醉染图书新能源汽车动力电池技术978756895

章 车用电池系统的整体安全考虑
1.1 研究背景
1.2 技术背景
1.2.1 遵循ISO26262标准的功能安全简介
1.2.2 汽车电池系统的结构
1.3 汽车电池系统的安全措施分类与应用
1.3.1 组织安全措施与技术安全措施
1.3.2 电池系统单元中的安全措施应用
1.4 概念阶段非E／E措施的考虑
1.5 结论
致谢
参考文献
第2章 电池碰撞安全的建模
2.1 引言
2.1.1 动机
2.1.2 电动汽车的特殊危险
2.1.3 可行的电池设计方法
2.2 汽车电池设计
2.2.1 电池模块和元件
2.2.2 安全关的设参
. 考虑电池的汽车结构设计过程
..1 标准方法和要求
..2 电池的碰撞测试和碰撞
2.4 电池的有限元模型
2.4.1 机械变形建模
2.4.2 材料和连接点失效的建模
2.4.3 电接触和泄漏的建模
2.5 结论
致谢
参考文献
第3章 热失控：单体电池的热失控成因和影响
3.1 引言
3.2 实验
3.2.1 实验台简介
3.2.2 测试方法
3.. 气体分析
3.2.4 单体成分辨识
3.2.5 锂离子电池单体
3.2.6 电学特
3.3 结果和讨论
3.3.1 热失控的典型过程
3.3.2 热失控试验
3.3.3 气体分析
3.4 结论
致谢
参考文献
第4章 与应用相关的电池建模：从经验建模到机理建模方法
4.1 引言
4.2 经验模型
4.3 等效电路模型
4.4 机理模型
4.4.1 电荷转移
4.4.2 离子转移
4.4.3 转移
4.4.4 多孔电极
4.4.5 嵌入
4.4.6 生热
4.4.7 电池老化
4.5 大尺度建模
4.5.1 热特
4.5.2 电特
4.5.3 分布式微结构建模
致谢
参考文献
第5章 锂锂离子电池老化研究分析方法
5.1 引言
5.1.1 锂离子电池的工作原理
5.1.2 锂锂离子电池的老化
5.1.3 锂离子电池研究
5.2 电池材料的提取
5.2.1 打开电池
5.2.2 电解质的提取
5.. 电极取样
5.3 电极的分析
5.3.1 X线光？
5.3.2 扫描显微镜（SEM）和能量色散X线光谱仪（EDX）
5.3.3 元素分析（ICP，TXRF）
5.3.4 拉曼光谱
5.4 隔膜分析
5.5 电解质的老化
5.5.1 气相色谱仪
5.5.2 离子色谱法
5.5.3 电感耦合等离子体发光谱仪（ICP—OES）／全反X线荧光分析（TXRE）
5.6 商用电解质的分解途径
5.7 定量测量
致谢
参考文献
第6章 锂锂离子电池参数估计的贝叶斯推论
6.1 简介
6.2 反问题：变无形为有形
6.2.1 简介
6.2.2 确定方法：线和线化模型
6.. 贝叶斯方法
6.2.4 马尔可夫链—方法（MCMC方法）
6.3 锂锂离子电池单体模型
6.4 参数的灵敏度
6.5 基于MCMC方法的统计反演
6.5.1 数据和先验分布
6.5.2 后验采样
6.5.3 参数的后变
6.5.4 统计效率
6.5.5 计算效率的说明
6.6 结论
致谢
参考文献
第7章 数据驱动方法设计电池SOC观测器
7.1 引言
7.2 数据驱动校准工作流程
7.3 荷电状态观测器设计
7.3.1 试验设计
7.3.2 数据驱动的电池建模
7.3.3 非线观测器设计
7.4 结论
致谢
参考文献

亚历山大·泰勒就读于拉茨技术大学和莱奥本大学电气工程专业，并在莱奥本大学获得电传动领域的博士。2005年起就职于麦格纳斯太尔公司，是锂离子电池系统产品研发团队的一员。从2009年开始，负责汽车电池系统的高级开发和概念阶段研发。2011年，他加盟虚拟车辆研究中心，目前是电池团队的带头人，负责协调相关研究工作。
丹尼尔·瓦兹尼格是格拉茨技术大学电气测量与测量信号处理研究所副教授。目前，他是格拉茨虚拟车辆研究中心的汽车和嵌入式软件部的总监和科学主管。他的研究领域集中在无损检测技术、汽车控制系统、传感器信号处理，不确定估计，鲁棒优化方法以及概率设计。
陈勇，2002年于北京理工大学车辆与交通工程学院，获车辆工程博士，2004年清华大学汽车工程系博士后出站，2005年德国克劳斯塔尔（TU-Clausthal）技术大学机械所访问学者。现任北京信息科技大学车辆工程系教授、硕士生导师，北京电动车辆协同创新中心学术带头人、兼职博士生导师，北京市属高校长城学者，主要研究方向为车辆系统动力学和新能源车辆动力系统与控制。

"译者的话汽车工业的快展，为人类提供了方便、舒适、快捷的现代生活。但是，随着传统燃油汽车保有量的不断增加引起了环境污染、石油资源短缺以及能源安全等问题。近年来，各主要和汽车制造商都在研发减缓或者替代对传统石油资源依赖的新能源汽车。2006年2月9日发布的《中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》将新能源汽车列为优先主题。2015年5月8日，正式印发了《》，将节能与新能源汽车作为大力推动的重点领域。2014年5月24日，在上海考察时强调，发展新能源汽车是中国从汽车大国迈向汽车强国的必由之路。截至2015年底，我国新能源汽车累计产销近50万辆，成为全球优选的新能源汽车市场。伴随电动汽车的快展，动力电池需求量将急剧增加。动力电池作为电动汽车的核心部件，电池技术和电池产业受到了越来越多重视，直接影响着电动汽车的动力、经济、安全、耐久和成本等。《汽车电池技术》以动力电池的安全和老化相关的问题为研究内容，涵盖了动力电池的安全、热失控、结构设计、建模、SOC估计和老化等方面研究的新理念和新方法，可以为动力电池研发提供参考，对电动汽车的推广普及具有重要意义。原书由Springer出版社出版。章从ISO26262整体系统安全角度出发，详细阐述整体安全概念。第2章结合电池结构及电池在碰撞中的安全要求，采用有限元法进行电池失效模式分析。第3章通过对热失控过程的测试，分析了不同正极材料对电池安全的影响。第4章进行了电池机理建模与，内容涵盖经验模型、等效电路模型、机理模型和大尺度模型。第5章从锂离子电池的电极、电解液和隔膜的老化分析对比入手，定量测量分析了电池老化的影响因素。第6章建立了锂离子电池模型，进行参数灵敏度分析，应用马尔可夫链采样方法完成的贝叶斯模型反演，实现电池模型参数的估计。第7章为克服传统物理建模的困难，提出了基于数据驱动方法进行SOC估计的非线观测器设计方法。在本书翻译的过程中，一直得到北京理工大学电动车辆工程实验室主任孙逢春教授的热情鼓励与悉心指导，在此表示感谢。方磊、孙国跃、郑阳、殷康胜、张骞、魏晓旭参加了本书的部分译稿整理工作，向他们表示感谢。此外，本书的翻译和审阅过程中，清华大学田光宇教授、边明远高工，中国农业大江发教授，学研究所高鑫研究员，北京理工大学苏岳锋副教授，北京信息科技大学赵理博士等提出了修改意见或建议，在此对他们的帮深表谢意。感谢清华大学汽车安全与节能重点实验室开放（项目号：KF16032）的支持，感谢北京电动车辆协同创新中心、北京市教育委员会北京市属高等学校长城学者培养计划项目（项目号：CIT&TCD20130328）的支持。由于译者水平有限，书中难免有翻译不当之处，恳请读者提出宝贵意见。译者序有关气候变迁和燃油经济挑战的话题热度不减，而对话题持续不断的讨论则促进了汽车工业更多的朝着纯电动驱动方向发展。从这个角度来说，电动化能否成为现实已不再是问题，问题在于何时成为现实，以及哪些应用技术会率优选入市场。世界范围内的环保法规均要求减少二氧化碳以及对排放进行，从根本上要求汽车电动化。另外，有两个例子可以看出消费者在面对电动汽车时态度的持续转变：特斯拉的纯电动汽车Model S已经取得的巨大成功和宝马汽车计划在2013年底将发布其纯电动汽车i3。这两款汽车接近彰显了新的汽车技术特征，特别是全新开发的电驱动系统，预示着个人交通工具新时代的到来。电池技术是决定上述发展趋势的关键因素之一在于，动力电池技术是电动汽车的核心，并在近几年取得了显著的提高。特别是高能量密度和功率密度锂离子电池，目前已然是插电式混合动力汽车（PHEV）和纯电动汽车（BEV）必不可少的，在降低成本、提高安全、改善使用能和可靠等方面已经获得了巨大进步。例如，在未降低功率强度的前提下，电池的能量密度得到极大的提高。如今，18650锂离子电池单体容量大于3Ah，已经应用在电动汽车上。同时，采用诸如新隔膜技术和/或化学成分（如LiFePO4）改进，安全明显提高。事实上，为确保电池免受外部危险事件（如过充、超高温和过流）的损害，电池管理系统也采取了许多措施。然而，消费者对于汽车技术应用的观念了解和20多年的商业应用（如手机）中的经验表明，要让驾驶员接近拥护电力驱动及相关的电池技术，技术仍有很多需要改进。成本需要进一步降低，锂离子电池的可靠、耐久和安全也要提高。例如，就安全而言，今后需更多的了解撞车时系统安全和抗滥用能力。诸如此类的技术进步要求对电池在正常和正条件（如误用或者碰撞情况）下电池的微观过程有更深入的理解。此外，必须开发出新的分析方法以求掌握锂离子电池单体内部的电化学反应过程，这将在准确地确定电池单体SOC（荷电状态）基础上提高电动汽车剩余里程的预测精度。通过锂离子电池技术建模现状的把握，本书有于推动正在进行的电池研发工作。本书的目的在于催生在实际应用中提高电池使用的新思想。从长远看来，我们希望这本书可以孕育出技术本身的改进，从而有于引导汽车技术走向下一个时代。尽管目前的锂离子电池适于在电动汽车上应用，这类电池中正在进行着的物理和化学方面的改进也是显而易见的。直接影响着电动汽车的续驶里程和能的能量密度和功率密度，将得到显著提高；安全和可靠也将得到进一步的改善；一旦电池产量达到汽车规模数量，其整个成本必将下降。发展的结果是，消费者对于电动汽车的接受度将会极大地提高，因为内燃机的“马力”驱动的汽车将不如“千瓦（kW）”驱动的环境友好的电动汽车有吸引力。当这些都发生时，插电式混合动力电动汽车和纯电动汽车的时代才会真正到来。 Volker Hennige 2013年11月于格拉茨 前言十年来，道路车辆的动力系统电动化已经在世界上至少进行了第二次尝试。除了电池这一电动化进程中的关键部件之外，所有部件也同样在进一步的研发。所有的动力装置均有了长足的进步。从消费者的观点来看，功能强大的控制设备和半导体器件的结合正在提供不断完善的功能。大多数的研究集中于电化学层面，能量密度有所提高，成本有所降低。然而，目前没有可用的电化学能量储存系统能够既满足当前驱动系统要求又满足相关的乘客舒适要求。当然，把问题归于电池或者争论该技术不能满足需要就太天真了。另一方面，我们可以看到社会上倾向于高效地使用能源，在交通领域的需求尤甚。因此，驱动系统的电动化趋势揭开了当今汽车概念的根本缺陷。过去，高能量密度的化石燃料因其可利用孕育了汽车动力的。由于车载储能系统中的能量有限，公众越来越多的意识到现在汽车的低效率运行，而汽车工业正是抓住了对高效率需求的契机。可预期的两大研发内容：？汽车上提高传动系统效率、舒适度（如HVAC）和安全？就能量存储而言，提高能量密度：-化学层面上提高能量密度-技术集成方面（如老化、安全）将得到更深入掌握，并在汽车工业中应用开发过程本书全面概述了后者（即集成）的研究现状。老化和安全作为本书的两个主题，直接影响着存储系统的尺寸和应用。书中有关安全部分在章中，Martin等全面阐述了安全标准的研究现状。尽管这一标准在ISO 26262中从整体系统安全角度进行定义了，但是仍缺少重要的过程和方法。由于安全方面影响着成本，掌握不同安全措施对降低集成到汽车环境下的新产品（如电池系统）风险至关重要。在第二章中，Trattnig和Leitgeb总结了在碰撞/变形中池建模的挑战。目前，这一领域的挑战在于弥合电池微观结构和可控需求之间的差距。问题在于，用简单的电池模型仍能为碰撞优化提供尽可能多汽车层面的全部必要信息。在第三章中，Golubkov和Fuchs专注于热失控过程。他们的团队目前正致力于对这一过程的基本的、与应用相关的掌握。此过程相关知识有于创建电池系统架构，该架构将可以预测整个电池内部甚至以整个汽车为整体的热失控蔓延过程。书中有关老化部分第四章中，Pichler和Cifrain介绍了包含全部必要细节的电池单体进行电化学建模方法。主要挑战是设计出一个模型，应该包括在纳米尺度（例如阳极/阴极上的孔隙率）上电池单体的物理特，且需要保在合理时间内输出满足要求的结果。步是应用条件（如驱动循环测试时）下优化电池单体的设计和技术，同时应包含有主要的老化影响。物理过程的详细模型往往需要从物理测试中直接获得的实际数据。在第五章中，Weber等阐述了定量分析锂离子电池老化的方法。实验室测试结果是上述模型必需的输入。由于复杂模型所用参数不能直接测量，在第六章中Scharrer等为提出了参数优化的数学方法。他们使用并行自适应的马尔可夫链蒙特卡洛法求解综合拟合问题，说明了这一方法的过程。在第七章中，Hametner和Jakubek为估计SOC提出了非线观察器设计，这是一种基于数据的、与化学无关的方法。为了能在能量存储系统预期寿命内可靠运行，掌握SOC是必须的，同时这也是与老化有关的关键因素之一。在所有为提高电池系统安全和命周期的单个方法中，巨大的挑战之一在于这些部件安装到汽车上所带来的复杂。在汽车工业中标准化程度很高，在质量和耐久方面尤其如此，在这些领域进行的所有研究必须依据标准进行。在应用研究领域，满足这些高标准的关键在于把不同专业领域的知识加以结合。这些结合可以产生高质量、实用强的开发环境（建模、工具、相应的试验和标准）。从这个角度来说，来自不同工业领域和研究机构的专家努力合作才是前进之路！Alexander ThalerDaniel Watzening2013年11月于格拉茨"