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作者:熊瑞

出版社:机械工业出版社

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动力电池管理系统核心算法

动力电池管理系统核心算法试读:

前言

发展节能与新能源汽车是国际共识,也是我国的战略性新兴产业和“中国制造2025”确立的重点发展方向。据中国汽车工业协会统计,我国新能源汽车2017年全年产销量分别达到79.4万辆和77.7万辆,连续三年位居全球第一,目前总量已突破180万辆。显然,新能源汽车产业迎来了前所未有的重大发展机遇,与此同时带动了动力电池产业的迅猛发展。

动力电池系统是新能源汽车的技术瓶颈,而动力电池管理技术是保障整车高效、安全以及动力电池长寿命运行的核心和关键,也是各国竞相占领的技术制高点。动力电池具有可测参数量有限且特性耦合、即用即衰、强时变、强环境温度依赖和强非线性等特征。因此,高精度、强鲁棒性的动力电池状态量估计成为动力电池主动管理的根本途径。提高动力电池系统动态建模精度、突破多状态协同估计的技术瓶颈、加强剩余寿命预测与耐久性管理、保障预期使用寿命的达成成为动力电池系统管理的重要内容,是保障新能源汽车市场活力和健康可持续发展的关键,也是树立新能源汽车市场信心的基本要求。

本书结合作者十多年来的研究实践,详细叙述了新能源汽车动力电池管理系统核心算法开发的技术细节。第1章剖析了国家“十三五”新能源汽车发展规划以及对动力电池管理系统的技术指标,系统地阐述了动力电池系统及管理的设计与实现要点。第2章阐述了动力电池测试平台搭建、实验设计与特性分析,系统分析了动力电池在不同老化、温度和充放电倍率等因素下的工作特性,为动力电池管理系统核心算法开发提供了方向性指引。第3章~第7章系统深入地论述了动力电池系统建模、荷电状态与健康状态协同估计、峰值功率预测、剩余寿命预测、低温快速加热与优化充电等动力电池管理系统核心算法的基础理论、算法构建与实施细节。最后,从核心算法的软硬件在环仿真验证、台架测试和实车验证等角度论述了动力电池管理系统算法的“V”开发流程。本书力求做到文字准确、精练,插图清晰,内容系统、详实、先进,力求站在前沿领域帮助读者掌握新能源汽车动力电池管理系统的核心算法。

本专著是在我的研究生导师孙逢春院士和何洪文教授的亲自指导下完成的,是电动车辆国家工程实验室在新能源汽车动力电池及其管理领域研究开发工作的结晶,也是十多年研究成果的集中体现。参加本书资料整理和部分撰写的有博士后穆浩、马泽宇,博士生陈铖、陈欢、郭姗姗、卢家欢、田金鹏、王春、王榘、杨瑞鑫、于全庆、张永志,硕士生曹家怡、段砚州、方煜、龚浩然、李幸港、李琳琳、李治润、吕亮、宋旬、王侃等。

经过多年酝酿和努力,我们力图将该领域国内外最新的研究进展以及实验室在动力电池系统管理方面的研究成果与心得体会奉献给同仁和读者,助力我国在该领域的创新与进步,推动行业技术发展。虽经多次修改,但仍难如人意,主要是有些工作仍然没有结束,有些理论与技术还在探讨,谬误自然也难以避免,望读者体谅。欢迎读者提出批评与斧正意见,共同推动我国动力电池管理系统的研究与开发工作快速向前发展。熊瑞2018年夏于电动车辆国家工程实验室第1章 动力电池及其管理概述

发展节能与新能源汽车是国际共识,也是中国的战略性新兴产业和“中国制造2025”确立的重点领域。动力电池系统是新能源汽车技术的发展瓶颈,而动力电池管理技术是保障整车高效、安全和动力电池长寿命运行的核心和关键,也是各国竞相占领的技术制高点。2017年,工信部、发改委、科技部印发的《汽车产业中长期发展规划》中明确提出,“到2020年,新能源汽车年产销达到200万辆,动力电池单体比能量达到300W·h/kg以上,力争实现350W·h/kg,系统比能量力争达到260W·h/kg,成本降至1元/W·h以下”。截至2017年,全球新能源乘用车年销量已达122万辆,增速超过55%。据中国汽车工业协会统计,我国新能源汽车2017年产销量分别达到79.4万辆和77.7万辆,连续三年位居全球第一。2018年1~5月,我国新能源汽车产销均完成32.8万辆,比2017年同期分别增长122.9%和141.6%。显然,我国正逐渐成为国际新能源汽车市场发展的重要角色。

但是,动力电池作为燃油的替代品,循环寿命较低,充电慢,低温放电能力差,衰减程度难以预测,导致用户对续驶里程产生焦虑以及在冬季使用感到担忧;在电动汽车上成组使用时,由于单体制造和使用环境差异等原因,电池单体衰减速度和路径不同,单体间不一致性格外明显,动力电池组系统精确状态估计难度大。当部分电池的健康状况急剧恶化时,整个系统的性能会受到影响,并加剧寿命衰减,甚至引发安全问题。因此,加强动力电池电能量管理,提升低温快速加热性能,准确预测剩余寿命与提高耐久性,延缓性能衰退,保障预期使用寿命的达成,成为动力电池系统管理的重要内容,是保障新能源汽车市场活力和健康可持续发展的关键,是树立新能源汽车市场信心的基本要求。1.1 我国新能源汽车的发展规划

百年的汽车产业正在迎来有史以来最大的一场变革,统治汽车产业长达百年之久的内燃机体系正面临巨大的革新。为了抢占科技及市场的先机,全球各国争相布局电动车辆技术,积极推动新能源汽车产业的投入和扩大。

我国早在20世纪60年代开始试制电动汽车,但是有碍于当时技术条件及社会环境的限制,只是进行尝试性制造,并未在技术上有所突破。直到1992年,“八五”科技攻关项目“电动汽车总体设计”获批立项,我国电动汽车产业研发才正式开始。“十五”期间,我国开始对电动汽车技术进行大规模有组织的研究开发。2001年,国家863计划“电动汽车”重大科技专项确立了以混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车为“三纵”,以多能源动力总成控制系统、驱动电机和动力电池为“三横”的电动汽车“三纵三横”研发布局,全面启动大规模电动汽车技术研发,为我国电动汽车发展奠定了技术基础。“十一五”期间,我国组织了“节能与新能源汽车”重大项目,继续坚持“三纵三横”的总体布局,围绕“建立技术平台、突破关键技术、实现技术跨越”,“建立研发平台、形成标准规范、营造创新环境”和“建立产品平台、培育产业生态、促进产业发展”三大核心目标,全面展开电动汽车关键技术研究和大规模产业化技术攻关,并成功开展了“北京奥运”“上海世博”“深圳大运会”和“十城千辆”等示范推广工程。值得一提的是,2007年国家发改委正式公布了《新能源汽车生产准入管理规则》,首次提出了新能源汽车的概念,认为新能源汽车是指采用非常规的车用燃料作为动力来源(或使用常规的车用燃料、采用新型车载动力装置),综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术,形成的技术原理先进,具有新技术、新结构的汽车。该公告还将新能源汽车分为混合动力汽车(Hybrid Electric Vehicle,HEV)、纯电动汽车(Battery Electric Vehicle,BEV)、燃料电池电动汽车(Fuel Cell Electric Vehicle,FCEV)、氢发动机汽车、其他新能源(如高效储能器、二甲醚)汽车等,标志着我国开始对新能源汽车的生产企业及产品实施管理和准入制度。

关键零部件技术、整车集成技术和公共平台技术的攻关与完善、深化与升级,形成“三横三纵三大平台”战略重点与任务布局。专项指出,突破动力电池瓶颈是主要任务,还要突破动力电池、电机和电控三个核心技术并实现自主化。2015年,新能源汽车纳入《中国制造2025》,并明确了2026年动力电池的能量密度将达到350W·h/kg的目标。同年,习近平总书记在巴黎气候大会上代表中国所做的减排承诺体现在“十三五”规划及具体行动计划中。

2016年11月,国务院正式发布《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》,再一次明确了新能源汽车、新能源和节能环保等绿色低碳产业的战略地位。要求大幅提升新能源汽车和新能源的应用比例,全面推进高效节能、先进环保和资源循环利用产业体系建设,推动新能源汽车、新能源和节能环保等绿色低碳产业成为支柱产业,到2020年,产值规模达到10万亿元以上。作为“十三五”规划中的八大任务之一,新能源汽车发展是国务院关注的重中之重。规划中要求实现新能源汽车的规模应用,并全面提升电动汽车的整车品质与性能。此外,“十三五”规划还明确要求大力推进动力电池技术研发,着力突破电池成组和系统集成技术,推进动力电池梯次利用,并强调开展新能源汽车动力电池提升工程,完善动力电池研发体系,突破高安全性、长寿命、高能量密度锂离子电池等技术瓶颈。由此可见,我国正在不断深入推进动力电池在电动汽车领域的应用发展,努力完善动力电池管理的品质,进而促进汽车产业由大国到强国的成功转型。1.2 动力电池及管理系统的应用要求

电动汽车的整车性能很大程度上取决于动力电池及其管理系统的性能。为了满足电动汽车的动力性、安全性、经济性以及环境友好性,车用动力电池系统应当满足以下应用要求:

①比能量高。提高动力电池的比能量能够大大改善目前电动汽车续驶里程较短的弱点,同时也有助于减少整车的质量和体积。

②比功率大。提高动力电池的比功率能够有效改善电动汽车的整车动力性,使其获得优异的加速性能。

③使用寿命长。电动汽车50%左右的成本来源于动力电池,因此延长动力电池的使用寿命能够大大降低动力电池的使用和维护成本,从而降低整车的成本。

④安全性高。能够有效降低因漏液、短路、碰撞等引起的车辆起火爆炸等危险事故的发生概率。

⑤可靠性高。提升动力电池应对复杂工况的适应能力,能够有效防止动力电池因工作环境剧烈变化、人为操作失误而导致的电池特性突变。

⑥高低温性能好。对于车辆运行环境的改变具有很强的适应能力,能够在较宽的温度变化区间内正常工作。

⑦自放电率低。低的自放电率能够降低动力电池在日益老化过程中的容量衰退速率,延长动力电池的使用寿命。

⑧价格低廉。降低动力电池的成本能够有效降低整车成本,提升电动汽车的产品竞争力。

⑨绿色环保。绿色环保的动力电池有助于动力电池回收再利用机制的规范化,防止动力电池对环境造成二次污染。

目前,商品化的电动汽车动力电池可根据其容量的大小和输出功率的高低划分为三类:能量型动力电池、功率型动力电池和能量/功率兼顾型动力电池。

①能量型动力电池通常具有较大的容量,并且可持续供给能量,常用于纯电动汽车和混合动力汽车。这类动力电池的总能量在整车能源配置中占有较大的比例,通常超过10kW·h。这样不仅有利于回收车辆制动反馈的能量,也可以增加车辆的纯电动续驶里程,降低污染物的总排放量。

②功率型动力电池的容量一般较小,可以满足瞬间大功率供电,常用于轻度混合动力汽车。这类动力电池主要用于吸收制动回馈的能量,同时为车辆起动、加速工况提供瞬间的额外能量。

③能量/功率兼顾型动力电池能量密度高,具备低电量区间的大功率输出能力和高电量区间的大功率接受能力,并且具有高能量、大功率兼顾的特性,常用于插电式混合动力汽车(Plug-in Hybrid Electric Vehicle,PHEV)。

具体来说,不同类型的电动汽车具有不同的构型和工作模式,对动力电池的工作要求也不尽相同。下面分别介绍纯电动汽车、混合动力汽车和插电式混合动力汽车对车用动力电池的具体要求。1.2.1 纯电动汽车

BEV是指利用动力电池作为储能动力源,通过动力电池向电机提供电能,驱动电机运转,从而推动汽车前进的一种新能源汽车。BEV的可行驶里程完全取决于动力电池的容量大小。动力电池的容量越大,整车的续驶里程就越长,但是动力电池的体积和重量也随之增大。因此,BEV需要根据设计目标、道路情况和行驶工况的不同来选择相应的动力电池,具体要求可归纳如下:

①动力电池组应具备足够的能量和容量,确保电池组连续放电的[1]倍率一般不超过1C,峰值放电一般不超过3C。对于可回馈制动能量的纯电动汽车,电池组必须可以承受5 C的脉冲充电电流。

②动力电池在深度放电时尽可能不影响到使用寿命,必要时可以支持满负荷甚至全负荷放电。

③需要配备动力电池管理系统(Battery Management System,BMS)以便反馈和控制电池组的实时状态,确保动力电池组的安全性和高效性。

④由于动力电池组的体积和质量较大,电池箱的空间布置和安装都需要进行有针对性的研究和设计。1.2.2 混合动力汽车

HEV是将传统内燃机系统与电力推进系统相结合的一种能源混合式的新能源汽车。一般来说,动力电池是HEV中电力推进系统的主要能量源。因此,在HEV的开发过程中,动力电池的相关设计同样需要经过详细且严谨的考虑。

一般来说,HEV不需配备容量太大的动力电池,但需要满足整车的瞬间大功率需求,即实现“小电池提供大电流”。与BEV不同,HEV存在串联式、并联式和混联式三种不同的结构形式,因此相对应的动力电池设计要求也有所不同。

①串联式HEV通常由发动机、发电机和动力电池组共同供能,动力电池的荷电状态(State of Charge,SOC)常处于较高的水平。因此,整车对动力电池的要求近似于BEV,但是动力电池的容量规格要求相对较小。

②并联式HEV的发动机和电机均可直接提供驱动力,不同的动力组合可以满足整车不同的功率需求。因此,整车可以采用容量较小的动力电池,但是电池的最大放电电流要求达到20C以上,以满足车辆加速或爬坡的瞬间大功率需求。

③混联式HEV并非单纯的串联式结构或并联式结构,而是由串联式结构与并联式结构复合而成的综合式结构,兼备了类似于串联式HEV和并联式HEV的所有工作模式。因此,需要根据实际情况综合考虑串联式HEV和并联式HEV的动力电池设计要求。

尽管不同类型的HEV对动力电池的工作要求各不相同,但归纳起来仍然存在一些共性的要求:

①动力电池的峰值功率(State of Power,SOP)应足够大,可以满足车辆短时间内大功率充放电需求。

②动力电池的使用寿命应尽可能长,至少满足约1000次的深度放电循环和40万次的浅度放电循环。

③动力电池的SOC应尽量保持在50%~85%的范围之内。

④需要配备BMS以便控制和反馈电池组的实时状态,确保动力电池组的安全性和高效性。1.2.3 插电式混合动力汽车

PHEV是一种可以通过插电形式充电的混合动力汽车,同时兼有纯电动和混合动力两种模式,可以简单理解为纯电动汽车和传统混合动力汽车的融合。这类汽车通常要求在纯电动模式下的行驶里程能够达到几十千米,在混合动力模式下能够满足高速公路行驶,并且具备低SOC区间下的大功率输出能力。因此,PHEV动力电池的能量密度要求接近于BEV,而功率密度要求接近于HEV。事实上,由于PHEV的动力电池要求较高,其售价一般高于BEV和HEV。1.2.4 相关研发指标

国家“十三五”重点规划明确了动力电池及其管理系统的相关指标,科技部2017年12月发布的《“新能源汽车”重点专项2018年度项目申报指南》中明确指出:

1.新能源乘用车

动力电池及其管理系统的设计需要满足高安全和高比能,要求动力电池系统的比能量≥210W·h/kg,循环寿命≥1200次[80%放电深度(Depth of Discharge,DOD),模拟全年气温分布],全寿命周期、宽工作温度范围内SOC、SOP和健康状态(State of Health,SOH)的估计误差绝对值≤3%,电池单体之间的最大温差≤2℃,快速充电至80%以上SOC状态所需时间≤1h,满足安全性等国标要求和宽温度使用范围要求,并符合ISO 26262 ASIL-C功能安全要求及行业标准要求,成本≤1.2元/W·h,完成热失控和热扩散事故致灾分析和危害评测,建立基于整车一体化的电池系统的设计、制造与测试规范。

2.电动客车

动力电池及其管理系统的设计需要满足高安全和长寿命,要求动力电池系统的比能量≥170W·h/kg,循环寿命≥3000次(80%DOD,模拟全年气温分布),全寿命周期、宽工作温度范围内SOC、SOP和SOH估计误差绝对值≤3%,电池单体之间的最大温差≤2℃,快速充电至80%以上SOC状态所需时间≤15min,满足安全性等国标要求和宽温度使用范围要求,并符合ISO26262 ASIL-C功能安全要求及行业标准要求,确保单体热失控后30min内系统无起火爆炸,成本≤1.2元/W·h,完成热失控和热扩散事故致灾分析和危害评测,建立基于整车一体化的电池系统的设计、制造与测试规范。1.3 动力电池

在电动汽车领域,动力电池主要负责提供整车动力。随着动力电池技术的不断革新,动力电池的种类也日渐繁多。作为电动汽车的核心部件,动力电池性能的优劣将直接影响到整车的安全性、经济性和动力性。1.3.1 动力电池的发展背景

动力电池本质上是一种可充电电池,其发展历史最早可追溯到19世纪。1859年,法国科学家Gaston Planté发明了世界上第一个可充电电池——铅酸蓄电池。该电池以硫酸为电解液、以铅为阳极、以二氧化铅为阴极,其化学反应可以通过施加反向的电流而反转,从而实现电池充电。1899年,瑞典科学家Waldemar Jungner发明了另一种可充电电池——镍镉电池。与铅酸蓄电池不同的是,镍镉电池由浸泡在氢氧化钾溶液中的镍和镉电极组成,是世界上第一个使用碱性电解液的电池。在发明镍镉电池的同年,Waldemar Jungner还发明了另一种可充电电池——镍铁电池。然而,当时的镍铁电池在充电的过程中会产生大量的氢气,难以密封且效率低下,Waldemar Jungner一直没有对此申请专利。1903年,美国的Thomas Edison将镍铁电池的设计注册专利并开始销售,希望将镍铁电池轻量化和商业化,从而替代当时的铅酸蓄电池成为早期汽车的能量源。然而,人们很快发现当时的镍铁电池寿命短且容易泄漏,性能不如铅酸蓄电池。尽管Thomas Edison在随后几年继续坚持对镍铁电池进行改进,但仍然难以扭转当时廉价可靠的汽油机汽车风靡世界的潮流。直到20世纪70年代,锂离子电池和镍氢电池相继问世,电池的研发生产周期开始大大缩短。在随后的数年,电池在材料、结构和工艺等方面不断地得到改进,电池的各方面性能也飞速地提高。截至目前,电池的技术较以前有了很大的进步,且逐渐应用于航空航天、国防军事、交通运输以及电子移动设备等领域。

在电动汽车领域,动力电池是车辆动力的能量来源。早期的电动汽车续驶里程短,整车质量大,动力性能也难以达到内燃机汽车的水平,总之是动力电池技术的制约。铅酸蓄电池是近代发展最为成熟的一种动力电池,其能量密度为30W·h/kg,循环寿命约为300次,性能稳定,可靠性好且价格低廉。然而,汽油的能量密度达到10000W·h/kg以上,约为铅酸蓄电池的300倍。这意味着装备铅酸蓄电池的电动汽车需要极大地牺牲空间并且增加整车质量才能换取相同的续驶表现。因此,铅酸蓄电池已经逐渐被其他类型的动力电池所替代。此外,铅酸蓄电池在生产加工和回收利用的过程中会产生大量的铅排放,造成不可逆转的环境破坏,严重违背了电动汽车发展的初衷。镍镉电池是另一种早期的动力电池。与铅酸蓄电池相比,镍镉电池的能量密度和循环寿命分别提高到50W·h/kg和500次,并且具有更高的电流密度。但镉金属的毒性巨大,所造成的环境污染更为严重,因此难以应用于电动汽车领域。另外,镍镉电池还具有较强的记忆效应,在不完全充放电的情况下会出现容量的暂时性减少,导致续驶能力下降,难以满足电动汽车的使用要求。镍氢电池是一种污染较少的动力电池,其能量密度达到60~80W·h/kg,综合表现均优于上述两种电池,并且具有良好的低温特性。因此,在20世纪90年代,镍氢电池被批量应用于丰田、本田、福特、雪佛兰等大型汽车品牌旗下的混合动力车型。然而,镍氢电池并未完全消除记忆效应,同时还存在充电发热严重、大电流充电性能较差等一系列新的问题。与之相比,锂离子电池无记忆效应,具有更高的能量密度和功率密度,可使车辆电池组的重量下降40%~50%,体积减小20%~30%,并且在循环寿命、自放电率以及环境友好等方面的表现均优于上述三种电池。因此,锂离子电池已经成为电动汽车的首选动力电池。

总结目前锂离子动力电池的优势,主要体现在以下方面:

①工作电压高。锂离子动力电池的工作电压是镍氢电池和镍镉电池的3倍,可达到3.6V。

②比能量高。锂离子动力电池的比能量是镍镉电池的4倍,达到镍氢电池的2倍,约为200W·h/kg。

③循环寿命长。目前锂离子动力电池的循环寿命次数已达到2000次以上,在低放电深度下可达几万次,超过了上述三种动力电池的水平。

④自放电率低。锂离子动力电池的自放电率仅为6%~8%(每月),远低于镍镉电池(25%~30%)和镍氢电池(15%~20%)。

⑤无记忆性。锂离子动力电池可以根据需求随时充放电而不会降低性能。

⑥环境友好。锂离子动力电池中不存在有害物质,属于无污染电池。

⑦体积灵活。锂离子动力电池容易满足电动汽车动力电池系统的布置要求。1.3.2 锂离子动力电池的原理与分类

锂离子动力电池主要由正极、负极、正负极之间的隔膜、锂盐电解液、正温度系数(Positive Temperature Coefficient,PTC)元件以及安全阀组合而成。

①正极通常具备接纳锂离子的位置和扩散路径,很大程度上决定着动力电池的整体性能。目前最为常见的正极材料有钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂以及由多种金属氧化物构成的三元材料(通常为镍钴锰、镍钴铝)等。

②负极活性物质通常是由碳材料、黏合剂以及有机溶剂调和制成的糊状物质,涂覆在铜基上,呈薄层状分布。此外,部分新型的快速充电电池采用钛酸锂(LiTiO)作为负极材料。4512

③隔膜用于隔绝正负极之间的电子通过,且只允许锂离子通过,一般使用聚乙烯或聚丙烯材料的微多孔膜制成。

④电解液负责传送离子,通常为混有有机溶剂的高电容率锂盐电解液。电解液对于活性物质具有化学稳定性,必须能够良好适应充放电反应过程中发生的剧烈的氧化还原反应。

⑤为了保证使用安全,锂离子动力电池的内部一般设有异常电流的切断装置,通常为PTC元件。即使这样,在使用过程中仍然可能出现动力电池内压的异常上升。针对这一情况,安全阀的设置能够有效释放高压气体,防止动力电池破裂。

图1-1所示为锂离子动力电池的基本结构与工作原理示意图,其正负极都浸泡在电解液中。锂离子动力电池的充放电是通过锂离子在正负极柱之间的嵌入与脱出过程实现的。当电池充电时,锂离子从电池正极极柱脱离进入电解液,由于电解液内锂离子在正负极附近存在较大浓差,驱使着它向负极移动,穿过隔膜最终嵌入负极。与此同时,外电路的电子由正极向负极移动形成电流,从而实现充电过程,即负极得到电子发生还原反应,正极失去电子发生氧化反应。放电过程与之相反,锂离子由负极脱出向正极移动并嵌入正极,外电路电子也从负极经过负载向正极移动,驱动车辆工作,实现放电过程,即负极失去电子发生氧化反应,正极得到电子发生还原反应。锂离子电池在第一次充电时,负极附近电解质与电极之间会自然地形成一层固态界面膜,俗称固体电解质界面(Solid Electrolyte Interphase,SEI)膜,其形成的最初目的是保护负极不被腐蚀、防止负极与电解液发生还原反应。然而,随着时间的推移,SEI膜不断地增厚或者溶解,导致可用于循环的锂离子和活性物质不断减少。因此,SEI膜的物化改变成为电池容量衰退的主要原因。图1-1 锂离子动力电池的基本结构与工作原理示意图a)充电 b)放电

锂离子动力电池的正负极材料、电解液材料以及生产工艺上的差异使得电池呈现出不同的性能,并且有着不同的名称。目前,市场上的锂离子动力电池常根据正极材料来命名。例如,最早商业化的锂离子电池采用氧化钴锂(LiCoO)作为正极材料,因此被称为钴酸锂电池;2采用氧化锰锂(LiMnO)、磷酸铁锂(LiFePO)作为正极材料的电池,244分别被称为锰酸锂电池和磷酸铁锂电池。此外,采用三元材料镍钴铝酸锂和镍钴锰酸锂作为正极材料的电池,分别被称为镍钴铝三元锂离子电池和镍钴锰三元锂离子电池。

常见的锂离子动力电池的英文缩写、正极材料化学式及性能特点见表1-1。从表中可以看出,钴酸锂电池和锰酸锂电池的热稳定性能较差,很少用于电动汽车。相比之下,磷酸铁锂电池和三元锂电池的安全性能更好,因此被广泛应用于电动汽车的动力电池领域。表1-1 常见的锂离子动力电池的英文缩写、正极材料化学式及性能特点1.3.3 磷酸铁锂锂离子动力电池

1996年,德克萨斯大学教授John B.Goodenough的团队在论文中首次提出磷酸铁锂可以作为可充电锂离子电池的正极材料。此后,磷酸铁锂电池凭借其成本低、无毒性、铁元素的天然丰富性以及优秀的热稳定性、安全性、电化学特性获得了广泛的关注,其内部结构简图如图1-2所示。左边是橄榄石型结构的磷酸铁锂作为电池的正极,由铝箔与电池正极连接;中间是聚合物的隔膜,负责将正极与负极隔开,+-)只允许锂离子(Li)通过而不允许电子(e通过;右边是由碳组成的电池负极,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,整体由金属外壳密闭封装而成。磷酸铁锂动力电池充放电的化学过程如下。

正极反应:

负极反应:

总反应:

一般来说,磷酸铁锂动力电池的标称电压为3.2V,充电截止电压约为3.6V,放电截止电压约为2.0V。由于各个生产厂家采用的正、负极材料及电解质材料的质量及工艺不同,其性能上会有些差异。相关数据表明,对于同一种型号(同一种封装)的标准电池,其容量差异最大可达10%~20%。事实上,磷酸铁锂动力电池的容量可以分成3类:小型电池的容量为零点几到几安时,中型电池的容量为几十安时,大型电池的容量为几百安时。不同类型电池的同类参数也有一些差异。图1-2 磷酸铁锂动力电池的结构简图

磷酸铁锂动力电池的优点主要体现在以下方面:

①安全性好。磷酸铁锂动力电池不会因内部或外部受损而燃烧或爆炸,大大降低了电动汽车在行驶过程中发生危险事故的概率。

②成本低。用于制造磷酸铁锂的化学原料资源丰富且容易获得。

③循环性能优异。磷酸铁锂动力电池在经过500次充放电循环后仍能维持在出厂容量的95%左右。

④高效率输出,充放电特性好。磷酸铁锂动力电池的标准放电倍率为2C~5C,连续高电流放电倍率可达10C,瞬间脉冲放电(10s)倍率可达20C。支持大电流快速充放电,无记忆效应,即使亏电存放也能保持较好的电池性能。

⑤环境友好。磷酸铁锂动力电池在制造过程中涉及的所有原料都无毒环保,因此在生产与使用中不会对环境造成污染。

⑥温度特性良好。磷酸铁锂动力电池不仅在常温下具有良好的电池特性,还可以在高温环境下维持完好的结构。例如,在外部温度为65℃的情况下,电池内部温度可达95℃,而放电结束时的温度高达160℃,但此时动力电池仍然能够保持安全和结构完好。

⑦过放电特性安全、稳定。磷酸铁锂动力电池即使过放电到0V,也不会出现损坏和重大安全事故。

虽然磷酸铁锂动力电池的优势明显,但仍然存在一些不足。例如,3这类电池的压实密度很低,通常只能达到1.0~1.4g/cm,这就使得动力电池的比表面积和体积较大,能量密度较低,从而影响电动汽车的轻量化和空间利用率。

目前,磷酸铁锂动力电池被广泛应用在新能源商用车和部分新能源乘用车上。磷酸铁锂动力电池在新能源乘用车的部分应用情况见表1-2。表1-2 磷酸铁锂动力电池在新能源乘用车的部分应用情况(按生产厂商首字母排序)1.3.4 三元锂离子动力电池

三元锂离子动力电池是指以三元复合材料作为正极材料的锂离子动力电池,是近年来开发的一种新型的锂离子动力电池。最为常见的三元锂离子动力电池是以LiNiCoMnO作为正极材料的镍钴锰三1-x-yxy2元锂离子动力电池。镍、钴、锰三种元素的构成比例可在一定范围内调整,并且影响着电池的性能。根据镍、钴、锰三种元素构成比例的不同,镍、钴、锰三元锂离子动力电池可细分为333、523、811等多种体系。由于协同效应的作用,镍钴锰复合材料的电化学性能优于任何单一组分的层状氧化物,能够较好地弥补各自的不足。钴元素能够有效地抑制离子混排,稳定材料的层状结构,提高材料的电导率;镍元素能够保证材料的高容量;锰元素不参与电化学反应,主要负责稳定结构,提高材料的安全性。这类动力电池能够有效克服钴酸锂材料的成本过高、锰酸锂材料的稳定性差以及磷酸铁锂材料的容量过低等问题,结合了钴酸锂离子电池和锰酸锂离子电池的优点,因此逐渐受到汽车生产厂商和用户的广泛关注。值得一提的是,镍钴锰三元锂离子动力电池的原料中含有一种价格波动较大的贵金属——钴。钴的价格波动将直接影响钴酸锂的价格。当钴处于价格高位时,镍钴锰三元材料的价格大大低于钴酸锂,具有较强的市场竞争力;但当钴处于价格低位时,镍钴锰三元材料的成本优势将大大减小。

镍钴锰三元锂离子动力电池的优点主要体现在以下方面:

①能量密度高。镍钴锰三元锂离子动力电池的比容量高,可达到145mA·h/g以上,制作成18650型电池的容量可达到3A·h以上。

②循环性能较好。镍钴锰三元锂离子动力电池的循环性能较好,电池容量通常在超过500次循环以后才会降至出厂容量的80%。

③极片压实密度高。镍钴锰三元锂离子动力电池的极片压实密度3可达到3.4g/cm以上。

④电压平台较高。镍钴锰三元锂离子动力电池具有较高的电压平台,1C倍率放电的中值电压可达3.66V左右,在4C倍率放电的中值电压在3.6V左右。

⑤镍钴锰三元锂离子动力电池的晶体结构理想,高低温性能优越,且自放电率低。

镍钴锰三元锂离子动力电池凭借着高能量密度的优势得到广泛应用。然而,这类动力电池也并不是毫无缺陷的。例如,镍钴锰三元锂离子动力电池的制备过程相对复杂,其安全性能相对较差,所含的镍钴元素将会造成环境污染等。

目前,三元锂离子动力电池被广泛应用于新能源乘用车领域。三元锂离子动力电池在新能源乘用车的应用情况见表1-3。表1-3 三元锂离子动力电池在新能源乘用车的部分应用情况(按生产厂商首字母排序)(续)1.4 动力电池管理系统

BMS是以某种方式对动力电池进行管理和控制的产品或技术。典型的电动汽车动力电池组管理系统的工作原理如图1-3所示。BMS由各类传感器、执行器、固化有各种算法的控制器以及信号线等组成。其主要任务是确保动力电池系统的安全可靠,提供汽车控制和能量管理所需的状态信息,而且在出现异常情况下对动力电池系统采取适当的干预措施;通过采样电路实时采集电池组以及各个组成单体的端电压、工作电流、温度等信息;运用既定的算法和策略估算电池组SOC、SOH、SOP以及剩余寿命(Remaining Useful Life,RUL)等,并将参数输出到电动汽车整车控制器,为电动汽车的能量管理和动力分配控制提供依据。图1-3 典型的电动汽车动力电池组管理系统的工作原理1.4.1 BMS的基本功能

BMS的主要功能有数据采集、状态检测、安全保护、充电控制、能量控制管理、均衡管理、热管理以及信息管理等。

1.数据采集

动力电池在电动汽车中的工作环境及状况十分复杂。电动汽车需要适应复杂多变的气候环境,这意味着动力电池的运行需要常年面对复杂多变的温湿度环境。此外,随着路况和驾驶人操纵方式的改变,动力电池需要时刻适应急剧变化的负载。为了准确获取动力电池的工作状况,更好地实施管理对策,BMS需要通过采样电路实时采集电池组以及各个组成单体的端电压、工作电流、温度等信息。

2.状态监测

动力电池是一个复杂的非线性时变系统,具有多个实时变化的状态量。准确而高效地监测动力电池的状态量是电池及成组管理的关键,也是电动汽车能量管理和控制的基础。因此,BMS需要基于实时采集的动力电池数据,运用既定的算法和策略进行电池组的状态估计,从而获得每一时刻的动力电池状态信息,具体包括动力电池的SOC、SOH、SOP以及能量状态(State of Energy,SOE)等,为动力电池的实时状态分析提供支撑。

3.安全保护

动力电池安全保护功能主要指动力电池及其成组的在线故障诊断及安全控制。动力电池的在线故障诊断是指通过采集到的传感器信号,采用诊断算法诊断故障类型。动力电池管理需要诊断的故障通常包括过电压(过充电)、欠电压(过放电)、烟雾、过电流、超高温、短路故障、接头松动、绝缘能力降低以及电解液泄漏,还涉及传感器、执行器以及控制器等电子元器件的故障。在诊断出故障类型后,BMS需要进行早期预警,并尽可能采取相应的措施进行及时干预,以保证电动汽车的行驶安全。

4.充电控制

动力电池的充电过程将直接影响到电池的寿命和安全。因此,BMS通常需要集成一个充电管理模块,根据动力电池的实时特性、温度高低以及充电机的功率等级,控制充电机给电池进行安全充电。

5.能量控制管理

由于电动汽车的行驶工况十分复杂,急加速、急制动、上下坡等驾驶操作的随机触发将造成复杂多变的动态负载。为了保证车辆安全、经济地运行,BMS需要根据采集到的动力电池数据和实时状态信息,合理控制动力电池的能量输出以及再生制动的能量回收。若电动汽车装有复合电源,BMS还需根据复合电源各自的状态信息优化分配动力电池的能量,以保证复合电源的最佳性能。

6.均衡管理

由于生产工艺、运输储存以及电子元器件的误差积累,动力电池单体之间难免存在不一致性。为了充分发挥电池单体的性能,保证电池组的使用安全,BMS需要根据动力电池单体的信息,采取主动或被动的均衡方式,尽可能降低动力电池单体在使用过程中的不一致性。

7.热管理

动力电池在正常工作中不仅受环境温度的影响,还受自身充放电产热的影响。因此,BMS需要集成电池热管理模块。它可以根据电池组内温度分布信息及充放电需求,决定主动加热/散热的强度,使得动力电池尽可能工作在最适合的温度,充分发挥动力电池的性能,延长动力电池的使用寿命。

8.信息管理

BMS需要集成多个功能模块,并合理协调各模块之间的通信运行。由于运行的数据量庞大,BMS需要对动力电池的运行数据进行处理和筛选,储存关键数据,并保持与整车控制器等网络节点进行通信。随着大数据时代的发展,BMS还需要与云端平台进行实时交互,以更好地处理动力电池的管理问题,提高管理品质。1.4.2 BMS的拓扑结构

设计电动汽车时,通常需要满足一定的加速能力、爬坡能力和最高车速等动力性指标,若只配备单个动力电池单体作为能量源是远远无法达到要求的。因此,工程上通常将动力电池单体进行串并联成组,以满足车辆设计的技术要求。例如,特斯拉Model S电动汽车采用松下公司制造的NCA系列18650镍钴铝三元锂离子动力电池,单体的标称容量为3100mA·h,全车共采用了7000多个电池单体进行串并联成组,最终组成一个动力电池包,并安置于车身底板。面对大规模的动力电池管理问题,BMS的拓扑结构非常重要。

BMS的拓扑结构直接影响系统成本、可靠性、安装维护便捷性以及测量准确性。一般情况下,电池监测回路(Battery Monitoring Circuit,BMC)与电池组控制单元(Battery Control Unit,BCU)共同构成硬件电路部分。根据BMC、BCU与动力电池单体三者之间的结构关系,BMS可分为集中式拓扑结构和分布式拓扑结构。

集中式BMS拓扑结构中的BMC和BCU集成在单个电路板上,实现采集、计算、安全监控、开关管理、充放电控制以及与整车控制器通信等功能,一般应用于动力电池容量低、总压低、电池系统体积小的场合。集中式BMS拓扑结构如图1-4所示,所有动力电池单体的测量信号被集中传输到单个电路板。图1-4 集中式BMS拓扑结构

集中式BMS拓扑结构一般具有如下优点:

①高速的板内通信有利于保证数据的同步采集。

②结构紧凑,抗干扰能力强。

③成本较低,仅使用一个封装即可完成BMS的全部工作。

同时,集中式BMS拓扑结构也存在以下缺点:

①容易造成大量复杂的布线。

②当系统的不同部分发生短路和过电流时难以保护电池系统。

③考虑到高压安全问题,不同通道之间必须保留足够的安全间隙,最终导致电路板的尺寸过大。

④由于所有的组件都集中在单一电路板上,可扩展性和可维护性差。

与集中式拓扑结构不同,分布式BMS中的BCU与BMC是分开布置的,如图1-5所示。BCU主要负责故障检测、电池状态估计、开关管理、充放电控制以及与整车控制器通信;BMC则用于实现电池单体电压、电流和温度的采集以及安全性和一致性的管理。BCU和BMC之间通过CAN总线连接,任何BMC都可以与BCU通信。此外,每一块BMC电路板都属于CAN总线的一个节点,且单独与对应的动力电池单体建立连接。因此,BMC与BMC之间同样可以建立通信。

分布式BMS拓扑结构一般具有如下优点:

①采集与计算功能分离,故障排查容易,计算效率高。

②极大简化了系统的结构,布置位置灵活,适用性好。

③可扩展性更强,若想要增加或减少管理的电池数量,只需要在相应电池附近布置或移除BMC电路板,再将它与预留的CAN总线接口相连或解开即可。

同时,分布式BMS拓扑结构也存在以下缺点:

①部件增多,增加了电路板数量和安装、调试与拆解的步骤。

②通信网络设计要求高,易形成网络延时,影响采集数据的同步性。

目前,分布式BMS拓扑结构在电动汽车领域中的应用最为广泛。例如,特斯拉Model S、宝马i3、荣威eRX5以及比亚迪秦等商业化电动汽车均采用了这类结构。图1-5 分布式BMS拓扑结构1.4.3 BMS的开发流程

BMS的基本开发流程如图1-6所示。从图中可见,无论是动力电池的开发还是动力电池管理系统的开发,都是从整车的功率要求、能量要求以及其他设计要求出发,再进一步确定整车对动力电池及管理系统的具体要求。在动力电池的开发方面,首先需要对动力电池进行选型,并开展一系列的动力电池单体特性测试以及循环寿命测试,获取所选动力电池的性能特性,进而确定动力电池的成组方式,包括动力电池单体串并联的数量以及具体的布置形式。在BMS开发方面,首先需要进行选型,再确定系统拓扑结构以及需要满足的基本功能和指标(包括防水、防尘、抗振等)。在确定动力电池成组方式、BMS拓扑结构以及基本功能和指标后,可以有针对性地开展系统的安装固定等机械结构设计、电子元器件/电路板设计以及底层驱动和应用层算法设计。在完成系统开发之前,还需要对BMS进行不同类型的测试,以确保系统设计的完整性和安全性。图1-6 BMS的基本开发流程1.5 本章小结

本章主要围绕电动汽车的动力电池及管理展开,概述了我国新能源汽车及动力电池的发展历史和战略规划,梳理了纯电动汽车、混合动力汽车以及插电式混合动力汽车对动力电池及其管理系统的工作要求,并介绍了国家“十三五”新能源专项对动力电池及其管理系统的研发指标。本章回顾了动力电池的研究背景及现状,概述了锂离子动力电池的基本工作原理及分类,并详细介绍了电动汽车领域中两类主流的动力电池——磷酸铁锂动力电池和三元锂离子动力电池。在动力电池管理系统方面,本章从基本功能和拓扑结构的角度进行了详细的介绍,并介绍了动力电池管理系统的基本开发流程。[1] ㊀ 工程上常以 “倍率” 描述动力电池电流的大小,符号为。例如,对于一个额定容量为3A·h的动力电池,3C放电表示放电电流的数值是额定容量的3倍,即3×3=9A。第2章 动力电池测试

动力电池是一种典型的电化学系统,以动力电池管理系统研究和设计为目的建立的动力电池测试方案属于实验科学的范畴。为了获取动力电池在不同环境和工况下的工作特性以开展动力电池精确建模,开发高性能的BMS,需要设计并实施一系列有针对性的动力电池测试。测试方案以及实验数据质量的好坏将直接影响动力电池特性分析的合理性与完整性,进而影响动力电池模型的准确性和可靠性,最终影响BMS的控制性能。本章将重点叙述动力电池及其系统测试平台建设、测试方法体系设计、数据分析和动力电池基本实验特性概述等。2.1 动力电池系统测试平台

动力电池系统测试平台主要包括动力电池充放电性能测试设备、频域-阻抗特性测试设备、环境模拟设备以及连接装置等。2.1.1 充放电性能测试设备

充放电性能测试设备通过加载特定的测试程序或车用工况,可以获得动力电池的电压、功率、容量、能量、内阻/阻抗、温度以及这些量的衍生和计算表达,从而考察所测试动力电池是否满足电动汽车对动力电池系统的要求。从1987年美国Arbin公司推出第一台计算机控制的动力电池测试系统以来,动力电池充放电设备从手动分选测试到自动化、数字化测试,各方面都有了飞速发展。该领域的国外知名公司除美国Arbin外,还有美国MACCOR公司、日本日置株式会社、德国迪卡龙公司等企业。我国主要的生产企业有武汉蓝电电子有限公司、深圳新威尔电子有限公司、宁波拜特以及哈尔滨子木科技有限公司等。根据市场反应,进口设备因为发展较早,设备进行了持续更新和改进,测试精度、测试系统稳定性和售后较国产设备优势明显,而且测试范围和功能较为广泛,但设备价格昂贵。

本书数据全部来源于北京理工大学AESA测试平台,主要使用了Arbin-BT2000动力电池单体和系统测试设备,包括三台单体测试设备和两台系统测试设备。Arbin-BT2000实物图及工作界面如图2-1和图2-2所示,设备参数和特征见表2-1和表2-2。

另一方面,合适的电池夹具也是保证动力电池性能测试顺利进行的重要因素。考虑到部分动力电池在充放电过程中会积累过多的副反应产物(尤其是气体),这会引起动力电池的膨胀和鼓包等现象,进而影响到动力电池的电性能和安全。所以在进行测试前,需要给动力电池安装特定的夹具。图2-3所示为某方形动力电池的夹具。此外,由于圆柱形动力电池难以直接与充放电设备连接,也需用特制夹具对其进行固定。图2-4所示为某圆柱形动力电池的夹具。图2-1 Arbin-BT2000实物图图2-2 Arbin-BT2000工作界面表2-1 Arbin-BT2000动力电池单体测试设备的参数和特征表2-2 Arbin-BT2000动力电池系统测试设备的参数和特征图2-3 某方形动力电池的夹具图2-4 某圆柱形动力电池的夹具2.1.2 频域-阻抗特性测试设备

频域-阻抗特性测试设备用于测量动力电池在一定频率范围内、不同频率下的交流阻抗,即电化学阻抗谱(Electrochemical Impedance Spectroscopy,EIS)。通常由电化学工作站完成。Zahner IM6型电化学工作站如图2-5所示,其具体参数和特征见表2-3。电化学工作站Zahner IM6能够测试10μHz~8MHz频率范围内动力电池的交流阻抗,并具有高输入阻抗、大电流激励的功能,最大激励电流可扩展至100A。主控计算机安装MITS Pro软件和Thales软件,分别用于操控Arbin-BT2000测试仪和Zahner IM6电化学工作站开展动力电池的相关测试,具有设计测试程序、加载测试工况、储存测试数据等功能。电化学阻抗谱测试界面如图2-6所示。图2-5 Zahner IM6型电化学工作站表2-3 Zahner IM6型电化学工作站的参数和特征图2-6 电化学阻抗谱测试界面2.1.3 环境模拟设备

环境温湿度等条件对动力电池内阻、容量和充放电特性均有显著影响。为了模拟动力电池不同的应用环境,以研究温湿度对动力电池特性的影响,需要采用温湿度实验箱控制环境参数。本书测试使用的某型号可程控式温湿度三层实验箱如图2-7所示。该实验箱采用工业微电脑控制系统,适用于对各类汽车部件、电子电工零件及其他产品进行高低温恒定、渐变和湿热等环境模拟实验。具体参数和特征见表2-4。图2-7 可程控式温湿度三层实验箱表2-4 可程控式温湿度三层实验箱的参数和特征2.1.4 动力电池测试平台

为完成动力电池的综合测试,基于上述动力电池实验设备,AESA搭建了图2-8所示的动力电池测试综合平台。该动力电池测试平台原理图如图2-9所示。图2-8 动力电池测试综合平台实物(见彩插)图2-9 动力电池测试平台原理图

在该动力电池测试平台中,主体采用主从式两级控制结构,由上位机和下位机组成。上位机采用相关软件控制下位机完成各种动力电池测试,其中下位机包括动力电池充放电性能测试设备和电化学工作站,两者均通过连接线连接动力电池并分开轮流运行,分别测试动力电池的直流特性和交流特性;同时,为保证外部环境的稳定性和多变性,动力电池通常需要放置在温箱里进行实验,实现目标温湿度并保持恒定;采集模块则负责采集动力电池电压、电流、温度、阻抗等信号传输给上位机完成数据采集。该平台的搭建为动力电池的测试设计提供了硬件基础,也为本书动力电池管理系统核心算法的开发和验证提供了有力保障。

特别注意,本书中所使用的数据采样频率均为1Hz。2.2 动力电池测试流程

锂离子动力电池内部是一个十分复杂的电化学系统,其特性受到工作温度、湿度、老化状态、振动和外夹紧力等诸多因素的制约。为了对动力电池进行实时有效的管理,更精准地估算动力电池的SOC、SOH和SOP等状态,电池内部参数和外部工作环境相互之间的动态关系便显得尤为重要。本书第3章~第7章介绍了基于模型的动力电池状态估算方法以及低温加热和充电策略,这些算法的开发依赖于大量、有针对性的动力电池特性数据。因此,设计一套针对动力电池合理而完整的实验方案成为开发电池管理系统核心算法的首要任务。2.2.1 国内外测试标准介绍

常用的动力电池测试标准包括美国国家能源部发布的《PNGV电池测试手册》《USABC电动汽车电池测试手册》和《Freedom CAR寿命测试手册》,欧盟国际电工委员会发布的IEC 61690,日本发布的JIS-C-8711等。我国在动力电池测试方面也有专门的标准,如GB/T 18385—2016《电动汽车 动力性能 实验方法》和GB/T 18386—2017《电动汽车 能量消耗率和续驶里程 实验方法》等。上述各类标准提出了关于动力电池电压、容量、内阻、放电倍率、温度特性以及循环寿命等测试方法,为动力电池综合测试的设计提供了诸多可借鉴之处。2.2.2 BMS算法开发与实验设计

动力电池的SOC估计、SOH估计、SOP预测、RUL预测、低温加热和优化充电策略等算法是BMS的核心关键。在研发和设计全气候、全寿命的BMS中,动力电池的综合测试是精确获取其相关特性数据的最佳手段。

①静态容量测试是获取动力电池SOC基准值和SOH映射参数规律的基础,SOC定义为当前剩余容量与最大可用容量的比,SOH常被定义为最大可用容量与标称容量的比。通过最大可用容量的测试可以得到动力电池的静态容量,因此对SOC和SOH的估计意义重大;需要指出的是,在实际工况应用中,实时动态容量比静态容量更为重要,实时动态容量可以更好地反映动力电池工况中的SOC和SOH水平,但是动态容量精确在线估计具有较大挑战性。因此,定期进行静态容量标定成为一种可行途径。

②动力电池开路电压(Open circuit voltage,OCV)和SOC存在单调映射关系,并随着动力电池性能衰退而变化,测试研究OCV-SOC的映射规律对提高动力电池建模和SOC、SOH估计精度具有重要意义。

③动力电池的内阻是计算充放电过程中生热速率的关键参数。混合动力脉冲特性测试(Hybrid Pulse Power Characteristic,HPPC)可用于离线辨识动力电池模型参数,便于进行动力电池的SOP估计、低温加热和快速充电等研究。

④动态工况测试则可模拟动力电池在实车驾驶过程中真实的激励条件,对验证动力电池关键算法在实际工况中的应用性能具有重要作用。

⑤电化学阻抗谱既能分析动力电池的性能衰退过程以及表征老化状态,也能为动力电池的分数阶建模和低温加热策略设计提供数据支

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