基于机器学习算法的寿命预测与故障诊断技术应用与发展综述.pdf

发布时间：2022-06-19 发布人：admin 分类：说明书资料大小：1.35M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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1电池管理系统BMS综述目录一、磷酸铁锂电池............................................................................................................................................11.1磷酸铁锂电池的结构和工作原理....................................................................................................11.2磷酸铁锂电池的性能与特点...........................................................................................................21.2.1磷酸铁锂电池的优势...........................................................................................................21.2.2磷酸铁锂电池的劣势...........................................................................................................31.3正极材料磷酸铁锂的主要生产工艺...............................................................................................41.3.1高温固相法...........................................................................................................................41.3.2碳热还原法...........................................................................................................................51.3.3水热合成法...........................................................................................................................51.3.4其他........................................................................................................................................51.3.5磷酸铁锂生产工艺流程.......................................................................................................51.4磷酸铁锂电池产业链结构...............................................................................................................61.5常规锂电池产品................................................................................................................................61.6磷酸铁锂电池市场前景...................................................................................................................6二、钛酸锂电池..............................................................................................................................................72.1概述....................................................................................................................................................72.2钛酸锂电池组成................................................................................................................................72.3钛酸锂电池的优点.........................................................................................................................72.4钛酸锂电池国内外应用动态.........................................................................................................82.5钛酸锂电池市场前景.......................................................................................................................82.5.1锂离子电池负极材料市场现状...........................................................................................82.5.2新型负极材料钛酸锂技术特点...........................................................................................92.5.3新型负极材料钛酸锂国内外市场应用前景.....................................................................10三、BMS概述.................................................................................................................................................133.1BMS概念界定...................................................................................................................................143.2BMS的必要性...................................................................................................................................143.3BMS的功能.......................................................................................................................................173.3.1基本保护功能.....................................................................................................................173.3.2电池热管理.........................................................................................................................183.3.3电池均衡管理.....................................................................................................................183.3.4电池状态指示及报警.........................................................................................................203.3.5通讯功能..............................................................................................................................203.3.6BMS板自检及日志..............................................................................................................203.3.7电池荷电状态.....................................................................................................................203.3.8电池组/电芯健康状态评价...............................................................................................203.4BMS行业发展及市场预测..............................................................................................................22四、BMS主要技术要点.................................................................................................................................234.1电压管理..........................................................................................................................................234.1.1电池的电压.........................................................................................................................234.2电流检测..........................................................................................................................................254.3防反接..............................................................................................................................................254.4充电保护..........................................................................................................................................25

24.5放电保护..........................................................................................................................................254.6电池平衡..........................................................................................................................................254.6.1电池平衡的必要性.............................................................................................................254.6.2常用电池平衡方法.............................................................................................................304.6.3分流法/旁路法...................................................................................................................314.6.4切断法..................................................................................................................................344.6.5并联法..................................................................................................................................354.6.6开关电容均衡/飞度电容...................................................................................................384.6.7降压变压器均衡充电.........................................................................................................454.6.8电感能量迁移.....................................................................................................................464.6.9变压器能量转移.................................................................................................................464.7SOC荷电状态测定..........................................................................................................................464.7.1电池的容量(C)/储备能量(W)...........................................................................................464.7.2电池内阻..............................................................................................................................474.8健康状态测定（SOH）...................................................................................................................484.9通讯..................................................................................................................................................494.10历史记录，日志...........................................................................................................................494.11电池热管理....................................................................................................................................494.11.1电池的温度.......................................................................................................................50五、常规BMS板规格及技术要求..............................................................................................................505.1技术要求..........................................................................................................................................505.2.1绝缘电阻：.........................................................................................................................505.2.2绝缘耐压性能：.................................................................................................................505.2.3状态参数测量精度：.........................................................................................................505.2.4SOC估算精度：..................................................................................................................505.2.5电池故障诊断：.................................................................................................................515.2.6过电压运行：.....................................................................................................................515.2.7欠电压运行：.....................................................................................................................515.2.8高温运行：.........................................................................................................................515.2.9低温运行：.........................................................................................................................515.2.10耐高温性能：...................................................................................................................525.2.11耐低温性能：...................................................................................................................525.2.12耐温度变化性能：...........................................................................................................525.2.13耐盐雾性能：...................................................................................................................525.2.14耐湿热性能：...................................................................................................................525.2.15耐振动性能：...................................................................................................................525.2.16耐电源极性反接性能：...................................................................................................525.2.17电磁辐射抗扰性：...........................................................................................................52六、BMS主要实现方案................................................................................................................................52七、BMS主要生产厂家.................................................................................................................................53

1一、磷酸铁锂电池1.1磷酸铁锂电池的结构和工作原理电池一般包括：正极、负极、电解质、隔膜、正极引线、负极引线、中心端子、绝缘材料、安全阀、密封圈、PTC（正温度控制端子）、电池壳等。其中正极材料、负极材料、电解质以及隔膜的不同或者工艺的不同，对电池的性能和价格有着决定性的影响。通常所称的锂电池，是以各种含锂材料为正极材料的电池，目前市场上的锂离子电池正极材料主要是钴酸锂（2LiCoO）、锰酸锂（42OLiMn），另外还有少数采用镍酸锂（2LiNiO）以及二元/三元聚合物作正极材料的锂离子电池。磷酸铁锂电池是用磷酸铁锂（4LiFePO，简称LFP）材料作电池正极的锂离子电池，其内部结构如图一所示：左边是橄榄石结构的4LiFePO作为电池的正极，由铝箔与电池正极连接，中间是聚合物的隔膜，它把正极与负极隔开，但锂离子Li可以通过而电子e不能通过,右边是由碳（石墨）组成的电池负极，由铜箔与电池的负极连接。电池的上下端之间是电池的电解质，电池由金属外壳、铝塑复合膜或塑料壳密闭封装。4LiFePO电池的工作原理是：电池充电时，正极材料中的锂离子脱出来，经过电解液，穿过隔膜进入到负极材料中；电池放电时，锂离子又从负极中脱出来，经过电解液，穿过隔膜回到正极材料中。（注：锂离子电池就是因锂离子在充放电时来回迁移而命名的，所以锂离子电池又称“摇椅电池”）当外部电源给电池充电,此时正极上的电子e从通过外部电路跑到负极上,锂离子Li+从正极“跳进”电解液里，“爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞，“游泳”到达负极，与早就跑过来的电子结合在一

2起。当电池放电时，机理与充电是刚好是相反的，以4LiFePO为例，其化学反应方程式为：4441LiFePOxxFePOxexLiLiFePO充电：4441LiFePOxxLiFePOxexLiFePO放电：1.2磷酸铁锂电池的性能与特点1.2.1磷酸铁锂电池的优势一、超长寿命：长寿命铅酸电池的循环寿命在300次左右，最高也就500次，而磷酸铁锂动力电池在室温下1C充放电循环2000次，容量保持率80%以上；是铅酸电池5倍，镍氢电池的4倍，是钴酸锂电池4倍，是锰酸锂电池4-5倍左右。二、安全性高：磷酸根化学键的结合力比传统的过渡金属氧化物结构化学键强，所以结构更加稳定，并且不易释放氧气。磷酸铁锂电池在高温下的稳定性可达400以上，保证了电池内在的高安全性；不会因过充、温度过高、短路、撞击而产生爆炸或燃烧。三、环保且不需要稀有金属：磷酸铁锂电池不含任何（锂之外）重金属或者稀有金属，无毒（SGS认证通过），无污染，符合欧洲RoHS规定，为环保电池。四、充电速度快，自放电少，无记忆效应：磷酸铁锂电池可大电流2C快速充放电，在专用充电器下，2C充电30分钟内即可使电池充满95%，起动电流可达2C，而铅酸电池现在无此性能。五、体积小，重量轻：商品设计可轻量化，体积是相同容量铅酸电池的2/3，也较镍氢电池体积小；重量是相同容量铅酸电池的1/3，镍氢电池的2/3左右；六、电池单体电压高，放电平台稳定：为3.2V，串联少，电池组可靠性高；电池组可靠性高，可作大电流高功率充放电高倍率放电特性：10C充放电效率达到96%以上，容量保持率90%以上，可实

3现10C放电；综上可知，磷酸铁锂电池相对传统电池和其它锂电池，具有自身明显的优势，表1和表2对其性能和传统电池及锂电池进行比较：可见与传统电池相比，磷酸铁锂电池只在价格方面处于一定劣势，其他各项指标明显占据优势。但如果考虑电池寿命，磷酸铁锂电池的价格却是最低的。磷酸铁锂除了振实密度、克容量两个指标略有不足，其他各项指标均占很大优势，尤其是在循环性能、环保性、安全性能、原料成本及应用领域方面。1.2.2磷酸铁锂电池的劣势1、导电性差、锂离子扩散速度慢。高倍率充放电时，实际比容量低，这个问题是制约磷酸铁锂产业发展的一个难点。磷酸铁锂之所以这么晚还没有大范围的应用，这是一个主要的问题。2、振实密度较低。一般只能达到0.8-1.3，低的振实密度可以说是磷酸铁锂的很大缺点，这决定了它在小型电池如手机电池等没有优势，所以其使用范围受到一定程度的限制。即使它的成本低，安全性能好，稳定性好，循环次数高，但如果体积太大，也只能小量的取代钴酸锂。但这一缺点在

4动力电池方面不会突出。因此，磷酸铁锂主要是用来制作动力电池。3、一致性问题严重。单体磷酸铁锂电池寿命目前超过2000次，但是制作出来的电池一致性不佳，进而影响到电池组的使用性能和整体寿命，因此应用在动力汽车上存在一定障碍。4、磷酸铁锂电池低温性能差。磷酸铁锂材料的固有特点，决定其低温性能劣于锰酸锂等其他正极材料。一般情况下，对于单只电芯，其0℃时的容量保持率约60～70%，-10℃时为40～55%，-20℃时为20～40%。这样的低温性能显然不能满足动力电源的使用要求。5、制造成本高。磷酸铁锂具有安全性、环保性、循环次数高等优点是毋庸置疑的，但目前的制造成本相对铅酸电池、锰酸锂电池要高，其主要原因是：1）材料物理性能和其他锂电材料相差较大，其粒度小，振实密度小，比表面积大，材料的加工性能不好，涂敷量低，导致电池成本增加；2）磷酸铁锂电池只有3.2V，比其他的锂电低20%左右，单体电池要多用20%，导致电池组成本上升较多。随着技术的发展，磷酸铁锂材料上的这些缺点正在逐步得到解决，其性价比也逐步得到提高，应用范围也逐渐扩大，我们相信，磷酸铁锂电池技术已经进入一个飞速发展阶段，正在带动整个产业从市场的培育导入期进入一个高速增长阶段。1.3正极材料磷酸铁锂的主要生产工艺正极材料的工艺极大地影响了电池的性能，因此提高和改良工艺是电池产业化的一个重要的因素。下面我们来了解几种工艺法，比较一下各自的优缺点：1.3.1高温固相法高温固相法是磷酸铁锂生产的主要方法，也是最成熟的方法。通常以铁盐（如草酸亚铁OHOFeC2422）、磷酸盐（如磷酸氢二铵424HPONH）和锂盐（如碳酸锂32COLi）为原料，按化学计量比充分混匀后，在惰性气氛中先经过较低温预分解，再经高温焙烧，研磨粉碎制成。优点：高温固相合成法操作及工艺路线设计简单，工艺参数易于控制，制备的材料性能稳定，易于实现工业化大规模生产。缺点：①粉体原料需要长时问的研磨混合，且混合均匀程度有限，掺杂改性效果差；②要求较高的热处理温度和较长的热处理时间，能耗大；③产物在组成、结构、粒度分布等方面存在较大差别，易出现Fe的杂质相；④材料电化学性能不易控制；⑤采用的草酸亚铁比较贵，材料制造成本较高；反应时需要大量的惰性保护气体，惰性气体成本较高；

5⑥同时烧结过程中会产生氨气、水、二氧化碳，他们在炉膛内经过冷却的过程时会产生碳酸氢铵晶体颗粒而造成产品的污染。此外，氨气的产生不利于环保，应进一步增加尾气处理设备。1.3.2碳热还原法碳热还原法也是高温固相法中的一种，是比较容易工业化的合成方法，多数以磷酸二氢锂(42POLiH）、三氧化二铁(32OFe)或四氧化三铁、蔗糖为原料，均匀混合后，在高温和氩气或氮气保护下焙烧，碳将三价铁还原为二价铁，也就是通过碳热还原法合成磷酸铁锂。优点：解决了在原料混合加工过程中可能引发的氧化反应，使合成过程更为合理，同时改善了材料的导电性。缺点：反应时间相对过长，温度难以控制，产物一致性要求的控制条件更为苛刻，难以适应工业化生产。1.3.3水热合成法水热合成法属于湿法范畴，它是以可溶性亚铁盐、锂盐和磷酸为原料，在水热条件下直接合成4LiFePO，由于氧气在水热体系中的溶解度很小，水热体系4LiFePO的合成提供了优良的惰性环境。优点：水热法可以在液相中制备超微细颗粒，原料可以在分子级混合。具有物相均匀、粉体粒径小以及操作简便等优点，且具有易量产、产品批量稳定性好、原料价廉易得的优点。同时生产过程中不需要惰性气氛。缺点：水热合成法制备的产物结构中常常存在着铁的错位，生成了亚稳态4FePO，影响了产物的化学及电化学性能。同时也存在粒径不均匀、物相不纯净、设备投资大（耐高温高压反应器的设计制造难度大，造价也高）或工艺较复杂的缺点。1.3.4其他1.另外，溶胶—凝胶合成法、液相共沉淀法、微波合成法等也应用在制备LFP原材料上。2.这些工艺都有各自的优缺点，但目前通过改良工艺后，应用比较广泛的还是前3种，美国的A123和加拿大的Phostech公司采用固相法，美国的Valence公司采用碳热还原法，LG化学利用连续水热合成法。3.在材料制备过程中，导电碳包覆是4LiFePO制备过程中的一项关键技术。A123通过在箔体表面预先涂敷一层高品质导电碳层，有效的降低了电池的内阻，提升了磷酸铁锂电池的大倍率放电能力。1.3.5磷酸铁锂生产工艺流程

61.4磷酸铁锂电池产业链结构1.5常规锂电池产品锂电池ICR18500/1400MAH、锂电池186502000MAH、锂电池18500-1500mAh、锂锰电池、圆柱锂离子电池、动力型圆柱锂离子电池、磷酸铁锂型圆柱锂离子电池、方型锂离子电池等。1.6磷酸铁锂电池市场前景磷酸铁锂电池是指用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池。磷酸铁锂电池是锂电池行业发展的最前沿，由于其自身的优势被广泛应用于混合动力汽车、电动工具、电动自行车、电动助力车、发电储能装置等各个领域。随着世界石油资源的日益枯竭，汽车的动力源将不得不逐步摆脱石油资源的束缚而采用一些新的能源，这直接推动着汽车业的一次重大技术革命，未来新能源汽车替代传统汽车趋势将成为必然。动力锂电池作为新能源汽车的“心脏”，也将随之迅猛发展，并将催生出庞大的产业经济效应，其巨大的市场空间被业内普遍看好。受益新能源汽车的快速发展，未来动力锂离子电池市场规模将高速增长。目前在国内市场，动力锂电池的销售量还很低，锂电池的销售收入主要来源于手机、电脑等小型锂电池领域，然而一台纯电动车是单个手机电池耗用量的一万倍左右，伴随未来新能源汽车逐渐走向成熟，势必会带动动力锂电池呈现爆发性增长。新能源汽车首次进入政府报告，随着国家新能源汽车政策的出台以及对动力锂电池发展前景的看好，也带动了市场投资的火热。高达五万

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