车载锂离子动力电池安全管理与高效利用的基础理论与关键技术

Lithium ion power battery is famous for high-energy-density, low self-discharge rate and long service life, and becomes the fastest developing and most promising new energy vehicle power battery . Unfortunately, the issues of its decreased lifetime and poor security haven't been resolved which become the bottleneck that restricts the comprehensive applications of electric vehicles. Firstly, this project aims at realizing accurate lithium ion power battery modeling based on data-driven theory and fractional theory; realizing power battery multi-state joint estimation based on Adaptive Unscented Kalman Filter; Then vehicle lithium ion power battery safe and efficient charge&discharge control strategy and equilization control will be researched by comprehensively using new theories and new methods such as swarm intelligence multi-objective optimization and stochastic optimal control. Next, the battery thermal model and thermal runaway model will be built and advanced thermal management system will be designed. Multilevel security warning mechanism will be built based on multi-source information fusion theory and battery management system which aims at safety will be designed. In the end, the proposed new theoretical methods and key technologies will be verified based on the vehicle hardware in loop experiment platform. This project belongs to interdisciplinary fields such as control theory, electrochemistry, vehicle engineering and so on, which is of great theory value and practical significance in promoting basic theories and applications in related study fields, developing China's power battery industries and solving the environment and energy crisis .

锂离子动力电池以高比能量、低自放电率及长寿命而著称，是目前发展最快、前景最好的新能源汽车动力电池，但其安全性、使用性能和寿命等核心问题并未得到根本解决，遂成为制约电动汽车大规模推广应用的关键瓶颈。本项目拟首先基于分数阶理论和数据驱动实现锂离子动力电池准确建模；基于自适应无迹卡尔曼滤波实现动力电池多状态联合估计。其次，运用群智能多目标优化、随机系统最优控制等新理论与新方法研究车载锂离子动力电池安全高效充放电与均衡控制策略；再次，建立动力电池热模型及热失控模型并设计先进的热管理系统；基于多源信息融合理论建立多级安全预警机制，设计面向安全性的电池管理系统。最后，基于整车硬件在环实验平台验证新理论方法及关键技术的有效性。本课题属于控制理论、电化学、车辆工程等多学科交叉领域，对促进相关学科的基础理论研究和应用、发展我国动力电池及相关产业、解决环境能源危机具有重大的理论价值和现实意义。

电动汽车作为一种关乎民众生命安全的有限能量供电载人工具，对车载动力电池的安全性和运行效率要求极为苛刻。为此，本项目聚焦于锂离子电池安全管理和高效利用相关的建模与状态估计、高效充放电控制、热失控和热管理、多级安全预警等关键科学与技术问题，取得如下创新成果：. （1）建立了基于分数阶理论和电化学原理的动力电池高精度模型，提出了非同步采样和噪声干扰下的电池模型参数在线辨识方法；实现了电池单体和电池模组的多时间尺度多状态联合估计。. （2）揭示了动力电池负极析锂副反应机制及其阻抗特性变化规律，提出了无析锂的动力电池多目标优化充电策略；建立了电池模组的不一致演化规律及其诊断方法，设计了基于开关耦合电容和正反激变换的动力电池模组主动均衡拓扑；建立了计及电池温度和能耗的混合动力汽车能量管理优化方法。. （3）开展锂离子电池产热特性及热失控触发实验研究，建立了电池热模型及其参数辨识方法；揭示了电池热失控触发和蔓延机制，建立了热管理和热失控传播模型；设计了液冷式和相变材料-微通道液冷混合式电池热管理系统，提出了基于电容重构的低温动力电池交流预热拓扑。. （4）提出了非冗余交叉式测量电路及基于改进相关系数的多故障综合诊断策略，实现了动力电池系统内故障类型、位置及程度的同步诊断，建立了多级安全预警机制；设计开发了适用于电动汽车和储能系统应用的电池管理系统，搭建了电池管理系统硬件在环测试平台，实现了相关电池管理控制算法的验证及车载应用。. 项目执行期间，共发表相关学术论文109篇，其中SCI收录75篇、EI收录21篇；申请国家发明专利41件，其中已授权30件；培养国家杰青1名、优青1名、山东省杰青2名，培养博士后2名、博士生15名、硕士生21名。研究成果获CAA自然科学一等奖、中国专利优秀奖、CAA优秀博士论文等。本项目研究成果为车载锂离子动力电池的安全管理和高效利用提供了重要的理论指导及技术支撑，对推动新能源汽车推广应用、促进动力电池相关产业升级具有重大意义。