（節(jié)選）2014年--外文翻譯--電池模型設(shè)計(jì)一個(gè)高級(jí)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(shè)計(jì)（論文）外文翻譯</p><p><b>　　（附外文原文）</b></p><p>　　題 目： 電池模型：一個(gè)高級(jí)多功能 </p><p>　　的電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì) </p><p>　　系 別： 汽車

3、工程系 </p><p>　　專業(yè)班級(jí)： 汽車服務(wù)工程 </p><p>　　姓 名： </p><p>　　學(xué) 號(hào)： </p><p>　　指導(dǎo)教師：

4、 </p><p>　　電池模型：設(shè)計(jì)一個(gè)高級(jí)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(xué)原理形成的基礎(chǔ)電子網(wǎng)絡(luò)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(luò)系統(tǒng)代表了本

5、文的主要貢獻(xiàn)。這些電子網(wǎng)絡(luò)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(yīng)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(guān)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(dāng)今社會(huì)的主要挑戰(zhàn)之一。經(jīng)濟(jì)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(chǔ)介質(zhì)。風(fēng)，太陽能和潮汐能都是需要儲(chǔ)存積累，可靠地在這些高度波動(dòng)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(yīng)用中的儲(chǔ)能。直到最近，像二次（可充電）電池，燃料電池和超級(jí)電容器的能量存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換裝置主要用于在便攜式電子設(shè)備（筆記本電腦，蜂窩電話

7、等）和單機(jī)設(shè)備（備用電源，電動(dòng)工具）。今天有強(qiáng)烈傾向的多樣化的應(yīng)用領(lǐng)域，因此有必要需要各種能量儲(chǔ)存設(shè)備：一方面，更大的存儲(chǔ)系統(tǒng)在應(yīng)用，例如，（混合）電動(dòng)車輛和工業(yè)規(guī)模的設(shè)備，另一方面，非常小尺寸的能量存儲(chǔ)裝置被應(yīng)用，例如，無線自主設(shè)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(yīng)用及必要的能量存儲(chǔ)功能。</p><p>　　因此，非常需要根據(jù)各種條件和通

8、用的一個(gè)應(yīng)用程序，描述電池的性能。電子網(wǎng)絡(luò)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(nèi)部的充電過程。在此基礎(chǔ)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(luò)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(jìn)的電池管理系統(tǒng)（BMS）的核心建模實(shí)例介紹。</p><p><b&g

9、t;　　最先進(jìn)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(yīng)用在表1中的鉛酸蓄電池開始呈現(xiàn)，已經(jīng)在上個(gè)世紀(jì)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(chǔ)系統(tǒng)。雖然最古老的密封鉛酸技術(shù)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(shù)提供了高比能量，不涉及顯著的污染，但可以建立內(nèi)部的高氣壓，這可能會(huì)產(chǎn)生在長時(shí)間了（DIS）的一些問題進(jìn)行充電。相對(duì)高的自放電率是鎳基含水電池系統(tǒng)的另一個(gè)缺點(diǎn)。目前最先進(jìn)的基于鋰的技</p><p>　　術(shù)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(dòng)電子工業(yè)以及最近汽車行業(yè)的響應(yīng)。由于其惡劣的安全性的鈷氧化物基鋰離子電池是相當(dāng)?shù)呐u(píng)?；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(fù)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(gè)整體更昂貴。</p><p><b>　　3．儲(chǔ)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(chǔ)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(shí)氫氣具有低的體

12、積能量密度，從而先進(jìn)儲(chǔ)氫方法是必不可少的。因此，已經(jīng)強(qiáng)調(diào)的是，通過氣相高效儲(chǔ)氫也是關(guān)鍵因素之一，從而使未來的氫經(jīng)濟(jì)，這將基于在一個(gè)寬范圍的固定和便攜式應(yīng)用中的廣泛使用hydrogendriven燃料電池。查找適當(dāng)?shù)慕鉀Q方案來存儲(chǔ)氫氣在氣相中的需求，因此，高。在金屬氫化物氣相存儲(chǔ)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(chǔ)大量的電力在的儲(chǔ)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(nèi)側(cè)的固體（M）的間隙位置，誘導(dǎo)吸收過程。幸運(yùn)的是，這些反應(yīng)步驟是可逆的許多儲(chǔ)氫材料和氫氣，因此也可解吸。總反應(yīng)可表示為</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　氫氣儲(chǔ)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(xué)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(duì)應(yīng)于（a）和（b）中。</p><p>　　圖2：對(duì)于一個(gè)典型的儲(chǔ)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(shí)，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(chǔ)存的氫的量。之后的氫濃度達(dá)到一定的臨界值（Xα），相變

15、發(fā)生，且α相被連續(xù)地轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變完全Xβ和固體溶液僅由βphase隨后形成的。這種典型的三個(gè)步驟將發(fā)揮本文件中的重要作用，相對(duì)于可充電鎳氫電池的情況下，電化學(xué)儲(chǔ)能。儲(chǔ)氫也可以在強(qiáng)堿性電解液中電化學(xué)誘導(dǎo)，根據(jù)</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　圖3. 一個(gè)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(xué)過程和儲(chǔ)氫是感應(yīng)電流驅(qū)動(dòng)的電荷轉(zhuǎn)移反應(yīng)。鎳氫電池的布局包含氫化形成MH電極和一個(gè)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(qiáng)堿性溶液浸漬(通常的訂單7摩爾·l?1 KOH)提供了兩個(gè)電極之間的離子電導(dǎo)率。整個(gè)電化學(xué)反應(yīng),發(fā)生在兩個(gè)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>　　（4） </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(gè)電極，多孔隔板嵌入在非水電解質(zhì)中，和兩個(gè)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(fù)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(jī)電解質(zhì)的電隔離。銅箔作為集電體的負(fù)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(xué)密封可充電鋰離子電池。</p><p>　　相應(yīng)的電化學(xué)反應(yīng)，從而導(dǎo)致可逆能量存儲(chǔ)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(xué)存儲(chǔ)反應(yīng)可表示為&l

19、t;/p><p><b>　?。?）</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?jǐn)?shù)鋰的正極內(nèi)時(shí)的插入。請(qǐng)注意，對(duì)于鋰離子電池的一個(gè)適當(dāng)?shù)目赡孢\(yùn)轉(zhuǎn)并不是所有的鋰可從正極除去。這意味著，x可在實(shí)踐中不高于0.5().</p><p>　　在負(fù)電極上的相應(yīng)反應(yīng)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(nèi)部的負(fù)電極。作為這些電化學(xué)電荷轉(zhuǎn)移反應(yīng)的結(jié)果，Li +離子必須穿過電流流動(dòng)的條件下（參見圖5）下的電解質(zhì)。在鋰離子電池的電解質(zhì)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(dǎo)電介質(zhì)。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(zhì)中的離子通過擴(kuò)散和遷移輸送，后者的過程被

21、誘導(dǎo)在整個(gè)電解質(zhì)在電極之間的電場。整體的主電化學(xué)存儲(chǔ)反應(yīng)然后可以表示為</p><p>　　有趣的是，可以得出結(jié)論，在這兩種鎳氫電池和鋰離子電池的基本能量儲(chǔ)存機(jī)構(gòu)是完全一樣的，通過利用在其中氫或鋰的存儲(chǔ)在一個(gè)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(duì)用于任何電器，

22、但尤其適用于電動(dòng)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(shí)間，剩余電量和功率能力。因此，BMS是任何電池供電的關(guān)鍵因素裝置。開發(fā)的數(shù)學(xué)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(dǎo)致減少的存儲(chǔ)容量和電池電量。</p><p>　　甲固體電解質(zhì)界面（SEI）被稱為是存在于鋰離子電池的負(fù)極表面上。它是離子導(dǎo)電，但

23、是電子有電阻。靜止時(shí)電子可以穿過SEI層，由于電子隧道效應(yīng)，降低了溶劑產(chǎn)生不溶的鋰鹽。通過SEI免受溶劑的負(fù)電極侵蝕，但是，它捕獲電化學(xué)活性鋰的一些量，從而紅眼荷蘭國際集團(tuán)的電池的存儲(chǔ)容量和阻抗都增大。 SEI的形成通常被接受為負(fù)責(zé)電池退化的主要過程之一。同時(shí)，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(jié)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(dǎo)致在復(fù)雜形狀的試驗(yàn)容量退化曲線（參見圖6，[

24、9]）。其中，兩個(gè)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(cè)對(duì)應(yīng)于殼體時(shí)，SEI形成整體容量的支配損失。在一些限制電池的總存儲(chǔ)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(fù)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(duì)循環(huán)穩(wěn)定性明顯的影響。該仿真

25、（紅色線）和實(shí)驗(yàn)（藍(lán)點(diǎn)）之間的協(xié)議是優(yōu)異</p><p>　　基于知識(shí)的老化過程和考慮這些負(fù)面誘發(fā)副作用,提出了復(fù)雜的BMS[18]。這些算法包括非常準(zhǔn)確適應(yīng)充電(SoC)的決心,提高充電裝置。這些結(jié)果是特別有趣的應(yīng)用程序插件電氣車輛,因?yàn)檫@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(jì)費(fèi)收費(fèi)制度。提高充電[9]的特點(diǎn)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(shí)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(fèi)標(biāo)準(zhǔn)CCCV收費(fèi)沒有任何負(fù)面影響的循環(huán)壽命相比CCCV收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn),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(yīng)用程序。</p>&l

27、t;p>　　圖6. 操作政權(quán)能力退化的影響。實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ν嘶癁榇淼乃{(lán)點(diǎn),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(duì)圓柱(索尼)鋰離子電池的

28、循環(huán)壽命。</p><p><b>　　6.結(jié)論</b></p><p>　　學(xué)建模是一種有效的工具來了解充電電池的性能,這一觀點(diǎn)隨后可以用來改善BMS。一個(gè)有關(guān)提高收費(fèi)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(yán)重惡化的電池循環(huán)壽命。結(jié)合先進(jìn)的充電算法和自適應(yīng)BMS提高電池的性能和安全許多便攜式應(yīng)用程序包括電氣車