电动汽车快速充电方法研究及系统设计

关蕾

（西安职业技术学院，陕西西安，710000）

0 引言

为了减少汽车尾气排放，减缓温室效应，节约能源，我国的诸多大中型城市采取了限号限行的政策，但这无法从根本上达到减少环境污染的目的[3]。因此，以电动汽车为代表的新能源汽车成为国内外的信息产业[4]。

电动汽车与传统的燃油汽车的最大不同之处在于它的动力来源于车载电池，无法像传统的燃油汽车那样可以方便，快速的完成所需能源的补充[5]。电池的性能，以及充电技术的速度成为影响电动汽车使用体验中最为关键的要素之一[6]。因此，实现电动汽车高效、无损的充电方式具有重要的研究意义以及经济价值。

1 电动汽车快速充电原理分析

电动汽车实现快速充电的主要理论依据为著名的“马斯三定律”[7]：

(1)第一定律：当放电电流值的大小确定时，充电电流接受率α与放电量C的二分之一次方成反比，即：

其中，K为放电常数。该定律表明，当充电电池的接受能力越大时，其能够实现的放电深度就越深。

(2)第二定律：当放电量C的值确定时，则接受率α和放电电流的对数成正比，即：

其中，k为计算常数。因此，该定律表明，当放出的电量一定时，充电接受率越高，则电池的放电率也越高。

(3)第三定律：当放电率不同时，对应的充电电流之和即为能接受的总电流tI。

该定律表明，提升充电接受率的一个有效的方法是可在充电过程中进行一定程度的放电。

2 快速充电方法

传统的充电方式主要包括：恒流充电法，恒压充电法，以及恒流恒压充电法三种方式。为了加快电池的充电效率，应根据快速充电理论，对其进行调整。基于上述描述的马斯三定律，可将快速充电方法大致分为三类，即：分段恒流充电法[8]，脉冲充电方法[9]，以及间歇快速充电法。本小节将对这三种方法进行详细介绍与分析。

2.1 分段恒流充电方法

分段恒流充电，顾名思义是在对电动汽车进行充电的过程中，以阶段性的保持输入的电流的大小不变[10]。在整个过程中其充电电流、电压与时间之间的关系如图1所示。在最初开始充电的过程中，首先选择较大的电流对电池进行快速的充电，当电压达到预设的某个阈值时，适当的减小电流的大小，并维持一段时间，当电压再次达到阈值时，再次减小电流，以此往复，直到电流减小到接近零附近，停止充电。

图1 分段恒流充电法示意图

2.2 脉冲充电方法

马斯在研究中发现，锂电池在充电的过程中，能够接受的最大充电电流随着时间的增加而逐渐降低[11]。当存入点电流过大而超过所能承受的范围时，会导致电池的正极析出氧气，而负极则为氢气，从而导致发生较为严重的极化反应[12]。因此应当在充电速度以及电池保护两个方面寻找一个平衡点。

基于以上问题，提出了以脉冲的形式来控制电流的大小，该方法的示意图如图2所示。该方法与分段恒流方法最大的差异在于引入了方向电流，反向脉冲电流即为电池放电的过程[13]。即通过引入放电，来避免因电池极化导致的电池严重升温的问题，从而有效的提升了电池的性能，延迟其有效工作寿命。

图2 脉冲充电法示意图

2.3 间歇充电方法

除了上述两种快速充电方式之外，另一种方法是将恒流、恒压、以及脉冲充电方式进行结合，从而在充电的过程中进行间歇性的进行停充，从而避免电池的极化效应，这种充电方式被称为间歇充电方法。按照充电形式的不同，可将该充电方法分为电流间歇充电以及电压间歇充电两种形式。需要注意的是这两种充电方式的电流或电压都动态变化的。以电流间歇充电为例，在电池刚开始充电初期，通常选择较大的电流对电池进行快速充电，当电池两端的电压达到预设值后，将会出现短暂的间隙停止充电，然后减小电流值，以此反复直至完成充电。电压间歇充电法与此类似，即先通过较大的电压完成电池的大部分充电，然后间歇性的减小输电电压，直到完成充电为止。

3 快速充电系统设计及验证

基于以上分析，我们针对分段恒流法的充电方式，设计了基于单片机控制的快速充电装置，其系统框架如图3所示。该系统的主要由：单片机控制系统，电源供电电路，电源电压、温度采样系统，以及外部显示和控制系统（人机交互系统）等部分组成。

图3 快速充电装置系统结构图

按照系统结构图完成系统设计后，应首先根据电动车的实际需求设定相应的系统参数，典型地如：电池额定容量，最大电压阈值，各分段恒流电流值等。

当单元开始充电时，单片机控制系统根据预先设定的阈值，通过数模转换器（D/A）控制恒流源输出额定的电流给电动车电池，然后电池通过电流、电压、温度采样系统将实际的充电情况通过模数转换器（A/D）反馈给单片机系统，控制系统通过分析电池的电压与阈值之间的关系判断是否需要对输入的电流值进行调整，以此反复，直到电池的电流显示为零后，表示充电结束。在此过程中，用户可以通过显示器以及键盘对单片机进行交互，从而减少更好的对电池的实际情况进行实时的了解。需要注意的是在系统中增加了温度采样系统，其主要目的是一方面判断电池是否正常工作，另一方面是通过温度来辅助判断电池是否充电完成，或达到既定的充电量。下面将对图三中的核心模块进行详细的介绍。

(1)单片机控制模块。该部分是整个快速充电装置最为核心的部分，由单片机控制系统、以及相应的采样电路组成。单片机通过采样电路获得电池当前的温度、电流、电压等相关参数，然后根据预设的快速充电算法控制输入，以完成快速充电的目的。于此同时，控制模块还负责将相关的信息传输给交互界面，完成与外界的交互。

(2)恒流源模块，也被称为压控恒流源模块。目前常用的恒流源模块可以分为三大类：即分别由三极管、MOS管以及集成运放构成的恒流源。考虑到对于电动车的快速充电与普通快速充电装置的主要差异是，具有电流较大，温度较高等特点[14]。而对于三极管构成的恒流源的基电极容易受到温度影响，使得电阻容易发生变化进一步导致电流稳定性差的现象。而集成运放电路构成的恒流源更适用于小电流的电路中[15]。所以本系统的恒流源部分采用了由MOS管构成的压控恒流源。在电池充电的过程中，单片机控制系统结合采集模块获取的数据实时的调整该模块输出的电流，并将其与预设的电流进行对比，以保证能够按照所设计的分段恒流算法进行恒定的电流输出，避免由于电流过大导致的电池损坏的问题。

(3)供电电源模块。该部分的主要作用是为快速充电系统提供稳定的供电电压以及稳定的电源。我们采用线性电源电路的设计方式，在该模块中包含了整流电路，滤波电路等部分，从而为系统提供9V的稳定电源。

(4)采样模块。系统中的采样模块主要包含了电流、电压、以及温度采样模块三个部分。其中，电压采样主要是指被充电的电池两端的电压。需要注意的是通常在电池充电过程中，模数转换器量测的方位和电池两端电压之间通常是不一致的，因此需要通过设计放大电路对电压进行调整。而对于电流采样电路，主要是利用采样电阻来完成电流值的采集。为了避免由于A/D转换器分辨率较低导致的测量精度不准的问题，在设计中通过放大电路实现了量程分档的策略。而在温度采样电路中，主要利用热敏电阻的物理特性来完成温度的获取，以通过单片机判断电池是否完成充电。

为了对所设计的快速充电装置进行验证，将本文设计的基于分段恒流的快速充电方式与恒流恒压充电方式以及脉冲充电方式进行对比，其实验结果如表1所示。

表1 基于不同快速充电方法的实验对比

通过表1可以看出，利用本文提出的分段恒流快速充电方法的充电时间位于恒流恒压充电方法以及脉冲充电方法之间，充电效率和基于脉冲的快速充电方法相近。而相较于传统的恒流恒压充电方式，不仅在充电时间上有了较大的提高，而且电池端充电电压几乎没有受到影响，并且在电池完成充电时，容量也有所增加。由此说明，基于分段恒流的快速充电方法可以很大程度上削弱因正负极析出的氧气和氢气导致的极化反应。同时该实验也验证了本文所设计的快速充电系统的有效性。

4 结论

本文针对电动汽车充电问题，首先分析了电动汽车快速充电问题研究的社会意义及经济价值。其次，详细阐述了基于马斯三定律的快速充电原理，为后续的方法研究及系统设计奠定了基础。然后，分析了针对电动汽车快速充电的分段恒流方法、以及脉冲充电方法，并在此基础上，针对基于分段恒流的方法的设计并实现了电动汽车快速充电装置。最后，将所设计的基于分段恒流的快速充电方式，分别于基于恒流恒压以及脉冲的快速充电方式进行对比，实验结果验证了所设计系统的有效性。对电动汽车快速充电系统的设计具有一定的参考价值。在今后的工作中，将进一步结合不同型号的锂电池做进一步分析对比，从而提高该系统的普适性。