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原文传递锂离子动力电池充电控制策略研究

论文题名：	锂离子动力电池充电控制策略研究
关键词：	电动汽车;锂离子动力电池;充电策略;充电控制;功率自适应分配
摘要：	当前，能源、环境等社会问题推动国内外电动汽车产业加速发展，锂离子动力电池作为电动汽车储能系统的重要选择应用日益广泛。但是锂离子动力电池的高、低温环境适应性，尤其是高、低温充电过程中所面对的充电速度、电池温升以及寿命衰减等问题严重制约了电动汽车在我国北方高寒地区的进一步推广。因此，深入开展车用锂离子动力电池充电策略研究，在充电安全的基础上制定速度更快、灵活性更高、环境适应性更强的充电策略，对于提升电动汽车市场接受度、促进产业高质量发展具有重要理论研究意义和工程应用价值。　　论文针对目前电动汽车充电策略中存在的充电控制目标简单、环境适应性较差和低温充电能效较低的问题进行了理论和实验研究，建立了不同型号的锂离子动力电池充放电实验数据集和内部机理仿真模型；在此基础上，提出了基于内、外部同时加热的复合式快速加热方法和加热电流优化控制策略，以满足锂离子动力电池低温充电过程中的加热需求；同时，针对不同环境温度以及不同的用户充电需求等问题，提出了基于可变权重系数的多目标充电策略，以提高充电的环境温度适应性和用户需求适应性。最后，针对电动汽车低温充电能效低的问题，在复合式加热方法与多目标充电策略的基础上，提出锂离子动力电池低温功率自适应分配充电控制策略，以实现低温下电池充电能效和状态适应性的提升。　　论文具体研究内容如下：　　（1）根据电池充放电实验台架对具有代表性的两种锂离子动力电池进行测试和分析，得出其在不同条件下的充电倍率特性、温度特性以及内阻特性。同时通过低温下的测试得出直流放电的温升特性，容量衰退特性以及可接受充电电流随温度的变化曲线，为下文充电策略的制定奠定数据基础。　　（2）为了深入理解充电过程的内部特性与外部特性的联系，论文通过电化学模型从微观角度对锂离子动力电池充电过程中锂离子迁移特性进行建模，将电化学模型得到的热量输入至电池3D模型并进行温度分布建模，进而将温度反馈回电化学模型，形成电化学-热耦合模型。通过该模型得到了不同倍率充电过程中的固液相锂离子浓度分布、电池生热分析以及内外部温度分布特性，为下文分布式等效热路模型的建立提供了依据。　　（3）针对低温下锂离子动力电池预热效率低以及传统集总参数模型无法体现温度分布特性的问题，建立了分布式等效热路模型对电池模组的快速复合加热方法进行研究。根据仿真结果对不同加热方式、不同保温条件和不同加热电流对加热效率的影响进行了分析。在选定合适加热方式后，采用多目标粒子群算法对加热电流进行优化，得到时间、温差和容量衰退的最优加热电流Pareto解集，进而通过 K 均值聚类方法得出合适的加热电流值。通过实验验证与对比分析，结果表明采用优化电流值的复合加热方式不仅远快于典型外部加热方式，而且相比单纯内部自生热方式也减少加热时间29.1%并减少能耗25.9%。　　（4）针对用户在不同使用条件下存在差异化充电需求的问题，以及由此产生的充电时间、充电容量、电池温升等多目标均衡和优化问题，设计了一种基于可变权重系数的多目标充电策略。首先通过多目标粒子群算法得到针对充电时间，充电容量和充电温升的充电电流 Pareto 解集，随后根据用户快充和普通充电的需求调整三个充电目标的权重系数，最后综合当前环境温度进一步优化权重系数，可实现综合用户需求和当前温度的智能充电策略调节，确保充电温度位于最佳区间以保证安全和效率。　　（5）以优化提升低温条件下电池预热效率和充电性能为目标，提出一种基于功率自适应分配的低温充电-加热联合控制策略，首先根据温度-可接受充电电流曲线和自适应模糊控制对充电功率和加热功率进行一次分配，提高系统功率的能效；然后以降低加热过程模组温差为目的对加热功率进行二次分配，通过对不同加热片加热功率的自适应分配，提高模组的温均性，进而提高充电速度。相比传统的两加热片外置和四加热片功率平均分配方式，本文提出的功率自适应分配方式可以将充电时间分别降低15.8%和3.1%，系统能耗分别降低16.8%和2.6%。
作者：	王博石
专业：	车辆工程
导师：	闵海涛
授予学位：	博士
授予学位单位：	吉林大学
学位年度：	2022