摘 要

21世纪以来，由于传统的燃油汽车对于日渐严重的环境污染、能源短缺等问题的解决手段有限，而新能源汽车，尤其是锂离子动力电池汽车凭借着燃料来源清洁、排放低等优点，越来越受到重视。锂离子动力电池是锂离子动力电池汽车动力系统的重要组件之一。本文针对锂离子动力电池在低温状态下的性能展开了相关的理论与试验研究。

首先，本文以锂离子电池的工作原理作为出发点，介绍了三元材料锂离子电池的工作特性，以某18650三元材料锂离子电池作为研究对象，分别开展了不同温度和放电倍率下的单体电池性能试验和不同温度和放电倍率下的 HPPC 试验，试验结果表明，低温对于电池工作电压和充放电容量有较大的影响。并利用了放电 HPPC 试验所得的实验数据对戴维南电池模型以及PNGV电池模型的参数进行了辨识，下一步的电池建模做好了铺垫。

其次，本文介绍了锂离子动力电池 SOC估算的主要方法，并基于 PNGV 等效电路模型利用MATLAB/SIMLINK建立了锂离子电池SOC估算模型。介绍了动力电池端电压估算的主要方法，并基于戴维南等效电路模型利用MATLAB/SIMLINK建立了锂离子电池端电压估算模型。介绍了建立锂离子电池热模型的重要性，利用COMSOL建立了锂离子电池的热估算模型。

然后分别用0℃和30℃代表低温状态和常温状态，分别验证SOC估算模型、电压模型、热模型在不同温度下仿真结果的准确性，并结合实验曲线与仿真曲线进行分析，研究低温对锂离子电池性能的影响，总结模型缺点并分析误差原因。

关键词：锂离子电池，低温性能，SOC估算，电压估算，生热估算。

Abstract

In recent years, due to the traditional car for the increasingly serious shortage of energy, environmental pollution and other means to solve the problem is limited, and new energy vehicles, especially lithium-ion battery battery with a wide range of clean fuel sources, emissions are almost zero, The more attention. Power battery is one of the important components of lithium-ion battery power system. In this paper, the power battery in the low temperature performance of the relevant theoretical and experimental research carried out.

Firstly, the working principle of lithium ion battery is introduced, and the working characteristics of lithium ion battery of ternary material are introduced. The single cell battery with different charging and discharging ratio and temperature is designed with 25Ah ternary material lithium ion battery as the research object. Performance tests, and HPPC tests at different charge and discharge magnifications, and the parameters of the Dainan battery model and the PNGV battery model were identified using the charge / discharge HPPC test data. The test results show that the low temperature and high charge and discharge magnification have a great influence on the working voltage and charge and discharge capacity of the battery. The next step is to pave the way for battery modeling.

Secondly, the main methods of SOC estimation of power battery are introduced. Based on PNGV equivalent circuit model, SOC estimation model of lithium ion battery is established by MATLAB / SIMLINK. The main method of estimating the voltage of the power battery is introduced. The open circuit voltage estimation model of lithium ion battery is established by MATLAB / SIMLINK based on the Dainan equivalent circuit model. The importance of establishing the thermal model of lithium ion battery is introduced. The thermal estimation model of lithium ion battery is established by COMSOL.

The accuracy of the simulation results of the SOC model, the voltage model and the thermal model at different temperatures were verified by the low temperature state and the normal temperature state at 0 ℃ and 30 ℃ respectively. The simulation curves were analyzed and the low temperature Lithium ion battery performance, summed up the shortcomings of the model and find out the reasons.

Key words: lithium ion battery, SOC estimation, voltage model, thermal model.

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1课题的背景及研究意义 1

1.2国内外关于该论题的研究现状 1

1.2.1锂离子电池低温性能研究现状 1

1.2.2锂离子电池建模与仿真研究现状 2

1.3本文主要研究内容及技术方案 2

1.3.1 基本目标 2

1.3.2 拟采用技术方案及措施 3

第二章 锂离子电池基本特性实验研究 4

2.1 动力电池概述 4

2.1.1 锂离子电池的材料特性 4

2.1.2 三元锂离子电池的材料特性 4

2.1.3 温度对锂离子电池性能的影响及改善措施 5

2.2 电动汽车用锂离子电池的试验方法 6

2.2.1 试验方法总述 6

2.2.1.1 中国国家标准中的试验方法 6

2.2.1.2 中国汽车行业中的标准试验方法 6

2.2.1.3 PNGV 电池试验方法 7

2.2.1.4 USABC电池试验方法 8

2.2.1.5 Freedom CAR 电池试验方法 8

2.2.2 具体的试验描述 8

2.2.2.1 容量特性试验 9

2.2.2.2 效率特性试验 9

2.2.2.3 直流内阻试验 9

2.2.2.4 恒功率放电试验 10

2.3 实验对象及实验设备 10

2.3.1 实验对象 10

2.3.2 实验设备 11

2.4 锂离子电池性能实验 12

2.4.1 恒流充放电试验 12

2.4.2 HPPC 充放电试验 13

2.5 实验结果分析 14

2.5.1 温度对SOC的影响 14

2.5.2 温度对电压的影响 16

2.5.3 温度对热特性的影响 16

2.6 本章小结 17

第三章 锂离子电池低温状态性能的建模与仿真 18

3.1 锂离子电池低温状态性能的建模 18

3.1.1 锂离子电池SOC估算模型的建立 18

3.1.2 锂离子电池电压模型的建立 20

3.1.3 锂离子电池热模型的建立 22

3.2 锂离子电池低温状态性能的仿真 23

3.2.1 锂离子电池SOC估算模型的仿真 23

3.2.1.1 30℃下锂离子电池SOC估算模型的仿真 23

3.2.1.2 0℃下锂离子电池SOC估算模型的仿真 24

3.2.2 锂离子电池电压模型的仿真 25

3.2.2.1 30℃下锂离子电池电压模型的仿真 25

3.2.2.2 0℃下锂离子电池电压模型的仿真 25

3.2.3 锂离子电池热模型的仿真 26

3.2.3.1 30℃下锂离子电池热模型的仿真 26

3.2.3.2 0℃下锂离子电池热模型的仿真 27

3.3 本章小结 28

第四章 总结与展望 29

4.1 全文总结 29

4.2 全文展望 29

参考文献 31

致谢 33

第一章 绪论

1.1课题的背景及研究意义

随着对环境的要求越来越高以及科技的不断进步，各国家都加大了对纯电动汽车的研发。纯电动汽车研发的关键技术是动力电池的开发，通过多年的努力，动力电池技术发展越来越成熟，而目前动力电池中锂离子动力电池的使用最为广泛。

但是锂离子动力电池工作的最佳温度范围与电动汽车使用的温度范围有很大的不同。电动汽车一般运行在-10℃～40℃之间，而锂离子最佳工作温度范围在25℃～45℃之间^[1]。锂离子电池在充放电过程中，锂离子会在阴极和阳极上有嵌入和脱出的过程。上述过程中涉及到的锂离子在固体中的扩散行为受温度影响较大，另外电池中电解液的导电性能也受温度较大影响。低温使得锂离子的扩散减慢、电解液的导电性降低，导致电池性能大幅度下降^[2]。在动力电池上，则出现充放电困难、电池使用性能下降的问题，造成电动汽车无法启动及续航里程缩短的问题，严重影响了电动汽车在北方地区的推广。为了保证锂离子电池在低温环境下的正常运行，需要对锂离子电池在低温环境状态下的性能进行评估。

作为一个整体来看，锂电池内部的电化学反应高度非线性使它的参数和性能很难被直接测量，想要研究电池在低温状态下的工作特性，对锂电池进行建模是个非常好的方法。针对电池建模需要同时满足模型高精确度和低复杂度等要求，本文通过试验分析了锂离子电池低温特性，基于测量得到的锂离子电池在低温状态下的各性能参数，选择出可模拟该参数的等效电学元件和电化学元件，建立电池的等效电路模型，对锂离子电池在低温状态下的性能进行仿真分析。

1.2国内外关于该论题的研究现状

1.2.1锂离子电池低温性能研究现状

电动汽车用锂离子电池的材料主要有磷酸铁锂、三元材料和锰系三种^[3]，环境温度对电池的内阻、能量、容量、功率等性能都有影响，作为电动汽车的核心储能部件，低温是锂离子电池普遍使用的工况。目前，关于锂离子电池的低温性能研究主要是电池低温性能测试和电池低温性能的影响因素分析。孙庆等测试了某磷酸铁锂电池不同温度下0.5C倍率放电，研究发现环境温度越低，放电容量越小。在0℃以上环境时，锂离子电池能够保持室温容量的80%以上，0℃以下，则容量快速下降，当温度下降到-20℃时，放电容量不足50%，电池性能急剧下降。雷治国、张承宁等对35Ah锰酸锂电池进行了低温充放电测试。在2C倍率放电时，在0℃以上放电时，放电曲线会比较平缓，环境温度低于-10℃时，放电电压曲线会出现明显波峰波谷，2C倍率充电时，随着温度的降低，恒流充电时间会变短，当环境温度在-10℃以下时，几乎只能用恒压充电。杜小红等利用三元材料（NCM）为正极、人造石墨和软碳为负极自制了20Ah锂离子电池进行电化学性能测试，通过放电测试，发现在环境温度低于-20℃时，放电容量为25℃放电容量的88%左右，这说明三元材料锂电池有着较好的低温适应性，秦李伟等测试了磷酸铁锂电池和三元材料锂离子电池的放电性能，发现当环境温度为-10℃时，磷酸铁锂放电容量是25℃环境下的94.01%，三元材料锂电池容量为25℃下的95.33%，三元材料低温性能优于磷酸铁锂电池。