退役电池储能利用主动均衡控制系统研究与设计

发布时间：2020-07-26 21:30

【摘要】：随着环境污染和能源危机的日益加剧,新能源汽车产业迅猛发展,作为新能源汽车核心的动力电池用量也因此水涨船高。然而动力电池的容量会随着循环次数的增加而衰减,当电池容量下降到额定容量的80%时,因无法满足新能源汽车复杂工况行驶的动力需求被迫退役下来。为了避免能源浪费和环境污染,这些退役下来的动力电池可以梯次利用于能量需求较低的场所,而限制退役电池梯次利用的最大瓶颈在于解决电池组一致性问题,因此本文致力于退役电池储能利用主动均衡控制系统的研究与设计,其主要研究内容如下:详述了锂离子电池的内部结构、工作原理和主要性能参数,对比分析了出厂电池和退役电池在主要性能参数的差别,指出电池容量再标定的必要性及具体方法,并提出基于新标定容量的OCV-AH的SOC估算算法。为后续制定均衡控制策略做好准备。总结了锂电池不一致性产生的原因和造成的危害,论述了电池均衡的目的与意义。对比分析目前常用的均衡电路拓扑结构,针对现有均衡方案效率低,不易于扩展等问题,结合集中式均衡拓扑和分布式拓扑的优缺点,提出基于双向BUCK-BOOST电路的双层均衡拓扑结构:组内采用集中式电感主动均衡电路,实现任意单体间能量双向流动;组间采用分布式电感主动均衡电路,实现相邻电池小组间能量传递,可扩展性好。详细分析了组内、组间均衡电路结构和工作过程,作为主动均衡控制系统的硬件基础。对目前常用的容量、开路电压、工作电压和SOC等均衡目标变量进行了分析和比较,选取SOC作为本文衡量电池组一致性的唯一指标。依托于上文提出的均衡拓扑,结合组间均衡电路和组内均衡电路,分别制定相应的均衡控制策略:组间考虑了各种可能的情况,分类为直接均衡和间接均衡;组内基于“分区”思想,对电池小组内各节退役电池荷电状态进行排序并分区,依据各区域内子集数优化均衡路径。设定几组对比实验,通过MATLAB仿真和实验验证,本文设计的退役电池储能利用主动均衡控制系统适用于静置、充电、放电状态以及不同SOC分布情况,且均衡效果很好,均衡效率高。
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U469.7
【图文】：

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程要求而被替换下来的电池。虽然退役电池不能再用于车辆行驶，但是能源需求较低的场所还是足够的，例如：充电宝、智能电网的削峰填谷急电源、低速电动车、游乐场玩具车等等。.1 国内研究现状在中国储能市场持续增长的大背景下，国内针对退役电池储能利用的研起步阶段。李建林，修晓青等人在《计及政策激励的退役动力电池储能应用研究》中详细分析了退役电池再利用的具体流程及相应成本计算，次循环数据拟合出循环次数和容量之间的线性关系，提出了等效益折算用电池储能系统成本竞争力评估方法[4]。李臻和董会超在《退役锂离子梯次利用可行性研究》中深入研究了电池退役后的电化学性能，文中取巴上退役的锂离子电池，测试其在 25℃室温下的标准循环充放电次数关系，如下图 1-1 所示，研究结果表明退役锂电池可循环使用 750 次以利用率高达 60%，因此梯次利用价值很大[5]。

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武汉理工大学硕士学位论文第 2 章退役电池荷电状态估计2.1 锂离子电池工作原理及主要性能参数2.1.1 锂离子电池工作原理本文研究对象为 15 节从电动汽车上退役下来的锂电池，由中航锂电有限司制造而成。该锂电池实物图如下图 2-1（a）所示，其额定容量 40Ah，标称压为 3.2V。锂电池其内部结构主要由外壳（铝箔）、正负极材料、电解质和膜构成。其工作原理可以由下图 2-1（b）表示：当电池处于充电状态时，锂离从正极脱嵌出来，依次经过电解液和隔膜，嵌入到负极；当电池处于放电状态时锂离子从负极脱嵌出来，依次经过隔膜和电解液，嵌入到电池正极[28-30]。

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指当电池处于工作状态时，电流流经电池所受到的阻力。退欧姆内阻外，还有因电化学极化和浓差极化产生的极化内阻准守欧姆定律，但极化内阻却在时刻变化，会随着电流密度着循环次数和使用年限的增加，锂电池内阻会逐渐增大。压的各项电压中，开路电压（OCV）和端电压（CCV）对电重要的影响。开路电压是指电池处于开路状态下，且内部化下所测得的电池两端电压，研究表明，开路电压与电池荷电一一对应关系，以 LiFePO4 电池为例，下图 2-2 为磷酸铁锂电状态之间的曲线关系[33]。很多学者依据这种对应关系，压在估算电池荷电状态。端电压又称工作电压，是指电池工作的负载时所测得的电池两端的电压。端电压和开路电压之间=开路电压±内阻压降+极化电压（充电状态下取㧏，放电状

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