一种基于多目标优化的锂离子电池快速充电方法技术

本发明专利技术公开了一种基于多目标优化的锂离子电池快速充电方法，包括以下步骤：建立锂离子电池的二阶RC等效电路，并根据等效电路得出锂电池在充电过程中的电

【技术实现步骤摘要】
一种基于多目标优化的锂离子电池快速充电方法


[0001]本专利技术属于锂电池充电控制领域，具体涉及一种基于多目标优化的锂离子电池快速充电方法。

技术介绍

[0002]锂离子电池由于能量密度高、低碳环保以及使用寿命长等特点，成为新能源电动汽车领域的核心储能器件，在无人飞行器、智能穿戴设备等领域也得到了广泛应用。锂离子电池在使用过程中，由于电流的热效应以及锂电池自身的电化学特性，会出现电池温度过高等安全性问题。由于锂电池的成本较高，且锂电池报废后会产生较难处理的电子垃圾，由此产生的锂电池使用寿命问题也愈发重要。
[0003]锂离子电池的快速充电问题是当前锂离子电池研究领域的热点之一。恒流恒压法(Constant Current Constant Voltage,CCCV)是目前常用使用最广泛的锂离子电池快速充电策略，该充电策略通过恒流与恒压两个阶段对电池进行充电，具有较强的操作性且实现方式简单，但是该充电策略会导致较高的充电温升，并对电池产生较大的容量损耗。
[0004]多级恒流充电策略在电池电压达到截止电压时，逐步降低充电电流，该方法在降低充电时间的基础上增加了电池的循环使用寿命，但是未考虑温度升高对于电池安全性的影响。当前的锂电池快速充电策略研究在充电时间、电池温度以及电池寿命等方面都具有较大的优化空间，可以在降低充电温升效应与容量损耗效应对电池安全性、耐用性的影响等方面对快速充电策略进行研究。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：本专利技术提供一种基于多目标优化的锂离子电池快速充电方法，实现锂离子电池的快速充电。
[0006]技术方案：本专利技术提供了一种基于多目标优化的锂离子电池快速充电方法，包括以下步骤：
[0007](1)建立锂离子电池的二阶RC等效电路，并根据等效电路得出锂电池在充电过程中的电
‑
热
‑
老化耦合模型；
[0008](2)根据锂电池的电
‑
热
‑
老化耦合模型，将锂电池充电过程中电量SOC达到预设电量所需要的充电时间作为目标项J1，将电池在充电过程中的最大温升作为目标项J2，将电池在千次循环充电情况下的容量损耗作为目标项J3，引入基准因子与权重系数，建立多目标优化的快速充电目标函数；
[0009](3)根据电池在不同SOC阶段的性能特点，采用多阶段恒流充电方法，通过社交网络搜索算法优化充电电流序列，得到目标函数值最小时对应的充电电流序列。
[0010]进一步地，步骤(1)所述电
‑
热
‑
老化耦合模型包括锂离子电池的电模型、热模型和老化模型；所述电模型采用二阶RC等效电路作为锂电池的等效模型，由开路电压V
OC
，等效电阻R0、R1、R2以及等效电容C1、C2组成；所述热模型采用双层热模型，包括电池核心与电池表面
之间的热传导以及电池表面与环境温度的热对流；所述老化模型采用基于半经验模型的锂电池容量损耗模型，涉及充电时间、环境温度、充放电深度以及充电倍率对电池容量的损耗。
[0011]进一步地，所述锂离子电池的热模型为双层热模型，包括电池核心与电池表面之间的热传导以及电池表面与环境温度的热对流：
[0012][0013][0014][0015]其中，T
c
(t)、T
s
(t)、T
f
(t)分别表示锂电池在充电过程中t时刻的核心温度、表面温度与环境温度，T
a
(t)表示在充电过程中t时刻的电池平均温度；R
u
、R
c
、C
c
与C
s
分别表示热对流电阻、热传导电阻、内部电容以及表面电容。
[0016]进一步地，所述基于半经验模型的锂电池容量损耗模型为：
[0017]A0＝32350exp(
‑
0.34C
rate
)+4041exp(0.13C
rate
)
[0018]A
h
＝N
·
DOD
·2[0019][0020]其中，A0为模型的前因子，A
h
为电池的安时吞吐量，N为循环充电的次数，C
rate
为充电倍率，DOD为充放电深度，R为理想气体常数。
[0021]进一步地，步骤(2)所述多目标优化的快速充电目标函数为：
[0022][0023]其中，J1、J2和J3分别为多目标函数的子目标项，γ1、γ2和γ3分别为各子目标项的权重系数，基准因子J
1b
、J
2b
、J
3b
为采用电流倍率为3C的恒流恒压充电策略下，各子目标项的目标值。
[0024]进一步地，步骤(3)所述多阶段恒流充电方法为：
[0025]在锂电池的充电过程中，随着SOC的增加，锂电池可接收的充电电流值逐渐降低，在不同的SOC阶段，需要采用不同的充电电流，将SOC的范围0％
‑
100％分为10个阶段，每阶段SOC对应一个恒定充电电流，即共采用10段电流序列对锂电池进行快速充电。
[0026]有益效果：与现有技术相比，本专利技术的有益效果：1、本专利技术的锂离子电池多目标优化快速充电控制策略与恒流恒压充电策略相比，缩短了充电时间，降低了充电过程中的最大温升较低，减小了容量损耗，达到了多目标优化的锂电池充电效果；2、本专利技术适用于不同的初始SOC，对于电池不同的初始SOC，都能较好地完成快速充电的多目标优化任务，体现了该快速充电策略的有效性。
附图说明
[0027]图1是电
‑
热
‑
老化耦合模型结构示意图；
[0028]图2是锂离子电池二阶RC等效电路示意图；
[0029]图3是不同充电策略下的充电电流对比图；
[0030]图4是不同充电策略下的实时SOC对比图；
[0031]图5是不同充电策略下的电池端电压对比图；
[0032]图6是不同充电策略下的电池平均温度对比图；
[0033]图7是不同充电策略下的电池剩余容量对比图。
具体实施方式
[0034]下面结合附图对本专利技术做进一步详细说明。
[0035]本专利技术提供一种基于多目标优化的锂离子电池快速充电方法，具体包括以下步骤：
[0036]步骤1：建立锂离子电池的二阶RC等效电路，并根据等效电路得出锂电池在充电过程中的电
‑
热
‑
老化耦合模型。
[0037]如图1所示，锂离子电池电
‑
热
‑
老化模型包括锂离子电池的电模型、热模型和老化模型。锂离子电池的二阶RC等效电路如图2所示，主要由开路电压V
OC
，等效电阻R0、R1、R2以及等效电容C1、C2组成，锂电池二阶RC电路的数学表达式为：
[本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多目标优化的锂离子电池快速充电方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)建立锂离子电池的二阶RC等效电路，并根据等效电路得出锂电池在充电过程中的电
‑
热
‑
老化耦合模型；(2)根据锂电池的电
‑
热
‑
老化耦合模型，将锂电池充电过程中电量SOC达到预设电量所需要的充电时间作为目标项J1，将电池在充电过程中的最大温升作为目标项J2，将电池在千次循环充电情况下的容量损耗作为目标项J3，引入基准因子与权重系数，建立多目标优化的快速充电目标函数；(3)根据电池在不同SOC阶段的性能特点，采用多阶段恒流充电方法，通过社交网络搜索算法优化充电电流序列，得到目标函数值最小时对应的充电电流序列。2.根据权利要求1的所述的一种基于多目标优化的锂离子电池快速充电方法，其特征在于，步骤(1)所述电
‑
热
‑
老化耦合模型包括锂离子电池的电模型、热模型和老化模型；所述电模型采用二阶RC等效电路作为锂电池的等效模型，由开路电压V
OC
，等效电阻R0、R1、R2以及等效电容C1、C2组成；所述热模型采用双层热模型，包括电池核心与电池表面之间的热传导以及电池表面与环境温度的热对流；所述老化模型采用基于半经验模型的锂电池容量损耗模型，涉及充电时间、环境温度、充放电深度以及充电倍率对电池容量的损耗。3.根据权利要求2的所述的一种基于多目标优化的锂离子电池快速充电方法，其特征在于，所述锂离子电池的热模型为双层热模型，包括电池核心与电池表面之间的热传导以及电池表面与环境温度的热对流：及电池表面与环境温度的热对流：及电池表面与环境温度的热对流：其中，T
c
(t)、T
s
(t)、T
f
(t)分别表示锂电池在充电过程中t时刻的核心温度...

【专利技术属性】
技术研发人员：张茂盛，欧阳权，方如意，王志胜，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：