CN109921493A - 一种基于锂离子电池交流阻抗等效电路模型的脉冲充电优化方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于锂离子电池交流阻抗等效电路模型的脉冲充电优化方法，涉及锂离子电池脉冲充电技术。本发明为解决了锂离子电池充电时间长，充电过程中产热严重的问题。本发明建立锂离子电池内部一阶交流阻抗等效电路模型与获得锂离子电池内部一阶交流阻抗等效电路模型的参数方程；利用最小二乘法对获得锂离子电池内部一阶交流阻抗等效电路模型的参数方程的参数进行辨识；利用锂离子电池内部一阶交流阻抗模型的参数，建立以锂离子电池内部交流阻抗与脉冲频率为对象的目标函数；利用非线性规划算法对目标函数进行优化，获得锂离子电池最优脉冲充电频率实现对锂离子电池脉冲充电的优化。本发明适用于优化锂离子电池脉冲充电频率。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池脉冲充电技术。
背景技术
先进的电池充电系统大多采用脉冲充电技术，使电池电解质中的锂离子分布更加均匀，达到减缓电池极化的目的，提高了充电速度和寿命。但是，传统的脉冲充电系统中最优的充电频率搜索方法多采用经验法和试错法。并无法实现减少充电时间的同时减少充电过程的产生热量。
发明内容
本发明是为了解决锂离子电池充电时间长，充电过程中产热严重的问题，提出了一种基于锂离子电池交流阻抗等效电路模型的脉冲充电优化方法。
本发明所述的一种基于锂离子电池交流阻抗等效电路模型的脉冲充电优化方法，该方法包括如下步骤：
步骤一、建立锂离子电池内部一阶交流阻抗等效电路模型，获得锂离子电池内部一阶交流阻抗等效电路模型的参数方程；
步骤二：利用最小二乘法对步骤一获得的参数方程中的参数进行辨识；
步骤三：利用步骤二中辨识的参数，建立以锂离子电池内部交流阻抗与脉冲频率为对象的目标函数；
步骤四：利用非线性规划算法对目标函数进行优化，获得锂离子电池最优脉冲充电频率，根据该频率对锂离子电池进行脉冲充电，实现对锂离子电池脉冲充电的优化。
本发明首先根据脉冲充电特性和锂离子电池交流充电机理建立锂离子电池内部一阶交流阻抗等效电路模型，然后利用最小二乘法对锂离子电池内部一阶交流阻抗模型的参数进行精确辨识，建立以锂离子电池内部一阶交流阻抗与脉冲频率为对象的目标函数，利用非线性规划算法对目标函数进行优化，得到最优脉冲充电频率，在最优脉冲充电频率下，电池充电过程中的能量损失最少，这意味着电能转化为化学能的能量损失最小。因此，在电池中获得最大能量转移效率。在最优脉冲充电频率下，锂离子电池内部交流阻抗最小，研究表明较小的电荷转移阻抗意味着更好的电化学反应，减少了电池充电过程中产生的热量，同时，缩短了电池的充电时间。
附图说明
图1是本发明所述方法的流程图；
图2是具体实施方式二所述的锂离子电池内部一阶交流阻抗等效电路模型图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。本申请实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
具体实施方式一：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述一种基于锂离步骤一、建立锂离子电池内部一阶交流阻抗等效电路模型，获得锂离子电池内部一阶交流阻抗等效电路模型的参数方程；
步骤二：利用最小二乘法对步骤一获得的参数方程中的参数进行辨识；
步骤三：利用步骤二中辨识的参数，建立以锂离子电池内部交流阻抗与脉冲频率为对象的目标函数；
步骤四：利用非线性规划算法对目标函数进行优化，获得锂离子电池最优脉冲充电频率，根据该频率对锂离子电池进行脉冲充电，实现对锂离子电池脉冲充电的优化。
本发明提出一种科学的方法专门用来探索锂离子电池的最佳充电频率。解决了传统方法存在耗时、不精确等弊端，本发明所提出的一种基于锂离子电池交流阻抗等效电路模型的脉冲充电优化方法对锂离子电池进行充电，可以获得最佳的充电性能。特别的是，采用本发明的脉冲充电优化方法可以明显提高充电效率、减小温升和延长使用寿命。
具体实施方式二：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式对实施方式一所述的一种基于锂离子电池交流阻抗等效电路模型的脉冲充电优化方法作进一步说明，锂离子电池内部一阶交流阻抗等效电路模型包括直流等效内阻R0、电荷转移等效电阻R1、交流等效电容C1、阳极等效电感L和开路等效电压源UOCV；
直流等效内阻R0的一端连接充电电源正极，直流等效内阻R0的另一端同时连接交流等效电容C1的一端和电荷转移等效电阻R1的一端；交流等效电容C1的另一端同时与电荷转移等效电阻R1的另一端和阳极等效电感L的一端连接，阳极等效电感L的另一端连接开路等效电压源UOCV的正极，开路等效电压源UOCV的负极连接充电电源负极。
具体实施方式三：本实施方式对实施方式二所述的一种基于锂离子电池交流阻抗等效电路模型的脉冲充电优化方法作进一步说明，步骤一获得的锂离子电池内部一阶交流阻抗等效电路模型的参数方程为：
其中，UOCV是锂离子电池的开路电压，I是锂离子电池的充电电流，L是阳极电感，R1是电荷转移电阻，C1是双层电容，R0是欧姆电阻，U是锂离子电池的端电压，s代表频域变量。
具体实施方式四：本实施方式对实施方式三所述的一种基于锂离子电池交流阻抗等效电路模型的脉冲充电优化方法作进一步说明，步骤二所述对步骤一获得的参数方程中的参数进行辨识的具体方法为：
步骤二一，对锂离子电池内部一阶交流阻抗等效电路模型的参数方程进行时域分析，获得公式2：
其中，a＝R1+R0，b＝R1C1R0+L，g＝R1C1，h＝R1C1L，T是采样周期，Uocv(k)是第k个充电阶段锂离子电池的开路电压，U(k)第k个充电阶段的锂离子电池的端电压，I(k)是第k个充电阶段的充电电流；
步骤二二、令代入公式2，获得公式(3)：
Uocv(k)-U(k)＝K1(Uocv(k-1)-U(k-1))+K2I(k)-K3I(k-1) (3)
步骤二三、利用最小二乘法求出K1、K2、K3，根据 获得参数R0，R1，C1，L的值，实现对参数R0，R1，C1，L的辨识。
具体实施方式五：本实施方式对实施方式四所述的一种基于锂离子电池交流阻抗等效电路模型的脉冲充电优化方法作进一步说明，步骤三中建立的以锂离子电池内部交流阻抗与脉冲频率为对象的目标函数具体为：
其中，fZmin是使锂离子电池内部交流阻抗最小时的脉冲频率。
本发明的利用最小二乘法对锂离子电池内部交流阻抗模型的参数进行辨识，具体辨识步骤如下所示：步骤1参照锂离子电池内部一阶交流阻抗模型，如图1所示，根据基尔霍夫第二定律，列写电压回路方程，其公式如下所示：
其中，UOCV是锂离子电池的开路电压，I是锂离子电池的充电电流，L是阳极电感，R1是电荷转移电阻，C1是双层电容，R0是欧姆电阻，U是锂离子电池的端电压。
步骤2：参照锂离子电池内部一阶交流阻抗模型，如图1所示，将步骤1的公式整理得：
sR1C1UOCV+UOCV＝I·(R1+R0)+s·I·(R1C1R0+L)+s2IR1C1L+sR1C1U+U
令a＝R1+R0，b＝R1C1R0+L，g＝R1C1，h＝R1C1L，
则将上述公式整理化简的：
UOCV+sgUOCV＝I·a+s·I·b+s2·I·h+s·g·U+U
步骤3：将步骤2中的频域分析转化为时域分析，将其离散化处理，令则步骤二二的化简公式转化为：
其中，T是采样周期，Uocv(k)是第k个充电阶段锂离子电池的开路电压，U(k)第k个充电阶段的锂离子电池的端电压，I(k)是第k个充电阶段的充电电流。
将上述转化后的公式整理化简得：
其中，则原式化简为：
步骤4：令则将步骤3的化简后的公式转化为：
Uocv(k)-U(k)＝K1(Uocv(k-1)-U(k-1))+K2I(k)-K3I(k-1)
其中，Uocv(k)是第k个充电阶段锂离子电池的开路电压，U(k)第k个充电阶段的锂离子电池的端电压，I(k)是第k个充电阶段的充电电流。
利用最小二乘法可将K1、K2、K3求出，又 则可将R0，R1，C1，L精确辨识出来。
将R0，R1，C1，L精确辨识出来，则锂离子电池内部一阶交流阻抗可表示为：
其中，ωs＝2πfs，fs为脉冲充电频率。
然后建立以锂离子电池内部交流阻抗与脉冲频率为对象的目标函数，其公式如下所示：
其中，fZmin是使锂离子电池内部交流阻抗最小时的脉冲频率。
利用非线性规划算法对目标函数即脉冲频率进行优化，即可得到最小化的锂离子电池交流阻抗频率(即最优脉冲充电频率)。在最优脉冲充电频率下，电池充电过程中的能量损失最少，这意味着电能转化为化学能的能量损失最小。因此，在电池中获得最大能量转移效率。在最优脉冲充电频率下，锂离子电池内部交流阻抗最小，研究表明较小的电荷转移阻抗意味着更好的电化学反应，进一步证明本发明提出的一种基于锂离子电池内部一阶交流阻抗模型的脉冲充电优化策略有效。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (5)
1.一种基于锂离子电池交流阻抗等效电路模型的脉冲充电优化方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤一、建立锂离子电池内部一阶交流阻抗等效电路模型，获得锂离子电池内部一阶交流阻抗等效电路模型的参数方程；
步骤二：利用最小二乘法对步骤一获得的参数方程中的参数进行辨识；
步骤三：利用步骤二中辨识的参数，建立以锂离子电池内部交流阻抗与脉冲频率为对象的目标函数；
步骤四：利用非线性规划算法对目标函数进行优化，获得锂离子电池最优脉冲充电频率，根据该频率对锂离子电池进行脉冲充电，实现对锂离子电池脉冲充电的优化。
2.根据权利要求1所述一种基于锂离子电池交流阻抗等效电路模型的脉冲充电优化方法，其特征在于，锂离子电池内部一阶交流阻抗等效电路模型包括直流等效内阻R0、电荷转移等效电阻R1、交流等效电容C1、阳极等效电感L和开路等效电压源UOCV；
直流等效内阻R0的一端连接充电电源正极，直流等效内阻R0的另一端同时连接交流等效电容C1的一端和电荷转移等效电阻R1的一端；交流等效电容C1的另一端同时与电荷转移等效电阻R1的另一端和阳极等效电感L的一端连接，阳极等效电感L的另一端连接开路等效电压源UOCV的正极，开路等效电压源UOCV的负极连接充电电源负极。
3.根据权利要求2所述一种基于锂离子电池交流阻抗等效电路模型的脉冲充电优化方法，其特征在于，步骤一获得的锂离子电池内部一阶交流阻抗等效电路模型的参数方程为：
其中，UOCV是锂离子电池的开路电压，I是锂离子电池的充电电流，L是阳极电感，R1是电荷转移电阻，C1是双层电容，R0是欧姆电阻，U是锂离子电池的端电压，s代表频域变量。
4.根据权利要求3所述一种基于锂离子电池交流阻抗等效电路模型的脉冲充电优化方法，其特征在于，所述步骤二包括：
步骤二一，对锂离子电池内部一阶交流阻抗等效电路模型的参数方程进行时域分析，获得公式2：
其中，a＝R1+R0，b＝R1C1R0+L，g＝R1C1，T是采样周期，Uocv(k)是第k个充电阶段锂离子电池的开路电压，U(k)第k个充电阶段的锂离子电池的端电压，I(k)是第k个充电阶段的充电电流；
步骤二二、令代入公式2，获得公式(3)：
Uocv(k)-U(k)＝K1(Uocv(k-1)-U(k-1))+K2I(k)-K3I(k-1)(3)
步骤二三、利用最小二乘法求出K1、K2、K3，根据 获得参数R0，R1，C1，L的值，实现对参数R0，R1，C1，L的辨识。
5.根据权利要求4所述一种基于锂离子电池交流阻抗等效电路模型的脉冲充电优化方法，其特征在于，步骤三中建立的以锂离子电池内部交流阻抗与脉冲频率为对象的目标函数具体为：
其中，fZmin是使锂离子电池内部交流阻抗最小时的脉冲频率。
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