一种提高充电系统能量效率的快速充电方法与流程

本发明涉及动力电池，具体为一种提高充电系统能量效率的快速充电方法。

背景技术：

1、当前，新能源电动汽车得到大规模发展，而动力电池动作为电动汽车的核心储能器件，对快速充电进行优化提高是当前动力电池研究领域的热点之一。

2、现有技术中设计了多种充电策略对快速充电过程进行优化。恒流恒压法(cccv)是目前常用的动力电池快速充电策略，该充电策略通过恒流与恒压两个阶段对电池进行充电，具有较强的操作性且实现方式简单，但是该充电策略会导致较高的充电温升，并对电池产生较大的容量损耗。多级恒流充电策略在电池电压达到截止电压时，逐步降低充电电流，该方法在减少充电时间的基础上增加了电池的循环使用寿命，但是未考虑温度升高对于电池安全性的影响。

3、另一方面，充电过程中的电能流动路径是从充电设备到动力电池，因此可将动力电池和充电设备整体看作充电系统，目前该系统的充放电能量效率约85％左右。但是，充电设备的能效提升空间非常有限，即使采用新型开关管、优化拓扑结构和控制策略等措施提升一般不超过1％。同时，充电设备的能量效率与负载率正相关，通常要求负载率达到充电设备额定功率的50％以上。当前充电策略的制定通常仅考虑电池特性，在负载率较低时系统无法达到最佳能量转换效率，降低了充电系统的能效水平。

4、因此，开发一种兼顾充电速度、充电温升和系统能量效率的充电方法，对于节能减排、提升经济效益具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明提供了一种提高充电系统能量效率的快速充电方法，针对充电系统提出了多目标优化充电策略，实现在快速充电的前提下提升能量效率。

2、本技术提供如下技术方案：

3、一种提高充电系统能量效率的快速充电方法，所述充电系统包括动力电池和充电设备，所述快速充电方法包括如下步骤：

4、s1、获取充电设备的负载率-效率特性曲线；

5、s2、进行混合功率脉冲特性实验，构建宽温域多倍率的电池建模参数表；

6、s3、采用热流密度测算动力电池比热容及对流换热系数；

7、s4、根据动力电池建模参数表，建立动力电池等效电路-热耦合模型；

8、s5、构建充电系统的多目标优化模型，通过智能算法求解充电电流序列。

9、进一步，步骤s1中所述的负载率-特性曲线包括不同额定功率等级的特性曲线。

10、进一步，步骤s2具体如下：

11、s21、根据动力电池规格书的工作温度范围选取至少三个目标温度，包括低温、室温及高温；

12、s21、根据动力电池规格书的工作温度范围选取至少三个目标温度，包括低温、室温及高温；

13、s22、在室温下将动力电池按照标准放电工况放电至截止电压，将温度试验箱调整至目标温度，动力电池静置4h；

14、s23、依次采用不同倍率对动力电池进行充电脉冲测试：每个倍率的充电脉冲持续10s，静置5min，1c放电使放电容量与充电容量相同，然后进行下一个倍率的充电脉冲测试；

15、s24、以1c电流充入5％额定容量，静置1h，读取电池的开路电压；

16、s25、重复步骤s23-s24，至100％ soc结束，采集不同soc、不同倍率下的温度、电压和电流数据；

17、s26、改变目标温度设定，重复步骤s22-s25；

18、s27、根据s24-s26获取的数据构建宽温域多倍率的电池建模参数表。

19、进一步，步骤s3具体如下：

20、s3 1、将热流密度传感器紧贴于电池最大散热表面中心位置；

21、s32、动力电池比热容计算公式为

22、对流换热系数测算公式为

23、其中，表示任意时刻i的热流密度，a表示电池表面积，δt表示热流密度采样间隔，m表示电池质量，tmax和tmin分别表示一个充电过程内电池表面最高和最低温度，tamb表示环境温度。

24、进一步，动力电池等效电路-热耦合模型包括电池等效电路模型和集总热学模型，其中，电池等效电路模型表示为：

25、

26、其中，u表示电池端电压，ocv表示电池开路电压，i表示电流，r0表示欧姆内阻，rp1表示电化学极化内阻，rp2表示浓差极化内阻，cp1表示电化学极化电容，cp2表示浓差极化电容，τ1表示电化学极化对应的时间常数，τ2表示浓差极化对应的时间常数，up1表示电化学极化电压，up2表示浓差极化电压，t表示时间；

27、集总热学模型表示为：

28、

29、pb(t)＝i2(t)r0(t)dt+i(t)(up1(t)+up2(t))dt

30、其中，rt表示电池热阻，tbat表示电池表面温度；表示在充电初始时刻电池表面温度。

31、进一步，s5步骤具体如下：

32、s51、构建充电系统的多目标优化模型，多目标优化模型的评估目标包括充电时间jtime、系统平均充电能量效率jeeff和平均温升速率jt-rate，其中

33、

34、

35、其中，qn表示电池额定容量；将充电过程[socmin，socmax]分为n个阶段，δsoc表示电池以第k个电流充电过程soc变化量；i(k)表示电池第k个电流值；ocv表示开路电压；dt表示电压电流采样间隔；jeeff，pack表示动力电池的充电能量效率；jchargeeq表示充电设备能量效率；ucharge表示电池充电端电压；tbat表示电池表面温度；表示在充电初始时刻电池表面温度；

36、s52、利用遗传算法对充电系统的多目标优化模型进行求解。

37、进一步，多目标优化模型具体表达为：

38、minf1＝jtime

39、minf2＝jeeff

40、minf3＝jt-rate

41、满足的约束包括：

42、

43、其中，icell表示电池单体的电流，ucell表示电池单体的电压，ipack表示动力电池的电流，ppack表示动力电池的功率，min和max分别表示最小值和最大值，limit表示根据规格书或者用户特殊设置取对应参数的限定值。

44、进一步，s52步骤采用nsga-iii多目标遗传算法对充电系统的多目标优化模型进行求解，并以pareto最优解集的形式输出最终的充电电流序列，具体包括：

45、首先生成初始种群，初始种群为n个soc区间的电流值，将初始种群输入到充电系统的多目标优化模型中，得到每个初始种群对应的充电时间、系统平均充电能量效率和平均温升速率；

46、然后根据每个初始种群对应的充电时间、系统平均充电能量效率和平均温升速率，对初始种群进行比较、变异、交叉，形成新种群，并进行迭代；

47、若达到迭代次数，则以pareto最优解集的形式输出最终的充电电流序列。

48、进一步，所述动力电池为锰酸锂动力电池、磷酸铁锂动力电池或三元材料动力电池。

49、本发明的原理及优点在于：充电过程中的电能流动路径是从充电设备到动力电池，因此可整体考察动力电池和充电设备组成的充电系统，目前该充电系统的充电能量效率约85％左右。但是，充电设备的能效提升空间非常有限，现有各种措施的能效提升一般不超过1％。同时，充电设备的能量效率与负载率正相关，通常要求负载率达到充电设备额定功率的50％以上。而现有充电方法的制定尚未系统的考虑充电设备与动力电池的协同控制，造成更多能源消耗。

50、本发明通过考虑充电设备的负载率-效率特性，基于等效电路-热耦合模型建立了包含充电时间、充电系统能量效率和温升速率的多目标优化充电算法框架，提出兼顾充电速度与能量效率的充电方法，实现了充电速度与能量效率的优化提升，同时对充电温升实施有效控制，避免充电温升造成的电池容量损耗。