1、 武汉理工大学毕业设计（论文）新能源储能系统研究学院（系）： 自动化学院 专业班级： 电气 学生姓名： 指导教师： 武汉理工大学毕业设计（论文）I摘要结合现如今的能源危机，引出新能源储能技术的重要性，储能技术的发展给电力系统的各个方面都带来了巨大的优势以及新的发展，文章阐述了新能源储能系统中的各项技术原理、组成部分、优缺点、适用的场所以及应用的领域等常见部分。结合如今电池储能技术的发展现状，重点分析电池储能技术中的磷酸铁锂电池。为了能够更加深入的了解磷酸铁锂电池，本文进行了大量的充放电实验来研究该电池的特性，测试在不同条件下电池的不同参数的变化情况，得到数据后对数据绘制相应的曲线，根据曲线进行
2、分析；之后对电池模型进行分类简介，选取其中的一个模型来进行模拟仿真，得到仿真曲线。将得到的曲线进行对比分析该模型的精确程度。之后对电池的特性、荷电状态及 SOC 估算和电池充放电管理系统等模块进行相应的介绍。整篇论文是根据总分路线进行编写的，首先根据能源危机引出新能源储能技术，并对各种储能技术进行介绍，之后选取电池储能中的磷酸铁锂电池进行分析，分析主要分为特性研究、建模、SOC 估算和电池充放电管理系统四大模块，从整个大的模块一直引申到各个小的部分，能够更好的深入理解新能源储能系统的重要性及其之后的发展方向。关键词：新能源储能 电池特性研究 电池建模 SOC 估算 电池管理系统武汉理工大学毕业
3、设计（论文）IIAbstractToday s energy crisis combined with the importance of new energy storage technologies leads to the development of energy storage technology to all aspects of the power system are tremendous advantages as well as new development,the article describes the new energy storage system comm
4、on part of the technical principles,components of the advantages and disadvantages for the places and areas of application,etc.Today,Combined with the development situation of battery energy storage technology,According to the analysis of lithium iron phosphate battery energy storage technology.In o
5、rder to more in-depth understanding, lithium iron phosphate battery, the charging and discharging characteristics change test experiments of the battery after, under different conditions, in different parameter of the battery, the data curve drawing data, according to the curve analysis;after the ba
6、ttery model to classify Profile,select one of the models for simulation, simulation curve obtained.The curves obtained for the accuracy of the analytical model. The state of charge and battery SOC battery charge and discharge management system appropriate to estimate the.The whole thesis is based on
7、 the total score for the preparation route,according to the energy crisis leads to first new energy storage technologies,and a variety of the energy storage technology,then select a battery energy storage in lithium iron phosphate analysis and the main points to study characteristics,modeling,Chargi
8、ng and discharging and battery SOC estimation management system four modules from the entire large modules has been extended to all small part,to better in-depth understanding of the importance of new energy storage system and beyond development.Keywords: New energy storage；Study on the characterist
9、ics of battery；battery modeling SOC estimate；The battery management system武汉理工大学毕业设计（论文）目 录第 1 章 绪论 .31.1 研究的目的及意义 .31.2 储能技术的国内外发展现状 .41.3 研究的基本目标 .52.1 抽水储能 .72.2 飞轮储能 .92.3 压缩空气储能 .102.4 超导电磁储能 .122.5 电池储能 .132.6 超级电容器 .142.7 冰蓄冷 .152.8 本章小结 .16第 3 章 锂电池特性研究 .173.1 概述 .173.2 电池的电压特性 .173.3 电池电压与倍
10、率特性 .183.3.1 恒流充电时端电压的变化 .183.3.2 恒流放电时端电压的变化 .183.4 电池容量与倍率特性 .193.4.1 充电倍率与电池容量 .193.4.2 放电倍率与电池容量 .203.5 温度对电池性能的影响 .203.5.1 充电电量和温度的关系 .203.5.2 放电电量与温度关系 .213.6 本章小结 .22第 4 章 锂电池建模 .234.1 概述 .234.2 模型的选择 .234.3 电池建模与参数估计 .254.3.1 一阶 RC 模型 .254.3.2 一阶 RC 修正模型的建立 .264.3.3 模型参数的确定 .284.4 模型的建立与仿真 .
11、304.5 本章小结 .31第 5 章 锂电池 SOC 估算及电池充放电管理 .335.1 概述 .335.2 SOC 估算方法 .33武汉理工大学毕业设计（论文）5.3 两相结合的 SOC 估算方法 .355.4 影响 SOC 估算的因素 .375.5 智能电池 .385.6 电池管理系统的功能 .385.7 本章小结 .39第 6 章 结束语 .40参考文献 .41致 谢 .43武汉理工大学毕业设计（论文）3第 1 章 绪论1.1 研究的目的及意义随着现阶段能源危机以及资源贫瘠的愈加严峻现状，新能源的开发及利用拥有良好的发展前景；随着常规能源的局限性以及能源发展与环境保护的矛盾日益明显，以
12、环保和可再生为特质的新能源越来越符合人们的发展需求，不可再生的资源和对环境有所污染的能源开发正在被可再生资源所替代；因此以新能源为基础的新型材料的开发和新型技术的研发正逐步地深入发展，新能源一般是指在新技术的基础上对可再生的资源进行开发利用，其中包括了常见的太阳能、风能、水能，还有生物质能、地热能、潮汐能等。除了新能源的开发和技术研究之外，对于新能源所产生的能源储存也需要引起技术人员的重视，储能技术的发展在此同时也需要适应新能源的发展速度，储能技术是指将电力资源转化为其他形式的能量储存起来，并且在外界需要能量时以电的形式释放出来，因此不同的新能源所需要的储能技术不用，目前全球储能技术电能转换存
13、储形态的不同可划分为物理储能、电磁储能、电化学储能和相变储能四类，其中物理储能主要包括抽水储能，飞轮储能和压缩空气储能等；电磁储能包括超导电磁储能等；电化学储能主要是指电池储能（铅酸蓄电池、锂离子电池、钠硫电池、全钒液流电池和钠离子电池等类型）和超级电容器储能等；相变储能包括冰蓄冷、中高温蓄热储能等。上述各种储能方式皆有自身的优缺点和适用的场所，现如今最新最热门的储能方式是超导电磁储能，因为其综合效率最高，但是该项储能技术的成本很高、其本身系统复杂且后期需要定期维护，所以暂时未能广泛应用于人们生活当中；各项储能技术中发展速度最快的莫过于电化学储能技术，电池储能技术是目前最为成熟可靠的储能技术，
14、电池储能中的各不同类型的电池各自拥有其优缺点，而且在现在的生活中以电动汽车为主的利用电池储能的代步工具正在稳步发展，以追求电池储能的安全性、能量转换的效率和经济性同步提升。电池储能技术中的铅酸蓄电池储能是人类最早使用的一种储能技术，因其发展时间长，人类对其研究相对于其他类型的蓄电池也较为深入，所以这项技术较为成熟，原理也比较简单，电极主要是由铅及其氧化物组成，电解液是铅酸溶液，通过化学反应实现充放电能，其反应式为：充电反应： （1.1）422242SOHPbOHPbS放电反应： （1.2）S44铅酸蓄电池的优点比较多，低廉的价格、高的回收利用率、好工作性能和较高的安全性等，同样它也有比较明显的
15、缺点，可以根据上述的化学反应式可以推出铅酸蓄电池武汉理工大学毕业设计（论文）4在工作的过程中有铅产生，而且其本身电极组成元素中含有铅，因为铅为重金属，因此对于环境和人体都有一定的影响，同时铅酸蓄电池的使用周期短，能量密度和功率密度低，而且需要经常性地对其维护，这些缺点就限制了铅酸蓄电池的发展高度。近年来电池储能中的锂离子电池储能技术兴起速度较快，其应用了电化学中嵌入和脱嵌的反应原理来实现锂离子在正负极间的移动，这个过程就是锂离子电池的充放电过程，其反应式：正极反应： xeLiCoOiLix212（1.3）负极反应： xii（1.4）电池反应： xxCLioOiLiCo212（1.5）锂离子电池
16、拥有较高的能量密度和综合循环效率、轻巧的重量体积、无污染和宽泛的温度适应范围等优点，与铅酸蓄电池相同，它也拥有比较明显的缺点，就是其电池容量小和价格高昂，但是综合对比来说，锂离子电池还有很广阔的发展前景，随着对于锂离子电池更加深入的研究和技术的逐步成熟，其成本会有所降低，所以锂离子电池将是未来储能技术发展的重点对象，在今后的生产生活中可能替代铅酸蓄电池作为电动汽车的主要供应能源。除此之外，还有钠硫电池、全钒液流电池和钠离子电池等其他类型的电池储能技术，它们各自有着不同的优缺点，因此在选择电池储能的同时需要根据不同的环境和需要达到的储能效果选择不同的电池储能技术，电池储能系统在储能系统中的应用前
17、景将越来越广泛，因此电池储能技术的研究也将面临很多在应用中所需要解决的技术难题。1.2 储能技术的国内外发展现状我们重点选取了电池管理系统这项储能技术中的重要模块进行详细的分析。在十五期间我国就在电动汽车项目方面开展了重点研究工作，经过多年的努力，在电池管理系统技术方面取得了较大的成就，拉近了与国外水平的距离。2005 年，在国家 863 计划的第一批立项研究课题中，EQ7200HEV 混合动力轿车用镍氢动力电池组及管理模块是由北京理工大学所承担、EQ6110HEV 混合动力城市公交车用大功率镍氢动力电池及其管理模块是由湖南神舟公司所承担、燃料电池电动轿车用高功率型铿离子动力电池组及其管理系统
18、是由苏州星恒电源有限公司所承担、解放牌混合动力城市客车用铿离子电池及管理模块是由北京有色金属总院所承担，同济大学和清华大学等高校也承担了多能源动力总武汉理工大学毕业设计（论文）5成控制系统等大量相关课题的研究工作。总而言之，电池管理系统是电动汽车最关键的技术之一，虽然在近年来取得了较大的进步，并在很多方面都己经进行了实际应用。但与电机控制技术、电池技术相比，电池管理系统还存在着许多不足之处，需要进行完善。在采集数据的精确度、SOC 估算的精度和安全性能方面的评估等各个模块都需要进一步完善和技术的提升。近年来，电动汽车研究和使用逐步趋向成熟，国内外一些知名品牌汽车生产公司和电池供应公司分别针对各
19、种类型的动力电池进行试验与研究，概括出电池的数学模型。现如今已经有许多电池管理系统应用于实车上。其中有代表性的公司有德国的 B.Hauck公司所设计的 BATTMAN 系统、美国 Aerovironment 公司开发的 SmartGuard 系统、美国通用汽车公司生产的电动汽车 EVI 电池管理系统、美国 ACPropulsion 公司开发的名为BatOpt 的高性能电池管理系统、日本丰田的混合车用系统等等。1) BATTMAN 系统：该系统是根据电池组型号的不同将所有的不同型号动力型电池组的管理做成一个系统。电池管理系统是由共有的部分和特殊的部分组成，其中共有的部分占的比重很大。因为共有的部
20、分决定电池容量和最弱电池单元的剩余电量。同时还影响电池的运行和数据的记录。2) SmartGuard 系统：在电池上设置一个分布式的管理装置来测量电池的电压和温度是该系统的显著特征。另外主控部件可以通过信号来起动电流旁路电路。SmartGuard 主要有以下几个功能：当放电极性发生反向时进行报警、显示最差电池单元的剩余电量信息、电池历史记录、过充检测以防止过充和文档归类。3) EVI 电池管理系统： EVI 电池管理系统包括电池模块、软件 BPM、电池组热系统和电池组高压断电保护装置四个组成部分。通用汽车公司生产的 EVI 电动汽车是由 26 个铅酸蓄电池所构成的电池组来提供电能的，每个电池的
21、寿命是 450 个深放电周期，其放电深度为 80，能够在市内行驶 113 公里(美国环保局指标，USA EPA Schedule)，在高速公路上行驶 145 公里（美国环保局指标，USA EPA Schedule） 。1.3 研究的基本目标本次研究主要目的是研究新能源储能系统。通过查询和阅读相关的资料，我们了解了现如今的能源危机，为了解决能源危机对人类社会带来的危害，我们需要对新能源进行开发和利用，储能技术的研究因此开展起来。现如今各项储能技术已经应用于我们生活当中，并且根据电能转换储存形式的不同分成不同的类别；主要的储能技术分为抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能、超导电磁储能、电池储能、超级电
22、容器储能和冰蓄冷等，针对不同的储能技术查询它们的相关资料，并对其进行总结，了解它们的工作原理和组成部分，根据储能技术在储能中的工作流程推断出它们的优缺点，从而了解不同储武汉理工大学毕业设计（论文）6能技术将来的发展前景以及工作过程中需要完善的技术环节，在已知储能技术优缺点的基础上将各项储能技术进行对比，可以判断在不同的应用场合应该采用哪种储能技术，也就决定了不同储能技术工作环境有所不同。之后的论文中，结合老师所给的任务书，在各项储能技术中选择了电池储能技术进行研究，并以电池储能中的锂离子电池作为研究的基础，研究包括了电池的模型建立、特性的研究、SOC 的估算以及对电池充放电的管理四大模块。首先
23、进行电池特性的研究，可以根据仿真结果得出电池的特性进行研究，也可以采用实际的电池模型对其进行电流电压和时间关系的测定，得出对应的曲线，并对其进行分析；然后将电池的模型建立作为最先开始研究的模块，根据电池的基本组成进行建模的设计，确定模型参数之后对其进行仿真，得出仿真结果；之后为了更好的了解电池电量在充放电中的变化规律，就需要对其剩余电量进行合理的计算，从而根据剩余电量的变化推算出电压电流之间的管理，更好的保证电池的合理运行，所以需要对电池进行SOC 的估算；最后要使电池的寿命更长，使用效率更高，就应该合理的规范的对电池进行充放电，在什么时间段和电流应该用什么大小的电压对电池充放电，为了能够更好
24、的使用电池，保持电池的高效运行，合理实用的充放电管理系统就显得尤为重要，可以根据充放电是电压和电流的变化规律来设计充放电管理系统的输入和输出，从而在电池充放电的过程中保证电压和电流合理的对应，达到最好的充放电效果。第一章绪论。包括了研究的目的、各项储能技术的简单介绍以及电池管理系统的国内外发展现状等等。提出了研究储能技术中的电池储能技术的依据。第二章新能源储能技术。本章主要针对于各项储能技术进行相应的介绍，主要包括储能技术的工作原理、组成部分、结构框图、优缺点以及应用的领域等方面。第三章锂电池的特性。本章主要针对磷酸铁锂电池的性能进行测试，主要测试电池在不同充放电倍率下端电压的变化，不同放电倍
25、率下电池容量的变化，以及电池容量和充放电倍率在不同温度环境下的变化，并且绘制出相应的变化曲线，根据曲线进行分析得到电池各项参数的特性关系。第四章锂电池建模。本章主要针对以电池建模进行介绍，首先对现有的电池模型进行了分类，之后选取了一阶 RC 模型作为电池模型进行研究。在电池建模的过程中，总结现有的参数和经过测试得到的参数，对一阶模型进行修正改进。最后对上述建立好的模型在恒流放电工况下进行了试验对比分析。第五章锂电池 SOC 估算及电池充放电管理。本章主要针对 SOC 进行介绍，首先对简述了 SOC 的概念，然后对现有的几种 SOC 估算方法进行了原理上的介绍，之后考虑利用两种 SOC 估算方法相结合来互补，最后简单的讨论了影响 SOC 估算的五大主要因素。并对电池管理系统进行了简要的阐述，首先提出电池在使用过程中可能出现的损坏，从而武汉理工大学毕业设计（论文）7提出需要构建智能电池，达到保护电池、更好地使用和管理电池的目的，最后对智能电池中的电池管理系统进行了功能上的介绍。
