室，保证实验室美观检查得到的试验数据是否有异常数据处理分析分析不同温度下、不同倍率下电池能放出或充进的电量利用所给excle容量测试数据，对于每个循环中的充电容量以及放电容量取平均值，计算如下表：平均容量-2502555温度1/330.1835.5939.4641.47131.1635.1138.5641.01334.5734.6937.9240.55倍率绘制电池容量与温度倍率的关系如下图：利用电池的标称容量：37Ah计算相应的SOC与DOD如下图：如图可见，随温度升高，电池的充电容量和放电容量都有所上升，可知，低温下，电池容量衰减得极快，而在常温左右，容量随着温度升高而增长，其速率相对低温下较慢。-25℃时，电池的容量仅为标称值的80%，而在0℃到55℃，电池的容量从标称容量的95%升至110%。同时也可以看到。当温度较高时，越小的充/放电倍率可以拥有越大的充/放电容量，相反当温度较低时（如在-25℃），越大的充/放电倍率可以拥有越大的充/放电容量。机理分析：温度下降，电极的反应速率也下降。假设电池电压保持恒定，放电电流降低，电池的功率输出也会下降。在所有的环境因素中，温度对电池的充放电性能影响最大，在电极/电解液界面上的电化学反应与环境温度有关，电极/电解液界面被视为电池的心脏。如果温度上升则相反，即锂聚合物电池输出功率会上升。温度也影响电解液的传送速度，温度上升则加快，传送温度下降，传送减慢，电池充放电性能也会受到影响。电池的直流内阻特性（与温度、SOC关系）根据电流阶跃方法计算不同时间的直流充放电内阻Rdch和Rcha利用MATLAB寻找下图中的脉冲状态，实现所求功能利用MATLAB处理数据，导入至Excel中，绘制得到如下图表可见，无论是充电电阻还是放电电阻，都随温度降低而上升，特别是在零度以下格外明显，同时，随着电池容量的下降，电池内阻也有所上升，当温度较低时，这个现象更为明显。在较宽的SOC区间内，如SOC值处于0.3～1.0时，同一温度下电池的内阻基本上不变。而在SOC值较低的情况下，如SOC值小于0.1这一区间，电池的内阻随着SOC的降低而急剧增加。由充放电欧姆内阻曲线可以看出，25℃虽然是10℃和40℃的中位温度，但是25℃曲线明显地更倾向于40℃曲线。也就是说，相比高温，电池内阻的变化对于低温更加敏感，变化的速度在低温下更大。即温度越低，电池的充放电欧姆内阻随SOC值减小而上升的速率和幅度均越大。原理分析：随着温度的降低，电池充放电的欧姆内阻增加。这是因为，上述测试方法得到的是电池的直流内阻，该直流内阻主要由电池极板、极柱等金属连接件和电解液的欧姆内阻共同组成。本试验中使用的电解液为锂盐电解质和有机溶剂，该电解液主要依靠电解质的离子导电，因此，在一定的温度范围内，温度降低，离子迁移速度降低，电解液的欧姆内阻增大，由于电解液的内阻是电池欧姆内阻的主要来源，因此，温度降低，电池的欧姆内阻增大。同时，温度降低，离子移动速度减慢，化学反应速度降低，浓差极化和电化学极化增大，这使得极化内阻也增大。两者叠加，使得总内阻增大。电池开路电压与温度的关系根据电池静置的电压，得到不同温度下的开路电压UOCV如图可见，磷酸铁锂电池的开路电压随着电池SOC的增加而单调增加。但是SOC-OCV曲线在很宽广的中段SOC范围内上升缓慢，曲线非常平坦，在SOC值为0.2～0.6的区间里，电池的开路电压OCV随着SOC值的变化而变化很小；而磷酸铁锂电池在SOC值大于0.6的范围内，电池的开路电压OCV随着SOC值的升高上升得非常快。关于环境温度对电池开路电压的影响，我们可以看到不同温度下得到的SOC-OCV曲线基本相同，原因分析如下：Nernst方程指出，OCV与电池的标准电动势、电池热力学温度和反应物产物量的浓度积有关，由于方程中的温度以热力学温度计算，因此，在10～40℃的温度范围内，其OCV的相对差异很小。电池的开路电压稳定时间如图可见，由于计算处理方法的问题，所得的电压稳定时间曲线波动较大，这也与采样时间选取较长，且瞬态测量不够稳定所造成，不过可见温度越低，稳定时间越长，这是由于化学反应速度与温度有关。对于SOC与稳定时间的关系，情况有所波动，不过总体可见，随着电池SOC增大，电压稳定时间变短。电池的功率特性（与温度、SOC关系）根据直流内阻及电池开路电压、最低允许工作电压(Umin)、最高允许工作电压(Umax)计算电池的充放电最大功率Pdch、Pcha，绘制相关图表如图分析可见，从总体上看，充放电功率受温度影响最大，温度越高，电池的充放电功率就越大，同时也可以发现，随着SOC的增大，充电功率下降，而放电功率上升。低温情况下，由于化学反应速率较慢，电流放不出来，功率下降十分明显，同时随着电池电量的不断上升，开路电压增大，充电的速率逐步下降，反之，放电的功率不断上升。从而出现如上现象。各温度下电池特性比较根据以上实验要求，利用MATLAB处理数据，导出至Excel中得到的数据如下。由上面几张表可以看出，电池特性受温度、SOC影响明显。实验总结通过这次实验，我明白各种动力电池的分类以及检测方法，通过老师对电池试验的标准及方法的讲解，以及亲手对实验数据的处理，我明白了锂离子电池对工作环境是有一定要求的，特别是受温度影响十分明显，当环境发生改变的时候，电池的工作效率将会大大下降。如今，新能源汽车正逐步走上历史舞台，研究锂电池对于混合动力汽车，纯电动汽车有着很深刻的意义！感谢这次试验中老师耐心地的讲解和辛勤的付出！附录参考文献[1]李哲,韩雪冰,卢兰光,欧阳明高.动力型磷酸铁锂电池的温度特性[J].机械工程学报,2011,47(18):115-120.数据处理代码所用MATLAB数据处理代码如下：N=size(HPPC,1);ii=0;STEP=0;s=0;%寻找充放电脉冲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