在信息不完整的情况下优化高功率CTM蓄电池脉冲放电策略的决策方法

高功率脉冲电源在可再生能源储能系统、航空航天平台、高能激光器和相控阵雷达中的广泛应用，推动了对锂电池在脉冲放电条件下行为的严谨研究需求。本研究进行了全面的参数分析，考察三个关键操作参数：脉冲占空比（15%–51%）、脉冲持续时间（二级间隔）和放电率（20C-30C）对关键电化学性能指标的相互影响。通过系统实验表征，我们量化脉冲操作对容量衰减机制、库仑/能效、动态热剖面及健康状态（SOH）演化的多维影响。基于这些发现，我们提出了两种最优放电策略框架：一个是多目标优化的理想最优方案，另一个是关键的最优方案，专注于最大化能效，同时保持温度上升阈值并监测SOH降解速率。为了解决这些策略权重仍不确定的实际情景，我们提出了一种新的灰色综合决策模型，结合熵权重分析以解决信息不确定性并建立定量灰色综合相关指标。由此产生的灰色综合决策策略为电力脉冲电源系统中的电池放电协议优化提供了适应性且可量化的框架，实现针对特定运营需求的性能优化。

简介

高功率脉冲电源将电能转换为高频脉冲能量，广泛应用于储能系统、航空航天、激光系统和雷达技术等领域[1]。例如，在航空航天和海洋系统中，脉冲动力对于起飞或加速时的电推进辅助以及电磁发射系统至关重要。在电网应用中，这一能力实现了初级频率调节，使电池能够响应突发波动，稳定电网电压和频率。在工业环境中，脉冲负载支持制造业的高功率激光器、电磁成形设备以及需要精确控制能量传递的脉冲焊接工艺。进一步扩展脉冲功率应用范围，参考文献[2]系统分析了各种高功率电磁（EM）武器系统和传感器的独特功率需求、能量需求、脉冲宽度和脉冲重复频率。这些武器包括动能武器，如轨道炮、线圈枪和电热化学枪;定向能武器，如高能激光、高功率微波和粒子束武器;以及包括超宽带雷达和脉冲声纳在内的高功率传感器，并提供了相应的典型参数值。

近年来，全球研究人员对脉冲负载对船载微电网的影响进行了全面调查，特别关注系统稳定性和协调控制策略[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]。虽然这些研究提供了宝贵的系统层面见解和改进措施，但脉冲电流对储能电池的影响——作为此类系统的关键组成部分——从电池角度来看，关注度相对较低。
高脉冲电流会加速电极材料的结构劣化，导致电池容量严重衰减和电池寿命缩短。如参考文献[8]所示，在相同平均电流条件下，脉冲状态可能产生比恒流更高的累积电应力，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分布如何影响其电气特性。参考文献[10]分析了以钛酸氢锂（LTO）为负极材料的锂离子电池在不同放电率下的放电性能和升温，报告峰值温度为51.72°C，且在66摄氏度时指出，在此类条件下的放电深度仅占总容量的42%。参考文献[11]讨论了锂电池在高功率脉冲放电下的性能退化机制，并对其结构变化进行了表征。同时，参考文献[12]研究了锂电池在高速率脉冲放电下的寿命老化特性，重点关注容量衰落、电气参数变化和阻抗演变。
除了性能和老化效应外，另一条研究方向还探讨了脉冲放电对电池阻抗特性的影响。参考文献[13]探讨了在不同放电率下电池阻抗的建模方法。参考文献[14]对不同放电率下的电池内阻特性进行了比较分析，建立了高速率条件下阻抗与放电电流之间的数学关系。参考文献[15]展示了实验结果，显示脉冲充电和放电过程中直流内阻随着温度升高而降低。参考文献[16]定量分析了24kWh锂离子电池系统在高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）和周期。
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]开发了电池电化学-热耦合降阶模型，包含放电脉冲宽度、放电深度、截止电压和温度等参数。参考文献[18]对各种脉冲充电模式进行了全面的比较分析。研究发现，电池容量和满充时间不受脉冲类型影响，充电速度主要由脉冲幅度决定，最大温度上升主要受电流有效值控制。然而，频率、占空比和脉冲类型对长期电池寿命的影响未被讨论。
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。文献[19]表明这些参数显著影响电池的容量保持率。本文进行了深入分析和实验，比较了弛豫时间对容量保持率的影响。参考文献[20]采用实验方法比较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。本文探讨了放电频率作为脉冲放电的重要变量。

尽管全球学者已对协调脉冲放电控制、建模和温度上升进行了全面研究，但这些研究主要聚焦于脉冲参数对单个电池性能的影响。他们尚未涉及如何设计脉冲参数以优化电池整体性能。本文研究了动力锂电池在不同脉冲条件下的放电特性。进行了全面的比较分析，以考察脉冲占空比、脉冲宽度和放电率对电池容量、能效、温度响应和周期寿命的影响。此外，提出了基于理想最优方案和临界最优解的灰色综合决策方法，用于评估排放策略。这些发现为确定未来电池系统的最佳工作模式提供了宝贵指导。

本文剩余部分的组织如下：第二部分概述了实验中使用的脉冲电源系统和放电波形参数。第三节描述了实验平台，包括电池不一致性测试和脉冲电流放电周期老化实验的参数配置。第四部分分析了电池在连续运行和脉冲运行条件下的一致性，以及电池在不同脉冲运行条件下的周期放电性能。在脉冲放电循环测试中，特别关注以下性能参数：放电容量、能效、表面中心温度、健康状态（SOH）、端子电压和欧姆电阻。第5节引入了一种灰色综合决策方法，以系统评估电池脉冲放电策略的性能权衡。第六节提供了结论并总结了本研究的关键发现。