基于PSO-MPC的锂离子电池快速安全充电策略

摘要

针对锂离子电池充电过程中速度缓慢、过度升温、析锂及过充等问题，提出了基于改进粒子群算法(PSO)的模型预测控制(MPC)充电策略。首先，建立了锂离子电池的等效电路-热-电化学-老化耦合模型，结合等效电路模型与电化学模型的优点，准确预测充电过程中的端电压、温度变化及老化机制(如SEI膜增长、活性材料损失和析锂导致的容量损失)。其次，对耦合模型离散化处理，构建充电的空间状态模型，并增加避免热失控、析锂及过充的安全约束。基于空间状态模型，预测充电系统未来状态，并构建描述充电时间及损耗的代价函数。最后，通过改进PSO算法求解最优充电电流序列，实现对充电过程的实时优化。MATLAB/Simulink联合仿真结果表明：该策略在显著缩短充电时间的同时，有效控制了电池温度、端电压及析锂过电势，避免了热失控、析锂和过充等安全问题。通过实验与3种传统充电策略对比，结果表明：该策略充电时间缩短约17.3%～61.1%,且平均每次充电的容量衰减量相对于额定容量降低7.6%～36%,可为锂电池充电优化提供新方法。

关键词

锂离子电池 / 充电策略优化 / MPC / 电池性能 / 电池安全 / 电池容量衰减