摘要：本文基于“馬斯三定律"討論了電動汽車充電樁充電特性，分析了當(dāng)前充電樁充電技術(shù)的優(yōu)勢與弊端，進(jìn)而在此基礎(chǔ)上提出一種帶負(fù)脈沖快速充電技術(shù)，即將負(fù)向脈沖引入到電池恒流充電中，對相應(yīng)的技術(shù)原理進(jìn)行討論，對正、負(fù)向脈沖幅值以及對應(yīng)的充放電時間進(jìn)行計算，得到帶負(fù)脈沖快速充電參數(shù)。

關(guān)鍵詞：電動汽車；充電樁；帶負(fù)脈沖快速充電；鋰電池

1 電動汽車充電樁充電特性

電動汽車使用期間，其使用效果與使用壽命直接受到電池充放電過程的影響，因此有必要通過充電樁對電池電流、溫度、電壓等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，進(jìn)而得到充電技術(shù)對電池化學(xué)物質(zhì)反應(yīng)性能的影響。為提升電池使用效率、延長其使用壽命，應(yīng)不斷對電動汽車充電技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上，可得到以下電池優(yōu)化設(shè)計要點(diǎn) ：一，提升電池充電效率與質(zhì)量 ；二，盡可能減少電池充電損耗 ；三，保證電池充電的安全性與穩(wěn)定性。

在對電動汽車電池進(jìn)行充電之前，電池處于電勢靜態(tài)平衡狀態(tài)，連入電源后電池內(nèi)部開始反應(yīng)，并生成一定的電勢差。受到電勢差的影響，電池電動勢與實(shí)際電壓之間往往存在一定差異，這也是電池極化現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因。該現(xiàn)象對電池使用質(zhì)量、充電效率與充電安全都會造成一定影響，因此在對快速充電技術(shù)進(jìn)行研究的過程中，應(yīng)將降低電池極化效應(yīng)作為核心，以實(shí)現(xiàn)充電效率的提升。

在電動汽車充電樁充電技術(shù)研究中，實(shí)現(xiàn)快速充電的理論依據(jù)為“馬斯三定律"，第一定律是當(dāng)放電電流值一定時，充電電流接受率和放電量之間的關(guān)系式可表示為 ：式中，α 為充電電流接受率 ；C 為放電量 ；K 為放電常數(shù)。馬斯第一定律說明放電深度會隨著充電電池接受能力的提升而加深 ；第二定律是在放電量確定的條件下，充電電流接受率和放電電流的關(guān)系可以表示為：式中，k 為計算常數(shù) ；Id 表示放電電流。馬斯第二定律說明放電量一致時，電池放電率會隨著充電接受率升高而升高 ；第三定律是放電率不同時，充電電流之和為能接受的總電流，關(guān)系式表示為 ：It=I1+I2+I3+I4…馬斯第三定律說明在充電期間進(jìn)行一定程度的放電可以有效提高充電接受率 [1]?！榜R斯三定律"明確指出了電池對于電流接受能力及其放電電量之間的關(guān)系，結(jié)合上述內(nèi)容可知，若在充電樁充電期間加入一定的負(fù)脈沖，同時對電池進(jìn)行放電，有利于提高電池對于電流的接受能力，達(dá)到快速充電的目的 [2]。

2充電樁充電技術(shù)應(yīng)用

  恒流充電。指的是在對電動汽車進(jìn)行充電的過程中其電流始終處于恒定狀態(tài)。恒流充電的優(yōu)勢在于操作簡便，對電流、電壓限制不大，是當(dāng)前較為常見的一種充電方式 [3]。值得注意的是，該種技術(shù)也存在一定弊端，一方面是受電流控制影響，其充電時長明顯延長，使其充電效率處于較低水平。另一方面，充電期間其電流存在明顯的增加趨勢，從而對電池使用壽命造成不利影響 ；恒壓充電。指在對電動汽車進(jìn)行充電的過程中其電壓始終處于恒定狀態(tài)。該充電技術(shù)的優(yōu)勢為操作簡單，通過控制電壓值即可在短時間內(nèi)完成充電任務(wù)。與此同時，該技術(shù)也具有一定弊端，即縮短充電時間采用的電流值較大，對電池使用壽命會造成不利影響。

  階段式充電。該技術(shù)將恒流充電、恒壓充電的優(yōu)勢加以融合，有效提高了充電效率，但該技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)對電池極化效應(yīng)的控制，導(dǎo)致充電效能降低，并提升了整體控制難度 ；脈沖充電。也是當(dāng)前常見的充電技術(shù)，其主要適用于鋰離子電池充電，不僅可以提高電池充電效率，還可以避免電池極化現(xiàn)象對使用壽命的不利影響。然而該技術(shù)的弊端在于對操作控制提出了較高要求，整體難度較大，同時難以有效提升能量轉(zhuǎn)換效率 [4] ；間歇充電。是近年來開發(fā)的一種新型充電技術(shù)，其提高充電效率的原理是優(yōu)化能量轉(zhuǎn)換，因此該技術(shù)對技術(shù)含量要求也更高?？偟膩碚f，上述幾種充電技術(shù)均可以在一定程度上縮短充電時長、提高充電效率，同時對電池極化效應(yīng)有一定的削弱作用，但劣勢仍然存在，因此相關(guān)領(lǐng)域仍需對快速充電技術(shù)展開深入研究，在滿足電動汽車充電需求的基礎(chǔ)上提高充電效率與安全性。

3帶負(fù)脈沖快速充電技術(shù)分析

3.1 帶負(fù)脈沖快速充電技術(shù)原理

鋰電池是當(dāng)前電動汽車使用的主要電池類型，可有效削弱電池極化效應(yīng)。以往控制電池極化效應(yīng)時，大多采用重點(diǎn)電池充電的方法，這樣雖然可以改善極化效應(yīng)的不利影響，但同時也會導(dǎo)致整體充電效率降低。隨著研究的深入，美國學(xué)者馬斯發(fā)現(xiàn)蓄電池恒流充電過程中，當(dāng)電池電量達(dá)到一定水平后，往往會伴隨析氣現(xiàn)象的出現(xiàn)，并對電池充電效率造成不利影響。在此基礎(chǔ)上，馬斯展開相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究，并得出電池充電可接受電流的最佳曲線。

  結(jié)合圖1可知，充電電流過高或過低都無益于電池充電效率和使用壽命，因此在對電池進(jìn)行充電的過程中，應(yīng)加強(qiáng)對充電電流的控制，使其盡可能貼近充電可接受電流的最佳曲線。隨后，馬斯提出“馬斯三定律"，該定律表明在對電動汽車充電樁進(jìn)行充電時，受瞬間大電流放電影響，可以有效增加電池的充電可接受率，進(jìn)而使其可以接受更大的電流。值得注意的是，在電池充電過程中，若電壓提升到極限電壓值，會引發(fā)電池極化效應(yīng)，可通過大電流放電提高電池電流接收能力。圖2為大電流放電下電池可接受電流曲線，由圖可知，帶負(fù)脈沖快速充電技術(shù)就是在脈沖充電停止充電時加入負(fù)向脈沖，保證提高電池對電流的接受能力，控制電池極化效應(yīng)的不利影響。因此，要想進(jìn)一步延長大電流充電時間，提升鋰電池充電效率，可以加強(qiáng)帶負(fù)脈沖快速充電技術(shù)的應(yīng)用，同時對正向、負(fù)向脈沖幅值、充電時間、放電時間等參數(shù)進(jìn)行控制。

3.2 正向脈沖幅值計算

以3.2V/20Ah 磷酸鐵鋰動力電池為例，為得出明確的正向脈沖幅值，需要對具體的充電電流條件進(jìn)行控制，得到電池電壓達(dá)到3.65V 時所需要的時長及對應(yīng)容量。相關(guān)充電測試工作以 ITS5000電池測試系統(tǒng)為依托，得到的具體數(shù)據(jù)見表1。

結(jié)合表1數(shù)據(jù)來看，可通過計算充電容量均值與充電電流的比值得到充電容量。針對不同的充電電流條件進(jìn)行計算，得到充電電流為20A、40A、48A、60A 時，其對應(yīng)的充電容量分別是91.068%、68.819%、31.432% 以及5.5%。結(jié)合相關(guān)規(guī)定來看，電池充電容量需要保持在電池額定容量的80% 以上，因此在使用恒流充電方式對電動汽車進(jìn)行充電時，需要加強(qiáng)對電池充電容量的控制，避免出現(xiàn)過高或過低的情況。綜合來看，宜選取的充電電流幅值為40A。

3.3 正向脈沖充電時間計算

根據(jù)上述計算結(jié)果，充電電流為40A 時電池充電容量為68.819%，沒有達(dá)到80% 的電池容量標(biāo)準(zhǔn)。在這樣的情況下，可將“馬斯三定律"作為理論依據(jù)，通過適當(dāng)放電的方式來削弱電池極化效應(yīng)的不良影響，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電池充電效率的優(yōu)化?；诖耍蓪⒇?fù)向脈沖放電引入到恒流充電中，有效增加電池充電容量。在此期間，技術(shù)人員需對電池放電時間加強(qiáng)把控，通常情況下，放電時間為可接受電流下降1% 情況下，正向脈沖充電時間計算公式表示

為：式中，t 表示的是正向脈沖充電時間；i 表示的是充電電流 ；I0表示的是最大可接受充電電流 ；α 表示的是充電接受率。

由此可見，正向脈沖充電時的計算需要以充電可接受率為依據(jù)，同時根據(jù)電池充電可接受電流的最佳曲線得到對應(yīng)時間的充電容量，其計算公式表示為 ：

式中 ：CS 表示的是電池充電容量 ；t 表示的是充電時間 ；C 表示的是電池額定容量。結(jié)合表1數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，可計算出不同充電電流下條件下的電池充電接受率，進(jìn)而得到對應(yīng)的起始最大可接受電流，具體數(shù)據(jù)見表2。

結(jié)合表2數(shù)據(jù)來看，當(dāng)恒流充電電流幅值為40A時，其對應(yīng)的起始最大可接受電流是67.72A，基于馬斯定律對67.72A 下降至40A 的時間進(jìn)行計算，得出為560s，40A 電流條件下對應(yīng)的容量為6.222Ah。針對這一節(jié)點(diǎn)，可引入負(fù)向脈沖，保證以40A 電流幅值繼續(xù)進(jìn)行充電，同時對電池極化效應(yīng)進(jìn)行控制。在進(jìn)行恒流充電期間，進(jìn)入充電后期時電流會逐漸增加，電池接受率也會隨之增加，公式表示為：式中，α 表示充電接受率 ；I 表示充電電流 ；CS 表示電池充電容量 ；C 表示電池額定容量。將上述數(shù)據(jù)代入式中，當(dāng)起始最大可接受電流67.72A下降至40A 時，為6.222Ah，為20Ah，得到為2.903，

再將其代入式 中，得到 t 為12.46s。

綜合來看，充電時間及電池容量等因素都會對電池充電接受率產(chǎn)生影響，隨著相關(guān)參數(shù)的變動，電池充電接受率也會呈現(xiàn)出明顯的變動趨勢。因此，電池充電、放電期間應(yīng)不斷加強(qiáng)對正向脈沖充電時間的把控，將12.46s 作為正向脈沖充電初始時間，隨著充電時間的延長，其數(shù)值會在后續(xù)的充電過程中發(fā)生變化，為進(jìn)一步得到具體數(shù)據(jù)，需要通過上文中計算及的公式進(jìn)行計算，得出對應(yīng)時刻下具體的正向脈沖充電時間，進(jìn)而保證電動汽車鋰電池快速充電目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

4安科瑞充電樁收費(fèi)運(yùn)營云平臺

4.1概述

AcrelCloud-9000安科瑞充電柱收費(fèi)運(yùn)營云平臺系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對接入系統(tǒng)的電動電動自行車充電站以及各個充電整法行不間斷地數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，實(shí)時監(jiān)控充電樁運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行充電服務(wù)、支付管理，交易結(jié)算，資要管理、電能管理，明細(xì)查詢等。同時對充電機(jī)過溫保護(hù)、漏電、充電機(jī)輸入/輸出過壓，欠壓，絕緣低各類故障進(jìn)行預(yù)警；充電樁支持以太網(wǎng)、4G或WIFI等方式接入互聯(lián)網(wǎng)，用戶通過微信、支付寶，云閃付掃碼充電。

4.2應(yīng)用場所

適用于民用建筑、一般工業(yè)建筑、居住小區(qū)、實(shí)業(yè)單位、商業(yè)綜合體、學(xué)校、園區(qū)等充電樁模式的充電基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計。

4.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4.3.1系統(tǒng)分為四層：

1）即數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、數(shù)據(jù)中心層和客戶端層。

2）數(shù)據(jù)采集層：包括電瓶車智能充電樁通訊協(xié)議為標(biāo)準(zhǔn)modbus-rtu。電瓶車智能充電樁用于采集充電回路的電力參數(shù)，并進(jìn)行電能計量和保護(hù)。

3）網(wǎng)絡(luò)傳輸層：通過4G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至搭建好的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。

4）數(shù)據(jù)中心層：包含應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)器，應(yīng)用服務(wù)器部署數(shù)據(jù)采集服務(wù)、WEB網(wǎng)站，數(shù)據(jù)服務(wù)器部署實(shí)時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

5）應(yīng)客戶端層：系統(tǒng)管理員可在瀏覽器中訪問電瓶車充電樁收費(fèi)平臺。終端充電用戶通過刷卡掃碼的方式啟動充電。

小區(qū)充電平臺功能主要涵蓋充電設(shè)施智能化大屏、實(shí)時監(jiān)控、交易管理、故障管理、統(tǒng)計分析、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理等功能，同時為運(yùn)維人員提供運(yùn)維APP，充電用戶提供充電小程序。

4.4安科瑞充電樁云平臺系統(tǒng)功能

4.4.1智能化大屏

智能化大屏展示站點(diǎn)分布情況，對設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備使用率、充電次數(shù)、充電時長、充電金額、充電度數(shù)、充電樁故障等進(jìn)行統(tǒng)計顯示，同時可查看每個站點(diǎn)的站點(diǎn)信息、充電樁列表、充電記錄、收益、能耗、故障記錄等。統(tǒng)一管理小區(qū)充電樁，查看設(shè)備使用率，合理分配資源。

4.4.2實(shí)時監(jiān)控

實(shí)時監(jiān)視充電設(shè)施運(yùn)行狀況，主要包括充電樁運(yùn)行狀態(tài)、回路狀態(tài)、充電過程中的充電電量、充電電壓/電流，充電樁告警信息等。

4.4.3交易管理

平臺管理人員可管理充電用戶賬戶，對其進(jìn)行賬戶進(jìn)行充值、退款、凍結(jié)、注銷等操作，可查看小區(qū)用戶每日的充電交易詳細(xì)信息。

4.4.4故障管理設(shè)備自動上報故障信息，平臺管理人員可通過平臺查看故障信息并進(jìn)行派發(fā)處理，同時運(yùn)維人員可通過運(yùn)維APP收取故障推送，運(yùn)維人員在運(yùn)維工作完成后將結(jié)果上報。充電用戶也可通過充電小程序反饋現(xiàn)場問題。

4.4.5統(tǒng)計分析通過系統(tǒng)平臺，從充電站點(diǎn)、充電設(shè)施、、充電時間、充電方式等不同角度，查詢充電交易統(tǒng)計信息、能耗統(tǒng)計信息等。

4.4.6基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理在系統(tǒng)平臺建立運(yùn)營商戶，運(yùn)營商可建立和管理其運(yùn)營所需站點(diǎn)和充電設(shè)施，維護(hù)充電設(shè)施信息、價格策略、折扣、優(yōu)惠活動，同時可管理在線卡用戶充值、凍結(jié)和解綁。

4.4.7運(yùn)維APP面向運(yùn)維人員使用，可以對站點(diǎn)和充電樁進(jìn)行管理、能夠進(jìn)行故障閉環(huán)處理、查詢流量卡使用情況、查詢充電\充值情況，進(jìn)行遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置，同時可接收故障推送

4.4.8充電小程序面向充電用戶使用，可查看附近空閑設(shè)備，主要包含掃碼充電、賬戶充值，充電卡綁定、交易查詢、故障申訴等功能。 

4.5系統(tǒng)硬件配置

5結(jié)語

  綜上所述，當(dāng)前常見的電動汽車充電樁充電方法雖然可以起到縮短充電時間、提高充電效率的作用，但對充電過程中極化效應(yīng)并未實(shí)現(xiàn)有效控制。因此以快速充電原理為基礎(chǔ)提出帶負(fù)脈沖快速充電技術(shù)，通過原理分析及參數(shù)計算證明該技術(shù)在控制電池極化效應(yīng)上具有顯著作用。為進(jìn)一步提升快速充電效率，在應(yīng)用相關(guān)技術(shù)時，還應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況確定合適的正脈沖、負(fù)脈沖大小和時間，促進(jìn)鋰電池充電效率的提升。

參考文獻(xiàn)

[1] 關(guān)蕾 .電動汽車快速充電方法研究及系統(tǒng)設(shè)計 [J]. 電子制作 ,2022,16. 

[2] 李志鵬 , 梁威 . 鋰電池擱置——負(fù)脈沖快速充電 實(shí)驗(yàn)研究 [J]. 農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程 ,2021,12. 

[3] 桑岳昌 .電動汽車充電樁充電策略的優(yōu)化設(shè)計 [J]. 電子質(zhì)量 ,2023,3. 

[4] 郭輝 .電動汽車鋰電池快速充電方法研究 [J]. 內(nèi) 燃機(jī)與配件 ,2020,13.

[5]  謝雨函，簡析電動汽車充電樁快速充電技術(shù).

[6]   安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊.2022.05版.