基于二阶段放电试验的磷酸铁锂电池的Peukert模型

清华大学学报(自然科学版)2010年第50卷第2期

CN1122223/NJTsinghuaUniv(Sci&Tech),2010,Vol.50,No.232/38

2952298

基于二阶段放电试验的磷酸铁锂电池的Peukert模型

仝　猛1,2,　邵静玥1,　卢兰光1,　黄海燕1,　李　哲1,　邓隆阳1,　林庆峰3,　焦生杰2,　欧阳明高1

(1.清华大学汽车工程系,北京100084;2.长安大学工程机械学院,西安710064;

3.北京航空航天大学交通科学与工程学院,北京100191)

摘　要:放电倍率与可用容量关系通常采用Peukert方程来描述,但Peukert方程存在不能区分电流倍率对于电荷损耗及剩余容量影响的问题。为探讨Peukert方程背后起主导作用的机理并建立合理的方程,该文以采用二阶段恒流放电试验,分别建立Peukert形式的方程。其中,第一阶段可用容量的方程(PE1)即原始Peukert模型,剩余容量的形式方程(PE2)最大可用容量Peukert耗的关系。)、,反映了可用容量、内阻等内在特性受温度、电流影响而增大或波动的特点。其

Peukert系数(1.01～1.06)远小于镍镉、铅酸电池,说明其电

separatetheinfluencesofthetwomechanisms.ThePeukert

equationforthefirststageavailablecapacity(PE1)istheoriginalPeukertequation,whilethePeukertthesecondstageavailable(residual)relatestheC2rateandthethemaximum(thesumoft(PE3)relatesthe

2diffusionandnonlinearphenomena

intheforthemaximumavailablecapacityoftheLFPbatteriesandtheC2rateareinaccordancewiththecurrentandtemperatureeffectsonsolidelectrolyteinterphase(SEI)layersanddiffusion,andconsequentlywiththeavailablecapacity,internalresistance,andpotential.

ThePeukertcoefficientfortheLFP

batteryvariesbetween1.01-1.06,whichisverysmallcomparedtolead2acidandNiMHbatteries,indicatingitssmallchargelossandthesmallinfluenceofC2rateonthelosses.Keywords:lithiumironphosphatebattery;

Peukertequation;

two2stagedischarge;remainingcapacity;stateofcharge(SOC)

量损失及大电流影响较小。

关键词:磷酸铁锂电池;Peukert模型;二阶段放电;剩余

电量;荷电状态

中图分类号:TM911

文章编号:100020054(2010)0220295204

文献标识码:A

Peukertmodelsoflithiumironphosphatebatteriesbasedonthetwo2stagedischarge

test

TONGMeng1,2,SHAOJingyue1,LULanguang1,HUANGHaiyan1,LIZhe1,DENGLongyang1,LINQingfeng3,JIAOShengjie1,OUYANGMinggao1

(1.DepartmentofAutomotiveEngineering,TsinghuaUniversity,

Beijing100084,China;

2.ConstructionMachinerySchool,ChangπanUniversity,

Xiπan710064,China;

3.SchoolofTransportationScienceandEngineering,

BeihangUniversity,Beijing100191,China)

Abstract:ThePeukertequationrelatestheC2rateandtheavailablecapacityatthegivendischargerate,butconfusesthetwomechanismsofthechargelossinthedischargeprocessandtheresidualcapacityattheendofthedischargeprocess.Atwo2stage

constantcurrentdischargetestofalithiumironphosphate(LFP)batterywasusedtoanalyzethedischargeprocesswiththePeukertandsimilarequationsusedtodescribethedominantprinciplesand

自从20世纪90年代锂离子电池出现以来,因其高比能量、高比功率、高效率、长循环寿命、低自放电等优点而得到了广泛应用,但它存在着高成本、对于工作条件较敏感等缺点。这种敏感性进而影响到安全性和耐久性,这些缺点严重制约了锂离子电池在电动汽车行业的应用。

对锂离子电池的荷电状态(SOC)进行精确估计进而对锂离子电池进行精确管理可以减少寿命损失、消除安全隐患。计算电池SOC和可用电量的最常用方法是安时积分法,该方法简单、可靠,但存在长期累积误差。一种改善方法是利用Peukert模型[1]来修正电流倍率对于容量/电量影响。在实践

收稿日期:2009201222

基金项目:中国博士后科学基金资助项目(20070410520);

汽车安全与节能国家重点实验室开放基金资助项目

(KF09011)

),男(汉),陕西,博士后。作者简介:仝猛(1970—

通讯作者:欧阳明高,教授,E2mail:ouymg@

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中,Peukert模型被广泛接受[2-6]。但是这个模型后来被发现存在诸多问题[2],例如采用单一阶段的恒流放电的电量(该电流下的可用电量)去建立电流与电量的模型,Coulomb效率的影响与剩余电量的影响就会被混淆在一起;如果该模型用于动态电流下的电量或SOC估计,就会存在较大的系统误差[2]。该系统性误差可以用二阶段放电中第二阶段标准小倍率下的放出电量去评价。试验表明对于充满电的磷酸铁锂动力(LFP)电池以2C(C为电池容量)放电(结束电压2V),原始Peukert的系统性误差可达到11%左右。此外,这个模型是基于铅酸电池的,能否适用于锂离子电池未经过充分验证。

本文以LFP电池为实验对象,进行不同电流倍率的二阶段放电试验,分别建立第一阶段放出的电量(可用电量)、第二阶段放出的电量(剩余容量)、二阶段放出电量之和(最大可用电量)的Peukert程,分析与Peukert乘幂关系的度以Peukert图1　两个阶段放电曲线

下倍率下的放电电量:0.1C、0.2C、0.5C、1.0C、

2.0C、0.3C、0.8C。补偿每个循环的充电电量误差的影响后,获得电流倍率与两个阶段电量(可用电量、剩余电量)、总放电电量()的关系。

3　1　模型

模型[1](记为PE1),

Qn1=Qn(In/In1)

p1-1

.(1)(2)

　　由式(1)可得

ln(Qn1/Qn)=(p1-1)ln(In/In1).

1　试验对象为力神公司LFP电池,标称容量11

Ah,工作电压范围3.65～2.0V。试验系统由充电机(稳压电源4NIC2K300)、电子负载H&HZSLV1502、Dewetron5000CA数据采集系统、Tektron2ics电流传感器(电流钳)等组成。用具有恒流、恒压功能的高精度稳压电源来实现电池的恒流-恒压充电;用电子负载给电池放电;用数据采集系统记录电池端电压及经电流钳变送的电流信号。采用安时积分法计算充放电电量及平均放电电流。

　　可以采取线性回归来求解Peukert系数(p1)。取截距为0,p1可根据线性拟合函数的斜率确定,

(3)p1=1+ln(Qn1/Qn)/ln(In/In1).

　　绘制第一阶段放电的放出电量与放电电流的关系,如图2所示。其中:横轴为相对放电电流,采用实测电流与0.1C实测电流的比值;纵轴表示相对放出电量采用实测电量与0.1C实测放电电量的比值,取其对数值作图。根据斜率可确定第一阶段放电可用电量的Peukert模型的p1为1.05。

2　二阶段电池放电电量试验

传统的Peukert模型,仅考虑了单一阶段的恒流放电的电量,没有考虑放电倍率对于恒流放电末期电池内部剩余电量的影响。不妨在单一阶段放电之后,增加一段标准小倍率放电,测出该剩余电量,用总放电电量去建立模型,即可抵偿单一阶段放电电量PE模型中的剩余电量影响。放电过程分成两阶段:1)以较大的倍率放电到结束电压2V,经过1h静置;2)以0.1C的倍率再次放电到结束电压,如图1所示。

充电采用恒流-恒压充电制度,恒流充电倍率0.3C,恒压充电电压3.65V。

为了获得较为准确的倍率电量模型,共进行了8组充放电循环,

按照二阶段放电方法依次测试以

图2　第一阶段的放出电 …… 此处隐藏：3943字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……