[發(fā)明專利]一種軌道交通用車載儲(chǔ)能鋰離子電池的優(yōu)化充電方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201611077567.4
• 申請(qǐng)日: 2016-11-29
• 公開（公告）號(hào): CN107039696B
• 公開（公告）日: 2019-04-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 況陽;高洋;韓偉;姜延輝;萬爭;龔敏明;張彩萍;張維戈
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京交通大學(xué);中車長春軌道客車股份有限公司
• 主分類號(hào): H01M10/44
• 分類號(hào): H01M10/44;H02J7/00
• 代理公司: 北京衛(wèi)平智業(yè)專利代理事務(wù)所(普通合伙) 11392
• 代理人: 董琪

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載儲(chǔ)能鋰離子電池的優(yōu)化充電方法。基于鋰離子電池循環(huán)壽命衰退特性，計(jì)算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，并在此最大充電電流和充電截止電壓的約束下，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)，使用遺傳算法尋找最優(yōu)充電電流，以平衡減少充電時(shí)間和降低充電溫升這兩個(gè)互相矛盾的目標(biāo)。結(jié)果表明，此優(yōu)化充電電流在保證充電快速性的同時(shí)，控制充電過程的極化電壓和溫升在允許的范圍內(nèi)，保證了充電容量、充電效率和充電安全性和電池壽命。

技術(shù)領(lǐng)域

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，選擇具有長壽命、寬溫度范圍、高倍率和輕量化等特性的車載儲(chǔ)能系統(tǒng)，不僅響應(yīng)國家節(jié)能、環(huán)保的號(hào)召，還可以降低人工維護(hù)成本，符合我國鐵路建設(shè)的長遠(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)間過長，且存在影響電池壽命等問題，已經(jīng)成為限制鋰離子電池用于軌道交通車載儲(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，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(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>

發(fā)明內(nèi)容

為了彌補(bǔ)現(xiàn)有的軌道交通車載儲(chǔ)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(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：