锂离子动力电池充电特性及优化控制技术研究

锂离子动力电池以其较高的比能量和比功率成为当今电动汽车的理想动力源,然而其复杂的工作特性和对使用工况的敏感特性使得电动汽车的充电性能很大程度上受到充电方法和充电环境的影响。在电动汽车充电过程中,由于电池充电性能的限制,充电时间、充电效率以及充电容量等充电需求相互矛盾,无法同时达到最优。因此,为了提升电池的综合充电性能表现,需要根据具体的充电需求来调整充电策略。同时,电池充电特性对环境温度变化较为敏感,特别是在低温环境下,电化学反应速率降低、参与反应的锂离子数量减少,造成充电内阻增加,充电容量减少,甚至会产生锂枝晶,造成内部短路,威胁电动汽车使用安全。而我国北方地区冬季环境温度低、持续时间长,电动汽车充电困难,严重阻碍了电动汽车的普及推广。因此,探索研究充电特性科学问题,突破并系统掌握充电优化控制关键技术,实现充电综合性能优化与低温适应性能提升,是解决我国电动汽车普及与推广难题的重要技术路径。针对目前电动汽车充电综合能效低、环境适应性以及安全性差等技术难题,本文重点研究锂离子动力电池在不同充电方式和环境温度下的充电时间、充电内阻以及充电容量的物理表现和演变规律等充电特性科学问题,攻克锂离子电池等效电路建模、多目标充电策略优化以及低温充电-加热联合控制等充电控制关键技术,解决以充电时间、充电容量以及充电效率为目标的锂离子电池多目标优化充电问题,实现锂离子电池在低温环境下的快速、安全充电,提高电动汽车的综合充电性能和环境适应性,为推动电动汽车产业化发展提供关键技术支撑。为了实现这一目的,论文首先从理论和实践角度出发对锂离子电池充电的外部特性和内部过程进行了深入研究,然后针对锂离子电池开路电压的迟滞现象建立迟滞电压模型,对现有等效电路模型进行改进;进而针对电动汽车充电的多目标问题采用多目标粒子群优化算法对充电策略进行优化,提升充电性能的综合表现;最后针对低温充电问题搭建了充电-加热联合控制系统并进行充电-加热优化控制策略开发,以加快电池低温充电速度,提高低温充电安全性。具体研究内容如下:锂离子电池充电特性实验研究。通过对不同环境温度、充电方式下的电池充电实验数据进行分析,从宏观的角度分析环境温度和充电参数对充电时间、充电内阻以及充电容量的影响。通过低温环境下的充放电循环实验获得不同环境温度下电池的安全充电电流,为后续的充电策略开发提供实验依据和数据支撑。锂离子电池充电特性理论研究。在对锂离子电池工作原理进行深入分析的基础上搭建电化学-热耦合模型,对锂离子电池充电工况下的内部过程进行研究,从微观的角度分析固、液相锂离子在不同充电模式下嵌入和迁出的动力学过程,着重研究了充电过程中正负极固、液两相锂离子浓度的分布情况,负极固、液相电势差以及充放电循环过程中电池的容量损失机理等锂离子电池重要内部特性,为后文的研究奠定了理论基础。以理论研究和试验测试为基础,针对开路电压的迟滞问题,提出了一种基于递归Preisach算法的迟滞电压建模方法,通过参数辨识实验对模型参数进行了辨识,在此基础上对算法的有效性和稳健性进行了分析。搭建了基于改进迟滞电压模型的等效电路模型,并对模型的有效性进行了实验验证。以提升充电综合能效为目的,针对电动汽车优化充电策略问题,提出了一种多目标优化充电方法。以多阶段恒流充电为基本控制策略,以充电时间、充电容量以及充电效率为优化目标,基于多目标粒子群优化算法对多阶段充电电流进行优化,深入研究了充电阶段数量、截止电压等参数对充电效果的影响,通过对比实验证明了所提出的充电策略的优越性。以提升充电环境适应性为目的,针对电动汽车低温充电问题,提出了一种基于自适应模糊控制算法的低温充电控制策略,以电池可接受充电电流为约束条件,根据电池温度和温升速率调整充电和加热功率,提高低温充电速度的同时保证低温充电安全性。通过搭建充电-加热硬件平台,进行充电-加热联合控制实验,并与现有低温充电方法进行对比,验证了该控制策略的有效性和优越性。