电动汽车锂离子动力电池优化充电技术基础研究

Traditional charging technology uses external parameters of the battery as the control target, which is lack of the combination of internal characteristics of the battery, and the charge control strategy cannot match with battery characteristics in real-time.To address these issues, the research thought combing battery internal electrochemical mechanism with external characters, multi-subject comprehensive analysis, from specific to general is used in the project. Based on the electrochemical porous electrode theory, and principles of liquid diffusion, solid diffusion and potential distribution, the lithium-ion battery dynamic model expressing charging process is introduced,the adaptive estimation theory of parameters is proposed.The polarization effects resulted from internal ion migration process under the specific current density is investigated, and the mathmatical model expressing the relationship of polarization voltage and battery current is presented.The mechanism of battery charging performance and degradation are studied.The effect weights of the charge current,voltage and temperature on battery life degradation are analyzed, and battery charge life model are established.Using cycle life and charging time as the goal, the new optimization charging method is proposed to realize fast charging process without damage to the battery.

针对现有充电技术主要以电池外特性参数为控制目标，缺乏与电池内部反应机理的结合，充电控制策略与电池特性无法实时匹配的问题，本项目提出内外特性结合、多学科综合分析、由特殊到一般的研究思路，依据电化学多孔电极理论、以及液相扩散、固相扩散和电势分配原理，建立锂离子动力电池充电过程的数学模型，研究模型参数的自适应动态估算方法；研究一定电流密度下内部离子迁移过程产生的极化效应及影响因素，建立电池充电极化电压的数学模型；研究电池充电性能作用机制与衰退机理，分析充电电流、电压和温度等各应力对电池寿命衰退的影响度权重，建立锂离子动力电池的充电寿命衰退模型；并以充电寿命和充电时间为目标，提出新型的优化充电方法，实现快速无损的充电过程。

针对现有充电技术主要以电池外特性参数为控制目标，缺乏与电池内部反应机理的结合，充电控制参数如充电电流和充电截至电压对电池寿命的影响尚不明确等问题，本项目提出电池内外特性结合、多学科综合分析的研究思路，通过理论分析、模拟仿真和实验验证，开展锂离子动力电池优化充电技术研究。本项目进行电池充电过程电化学反应机理及外特性研究，深入揭示锂离子动力电池充电性能作用机制及充电极化效应特征，研究锂离子动力电池在不同充电应力下的寿命衰退特性，基于容量增量分析法辨识不同充电应力下电池的老化机制，并建立了电池充电寿命衰退模型。研究充电过程中电池内部的电化学反应规律和电势分配特性，建立基于Butler-Volmer方程的极化电压模型和反映电池内部化学反应规律的等效电路模型。分析充电过程中的极化电压特性，解耦影响充电极化电压的线性和非线性因子，提出了适用于充电过程的极化电压估算和在线跟踪方法，建立了以极化电压为控制目标的充电控制机制。以电池极化电压和充电限制电压为约束条件，建立了基于极化电压时间常数的锂离子动力电池最大充电电流计算方法。提出了电池恒极化充电控制方法，通过极化电压的在线跟踪方法，实时计算充电过程的极化电压，基于模糊控制理论自动调整充电电流，实现充电过程中对极化电压的恒定控制。以限制充电温升和缩短充电时间为目标构建优化充电目标函数，以极化电压限制的最大充电电流为约束条件，采用遗传算法寻找电池的最优充电曲线。该项目提出的以极化电压为控制目标的优化充电策略，实现充电过程中外特性变化与内部电化学反应的有效结合，显著缩短充电时间，提高了电动汽车的适应性，突破了充电时间和循环寿命难以兼顾的技术瓶颈。