（節(jié)選）2014年--外文翻譯--電池模型設計一個高級多功能的電池管理系統(tǒng)（譯文）

1、<p><b>　　4095漢字</b></p><p>　　出處：Notten P H L, Danilov D L. Battery Modeling: A Versatile Tool to Design Advanced Battery Management Systems[J]. Advances in Chemical Engineering and Science,2

2、014.</p><p>　　畢業(yè)設計（論文）外文翻譯</p><p><b>　?。ǜ酵馕脑模?lt;/b></p><p>　　題 目： 電池模型：一個高級多功能 </p><p>　　的電池管理系統(tǒng)的設計 </p><p>　　系 別： 汽車

3、工程系 </p><p>　　專業(yè)班級： 汽車服務工程 </p><p>　　姓 名： </p><p>　　學 號： </p><p>　　指導教師：

4、 </p><p>　　電池模型：設計一個高級多功能的電池管理系統(tǒng)</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　可充電電池的基本物理和（電）化學原理形成的基礎電子網(wǎng)絡模型開發(fā)了水電池系統(tǒng)，包括鎳金屬氫化物（NiMH）電池和水電池系統(tǒng)，如眾所周知鋰離子電池。這兩種新型等效電路網(wǎng)絡系統(tǒng)代表了本

5、文的主要貢獻。這些電子網(wǎng)絡模型描述了在正常操作期間和電池在水性蓄電池的情況下（不）過度充電系統(tǒng)。這使得可以以可視化的反應各種途徑，例如包括常規(guī)和脈沖（DIS）的充電行為，以及自放電性能。</p><p><b>　　關鍵詞</b></p><p>　　電池建模;充電電池;鋰離子電池;鎳氫電池;電池管理系統(tǒng)（BMS）</p><p><b&

6、gt;　　簡介</b></p><p>　　可持續(xù)發(fā)展是我們當今社會的主要挑戰(zhàn)之一。經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展，需要清潔的可再生能源，因此，高效的能源存儲介質。風，太陽能和潮汐能都是需要儲存積累，可靠地在這些高度波動的條件下提供可再生能源電力，但不規(guī)則能源的例子。圖1示出了需要在各種應用中的儲能。直到最近，像二次（可充電）電池，燃料電池和超級電容器的能量存儲和轉換裝置主要用于在便攜式電子設備（筆記本電腦，蜂窩電話

7、等）和單機設備（備用電源，電動工具）。今天有強烈傾向的多樣化的應用領域，因此有必要需要各種能量儲存設備：一方面，更大的存儲系統(tǒng)在應用，例如，（混合）電動車輛和工業(yè)規(guī)模的設備，另一方面，非常小尺寸的能量存儲裝置被應用，例如，無線自主設備和醫(yī)療器物[1,2]如在圖1中示意性地表示。</p><p>　　圖1：未來電池應用及必要的能量存儲功能。</p><p>　　因此，非常需要根據(jù)各種條件和通

8、用的一個應用程序，描述電池的性能。電子網(wǎng)絡的建模提供了這樣的通用工具，很好地可視化發(fā)現(xiàn)可充電電池內部的充電過程。在此基礎通用的模式上，新的電池管理算法可以被開發(fā)，其控制這些電池系統(tǒng)的所有工作條件下的性能，便于舒適性，循環(huán)壽命長，可靠性和安全性。在本文中，電子網(wǎng)絡建模的基本原則將概述為鎳金屬氫化物（NiMH）電池和鋰離子電池和形成了一些先進的電池管理系統(tǒng)（BMS）的核心建模實例介紹。</p><p><b&g

9、t;　　最先進的充電電池</b></p><p>　　目前市場上現(xiàn)有的主要類型二次電池系統(tǒng)，使上面介紹的新的應用在表1中的鉛酸蓄電池開始呈現(xiàn)，已經(jīng)在上個世紀開發(fā)的新系統(tǒng)主要成就是能量密度不斷增加。顯然，將更多的限制這些新的安全性控制增加的能量密度存儲系統(tǒng)。雖然最古老的密封鉛酸技術具有良好的成本優(yōu)勢，這些電池很重，因而在特定的能量方面較差。鎳鎘（NiCd）電池提供顯著提高比能量和高（DIS）充電速率的能

10、力，但顯然不是環(huán)保。鎳氫技術提供了高比能量，不涉及顯著的污染，但可以建立內部的高氣壓，這可能會產(chǎn)生在長時間了（DIS）的一些問題進行充電。相對高的自放電率是鎳基含水電池系統(tǒng)的另一個缺點。目前最先進的基于鋰的技</p><p>　　術提供了最高的比能量和能量密度。該電池系統(tǒng)得到了迅速發(fā)展，在過去的二十年在移動電子工業(yè)以及最近汽車行業(yè)的響應。由于其惡劣的安全性的鈷氧化物基鋰離子電池是相當?shù)呐u?；旌涎趸锖丸F磷酸鹽電

11、池的引入，顯著改善了安全性。然而，鋰離子電池需要復雜的BMS，以控制的安全性和循環(huán)壽命，從而使該電池系統(tǒng)作為一個整體更昂貴。</p><p><b>　　3．儲氫和鎳氫電池</b></p><p>　　在過去十年中，可持續(xù)發(fā)展的方式一直是存儲能量，另一種方式是通過利用氫氣。 氫具有每單位的高能量含量的重量，因此是一種天然的候選替代能源載體。同時氫氣具有低的體

12、積能量密度，從而先進儲氫方法是必不可少的。因此，已經(jīng)強調的是，通過氣相高效儲氫也是關鍵因素之一，從而使未來的氫經(jīng)濟，這將基于在一個寬范圍的固定和便攜式應用中的廣泛使用hydrogendriven燃料電池。查找適當?shù)慕鉀Q方案來存儲氫氣在氣相中的需求，因此，高。在金屬氫化物氣相存儲的基本原理（MH +）的材料將在下面概述。接著，將示出，這些材料可以用來存儲大量的電力在的儲氫通過氣相鎳氫batteries.The第一步是氫分子在固/氣界面的解

13、離。將作為副產(chǎn)物吸附的氫原子隨后被移向內側的固體（M）的間隙位置，誘導吸收過程。幸運的是，這些反應步驟是可逆的許多儲氫材料和氫氣，因此也可解吸。總反應可表示為</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　氫氣儲存在固體和氣相中，通常其特征存在于壓力 - 組成等溫線之間的化學平衡，例如見[3]。典型的壓力 - 組成等溫線的吸收和伴隨相圖中的曲線示意性

14、地示出圖2中，分別對應于（a）和（b）中。</p><p>　　圖2：對于一個典型的儲氫材料的壓力 - 組成等溫線（a）和伴隨的相圖的（b）一般表示。為α相和β相的固溶體與所述隨溫度的兩相（α+β）的混溶 隙指示在一起。</p><p>　　在吸收氫在低濃度下，固體溶液形成時，其通常表示為α相。在此濃度區(qū)域中的氫分壓，顯然依賴于儲存的氫的量。之后的氫濃度達到一定的臨界值（Xα），相變

15、發(fā)生，且α相被連續(xù)地轉變成β相。在此兩相共存的區(qū)域的壓力依賴性通常的特征是（傾斜）高原。相轉變完全Xβ和固體溶液僅由βphase隨后形成的。這種典型的三個步驟將發(fā)揮本文件中的重要作用，相對于可充電鎳氫電池的情況下，電化學儲能。儲氫也可以在強堿性電解液中電化學誘導，根據(jù)</p><p><b>　　（2）</b></p><p>　　圖3. 一個密封的可充電鎳氫電池的概

16、念。</p><p>　　鎳氫電池的工作原理是基于后者可逆的電化學過程和儲氫是感應電流驅動的電荷轉移反應。鎳氫電池的布局包含氫化形成MH電極和一個鎳電極是如圖3所示。電隔離電極的多孔聚合物分隔符。分離器和電極與強堿性溶液浸漬(通常的訂單7摩爾·l?1 KOH)提供了兩個電極之間的離子電導率。整個電化學反應,發(fā)生在兩個電極在充電(ch)和放電(d),在其最簡單的形式,由</p><p&

17、gt;<b>　　（3）</b></p><p><b>　?。?） </b></p><p><b>　　4.鋰離子電池</b></p><p>　　圖4示出了鋰離子電池的一般概念。所述鋰離子電池包括兩個電極，多孔隔板嵌入在非水電解質中，和兩個集流器（未示出）。鋰鈷氧化物（LiCoO2的）通常用作

18、用于正電極作為活性電極材料。負電極通常為鋰化的碳或石墨（LiC6）。電極是由多孔聚合物隔膜的裝置嵌入在含鋰鹽的有機電解質的電隔離。銅箔作為集電體的負電極和鋁作為集電體的正極。</p><p>　　圖4.基于概念上的鋰鈷氧化物/石墨的化學密封可充電鋰離子電池。</p><p>　　相應的電化學反應，從而導致可逆能量存儲也被示意性地在圖5中示出的鋰鈷氧化物電極的主要的電化學存儲反應可表示為&l

19、t;/p><p><b>　　（5）</b></p><p>　　其中，描述了Li +離子從正極在充電過程中的提取和Li +離子的放電，其中x表示摩爾分數(shù)鋰的正極內時的插入。請注意，對于鋰離子電池的一個適當?shù)目赡孢\轉并不是所有的鋰可從正極除去。這意味著，x可在實踐中不高于0.5().</p><p>　　在負電極上的相應反應可通過將描述 &l

20、t;/p><p>　　其中，z表示摩爾分子Li +離子的內部的負電極。作為這些電化學電荷轉移反應的結果，Li +離子必須穿過電流流動的條件下（參見圖5）下的電解質。在鋰離子電池的電解質是基于離解的含鋰的鹽，例如，六氟磷酸鋰（的LiPF 6）或高氯酸鋰（高氯酸鋰），它是一種離子導電介質。乙烯酯（EC），碳酸二乙酯（DEC），和碳酸二甲酯（DMC）的各種混合物作為非水溶劑。在電解質中的離子通過擴散和遷移輸送，后者的過程被

21、誘導在整個電解質在電極之間的電場。整體的主電化學存儲反應然后可以表示為</p><p>　　有趣的是，可以得出結論，在這兩種鎳氫電池和鋰離子電池的基本能量儲存機構是完全一樣的，通過利用在其中氫或鋰的存儲在一個安全的方式的主體材料。</p><p><b>　　5. BMS與建模</b></p><p>　　可再充電電池正常功能是對用于任何電器，

22、但尤其適用于電動汽車最重要的?，F(xiàn)代的BMS為用戶提供了許多重要的診斷，如剩余操作時間，剩余電量和功率能力。因此，BMS是任何電池供電的關鍵因素裝置。開發(fā)的數(shù)學模型電池可以形成這樣的BMS的核心。然而，已經(jīng)變得清楚的是，電池的性能可在其循環(huán)壽命的惡化，特別是在容量衰減和阻抗的增加，從而導致減少的存儲容量和電池電量。</p><p>　　甲固體電解質界面（SEI）被稱為是存在于鋰離子電池的負極表面上。它是離子導電，但

23、是電子有電阻。靜止時電子可以穿過SEI層，由于電子隧道效應，降低了溶劑產(chǎn)生不溶的鋰鹽。通過SEI免受溶劑的負電極侵蝕，但是，它捕獲電化學活性鋰的一些量，從而紅眼荷蘭國際集團的電池的存儲容量和阻抗都增大。 SEI的形成通常被接受為負責電池退化的主要過程之一。同時，分解過程也可能發(fā)生在正電極的表面上，鋰含量變得低于公式（8）中0.5。其結果是，將活性電極材料的一部分變?yōu)闊o效。這兩種相互競爭的過程導致在復雜形狀的試驗容量退化曲線（參見圖6，[

24、9]）。其中，兩個間隔就可以看出容量衰減發(fā)生在不同速率的端倪。圖中的左手側對應于殼體時，SEI形成整體容量的支配損失。在一些限制電池的總存儲容量的循環(huán)次數(shù)中正極的容量損失變得更占優(yōu)勢。這些降解過程的更多理論解釋可以在[14-17]中找到。該模型成功地描述的容量劣化曲線的形狀復雜。圖6特別地表明，該模型模擬了在多種操作條件下，包括給電池充電的C-率，最大截止電壓和溫度的圓筒形鋰離子電池的容量降低。所有這些參數(shù)對循環(huán)穩(wěn)定性明顯的影響。該仿真

25、（紅色線）和實驗（藍點）之間的協(xié)議是優(yōu)異</p><p>　　基于知識的老化過程和考慮這些負面誘發(fā)副作用,提出了復雜的BMS[18]。這些算法包括非常準確適應充電(SoC)的決心,提高充電裝置。這些結果是特別有趣的應用程序插件電氣車輛,因為這些車輛毫無疑問將使用鋰基電池。眾所周知,鋰離子電池通常按CCCV計費收費制度。提高充電[9]的特點是快速充電周期短(tboost),在此期間高電流(Imax)或最大電壓(Vm

26、ax)獲得,其次是傳統(tǒng)CCCV時期(圖13)。充電可以非?？?圖8)。完全放電的電池，在0％深度的充電（DOC）,可以快速充電5和10分鐘的額定容量大約分別為35%和60%。圖15顯示,5分鐘增加額外收費標準CCCV收費沒有任何負面影響的循環(huán)壽命相比CCCV收費標準,這意味著退化是在高水平的國家的充電發(fā)起。在低充電甚至很高C-率(8 - 10)是無害的現(xiàn)代鋰離子電池使“提高充電”PEV非常有吸引力的應用程序。</p>&l

27、t;p>　　圖6. 操作政權能力退化的影響。實驗能力退化為代表的藍點,建模的紅線。</p><p>　　圖7. 提高充電的基本原則。</p><p>　　圖8. 提高最初的函數(shù)深度充電作為圓柱鋰離子電池(索尼)的充電影響(DoC)。不同行給出的電荷量,可以通過升壓后3、5和10分鐘獲得4.3 V。</p><p>　　圖9. 提高充電對圓柱(索尼)鋰離子電池的

28、循環(huán)壽命。</p><p><b>　　6.結論</b></p><p>　　學建模是一種有效的工具來了解充電電池的性能,這一觀點隨后可以用來改善BMS。一個有關提高收費的例子已被證明是可行的,這有利于超快的和安全的充電算法。已經(jīng)表明,可獲得顯著提高充電速率沒有施加嚴重惡化的電池循環(huán)壽命。結合先進的充電算法和自適應BMS提高電池的性能和安全許多便攜式應用程序包括電氣車