畢業(yè)論文---公交車鋰電池維護儀

1、<p>　　學號： XXXXX</p><p><b>　　公交車鋰電池維護儀</b></p><p>　　學院名稱： XXXXXXXXX學院 </p><p>　　專業(yè)名稱： XXXXXXXXXX </p><p>　　年級班別： XXXXXXXXXXX &l

2、t;/p><p>　　姓 名： XXX </p><p>　　指導教師： XXX </p><p><b>　　2011年05月</b></p><p><b>　　公交車鋰電池維護儀</b></p><p>&

3、lt;b>　　摘 要 </b></p><p>　　在全球綠色經(jīng)濟的推動下，電動汽車正進入高速發(fā)展時期，對于大型公交系統(tǒng)而言，發(fā)展電動公交車將是一個不錯的選擇。鋰離子電池因其工作電壓高、體積小、質(zhì)量輕、無記憶效應(yīng)、無污染、自放電小、循環(huán)壽命長，而成為一種理想電源。隨著技術(shù)的不斷更新，目前，鋰離子電池組已經(jīng)廣泛應(yīng)用于筆記本電腦、備用電源、公交、出租等領(lǐng)域，動力鋰離子電池已成趨勢。</p&g

4、t;<p>　　通過充分的市場調(diào)研和資料檢索，發(fā)現(xiàn)多數(shù)人過多的依賴鋰離子電池壽命長等優(yōu)點，而忽視了對其的維護。所以，對鋰電池的維護工作勢在必行！</p><p>　　關(guān)鍵詞：公交車；鋰電池；維護儀</p><p>　　Bus Lithium Maintenance Of the Instrument</p><p><b>　　Abstrac

5、t</b></p><p>　　Under the impetus of the global green economy, electric vehicles are entering a period of rapid development, the development of electric buses will be a good choice for a large bus syste

6、ms. The lithium-ion batteries because of their high operating voltage, small size, light weight, no memory effect, no pollution, small self-discharge, long cycle life, and to become an ideal power supply. Continuously up

7、dated as technology, lithium-ion battery pack has been widely used in notebook computers, back</p><p>　　Keywords ：Bus; lithium battery; maintain instrument</p><p><b>　　目 錄</b></p

8、><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　前言1</b></p><p><b>　　1設(shè)計目的2</b></p><p>　　2鋰離子電池容量衰減本質(zhì)原因3</p>

9、<p><b>　　2.1過充電3</b></p><p>　　2.1.1石墨負極的過充反應(yīng)3</p><p>　　2.1.2正極過充反應(yīng)3</p><p>　　2.1.3電解液在過充時氧化反應(yīng)4</p><p>　　2.2電解液分解（還原）4</p><p>　　2.2.

10、1在電極上分解4</p><p><b>　　2.3自放電6</b></p><p>　　2.4電極不穩(wěn)定性7</p><p>　　2.4.1結(jié)構(gòu)變化（相變）7</p><p>　　2.4.2正極溶解8</p><p>　　3設(shè)計基本思路11</p><p>　

11、　4技術(shù)關(guān)鍵均衡電路設(shè)計12</p><p>　　5該設(shè)計創(chuàng)新點16</p><p><b>　　6技術(shù)關(guān)鍵17</b></p><p><b>　　7技術(shù)指標18</b></p><p>　　8為提高鋰離子電池的性能現(xiàn)有技術(shù)19</p><p>　　8.1從材料入

12、手19</p><p>　　8.2從電池結(jié)構(gòu)入手19</p><p>　　8.3保護電路設(shè)計19</p><p>　　8.4日常生活維護著手19</p><p>　　9該設(shè)計的顯著優(yōu)點21</p><p><b>　　結(jié)束語22</b></p><p><

13、b>　　致 謝23</b></p><p><b>　　參考文獻：24</b></p><p><b>　　前言</b></p><p>　　通過充分的市場調(diào)研和資料檢索及目前的確鑿的情況來看，多數(shù)人過多的依賴鋰離子電池壽命長等優(yōu)點，而忽視了對其的維護。鋰離子電池高昂的制造費用如果得不到合理的運用及

14、維護，她的優(yōu)點將失去應(yīng)有的價值！</p><p>　　本論文共九部分：第一部分介紹公交車鋰離子電池維護儀的設(shè)計目的；第二部分分析鋰離子電池容量衰減的本質(zhì)原因；第三部分重點介紹公交車鋰離子電池的基本設(shè)計思路。第四部對公交車鋰離子電池維護儀設(shè)計創(chuàng)新點的介紹；接下來簡單的介紹了該設(shè)計的技術(shù)指標、技術(shù)關(guān)鍵等。</p><p><b>　　1設(shè)計目的</b></p>

15、<p>　　目前鋰離子電池組的充電一般都采用串聯(lián)充電，但由于單體鋰離子電池之間在容量、內(nèi)阻、衰減特性、自放電等性能方面的差異，在對鋰離子電池組串聯(lián)充電時，電池組中容量最小的那只單體鋰離子電池將最先充滿電，而此時，其他電池還沒有充滿電，如果繼續(xù)串聯(lián)充電，則已充滿電的單體鋰離子電池就可能會被過充電。鋰離子電池過充電會嚴重損害電池的性能，甚至可能會導致爆炸造成人員傷害。該設(shè)計從上述問題出發(fā)，實行定期的對鋰動力電池維護，使其在充電

16、前各單體鋰離子電池的電量基本相等，極大地減少了電池過沖過放等問題，從而解決了因過沖過放所帶來的安全隱患等問題。</p><p>　　2鋰離子電池容量衰減本質(zhì)原因</p><p>　　鋰離子電池在兩個電極間發(fā)生嵌入反應(yīng)時具有不同的嵌入能量，而為了得到電池的最佳性能，兩個宿主電極的容量比應(yīng)該保持一個平衡值。在鋰離子電池中，容量平衡表示成為正極對負極的質(zhì)量比，即：

17、 γ=m+/m-=ΔxC-/ΔyC+ 式中C指電極的理論庫侖容量，Δx、Δy分別指嵌入負極及正極的鋰離子的化學計量數(shù)。</p><p>　　從上式可以看出，兩極所需要的質(zhì)量比依賴于兩極相應(yīng)的庫侖容量及其各自可逆鋰離子的數(shù)目。一般說來，較小的質(zhì)量比導致負極材料的不完全利用；較大的質(zhì)量比則可能由于負極被過充電而存在安全隱患?？傊谧顑?yōu)化的質(zhì)量比處，電池性能最佳。 對于理想的Li-ion電池系統(tǒng)，

18、在其循環(huán)周期內(nèi)容量平衡不發(fā)生改變，每次循環(huán)中的初始容量為一定值，然而實際上情況卻復雜得多。任何能夠產(chǎn)生或消耗鋰離子或電子的副反應(yīng)都可能導致電池容量平衡的改變，一旦電池的容量平衡狀態(tài)發(fā)生改變，這種改變就是不可逆的，并且可以通過多次循環(huán)進行累積，對電池性能產(chǎn)生嚴重影響。 在鋰離子電池中，除了鋰離子脫嵌時發(fā)生的氧化還原反應(yīng)外，還存在著大量的副反應(yīng)，如電解液分解、活性物質(zhì)溶解、金屬鋰沉積等。</p><p>&l

19、t;b>　　2.1過充電</b></p><p>　　2.1.1石墨負極的過充反應(yīng)</p><p>　　電池在過充時，鋰離子容易還原沉積在負極表面：Li＋＋e-→Li（s），沉積的鋰包覆在負極表面，阻塞了鋰的嵌入。導致放電效率降低和容量損失，原因①可循環(huán)鋰量減少；</p><p>　　②沉積的金屬鋰與溶劑或支持電解質(zhì)反應(yīng)形成Li2CO3，LiF

20、或其他產(chǎn)物；③金屬鋰通常形成于負極與隔膜之間，可能阻塞隔膜的孔隙增大電池內(nèi)阻。④由于鋰的性質(zhì)很活潑，易與電解液反應(yīng)而消耗電解液.從而導致放電效率降低和容量的損失。</p><p>　　快速充電，電流密度過大，負極嚴重極化，鋰的沉積會更加明顯。這種情況容易發(fā)生在正極活性物相對于負極活性物過量的場合。但是，在高充電率的情況下，即使正負極活性物的比例正常，也可能發(fā)生金屬鋰的沉積。2.1.2正極過充反應(yīng)</p

21、><p>　　當正極活性物相對于負極活性物比例過低時，容易發(fā)生正極過充電。 正極過充導致容量損失主要是由于電化學惰性物質(zhì)（如Co3O4，Mn2O3 等）的產(chǎn)生，破壞了電極間的容量平衡，其容量損失是不可逆的。（1）LiyCoO2</p><p>　　LiyCoO2→(1-y)/3[Co3O4＋O2(g)]＋yLiCoO2  y<0.4  同時正極材料在密封

22、的鋰離子電池中分解產(chǎn)生的氧氣由于不存在再化合反應(yīng)（如生成H2O）與電解液分解產(chǎn)生的可燃性氣體同時積累，后果將不堪設(shè)想。</p><p><b>　?。?）λ-MnO2</b></p><p>　?。?）鋰錳反應(yīng)發(fā)生在鋰錳氧化物完全脫鋰的狀態(tài)下： λ-MnO2→Mn2O3+O2(g)</p><p>　　2.1.3電解液在過充

23、時氧化反應(yīng)</p><p>　　當壓高于4.5V 時電解液就會氧化生成不溶物（如Li2Co3）和氣體，這些不溶物會堵塞在電極的微孔里面阻礙鋰離子的遷移而造成循環(huán)過程中容量損失。 影響氧化速率因素：正極材料表面積大小、集電體材料、所添加的導電劑（炭黑等）、炭黑的種類及表面積大小。</p><p>　　在目前較常用電解液中，EC/DMC被認為是具有最高的耐氧化能力。溶液的電化學氧化過程一般表示

24、為：溶液→氧化產(chǎn)物(氣體、溶液及固體物質(zhì))+ne-</p><p>　　任何溶劑的氧化都會使電解質(zhì)濃度升高，電解液穩(wěn)定性下降，最終影響電池的容量。假設(shè)每次充電時都消耗一小部分電解液，那么在電池裝配時就需要更多的電解液。對于恒定的容器來說，這就意味著裝入更少量的活性物質(zhì)，這樣會造成初始容量的下降。此外，若產(chǎn)生固體產(chǎn)物，則會在電極表面形成鈍化膜，這將引起電池極化增大而降低電池的輸出電壓。</p><

25、;p>　　2.2電解液分解（還原）</p><p>　　2.2.1在電極上分解</p><p>　?、?電解質(zhì)在正極上分解</p><p>　　電解液由溶劑和支持電解質(zhì)組成，在正極分解后通常形成不溶性產(chǎn)物Li2Co3 和LiF等，通過阻塞電極的孔隙而降低電池容量，電解液還原反應(yīng)對電池的容量和循環(huán)壽命會產(chǎn)生不良影響，并且由于還原產(chǎn)生了氣體會使電池內(nèi)壓升高，從而導

26、致安全問題。 正極分解電壓通常大于4.5V(相對于Li/ Li+)，所以，它們在正極上不易分解。相反，電解質(zhì)在負極較易分解。</p><p>　　②.電解質(zhì)在負極上分解 電解液在石墨和其它嵌鋰碳負極上穩(wěn)定性不高，容易反應(yīng)產(chǎn)生不可逆容量。初次充放電時電解液分解會在電極表面形成鈍化膜，鈍化膜能將電解液與碳負極隔開阻止電解液的進一步分解。從而維持碳負極的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。理想條件下電解液的還原限制在鈍化膜的形成

27、階段，當循環(huán)穩(wěn)定后該過程不再發(fā)生。鈍化膜的形成： 電解質(zhì)鹽的還原參與鈍化膜的形成，有利于鈍化膜的穩(wěn)定化，但 （1）還原產(chǎn)生的不溶物對溶劑還原生成物會產(chǎn)生不利影響；</p><p>　?。?）電解質(zhì)鹽還原時電解液的濃度減小，最終導致電池容量損失（LiPF6 還原生成LiF、LixPF5－x、PF3O 和PF3）； （3）鈍化膜的形成要消耗鋰離子，這會導致兩極間容量失衡而造成整個電池比容量降

28、低。</p><p>　?。?）如果鈍化膜上有裂縫，則溶劑分子能透入，使鈍化膜加厚，這樣不但消耗更多的鋰，而且有可能阻塞碳表面上的微孔，導致鋰無法嵌入和脫出，造成不可逆容量損失。在電解液中加一些無機添加劑，如CO2，N2O，CO，SO2和Sx2-等，可加速鈍化膜的形成，并能抑制溶劑的共嵌和分解，加入冠醚類有機添加劑也有同樣的效果。</p><p>　　成膜容量損失的因素： （1）工藝

29、中使用碳的類型；</p><p><b>　?。?）電解液成；</b></p><p>　?。?）電極或電解液中添加劑。</p><p>　　Blyr認為離子交換反應(yīng)從活性物質(zhì)粒子表面向其核心推進，形成的新相包埋了原來的活性物質(zhì)，粒子表面形成了離子和電子導電性較低的鈍化膜，因此貯存之后的尖晶石比貯存前具有更大的極化。Zhang通過對電極材料循環(huán)

30、前后的交流阻抗譜的比較分析發(fā)現(xiàn)，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，表面鈍化層的電阻增加，界面電容減小。反映出鈍化層的厚度是隨循環(huán)次數(shù)而增加的。錳的溶解及電解液的分解導致了鈍化膜的形成，高溫條件更有利于這些反應(yīng)的進行。這將造成活性物質(zhì)粒子間接觸電阻及Li+遷移電阻的增大，從而使電池的極化增大，充放電不完全，容量減小。</p><p><b>　　2.3自放電</b></p><p>

31、　　自放電是指電池在未使用狀態(tài)下，電容量自然損失的現(xiàn)象。鋰離子電池自放電導致容量損失分兩種情況：一是可逆容量損失；二是不可逆容量的損失。</p><p>　　可逆容量損失是指損失的容量能在充電時恢復，而不可逆容量損失則相反，正負極在充電狀態(tài)下可能與電解質(zhì)發(fā)生微電池作用，發(fā)生鋰離子嵌入與脫嵌，正負極嵌入和脫嵌的鋰離子只與電解液的鋰離子有關(guān)，正負極容量因此不平衡，充電時這部分容量損失不能恢復。如： 鋰錳氧化物

32、正極與溶劑會發(fā)生微電池作用產(chǎn)生自放電造成不可逆容量損失 LiyMn2O4+xLi++xe-→Liy+xMn2O4</p><p>　　溶劑分子(如PC)在導電性物質(zhì)碳黑或集流體表面上作為微電池負極氧化:xPC→xPC-自由基+xe-</p><p>　　同樣，負極活性物質(zhì)可能會與電解液發(fā)生微電池作用產(chǎn)生自放電造成不可逆容量損失，電解質(zhì)(如LiPF6)在導電性物質(zhì)上還原：

33、PF5+xe-→PF5-x </p><p>　　充電狀態(tài)下的碳化鋰作為微電池的負極脫去鋰離子而被氧化:LiyC6→Liy-xC6+xLi++xe- </p><p>　　自放電影響因素：正極材料的制作工藝、電池的制作工藝、電解液的性質(zhì)、溫度、時間。自放電速率主要受溶劑氧化速率控制，因此溶劑的穩(wěn)定性影響著電池的貯存壽命。</p><p>　　溶

34、劑的氧化主要發(fā)生在碳黑表面，降低碳黑表面積可以控制自放電速率，但對于LiMn2O4正極材料來說，降低活性物質(zhì)表面積同樣重要，同時集電體表面對溶劑氧化所起的作用也不容忽視。</p><p>　　通過電池隔膜而泄漏的電流也可以造成鋰離子電池中的自放電，但該過程受到隔膜電阻的限制，以極低的速率發(fā)生，并與溫度無關(guān)。考慮到電池的自放電速率強烈地依賴于溫度，故這一過程并非自放電中的主要機理。 如果負極處于充足電的狀態(tài)

35、而正極發(fā)生自放電，電池內(nèi)容量平衡被破壞，將導致永久性容量損失。</p><p>　　長時間或經(jīng)常自放電時，鋰有可能沉積在碳上，增大兩極間容量不平衡程Pistoia等比較了3種主要金屬氧化物正極在各種不同電解液中的自放電速率，發(fā)現(xiàn)自放電速率隨電解液不同而不同。并指出自放電的氧化產(chǎn)物堵塞電極材料上的微孔，使鋰的嵌入和脫出困難并且使內(nèi)阻增大和放電效率降低，從而導致不可逆容量損失。</p><p&g

36、t;<b>　　2.4電極不穩(wěn)定性</b></p><p>　　正極活性物質(zhì)在充電狀態(tài)下會氧化電解質(zhì)分解而造成容量損失。影響正極材料溶解的因素有：正極活性物質(zhì)的結(jié)構(gòu)缺陷、充電電勢過高、正極材料中炭黑的含量。</p><p>　　2.4.1結(jié)構(gòu)變化（相變）</p><p>　　其中電極在充放電循環(huán)過程中結(jié)構(gòu)的變化是最重要的因素。</p>

37、;<p>　?。?）鋰錳氧化物在充放電過程中存在2種不同的結(jié)構(gòu)變化：一是化學計量不變的情況下發(fā)生的相變化；二是充放電過程中鋰嵌入和脫嵌量改變時發(fā)生的相變。例如鋰錳氧化物完全充電脫鋰形成λ-MnO2，可能在化學計量不變的情況下發(fā)生相變化，經(jīng)ε-MnO2轉(zhuǎn)變成沒有活性的β-MnO2；當鋰錳氧化物深度放電嵌入過分的鋰時，原來的立方晶系尖晶石發(fā)生晶格扭曲，轉(zhuǎn)變成四方晶系的尖晶石，即發(fā)生Jahn-Teller扭曲，晶胞中z軸伸長15

38、%，x和Y軸收縮6%，這樣多次循環(huán)后，正極材料便會粉化。LiMn2O4在深循環(huán)下容易出現(xiàn)容量衰減。 Xia等認為在低電壓區(qū)，電壓曲線呈“S”形，此時對應(yīng)著單一的立方晶體結(jié)構(gòu)，而高電壓區(qū)“L”形則說明存在兩相，正是由于兩相結(jié)構(gòu)共存的不穩(wěn)定性導致了容量的衰減。作者還發(fā)現(xiàn)存在氧缺陷的正極材料在循環(huán)過程中容易發(fā)生相變，在4.0及4.2V處均發(fā)生容量衰減；而無氧缺陷的樣品在循環(huán)過程中不易出現(xiàn)相變，僅在過放電時發(fā)生容量衰減。</p&g

39、t;<p>　　制備富鋰型LiMn2O4，使鋰占住部分錳的位置使錳的平均化合價升高，可以大大減小Jahn-Telle形變。合成富鋰或富氧化合物還能改善LiMn2O4高溫電化學性能。摻雜尖晶石LiMn2-xMxO4 (M=Ni，Co，F(xiàn)e等)的充放電性能有明顯的改善。原因在于:</p><p>　?、儆捎贜i，Co，F(xiàn)e等原子半徑小，由他們所制備的LiMn2-xMxO4的晶胞相對較小，在鋰脫嵌時，所承

40、受的結(jié)構(gòu)變形扭曲小，因而在充放電過程中其結(jié)構(gòu)更容易保持，其循環(huán)性能也就更好。</p><p>　?、谟捎贑o，Ni價態(tài)均小于3，以Co，Ni等代替Mn，將提高錳的平均價態(tài)，減少Mn3+的含量，從而避免在深度放電時由于較多的(50%)Mn3+存在.而引起結(jié)構(gòu)向四面體的形變。Mn3+是造成Jahn-Teller效應(yīng)的內(nèi)部原因。</p><p>　　鋰鈷氧化物在完全充電狀態(tài)下為六方晶體，理論容量

41、的50％放電后生成新相單斜晶體，所以LiyCoO2通常在0.5<y<1.0范圍內(nèi)循環(huán)。</p><p>　　鋰鎳氧化物在充放電循環(huán)過程中涉及斜方六面體及單斜晶體的變LiyNiO2 通常在0.3<Y<0.9范圍內(nèi)循環(huán)。負極碳在嵌鋰和脫鋰過程中也涉及晶相的變化，但普遍認為負極活性物質(zhì)的相轉(zhuǎn)變不會造成電池的容量衰減。</p><p>　　注：LiCoO2和鋰鎳氧化物電極也

42、可觀察到相變，但與容量損失關(guān)系不大。LiyNiO2電極通常在y=0.3和0.9之間循環(huán)，而LiyCoO2在y=0.5和1.0之間循環(huán)，可避免循環(huán)過程中明顯相變。</p><p><b>　　2.4.2正極溶解</b></p><p>　　影響正極材料溶解的因素有：</p><p>　?、僬龢O活性物質(zhì)的結(jié)構(gòu)缺陷</p><p&

43、gt;　　LiMn2O4和LiNi2O4結(jié)構(gòu)中氧原子缺陷能削弱金屬原子與氧原子之間的鍵能，從而導致錳和鎳的溶解。溶解在電解液中的Mn2+和Ni2+，最終會以單質(zhì)形式在負極上沉積，不僅使正極活性物質(zhì)消耗，而且堵塞負極上的微孔，使鋰在負極嵌入和脫出困難，造成容量損失。據(jù)文獻報道，正極LiMn2O4中的錳溶解進入電解液后，有25%的Mn2+沉積在負極表面，使用高純度的LiFP6和低比表面的LiMn2O4可以減少Mn2+的溶解。②充電電勢過高

44、；③正極材料中炭黑的含量 電解液在炭黑表面氧化產(chǎn)生的具有催化性能的物質(zhì)使金屬離子溶解速率增加，因此對正極材料溶解產(chǎn)生不良的影響。④催化氧化還原 Robertson等認為，催化氧化還原導致錳從LiMn2O4正極材料中脫出，生成Li2MnO3和Li2Mn4O9。其中Li2MnO3呈電化學惰性，Li2Mn4O9在4v附近無充放電容量，會導致不可逆容量損失。此外，Mn3+的歧化溶解形成了缺陽離子型的尖晶石相，使晶格受到破壞并堵

45、塞Li+擴散通道。 但是長期以來，尖晶石電極以何種機理溶解一直是有爭議的。較為經(jīng)典的是Hunter所提出的通過歧化反應(yīng)進行</p><p>　　Inoue認為，高溫下LiPF6的分解產(chǎn)物對錳的腐蝕溶解造成了LiMn2O4晶格缺陷，結(jié)構(gòu)無序化使得Li+擴散受阻。他們排除了Mn2+在負極上沉積而對SEI膜造成的破壞、及其對電池性能造成的影響，認為不論Mn的溶解是如何發(fā)生的，重要的是其間伴隨著質(zhì)子化的過程，這才

46、是容量衰減的原因所在。 HF導致的錳的溶解是造成LiMn2O4容量衰減的直接原因。含F(xiàn)電解液本身含有的HF雜質(zhì)、溶劑發(fā)生氧化產(chǎn)生的質(zhì)子與F化合形成的HF、以及電液中的水分雜質(zhì)或電極材料吸附的水造成電解質(zhì)分解產(chǎn)生的HF造成了尖晶石的溶解。值得一提的是，LiMn2O4對電解質(zhì)的分解反應(yīng)具有催化作用，從而使錳的溶解反應(yīng)具有自催化性。錳的溶解反應(yīng)是動力學控制的，40℃以上溶解速度加快，且溫度越高，錳的溶解損失就越嚴重。</p>

47、;<p>　　然而錳溶解所造成的直接容量損失只占不可逆容量損失的一小部分。顯然必定有錳溶解以外的其它原因：即隨著錳的溶解，材料的結(jié)構(gòu)也發(fā)生了變化。但結(jié)構(gòu)如何變化，錳溶解的機理怎樣，目前的研究結(jié)果并不一致。</p><p>　　Pasquier的研究證明，LiMn2O4在電解液中高溫貯存后除表面形成鈍化膜外，材料顆粒的核心部分形成了具有低電化學活性的部分質(zhì)子化的λ-HzMn2-xO4相，導致Li+嵌/

48、脫反應(yīng)活性降低及容量下降。</p><p>　　Wen也指出高壓區(qū)的容量衰減是由于Mn的溶解，電極材料逐漸轉(zhuǎn)化為具有低壓特性的缺陷尖晶石相LixMn4O9。Blyr研究了Li1.05Mn2O4的鋰錳尖晶石在55℃電解液中放電態(tài)貯存時的容量衰減問題，指出離子交換反應(yīng)導致錳的溶解并形成低電位的缺陷尖晶石相。Xia認為，室溫下循環(huán)過程中的容量衰減僅發(fā)生在高電位區(qū)，在該區(qū)共存的兩相在Li+嵌/脫過程中通過MnO的損失轉(zhuǎn)變

49、成穩(wěn)定的單相結(jié)構(gòu)(LiMn2-xO4-x)，這一結(jié)構(gòu)變化構(gòu)成容量損失的主要部分；而在高溫下循環(huán)時容量損失則主要發(fā)生在高電位區(qū)，該區(qū)內(nèi)兩相結(jié)構(gòu)更有效地轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的單相結(jié)構(gòu)，且同時在整個4V區(qū)發(fā)生Mn2O3的直接溶解。其中，結(jié)構(gòu)變化仍然是導致容量衰減的主要因素。 鋰鈷氧化物的溶解也有報道，鈷在電解液中的溶解量取決于鋰鈷氧化物合成時的熱處理條件。LiCo2O4鋰離子電池充電電壓超過4.2V時，容量損失與在負極檢測到的鈷含量直接相關(guān)，

50、并且充電截止電流電壓越高，鈷溶解的速率越大。另外，容量損失(或鈷的溶解)與合成活性物質(zhì)的熱處理溫度有關(guān)。</p><p><b>　　3設(shè)計基本思路</b></p><p>　　在電池使用過一段時間后，上面已談到，由于各方面的原因，會導致相同標配的單體鋰離子電池間存在電量差別，這也正是問題的所在。</p><p>　　先用時鐘信號對各單體鋰離子

51、電池的電量進行掃描，進行信息采集；然后分析比較各單體電池的容量差值，據(jù)分析結(jié)果設(shè)定一個最小值；通過控制電路，首先讓各單體鋰離子電池分別放電到設(shè)定值附近；最后再讓所有單體電池鏈接，就像一個連通器一樣，讓所有鋰離子電池的電量大均衡，做到盡可能的使每個單體鋰離子的電量差距最小。這樣就做到了為下次充電時初始化了一個相同的初始電量值，從而達到了維護的目的。</p><p><b>　　基本思路框圖如下：</

52、b></p><p>　　4技術(shù)關(guān)鍵均衡電路設(shè)計</p><p>　　單個蓄電池的電壓與容量有限，在很多場合下要組成串連蓄電池組來使用。但蓄電池組的中的電池存在均衡性的問題。如何提高蓄電池組的使用壽命，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和減少成本，是擺在我們面前的重要問題。</p><p>　　蓄電池的使用壽命是由多方面的因素所決定，其中最重要的是蓄電池本身的物理性能。<

53、/p><p>　　此外，電池管理技術(shù)的低下和不合理的充放電制度也是造成電池壽命縮短的重要原因。對蓄電池組來說，除去上述原因，單體電池間的不一致性也是個重要因素。</p><p>　　現(xiàn)有的均衡充電方法實現(xiàn)對串聯(lián)蓄電池組的各單體電池進行均充，目前主要有以下幾種方法。</p><p>　　1.在電池組的各單體電池上附加一個并聯(lián)均衡電路,以達到分流的作用。在這種模式下,當某個

54、電池首先達到滿充時，均衡裝置能阻止其過充并將多余的能量轉(zhuǎn)化成熱能，繼續(xù)對未充滿的電池充電。該方法簡單，但會帶來能量的損耗，不適合快充系統(tǒng)。</p><p>　　2.在充電前對每個單體逐一通過同一負載放電至同一水平,然后再進行恒流充電,以此保證各個單體之間較為準確的均衡狀態(tài)。但對蓄電池組，由于個體間的物理差異，各單體深度放電后難以達到完全一致的理想效果。即使放電后達到同一效果，在充電過程中也會出現(xiàn)新的不均衡現(xiàn)象。&

55、lt;/p><p>　　3.定時、定序、單獨對蓄電池組中的單體蓄電池進行檢測及均勻充電。在對蓄電池組進行充電時，能保證蓄電池組中的每一個蓄電池不會發(fā)生過充電或過放電的情況，因而就保證了蓄電池組中的每個蓄電池均處于正常的工作狀態(tài)。</p><p>　　4.運用分時原理，通過開關(guān)組件的控制和切換，使額外的電流流入電壓相對較低的電池中以達到均衡充電的目的。該方法效率比較高，但控制比較復雜。</

56、p><p><b>　　分時控制均充原理圖</b></p><p>　　5.以各電池的電壓參數(shù)為均衡對象，使各電池的電壓恢復一致。如圖2所示，均衡充電時，電容通過控制開關(guān)交替地與相鄰的兩個電池連接，接受高電壓電池的充電，再向低電壓電池放電，直到兩電池的電壓趨于一致。</p><p>　　該種均衡方法較好的解決了電池組電壓不平衡的問題，但該方法主要用

57、在電池數(shù)量較少的場合。</p><p>　　均衡電壓充電原理示意圖</p><p>　　6.整個系統(tǒng)由單片機控制，單體電池都有獨立的一套模塊。模塊根據(jù)設(shè)定程序，對各單體電池分別進行充電管理，充電完成后自動斷開。</p><p>　　該方法比較簡單，但在單體電池數(shù)多時會使成本大大增加，也不利于系統(tǒng)體積的減小。</p><p><b>

58、　　無損均充電路</b></p><p>　　均充模塊啟動后，過充的電池會將多余的電量轉(zhuǎn)移到?jīng)]有充滿的電池中，實現(xiàn)動態(tài)均衡。其效率高損失少，所有的電池電壓都由均充模塊全程監(jiān)控。</p><p><b>　　1 電路設(shè)計</b></p><p>　　N節(jié)電池串聯(lián)組成的電池組，主回路電流是Ich。各串聯(lián)電池都接有一個均衡旁路，如圖3所示

59、。圖中BTi是單體電池，Si是MOSFET，電感Li是儲能元件。Si、Li、Di構(gòu)成一個分流模塊Mi。</p><p>　　在一個充電周期中，電路工作過程分為兩個階段：電壓檢測階段(時間為Tv)和均充階段(時間為Tc)。在電壓檢測階段，均衡旁路電路不工作，主電源對電池組充電，同時檢測電池組中的單體電池電壓，并根據(jù)控制算法計算MOSFET的占空比。在均充階段，旁路中被觸發(fā)的MOSFET由計算所得的占空比來 控制開關(guān)

60、狀態(tài)，對相應(yīng)的電池進行均充處理。在這個階段中，流經(jīng)各單體電池的電流是不斷變化的，也是各不相同的。</p><p><b>　　均充電路</b></p><p>　　除去連接在B1兩端的M1，所有的旁路分流模塊組成都是一樣的。在均充旁路中，由于二極管Di的單向?qū)ㄗ饔?，所有的分流模塊都會將多余的電量從相應(yīng)的電池轉(zhuǎn)移到上游電池中，而M1則把多余的電量轉(zhuǎn)移到下游的電池中。&

61、lt;/p><p>　　2 開關(guān)管占空比的計算</p><p>　　充電時電池的荷電狀態(tài)SOC(state of charge)可由下面的經(jīng)驗公式來得出，其中V是電池的端電壓。</p><p>　　SOC=-0.24V 2+7.218V- 53.088 (1)</p><p>　　SOC是電池當前容量與額定容量之比，SOC=Q/Q TOTAL&#

62、215;100%。</p><p>　　通過把電壓檢測階段末期檢測到的電池電壓轉(zhuǎn)化為荷電狀態(tài)，而單節(jié)電池的儲存容量Qest,n與SOC存在相應(yīng)的關(guān)系，Qest,n可以被估算出來。</p><p>　　在充電平衡階段，從主充器充入單節(jié)電池的電量是IchTcep。其中，Tcep為一個充電周期內(nèi)均充階段的時間。為使在均充階段達到單節(jié)電池儲存容量的平衡，均充的目標Q tar應(yīng)為：</p>

63、;<p>　　但是，在被激發(fā)的旁路和其他電池之間的充電轉(zhuǎn)換是相互影響的，單體電池經(jīng)旁路輸出給其他電池的電流和接收的充電電流很難用一個簡單的公式進行計算。不過，Gauss-Seidel迭代法可以解決這個問題。</p><p><b>　　5該設(shè)計創(chuàng)新點</b></p><p>　　1.該設(shè)計帶動大眾更高效、安全、長期使用鋰電池的思想，即提高對鋰離子電池使用

64、維護的意識。</p><p>　　2.該設(shè)計為國內(nèi)首發(fā),立足在公交車上應(yīng)用的鋰動力電池的維護,增加鋰電池的使用壽命，減少鋰動力電池在使用過程中的安全隱患，從而促進鋰動力電池在公交車應(yīng)用中的大范圍推廣。</p><p>　　3.串聯(lián)鋰離子電池組內(nèi)電量的自我均衡的思想，可以被應(yīng)用到其他能源等領(lǐng)域，同時響應(yīng)當前國家領(lǐng)導對全民節(jié)能減排的號召。</p><p>　　4.該設(shè)計

65、采用了模塊化的設(shè)計思想，使設(shè)計由繁到簡。</p><p>　　5.成本低、結(jié)構(gòu)人性化設(shè)計、使用方便。</p><p><b>　　6技術(shù)關(guān)鍵</b></p><p>　?。?）模塊電池組內(nèi)10塊單體電池分別放電。</p><p>　?。?）模塊內(nèi)單體鋰離子電池間及各模塊間的電量自我大均衡。</p><

66、p>　?。?）利用時鐘信號對各單體鋰動力電池容量的掃描。</p><p>　　（4）最小值的自動化生成。</p><p><b>　　7技術(shù)指標</b></p><p>　?。?）最小值的自動設(shè)定設(shè)定與真實最小值相比誤差在0.3℅以內(nèi)。</p><p>　?。?）大均衡后各單體鋰離子電池間最大值與最小值之間的差值為

67、其0.1℅以內(nèi)。</p><p>　?。?）利用時鐘信號的電量掃面，誤差在0.3℅以內(nèi)。</p><p>　　8為提高鋰離子電池的性能現(xiàn)有技術(shù)</p><p><b>　　8.1從材料入手</b></p><p>　　在中式規(guī)模下制備的磷酸亞鐵鋰復合材料技術(shù)已達到國際先進水平，這種材料不僅能夠滿足電動汽車大功率放電的要求

68、，而且在1000次循環(huán)條件下仍循環(huán)性能優(yōu)良，能保持初始容量的90℅以上。該技術(shù)從根本上消除了傳統(tǒng)技術(shù)電池早起受擠壓或短路、過熱、過度充電或濫用時容易發(fā)生爆炸和燃燒的安全隱患，再次使用壽命大大延長，重復充電可達2000次以上。</p><p>　　8.2從電池結(jié)構(gòu)入手</p><p>　　為避免過沖帶來的安全隱患，在電池上裝有鋰離子動力電池專用安全閥安全裝置如下圖所示：</p>

69、<p><b>　　8.3保護電路設(shè)計</b></p><p>　　鋰離子電池保護電路包括過度充電保護、過電流 /短路保護和過度放電保護等，就是要確保過度充電及放電狀態(tài)時的安全，防止電池副反應(yīng)引發(fā)電池劣化以及危險事件的發(fā)生。</p><p>　　另外還有基于減少鋰離子電池能量額外損耗的電路保護，使其過放電時進入休眠狀態(tài)，大大減少了鋰離子電池的能量損耗。&l

70、t;/p><p>　　8.4日常生活維護著手</p><p>　?。?）電池安裝要牢固，以防受震動損壞。 （2）經(jīng)常清除電池盒上的灰塵、污物，注意保持電池干燥、清潔，以防電池自行放電。 （3）電池不要靠近高溫熱源。高溫季節(jié)，嚴禁在陽光直接暴曬（夏季存車時尤其要注意）。充電時要注意良好通風。 （4）注意不能讓電池過放電，過放電容易引起電池嚴重虧電，從而大大的縮短其使用壽命。 （5）電動汽

71、車的載重量過大，必然導致電機電流的增大，引起電池過放電，電池早期衰減，嚴重影響電池的壽命。（6）電池在使用過后即可充電，隨用隨充可保證下一次出行的順利，電池不用時應(yīng)充足電后貯存。 </p><p><b>　　9該設(shè)計的顯著優(yōu)點</b></p><p>　　動力鋰離子電池維護儀是一個單獨的裝置，沒有增加電池的電路或是結(jié)構(gòu)復雜程度。</p><p&

72、gt;　　該產(chǎn)品是從源頭解決鋰離子電池產(chǎn)生性能下降和不安全因素等問題。</p><p>　　該裝置具有普及型，對不同型號的鋰離子電池均能采用。</p><p>　　與上面談到的從材料上或是結(jié)構(gòu)上改進，該產(chǎn)品具有很強的經(jīng)濟實用性。</p><p><b>　　結(jié)束語</b></p><p>　　通過本次畢業(yè)設(shè)計，我感到自己

73、應(yīng)用基礎(chǔ)知識及專業(yè)知識解決問題的能力有了很大的提高，并且這次畢業(yè)設(shè)計的選題，是大學期間參加的大學生創(chuàng)新性項目課題，是我學完單片機課程后，自己和小組成員動手做的一個較大的系統(tǒng)。盡管在設(shè)計過程中碰到了不少“難題”，通過自己和同學翻閱大量資料，解決了一個個難題。通過這次畢業(yè)設(shè)計，我深深體會到：世上無難題，只怕有心人。碰到難題不要懼怕，只要你肯鉆研，問題總會有解決的辦法。我想，通過這次畢業(yè)設(shè)計，到了工作單位后，我將能夠更快的適應(yīng)工作崗位和工作要

74、求，我對自己未來充滿信心。</p><p>　　總之，這次畢業(yè)設(shè)計對我而言是受益匪淺的。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　本論文在準備和寫作過程中，筆者得到了XX老師的悉心指導和熱情幫助。XX老師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，在無形中影響著我。為我將來的學習和工作點亮了一盞指路明燈。在此對他表示衷心的感謝和誠摯的敬意！ &l

75、t;/p><p>　　大學四年,筆者在XX學院學到了很多知識，各方面都得到了很大的鍛煉。尤其是XX學院的老師們，他們以嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度以及兢兢業(yè)業(yè)的敬業(yè)精神，對筆者產(chǎn)生了潛移默化的影響。筆者將受益終生。在此對他們表示衷心的感謝！</p><p>　　感謝XX學院的所有關(guān)心和幫助過筆者的老師和同學們，是他們給筆者提供了一個良好的學習環(huán)境和氛圍，是他們的關(guān)心、幫助和鼓勵讓筆者有了良好的精神狀態(tài)，讓筆

76、者一步步健康地成長起來！</p><p>　　再次對指導老師XX老師的悉心指導和幫助表示衷心的感謝！</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]現(xiàn)代材料動態(tài) 2008年第7期 25頁</p><p>　　[2]中華人民共和國知識產(chǎn)權(quán)局 專利ZL 200420056559.8</p>

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