一种适应低温环境的电池梯度加热与充电联合优化方法与流程

本发明涉及电池，尤其是涉及一种适应低温环境的电池梯度加热与充电联合优化方法。

背景技术：

1、在低温环境中，锂离子电池内阻升高、极化增强，外部加热功率、充电电流、电池温度和荷电状态之间存在强耦合关系。电池温升不仅来自外部加热器的主动加热，还包含充电电流引起的不可逆欧姆热和可逆熵热等电化学内热，二者共同影响电池温度轨迹。同时，低温充电过程中负极电位可能接近或低于锂金属平衡电位，存在析锂风险。因此，需要在外部加热与充电之间进行协同优化，在保障热安全和析锂安全的前提下，实现高效、快速的低温充电。

2、现有技术中，在评估低温加热效率时，通常直接利用电池总温升进行评价，容易将较大充电电流引起的寄生自热误判为外部加热器的有效作用，导致优化结果偏向大电流充电方案，增加电池的析锂风险。

3、此外，现有技术多采用固定的充电电流上限或端电压上限作为安全约束，难以准确描述随荷电状态和电池温度动态变化的析锂风险边界，且缺乏对电池温度需随荷电状态同步升高的热安全走廊约束。

4、同时，常规优化算法在低温加热-充电联合优化场景下，通常未有效利用分段加热效率信息和综合安全约束信息来指导搜索，导致在高维非凸约束空间中可行解搜索效率偏低。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种适应低温环境的电池梯度加热与充电联合优化方法，解决加热效率评价失真、安全约束描述不准确和寻优搜索效率偏低的技术问题。

2、第一方面，本发明提供了一种适应低温环境的电池梯度加热与充电联合优化方法，包括：

3、将低温加热-充电联合控制过程按时间划分为多个控制分段；其中，每个控制分段的外部加热功率和充电电流均为待优化变量；

4、针对每个控制分段，基于预先确定的快速电热模型，计算控制分段内电池温度的表观温升量，再扣除由不可逆欧姆热和可逆熵热引起的电化学内热温升量，得到仅由外部加热作用引起的外部加热净温升量，根据外部加热净温升量与外部加热器输入能量之比，得到控制分段的分段加热效率指数；

5、基于预先标定的析锂风险裕度曲面、随荷电状态增加而升高的热安全走廊下边界和预设端电压上限，针对多个控制分段对应的控制策略构建约束惩罚场；其中，约束惩罚场包含析锂累积风险惩罚、热安全走廊偏离惩罚和端电压越界惩罚；

6、以分段加热效率指数和约束惩罚场作为粒子群搜索的指导信息，采用改进粒子群算法对各个控制分段的外部加热功率和充电电流进行迭代优化，得到用于控制外部加热器和充电器的最优分段外部加热功率序列和最优分段充电电流序列。

7、在本发明一些较佳的实施例中，针对每个控制分段，基于预先确定的快速电热模型，计算控制分段内电池温度的表观温升量，再扣除由不可逆欧姆热和可逆熵热引起的电化学内热温升量，得到仅由外部加热作用引起的外部加热净温升量，根据外部加热净温升量与外部加热器输入能量之比，得到控制分段的分段加热效率指数，包括：

8、在每个控制分段内，计算相邻离散时刻之间电池温度的表观温升量；

9、根据当前时刻的充电电流、欧姆内阻和开路电压温度系数，计算不可逆欧姆热功率和可逆熵热功率；将不可逆欧姆热功率与可逆熵热功率之和乘以离散时间步长并除以电芯等效热容，得到电化学内热温升量；

10、从表观温升量中扣除电化学内热温升量，得到外部加热净温升量；

11、将控制分段内所有离散时间步的外部加热净温升量累加，再除以控制分段内外部加热器输入的总能量，得到控制分段的分段加热效率指数。

12、在本发明一些较佳的实施例中，基于预先标定的析锂风险裕度曲面、随荷电状态增加而升高的热安全走廊下边界和预设端电压上限，针对多个控制分段对应的控制策略构建约束惩罚场，包括：

13、利用析锂风险裕度曲面获取每个离散时刻的析锂风险裕度值，对大于零的析锂风险裕度值乘以预设的温升折减因子后对时间求和，得到析锂累积风险值；

14、根据荷电状态轨迹构建随荷电状态增加而升高的热安全走廊下边界，计算电池温度低于热安全走廊下边界的偏离量；

15、根据端电压轨迹计算端电压超过预设端电压上限的越界量；

16、将析锂累积风险值、热安全走廊下边界的偏离量和端电压上限的越界量分别乘以对应惩罚权重后求和，得到约束惩罚场。

17、在本发明一些较佳的实施例中，改进粒子群算法，包括：

18、基于预先构建的历史模式库和分段加热效率指数，执行启发式粒子群初始化；

19、采用分段效率感知的维度级惯性权重和析锂势场排斥项更新粒子速度与位置；

20、对精英粒子执行双模式变异精炼，生成精英粒子的候选新位置，若候选新位置的适应度优于原精英粒子位置的适应度，则用候选新位置替换原精英粒子的位置。

21、在本发明一些较佳的实施例中，基于预先构建的历史模式库和分段加热效率指数，执行启发式粒子群初始化，包括：

22、根据当前工况标签从历史模式库中匹配相似历史成功控制策略；

23、对于外部加热功率维度，以经分段加热效率指数修正的基准加热功率为采样中心进行截断正态采样；

24、对于充电电流维度，以历史成功控制策略中对应分段的充电电流为参考值叠加随机扰动生成初始值，若不满足端电压约束和析锂风险约束，则逐步下调充电电流直至满足安全条件。

25、在本发明一些较佳的实施例中，维度级惯性权重根据分段加热效率指数映射得到；其中，低效率分段获得的惯性权重大于高效率分段获得的惯性权重；

26、析锂势场排斥项通过析锂累积风险值对决策变量的有限差分梯度构建，使粒子在靠近析锂风险区域时获得远离析锂风险方向的速度修正量。

27、在本发明一些较佳的实施例中，双模式变异精炼，包括：

28、基于维度效率指标的莱维飞行连续扰动，生成精英粒子的第一候选新位置，低效率维度获得更大的扰动幅度；

29、以预设的片段替换概率，从历史模式库中选取一个连续时间片段，将精英粒子中对应连续控制分段的外部加热功率和充电电流替换为连续时间片段中对应控制分段的外部加热功率和充电电流，生成精英粒子的第二候选新位置；其中，连续时间片段包括至少一个控制分段的外部加热功率和充电电流；

30、对第一候选新位置和第二候选新位置分别执行边界修正、变化率修正和增广适应度评估，若任一候选新位置的适应度优于原精英粒子位置的适应度，则用适应度最优的候选新位置替换原精英粒子的位置。

31、在本发明一些较佳的实施例中，快速电热模型采用单节点集总热容模型，通过分段线性插值从预先标定的参数表中获取当前状态下的开路电压、开路电压温度系数和欧姆内阻，并按以下递推公式计算电池温度、荷电状态和端电压：

32、；

33、；

34、；

35、其中，为第k+1个离散时刻的电池温度，为第k个离散时刻的电池温度，为离散时间步长，为电芯等效热容，为外部加热功率，为充电电流，为根据电池温度和充电电流方向查表得到的欧姆内阻，为根据荷电状态和电池温度查表得到的开路电压温度系数，为对流换热系数，为有效散热面积，为环境温度，为表面辐射率，为斯特藩-玻尔兹曼常数，为电池温度与环境温度之间的四次方温差项，为第个离散时刻的荷电状态，为第个离散时刻的荷电状态，为电池标称容量，为第个离散时刻的端电压，为开路电压，为电流的方向标记。

36、在本发明一些较佳的实施例中，方法还包括：

37、将最优分段外部加热功率序列和最优分段充电电流序列下发至外部加热器和充电器；

38、实时采集电池温度、端电压和充电电流，并根据实时采集结果修正荷电状态；

39、若实时端电压与预设端电压上限的差值小于预设电压阈值，或实时电池温度低于热安全走廊下边界，则调整充电电流或外部加热功率；

40、以滚动窗口方式，利用实时状态作为新的初始状态，重新生成剩余时段的优化控制策略。

41、在本发明一些较佳的实施例中，在将低温加热-充电联合控制过程按时间划分为多个控制分段之前，方法还包括：

42、采集低温环境下不同外部加热功率与充电电流组合的加热-充电联合控制样本；

43、标定开路电压二维表、开路电压温度系数二维表、欧姆内阻参数表、换热参数和析锂风险裕度曲面；

44、从样本中筛选满足安全条件的控制策略，构建历史模式库。

45、本发明带来了以下有益效果：

46、本发明实施例提供了一种适应低温环境的电池梯度加热与充电联合优化方法，通过从电池表观温升中扣除由不可逆欧姆热和可逆熵热引起的电化学内热温升量，提取仅反映外部加热作用的分段加热效率指数，避免将充电电流引起的寄生自热误判为外部加热器的有效作用，从而使加热效率评价更加准确；通过将析锂风险裕度曲面、热安全走廊下边界和预设端电压上限融合为约束惩罚场，使优化过程能够同时感知析锂风险、温度不足和电压越界三重安全边界，提高低温充电的安全性；通过以分段加热效率指数和约束惩罚场作为粒子群搜索的指导信息，并采用改进粒子群算法进行迭代优化，能够在高维非凸约束空间中提高搜索稳定性和可行解比例，最终获得兼顾安全、能耗和充电时间的低温加热-充电联合控制策略。