电动汽车充电桩快速充电技术研究

2022-05-26关蕾

电子制作 2022年8期

关蕾

（西安职业技术学院，陕西西安，710000）

0 引言

随着城市化进程的快速推进，人们对节约资源、保护环境的意识逐渐提高，从而带动了电动汽车行业的发展，电动汽车充电桩充电效率是限制电动汽车发展的重要因素之一[1,2]。方便有效的充电技术，可有效提高充电效率，降低充电时长，甚至可以降低电池损耗并增加电池使用寿命。因此如何提高电动汽车充电桩充电速率成为急需解决的问题，引起了国内外研究者的广泛关注。张怡冰借助虚拟同步机的自有的特点搭建快速充电系统，全面有效的改善充电效能[3]；蒲勇健借助运筹学的方法，通过优化预约算法以合理安排汽车到达时间达到另一维度快速充电的效果[4]；陈红坤介绍了一种内嵌光伏和储能系统的充电站，以提高效率建立模型合理调整充电桩内部容量进行优化，可有效提高充电效率[5]；张蕾借助高压控制单元及开发仿真模型，设计出快速充电充电桩系统[6]；周念成借助储能缓冲系统来减小快速充电对配电网的影响同时达到快速充电的效果[7]。上述研究对电动汽车快速充电桩的研究大有裨益，本文提出的快速充电控制系统，对推广电动汽车具有重要经济和现实意义。

1 电动汽车充电特性研究

■1.1 电动汽车充电过程简介

电池的充放电过程，对电池自身使用效果和电动汽车使用寿命有着显著的影响。因此，在此过程中，充电桩应对充放电电压、电流以及充电温度实时监控。电压、电流及充电温度直接影响到电池内部化学物质的反应程度，对电动汽车充电效率和电池使用寿命均有着较大的影响。因此充电桩设计应确保充电点安全并尽可能降低电池损耗。

在电动汽车插入电源前，电池处于电势静态平衡状态。当插入电源后，电池将开始发生反应，使电池两端存在一定电势差，导致电池实际电压和实际电动势不一致的情况，此种现象一般称为电池的极化效应。此效应对电池使用寿命、电池充电安全以及电池充电效率均有较大影响。本文将研究如何提高电动汽车充电桩充电速率，就以此为着手点，通过降低充电过程中电池极化效应来提高充电效率。

■1.2 电动汽车充电技术

电动汽车快速充电桩常用的充电方式较多，目前为止，恒压充电，恒流充电，大电流脉冲充电、间歇恒流或恒压充电等方式应用的较为广泛，这些方式各有优劣，通常表现在充电的时长、电流、电压的大小、造价、控制难易程度、能量转化率以及是否会损害电池等方面。最重要的是充电效率与充电时长。

恒流充电，顾名思义是采用一定的电流进行电动汽车的充电，这种方式操作较为简单，在国内也较为常用，此方式对电流、电压限制较小，但缺点较为明显，在刚进行充电的一段时间内，由于电流较小从而极大地增加充电的时长，影响充电效率。另一方面，由于充电后期电流较大，在一定程度上会对电动汽车的电池寿命造成影响。恒压充电与恒流充电相似，是采用恒定的电压进行充电。优点是操作简单、容易控制电压，充电时只需要设定目标电压值就可进行快速充电。但由于在充电过程中电流较大，会破坏电池构造对电池损伤严重。阶段式充电技术结合恒流恒压充电方式的优点，可以极大的缩短充电时间，但由于不能完全弱化电池极化效应，降低充电效能，同时控制较为困难。脉冲充电法是近年来锂离子电池快速充电的主要手段之一，可以极大的提高充电效率，减少充电时长，较好地减少电池极化效应，降低析气量。缺点在于对控制要求复杂，同时能量转换效率不高。间歇充电法是近年来开发的一种快速充电技术，能量效率极高，但对控制方面提出了更高的要求。从上述介绍可知，上述充电技术或多或少都可以减轻极化和析气效应，从而提高充电速度，减少充电时长。但也都存在一定的缺点，如何能快速高效且操作简单，容易控制的快速充电技术是目前国内电动汽车充电桩迫切改需要解决的问题。

2 带负脉冲快速充电方法原理分析

通过锂电池充电原理可知，充电桩通过减轻极化效用便可以极大的提高充电效率。上述充电技术中，极化效应的控制一般采用停止充电来减轻。此种方法虽然能较好地达到改善极化现象的效果，但是由于停止充电会占用大量的时间，从而使整体充电效率不高，增加充电时长。通过马斯三定律的理解，在电动汽车充电的过程中，借助瞬间大电流放电可有效提高电池的充电接受率，同时也有研究表明，电动汽车充电过程中若电压升高到极限电压值时，会严重增强电池极化。那么，假如在电池极具极化的情况下，对锂离子电池采用大电流放电，是否可以提高电池对电流的接受能力，从而延长大电流充电的时间，以此增加充电效率。

借助此原理本文提出带负脉冲充电技术既可以通过大电流持续充电，以达到快速充电的效果，同时借助大电流放电来减少电池计划，从而提高电动汽车充电速率，减少充电时长。图1 展示的是在大电流充电过程中借助负脉冲放电以减轻极化的效果。可以看出，负脉冲电流的加入，可以有效的提高充电接受能力，且大电流的充电持续时长有所增大，因此可以有效地增大充电效率，以此达到快速充电的效果。

图1 带负脉冲快速充电原理

3 带负脉冲快速充电方法实验分析

为了更直观的体验带负脉冲快速充电技术对锂电池充电的充电效率的改善，故设计相应的实验进行探讨。值得注意的是，电动汽车充电桩快速充电技术的前提是不能对电池的性能以及使用寿命进行影响，同时，安全性和对电池温度的改变也应注意。因此，在快速充电过程中，要严格控制温度，保证安全。实验分别设计恒流充电、大电流恒流充电以及带负脉冲快速充电三种技术进行对比研究，以此来探讨带负脉冲快速充电技术在电动汽车充电桩快速充电技术中的优越性。

（1）大电流充电与带负脉冲充电技术对比

为减小实验误差，实验所用电池为同批次、同型号、同规格，且尚未使用过的电池，同时要对要对两组电池分别进行完全放电。充电限制电压为3.65V，放电限制电压为2.5V。后同时分别用18A 的大电流充电，带负脉冲充电技术是指在18A 恒流电流中加入5A 的负脉冲放电电流，试验过程做好记录进行充电。由于充电过程具有一定程度的偶然性，因此本实验采用十次的平行实验，取平均值进行记录，以减小误差。实验结果见图2。

由图2 可知，带负脉冲快速充电技术，可以极大地提高充电效率，减少充电时长，且电池充电量更高。经分析可知，18A 恒定大电流进行充电的过程中，电池电压很容易就会搭到电压限制。此时大电流会使电池的极化效应明显加剧，对电池充电效率影响较大。负脉冲电流的加入可以使大电流在充电过程中降低电池极化现象，同时提高锂离子电池对大电流充电过程中的接收程度，增长了电池达到限制电压所用的时长。大电流接收时间的增长是提高电池充电效率最直接、最有效的手段。由实验数据可知，在带负脉冲快速充电技术，所充电量比大电流恒定电流充电量增加了10%左右。此实验可明显看出带负脉冲充电技术在锂离子电池充电过程中对电池极化效应的抑制，对于电池极化效应的抑制在一定程度上可以反映出此技术在快速充电技术方面的优势。

（2）恒流充电与带负脉冲充电实验比较

在相同的实验条件下进行第二组实验，分组实验采用时按恒定电流和带负脉冲5A 电流进行充电，实验同样进行10组平行实验，以减小误差，采用平均值进行数据的处理。实验结果如图3 所示。

如图3 可知，添加带负脉冲电流快速充电技术可极大地增加充电效率，减少充电时长。在达到电动汽车充电桩额定电压值时，带负脉冲充电技术所用时间为3800 秒，与10A 恒定电流充电技术相比，充电时长可减少30%左右。

图3 充电效果图

对三种方式充电的电池进行放电操作，以检验确切充入锂电池的电量，放电限制电压为2.5V，平行实验10 组，实验进行分析可以看出，加入了放电5A 脉冲快速充电技术相对于大电流和恒定电流充电的充电方式，在达到限制电压时，可充入更多的电量，而相对于10A 恒定电流充电方式，电量充入略少，但在充电效率上却有极大的提高，实验结果见表1。综上可知，加入负脉冲的快速充电技术，可以有效地降低电池极化效应，从而提高电池充电容量，减少充电时长，增加充电效率，是一种良好的电池快速充电方式。

表1 不同充电方式放电结果对比

表1 可以直观地看出不同充电方式对充电效率的影响显著。10A 恒流充电的情况下，电动汽车可以充入更多的电量，放电时间也最长。但相对另外两种充电方式，充电效率较低，约为86.1%左右。18A 恒流充电的放电容量是最小，以降低充电容量为代价提高了充电效率。加入5A 负脉冲技术的18A 充电模式，相对于10A 恒流充电，充电容量少了约3%，但实际上放电时间基本没变，也就是说，两种充电方式充入了相当的电量。但是加入放电负脉冲的充电技术可达到最高的充电效率。综合以上实验可以看出，加入负脉冲技术的电动汽车充电桩。可以确保电动汽车达到最高的充电效率。同时确保充电容量。也就是说负脉冲技术可以有效的减少电池充电过程中的极化效应，降低充电时长，提高充电桩充电效率。