完整版公交车锂电池维护仪本科毕业设计Word格式.docx
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2011年05月
摘要
在全球绿色经济的推动下，电动汽车正进入高速发展时期，对于大型公交系统而言，发展电动公交车将是一个不错的选择。
锂离子电池因其工作电压高、体积小、质量轻、无记忆效应、无污染、自放电小、循环寿命长，而成为一种理想电源。
随着技术的不断更新，目前，锂离子电池组已经广泛应用于笔记本电脑、备用电源、公交、出租等领域，动力锂离子电池已成趋势。
通过充分的市场调研和资料检索，发现多数人过多的依赖锂离子电池寿命长等优点，而忽视了对其的维护。
所以，对锂电池的维护工作势在必行！
关键词：
公交车；
锂电池；
维护仪
BusLithiumMaintenanceOftheInstrument
Abstract
Undertheimpetusoftheglobalgreeneconomy,electricvehiclesareenteringaperiodofrapiddevelopment,thedevelopmentofelectricbuseswillbeagoodchoiceforalargebussystems.Thelithium-ionbatteriesbecauseoftheirhighoperatingvoltage,smallsize,lightweight,nomemoryeffect,nopollution,smallself-discharge,longcyclelife,andtobecomeanidealpowersupply.Continuouslyupdatedastechnology,lithium-ionbatterypackhasbeenwidelyusedinnotebookcomputers,backuppower,publictransportation,rentandotherfields,powerlithium-ionbatterieshasbecomeatrend.
Throughadequatemarketresearchandinformationretrievalandfoundthatmostpeopletoomuchdependentonlithium-ionbattery,longlifetime,whileignoringitsmaintenance.Therefore,thelithiumbatterymaintenanceisimperative!
Keywords：
Bus;
lithiumbattery;
maintaininstrument
目录
摘要I
AbstractII
前言1
1设计目的2
2锂离子电池容量衰减本质原因3
2.1过充电3
2.1.1石墨负极的过充反应3
2.1.2正极过充反应3
2.1.3电解液在过充时氧化反应4
2.2电解液分解（还原）4
2.2.1在电极上分解4
2.3自放电6
2.4电极不稳定性7
2.4.1结构变化（相变）7
2.4.2正极溶解8
3设计基本思路11
4技术关键均衡电路设计12
5该设计创新点16
6技术关键17
7技术指标18
8为提高锂离子电池的性能现有技术19
8.1从材料入手19
8.2从电池结构入手19
8.3保护电路设计19
8.4日常生活维护着手19
9该设计的显著优点21
结束语22
致谢23
参考文献：
24
前言
通过充分的市场调研和资料检索及目前的确凿的情况来看，多数人过多的依赖锂离子电池寿命长等优点，而忽视了对其的维护。
锂离子电池高昂的制造费用如果得不到合理的运用及维护，她的优点将失去应有的价值！
本论文共九部分：
第一部分介绍公交车锂离子电池维护仪的设计目的；
第二部分分析锂离子电池容量衰减的本质原因；
第三部分重点介绍公交车锂离子电池的基本设计思路。
第四部对公交车锂离子电池维护仪设计创新点的介绍；
接下来简单的介绍了该设计的技术指标、技术关键等。
1设计目的
目前锂离子电池组的充电一般都采用串联充电，但由于单体锂离子电池之间在容量、内阻、衰减特性、自放电等性能方面的差异，在对锂离子电池组串联充电时，电池组中容量最小的那只单体锂离子电池将最先充满电，而此时，其他电池还没有充满电，如果继续串联充电，则已充满电的单体锂离子电池就可能会被过充电。
锂离子电池过充电会严重损害电池的性能，甚至可能会导致爆炸造成人员伤害。
该设计从上述问题出发，实行定期的对锂动力电池维护，使其在充电前各单体锂离子电池的电量基本相等，极大地减少了电池过冲过放等问题，从而解决了因过冲过放所带来的安全隐患等问题。
2锂离子电池容量衰减本质原因
锂离子电池在两个电极间发生嵌入反应时具有不同的嵌入能量，而为了得到电池的最佳性能，两个宿主电极的容量比应该保持一个平衡值。
在锂离子电池中，容量平衡表示成为正极对负极的质量比，即：
γ=m+/m-=ΔxC-/ΔyC+
式中C指电极的理论库仑容量，Δx、Δy分别指嵌入负极及正极的锂离子的化学计量数。
从上式可以看出，两极所需要的质量比依赖于两极相应的库仑容量及其各自可逆锂离子的数目。
一般说来，较小的质量比导致负极材料的不完全利用；
较大的质量比则可能由于负极被过充电而存在安全隐患。
总之在最优化的质量比处，电池性能最佳。
对于理想的Li-ion电池系统，在其循环周期内容量平衡不发生改变，每次循环中的初始容量为一定值，然而实际上情况却复杂得多。
任何能够产生或消耗锂离子或电子的副反应都可能导致电池容量平衡的改变，一旦电池的容量平衡状态发生改变，这种改变就是不可逆的，并且可以通过多次循环进行累积，对电池性能产生严重影响。
在锂离子电池中，除了锂离子脱嵌时发生的氧化还原反应外，还存在着大量的副反应，如电解液分解、活性物质溶解、金属锂沉积等。
2.1过充电
2.1.1石墨负极的过充反应
电池在过充时，锂离子容易还原沉积在负极表面：
Li＋＋e-→Li（s），沉积的锂包覆在负极表面，阻塞了锂的嵌入。
导致放电效率降低和容量损失，原因
①可循环锂量减少；
②沉积的金属锂与溶剂或支持电解质反应形成Li2CO3，LiF或其他产物；
③金属锂通常形成于负极与隔膜之间，可能阻塞隔膜的孔隙增大电池内阻。
④由于锂的性质很活泼，易与电解液反应而消耗电解液.从而导致放电效率降低和容量的损失。
快速充电，电流密度过大，负极严重极化，锂的沉积会更加明显。
这种情况容易发生在正极活性物相对于负极活性物过量的场合。
但是，在高充电率的情况下，即使正负极活性物的比例正常，也可能发生金属锂的沉积。
2.1.2正极过充反应
当正极活性物相对于负极活性物比例过低时，容易发生正极过充电。
正极过充导致容量损失主要是由于电化学惰性物质（如Co3O4，Mn2O3等）的产生，破坏了电极间的容量平衡，其容量损失是不可逆的。
（1）LiyCoO2
LiyCoO2→（1-y）/3[Co3O4＋O2（g）]＋yLiCoO2
y<
0.4
同时正极材料在密封的锂离子电池中分解产生的氧气由于不存在再化合反应（如生成H2O）与电解液分解产生的可燃性气体同时积累，后果将不堪设想。
（2）λ-MnO2
（3）锂锰反应发生在锂锰氧化物完全脱锂的状态下：
λ-MnO2→Mn2O3+O2（g）
2.1.3电解液在过充时氧化反应
当压高于4.5V时电解液就会氧化生成不溶物（如Li2Co3）和气体，这些不溶物会堵塞在电极的微孔里面阻碍锂离子的迁移而造成循环过程中容量损失。
影响氧化速率因素：
正极材料表面积大小、集电体材料、所添加的导电剂（炭黑等）、炭黑的种类及表面积大小。
在目前较常用电解液中，EC/DMC被认为是具有最高的耐氧化能力。
溶液的电化学氧化过程一般表示为：
溶液→氧化产物（气体、溶液及固体物质）+ne-
任何溶剂的氧化都会使电解质浓度升高，电解液稳定性下降，最终影响电池的容量。
假设每次充电时都消耗一小部分电解液，那么在电池装配时就需要更多的电解液。
对于恒定的容器来说，这就意味着装入更少量的活性物质，这样会造成初始容量的下降。
此外，若产生固体产物，则会在电极表面形成钝化膜，这将引起电池极化增大而降低电池的输出电压。
2.2电解液分解（还原）
2.2.1在电极上分解
.电解质在正极上分解
电解液由溶剂和支持电解质组成，在正极分解后通常形成不溶性产物Li2Co3和LiF等，通过阻塞电极的孔隙而降低电池容量，电解液还原反应对电池的容量和循环寿命会产生不良影响，并且由于还原产生了气体会使电池内压升高，从而导致安全问题。
正极分解电压通常大于4.5V（相对于Li/Li+），所以，它们在正极上不易分解。
相反，电解质在负极较易分解。
.电解质在负极上分解
电解液在石墨和其它嵌锂碳负极上稳定性不高，容易反应产生不可逆容量。
初次充放电时电解液分解会在电极表面形成钝化膜，钝化膜能将电解液与碳负极隔开阻止电解液的进一步分解。
从而维持碳负极的结构稳定性。
理想条件下电解液的还原限制在钝化膜的形成阶段，当循环稳定后该过程不再发生。
钝化膜的形成：
电解质盐的还原参与钝化膜的形成，有利于钝化膜的稳定化，但
（1）还原产生的不溶物对溶剂还原生成物会产生不利影响；
（2）电解质盐还原时电解液的浓度减小，最终导致电池容量损失（LiPF6还原生成LiF、LixPF5－x、PF3O和PF3）；
（3）钝化膜的形成要消耗锂离子，这会导致两极间容量失衡而造成整个电池比容量降低。
（4）如果钝化膜上有裂缝，则溶剂分子能透入，使钝化膜加厚，这样不但消耗更多的锂，而且有可能阻塞碳表面上的微孔，导致锂无法嵌入和脱出，造成不可逆容量损失。
在电解液中加一些无机添加剂，如CO2，N2O，CO，SO2和Sx2-等，可加速钝化膜的形成，并能抑制溶剂的共嵌和分解，加入冠醚类有机添加剂也有同样的效果。
成膜容量损失的因素：
（1）工艺中使用碳的类型；
（2）电解液成；
（3）电极或电解液中添加剂。
Blyr认为离子交换反应从活性物质粒子表面向其核心推进，形成的新相包埋了原来的活性物质，粒子表面形成了离子和电子导电性较低的钝化膜，因此贮存之后的尖晶石比贮存前具有更大的极化。
Zhang通过对电极材料循环前后的交流阻抗谱的比较分析发现，随着循环次数的增加，表面钝化层的电阻增加，界面电容减小。
反映出钝化层的厚度是随循环次数而增加的。
锰的溶解及电解液的分解导致了钝化膜的形成，高温条件更有利于这些反应的进行。
这将造成活性物质粒子间接触电阻及Li+迁移电阻的增大，从而使电池的极化增大，充放电不完全，容量减小。
2.3自放电
自放电是指电池在未使用状态下，电容量自然损失的现象。
锂离子电池自放电导致容量损失分两种情况：
一是可逆容量损失；
二是不可逆容量的损失。
可逆容量损失是指损失的容量能在充电时恢复，而不可逆容量损失则相反，正负极在充电状态下可能与电解质发生微电池作用，发生锂离子嵌入与脱嵌，正负极嵌入和脱嵌的锂离子只与电解液的锂离子有关，正负极容量因此不平衡，充电时这部分容量损失不能恢复。
如：
锂锰氧化物正极与溶剂会发生微电池作用产生自放电造成不
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