本發(fā)明屬于鋰離子電池充電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種軌道交通用車(chē)載儲(chǔ)能鋰離子電池的優(yōu)化充電方法。

背景技術(shù)：

根據(jù)軌道交通動(dòng)力系統(tǒng)的需求，選擇具有長(zhǎng)壽命、寬溫度范圍、高倍率和輕量化等特性的車(chē)載儲(chǔ)能系統(tǒng)，不僅響應(yīng)國(guó)家節(jié)能、環(huán)保的號(hào)召，還可以降低人工維護(hù)成本，符合我國(guó)鐵路建設(shè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃目標(biāo)。鋰離子電池以其高能量密度、可模組化和可靠性等優(yōu)點(diǎn)成為目前最常用的軌道交通車(chē)載儲(chǔ)能元件。

目前，鋰離子電池廣泛使用恒流恒壓(cc-cv)充電方法。首先，使用恒定的電流(cc)對(duì)電池進(jìn)行充電，當(dāng)電池電壓達(dá)到充電截止電壓時(shí)，再進(jìn)行恒壓充電(cv)，充電電流逐漸減小，當(dāng)電池充電電流減小到某一值時(shí)，充電結(jié)束。這種充電方法容易控制，在恒壓階段，極化電壓和歐姆電壓降低，電池能夠充滿電，但是充電所需時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，且存在影響電池壽命等問(wèn)題，已經(jīng)成為限制鋰離子電池用于軌道交通車(chē)載儲(chǔ)能系統(tǒng)的技術(shù)瓶頸。

鋰離子電池的優(yōu)化充電方法是一個(gè)值得研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，各種充電方法層出不窮，試圖達(dá)到提高充電速度同時(shí)降低電池衰退速度的目標(biāo)。各種優(yōu)化充電方法各有優(yōu)點(diǎn)和不足，基于電流波形改進(jìn)的優(yōu)化充電方法直觀，便于控制，但是電流變化的依據(jù)不足；基于電池模型的優(yōu)化充電方法能夠把電氣特性和電池反應(yīng)機(jī)理聯(lián)系起來(lái)，但是模型參數(shù)的辨識(shí)更新是難點(diǎn)；基于電池材料改進(jìn)的優(yōu)化充電方法在電池的經(jīng)濟(jì)性，穩(wěn)定性，安全性等方面有待進(jìn)一步測(cè)試。

結(jié)合鋰離子電池的電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理和其電氣特性，優(yōu)化充電策略，是當(dāng)前鋰離子電池優(yōu)化充電研究的發(fā)展動(dòng)向。極化電壓是聯(lián)系電池內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)與電池外部電氣特性的橋梁。極化電壓過(guò)大將使電池充不滿電并導(dǎo)致電池內(nèi)部活性材料的損失進(jìn)而影響電池壽命。大電流充電將導(dǎo)致極化電壓過(guò)大，因此，極化電壓限制了鋰離子電池的最大充電電流。溫度是鋰離子電池充電過(guò)程中需要考慮的重要因素，溫度過(guò)高，電池正極晶格結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性變差，電池的安全性降低，容易引起電池?zé)崾Э亍?/p>

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了彌補(bǔ)現(xiàn)有的軌道交通車(chē)載儲(chǔ)能鋰離子電池充電方法無(wú)法兼顧充電速度和電池循環(huán)壽命的不足，本發(fā)明結(jié)合鋰離子電池電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理和外部電氣特性，基于鋰離子電池循環(huán)壽命特性，計(jì)算電池全生命周期內(nèi)的最大充電電流和充電截止電壓，并以此作為約束，以縮短充電時(shí)間和控制電池充電溫升為目標(biāo)，構(gòu)造優(yōu)化充電目標(biāo)函數(shù)，通過(guò)遺傳算法尋找最優(yōu)充電電流，以兼顧縮短充電時(shí)間和降低充電溫升這兩個(gè)相互矛盾的目標(biāo)，在無(wú)損電池壽命的前提下提高充電速度。

為達(dá)到以上目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

一種軌道交通用車(chē)載儲(chǔ)能鋰離子電池的優(yōu)化充電方法，包含以下步驟：

s1、基于電池衰退機(jī)理計(jì)算鋰離子電池全生命周期內(nèi)的最大充電電流，并以最大充電電流作為優(yōu)化充電電流選擇的邊界條件；

s2、基于電池衰退機(jī)理計(jì)算鋰離子電池全生命周期內(nèi)的最大充電截止電壓，并以最大充電截止電壓作為整個(gè)優(yōu)化充電過(guò)程的充電截止電壓；

s3、以△soc為間隔劃分充電soc區(qū)間，劃分為n步，在基于極化電壓限制的最大充電電流的約束下，確定每步的充電電流；

s4、根據(jù)步驟s3中得到的每步的充電電流計(jì)算每步充電電流對(duì)應(yīng)的電池充電時(shí)間，即每步充電時(shí)間，計(jì)算公式如下：

公式(3)中，tk表示每步充電時(shí)間，ik為每步的充電電流，△soc為每步充電對(duì)應(yīng)的電池荷電狀態(tài)的變化量，q為電池當(dāng)前的容量；

然后根據(jù)每步充電時(shí)間計(jì)算n步總充電時(shí)間，計(jì)算公式如下：

公式(4)中，t為n步總充電時(shí)間，qk為每步充電的充電容量，ik為每步的充電電流；

s5、根據(jù)步驟s4中的每步充電時(shí)間計(jì)算電池的每步充電溫升，計(jì)算公式如下：

其中，r為電池直流內(nèi)阻，h為電池表面與周?chē)h(huán)境間的對(duì)流傳熱系數(shù)，a為電池單體與周?chē)h(huán)境接觸表面積，為熵系數(shù)，tcell為電池溫度，tamb為周?chē)h(huán)境溫度，m為電池質(zhì)量，c為電池的平均比熱容，表示第k步充電起始電池溫度，tk表示第k步充電過(guò)程中電池溫度，ik為第k步的充電電流；第k步充電的電池初始溫度等于第k-1步充電結(jié)束時(shí)電池溫度；

然后根據(jù)電池的每步充電溫升，計(jì)算電池充電過(guò)程中的最大溫升，計(jì)算公式如下：

△t＝tmax-t1^st(6)

公式(6)中，△t表示最大溫升，tmax表示電池充電過(guò)程中的最大溫度，t1^st表示電池充電時(shí)的初始溫度；

s6、根據(jù)步驟s4計(jì)算得出的n步總充電時(shí)間和步驟s5計(jì)算得出的電池充電過(guò)程中的最大溫升構(gòu)造優(yōu)化充電目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化充電目標(biāo)函數(shù)采用歸一化線性打分制；

優(yōu)化充電目標(biāo)函數(shù)的公式如下所示：

其中，δtmax為最大允許溫升，δt0.05c為1/20c充電溫升，δt為最大溫升，t為n步總充電時(shí)間，tmax為最長(zhǎng)允許充電時(shí)間，tmin為以極化電壓限制的最大充電電流對(duì)應(yīng)的充電時(shí)間；加權(quán)系數(shù)α為時(shí)間加權(quán)系數(shù)，代表充電時(shí)間的重要程度，加權(quán)系數(shù)β為溫升加權(quán)系數(shù)，代表充電溫升的重要程度；加權(quán)系數(shù)α和加權(quán)系數(shù)β滿足如下關(guān)系式：

α+β＝1(8)；

s7、采用遺傳算法，尋找使優(yōu)化充電目標(biāo)函數(shù)的分值最高的充電電流，該充電電流就是最優(yōu)充電電流。

在上述方案的基礎(chǔ)上，步驟s1中，所述最大充電電流的計(jì)算方法具體為：

在電池未出現(xiàn)材料加速損失時(shí)，充電倍率為臨界充電倍率，在電池出現(xiàn)加速損失之后，使電池在加速損失之后的循環(huán)充電中容量衰退速率等于電池出現(xiàn)加速損失時(shí)刻的衰退速率，然后使用公式(1)計(jì)算電池在加速損失之后在不同老化階段的充電電流，電池在充電過(guò)程中，充電電流不能超過(guò)計(jì)算得出的充電電流的最大值，此充電電流的最大值即為電池的最大充電電流；

公式(1)中：capacityloss為容量損失，ds為容量衰退速率，a、b和c為電池容量衰退速率模型參數(shù)，ic為不同老化階段的充電電流。

在上述方案的基礎(chǔ)上，步驟s2中，所述最大充電截止電壓的計(jì)算方法具體為：

剛開(kāi)始使用時(shí)，電池以廠家給出的充電截止電壓進(jìn)行充電，以鋰離子電池出現(xiàn)加速損失時(shí)刻為轉(zhuǎn)折點(diǎn)降低充電截止電壓；

通過(guò)容量衰退速率與充電截止電壓之間的定量關(guān)系即公式(2)，使電池在加速損失之后的循環(huán)充電中容量衰退速率等于轉(zhuǎn)折點(diǎn)時(shí)的衰退速率，然后計(jì)算電池在加速損失之后不同老化階段的充電截止電壓,電池在充電過(guò)程中，充電電壓不能超過(guò)計(jì)算得出的充電截止電壓的最大值，此充電截止電壓的最大值即為電池的最大充電截止電壓；

公式(2)中：capacityloss為容量損失，ds為容量衰退速率,vc為不同老化階段的充電截止電壓。

在上述方案的基礎(chǔ)上，步驟s3中，所述充電soc區(qū)間為0％-90％，△soc＝10％，n等于9。

在上述方案的基礎(chǔ)上，步驟s6中，所述優(yōu)化充電目標(biāo)函數(shù)采用歸一化線性打分制，以最大允許溫升δtmax為60分，1/20c充電溫升δt0.05c為100分；以最長(zhǎng)允許充電時(shí)間tmax為60分，以極化電壓限制的最大充電電流對(duì)應(yīng)的充電時(shí)間tmin為100分，最長(zhǎng)允許充電時(shí)間是從用戶角度定制的。

在上述方案的基礎(chǔ)上，步驟s7中，所述遺傳算法的具體過(guò)程為：每步充電電流用相應(yīng)不同位數(shù)的二進(jìn)制數(shù)表示，二進(jìn)制位數(shù)的大小保證分辨率小于1a，一共需要47位二進(jìn)制數(shù)表示一組充電制式；每代共有二十個(gè)個(gè)體，在迭代100代后，遺傳算法迭代終止，輸出的結(jié)果即為最優(yōu)充電電流。

本發(fā)明的有益效果：以隨soc階梯變化的充電電流對(duì)鋰離子電池進(jìn)行充電，在充電初期以大電流充電，提高充電速度，在充電末期用小電流充電，以降低充電末期極化，從而充入更多容量，同時(shí)末期小電流充電可以減小溫升速度，從而限制電池充電溫升，防止電池?zé)崾Э?，提高電池壽命和充電安全性。不同soc區(qū)間的充電溫升速率不同，在溫升速率小的區(qū)間提高充電電流，在溫升速率大的區(qū)間降低充電電流，從而實(shí)現(xiàn)全程充電時(shí)間和充電溫升的平衡。

附圖說(shuō)明

本發(fā)明有如下附圖：

圖1是綜合考慮充電時(shí)間和充電溫升的優(yōu)化充電方法策略流程圖。

圖2是鋰離子電池全生命周期內(nèi)的最大充電電流和充電截止電壓示意圖。

圖3是綜合考慮充電時(shí)間和充電溫升的最優(yōu)充電電流電壓曲線。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

s1、基于電池衰退機(jī)理計(jì)算鋰離子電池全生命周期內(nèi)的最大充電電流，并以最大充電電流作為優(yōu)化充電電流選擇的邊界條件。

在電池未出現(xiàn)材料加速損失時(shí)，充電倍率為臨界充電倍率，在電池出現(xiàn)加速損失之后，使電池在加速損失之后的循環(huán)充電中容量衰退速率等于電池出現(xiàn)加速損失時(shí)刻的衰退速率，然后使用公式(1)計(jì)算電池在加速損失之后不同老化階段的充電電流，電池在充電過(guò)程中，充電電流不能超過(guò)計(jì)算得出的充電電流的最大值，此充電電流的最大值即為電池的最大充電電流；

式中：capacityloss為容量損失，ds為容量衰退速率，a、b和c為電池容量衰退速率模型參數(shù)，ic為不同老化階段的充電電流。

s2、基于電池衰退機(jī)理計(jì)算鋰離子電池全生命周期內(nèi)的最大充電截止電壓，并以最大充電截止電壓作為整個(gè)優(yōu)化充電過(guò)程的充電截止電壓。

剛開(kāi)始使用時(shí)，電池以廠家給出的充電截止電壓進(jìn)行充電，以鋰離子電池出現(xiàn)加速損失時(shí)刻為轉(zhuǎn)折點(diǎn)降低充電截止電壓。通過(guò)容量衰退速率與充電截止電壓之間的定量關(guān)系即公式(2)，使電池在加速損失之后的循環(huán)充電中容量衰退速率等于轉(zhuǎn)折點(diǎn)時(shí)的衰退速率，然后計(jì)算電池在加速損失之后不同老化階段的充電截止電壓，電池在充電過(guò)程中，充電電壓不能超過(guò)計(jì)算得出的充電截止電壓的最大值，此充電截止電壓的最大值即為電池的最大充電截止電壓。

式中：capacityloss為容量損失，ds為容量衰退速率,vc為不同老化階段的充電截止電壓。

s3、以△soc為間隔劃分充電soc區(qū)間，劃分為n步，在基于極化電壓限制的最大充電電流的約束下，確定每步的充電電流；

其中優(yōu)化充電soc區(qū)間為0％-90％，△soc＝10％，所以n等于9。

s4、根據(jù)步驟s3中得到的每步的充電電流計(jì)算每步充電電流對(duì)應(yīng)的電池充電時(shí)間，即每步充電時(shí)間，計(jì)算公式如下：

公式(3)中，tk表示每步充電時(shí)間，ik為每步的充電電流，△soc為每步充電對(duì)應(yīng)的電池荷電狀態(tài)的變化量，q為電池當(dāng)前的容量；

然后根據(jù)每步充電時(shí)間計(jì)算n步總充電時(shí)間，計(jì)算公式如下：

公式(4)中，t為n步總充電時(shí)間，qk為每步充電的充電容量，ik為每步的充電電流；

s5、根據(jù)步驟s4中的每步充電時(shí)間計(jì)算電池每步充電溫升，計(jì)算公式如下：

其中，r為電池直流內(nèi)阻，h為電池表面與周?chē)h(huán)境間的對(duì)流傳熱系數(shù)，a為電池單體與周?chē)h(huán)境接觸表面積，為熵系數(shù)，tcell為電池溫度，tamb為周?chē)h(huán)境溫度，m為電池質(zhì)量，c為電池的平均比熱容，表示第k步充電起始電池溫度，tk表示第k步充電過(guò)程中電池溫度，ik為第k步的充電電流；第k步充電的電池初始溫度等于第k-1步充電結(jié)束時(shí)電池溫度；

然后根據(jù)電池的每步充電溫升，計(jì)算電池充電過(guò)程中的最大溫升，最大溫升為充電過(guò)程中的最大溫度減去初始溫度；計(jì)算公式如下：

△t＝tmax-t1^st(6)

公式(6)中；△t表示最大溫升，tmax表示電池充電過(guò)程中的最大溫度，t1^st表示電池充電時(shí)的初始溫度；

s6、根據(jù)步驟s4計(jì)算得出的n步總充電時(shí)間和步驟s5計(jì)算得出的電池充電過(guò)程中的最大溫升構(gòu)造優(yōu)化充電目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化充電目標(biāo)函數(shù)采用歸一化線性打分制；

優(yōu)化充電目標(biāo)函數(shù)的公式如下所示：

其中，δtmax為最大允許溫升，δt0.05c為1/20c充電溫升，δt為最大溫升，t為n步總充電時(shí)間，tmax為最長(zhǎng)允許充電時(shí)間，tmin為以極化電壓限制的最大充電電流對(duì)應(yīng)的充電時(shí)間，加權(quán)系數(shù)α為時(shí)間加權(quán)系數(shù)，代表充電時(shí)間的重要程度，加權(quán)系數(shù)β為溫升加權(quán)系數(shù)，代表充電溫升的重要程度；加權(quán)系數(shù)α和加權(quán)系數(shù)β滿足如下關(guān)系式：

α+β＝1(8)；

構(gòu)造優(yōu)化充電目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化充電目標(biāo)函數(shù)包含兩部分：總充電時(shí)間和充電溫升，使總充電時(shí)間越短越好，充電溫升越小越好。優(yōu)化充電目標(biāo)函數(shù)采用歸一化線性打分制，以最大允許溫升δtmax為60分，1/20c充電溫升δt0.05c為100分。以最長(zhǎng)允許充電時(shí)間tmax為60分，以極化電壓限制的最大充電電流對(duì)應(yīng)的充電時(shí)間tmin為100分，最長(zhǎng)允許充電時(shí)間從是用戶角度定制的。

s7、采用遺傳算法，尋找使優(yōu)化充電目標(biāo)函數(shù)的分值最高的充電電流，該充電電流就是最優(yōu)充電電流。

遺傳算法的具體過(guò)程為：每步充電電流可變范圍在最大電流與最小電流之間。每步充電電流用相應(yīng)不同位數(shù)的二進(jìn)制數(shù)表示，二進(jìn)制位數(shù)的大小保證分辨率小于1a，一共需要47位二進(jìn)制數(shù)表示一組充電制式。每代共有二十個(gè)個(gè)體，在迭代100代后，終止迭代，輸出的結(jié)果即為最優(yōu)充電電流。

在劃分出的每一個(gè)soc區(qū)段內(nèi)有m個(gè)可選充電電流值，這樣一共有mⁿ種充電電流組合方式，每一種充電電流組合方式對(duì)應(yīng)一個(gè)目標(biāo)函數(shù)分值，則分值最高的就是最優(yōu)充電電流。

本說(shuō)明書(shū)中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。