大功率快速充电动力电池自引发内短路演变机制及安全充电方法研究

The rapid development of electric vehicle industry puts forward higher requirements for the energy supply of electric vehicles. The high-power charging mode is an important technical way to realize the rapid energy supply of electric vehicles. However, the study found that due to the improper charging management, the lithium plating will seriously affect the safety and durability of the power battery. This project puts forward the mechanism of the lithium plating process of the power battery, to obtain the criteria for lithium plating during the high-power charging process, and will reveal evolution mechanism of self-initiated internal short-circuit of the battery during high-power fast charging process. On the basis of this, the project studies the quick identification method of internal short-circuit of power battery, which provides guidance for the safety early warning management of high power charging of electric vehicles. At the same time, we will combine with lithium plating criteria, carry out multi-objective optimization charging strategy that is conducive to power battery safety and durability, and eventually build a reliable operation mechanism suitable for high-power fast charging of power battery. The research results will provide theoretical support for the management of power battery in high-power fast charging process, which is helpful to expand the research and engineering application of rapid energy supply technology for electric vehicles.

电动汽车产业的快速发展，对电动汽车的能源补给提出了更高的要求。采用大功率充电方式是实现电动汽车能源快速补给的重要技术途径。但研究发现，由于充电管理不当造成动力电池负极析锂，将严重影响动力电池的安全性和耐久性。本项目提出对动力电池负极析锂机理进行研究，获得大功率充电过程动力电池负极析锂的判据，揭示大功率快速充电过程电池自引发内短路的演化机制。在此基础上，研究动力电池自引发内短路快速识别方法，为电动汽车大功率快速充电的安全预警管理提供指导依据。同时结合动力电池负极析锂判据，开展有利于动力电池安全性和耐久性的多目标优化充电策略的研究，最终构建一种适用于动力电池大功率快速充电可靠运行机制。研究结果将为大功率快速充电过程的动力电池管理提供理论支撑，有利于拓展电动汽车能源快速补给技术研究和工程应用。

锂离子动力电池大功率快速充电过程中，如果充电管理不当，极容易产生负极的析锂情况，由析锂所造成的自引发内短路，严重影响动力电池的耐久性和安全性。分析大功率充电过程的析锂过程，以及由析锂所造成的自引发内短路的演变过程，准确识别动力电池组自引发内短路，实现故障预警和安全充电方法对电池快速充电管理具有重要的研究意义。本项目利用实验分析了锂离子动力电池析锂过程，提出了一种模拟动力电池自引发内短路的等效实验方法，设计了基于数据驱动的动力电池组自引发内短路识别方法，并开展了多目标优化的安全充电方法研究。项目研究基本完成目标，主要成果体现在：1）利用不可逆能量变化和能量占比变化描述了不同充电倍率下析锂及活性材料损失的变化情况，从能量角度有效揭示动力电池在不同充电倍率、不同环境温度条件下的耐久性演变过程；2）在设计了锂离子电池自引发内短路等效实验的基础上，提出了一种基于电压余弦相似性的内短路识别方法，解决了传统方法依赖精确电池模型，对故障特征分离能力弱的问题；3）提出了一种基于生物地理学优化算法的充电策略，有效解决了锂电池大功率充电的非线性时变优化问题。项目研究共发表论文9篇，授权发明专利6项，培养硕士研究生5人，获得中国电源学会技术发明二等奖1项。本项目开展的大功率快速充电锂离子电池自引发内短路识别和安全快速充电技术研究，将为电动汽车超级快充的推广应用提供重要的理论和实验基础，同时能够为面向大功率快速充电的动力电池组设计和管理提供重要设计思路和指导原则。