在信息不完整的情况下，用于优化高功率电池脉冲放电策略的决策方法

《Journal of Energy Storage》：Decision-making approach to optimize pulse discharge strategies for high-power batteries with incomplete information

锂离子电池脉冲放电性能与策略优化研究

　　

朱明林|邱静怡|朱霞宇

中国北京市昌平区化学防护研究所，100191

摘要

在高功率脉冲电源在可再生能源存储系统、航空航天平台、高能激光器和相控阵雷达中的日益广泛应用，促使人们需要严格研究锂离子电池在脉冲放电条件下的行为。本研究进行了全面的参数分析，以探讨三个关键操作参数：脉冲占空比（15%–51%）、脉冲持续时间（秒级间隔）和放电速率（20C-30C）对关键电化学性能指标的相互影响。通过系统的实验表征，我们量化了脉冲操作对容量衰减机制、库仑/能量效率、动态热分布以及电池健康状态（SOH）演变的多维度影响。基于这些发现，我们提出了两种最优放电策略框架：一种是多目标优化的理想最优方案，另一种是专注于在保持温度上升阈值和监测SOH退化率的同时最大化能量效率的关键最优方案。为了解决这些策略之间的权重分配不确定的实际问题，我们提出了一种新的灰色综合决策模型，该模型结合了熵权重分析来解决信息不确定性，并建立了定量的灰色综合相关性指标。这种灰色综合决策策略为优化脉冲电源系统中的电池放电协议提供了一个自适应、可量化的框架，从而能够根据特定的操作要求进行性能优化。

引言

高功率脉冲电源将电能转换为高频脉冲能量，在能量存储系统、航空航天、激光系统和雷达技术等领域有着广泛的应用[1]。例如，在航空航天和海洋系统中，脉冲功率对于起飞或加速过程中的电动推进辅助以及电磁发射系统至关重要。在电网应用中，这种能力使得电池能够响应突然的波动并稳定电网电压和频率。在工业环境中，脉冲负载支持高功率激光器用于制造、电磁成形设备和需要精确控制能量传输的脉冲焊接过程。进一步扩展脉冲功率的应用范围，参考文献[2]系统地分析了各种高功率电磁（EM）武器系统和传感器的不同功率需求、能量要求、脉冲宽度和脉冲重复频率。这些包括动能武器如轨道炮、线圈炮和电热化学炮；定向能武器如高能激光器、高功率微波和粒子束武器；以及高功率传感器如超宽带雷达和脉冲声纳，并提供了相应的典型参数值。

近年来，全球的研究人员对脉冲负载对船载微电网的影响进行了全面研究，特别关注系统稳定性和协调控制策略[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]。尽管这些研究为系统层面提供了宝贵的见解和改进措施，但从电池中心的角度来看，脉冲电流对作为此类系统关键组成部分的储能电池的影响相对较少受到关注。

高脉冲电流会加速电极材料的结构退化，导致电池容量严重衰减和电池寿命缩短。正如参考文献[8]所强调的，在相同的平均电流下，脉冲条件可能比恒定电流条件引起更高的累积电应力，从而加速电池老化。本文研究了周期性电流脉冲对锂离子电池性能的影响，实验性地考察了特定电流脉冲特性如何影响其电学特性。参考文献[10]分析了以钛酸锂（LTO）为负极材料的锂离子电池在不同放电速率下的放电性能和温度上升情况，报告在66C时峰值温度为51.72°C，并指出在这种条件下的放电深度仅为总容量的42%。参考文献[11]讨论了高功率脉冲放电下锂离子电池的性能退化机制并表征了其结构变化。同时，参考文献[12]研究了高倍率脉冲放电下锂离子电池的寿命老化特性，重点关注容量衰减、电学参数变化和阻抗演变。

除了性能和老化效应之外，另一系列研究探讨了脉冲放电对电池阻抗特性的影响。参考文献[13]探索了在不同放电速率下电池阻抗的建模方法。参考文献[14]对不同放电速率下的电池内阻特性进行了比较分析，建立了高倍率条件下阻抗与放电电流之间的数学关系。参考文献[15]展示了随着温度升高，脉冲充放电过程中直流内阻的减小。参考文献[16]定量分析了24kWh锂离子电池系统在高频和低频脉冲放电条件下的阻抗特性，考虑了不同的充电状态（SOC）和循环次数。

此外，一些学者还对脉冲放电或充电下的电池建模进行了广泛研究。参考文献[17]开发了一种考虑放电脉冲宽度、放电深度、截止电压和温度等参数的电化学-热耦合简化模型。参考文献[18]对各种脉冲充电模式进行了全面比较分析。研究发现，电池容量和充满电时间不受脉冲类型的影响，充电速度主要由脉冲幅度决定，最大温度上升主要由电流有效值控制。然而，频率、占空比和脉冲类型对电池长期寿命的影响尚未得到探讨。

除了研究脉冲电流的影响外，一些研究人员还致力于优化脉冲放电参数。参考文献[19]表明这些参数显著影响电池的容量保持率。本文彻底分析了松弛时间对容量保持率的影响，并通过实验进行了比较。参考文献[20]采用实验方法比较了不同松弛持续时间对电池温度上升的影响。参考文献[21]提出了交流阻抗分析，以确定锂离子电池的最佳放电频率。本文将放电频率作为脉冲放电的一个重要变量进行了研究。

尽管全球学者对协调脉冲放电控制、建模和温度上升进行了全面研究，但这些研究主要关注脉冲参数对单个电池性能的影响。它们没有探讨如何设计脉冲参数以优化电池的整体性能。本文研究了在各种脉冲条件下的锂离子电池放电特性。进行了全面的比较分析，以考察脉冲占空比、脉冲宽度和放电速率对电池容量、能量效率、温度响应和循环寿命的影响。此外，基于理想最优方案和关键最优解的灰色综合决策方法被提出，用于在信息不完全的情况下评估放电策略。这些发现为未来电池系统中的最佳操作模式确定提供了宝贵的指导。

本文的其余部分组织如下：第2节概述了实验中使用的脉冲电源系统和放电波形参数。第3节描述了实验平台，包括电池一致性测试和脉冲电流放电下的循环老化实验的参数配置。第4节分析了电池在连续操作和脉冲操作条件下的性能，以及电池在不同脉冲操作条件下的循环放电性能。在脉冲放电循环测试中，特别关注以下性能参数：放电容量、能量效率、表面中心的温度、电池健康状态（SOH）、端电压和欧姆电阻。第5节介绍了一种灰色综合决策方法，用于系统评估电池脉冲放电策略的性能权衡。第6节提供了结论性意见，并总结了本研究的关键发现。

节选

脉冲电源

图1展示了脉冲电源装置的示意图，它由三个主要部分组成：能量存储系统、高压脉冲电源和应用系统[1]。在脉冲电源中，可以使用各种能量存储设备作为电源，包括电容器、电感器和电池。

实验中使用的放电曲线如图2所示。其中，实线代表脉冲电流曲线，虚线表示

实验平台

图3所示的实验平台包括四个关键组成部分：上位计算机、高电流充放电仪器、测试电池和数据采集系统。充放电循环使用武汉Blue CT5002AK仪器进行。该仪器的电压范围可达5V，电流范围可达500A。在25°C ± 5°C的环境温度下，其电压和电流控制精度在±0.05%的满量程（FS）范围内。电池连接

电池一致性分析

根据第3.2.1节描述的电池一致性实验，我们获得了所有12个电池单元的端电压特性与充电容量之间的关系。图5展示了恒定电流（CC）放电期间的端电压曲线，而图6展示了脉冲电流（PC）放电下的相应电压特性。图7和图8分别显示了CC和PC放电下的电池容量分布。

从图7和图8可以看出，在PC放电下，容量分布

在信息不完全的情况下优化脉冲放电策略的灰色综合决策方法

基于第4.2节的实验结果，表3展示了六种放电策略_i(i = 1,2, …,6)。每种放电策略包括4个评估指标_j(j = 1,2, …,4)，即电池容量、能量、T_max和SOH。需要注意的是，循环寿命和内阻也是评估的关键参数。我们的实验结果表明，在特定测试条件下，电池保持了良好的容量保持率。然而，由于限制

结论

本研究通过在不同脉冲条件下的循环老化测试，采用灰色综合决策方法系统地研究了锂离子电池的最佳放电策略。分析揭示了三个基本见解：首先，在放电速率≤25C且占空比低于50%的情况下，电池性能优于在相同电流下更高占空比的操作；其次，尽管放电电流主要

CRediT作者贡献声明

朱明林：撰写——原始草稿、可视化、验证、软件、方法论、调查、形式分析、概念化。邱静怡：撰写——审阅与编辑、监督。朱霞宇：资源获取、调查、数据整理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。