锂离子电池以其高能量密度、长循环寿命、低自放电率及环境友好等优点成为电动汽车主要能量来源。然而，传统电池组充电方法缺乏安全边界约束，导致速度低、安全性差；割裂了充电与均衡之间的联系，导致容量浪费、充不满。

山东大学控制科学与工程学院的商云龙、毛路、王越、山东师范大学的朱瑞与新风光电子科技股份有限公司合作，在2022年第19期《电工技术学报》上撰文，提出了一种锂离子电池快充-均衡双层优化控制方法，基于电-热耦合模型优化充电曲线，进而结合被动均衡，采用强化学习算法实现快充-均衡协同控制。试验结果表明，该方法实现了充电过程速度、安全的综合最优，并有效改善电池组不一致性，提高可充电容量。

研究背景

随着电动汽车占有量逐步上涨，制约其进一步发展的问题日益显露，主要集中于里程焦虑和安全事故。电池充电过程中，充电速度与安全性之间矛盾突出，缺乏科学的边界约束，导致充电速度低、安全性差。与此同时，充电过程中单体不一致性愈发显著，由于充电-均衡过程割裂，电池组中容量最小单体充满后电池组即停止充电，从而造成其他单体充不满，导致容量浪费。

论文所解决的问题及意义

项目组开发了电池电-热耦合模型，藉此提出了多参量安全边界约束，并以充电速度为优化目标，实现了充电快速性与安全性的综合最优，有效破解速度与安全性之间的突出矛盾。进一步，结合被动均衡拓扑，采用强化学习算法实现电池组快充-均衡协同优化控制，攻克了不一致性导致电池组充不满的问题，有效提高可充电容量。这对缓解电动汽车里程焦虑和提高电动汽车安全性具有重要意义。

论文方法及创新点

1、锂离子电池电-热耦合模型建立

图1 锂离子电池电-热耦合模型

选取二阶RC等效电路模型与等效热路模型分别描述锂离子电池的电学特性和热学特性，通过电气参数实现二者耦合，如图1所示。试验表明，模型电压、温度RMSE分别为7.97mV、1.01℃，能准确反映电池的电热特性。

2、单体电池充电曲线优化

基于电-热耦合模型，提出电压、电流、温度、SOC多参量安全工作边界约束，以充电速度为优化目标，使用细分混合启发式鲸鱼优化算法获得最优充电曲线，算法流程如图2所示。结果表明，与传统CCCV充电方法相比，所提方法充电时间减少6.84%，最高温度下降2.71%，实现了充电速度与安全性的综合最优，如图3所示。

图2 优化算法流程图

图3 单体电池充电曲线优化结果

3、电池组快充-均衡协同优化控制

以单体电池最优充电曲线作为电池组充电过程中的基础充电协议。如图4所示，引入被动均衡拓扑将均衡过程融入充电过程，采用Q-learning算法实现快充-均衡协同优化控制。以电池采样数据和状态估计结果为状态集，以充电电流和均衡电流为动作集，设置最小化均衡能耗和最大化充电速度为奖励函数，进行Q表训练以获取充电控制策略π。

图4 电池组快充-均衡协同优化控制框架

使用8节电池串联而成的电池组对所提方法的有效性进行验证。设置实验组与对照组，电池组初始最大压差均为83mV，实验组使用本文提出的快充-均衡协同优化控制方法，对照组不设置均衡过程。试验结果如图5，可以看出实验组充电过程中一致性得到明显改善。对比对照组，所提方法使电池组最大压差降低92.18%，可用容量增加4.36%，代价仅为充电时间增加4.16%。

图5 电池组快充-均衡协同优化控制试验结果

结论

项目组针对传统充电方法缺乏安全边界约束、充电-均衡过程割裂的问题，提出了一种锂离子电池快充-均衡双层优化控制方法。试验结果表明，优化后的充电曲线使充电时间减少6.84%，最高温度下降2.71%，实现了充电速度与安全性的综合最优，攻克了充电速度与安全性之间的突出矛盾。同时，快充-均衡协同优化控制方法使电池组充电后最大压差降低92.18%，可用容量增加4.36%，显著改善了电池组不一致性并有效提升了电池组可用容量。

团队介绍

新能源与高效节能国家地方联合工程研究中心（以下简称“中心”）成立于2019年，是依托山东大学“控制科学与工程”国家重点学科、国家评估A类学科，与新风光电子科技股份有限公司等联合共建的国家级科研平台。

中心紧密结合国家大力发展新能源的重大需求，承担国家重大科研任务，打造新能源系统优化控制国家级科技创新中心、人才培养高地、国际交流平台、产业孵化沃土。中心将在在国内外同行的支持下，继续深化新能源与高效节能系统控制基础理论与关键技术研究，进一步构建国家级科技创新与成果孵化基地，为“双碳目标”的达成贡献力量。

商云龙，博士，教授，博士研究生导师，研究方向为储能电池安全管控。

毛路，博士，教授，博士研究生导师，研究方向为储能电池安全管控。

赵文元，工程师，研究方向为电池管理系统设计与应用。

王越，博士研究生，研究方向锂离子电池故障诊断、性能自愈、电池管理系统设计等。

朱瑞，博士，硕士生导师，研究方向为新能源储能与动力电池优化控制、健康管理、故障诊断与安全预警等。

本工作成果发表在2025年第19期《电工技术学报》，论文标题为“锂离子电池快充-均衡双层优化控制方法“。本课题得到国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金优秀青年科学基金项目、国家自然科学基金区域创新发展联合基金项目、国家自然科学基金项目）、山东省杰出青年基金项目的支持。