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- Advanced Model-Based Charging Control for Lithium-Ion Batteries（基于先进模型的锂离子电池充电控制）
- 作者：欧阳权,陈剑
- 策划编辑：俞道凯 胡周昊
- ISBN：978-7-5772-0798-8
- 图书开本：B5
- 出版日期：2024-05-31
- 定价：128.00元
- 所属丛书：节能与新能源汽车关键技术研究丛书
图书简介
可充电锂离子电池因其能量密度高、循环寿命长、成本下降等优点，已广泛应用于从电动汽车到微电网等众多行业的储能领域。充电是锂离子电池补充和储存能量的重要过程，充电策略的好坏极大地影响着锂离子电池的性能和寿命。用精确的数学模型进行分析和预测在充电过程中电池状态的变化，基于先进模型的充电策略可以提供优异的充电性能，如延迟电池寿命的退化。因此，研究基于先进模型的锂离子电池充电控制策略具有重要的工程和学术价值。基于此，本书将从基础理论到实际设计和应用，详细介绍目前最先进的基于模型的锂离子电池充电控制技术，特别是在电池建模、状态估计和最优充电控制方面。此外，还介绍了一些必要的设计考虑因素，如集中式和领导-追随结构的电池组充电控制，为提高充电性能和延长电池/电池组的寿命提供了出色的解决方案。本书所提供的丰富的材料和知识，可以让我们从理论设计到工程应用对电池充电控制技术有足够的了解。
书籍目录
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
AI助教
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