動力電池的數(shù)學(xué)建模與管理策略優(yōu)化

[作者：楊世春 劉新華

出版社：華中科技大學(xué)出版社

ISBN：9787568078474

出版時間：2022年3月

定價：158.00元]

新能源汽車的部件眾多，而動力電池是影響此類汽車性能的核心因素，亟需加強研究。2022年3月出版的楊世春、劉新華編著的《電動汽車動力電池建模與管理系統(tǒng)設(shè)計》一書主要聚焦于新能源汽車動力電池的研究，詳細(xì)介紹了動力電池的各種建模方法和優(yōu)缺點，并給出了動力電池性能優(yōu)化的具體管理策略。動力電池的性能對于新能源汽車的性能具有重要影響，只有建立能反映動力電池特性的準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型，才能設(shè)計出好的電池管理系統(tǒng)（BMS）。

鋰離子作為一種動力電池，其模型主要分為3類。第1類是電化學(xué)模型，即構(gòu)建由若干帶有邊界條件的電化學(xué)方程組成的非線性方程組，以模擬電池正負(fù)極的反應(yīng)過程。偽二維（P2D）模型是一種經(jīng)典的電化學(xué)模型，其將鋰離子電池模擬成一個“三明治”結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)內(nèi)部包括電極、電解液和隔膜等部分。P2D模型中含有較復(fù)雜的動力學(xué)行為，對算力的要求較高，為了降低模型復(fù)雜度，科研人員提出了P2D模型簡化版，即單粒子模型（SPM）。SPM將正負(fù)電極均比作分布在電解液中的球狀顆粒，不考慮固液相電勢差及電極方向的鋰離子濃度差，計算量小，能方便進(jìn)行電池狀態(tài)估計。第2類是黑箱模型，即采用映射函數(shù)來反映電池特性。黑箱模型能靈活變換模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)置，但其在本質(zhì)上不具有切實的物理意義。較常見的黑箱模型包括支持向量機、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等，該模型主要應(yīng)用在鋰離子電池的靜動態(tài)特性建模。第3類是等效電路模型，即利用電流、電阻、電壓源等元器件建立電路模型來模擬鋰離子電池的特性。常見的等效電路模型有分?jǐn)?shù)階模型、PNGV模型、內(nèi)阻模型、RC模型等。等效電路模型參數(shù)少，狀態(tài)方程簡單，在BMS中使用最為廣泛。但是在使用等效電路模型時，模型參數(shù)的擬合度對精度的影響很大，因此，利用離線參數(shù)辨識法和在線參數(shù)辨識法等對模型參數(shù)進(jìn)行識別，以獲得最優(yōu)參數(shù)，進(jìn)而得到最佳的參數(shù)擬合度，提高電池狀態(tài)估算的精度。

動力電池組是由多個單體電池組合而成，當(dāng)單體電池的剩余容量差異過大時，不僅會導(dǎo)致動力電池組出現(xiàn)老化現(xiàn)象，還可能存在電池過充、過放問題，從而導(dǎo)致熱失控安全風(fēng)險。因此，需對動力電池組進(jìn)行調(diào)度策略優(yōu)化管理。《電動汽車動力電池建模與管理系統(tǒng)設(shè)計》從3個方面介紹了動力電池組管理優(yōu)化策略。第一，建立電池組均衡管理系統(tǒng)，以提高電池組間的一致性，有助于提升電池組壽命。目前使用最多的均衡管理系統(tǒng)是被動均衡和主動均衡。被動均衡是利用耗能原件消耗掉單體電池內(nèi)多余的電能；主動均衡則是利用不同的均衡電路和均衡控制策略實現(xiàn)能量傳遞，最終實現(xiàn)電池的均衡控制。第二，目前常采用大功率充電樁對新能源汽車進(jìn)行充電，但在充電過程中存在諸多問題，需針對不同目標(biāo)對充電技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化。為了縮短充電時間，可利用采用模糊控制策略的鋰離子電池狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)來優(yōu)化恒流恒壓充電方法中的恒壓段；為了延長電池壽命，可在整個充電周期利用不同的電流進(jìn)行充電；為了提高電池存儲能量，可利用動態(tài)優(yōu)化算法計算出存儲能量的最優(yōu)解，并控制充電電流在充電末期逐漸減小。第三，新能源汽車所處的環(huán)境溫度對電池的運行有重要影響，要采取相應(yīng)的熱管理方法來處理。當(dāng)環(huán)境溫度過低時，電池的性能會大幅降低，利用加熱技術(shù)使電池保持正常的工作溫度；當(dāng)環(huán)境溫度過高時，電池的壽命會迅速衰減，要利用散熱方法降低電池溫度。

《電動汽車動力電池建模與管理系統(tǒng)設(shè)計》以新能源汽車的動力電池為研究主線，對動力電池的建模方法和優(yōu)缺點、動力電池性能優(yōu)化的具體管理策略進(jìn)行了深入探討，對培養(yǎng)大學(xué)生數(shù)學(xué)建模的技能和素質(zhì)， 培養(yǎng)高質(zhì)量、高層次人才具有重要意義，可作為新能源汽車動力電池相關(guān)專業(yè)教學(xué)用書。