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电动汽车动力电池寿命衰减的影响因素分析

电源技术 2022年第12期46卷 1353-1356页

作者：宗磊朱峰杜峰王辰北京国家新能源汽车技术创新中心有限公司北京100174

动力电池使用寿命一直是决定电动汽车动力特性、安全特性及梯次利用价值的关键参数。然而在实际使用过程中,动力电池使用寿命会受到制造工艺和服役环境中多种因素的影响,导致其衰减过程呈现非线性、耦合性和随机性等特征。基于动力电池... 详细信息

动力电池使用寿命一直是决定电动汽车动力特性、安全特性及梯次利用价值的关键参数。然而在实际使用过程中,动力电池使用寿命会受到制造工艺和服役环境中多种因素的影响,导致其衰减过程呈现非线性、耦合性和随机性等特征。基于动力电池的结构组成及汽车的驾驶习惯,从内部因素和外部因素两方面总结了导致动力电池寿命衰减的原因,可为今后的电池性能设计和寿命评估提供重要参考。

关键词：动力电池寿命衰减健康状态可用容量

基于寿命衰减的质子交换膜燃料电池混合能量管理方法研究

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基于寿命衰减的质子交换膜燃料电池混合能量管理方法研究

作者：游航华中科技大学

学位级别：硕士

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)是一种在较低温度条件下工作,能将氢气化学能直接转化为电能的能源转换装置。PEMFC具有转换效率高,工作温度低,工作噪声低,排放无污染的优点,是未来固定式发电和载具能源... 详细信息

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)是一种在较低温度条件下工作,能将氢气化学能直接转化为电能的能源转换装置。PEMFC具有转换效率高,工作温度低,工作噪声低,排放无污染的优点,是未来固定式发电和载具能源的一种优质方案。然而,寿命衰减是限制其应用的一个主要原因。在应用场景中变化的负载以及不当的操作对PEMFC的寿命有很大影响。因此,从理论上分析衰减发生的原因以及通过控制手段来延缓衰老是非常重要的。本文从铂衰减机理上进行分析,建立了衰减模型和寿命指标。以混合能源系统的能量管理方法为手段,研究了燃料消耗低和寿命衰减少的多目标问题。本文首先通过对PEMFC催化层铂的溶解和沉积过程的机理进行分析,建立了基于电化学活化表面积(Electro Chemically active Surface Area,ECSA)的机理模型,该模型利用欧拉方法迭代计算发生在催化层铂粒子表面的化学反应速率,求得铂粒子粒径的变化从而推导ECSA的变化过程。随后分析了方波测试电压下ECSA的变化规律,提出了适用于工程的PEMFC衰减经验模型,以及抑制衰减的策略。依据各部件原理与守恒方程建立了系统各个部分的动态模型,包括燃料电池电堆及其供气系统,锂电池等,分析了系统各部件性能与控制量的关系。最后提出了基于规则的能量管理方法和以燃料最低和寿命衰减最小为目标的能量管理最优控制方法,在同一工况下对不同能量管理方法的结果作对比,并详细分析了寿命指标权重的影响,结果表明所提出的方法具有延长PEMFC使用寿命并兼顾燃料消耗低的优点。

关键词：质子交换膜燃料电池寿命衰减催化剂铂 ECSA 能量管理算法最优控制

考虑动力电池寿命衰减的燃料电池汽车能量管理策略研究

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考虑动力电池寿命衰减的燃料电池汽车能量管理策略研究

作者：杨丽丽吉林大学

学位级别：硕士

燃料电池汽车由于具有续航里程长、加氢速度快和清洁环保等优势,已成为当前新能源汽车行业关注的热点,开发和推广燃料电池客车是发展氢能源汽车行业的重要突破口,有利于促进“碳达峰”和“碳中和”目标的实现。当前燃料电池客车主要采... 详细信息

燃料电池汽车由于具有续航里程长、加氢速度快和清洁环保等优势,已成为当前新能源汽车行业关注的热点,开发和推广燃料电池客车是发展氢能源汽车行业的重要突破口,有利于促进“碳达峰”和“碳中和”目标的实现。当前燃料电池客车主要采用由燃料电池和动力电池组成的混合动力系统构型,而寿命和成本是制约燃料电池客车商业化发展的主要挑战。车辆全寿命周期成本主要包括购置成本和能量使用成本,燃料电池和动力电池作为燃料电池客车的主要购置成本,两者寿命会不可避免地随着使用而发生衰减,如何协调燃料电池和动力电池之间的能量分配是实现车辆节能、主动延长燃料电池与动力电池寿命以及降低车辆全寿命周期成本的关键。因此本文旨在从多因素控制角度开展均衡考虑燃料电池和动力电池寿命的能量管理策略研究。本文的主要研究内容包括:首先,搭建面向控制的电-电混合动力系统关键部件模型和整车纵向动力学模型,同时为主动优化燃料电池性能、延长动力电池寿命,分别对燃料电池和动力电池的寿命衰减机理及其影响因素进行分析,并进一步搭建面向控制的燃料电池性能衰退模型和动力电池寿命衰减模型,为下文能量管理策略的优化与验证奠定基础。其次,开展均衡考虑整车综合氢耗、燃料电池性能衰退和动力电池寿命衰减的多目标能量管理优化控制策略研究,引入燃料电池性能衰退权重系数和动力电池寿命衰减权重系数,将多目标优化问题转换为单目标优化问题,采用全局优化控制中经典的动态规划算法进行求解,通过选择合适的权重系数有效减缓燃料电池性能衰退速度和动力电池寿命衰减程度,降低车辆全寿命周期成本,仿真结果表明该策略可以实现良好的综合控制效果。但是基于动态规划算法的多目标全局优化控制策略计算负荷大,环境适应性较差,不适用于在线应用,但可为在线能量管理优化控制策略的设计和评价提供依据。最后,设计两种适用于解决全局优化控制不足的学习型能量管理优化控制策略,分别为基于神经网络的优化控制策略和基于深度强化学习的优化控制策略。前者基于全局优化结果训练神经网络以提取控制规则,能够保证整车经济性,减缓动力电池寿命衰减程度,但是难以同时兼顾燃料电池寿命;而后者在奖励信号中考虑了整车综合氢耗、燃料电池性能衰退、动力电池寿命衰减和电池荷电状态偏移四部分因素,不仅可以保证整车经济性和动力电池寿命,同时还可以改善燃料电池工作条件,实现均衡协调三者关系的目的,从而最大程度地提高系统综合性能,经过预训练的深度强化学习优化控制策略可以取得更佳的综合控制效果,并且基于深度强化学习的优化控制策略具有良好的工况适应性。本文开展的均衡考虑燃料电池性能衰退和动力电池寿命衰减的能量管理优化控制策略研究对加快燃料电池汽车的商业化发展具有一定意义。

关键词：燃料电池汽车能量管理寿命衰减多目标全局优化学习型优化控制

锂离子动力电池寿命衰减机理及热行为仿真研究

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锂离子动力电池寿命衰减机理及热行为仿真研究

作者：李旭东西安理工大学

学位级别：硕士

随着锂离子电池日益广泛的应用,其安全隐患也愈发突出。然而,实验表征在解释电池内部微观机理方面存在一定的局限性。因此,本文围绕这一主线,通过有限元模拟系统研究了其寿命衰减、SEI膜生长、电沉积等三大关键问题:（1）基于有限元理论... 详细信息

随着锂离子电池日益广泛的应用,其安全隐患也愈发突出。然而,实验表征在解释电池内部微观机理方面存在一定的局限性。因此,本文围绕这一主线,通过有限元模拟系统研究了其寿命衰减、SEI膜生长、电沉积等三大关键问题:（1）基于有限元理论,建立了电化学-热耦合模型。低温或大倍率充放电过程均引起电极颗粒内部锂浓度梯度的增大,进而导致电池容量的衰减。极化热和欧姆热分别在小大倍率充放电过程中占主导因素:（2）在（1）基础上建立了负极SEI膜生长动力学模型,并通过实验数据佐证了模拟结果。在电池前300周循环中,SEI膜形成较快,膜厚度达8 nm;经过后期循环扩展进一步长大,其膜厚最终可达35nm,且SEI膜的生成导致电池容量损失14%。（3）基于相场理论,研究了 Li传质过程对锂沉积微结构的影响。低温、低浓度电解液等因素均加剧电极附近Li-浓度梯度,进而导致锂沉积较不均匀。

关键词：锂离子电池寿命衰减 SEI膜电沉积有限元

电网侧大规模电化学储能运行效率及寿命衰减建模方法综述

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电力系统自动化 2020年第12期44卷 193-207页

作者：贺鸿杰张宁杜尔顺葛毅康重庆电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室清华大学北京市100084 国网江苏省电力有限公司经济技术研究院江苏省南京市210008

电化学储能在电力系统中扮演着重要的角色,近期对电网侧大规模电化学储能参与电力系统调度运行及控制的研究层出不穷。电化学储能的运行效率和寿命衰减特性受到储能充放电速率、充放电深度和运行温度的非线性影响,这些影响在现有的电网... 详细信息

电化学储能在电力系统中扮演着重要的角色,近期对电网侧大规模电化学储能参与电力系统调度运行及控制的研究层出不穷。电化学储能的运行效率和寿命衰减特性受到储能充放电速率、充放电深度和运行温度的非线性影响,这些影响在现有的电网侧电化学储能研究中考虑的并不全面。文中介绍了锂离子电池、超级电容和全钒液流电池3种电化学储能系统的原理与特点,综述并归纳了这3种电化学储能系统运行效率的建模方法和寿命衰减的建模方法。最后,提出了电网侧大规模电化学储能系统运行效率和寿命衰减建模方法有待进一步考虑的问题,并对未来的研究方向进行了展望。

关键词：电化学储能运行效率寿命衰减荷电状态放电深度

大规模风光储场站群功率跟踪优化控制实时仿真

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电力建设 2024年第8期45卷 62-74页

作者：孙浩男杜鹏刘念杨珞妍张玮胡德鹏新能源电力系统全国重点实验室(华北电力大学) 北京市102206 中国长江三峡集团有限公司科学技术研究院北京市100038

“双碳”目标下,风光储场站群将成为新型电力系统电源侧的典型形态,功率跟踪控制是其并网运行应具备的基本能力。提出一种考虑储能寿命损耗的风光储场站群功率跟踪优化控制策略及其闭环仿真方法。首先,以某地大规模风光储场站群示范工... 详细信息

“双碳”目标下,风光储场站群将成为新型电力系统电源侧的典型形态,功率跟踪控制是其并网运行应具备的基本能力。提出一种考虑储能寿命损耗的风光储场站群功率跟踪优化控制策略及其闭环仿真方法。首先,以某地大规模风光储场站群示范工程作为仿真对象,搭建了基于实时数字仿真器(real time digital simulator,RTDS)的硬件在环实时仿真平台;然后,考虑储能运行状态对储能寿命衰减的影响,建立了精细化的储能寿命退化模型,并进一步提出基于储能等寿命退化的风光储场站群功率指令分配策略和基于储能实时补偿的风光储场站指令跟踪策略。最后,通过对不同测试工况、不同时间尺度的算例闭环仿真测试,验证了所提控制策略的有效性和鲁棒性。

关键词：风光储场站群功率跟踪实时仿真寿命衰减等寿命退化微增率

基于机器学习方法的锂离子电池RUL预测方法

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机电产品开发与创新 2024年第4期37卷 108-111,115页

作者：刘佳琛张东沈阳工程学院电力学院辽宁沈阳110136 沈阳工程学院新能源学院辽宁沈阳110136

随着新能源汽车和电力系统电化学储能发展的需要,锂离子电池正在得到社会的普遍关注。然而,锂离子电池由于其内部化学反应所导致的储能能力会逐渐减弱,鉴于此,本研究将焦点放在了储能电池剩余寿命的问题上,并以神经网络为基础进行深入... 详细信息

随着新能源汽车和电力系统电化学储能发展的需要,锂离子电池正在得到社会的普遍关注。然而,锂离子电池由于其内部化学反应所导致的储能能力会逐渐减弱,鉴于此,本研究将焦点放在了储能电池剩余寿命的问题上,并以神经网络为基础进行深入研究。首先,文章介绍了基本的神经网络结构,然后利用神经网络对大量数据进行了训练和学习。通过这一过程,成功构建了储能电池剩余寿命的预测模型,为电池寿命问题提供了一种全新的解决途径。通过建立预测模型,我们不仅能够更好地理解储能电池的寿命特性,还为其使用和管理提供了有效的参考依据。这一研究成果对电网调峰调频中储能电池的合理运用具有重要意义。

关键词：锂离子电池神经网络寿命衰减 CNN LSTM

基于寿命模型的混合储能参与二次调频的经济性研究

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现代电力 2021年第2期38卷 205-212页

作者：孟杰丁泉陈孝煜钱国明黄超国电南京自动化股份有限公司江苏省南京市210032

针对储能电池在参与电网二次调频过程中的寿命损耗问题,提出一种计及电池寿命的混合储能参与调频的控制策略。在含有磷酸铁锂电池和铅炭电池的混合储能系统中,考虑放电深度、循环使用次数等因素,建立电池寿命模型;在功率分配环节,利用... 详细信息

针对储能电池在参与电网二次调频过程中的寿命损耗问题,提出一种计及电池寿命的混合储能参与调频的控制策略。在含有磷酸铁锂电池和铅炭电池的混合储能系统中,考虑放电深度、循环使用次数等因素,建立电池寿命模型;在功率分配环节,利用一阶低通滤波器对区域控制需求信号进行高低频的划分;综合考虑混合储能损耗、调频需求及评价指标等约束,以滤波时间常数为优化变量,进而建立以经济效益最大为目标的混合储能系统调频模型。利用Matlab/Simulink对含有混合储能的区域电网二次调频模型进行仿真验证,结果表明该模型不仅能有效改善调频性能,而且对降低电池损耗及后期更换成本具有重要意义。

关键词：混合储能寿命衰减二次调频评价指标

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基于应力场的锂离子电池正极多尺度失效研究

无机材料学报 2022年第8期37卷 918-924页

作者：陈莹栾伟玲陈浩峰朱轩辰华东理工大学机械与动力工程学院石化行业动力电池系统与安全重点实验室教育部承压系统与安全重点实验室上海200237 思克莱德大学机械与航空工程系英国格拉斯哥G11XJ

锂离子电池已广泛应用于动力和储能领域,电池寿命是影响其进一步发展的关键因素。循环充放电过程中的电化学-力学多场耦合作用会导致正极材料发生机械损伤累积,降低电极材料的结构稳定性并形成多尺度损伤,从而缩短电池循环充放电寿命。... 详细信息

锂离子电池已广泛应用于动力和储能领域,电池寿命是影响其进一步发展的关键因素。循环充放电过程中的电化学-力学多场耦合作用会导致正极材料发生机械损伤累积,降低电极材料的结构稳定性并形成多尺度损伤,从而缩短电池循环充放电寿命。本文通过总结团队在三元正极材料多尺度失效行为方面的研究成果,系统介绍了不同尺度下实验与模拟相结合的电极材料损伤分析方法,旨在为不同尺度下选取损伤分析方法提供参考。基于电化学循环实验表征、扩展有限元分析法(XFEM)、线性匹配法(LMM)等研究手段,深入分析了电极材料在多尺度下的力学损伤机理。研究工作为电极材料的多尺度失效行为分析及结构改性提供了重要指导。

关键词：锂离子电池正极应力场多尺度失效寿命衰减