電動汽車低溫能量管理策略 吳曉剛 孫金磊 9787030791276 【台灣高等教育出版社】

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書名：電動汽車低溫能量管理策略
ISBN：9787030791276
出版社：科學
著編譯者：吳曉剛 孫金磊
頁數：149
所在地：中國大陸 *此為代購商品
書號：1696644
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內容簡介
電動汽車低溫能量管理是集動力電池低溫內外部預熱策略和電驅動系統能量管理等為一體的綜合研究領域。《電動汽車低溫能量管理策略》深入介紹電動汽車動力電池低溫預熱技術的研究進展、動力電池內外部預熱方法和增程式電動汽車低溫能量優化管理策略。《電動汽車低溫能量管理策略》共8章，主要包括：緒論、鋰離子動力電池低溫特性分析、低溫循環老化路徑鋰離子動力電池性能分析、鋰離子動力電池直流放電預熱方法、鋰離子動力電池脈衝頻率優化的低溫預熱策略、鋰離子動力電池低溫脈衝預熱電流幅值優化、鋰離子動力電池系統外部預熱方法，以及低溫狀態下增程式電動汽車的能量管理策略。

目錄

目錄

前言
第1章 緒論1
1 1低溫環境對電動汽車應用的挑戰1
1 1 1能量和功率特性衰減嚴重1
1 1 2制熱需求上升2
1 1 3行駛阻力增大2
1 2鋰離子動力電池低溫預熱國內外研究現狀2
1 2 1鋰離子動力電池低溫熱特性研究現狀2
1 2 2鋰離子動力電池產熱模型研究現狀3
1 2 3鋰離子動力電池低溫預熱研究現狀4
參考文獻5
第2章 鋰離子動力電池低溫特性分析8
2 1鋰離子動力電池結構及工作原理8
2 2不同溫度鋰離子動力電池的性能測試9
2 2 1實驗電池及測試設備9
2 2 2容量測試11
2 2 3混合脈衝功率特性測試12
2 3溫度影響電池特性的原因15
2 4本章 小結16
參考文獻16
第3章 低溫循環老化路徑鋰離子動力電池性能分析18
3 1鋰離子動力電池老化機制18
3 2鋰離子動力電池外特性老化分析方法19
3 2 1ICA法和DVA法20
3 2 2概率密度函數法23
3 2 3EIS法26
3 3低溫小倍率充放電循環老化路徑設計27
3 3 1實驗平臺搭建28
3 3 2老化過程中的性能測試實驗29
3 3 3老化過程中的電化學阻抗譜測試31
3 4低溫小倍率充放電對鋰離子動力電池性能的影響31
3 4 1容量衰減影響31
3 4 2阻抗影響32
3 4 3循環過程概率密度函數分析33
3 4 4鋰離子動力電池析鋰狀態分析35
3 5本章 小結37
參考文獻38
第4章 鋰離子動力電池直流放電預熱方法40
4 1鋰離子動力電池性能測試及等效電路模型參數辨識40
4 1 1鋰離子動力電池容量測試41
4 1 2鋰離子動力電池開路電壓測試42
4 1 3鋰離子動力電池等效電路模型的參數辨識43
4 2鋰離子動力電池產熱模型構建44
4 2 1鋰離子動力電池溫升模型45
4 2 2鋰離子動力電池溫升模型參數的獲取46
4 2 3鋰離子動力電池溫升模型的驗證48
4 3基於動態規劃的放電電流多目標優化50
4 3 1放電電流邊界條件的確定50
4 3 2優化目標函數的建立51
4 3 3基於動態規劃算法對優化目標函數的求解53
4 4實驗結果及比較分析55
4 4 1不同倍率的恒流電池放電預熱的仿真分析55
4 4 2多目標優化放電電流預熱方法仿真分析57
4 4 3不同權值因子下電池模型預測結果與實際測量溫度對比分析59
4 4 4不同權重因子下多目標優化預熱與恒流放電預熱對比分析61
4 5本章 小結63
參考文獻64
第5章 鋰離子動力電池脈衝頻率優化的低溫預熱策略66
5 1鋰離子動力電池性能測試66
5 1 1實驗對象66
5 1 2容量測試實驗67
5 1 3混合脈衝功率特性實驗68
5 1 4不同SOC下鋰離子動力電池開路電壓測試70
5 2基於交流阻抗的鋰離子動力電池熱-電耦合模型構建70
5 2 1電池模型建立70
5 2 2電池溫升模型建立71
5 2 3電池溫升模型參數測試73
5 2 4電池內部阻抗與溫度和頻率的關係76
5 2 5電池熱模型和電模型的耦合77
5 3低溫脈衝預熱頻率優化控制策略78
5 3 1頻率優化控制策略78
5 3 2基於變頻脈衝激勵的低溫預熱仿真80
5 4實驗結果及比較分析81
5 5本章 小結84
參考文獻84
第6章 鋰離子動力電池低溫脈衝預熱電流幅值優化86
6 1電池電化學阻抗譜性能測試86
6 2電池熱電模型構建86
6 2 1Randles等效電路模型86
6 2 2等效電路模型參數識別89
6 2 3等效電路模型的驗證91
6 2 4基於交流阻抗的頻域產熱模型91
6 2 5電池產熱模型的驗證93
6 3低溫脈衝預熱電流幅值優化控制策略93
6 3 1電池發生析鋰的電位判據94
6 3 2抑制容量衰減的脈衝預熱策略95
6 4實驗結果及比較分析96
6 4 1脈衝預熱策略預熱效果驗證97
6 4 2兩種預熱循環下容量衰減情況分析98
6 5本章 小結100
參考文獻100
第7章 鋰離子動力電池系統外部預熱方法102
7 1鋰離子動力電池低溫外部預熱系統的仿真分析102
7 1 1鋰離子動力電池的熱模型建立102
7 1 2鋰離子動力電池的熱模型參數辨識102
7 1 3熱模型仿真驗證106
7 1 4電池組預熱仿真模型的建立與仿真109
7 2鋰離子動力電池系統外部預熱實驗116
7 2 1實驗平臺搭建116
7 2 2鋰離子動力電池系統預熱結果分析117
7 3本章 小結120
參考文獻121
第8章 低溫狀態下增程式電動汽車的能量管理策略122
8 1帶有電池預熱的增程式電動汽車動力系統結構及工作原理122
8 2增程式電動汽車動力系統建模125
8 2 1鋰離子動力電池模型126
8 2 2增程器模型130
8 2 3驅動電機模型131
8 2 4整車動力學模型132
8 2 5運行工況133
8 3基於CD-CS的預熱增程式電動汽車能量分配方法134
8 3 1狀態的定義與狀態的邏輯關係136
8 3 2狀態切換邏輯137
8 3 3電池在線SOC和溫度估計139
8 4仿真及分析139
8 4 1能量管理策略應用場景分析139
8 4 2參數靈敏度分析146
8 4 3實例分析148
8 5本章 小結149
參考文獻149

精彩書摘
第1章 緒論
電動汽車已成為交通電氣化的重要發展方向之一，為交通領域節 能減排提供了可行方案，是城市可持續發展的必由之路[1， 2]。但從推廣應用環境來講，電動汽車還不能與燃油汽車相比。低溫條件下儲能系統的能量管理問題成為制約電動汽車在高寒地區推廣的一個核心技術問題，甚至成為新一輪技術競爭的焦點問題之一[3， 4]。
1 1 低溫環境對電動汽車應用的挑戰
在冬季低溫條件下，電動汽車續駛里程短、電池耗電快，是造成北方寒冷地區電動汽車普及率低的主要原因。其中，鋰離子動力電池低溫條件下充放電性能變差，特別是在低溫條件下對鋰離子動力電池充電易造成負極析鋰，進而加速電池老化、產生安全隱患，由此成為電動汽車低溫運行面臨的重大挑戰[5， 6]。
1 1 1 能量和功率特性衰減嚴重
電動汽車鋰離子動力電池的特性受環境溫度的影響比較明顯，尤其是在低溫環境中，其可用能量和功率衰減嚴重，且長期在低溫環境使用會加速鋰離子動力電池老化，進而縮短使用壽命。隨著溫度降低，電池性能衰減越發嚴重。常用的電動汽車鋰離子動力電池在10℃時，容量和工作電壓會明顯降低；在20℃時性能惡化更加嚴重，表現為其可用放電容量驟降。這是因為電解液的離子電導率隨溫度降低而減弱，同時電極材料活性降低，導致低溫下歐姆極化、濃差極化和電化學極化都存在不同程度增大[7， 8]。
在電動汽車電池系統低溫充電初期，電池端電壓瞬間上升，且溫度越低動力電池充電的起始電壓就會越高，同時低溫條件端電壓上升較快，很快就會達到截止電壓，進而進入恒壓充電階段[8]。其主要原因是隨著溫度降低，鋰離子動力電池的整體內阻增大，進而造成歐姆極化增大、電化學極化增大和濃差極化增大，這使充電電壓很快達到充電上限電壓，於是充電方式很快由恒流充電轉化為恒壓充電[9， 10]。隨著溫度降低，鋰離子動力電池的恒流充電時間會越來越短，而恒壓階段充電時間就會越來越長、充電總時間也會增加。所以，在充入同等電量的條件下，鋰離子動力電池低溫環境所需充電時間將大大增加。同時，在極低溫度環境下鋰離子動力電池中的電解液會凝固，導致正負極之間移動的鋰離子數量急劇減少，如果對其直接進行充電，那麼大量的金屬鋰會析出並沉積在鋰離子動力電池負極表面，易刺破電池內部正負極之間的隔膜，導致正負極之間短路[11-13]。
1 1 2 制熱需求上升
受低溫使用環境影響，電動汽車車艙空調成為整車中能耗*大的輔助設備。冬季電動汽車空調系統的能耗約占汽車總能耗的35%，嚴重影響了汽車的行駛里程[14]。與傳統燃油汽車相比，電動汽車沒有發動機水循環餘熱可以供暖。電動汽車在使用熱泵空調時，由於系統的壓縮機採用直流供電，對抗振性能和負荷調節 性能具有很高要求。當冬季在寒冷地區行駛時，受環境溫度影響，電動汽車會出現結霜等問題，這會使制熱效率下降，同時也存在制熱工況下製冷劑供液不均勻、車內換熱器散熱面積小及散熱不完全等問題。當電動汽車在冬季行駛時，鋰離子動力電池耗電量快，空調系統的運行加快了該電池的耗電[15]。因此，優化電動汽車空調系統的供熱模式、減少空調系統的能耗，對於提高電動汽車的冬季續駛里程和對未來電動汽車在寒冷地區的推廣都具有重要意義。
1 1 3 行駛阻力增大
冬季汽車的胎壓普遍會降低，汽車行駛中的輪胎阻力增加不可避免。當汽車在水平路面上行駛時，汽車行駛阻力主要包括空氣阻力、滾動阻力、傳動系阻力、制動系統拖滯力。在汽車行駛過程中，需要克服行駛阻力做功，行駛阻力越大，汽車能耗越高，當鋰離子動力電池電量一定時，汽車續駛里程與行駛阻力成反比。研究表明，相較於常溫25℃，當溫度為20℃時，空氣阻力將增大16%，滾動阻力將增大56%。同時，變速箱溫度每降低20℃，該變速箱拖滯力增大1～2N？m[16]。
1 2 鋰離子動力電池低溫預熱國內外研究現狀
1 2 1 鋰離子動力電池低溫熱特性研究現狀
在針對鋰離子動力電池低溫熱特性的研究中，段豔麗和王志飛[17]通過對不同溫度下的鋰離子動力電池工作狀況進行研究，得到鋰離子動力電池的*適工作溫度為10～30℃的結論。Zhang等[18]通過分析低溫條件下鋰離子動力電池的充電過程，指出鋰離子動力電池在較低環境溫度條件下充電時充電轉移內阻會大幅度增加，鋰離子動力電池充電端電壓會快速上升至充電截止電壓，充電過程無法持續進行，導致低溫條件下的可充入電量下降。李哲等[19]對磷酸鐵鋰電池進行了電池容量、充放電內阻與開路電壓（open circuit voltage，OCV）和溫度關係的研究，指出磷酸鐵鋰電池受環境溫度影響較大，低溫時容量衰減較快，高溫時容量迅速增加，但變化速度小於低溫時。該電池的歐姆內阻和極化內阻受溫度影響*為明顯，當溫度越低時，歐姆內阻和極化內阻出現增大的情況，且在荷電狀態（state of charge，SOC）較低時，極化內阻增大的幅度更大。而SOC-OCV*線受溫度影響較小，當溫度越低時，OCV越低。倪紅軍等[20]對混合動力汽車中使用的磷酸鐵鋰電池進行了充放電性能研究，指出磷酸鐵鋰電池在25～60℃條件下性能變化較小，但是當溫度超過50℃時磷酸鐵鋰電池的循環壽命會下降。Zhao等[21]研究了鋰離子動力電池在充放電過程中的溫升情況，並指出放電過程中該電池的溫升情況較為明顯，充電過程中該電池的溫度基本保持恒定。Ruan等[22]對電池在充放電過程中的產熱來源進行了分析，指出電池充放電過程中的熱量來源包括三個部分，即反應熱、焦耳熱及熵變生熱，其中焦耳熱是電池在充放電過程中的主要熱量來源。
1 2 2 鋰離子動力電池產熱模型研究現狀
電池產熱模型的研究開始較早，Sato[23]利用集中質量模型對鋰離子單體電池進行了熱特性的仿真，與實驗溫度變化情況相比，集中質量模型獲得了較好的溫度仿真結果。Lin等[24]建立了考慮副反應的三維電池熱電模型，通過該模型電壓電流的變化對電池溫度分佈進行模擬分析。Lin等[25]針對LiMn2O動力電池建立了三維模型，分析了電池的熱特性和參數辨識方法，指出電池在恒流充電階段和放電結束階段的電池組熱管理中處於重要地位。Chen等[26]建立了一個基於邊界輻射換熱和對流換熱的三維分層模型（該模型有著較高的精度），並且利用該模型分析了電池的散熱過程，指出輻射換熱是電池散熱的一個主要過程。Bharathan 等[27]利用熱電耦合模型對圓柱形電池進行了研究，通過分析電池的內部電壓電流變

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