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基于先進模型的鋰離子電池充電控制 版權信息
- ISBN：9787577207988
- 條形碼：9787577207988 ; 978-7-5772-0798-8
- 裝幀：精裝
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
基于先進模型的鋰離子電池充電控制 本書特色
《節能與新能源汽車關鍵技術研究叢書》聚焦國家節能減排和發展戰略性新興產業的需求，瞄準國際前沿科技，服務汽車產業轉型升級和國家經濟建設。叢書由清華大學歐陽明高院士擔任主編；作者由包含國家杰青、國家特聘專家在內的國內外一流學者親自領銜執筆，他們是國內外新能源汽車研究領域*高水平的代表，具有較高的權威性。著作內容為作者承擔國家重點研究項目成果的結晶，原創性強、學術水平高、體現自主知識產權。具有較高的學術價值、出版價值和產業應用價值。
基于先進模型的鋰離子電池充電控制 內容簡介
可充電鋰離子電池因其能量密度高、循環壽命長、成本下降等優點，已廣泛應用于從電動汽車到微電網等眾多行業的儲能領域。充電是鋰離子電池補充和儲存能量的重要過程，充電策略的好壞極大地影響著鋰離子電池的性能和壽命。用準確的數學模型進行分析和預測在充電過程中電池狀態的變化，基于優選模型的充電策略可以提供優異的充電性能，如延遲電池壽命的退化。因此，研究基于先進模型的鋰離子電池充電控制策略具有重要的工程和學術價值。基于此，本書將從基礎理論到實際設計和應用，詳細介紹目前很優選的基于模型的鋰離子電池充電控制技術，特別是在電池建模、狀態估計和很優充電控制方面。此外，還介紹了一些必要的設計考慮因素，如集中式和領導-追隨結構的電池組充電控制，為提高充電性能和延長電池/電池組的壽命提供了出色的解決方案。本書所提供的豐富的材料和知識，可以讓我們從理論設計到工程應用對電池充電控制技術有足夠的了解。
基于先進模型的鋰離子電池充電控制 目錄
Contents
1 Introduction .................................................. 1
1.1 Brief Introduction of Lithium-Ion Batteries . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.1 Comparison with Other Commonly Used Batteries . . . . 1
1.1.2 Applications of Lithium-Ion Batteries . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Format Comparison of Lithium-Ion Batteries . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Electrochemical Mechanism of Lithium-Ion Batteries . . . . . . . . . 6
1.3.1 Composition of Lithium-Ion Batteries . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3.2 Charging-Discharging Mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4 Motivation of Advanced Model-Based Battery Charging
Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.4.1 Non-model-based Charging Control . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.4.2 Model-Based Charging Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2 Lithium-Ion Battery Charging Technologies: Fundamental
Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1 Definitions Related to Battery Charging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1.1 Basic Performance Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1.2 State Indicators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2 Charging Objectives and Constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2.1 Charging Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2.2 Safety-Related Constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3 Lithium-Ion Battery Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.1 Electrochemical Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.1.1 Pseudo-Two-Dimensional Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.1.2 One-Dimensional Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.1.3 Single Particle Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.2 Equivalent Circuit Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.2.1 Rint Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.2.2 Thevenin Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.2.3 PNGV Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4 Neural Network-Based State of Charge Observer
for Lithium-Ion Batteries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.1 Battery Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.2 Neural Network-Based Nonlinear Observer Design
for SOC Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.2.1 Neural Network-Based Nonlinear Observer
Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.2.2 Convergence Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.3 Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.3.1 Experiment for Parameter Extraction . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.3.2 Experiments for SOC Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
5 Co-estimation of State of Charge and Model Parameters
for Lithium–Ion Batteries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.1 Battery Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.2 Co-estimation of Model Parameters and SOC . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.2.1 On-line Battery Model Parameter Identification . . . . . . . 55
5.2.2 Robust Observer for SOC Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.2.3 Summary of the Overall SOC Estimation Strategy . . . . . 62
5.3 Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.3.1 Experimental Results for Battery Model Parameter
On-line Identification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5.3.2 Experimental Results for SOC Estimation . . . . . . . . . . . . 68
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
6 User-Involved Battery Charging Control with Economic Cost
Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6.1 Battery Model and Constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6.1.1 Battery Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6.1.2 Safety-Related Constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
6.2 Charging Tasks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
6.2.1 User-Involved Charging Task . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
6.2.2 Economic Cost Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
6.2.3 Energy Loss Reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6.2.4 Multi-objective Formulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6.3 Optimal Battery Charging Control Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
6.3.1 Optimal Charging Control Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . 83
6.3.2 Optimal Charging Current Determined by Barrier
Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
6.4 Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
6.4.1 Charging Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
6.4.2 Comparison with Other Commonly Used
Optimization Algorithms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
6.4.3 Comparison with Charging Control Strategy
without Economic Cost Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . 86
6.4.4 Comparison with Charging Control Strategy
Without Energy Loss Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.4.5 Simulation Results for Different Weight Selections . . . . 88
6.4.6 Simulation Results for Different User Demands . . . . . . . 89
6.4.7 Comparison with Traditional CC-CV Charging
Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6.5 Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
7 Charging Analysis for Lithium-Ion Battery Packs . . . . . . . . . . . . . . . . 101
7.1 Cell Equalization Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
7.2 Multi-module Battery Pack Charger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
7.2.1 Model and Control of Battery Pack Charger . . . . . . . . . . 103
7.2.2 Performance Validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
7.3 Battery Pack Charging System Combining Traditional
Charger and Equalizers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
7.3.1 Classification of Equalization Systems . . . . . . . . . . . . . . . 107
7.3.2 Bidirectional Modified C？k Converter-Based
Equalizer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
7.3.3 Modified Isolated Bidirectional Buck-Boost
Converter-Based Equalizer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
8 User-Involved Charging Control for Battery Packs:
Centralized Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
8.1 Battery Pack Model and Constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
8.1.1 Battery Pack Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
8.1.2 Charging Constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
8.2 User-Involved Charging Control Design for Battery Packs . . . . . . 123
8.2.1 Charging Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
8.2.2 Optimal Battery Pack Charging Control Design . . . . . . . 126
8.3 Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
8.3.1 Charging Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
8.3.2 High Current Charging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
8.3.3 Effect Analysis of Weight Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
8.4 Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
9 User-Involved Charging Control for Battery Packs:
Leader-Followers Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
9.1 Charging Model and Constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
9.1.1 Battery Pack Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
9.1.2 Safety-Related Charging Constraints . . . . . . . . . . . . . . . . 141
9.2 User-Involved Optimal Charging Control Design . . . . . . . . . . . . . 141
9.2.1 User-Involved Charging Task Formulation . . . . . . . . . . . . 141
9.2.2 Optimal Average Charging Trajectory Generation . . . . . 143
9.2.3 Distributed SOC Tracking-Based Charging
Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
9.2.4 Different Sampling Period Setting for Two
Control Layers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
9.3 Simulation Results and Discussions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
9.3.1 Charging Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
9.3.2 Discussions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
10 Fast Battery Charging Control for Battery Packs . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
10.1 Charging Model for the Battery Pack . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
10.1.1 Charging Current Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
10.1.2 Battery Pack Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
10.2 Control Objectives and Constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
10.2.1 Charging Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
10.2.2 Charging Constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
10.3 Fast Charging Control Strategy Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
10.3.1 Charging Control Algorithm Formulation . . . . . . . . . . . . 160
10.3.2 Two-Layer Optimization Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
10.4 Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
10.5 Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
11 The Future of Lithium-Ion Battery Charging Technologies . . . . . . . . 175
11.1 Multi-objective Optimization-Based Charging
Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
11.2 High Efficient Battery Pack Charging Technologies . . . . . . . . . . . 176
11.3 Wireless Charging Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
1 Introduction .................................................. 1
1.1 Brief Introduction of Lithium-Ion Batteries . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.1 Comparison with Other Commonly Used Batteries . . . . 1
1.1.2 Applications of Lithium-Ion Batteries . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Format Comparison of Lithium-Ion Batteries . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Electrochemical Mechanism of Lithium-Ion Batteries . . . . . . . . . 6
1.3.1 Composition of Lithium-Ion Batteries . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3.2 Charging-Discharging Mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4 Motivation of Advanced Model-Based Battery Charging
Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.4.1 Non-model-based Charging Control . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.4.2 Model-Based Charging Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2 Lithium-Ion Battery Charging Technologies: Fundamental
Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1 Definitions Related to Battery Charging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1.1 Basic Performance Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1.2 State Indicators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2 Charging Objectives and Constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2.1 Charging Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2.2 Safety-Related Constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3 Lithium-Ion Battery Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.1 Electrochemical Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.1.1 Pseudo-Two-Dimensional Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.1.2 One-Dimensional Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.1.3 Single Particle Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.2 Equivalent Circuit Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.2.1 Rint Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.2.2 Thevenin Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.2.3 PNGV Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4 Neural Network-Based State of Charge Observer
for Lithium-Ion Batteries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.1 Battery Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.2 Neural Network-Based Nonlinear Observer Design
for SOC Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.2.1 Neural Network-Based Nonlinear Observer
Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.2.2 Convergence Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.3 Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.3.1 Experiment for Parameter Extraction . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.3.2 Experiments for SOC Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
5 Co-estimation of State of Charge and Model Parameters
for Lithium–Ion Batteries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.1 Battery Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.2 Co-estimation of Model Parameters and SOC . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.2.1 On-line Battery Model Parameter Identification . . . . . . . 55
5.2.2 Robust Observer for SOC Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.2.3 Summary of the Overall SOC Estimation Strategy . . . . . 62
5.3 Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.3.1 Experimental Results for Battery Model Parameter
On-line Identification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5.3.2 Experimental Results for SOC Estimation . . . . . . . . . . . . 68
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
6 User-Involved Battery Charging Control with Economic Cost
Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6.1 Battery Model and Constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6.1.1 Battery Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6.1.2 Safety-Related Constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
6.2 Charging Tasks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
6.2.1 User-Involved Charging Task . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
6.2.2 Economic Cost Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
6.2.3 Energy Loss Reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6.2.4 Multi-objective Formulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6.3 Optimal Battery Charging Control Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
6.3.1 Optimal Charging Control Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . 83
6.3.2 Optimal Charging Current Determined by Barrier
Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
6.4 Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
6.4.1 Charging Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
6.4.2 Comparison with Other Commonly Used
Optimization Algorithms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
6.4.3 Comparison with Charging Control Strategy
without Economic Cost Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . 86
6.4.4 Comparison with Charging Control Strategy
Without Energy Loss Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.4.5 Simulation Results for Different Weight Selections . . . . 88
6.4.6 Simulation Results for Different User Demands . . . . . . . 89
6.4.7 Comparison with Traditional CC-CV Charging
Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6.5 Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
7 Charging Analysis for Lithium-Ion Battery Packs . . . . . . . . . . . . . . . . 101
7.1 Cell Equalization Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
7.2 Multi-module Battery Pack Charger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
7.2.1 Model and Control of Battery Pack Charger . . . . . . . . . . 103
7.2.2 Performance Validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
7.3 Battery Pack Charging System Combining Traditional
Charger and Equalizers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
7.3.1 Classification of Equalization Systems . . . . . . . . . . . . . . . 107
7.3.2 Bidirectional Modified C？k Converter-Based
Equalizer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
7.3.3 Modified Isolated Bidirectional Buck-Boost
Converter-Based Equalizer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
8 User-Involved Charging Control for Battery Packs:
Centralized Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
8.1 Battery Pack Model and Constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
8.1.1 Battery Pack Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
8.1.2 Charging Constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
8.2 User-Involved Charging Control Design for Battery Packs . . . . . . 123
8.2.1 Charging Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
8.2.2 Optimal Battery Pack Charging Control Design . . . . . . . 126
8.3 Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
8.3.1 Charging Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
8.3.2 High Current Charging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
8.3.3 Effect Analysis of Weight Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
8.4 Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
9 User-Involved Charging Control for Battery Packs:
Leader-Followers Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
9.1 Charging Model and Constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
9.1.1 Battery Pack Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
9.1.2 Safety-Related Charging Constraints . . . . . . . . . . . . . . . . 141
9.2 User-Involved Optimal Charging Control Design . . . . . . . . . . . . . 141
9.2.1 User-Involved Charging Task Formulation . . . . . . . . . . . . 141
9.2.2 Optimal Average Charging Trajectory Generation . . . . . 143
9.2.3 Distributed SOC Tracking-Based Charging
Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
9.2.4 Different Sampling Period Setting for Two
Control Layers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
9.3 Simulation Results and Discussions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
9.3.1 Charging Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
9.3.2 Discussions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
10 Fast Battery Charging Control for Battery Packs . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
10.1 Charging Model for the Battery Pack . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
10.1.1 Charging Current Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
10.1.2 Battery Pack Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
10.2 Control Objectives and Constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
10.2.1 Charging Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
10.2.2 Charging Constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
10.3 Fast Charging Control Strategy Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
10.3.1 Charging Control Algorithm Formulation . . . . . . . . . . . . 160
10.3.2 Two-Layer Optimization Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
10.4 Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
10.5 Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
11 The Future of Lithium-Ion Battery Charging Technologies . . . . . . . . 175
11.1 Multi-objective Optimization-Based Charging
Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
11.2 High Efficient Battery Pack Charging Technologies . . . . . . . . . . . 176
11.3 Wireless Charging Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
展開全部
基于先進模型的鋰離子電池充電控制 作者簡介
歐陽權，自動化學院講師，碩士生導師，博士畢業于浙江大學控制科學與工程專業，本科畢業與華中科技大學自動化專業。主要研究方向為無人機蜂群控制，無人機飛行控制，新能源系統集成與控制，智能控制，非線性控制等。發表相關SCI/EI論文27篇，授權專利1項，公開發明專利6項，其中包括8篇一作/學生一作國際*SCI期刊IEEE匯刊（1篇為高引論文）。主持國家自然基金青年項目1項，江蘇省雙創博士項目（世界名校類），浙江大學工業控制國家重點實驗室開放課題，曾參與包括國家自然基金重點項目，裝發等在內多個項目，指導本科生獲得全國大學生電子設計競賽（無人機組）,中國機器人大賽等并獲獎。曾經獲得碩士研究生國家獎學金（2014）、博士研究生國家獎學金（2017）、浙江大學三好研究生（2014、2017）、浙江大學優秀畢業生（2018）和浙江省普通高等學校優秀畢業生（2018）等榮譽。 IEEE Membership, 中國自動化學會會員，IEEE PES 中國區技術委員會動力電池技術分委會理事。擔任IEEE Transactions on Industrial Electronics, IEEE Transactions on Industrial Informatics, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, IEEE Transactions on Vehicular Technology等國際*SCI期刊的審稿人。
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