本發(fā)明屬于鋰離子電池充電技術領域，具體涉及一種軌道交通用車載儲能鋰離子電池的優(yōu)化充電方法。

背景技術：

根據(jù)軌道交通動力系統(tǒng)的需求，選擇具有長壽命、寬溫度范圍、高倍率和輕量化等特性的車載儲能系統(tǒng)，不僅響應國家節(jié)能、環(huán)保的號召，還可以降低人工維護成本，符合我國鐵路建設的長遠規(guī)劃目標。鋰離子電池以其高能量密度、可模組化和可靠性等優(yōu)點成為目前最常用的軌道交通車載儲能元件。

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)對電池進行充電，當電池電壓達到充電截止電壓時，再進行恒壓充電(cv)，充電電流逐漸減小，當電池充電電流減小到某一值時，充電結束。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，但是充電所需時間過長，且存在影響電池壽命等問題，已經成為限制鋰離子電池用于軌道交通車載儲能系統(tǒng)的技術瓶頸。

鋰離子電池的優(yōu)化充電方法是一個值得研究的熱點問題，各種充電方法層出不窮，試圖達到提高充電速度同時降低電池衰退速度的目標。各種優(yōu)化充電方法各有優(yōu)點和不足，基于電流波形改進的優(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機理聯(lián)系起來，但是模型參數(shù)的辨識更新是難點；基于電池材料改進的優(yōu)化充電方法在電池的經濟性，穩(wěn)定性，安全性等方面有待進一步測試。

結合鋰離子電池的電化學反應機理和其電氣特性，優(yōu)化充電策略，是當前鋰離子電池優(yōu)化充電研究的發(fā)展動向。極化電壓是聯(lián)系電池內部電化學反應與電池外部電氣特性的橋梁。極化電壓過大將使電池充不滿電并導致電池內部活性材料的損失進而影響電池壽命。大電流充電將導致極化電壓過大，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程中需要考慮的重要因素，溫度過高，電池正極晶格結構穩(wěn)定性變差，電池的安全性降低，容易引起電池熱失控。

技術實現(xiàn)要素：

為了彌補現(xiàn)有的軌道交通車載儲能鋰離子電池充電方法無法兼顧充電速度和電池循環(huán)壽命的不足，本發(fā)明結合鋰離子電池電化學反應機理和外部電氣特性，基于鋰離子電池循環(huán)壽命特性，計算電池全生命周期內的最大充電電流和充電截止電壓，并以此作為約束，以縮短充電時間和控制電池充電溫升為目標，構造優(yōu)化充電目標函數(shù)，通過遺傳算法尋找最優(yōu)充電電流，以兼顧縮短充電時間和降低充電溫升這兩個相互矛盾的目標，在無損電池壽命的前提下提高充電速度。

為達到以上目的，本發(fā)明所采用的技術方案是：

一種軌道交通用車載儲能鋰離子電池的優(yōu)化充電方法，包含以下步驟：

s1、基于電池衰退機理計算鋰離子電池全生命周期內的最大充電電流，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、基于電池衰退機理計算鋰離子電池全生命周期內的最大充電截止電壓，并以最大充電截止電壓作為整個優(yōu)化充電過程的充電截止電壓；

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算每步充電電流對應的電池充電時間，即每步充電時間，計算公式如下：

公式(3)中，tk表示每步充電時間，ik為每步的充電電流，△soc為每步充電對應的電池荷電狀態(tài)的變化量，q為電池當前的容量；

然后根據(jù)每步充電時間計算n步總充電時間，計算公式如下：

公式(4)中，t為n步總充電時間，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中的每步充電時間計算電池的每步充電溫升，計算公式如下：

其中，r為電池直流內阻，h為電池表面與周圍環(huán)境間的對流傳熱系數(shù)，a為電池單體與周圍環(huán)境接觸表面積，為熵系數(shù)，tcell為電池溫度，tamb為周圍環(huán)境溫度，m為電池質量，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步充電結束時電池溫度；

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

△t＝tmax-t1^st(6)

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

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

優(yōu)化充電目標函數(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步總充電時間，tmax為最長允許充電時間，tmin為以極化電壓限制的最大充電電流對應的充電時間；加權系數(shù)α為時間加權系數(shù)，代表充電時間的重要程度，加權系數(shù)β為溫升加權系數(shù)，代表充電溫升的重要程度；加權系數(shù)α和加權系數(shù)β滿足如下關系式：

α+β＝1(8)；

s7、采用遺傳算法，尋找使優(yōu)化充電目標函數(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。

在上述方案的基礎上，步驟s1中，所述最大充電電流的計算方法具體為：

在電池未出現(xiàn)材料加速損失時，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)加速損失時刻的衰退速率，然后使用公式(1)計算電池在加速損失之后在不同老化階段的充電電流，電池在充電過程中，充電電流不能超過計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。

在上述方案的基礎上，步驟s2中，所述最大充電截止電壓的計算方法具體為：

剛開始使用時，電池以廠家給出的充電截止電壓進行充電，以鋰離子電池出現(xiàn)加速損失時刻為轉折點降低充電截止電壓；

通過容量衰退速率與充電截止電壓之間的定量關系即公式(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折點時的衰退速率，然后計算電池在加速損失之后不同老化階段的充電截止電壓,電池在充電過程中，充電電壓不能超過計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。

在上述方案的基礎上，步驟s6中，所述優(yōu)化充電目標函數(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；以最長允許充電時間tmax為60分，以極化電壓限制的最大充電電流對應的充電時間tmin為100分，最長允許充電時間是從用戶角度定制的。

在上述方案的基礎上，步驟s7中，所述遺傳算法的具體過程為：每步充電電流用相應不同位數(shù)的二進制數(shù)表示，二進制位數(shù)的大小保證分辨率小于1a，一共需要47位二進制數(shù)表示一組充電制式；每代共有二十個個體，在迭代100代后，遺傳算法迭代終止，輸出的結果即為最優(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鋰離子電池進行充電，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，防止電池熱失控，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，從而實現(xiàn)全程充電時間和充電溫升的平衡。

附圖說明

本發(fā)明有如下附圖：

圖1是綜合考慮充電時間和充電溫升的優(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是綜合考慮充電時間和充電溫升的最優(yōu)充電電流電壓曲線。

具體實施方式

以下結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。

s1、基于電池衰退機理計算鋰離子電池全生命周期內的最大充電電流，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，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)加速損失時刻的衰退速率，然后使用公式(1)計算電池在加速損失之后不同老化階段的充電電流，電池在充電過程中，充電電流不能超過計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、基于電池衰退機理計算鋰離子電池全生命周期內的最大充電截止電壓，并以最大充電截止電壓作為整個優(yōu)化充電過程的充電截止電壓。

剛開始使用時，電池以廠家給出的充電截止電壓進行充電，以鋰離子電池出現(xiàn)加速損失時刻為轉折點降低充電截止電壓。通過容量衰退速率與充電截止電壓之間的定量關系即公式(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折點時的衰退速率，然后計算電池在加速損失之后不同老化階段的充電截止電壓，電池在充電過程中，充電電壓不能超過計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算每步充電電流對應的電池充電時間，即每步充電時間，計算公式如下：

公式(3)中，tk表示每步充電時間，ik為每步的充電電流，△soc為每步充電對應的電池荷電狀態(tài)的變化量，q為電池當前的容量；

然后根據(jù)每步充電時間計算n步總充電時間，計算公式如下：

公式(4)中，t為n步總充電時間，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中的每步充電時間計算電池每步充電溫升，計算公式如下：

其中，r為電池直流內阻，h為電池表面與周圍環(huán)境間的對流傳熱系數(shù)，a為電池單體與周圍環(huán)境接觸表面積，為熵系數(shù)，tcell為電池溫度，tamb為周圍環(huán)境溫度，m為電池質量，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步充電結束時電池溫度；

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

△t＝tmax-t1^st(6)

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

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

優(yōu)化充電目標函數(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步總充電時間，tmax為最長允許充電時間，tmin為以極化電壓限制的最大充電電流對應的充電時間，加權系數(shù)α為時間加權系數(shù)，代表充電時間的重要程度，加權系數(shù)β為溫升加權系數(shù)，代表充電溫升的重要程度；加權系數(shù)α和加權系數(shù)β滿足如下關系式：

α+β＝1(8)；

構造優(yōu)化充電目標函數(shù)，優(yōu)化充電目標函數(shù)包含兩部分：總充電時間和充電溫升，使總充電時間越短越好，充電溫升越小越好。優(yōu)化充電目標函數(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。以最長允許充電時間tmax為60分，以極化電壓限制的最大充電電流對應的充電時間tmin為100分，最長允許充電時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不同位數(shù)的二進制數(shù)表示，二進制位數(shù)的大小保證分辨率小于1a，一共需要47位二進制數(shù)表示一組充電制式。每代共有二十個個體，在迭代100代后，終止迭代，輸出的結果即為最優(yōu)充電電流。

在劃分出的每一個soc區(qū)段內有m個可選充電電流值，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應一個目標函數(shù)分值，則分值最高的就是最優(yōu)充電電流。

本說明書中未作詳細描述的內容屬于本領域專業(yè)技術人員公知的現(xiàn)有技術。