针对锂离子动力电池的充电电流优化研究

关键词：衰退模型；充电电流；电池老化

中图分类号：TM912.9 文献标识码：A

基金项目：2022年度湖南省教育厅科学研究项目（22C0855）

0引言

由于化石燃料日益匮乏，环保问题日益突出，许多国家和汽车公司高度关注电动汽车的发展，电动汽车凭借节能环保优势，无论在数量上还是技术上都取得了快速发展[1]，然而，电动汽车在实际运行过程中工况复杂，动力电池的放电过程受用户行为影响很大，不确定性突出，而电池的充电过程相对而言可控且稳定。但是，通常情况下的完整充电曲线难以获得，而且容易导致锂离子动力电池出现过度充放电的情况，甚至可能引起锂离子动力电池出现热失控、热扩散的严重事故，对用户人身以及设备财产安全造成巨大损害，而电池充放电策略的合理选择能有效延缓电池的老化，但常常被人们所忽略。

目前，常用的有恒流、恒压及恒流恒压等充电策略[2]。其中，恒流恒压法以其不依赖精确的锂离子电池模型、成本较低、结构简单，成为现今应用最为广泛的充电方式[3]。但是，传统恒流恒压法使用一个固定的经验电流值对电池进行循环寿命周期的充电，使得恒流充电过程对电池健康状态造成的影响最为严重，而采取固定充电电流值的累积影响则更会进一步加剧电池的老化[4]。

本文首先针对经典的电池容量衰退实验公式进行了精细的优化处理，然后基于电池健康状态进行了充电电流的优化求解。最终，本文得出了考虑电池健康状态的全过程下的最优充电电流分布，并通过仿真和实验验证了这一策略的可行性和有效性。

1电池容量衰退模型和充电电流规划

1.1电池容量衰退模型

作为典型的动态非线性系统，锂离子电池系统很难被精确描述，因此考虑上述问题，本文建立室内恒温条件下锂离子电池的容量退化经验模型并对此模型进行优化。

对历史实验数据进行分析，利用数据驱动的方法，得到描述锂离子电池老化行为的数学公式，由于该经验拟合模型具有较简明的模型结构，在实际应用具有较好的灵活性[5-6]。

在满足上述约束条件下，对公式中所述子区间内所包含的充放电过程进行预设次数的迭代，最终得到的电流即为该子区间内的最优充电电流。使用每个子区间内求解得到的最优充电电流对电池进行充电，就可以保证电池的寿命老化程度得到一定的延缓。

1.3不同N 值下的充电电流分布

选择某厂家动力锂离子电池老化实验数据对模型进行训练，其中老化实验锂离子单体电池参数如表1 所示。

对子区间数N的取值进行不同的选取，以电池容量衰退速率最小为目标，把初始容量作为起始点，对电池的充电电流决策值进行动态规划寻优。

由于上述不同的N 值使得电池总循环次数存在一定差异，因此选择将循环次数归一化处理为电池已损失的健康状态ΔSOH 。当电池容量损失达到初始容量的20%时，结束寻优过程，最终得到部分不同子区间下锂离子电池全过程下的充电电流分布情况（图4）。

2 优化充电电流下的电池老化仿真

在MATLAB中，根据上述公式搭建仿真模型，设定一个固定的1C速率的充电电流，并与历史的老化实验数据进行对比，相关结果如图5 所示。可以清晰看出，电池的健康状态随着电池循环次数的增加而逐渐衰减，图中所示此刻的总循环次数为1991次。可以看出本文所建立的电池容量衰退模型能够与实际的电池老化数据有较好的吻合，说明了文章建立模型的准确性。

使用当子区间N 取1 时对应的优化充电电流与1C固定充电倍率充电电流进行对照，基于上述建立的锂离子电池容量衰退模型进行老化仿真，最终结果如图6所示。可以看出，N取为1时，即采用优化充电电流对锂离子电池进行充电时，此时的电池寿命总循环次数为2198次。相比于固定倍率1C充电电流的对照组，延缓了近10.4%的电池寿命老化程度，即说明了本文提出的电池容量衰退模型的准确性以及优化充电电流对电池老化延缓的有效性。

重复上述模型仿真结果并进行分析后，得出了不同N 值下的总循环次数如表2所示。由表2可知，不同的N 值与对应的总循环次数并不成正相关，且不同N 值对应的总循环次数存在一定偏差。

对表2中的数据进一步分析，若N 取值越小，则收敛速度越快，但是得到的最优解仍有较大的优化潜力；若N 值过大时，可能出现寻优过程不收敛的情况。在考虑实际应用时的复杂性，N值不可以取得过高，否则寻优过程冗杂；N值取的过低时，优化效果仍然存在一定的提升空间。

但即使选择N取1时对应的优化充电电流分布对锂离子电池进行充电，也能延缓电池循环寿命10.4% 的老化程度。虽然实际的用车条件需要考虑的因素更多，但上述结果仍有一定的参考价值。

3结束语

针对锂离子动力电池老化问题，本文进行了锂离子动力电池的老化仿真实验，以电池容量衰退速率最小为目标建立目标函数，对经典的电池容量衰退实验公式进行优化处理，并基于电池健康状态进行了优化充电电流分布的求解，用以替换恒流恒压充电方式的恒流过程经验值。结果表明，与固定1C 倍率充电电流的对照组相比，考虑电池健康状态的全过程优化充电电流组有效延缓了电池寿命老化程度，证明了本文建立的电池容量衰退模型的有效性。

作者简介：

周云，硕士，讲师，研究方向为储能技术、新能源汽车技术等。