【摘要】：由于其高效率與低排放,使用鋰離子電池作為動力源的電動汽車有望取代以化石燃料作為能源的內燃機汽車。電動汽車的普及將有效解決全球變暖和空氣污染等重大社會問題。作為電動汽車的核心部件,鋰離子電池的一個關鍵問題就是老化及其伴隨的功率、能量密度降低。已有研究表明,溫度、電荷狀態(tài)(SOC)、充放電倍率是影響鋰離子電池老化進程的主要因素。在電動汽車中,鋰離子電池以成組方式使用。由于電池之間存在著不一致性,且各個電池所處的位置不一樣,因此造成了不同電池承受不同的載荷與熱環(huán)境,勢必使得不同電池的老化存在不一致性。本論文研究了電池不一致性以及熱效應對電流分布不均勻特性的影響,通過設計一個兩枚電池并聯的實驗模組來探究在不同的工況(充放電倍率、溫度等)下電流分布的變化。首先,本實驗優(yōu)先探究了電池內阻對并聯電池組電流分布的影響的重要性。并提出并比較了五種不同的方法。其次,不同負載、溫度等工況也會對電池組產生不同的影響,實驗亦探究了在不同的熱邊界條件和內阻下并聯電池組的電流分布的差異。在此研究中,對于并聯電池組,通過考察單體電池的內阻、初始開路電壓和熱邊界條件的差異來探究這些因素對電池組電流分布的影響。首先,研究測定了單體電池的內阻。由于內阻對并聯電池組的電流分布有著重要作用,本研究應用并比較五種不同的內阻測量方法。第二,研究改變了電池組的加載電流和環(huán)境溫度等工況,分別考察單體電池內阻、達到SOC平衡所需時間和熱邊界條件對電池組的影響。研究發(fā)現并聯電池組的電流分布受三個主要因素影響:(1)并聯電路中每個支路的電阻差異,其中包括單體電池的內阻和接觸電阻;(2)單體電池的開路電壓(OCV)差異,取決于其SOC和溫度和(3)由于在電池組中的位置不同,單體電池本身的溫度差異。為了盡量減少并聯電池組的電流分布和SOC差異,我們考察了以下因素的影響:1)連接導線電阻:用具有相同的長度的銀導線取代銅導線,電池組充放電過程的SOC和電流分布的差異減小;2)單體電池之間的初始開路電壓差異:每次充放電循環(huán)結束后,靜置時長增加致13小時,下一次充放電循環(huán)中的電流和SOC的分布差異減小;3)通過改善電池組的熱環(huán)境的一致性,可以消除該電池組各部分由于包裹條件不同而導致的巨大的電流分布差異。我們期待,在此處獲得的結論也能夠適用于有更多電池的模組中。
[Abstract]:Because of its high efficiency and low emission, the electric vehicle with lithium ion battery as the power source is expected to replace the internal combustion engine vehicle with fossil fuel as energy source. The popularity of electric vehicles will effectively solve major social problems such as global warming and air pollution. As the core component of electric vehicle, one of the key problems of lithium-ion battery is aging and its accompanying power and energy density reduction. It has been shown that temperature and charge state (SOC), charge and discharge rate are the main factors affecting the aging process of lithium ion batteries. In electric vehicles, lithium-ion batteries are used in groups. Because of the inconsistency between batteries and the different positions of each battery, different batteries bear different loads and thermal environment, which is bound to make the aging of different batteries inconsistent. In this paper, the effects of battery inconsistency and thermal effect on the uneven current distribution are studied. A parallel experimental module of two batteries is designed to explore the changes of current distribution under different operating conditions (charge-discharge rate, temperature, etc.). First of all, the importance of the influence of battery internal resistance on the current distribution of parallel batteries is investigated. Five different methods are proposed and compared. Secondly, different load, temperature and other working conditions will also have different effects on the battery pack, and the experimental results also explore the difference of current distribution of parallel battery pack under different thermal boundary conditions and internal resistance. In this study, the effects of these factors on the current distribution of parallel batteries were investigated by investigating the internal resistance of single cell, the difference of initial open circuit voltage and thermal boundary conditions. Firstly, the internal resistance of the single cell was studied and measured. Because the internal resistance plays an important role in the current distribution of parallel batteries, five different internal resistance measurement methods are applied and compared in this study. Secondly, the loading current and ambient temperature of the battery pack are changed, and the internal resistance of the single cell is investigated, and the effects of the time needed to achieve SOC equilibrium and the thermal boundary conditions on the battery pack are investigated. It is found that the current distribution of parallel battery pack is affected by three main factors: (1) the resistance difference of each branch in parallel circuit, including the internal resistance and contact resistance of single cell; (2) the difference of open circuit voltage (OCV) of single cell depends on its SOC and temperature and (3) the temperature difference of single cell itself due to the different position in the battery pack. In order to minimize the current distribution and SOC difference of parallel battery pack, we investigated the following factors: 1) connecting conductor resistance: replacing copper wire with silver wire of the same length, The difference between SOC and current distribution in the charge and discharge process of battery pack is reduced. 2) the difference of initial open-circuit voltage between single cell: after each charge-discharge cycle, the static time increases for 13 hours, and the difference between current and SOC distribution in the next charge-discharge cycle decreases; 3) by improving the consistency of the thermal environment of the battery pack, the huge difference of current distribution caused by the different encapsulation conditions of the battery pack can be eliminated. We expect that the conclusions here will also apply to modules with more batteries.
【學位授予單位】：清華大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TM912

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本文編號：2486008