2023新能源车充电关键技术研究报告

清華大学 TsinghuaUniversity 2023能源创新青年论坛 分论坛2：能源与交通融合发展 新能源车充电关键技术研究 韩雪冰王昱李亚伦欧阳明高 车辆与运载学院，智能绿色车辆与交通全国重点实验室，清华大学 Email:hanxuebing@tsinghua.org.cn 2023年11月20日 研究背景与研究现状 先进传感与智能电池 CONTENTS机理模型与充电控制电池衰减与光储充换工作总结与未来展望 研究背景与研究现状 先进传感与智能电池 CONTENTS机理模型与充电控制电池衰减与光储充换工作总结与未来展望 3 研究背景 “中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和 措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力 争取2060年前实现碳中和。" 一习近平总书记在2020年联合国大会 的重要讲话 能源结构转型是实现双碳自标的必由之路，电力改革是主于通道，交通电气化是加速引擎 9年 中国安电结陶变化 101929011201220132014201520192017 文电发电器同卷性可再生服源发电器 +一火电点比 研究背景 电源端：可再生能源装机增量全球第一，光伏出货量占全球70%，但风电光伏靠天吃饭，供需无法平衡 口2035年，风电光电将占80%以上的装机容量和40%以上的电量， 口2035年，光伏发电成本可降至0.1元/度，风电成本可降至0.2元/度， 250未来风电和光伏成本将继续下降超超临界煤电未来风电和光伏的波动与平衡问题 天然气发电 2 200大型光伏电站 陆上风电 150 100 海上风电营规水电一核电 50完伏+绪能 风电+储能 -户用分车式光伏 201020152020202520302035204020452050 工商用分布式TineHour 121 5 研究背景 负荷端：新能源汽车销量全球第一，动力电池产量占全球近70%，但无序充电逐渐对电网造成严重冲击 注宅小送南线（单位：W） 0096 办2区负曲线（单位：WW） ER 特电式理台动力来用车从2012年的1万辆增长到2022年680万辆 电电动客车 0025542188 电动车专专用车 125电动车汽8车 纯电动乘用车 2122 6 研究背景电动汽车的规模化发展正推动我国能源产业向低碳/电气/智能化转型 400 350 400 350 电动汽车燃油车 300/公园 49/250 150 100 50 电功率 200 0 1.020112012201320142015201620172018 光线风电 LeafBMWBVDBvDChewyNEOModelx Qin13%20% 美国电网可雨生能源发电比例 80%1009 可再生能源消纳电动汽车大功率快充新能源车用新能源电 能源转型交通基建低碳环保 ·大规模可再生能源消纳如何 ·电动汽车大功率快充如何更 ·新能源车如何更多地利用新 更好地与电网相互融合 有效地缓解对电网的冲击 能源电实现真正的低碳环保 发展“光储充”直流微网 建设低碳化、电气化与智能化的新一代交通-能源一体化能源互联网 7 研究思路 智能电池充电控制光储充换 内置传感电池多维多场模型电池衰退机理与特性 智能电池电热优化快充技术光储充换综合能源补给站 高欣正楼 自合两分子电经器热护零化 PTCS磨实屋 8 研究背景与研究现状 ■先进传感与智能电池 CONTENTS机理模型与充电控制电池衰减与光储充换工作总结与未来展望 6 智能电池 长寿命电位传感器 探索智能膜电极制备，测试了不同基底、不同浆料配方，取代了原有电池隔膜，厚度~10μm，并通过厚度、孔隙率调控，实现长循环性能与稳定的电位测量 2014-20192019-20202020-今 Gen.1维超细探针Gen.2多孔长寿命Gen.3薄膜低阻隔 优势：工艺简单优势：寿命长 不足：寿命较短不足：相对阻隔效误差大应较大，兼容性差 优势：寿命长、阻隔效应小1 不足：功能较单一 11 智能电池 系统性研究了参比阻隔效应，形成了三电极电池模型，开发了参比电位误差修正算法，大幅度减少了测量误差 ■基于P2D电化学颗粒模型分析测量误差 0.25去极化过程的测量误差负极电位修正前后对比 0.20 0.15 20.10 WN"AR 真实极化电位 109 负极电位估计方法 0.33C真实的负极电位占比，结果为为真实负极电位 88021008 测量误差肺倍率上升而增加 测量的负极电位占比，结果为负极电位测量值 口随充电倍率升高，参比处极化电压偏差引起的误差增大。价于两者之间（中间值），结果为具有安全裕度的估计值 JoumalofPowerSources481(2021)228933JoumalofEnergyChemistry67(2022)344512 智能电池 以电位传感为核心，结合无线通讯技术，实现多传感融合智能电池集成，并开发了相应的管理算法 团队智能隔膜寿命：3500h分布式电位传感植入与缺陷检测模组级别测试，电池状态监测 而目前论文的最高水平：静态1600h六传感分布式植入、覆盖电池全范围系统级别测试、状态估计+故障诊断 EnergyEnviron.Sci_2023,16,2448 研究背景与研究现状 先进传感与智能电池 CONTENTS机理模型与充电控制电池衰减与光储充换工作总结与未来展望 14 电池最优充电控制 总体思路 外特性内特性耐久性影响 电流端电压升高正极电位升高正极过渡金属 溶解 电制流控 锂离子电池 温度控制 表面温度升高负极电位降低 内部温度升高 电池厚度增加 宏观形变：正极体积减小 负极SEI增厚 电解液分解 (如脉冲加热、PTC加热等) 外测特住监测 负极体积增加活性材料破碎 - 微观应力负极析锂 加速 内特性观测： 管理系统 基于模型的多目标优化使用策略+ 动力输出强寿命损失小安全无风险 SEI分解等热失 控链式副反应 安全性影响 15 充电MAP与电热耦合模型开发 电池充电MAP标定面向快充控制的热电耦合模型开发 电位滤动<2.0mV 可精准预测电位的P2D模型电池循环过程正常衰减长寿命智能电位传感器开发热电耦合分极模型建立 新鲜电池和95%SOH电池快充Map图更新不同温度和充电工况下的精准电位与温度预测 16 基于负极电位观测器的无析锂快速充电策略 推导出不析锂最优充电电流L免控电滤对U基于简化模型的负极电位闭环观测器 Lakel 电荷转移极化阻抗 1 AOOL-A001(Ces-lbop) doquodo An4.2FBatVoltage X - 考虑SEI膜、电容的最 优电流 3.72- U .0.21 50100150200250300 fa= ,+e+T R,(1e)+R .=R_C. 350 电池最优充电电流 （不析锂极限电流） Current "lt-.... 0.4 0.3 安全快速充电控制算法 a RT NA 2a,o 33.6 充电电流在线控制器 ≥0.5 Close-4oop Bat Bat 0. 20.1号 100 s.mem.pK,(VbarVo)IAlm50 200400 Times 0.5 200 Time/s 400 0.20.4.0.60.8 Time(h) 0.1 HC,=[K,(VarVa),K,(rVe),0,0,0,0)" 60200 Time/s 400200400 Timek 17 考虑夏天高温的充电控制策略 夏季电池温度高，快充可能导致温度进一步升高，引起安全性问题。 基于模型预测控制（MPC）的锂离子电池快充策略开发框架电池快充控制结果：限制负极电位和温度 RealBatterystraa MC CCC Charger Utx,Tpat,k Ik,opt Optimizer StateObserver AUtk ATrat,k 100020003000 Time(s) 0.4 0.8 I.k+..k+.0.6 40 Van.k,Tbat.k(a) Objectiveonstrains: IIIII 0.2 Funetion Mm,TatJim BatteryModel MPC 254 200400 Time(s) 6008001000 100020003000 Time(s) 18 考虑冬天低温的充电控制策略 冬季电池温度低，阻抗大，充电 慢甚至无法充电。 >10h -Time 切换温度切换温度 设定 无析折锂最优快充 TimeTime 提高温度抑制析锂预热快充 T(C) 单次加热电池状态变化 脉冲预热国 双向桩的低温切换温度1切换温度2 超充技术！调整电流 某-SOc获得无析锂最 大电流幅值 某一温度 负极电位 口析锂闯值电位 T(°C)soc 0.75 875 脉冲加热Map无析锂快充Map二次加热电池状态变化 基于实验的Map图获取全范围的电流控制方法19 高能量效率 考虑冬天低温的充电控制策略 充电快 均无析锂 A.E均>75%但与充电速率仍有Trade-off Tuidi 摘权法优化切换温度 0 25 0.8060 3040 0.7868 升温快 控制稳定 -5 22 0.7998 FNoheating Preheating -5 25 0.7956 预热显著加快充电速率 湿(°C)切换温度[℃) 0220.8101 Qr= Gr= Ey=4rm 归一化 样本比重 maxf=mg目标函数 倍率始终很低-5300.7887 154充电初期倍率可以达到4C-5400.7765 E= 信息 Pyin(au) 电位在析锂阀值内 0.12502300.675.0.750 Map控制下电位稳定在析 -10250.7822k,= 1E, 权重 KZE 0.0理鲫值内-10300.7754 0.6250.750 温度保持在环境值附近升温迅速：3~5C/min -10400.7633f=0.66328;+0.33672#, 低成本 可面向不同电池系统 20.1250.2500.37E0.5000.6250.759依附双向充电桩 SOC上升量先快后慢，无需外部设备 获取相应充电和加热Map SOC上升缓慢利于快速补电优化切换温度 6.1250.25C.37528250.75成本取决于电价实现优异的低温快充 20 研究背景与研究现状 先进传感与智能电池 CONTENTS机理模型与充电控制电池衰减与光储充换工作总结与未来展望 22 互补型超快能源补给系统：新能源汽车时代的”加油站 光-储-充-换一体化互补型智慧能源系统 储能和快换系统 控制保护系统 能量管理和微网 Energystorage& oattenyswappingsystem 超级充电系统 Vchare Enereymarntsvsten 23 关键在于电池寿命 口基本思想：面向智慧能源系统，如何开发一口降维电化学-半经验公式模型 种兼顾计算量与精度的电池衰减模型？本质是将单颗粒模型（1维）向半 经验公式模型（0维）进行降维 计算效率与模型精度的Trade-off √SEI膜增厚副反应 隔 +活性材料损失副反应 负极正极√析锂副反应 SE/c, Computational 创集流体 Li,CsLiFePO efficiency EM SEMROSEM (a) SEIM活性材料新出的锂 ROM R, P2D )(e](d)24 电池衰减模型 基于电池衰减的第一性原理，建立了三种副反应之间 内部特征参数的耦合关系方程 newSEIfilo SE膜增厚子模型SEI膜增厚，应力模式变化 ,SOC,Thg()=nFk,C,(R,1)exp(RTg) RT 活性材料损失子模型 电池状输入G,(R,)+20,(R,)Qar SEIgrowthLAM Lithiumplating LSO,T 析锂子模型 Ou-fi(na Rm SEI膜增厚，内阻 增大，极化电压增 大，负极电位降低 活性材料损失，固相体积分数降低，电流密度增大，负极电位 Run 输出参数 降低 ted 输入参数解合参数 25 模型仿真结果 模