基于充电时间与电池自身能量损耗的锂电池最优充电电流获得方法与流程

本发明属于锂电池充电技术领域。

背景技术：

目前锂电池采用最多的充电方法是恒流恒压充电方法，首先对电池以恒定电流充电，当电池电压达到一定值后采用恒压充电至充电电流小于某值时结束。此种充电方法简单且容易控制，但恒流阶段充电电流的选择基本是靠经验获得，其对电池自身上能量损耗和充电时间的影响是不确定的。

电池自身能量损耗是电池发热的主要原因，电池发热容易引起电池热失控；而充电时间过长是制约电池推广使用的重要因素之一。通常充电电流增大，充电时间变小，而电池自身的能量损耗会增大，这是一个相互矛盾的问题。

技术实现要素：

本发明是为了解决现有锂电池充电电流增大，充电时间减小，而电池自身损耗增大的问题，现提供基于充电时间与电池自身能量损耗的锂电池最优充电电流获得方法。

基于充电时间与电池自身能量损耗的锂电池最优充电电流获得方法，

所述方法包括以下步骤：

充电过程划分步骤：将充电过程划分为n个充电阶段，其中soc从0至1的增长过程中，每增加p％soc为一个充电阶段；

模型建立步骤：建立锂电池的一阶rc等效电路模型，该模型包括以下参数：受控电压源、电池内阻、极化电阻和极化电容；

边界条件确定步骤：利用充电实验确定每个充电阶段中一阶rc等效电路模型的参数和充电电流选取的边界条件；

目标函数建立步骤：建立以整个充电过程中充电时间与电池自身能量损耗为对象的目标函数f：

其中，ij是第j个充电阶段的充电电流，rj(ij)是第j个充电阶段在充电电流为ij时的内阻阻值，δj是第j个充电阶段的充电时间，w1j是第j个充电阶段内极化电阻上的能量损耗；

最优电流获得步骤：利用动态规划算法对目标函数f进行优化，使目标函数取得最小值，获得每个充电阶段的最优充电电流。

本发明以不同soc(预估电池荷电状态，stateofcharge)下电池的最大充电电流为边界条件，以整个充电过程中的充电时间和电池自身能量损耗为对象构建目标函数，采用动态规划算法对目标函数进行优化，从而得到使整个充电过程中基于充电时间与电池自身损耗的最优充电电流。

本发明所述的一种基于锂电池充电时间与自身能量损耗的最优充电电流获得方法，涉及电池充电技术领域，以不同soc水平下电池的最大充电电流为边界条件，综合考虑电池充电时间与电池自身能量损耗这两个相互矛盾的方面，构建以这两个方面为对象的目标函数。进一步把充电过程以soc每变化5％分为n步，采用动态规划算法，从最后一步往前计算，得到每一步充电过程的电流，从而使整个充电过程达到最优，电池自身损耗与恒流恒压充电方法相比降低了5％。

附图说明

图1为基于充电时间与电池自身能量损耗的锂电池最优充电电流获得方法的流程图流程；

图2为每个充电阶段电池对应的一阶rc等效电路模型示意图；

图3为充电实验的流程图；

图4为利用动态规划算法对目标函数f进行优化的方法流程图；

图5为经过优化后获得的最优充电电流曲线示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1、图2和图5具体说明本实施方式，本实施方式所述的基于充电时间与电池自身能量损耗的锂电池最优充电电流获得方法，包括以下步骤：

充电过程划分步骤：将充电过程划分为n个充电阶段，其中soc从0至1的增长过程中，每增加p％soc为一个充电阶段；

模型建立步骤：建立锂电池的一阶rc等效电路模型，该模型包括以下参数：受控电压源、电池内阻、极化电阻和极化电容；

边界条件确定步骤：利用充电实验确定每个充电阶段中一阶rc等效电路模型的参数和充电电流选取的边界条件；

目标函数建立步骤：建立以整个充电过程中充电时间与电池自身能量损耗为对象的目标函数f：

其中，ij是第j个充电阶段的充电电流，rj(ij)是第j个充电阶段在充电电流为ij时的内阻阻值，δj是第j个充电阶段的充电时间，w1j是第j个充电阶段内极化电阻上的能量损耗；

最优电流获得步骤：利用动态规划算法对目标函数f进行优化，使目标函数取得最小值，获得每个充电阶段的最优充电电流。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于充电时间与电池自身能量损耗的锂电池最优充电电流获得方法作进一步说明，本实施方式中，利用以下方法确定每个充电阶段中一阶rc等效电路模型的参数和充电电流选取的边界条件：

每一充电阶段中，充电倍率从0.1c(c表示电池额定容量)开始，充电倍率每增加0.1c进行一次充电实验，至充电倍率达到锂电池允许最大充电倍率为止，共进行x次充电实验，获得x组一阶rc等效电路模型的参数和x个最大充电电流，将x个最大充电电流拟合为一条电流曲线，将该电流曲线作为当前充电阶段的充电电流选取的边界条件。

具体实施方式三：参照图3具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二所述的基于充电时间与电池自身能量损耗的锂电池最优充电电流获得方法作进一步说明，本实施方式中，充电实验前，首先把充电实验过程划分为m个实验阶段，其中，soc从0至1的增长过程中，每增加q％soc为一个实验阶段，

所述充电实验包括以下步骤：

步骤11：对锂电池充电10s后静止5min，获得第i个实验阶段的一阶rc等效电路模型参数，其中i的初始值为1，然后执行步骤12；

步骤12：对锂电池充电，并判断锂电池电压是否大于充电截止电压，是则执行步骤16，否则执行步骤13；

步骤13：判断锂电池充电容量是否大于等于i×q％soc，是则使i＝i+1，然后执行步骤14，否则返回步骤12；

步骤14：判断i是否大于m，是则执行步骤16，否则执行步骤15；

步骤15：将锂电池静止3h，然后返回步骤11；

步骤16：结束充电实验，并将此时锂电池soc所对应的最大充电电流为当前充电实验的最大充电电流。

本实施方式中，一个充电实验能够获得m个实验阶段的一阶rc等效电路模型参数和一个充电实验的最大充电电流。每个实验阶段中，充电倍率为当前充电阶段的充电倍率。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式三所述的基于充电时间与电池自身能量损耗的锂电池最优充电电流获得方法作进一步说明，本实施方式中，获得第i个实验阶段的一阶rc等效电路模型参数具体为：

以非线性最小二乘法进行参数辨识，获得第i个实验阶段的一阶rc等效电路模型参数。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于充电时间与电池自身能量损耗的锂电池最优充电电流获得方法作进一步说明，本实施方式中，第j个充电阶段的充电时间δj通过以下公式获得：

其中，s(j)为第j个充电阶段的soc水平，cap为锂电池的额定容量，单位为ah。

具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于充电时间与电池自身能量损耗的锂电池最优充电电流获得方法作进一步说明，本实施方式中，第j个充电阶段内极化电阻上的能量损耗w1j通过以下公式获得：

其中，δ为采样时间，α为第j个充电阶段的采样个数，r1j(ij)和c1j(ij)分别为第j个充电阶段极化电阻值和极化电容值，u1j为第j个充电阶段起始时刻极化电容上的电压。

本实施方式中，首先，设第j个充电阶段中每个采样时间为δ，则第j个充电阶段的采样个数α为：

则第j个充电阶段内极化电阻上的能量损耗w1j为：

为第j个充电阶段任意采样时刻k的充电电流，其表达式为：

因此，w1j能够改写为：

受上一充电阶段的影响，极化电容每一充电阶段起始时刻的电压是上一充电阶段末尾时刻的电压，为了表达极化电容在每个充电阶段起始时刻的电压，采用从最后一个充电阶段往前递推的方法。由于最后一个充电阶段的充电电流很小，充电时间相对较长，因此认为最后一个充电阶段的最后时刻极化电阻上的电流in已达到稳态：

其中，i1nm是最后充电阶段最后时刻极化电阻上的电流，δn为最后一个充电阶段的充电时间，r1n(in)为最后一个充电阶段极化电阻在电流为in时的阻值，c1n(in)为最后一个充电阶段极化电容在电流为in时的电容值，u1n为最后一个充电阶段起始时刻极化电容上的电压；

可以得出最后一个充电阶段起始时刻极化电容上的电压u1n，而此时极化电容上的电压又是上一个充电阶段末尾时刻的电压：

i1(n-1)m为第n-1个充电阶段最后时刻极化电阻上的电流，r1(n-1)是第n-1个充电阶段极化电阻在电流为in-1时的阻值，in-1为第n-1个充电阶段的充电电流，u1(n-1)为第n-1个充电阶段起始时刻极化电容上的电压，r1(n-1)(in-1)为第n-1个充电阶段极化电阻在电流为in-1时的阻值，c1(n-1)(in-1)为第n-1个充电阶段极化电容在电流为in-1时的电容值，δ(n-1)为第n-1个充电阶段的充电时间。

可以得出极化电容在第n-1个充电阶段起始时刻的电压。通过不断由后往前递推，可以得到极化电容在每个充电阶段的起始时刻的电压u1j。

具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于充电时间与电池自身能量损耗的锂电池最优充电电流获得方法作进一步说明，本实施方式中，利用动态规划算法对目标函数f进行优化的方法为：

步骤21：使j的初始值为n，附加一个充电阶段，即：第n+1阶段，且锂电池自身能量损耗wn+1(in+1)＝0，充电时间tn+1(in+1)＝0，然后执行步骤22，

步骤22：令

0<in<inmax

0<in-1<i(n-1)max

...

0<ij<ijmax

其中，ijmax为第j个充电阶段充电电流选取的边界条件，j＝1,2,...,n。

步骤23：判断以下公式是否成立：

tj(ij)＝opt(δj+tj+1)

opt＝min{wj(ij)tj(ij)}

是则使j＝j-1，然后返回步骤22，否则执行步骤24，

上式中，δ为采样时间，rj(ij)为第j个充电阶段在充电电流为ij时的内阻阻值，i1jk为第j个充电阶段第k个充电时刻极化电阻的电流，wj(ij)为第j个充电阶段起始时刻到充电结束时电池自身的能量损耗，tj(ij)为第j个充电阶段起始时刻到充电结束时的时间，tj+1为第j+1个充电阶段起始时刻到充电结束时的时间，opt表示最优；

步骤24：判断j是否为1，是则完成优化，否则返回步骤22。