电动汽车充电方式全解及慢充逻辑实操_电动汽车充放电逻辑

1. 动力电池优化充电

充电是动力电池的能量补给方式，是动力电池全生命周期工况的主要组成部分。近年来，以电动汽车为代表的新能源汽车自燃起火事故有31%都发生在充电阶段，动力电池充电方法的发展不再是仅着眼于加快充电速度、提高用户体验，还要保证新能源汽车的安全性、可靠性和长寿性。因此，缩短动力电池的充电时间、提高动力电池的充电效率以及在充电过程中保证动力电池安全性、可靠性和长寿性是近年来新能源汽车发展的研究重点和难点。早期的动力电池充电主要是恒流充电方法和恒压充电方法，通过不断发展完善衍生出恒流恒压充电方法、多阶恒流充电方法、电流和电压脉冲充电方法，还有以连续交变电流为激励的交流充电方法、以模型为基础的系列优化充电方法以及近年来热门的快速充电方法等。

恒流恒压充电

恒流恒压充电方法（CC-CV）方法首先采用设定好的恒定电流对动力电池进行充电，直到动力电池电压达到预设值后切换为恒压充电，最终以充电电流达到截止电流值为终止条件，能够有效结合上述两种充电方法优势，具体的充电过程如图1所示。恒流恒压充电方法对动力电池的损伤较小，不需要预先获取准确的电路模型，通用性强、方法简单、易于实现硬件电路，因而被广泛应用，是目前锂离子动力电池应用中最为常见的充电方式。但恒压充电阶段耗费时间长，难以适用于快速充放电的场合。

多阶恒流充电

多阶恒流充电方法由若干个恒流充电阶段组成，当动力电池在第一个恒流充电阶段达到了上截止电压或设定的SOC水平后，跳转至下一个恒流充电阶段，如此类推，为了避免动力电池过快到达上截止电压，每个恒流充电阶段的设计电流呈现阶梯式逐级递减，以遍历动力电池预设的所有恒流充电阶段为充电终止条件。按照阶与阶之间跳转条件的不同，多阶段恒流充电方法可以分为以上截止电压为跳转条件的充电方式和以SOC区间为跳转条件的充电方式。

脉冲充电

脉冲充电方法可通过短时间的放电或者间歇降低极化电压，使得下一个波形周期获得相比与其他充电方式更高的充电电流可接受能力，增加充放电功率，减少动力电池充电时间。可以通过施加脉冲电流的方式实现脉冲充电，也可通过在动力电池两端施加脉冲电压的方式来实现。

脉冲充电方法的基本思想。脉冲充电一般由若干个以Tc为时间周期的子过程组成，每个子过程分为两个阶段：第一阶段，动力电池以Ic为脉冲电流充电Td时间；第二阶段，动力电池以Id为电流小脉冲进行Tc-Td时长的放电，Id可以为0。随着实验的进行，动力电池端电压持续升高，通过以端电压达到预定的截止电压为终止条件。

交流充电方法

交流充电方法是一类采用连续周期性交变电流作为充电激励源的动力电池充电方法，其中，以正弦波电流实现充电的正弦波充电方法(Sinusoidal Ripple Current，SRC)是最具有代表性的交流充电方法之一。与脉冲充电方法不同，SRC利用正弦电流与直流电叠加作为充电电流，而充电电流的幅值一直随着时间而变化。SRC在寻找最优充电曲线时需要动力电池模型，但与基于模型的充电方法不同的是，它在充电电流中加入了交流分量。二阶RC动力电池模型由一个电阻Ra和两个RC并联电路串联而成，含有直流分量的动力电池阻抗，通过拟合SRC充电过程中不同频率下的电压、电流波形可以得到模型各分量值，从而应用于模拟SRC充电过程。SRC的核心在于最优充电电流频率的计算，通常是利用对电化学阻抗谱（EIS）的分析寻找最小阻抗所对应的频率。

基于模型的优化充电方法

基于模型的充电方法是一种利用动力电池模型描述能力进行充电性能优化的一类充电方法，其核心是通过建模的方式掌握动力电池特性，并基于此制定面向预期优化目标的充电策略。与基于波形的充电方法不同，基于模型的充电方法在动力电池内外特性方面提供了更深、更广的把控度，是一种具有良好应用前景的充电方法。根据使用模型的不同，基于模型的充电方法通常有基于等效电路模型的充电方法和基于电化学模型的充电方法等。

基于等效电路模型的方法首先需要建立动力电池的等效电路模型，温度通常是动力电池充电过程中广受关注的特性，因此，可以通过建立温度模型来考虑充电过程中的动力电池温度变化。值得说明的是，动力电池等效电路模型与温度模型的耦合常应用于多阶恒产热率的充电策略当中。动力电池优化充电要解决的根本问题是尽可能减少动力电池吸收能量的功率损失。由于等效电路模型的电学构成简单明确，因此，常与动力电池功率损失模型联合使用，以实现充电功率损失的最小化。

由于等效电路模型的结构简单，无法考虑动力电池内部电势、锂离子浓度变化、电化学等动力电池内部化学反应过程。为了进一步适应动力电池的内部机理，通常可以采用基于电化学模型的优化充电方法。

快速充电方法

动力电池快速充电方法是指采取消除或降低动力电池极化等措施，在不影响动力电池长寿性和安全性的前提下最大程度发挥动力电池电流接受能力的一类充电策略。与传统充电方法不同的是，动力电池快速充电方法通常设有明确的性能目标。我国工信部在《汽车产业技术进步和技术改造投资方向2010年》中建议指出，快速充电的目标是在0.5h内将动力电池从0%电量充电至80%电量。

动力电池快速充电方法可以沿用传统动力电池的充电方法体系，但是快速充电的大倍率和高性能要求带来了一些新的挑战。例如，传统优化充电中的优化变量、优化边界及约束条件不再适用于快速充电的场合；传统充电方法中的模型主要关注1C以下的小充电倍率，而快速充电方法中的模型需要具备1C以上的大倍率适用性。随着快速充电条件的日渐成熟，传统动力电池的充电方法体系开始针对快速充电的应用要求不断完善和发展，也在不断产生更多形式的快速充电策略。

现有的锂离子电池充电技术主要采用开环方法，其中充电曲线是根据电池参数的先验知识预先确定的。需要使用瞬时电池电压和/或温度来调制充电电流幅度的闭环充电技术。本文通过提出一种恒温恒压 (CT-CV) 充电技术来弥补这一差距，将电池温度视为关键的退化指标。拟议的 CT-CV 充电方案采用简单且易于实现的比例-积分-微分 (PID) 控制器，并辅以前馈项。充电电流根据电池温度动态调整，间接反映其老化和热环境。根据实验结果，所提出的方法在与恒流恒压 (CC-CV) 技术相同的总温升下实现了 20% 的充电速度提升。或者，它会导致 20%对于给定的总充电时间，电池温升较低。它可以通过简单地提高设定温度轻松适应需要更快充电的应用。确立了所提出的 CT-CV 充电在电池级别的优势，并提出了通过将其与电池管理系统集成来将其扩展到电池组级别的可能性。

转向锂离子电池快速充电的愿望促使许多研究人员了解基本的退化机制，以此作为设计新型模型和控制算法的先驱，以帮助减轻它们的发生。据广泛报道，析锂是一种重要的老化机制，在低温、高 C 倍率和高充电状态 (SOC) 下为电池充电时会发生这种情况。在充电过程中测量不同参数（例如电池电压和电流）方面进行了多项努力，它们可能共同提供对检测析锂有用的关键信息。大部分研究都集中在充电完成后对此类数据进行后处理，以推断析锂的开始。本研究旨在通过提出一种基于电池阻抗估计的析锂检测新方法来扩展近期的工作。这种方法能够在实时操作充电，因此可转移到电池管理系统 (BMS)。实验结果表明，所提出的方法具有高灵敏度，能够实时有效地检测析锂的开始，为未来优化充电策略的设计提供支持，以最大限度地减少锂电镀。

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