一种锂离子电池安全快速优化充电方法

本发明属于锂离子电池应用领域，具体说是一种锂离子电池安全快速优化充电方法。

背景技术：

1、现今的能源及环境问题日趋严峻，气候变暖成为人类必须面对的一大难题。由于汽车尾气净化技术效果不佳，开发新能源汽车成为交通碳减排的理想选择。然而，锂离子电池充电速度的缓慢已成为限制新能源汽车进一步发展的重要因素之一。若采取不当的锂离子电池充电策略，不仅产生额外的能量损失，还可能导致锂离子电池寿命缩短甚至引发电池安全性问题。因此，开发既能实现电池快速充电又能够保证电池安全的充电策略十分必要。

2、目前，已公开的专利文件在电池快速优化充电方面，主要集中于几类：基于全电池极化电压的优化充电，基于负极电位反馈控制的连续变电流充电，以及基于三电极电池中负极电位的充电方法。

3、其中，专利文件cn105552465a提出了一种锂离子电池快速充电方法，首先获取锂离子电池电极的极化状态，根据电池正负极的极化电压确定充电过程中的最大充电电流倍率，并以此为依据使用遗传算法以全局优化的方式获取优化充电电流，但构建的等效电路模型准确度不高。

4、专利文件cn106450536a和专利文件cn110061315a均提出了基于反馈控制的电池快速充电方法，通过三电极电池或构建模型得到负极电位，加入反馈控制器得到连续变化的充电电流，但在负极电位控制时未充分考虑安全裕量，难以保证电池充电安全，此外，所提方法只考虑了充电的快速性，未考虑电池能耗的问题，且连续变化的电流不易控制。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种锂离子电池安全快速优化充电方法，既保证了锂离子电池充电过程中的安全性，又考虑了锂离子电池充电过程中的快速性，还降低了电池充电能耗。

2、一种锂离子电池安全快速优化充电方法，包括下述步骤：

3、获取电池负极电位；

4、以电池负极不析锂时的最大充电电流作为充电电流边界；

5、仿真采用不同数量的恒流充电阶梯数对电池进行充电至一定程度时的充电总时长，根据充电阶梯数对充电时间的影响确定充电阶梯数；

6、以电池参数为目标，分阶段优化得到避免电池发生析锂副反应的优化充电电流序列。

7、在上述方案的基础上，所述电池负极电位通过电池模型仿真获取，或者由三电极电池测量直接获取。

8、在上述方案的基础上，所述电池负极不析锂时的判断依据为负极表面固相锂离子浓度饱和，或负极表面固液相界面电位差大于一定的阈值，所述阈值取值范围为5～20mv；优选地，采用负极表面固液相界面电位差大于10mv。

9、根据所述判断依据，在相同的充电电流条件下，负极表面固相锂离子浓度饱和先达到饱和，负极表面固液相界面电位差大于设置的阈值，则以负极表面固相锂离子浓度饱和作为判据；反之，则以负极表面固液相界面电位差作为判据。

10、在上述方案的基础上，所述电池负极不析锂的最大充电电流从电池任意荷电状态开始计算，计算时需要考虑当前荷电状态下的锂离子浓度分布、全电池开路电压、负极电位。

11、在上述方案的基础上，电池的充电电流边界计算为分段进行，对应电池的荷电状态区间选择是任意的，每个区间内的电流是恒定的。

12、在上述方案的基础上，所述充电阶梯数是等长区间，或者是非等长区间，划分的区间数为2～8个；优选地，充电区间数为4-6个。

13、区间划分完成后，对比不同充电区间数的充电总时长，确定最终采用的充电区间数量。

14、在上述方案的基础上，利用所述电池模型中的热参数，仿真得到不同荷电状态、不同倍率下的能耗。

15、在上述方案的基础上，得到所述优化充电电流序列的步骤为：

16、利用各阶段电池参数，计算总充电时长；

17、利用电池模型计算电池能耗，选取锂离子电池不可逆热；

18、对充电时间与充电能耗进行归一化处理；

19、设置目标函数以及约束条件；

20、采用优化算法，对每个充电阶段进行能耗和时间优化；

21、当某一充电阶梯段优化完成后，依照该充电段优化的充电倍率更新下一充电阶梯段的析锂临界倍率；

22、依据更新的析锂临界倍率设定约束条件，依次得到同时考虑时间及能耗的阶梯充电电流序列。

23、确定好优化目标后，采用的优化算法包括但不限于进化算法、遗传算法、粒子群算法、禁忌搜索、分散搜索、模拟退火、人工免疫系统和蚁群算法等，优选地，遗传算法。

24、本发明还提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方案中任一项所述的方法的步骤。

25、本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述方案中任一项所述的方法的步骤。

26、其中，电池参数包括电池能耗、充电时间、电池寿命等。

27、电池类型包括液态锂离子电池、半固态锂离子电池、全固态锂离子电池等。

28、电池模型包括等效电路模型、电化学模型、电-热耦合模型、电-热-力耦合模型等。

29、三电极电池中的参比电极包括锂金属参比电极、钛酸锂参比电极、磷酸铁锂参比电极、金属合金参比电极等。

30、本发明的有益效果：

31、本发明充分考虑了电池温升对极化状态的影响，对充电结束时的负极电位设计了足够的安全裕量，同时保证电池充电过程中的安全性和快速性；当充电时长相同时，所提出的方法能耗有所降低。

32、所提出的方法可以实现对任意具有相同或相似反应原理电池类型的安全快速优化充电方法的制定，如果能够大范围推广，可以大幅度降低充电成本，提升电池充电的经济性。

技术特征：

1.一种锂离子电池安全快速优化充电方法，其特征在于，包括下述步骤：

2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池安全快速优化充电方法，其特征在于，所述电池负极电位通过电池模型仿真获取，或者由三电极电池测量直接获取。

3.根据权利要求1所述的一种锂离子电池安全快速优化充电方法，其特征在于，所述电池负极不析锂时的判断依据为负极表面固相锂离子浓度饱和，或负极表面固液相界面电位差大于一定的阈值，所述阈值取值范围为5～20mv；

4.根据权利要求1所述的一种锂离子电池安全快速优化充电方法，其特征在于，所述电池负极不析锂的最大充电电流从电池任意荷电状态开始计算。

5.根据权利要求1所述的一种锂离子电池安全快速优化充电方法，其特征在于，电池的充电电流边界计算为分段进行，对应电池的荷电状态区间选择是任意的，每个区间内的电流是恒定的。

6.根据权利要求1所述的一种锂离子电池安全快速优化充电方法，其特征在于，所述充电阶梯数是等长区间，或者是非等长区间，划分的区间数为2～8个；

7.根据权利要求2所述的一种锂离子电池安全快速优化充电方法，其特征在于，利用所述电池模型中的热参数，仿真得到不同荷电状态、不同倍率下的能耗。

8.根据权利要求1所述的一种锂离子电池安全快速优化充电方法，其特征在于，得到所述优化充电电流序列的步骤为：

9.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至8中任一项所述的方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至8中任一项所述的方法的步骤。

技术总结
本发明公开了一种锂离子电池安全快速优化充电方法。通过建立精准电池模型或设计三电极电池获取电池负极电位；充分考虑电池负极电位状态，以电池负极不析锂时的最大充电电流作为充电电流边界；仿真采用不同数量的恒流充电阶梯数对电池进行充电至一定程度时的充电总时长，根据充电阶梯数对充电时间的影响确定最佳充电阶梯数；以电池能耗、充电时间、电池寿命等作为目标，采用优化算法，分阶段优化得到避免电池发生析锂副反应的优化充电电流序列，对电池进行充电。采用该充电方法对电池充电，不仅提高了充电速度，保证了电池充电安全，并且与相同倍率的恒流充电制式相比能耗有所降低，为锂离子电池安全快速和优化充电领域提供了重要的参考价值。

技术研发人员：张琳静,张彩萍,李兴龙,张言茹,翟恪凡,袁晨阳,黄彧,周兴振
受保护的技术使用者：北京交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15