電動汽車充電樁快速充電技術研究

關蕾

（西安職業技術學院，陜西西安，710000）

0 引言

隨著城市化進程的快速推進，人們對節約資源、保護環境的意識逐漸提高，從而帶動了電動汽車行業的發展，電動汽車充電樁充電效率是限制電動汽車發展的重要因素之一[1,2]。方便有效的充電技術，可有效提高充電效率，降低充電時長，甚至可以降低電池損耗并增加電池使用壽命。因此如何提高電動汽車充電樁充電速率成為急需解決的問題，引起了國內外研究者的廣泛關注。張怡冰借助虛擬同步機的自有的特點搭建快速充電系統，全面有效的改善充電效能[3]；蒲勇健借助運籌學的方法，通過優化預約算法以合理安排汽車到達時間達到另一維度快速充電的效果[4]；陳紅坤介紹了一種內嵌光伏和儲能系統的充電站，以提高效率建立模型合理調整充電樁內部容量進行優化，可有效提高充電效率[5]；張蕾借助高壓控制單元及開發仿真模型，設計出快速充電充電樁系統[6]；周念成借助儲能緩沖系統來減小快速充電對配電網的影響同時達到快速充電的效果[7]。上述研究對電動汽車快速充電樁的研究大有裨益，本文提出的快速充電控制系統，對推廣電動汽車具有重要經濟和現實意義。

1 電動汽車充電特性研究

■1.1 電動汽車充電過程簡介

電池的充放電過程，對電池自身使用效果和電動汽車使用壽命有著顯著的影響。因此，在此過程中，充電樁應對充放電電壓、電流以及充電溫度實時監控。電壓、電流及充電溫度直接影響到電池內部化學物質的反應程度，對電動汽車充電效率和電池使用壽命均有著較大的影響。因此充電樁設計應確保充電點安全并盡可能降低電池損耗。

在電動汽車插入電源前，電池處于電勢靜態平衡狀態。當插入電源后，電池將開始發生反應，使電池兩端存在一定電勢差，導致電池實際電壓和實際電動勢不一致的情況，此種現象一般稱為電池的極化效應。此效應對電池使用壽命、電池充電安全以及電池充電效率均有較大影響。本文將研究如何提高電動汽車充電樁充電速率，就以此為著手點，通過降低充電過程中電池極化效應來提高充電效率。

■1.2 電動汽車充電技術

電動汽車快速充電樁常用的充電方式較多，目前為止，恒壓充電，恒流充電，大電流脈沖充電、間歇恒流或恒壓充電等方式應用的較為廣泛，這些方式各有優劣，通常表現在充電的時長、電流、電壓的大小、造價、控制難易程度、能量轉化率以及是否會損害電池等方面。最重要的是充電效率與充電時長。

恒流充電，顧名思義是采用一定的電流進行電動汽車的充電，這種方式操作較為簡單，在國內也較為常用，此方式對電流、電壓限制較小，但缺點較為明顯，在剛進行充電的一段時間內，由于電流較小從而極大地增加充電的時長，影響充電效率。另一方面，由于充電后期電流較大，在一定程度上會對電動汽車的電池壽命造成影響。恒壓充電與恒流充電相似，是采用恒定的電壓進行充電。優點是操作簡單、容易控制電壓，充電時只需要設定目標電壓值就可進行快速充電。但由于在充電過程中電流較大，會破壞電池構造對電池損傷嚴重。階段式充電技術結合恒流恒壓充電方式的優點，可以極大的縮短充電時間，但由于不能完全弱化電池極化效應，降低充電效能，同時控制較為困難。脈沖充電法是近年來鋰離子電池快速充電的主要手段之一，可以極大的提高充電效率，減少充電時長，較好地減少電池極化效應，降低析氣量。缺點在于對控制要求復雜，同時能量轉換效率不高。間歇充電法是近年來開發的一種快速充電技術，能量效率極高，但對控制方面提出了更高的要求。從上述介紹可知，上述充電技術或多或少都可以減輕極化和析氣效應，從而提高充電速度，減少充電時長。但也都存在一定的缺點，如何能快速高效且操作簡單，容易控制的快速充電技術是目前國內電動汽車充電樁迫切改需要解決的問題。

2 帶負脈沖快速充電方法原理分析

通過鋰電池充電原理可知，充電樁通過減輕極化效用便可以極大的提高充電效率。上述充電技術中，極化效應的控制一般采用停止充電來減輕。此種方法雖然能較好地達到改善極化現象的效果，但是由于停止充電會占用大量的時間，從而使整體充電效率不高，增加充電時長。通過馬斯三定律的理解，在電動汽車充電的過程中，借助瞬間大電流放電可有效提高電池的充電接受率，同時也有研究表明，電動汽車充電過程中若電壓升高到極限電壓值時，會嚴重增強電池極化。那么，假如在電池極具極化的情況下，對鋰離子電池采用大電流放電，是否可以提高電池對電流的接受能力，從而延長大電流充電的時間，以此增加充電效率。

借助此原理本文提出帶負脈沖充電技術既可以通過大電流持續充電，以達到快速充電的效果，同時借助大電流放電來減少電池計劃，從而提高電動汽車充電速率，減少充電時長。圖1 展示的是在大電流充電過程中借助負脈沖放電以減輕極化的效果。可以看出，負脈沖電流的加入，可以有效的提高充電接受能力，且大電流的充電持續時長有所增大，因此可以有效地增大充電效率，以此達到快速充電的效果。

圖1 帶負脈沖快速充電原理

3 帶負脈沖快速充電方法實驗分析

為了更直觀的體驗帶負脈沖快速充電技術對鋰電池充電的充電效率的改善，故設計相應的實驗進行探討。值得注意的是，電動汽車充電樁快速充電技術的前提是不能對電池的性能以及使用壽命進行影響，同時，安全性和對電池溫度的改變也應注意。因此，在快速充電過程中，要嚴格控制溫度，保證安全。實驗分別設計恒流充電、大電流恒流充電以及帶負脈沖快速充電三種技術進行對比研究，以此來探討帶負脈沖快速充電技術在電動汽車充電樁快速充電技術中的優越性。

（1）大電流充電與帶負脈沖充電技術對比

為減小實驗誤差，實驗所用電池為同批次、同型號、同規格，且尚未使用過的電池，同時要對要對兩組電池分別進行完全放電。充電限制電壓為3.65V，放電限制電壓為2.5V。后同時分別用18A 的大電流充電，帶負脈沖充電技術是指在18A 恒流電流中加入5A 的負脈沖放電電流，試驗過程做好記錄進行充電。由于充電過程具有一定程度的偶然性，因此本實驗采用十次的平行實驗，取平均值進行記錄，以減小誤差。實驗結果見圖2。

由圖2 可知，帶負脈沖快速充電技術，可以極大地提高充電效率，減少充電時長，且電池充電量更高。經分析可知，18A 恒定大電流進行充電的過程中，電池電壓很容易就會搭到電壓限制。此時大電流會使電池的極化效應明顯加劇，對電池充電效率影響較大。負脈沖電流的加入可以使大電流在充電過程中降低電池極化現象，同時提高鋰離子電池對大電流充電過程中的接收程度，增長了電池達到限制電壓所用的時長。大電流接收時間的增長是提高電池充電效率最直接、最有效的手段。由實驗數據可知，在帶負脈沖快速充電技術，所充電量比大電流恒定電流充電量增加了10%左右。此實驗可明顯看出帶負脈沖充電技術在鋰離子電池充電過程中對電池極化效應的抑制，對于電池極化效應的抑制在一定程度上可以反映出此技術在快速充電技術方面的優勢。

（2）恒流充電與帶負脈沖充電實驗比較

在相同的實驗條件下進行第二組實驗，分組實驗采用時按恒定電流和帶負脈沖5A 電流進行充電，實驗同樣進行10組平行實驗，以減小誤差，采用平均值進行數據的處理。實驗結果如圖3 所示。

如圖3 可知，添加帶負脈沖電流快速充電技術可極大地增加充電效率，減少充電時長。在達到電動汽車充電樁額定電壓值時，帶負脈沖充電技術所用時間為3800 秒，與10A 恒定電流充電技術相比，充電時長可減少30%左右。

圖3 充電效果圖

對三種方式充電的電池進行放電操作，以檢驗確切充入鋰電池的電量，放電限制電壓為2.5V，平行實驗10 組，實驗進行分析可以看出，加入了放電5A 脈沖快速充電技術相對于大電流和恒定電流充電的充電方式，在達到限制電壓時，可充入更多的電量，而相對于10A 恒定電流充電方式，電量充入略少，但在充電效率上卻有極大的提高，實驗結果見表1。綜上可知，加入負脈沖的快速充電技術，可以有效地降低電池極化效應，從而提高電池充電容量，減少充電時長，增加充電效率，是一種良好的電池快速充電方式。

表1 不同充電方式放電結果對比

表1 可以直觀地看出不同充電方式對充電效率的影響顯著。10A 恒流充電的情況下，電動汽車可以充入更多的電量，放電時間也最長。但相對另外兩種充電方式，充電效率較低，約為86.1%左右。18A 恒流充電的放電容量是最小，以降低充電容量為代價提高了充電效率。加入5A 負脈沖技術的18A 充電模式，相對于10A 恒流充電，充電容量少了約3%，但實際上放電時間基本沒變，也就是說，兩種充電方式充入了相當的電量。但是加入放電負脈沖的充電技術可達到最高的充電效率。綜合以上實驗可以看出，加入負脈沖技術的電動汽車充電樁。可以確保電動汽車達到最高的充電效率。同時確保充電容量。也就是說負脈沖技術可以有效的減少電池充電過程中的極化效應，降低充電時長，提高充電樁充電效率。

4 總結

（1）分析了目前國內充電樁常用的充電方法，對各充電方法的充電原理進行剖析，總結其優缺點，了解到快速充電原理在于減小充電過程中極化效應的影響，以此提高充電速率。

（2）通過分析快速充電原理，提出帶負脈沖快速充電技術，分析此方法的充電原理，驗證其在消除極化效應方面的優越性，證明此技術在充電樁快速充電技術方面的可行性。

（3）通過試驗檢測帶負脈沖充電技術的充電效率，與10A 恒定電流充電技術相比，充電時長可減少30%左右。并借助放電實驗直觀驗證加入負脈沖的快速充電技術，可以有效地降低電池極化效應，從而提高電池充電容量，減少充電時長，增加充電效率，是一種良好的電池快速充電方式。