關(guān)蕾

（西安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安，710000）

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)，人們對(duì)節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境的意識(shí)逐漸提高，從而帶動(dòng)了電動(dòng)汽車行業(yè)的發(fā)展，電動(dòng)汽車充電樁充電效率是限制電動(dòng)汽車發(fā)展的重要因素之一[1,2]。方便有效的充電技術(shù)，可有效提高充電效率，降低充電時(shí)長(zhǎng)，甚至可以降低電池?fù)p耗并增加電池使用壽命。因此如何提高電動(dòng)汽車充電樁充電速率成為急需解決的問題，引起了國(guó)內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。張怡冰借助虛擬同步機(jī)的自有的特點(diǎn)搭建快速充電系統(tǒng)，全面有效的改善充電效能[3]；蒲勇健借助運(yùn)籌學(xué)的方法，通過優(yōu)化預(yù)約算法以合理安排汽車到達(dá)時(shí)間達(dá)到另一維度快速充電的效果[4]；陳紅坤介紹了一種內(nèi)嵌光伏和儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電站，以提高效率建立模型合理調(diào)整充電樁內(nèi)部容量進(jìn)行優(yōu)化，可有效提高充電效率[5]；張蕾借助高壓控制單元及開發(fā)仿真模型，設(shè)計(jì)出快速充電充電樁系統(tǒng)[6]；周念成借助儲(chǔ)能緩沖系統(tǒng)來(lái)減小快速充電對(duì)配電網(wǎng)的影響同時(shí)達(dá)到快速充電的效果[7]。上述研究對(duì)電動(dòng)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(tǒng)，對(duì)推廣電動(dòng)汽車具有重要經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)實(shí)意義。

1 電動(dòng)汽車充電特性研究

■1.1 電動(dòng)汽車充電過程簡(jiǎn)介

電池的充放電過程，對(duì)電池自身使用效果和電動(dòng)汽車使用壽命有著顯著的影響。因此，在此過程中，充電樁應(yīng)對(duì)充放電電壓、電流以及充電溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控。電壓、電流及充電溫度直接影響到電池內(nèi)部化學(xué)物質(zhì)的反應(yīng)程度，對(duì)電動(dòng)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(shè)計(jì)應(yīng)確保充電點(diǎn)安全并盡可能降低電池?fù)p耗。

在電動(dòng)汽車插入電源前，電池處于電勢(shì)靜態(tài)平衡狀態(tài)。當(dāng)插入電源后，電池將開始發(fā)生反應(yīng)，使電池兩端存在一定電勢(shì)差，導(dǎo)致電池實(shí)際電壓和實(shí)際電動(dòng)勢(shì)不一致的情況，此種現(xiàn)象一般稱為電池的極化效應(yīng)。此效應(yīng)對(duì)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(dòng)汽車充電樁充電速率，就以此為著手點(diǎn)，通過降低充電過程中電池極化效應(yīng)來(lái)提高充電效率。

■1.2 電動(dòng)汽車充電技術(shù)

電動(dòng)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(yīng)用的較為廣泛，這些方式各有優(yōu)劣，通常表現(xiàn)在充電的時(shí)長(zhǎng)、電流、電壓的大小、造價(jià)、控制難易程度、能量轉(zhuǎn)化率以及是否會(huì)損害電池等方面。最重要的是充電效率與充電時(shí)長(zhǎng)。

恒流充電，顧名思義是采用一定的電流進(jìn)行電動(dòng)汽車的充電，這種方式操作較為簡(jiǎn)單，在國(guó)內(nèi)也較為常用，此方式對(duì)電流、電壓限制較小，但缺點(diǎn)較為明顯，在剛進(jìn)行充電的一段時(shí)間內(nèi)，由于電流較小從而極大地增加充電的時(shí)長(zhǎng)，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(huì)對(duì)電動(dòng)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(jìn)行充電。優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單、容易控制電壓，充電時(shí)只需要設(shè)定目標(biāo)電壓值就可進(jìn)行快速充電。但由于在充電過程中電流較大，會(huì)破壞電池構(gòu)造對(duì)電池?fù)p傷嚴(yán)重。階段式充電技術(shù)結(jié)合恒流恒壓充電方式的優(yōu)點(diǎn)，可以極大的縮短充電時(shí)間，但由于不能完全弱化電池極化效應(yīng)，降低充電效能，同時(shí)控制較為困難。脈沖充電法是近年來(lái)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(shí)長(zhǎng)，較好地減少電池極化效應(yīng)，降低析氣量。缺點(diǎn)在于對(duì)控制要求復(fù)雜，同時(shí)能量轉(zhuǎn)換效率不高。間歇充電法是近年來(lái)開發(fā)的一種快速充電技術(shù)，能量效率極高，但對(duì)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(shù)或多或少都可以減輕極化和析氣效應(yīng)，從而提高充電速度，減少充電時(shí)長(zhǎng)。但也都存在一定的缺點(diǎn)，如何能快速高效且操作簡(jiǎn)單，容易控制的快速充電技術(shù)是目前國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車充電樁迫切改需要解決的問題。

2 帶負(fù)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(shù)中，極化效應(yīng)的控制一般采用停止充電來(lái)減輕。此種方法雖然能較好地達(dá)到改善極化現(xiàn)象的效果，但是由于停止充電會(huì)占用大量的時(shí)間，從而使整體充電效率不高，增加充電時(shí)長(zhǎng)。通過馬斯三定律的理解，在電動(dòng)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(shí)也有研究表明，電動(dòng)汽車充電過程中若電壓升高到極限電壓值時(shí)，會(huì)嚴(yán)重增強(qiáng)電池極化。那么，假如在電池極具極化的情況下，對(duì)鋰離子電池采用大電流放電，是否可以提高電池對(duì)電流的接受能力，從而延長(zhǎng)大電流充電的時(shí)間，以此增加充電效率。

借助此原理本文提出帶負(fù)脈沖充電技術(shù)既可以通過大電流持續(xù)充電，以達(dá)到快速充電的效果，同時(shí)借助大電流放電來(lái)減少電池計(jì)劃，從而提高電動(dòng)汽車充電速率，減少充電時(shí)長(zhǎng)。圖1 展示的是在大電流充電過程中借助負(fù)脈沖放電以減輕極化的效果?？梢钥闯?，負(fù)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(xù)時(shí)長(zhǎng)有所增大，因此可以有效地增大充電效率，以此達(dá)到快速充電的效果。

圖1 帶負(fù)脈沖快速充電原理

3 帶負(fù)脈沖快速充電方法實(shí)驗(yàn)分析

為了更直觀的體驗(yàn)帶負(fù)脈沖快速充電技術(shù)對(duì)鋰電池充電的充電效率的改善，故設(shè)計(jì)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探討。值得注意的是，電動(dòng)汽車充電樁快速充電技術(shù)的前提是不能對(duì)電池的性能以及使用壽命進(jìn)行影響，同時(shí)，安全性和對(duì)電池溫度的改變也應(yīng)注意。因此，在快速充電過程中，要嚴(yán)格控制溫度，保證安全。實(shí)驗(yàn)分別設(shè)計(jì)恒流充電、大電流恒流充電以及帶負(fù)脈沖快速充電三種技術(shù)進(jìn)行對(duì)比研究，以此來(lái)探討帶負(fù)脈沖快速充電技術(shù)在電動(dòng)汽車充電樁快速充電技術(shù)中的優(yōu)越性。

（1）大電流充電與帶負(fù)脈沖充電技術(shù)對(duì)比

為減小實(shí)驗(yàn)誤差，實(shí)驗(yàn)所用電池為同批次、同型號(hào)、同規(guī)格，且尚未使用過的電池，同時(shí)要對(duì)要對(duì)兩組電池分別進(jìn)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(shí)分別用18A 的大電流充電，帶負(fù)脈沖充電技術(shù)是指在18A 恒流電流中加入5A 的負(fù)脈沖放電電流，試驗(yàn)過程做好記錄進(jìn)行充電。由于充電過程具有一定程度的偶然性，因此本實(shí)驗(yàn)采用十次的平行實(shí)驗(yàn)，取平均值進(jìn)行記錄，以減小誤差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。

由圖2 可知，帶負(fù)脈沖快速充電技術(shù)，可以極大地提高充電效率，減少充電時(shí)長(zhǎng)，且電池充電量更高。經(jīng)分析可知，18A 恒定大電流進(jìn)行充電的過程中，電池電壓很容易就會(huì)搭到電壓限制。此時(shí)大電流會(huì)使電池的極化效應(yīng)明顯加劇，對(duì)電池充電效率影響較大。負(fù)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(xiàn)象，同時(shí)提高鋰離子電池對(duì)大電流充電過程中的接收程度，增長(zhǎng)了電池達(dá)到限制電壓所用的時(shí)長(zhǎng)。大電流接收時(shí)間的增長(zhǎng)是提高電池充電效率最直接、最有效的手段。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在帶負(fù)脈沖快速充電技術(shù)，所充電量比大電流恒定電流充電量增加了10%左右。此實(shí)驗(yàn)可明顯看出帶負(fù)脈沖充電技術(shù)在鋰離子電池充電過程中對(duì)電池極化效應(yīng)的抑制，對(duì)于電池極化效應(yīng)的抑制在一定程度上可以反映出此技術(shù)在快速充電技術(shù)方面的優(yōu)勢(shì)。

（2）恒流充電與帶負(fù)脈沖充電實(shí)驗(yàn)比較

在相同的實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行第二組實(shí)驗(yàn)，分組實(shí)驗(yàn)采用時(shí)按恒定電流和帶負(fù)脈沖5A 電流進(jìn)行充電，實(shí)驗(yàn)同樣進(jìn)行10組平行實(shí)驗(yàn)，以減小誤差，采用平均值進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。

如圖3 可知，添加帶負(fù)脈沖電流快速充電技術(shù)可極大地增加充電效率，減少充電時(shí)長(zhǎng)。在達(dá)到電動(dòng)汽車充電樁額定電壓值時(shí)，帶負(fù)脈沖充電技術(shù)所用時(shí)間為3800 秒，與10A 恒定電流充電技術(shù)相比，充電時(shí)長(zhǎng)可減少30%左右。

圖3 充電效果圖

對(duì)三種方式充電的電池進(jìn)行放電操作，以檢驗(yàn)確切充入鋰電池的電量，放電限制電壓為2.5V，平行實(shí)驗(yàn)10 組，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析可以看出，加入了放電5A 脈沖快速充電技術(shù)相對(duì)于大電流和恒定電流充電的充電方式，在達(dá)到限制電壓時(shí)，可充入更多的電量，而相對(duì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。綜上可知，加入負(fù)脈沖的快速充電技術(shù)，可以有效地降低電池極化效應(yīng)，從而提高電池充電容量，減少充電時(shí)長(zhǎng)，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(jié)果對(duì)比

表1 可以直觀地看出不同充電方式對(duì)充電效率的影響顯著。10A 恒流充電的情況下，電動(dòng)汽車可以充入更多的電量，放電時(shí)間也最長(zhǎng)。但相對(duì)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(jià)提高了充電效率。加入5A 負(fù)脈沖技術(shù)的18A 充電模式，相對(duì)于10A 恒流充電，充電容量少了約3%，但實(shí)際上放電時(shí)間基本沒變，也就是說(shuō)，兩種充電方式充入了相當(dāng)?shù)碾娏?。但是加入放電?fù)脈沖的充電技術(shù)可達(dá)到最高的充電效率。綜合以上實(shí)驗(yàn)可以看出，加入負(fù)脈沖技術(shù)的電動(dòng)汽車充電樁?？梢源_保電動(dòng)汽車達(dá)到最高的充電效率。同時(shí)確保充電容量。也就是說(shuō)負(fù)脈沖技術(shù)可以有效的減少電池充電過程中的極化效應(yīng)，降低充電時(shí)長(zhǎng)，提高充電樁充電效率。

4 總結(jié)

（1）分析了目前國(guó)內(nèi)充電樁常用的充電方法，對(duì)各充電方法的充電原理進(jìn)行剖析，總結(jié)其優(yōu)缺點(diǎn)，了解到快速充電原理在于減小充電過程中極化效應(yīng)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(fù)脈沖快速充電技術(shù)，分析此方法的充電原理，驗(yàn)證其在消除極化效應(yīng)方面的優(yōu)越性，證明此技術(shù)在充電樁快速充電技術(shù)方面的可行性。

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