CN105966256A - 一种电动汽车蓄电池快速充电方法 - Google Patents

Abstract

一种电动汽车蓄电池快速充电方法，包括：由电动汽车蓄电管理单元控制器得到初始待充电量和最大可接受起始充电电流I₁，根据约束条件求解最大可接受充电电流I₂，按照最大可接受充电电流指数衰减曲线以I₁为起始电流对电动汽车蓄电池进行充电，当电流衰减到I₂时进行充放电和停充，将充电电流由I₂提升到I₁，按照新的最大可接受充电电流指数衰减曲线进行充电，以此方式，直到单次充入的电量小于2倍单次放出的电量，改为以恒流I₃进行充电，直至充满。本发明主要以最大可接受充电电流指数衰减曲线对电动汽车蓄电池进行充电，并在充电过程中提升其可接受充电电流能力，既保证充电过程中不析气，又大大地降低了充电时间。

Description

一种电动汽车蓄电池快速充电方法

技术领域：

本发明涉及一种电动汽车蓄电池快速充电方法。

背景技术：

为保护环境，降低机动车尾气排放，电动汽车越来越受到世界各国的关注和青睐。特别是我国政府，近年来开始加大对电动汽车的扶持力度，出台多种优惠政策，大力推广电动汽车的使用。但是目前关于电动汽车蓄电池的充电方法大多以恒流恒压充电法、自行设置变电流充电法和脉冲充电法为主，这些充电方法相对而言耗时还是较长，不能在最短的时间内完成对车载蓄电池的充电，容易对人们的出行造成不便。

1967年，美国科学家马斯在第二届世界电动汽车年会上提出了著名的马斯三定律，其主要包含以下内容：

(1).对于任何给定的放电电流，蓄电池的最大充电接受电流I₁与放出电量C_f的平方根成反比，即

$I_1=K\sqrt{C}$

这里K是比例常数。

(2).如果蓄电池放出的电量C_f是给定的，蓄电池的最大充电接受电流I₁还正比于放电电流I_f的倍数的对数，即

$I_1=K_1\sqrt{C_f}log\left(K_2{I}_f\right)$

这里K₁、K₂为常数，可由实验得出。

(3).一个蓄电池经几种放电电流放电后，其充电接受电流I_t是各个放电电流情况下的充电接受电流之和，即

I_t＝I₁+I₂+I₃+...

其在实验证明的基础上，提出了以最低析气率为前提的蓄电池最大可接受充电电流的指数衰减曲线，给出了一条充电电流i关于充电时间t的最佳充电曲线，就是在保持微量出气的情况下，蓄电池能够接受的最大充电电流是一条指数规律衰减的曲线，即

i＝I₁e^-at

其中，I₁为蓄电池最大可接受起始充电电流，a为充电接受率。

即按照此曲线对蓄电池进行充电可在最短时间内完成对蓄电池的充电，马斯曲线是在对铅酸蓄电池进行大量实验基础上提出的，但是学者们后来研究发现，目前市场上的蓄电池，包括电动汽车用镍氢蓄电池、锂电池等，其最大可接受充电电流的曲线也是一条按指数规律 衰减的曲线，均符合马斯三定律。

发明内容：

本发明旨在针对现有充电方法不能保证电动汽车蓄电池在不析气的基础上在最短的时间内完成对其充电的问题，提出一种电动汽车蓄电池快速充电方法。

按此目的，本发明拟采用以下技术方案：

一种电动汽车蓄电池快速充电方法，其特征是充电电流按照最大可接受充电电流指数衰减曲线对电动汽车蓄电池进行充电，当充电电流每次减小到设定的可接受充电电流值后以恒定电流对电动汽车蓄电池进行放电，并在放电前后各停充一段时间，再次将充电电流提升到最大可接受起始充电电流，继续采用根据最大可接受充电电流指数衰减曲线得到的充电电流进行充电，直至单次按照最大可接受充电电流指数衰减曲线充入的电量小于2倍单次放出电量时结束该方式充电，改用恒流方式充至电动汽车蓄电池满电，包括以下具体步骤：

1).通过电动汽车电池管理单元控制器得到电动汽车前一次充电结束到本次充电前运行过程中输出电流i_m与采样间隔时间Δt的累积和、前一次充电结束时由电池管理单元控制器得到的电池最终电量q，计算得到本次充电初始待充电量C_r0，如式(1)所示：

$C_{r0}=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\left(i_m\mathrm{\Δ}t\right)+Q_0-q---\left(1\right)$

式(1)中，由于采样间隔时间Δt很小，可认为Δt时间内输出电流i_m为恒定直流，Q₀为电动汽车蓄电池额定容量，M表示输出电流采样总次数，m＝1，2，3，...，M。

结合马斯第二定律和式(1)，可得到按照最大可接受充电电流指数衰减曲线对电动汽车蓄电池进行充电的最大可接受起始充电电流I₁，如式(2)所示，

$I_1=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\[K_1\sqrt{i_m*\mathrm{\Δ}t}log\left(K_2{i}_m\right)\]---\left(2\right)$

式(2)中K₁、K₂为常数，可由实验得出；

2).开始充电，每次以I₁为最大起始充电电流、a_n为充电接受率按照最大可接受充电电流指数衰减曲线对电动汽车蓄电池进行充电，经时间t_n至充电电流减小到最大可接受充电电流I₂后以电流I_f＝βI₁(β≥2)对电动汽车蓄电池进行放电，放电时间为t_f，并在放电前后各停充一段时间t_s(t_s≥100ms)，以此方式充电，至单次充入电量C_n小于2倍单次放出电量C_f时结束该充电方式，记此时充入总电量为Q₁，结合马斯提出的蓄电池最大可接受充电电流曲线，其方程如式(3)所示，

$i=I_1{e}^{-a_n{t}_n}---\left(3\right)$

式(3)中，n＝1，2，3，...。

由式(3)可得到，每次按照最大可接受充电电流指数衰减曲线充电时电流I₂满足式(4)，

$I_2=I_1{e}^{-a_n{t}_n}---\left(4\right)$

由式(4)可得到每次按照最大可接受充电电流指数衰减曲线充电时电流由I₁减小到I₂所需时间t_n，如式(5)所示，

$t_n=-\frac{1}{a_n}ln\frac{I_2}{I_1}---\left(5\right)$

对式(3)积分可得到每次按照最大可接受充电电流指数衰减曲线充电至电流减小到I₂时的充入电量C_n，如式(6)所示，

$C_n=\frac{I_1}{a_n}(1-e^{-a_n{t}_n})=\frac{I_1}{a_n}(1-\frac{I_2}{I_1})---\left(6\right)$

根据式(6)易知，t_n→∞时表示一直按照最大可接受充电电流指数衰减曲线对电动汽车蓄电池进行充电，直至充满，此时充入电量C_n也即蓄电池的待充电量C_rn，据此可计算得到每次按照最大可接受充电电流指数衰减曲线充电的充电接受率a_n，如式(7)所示，

$a_n=\frac{I_1}{C_{rn}}---\left(7\right)$

每次按照最大可接受充电电流指数衰减曲线进行充电前电动汽车蓄电池的待充电量C_rn可由式(8)得到，

C_rn＝C_r(n-1)-C_n+C_f (8)

式(8)中放电电量C_f可由式(9)得到，

C_f＝I_ft_f (9)

除第一次充电外，每次按照最大可接受充电电流指数衰减曲线对电动汽车蓄电池充电都需要通过恒流I_f放电把起始充电电流由I₂提升到I₁，结合马斯第二定律，可得到放电时间t_f，如式(10)所示，

$t_f={\[\frac{I_1-I_2}{K_{1}log\left(K_2{I}_f\right)}\]}^2*\frac{1}{I_f}---\left(10\right)$

结合式(6)和式(9)，可得到Q₁，如式(11)所示，

Q₁＝C₁+C₂+...+C_n-nC_f (11)

3).恒流充电，以I₃＝0.2C电流对电动汽车蓄电池进行充电，至充入电量Q₂＝C_r0-Q₁结束充电。

4).上述步骤1)中，若前一次电动汽车蓄电池未充满电时终止充电，则q＜Q₀；若前一次电动汽车蓄电池充满电时结束充电，则q＝Q₀。

5).上述步骤2)中，充电电流I₂的选取需满足以下约束条件：

A.C_n＜2C_f时结束以最大可接受充电电流指数衰减曲线方式充电；

B.完成充电的总时间T最短，结合式(5)和式(10)，可得到T如式(12)所示，

$T=t_1+t_2+\mathrm{...}+t_n+{\mathrm{nt}}_f+2{\mathrm{nt}}_s+\frac{Q_2}{I_3}---\left(12\right)$

根据约束条件A、B，充电前可在电池管理单元控制器计算得出I₂，一般地，I₂在[0.90I₁，0.995I₁]电流区间。

本发明所提快速充电方法，基于马斯理论提出的蓄电池最大可接受充电电流指数衰减曲线，能够避免电动汽车蓄电池充电过程中的析气问题，保证对电动汽车蓄电池充电的安全性；同时，结合马斯三定律，在采用最大可接受充电电流指数衰减曲线的基础上，充电过程中进行放电以提升电动汽车蓄电池的可接受充电电流能力，进行停充以降低电动汽车蓄电池内部 极化反应影响，从而提高充电速率；另外，采用最大可接受充电电流指数衰减曲线充电过程中的最大可接受充电电流I₂由理论计算得到，保证了充电方法的快速性和可靠性；最后，对最大可接受充电电流指数衰减曲线充电方式设置合理的充电结束条件，并在后期采用小电流恒流充电方式，保证了充电效率，极大的减低了整个充电完成时间。

附图说明：

图1为蓄电池最大可接受充电电流指数衰减曲线示意图。

图2为本发明所提快速充电方法中充放电电流关于时间的关系曲线示意图。

图3为本发明所提快速充电方法流程图。

具体实施方式：

以下结合附图及实施例对本发明做进一步描述。应当理解的是，此处所描述的实施方式仅用于说明和解释本发明，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。

图1为蓄电池最大可接受充电电流指数衰减曲线示意图，其由马斯在对铅酸蓄电池进行大量充放电实验的基础上提出，充电过程中，当充电电流超出该曲线时，会造成铅酸蓄电池析气，损坏电池，当充电电流低于该曲线时，铅酸蓄电池不会产生析气反应，但充电较慢，会增加充电时间，其方程如式(1)所示，

i＝I₁e^-at (1)

式(1)中，I₁为铅酸蓄电池最大可接受起始充电电流，a为充电接受率。

后期研究表明，对于其它种类的蓄电池，如镍氢蓄电池、锂电池等，其最大可接受充电电流曲线方程也同样符合式(1)。根据马斯理论，若蓄电池一直按照本身的最大可接受充电电流曲线进行充电，则可保证在不析气的基础上在最短的时间内对蓄电池完成充电。

对式(1)进行积分，可得到0到t时间内蓄电池充入的电量C，如式(2)所示，

$C={\∫}_0^{t}idt=\frac{I_1}{a}(1-e^{-at})---\left(2\right)$

式(2)中，t→∞时，则C等于蓄电池充电前的初始待充电量C_r0，即

$C_{r0}=\frac{I_1}{a}---\left(3\right)$

根据式(3)，若已知C_r0和I₁的大小，则可计算得到充电接受率a的值，如式(4)所示，

$a=\frac{I_1}{C_{r0}}---\left(4\right)$

对于电动汽车而言，根据电动汽车前一次充电结束到本次充电前运行过程中输出电流i_m与采样间隔时间Δt的累积和、前一次充电结束时由电池管理单元控制器得到的电池最终电量q，可计算得到本次充电初始待充电量C_r0，如式(5)所示，

$C_{r0}=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\left(i_m\mathrm{\Δ}t\right)+Q_0-q---\left(5\right)$

式(5)中，由于采样间隔时间Δt很小，可认为Δt时间内输出电流i_m为恒定直流，Q₀为电动汽车蓄电池额定容量，M表示输出电流采样总次数，m＝1，2，3，...，M。

若前一次电动汽车蓄电池未充满电时终止充电，则q＜Q₀；若前一次电动汽车蓄电池充满电时结束充电，则q＝Q₀。

另外，可根据电动汽车前一次充电结束到本次充电前运行过程中输出电流i_m、采样间隔时间Δt，再结合马斯第二、第三定律和式(5)，可计算得到本次电动汽车充电的最大可接受起始充电电流I₁，如式(6)所示，

$I_1=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\[K_1\sqrt{i_m*\mathrm{\Δ}t}log\left(K_2{i}_m\right)\]---\left(6\right)$

式(3)中K₁、K₁为常数，可由实验得出，一般取K₁＝16，K₂＝10。

将式(5)和式(6)代入式(4)，即可得到电动汽车充电接受率a的值。

因此，电动汽车蓄电池按照最大可接受充电电流指数衰减曲线进行充电是可以实现的。

图2为本发明所提快速充电方法中充放电电流关于时间的关系曲线示意图，整个充电曲线总体可以分为两个阶段，第一阶段包括按照最大可接受充电电流指数衰减曲线对电动汽车蓄电池进行充电、放电和停充三部分，第二阶段为恒流充电阶段，主要步骤如下：

1)根据马斯理论，若在蓄电池充电的过程中对其进行放电，可提升其最大可充电接受电流，因此，在对电动汽车蓄电池按照最大可接受充电电流指数衰减曲线进行充电的过程中，当充电电流从I₁衰减到I₂时，以恒定电流I_f对其进行放电并进行停充，然后可将其最大可接受充电电流再次提升到I₁，继续以新的最大可接受充电电流指数衰减曲线对其进行充电，结合式(6)，由马斯第二定律可计算出放电时间t_f和放出的电量C_f，分别如式(7)和(8)所示，

$t_f={\[\frac{I_1-I_2}{K_{1}log\left(K_2{I}_f\right)}\]}^2*\frac{1}{I_f}---\left(7\right)$

C_f＝I_ft_f (8)

由式(7)和式(8)可以看出每次放电的t_f、C_f为定值。另外，为降低对电动汽车蓄电池充电过程中的蓄电池极化反应，在充电的前后各停充一段时间t_s，一般情况下，t_s≥100ms。

2)在对电动汽车蓄电池按照最大可接受充电电流指数衰减曲线进行充电的过程中，每次充放电后，电动车蓄电池的待充电量都会变化，结合式(5)和(8)，可得到第n+1次按照最大可接受充电电流指数衰减曲线进行充电前电动车蓄电池的待充电量C_rn，如式(9)所示，

C_rn＝C_r(n-1)-C_n+C_f (9)

式(9)中，n＝1，2，3，...，C_n表示第n次以最大可接受充电电流指数衰减曲线充入的电量，结合式(2)，可由式(10)得到，

$C_n=\frac{I_1}{a_n}(1-e^{-a_n{t}_n})---\left(10\right)$

式(10)中a_n表示第n次按照最大可接受充电电流指数衰减曲线对电动车蓄电池进行充电的充电接受率，结合式(4)和(9)，可由式(11)得到，

$a_n=\frac{I_1}{C_{rn}}---\left(11\right)$

结合式(1)，每次按照最大可接受充电电流指数衰减曲线对电动车蓄电池进行充电时，当充电电流衰减到I₂时有，

$I_2=I_1{e}^{-a_n{t}_n}---\left(12\right)$

由式(12)可得出第n次对电动车蓄电池进行充电所需的时间t_n，如式(13)所示，

$t_n=-\frac{1}{a_n}ln\frac{I_2}{I_1}---\left(13\right)$

结合式(10)和式(12)，可得到，

$C_n=\frac{I_1}{a_n}(1-\frac{I_2}{I_1})---\left(14\right)$

3)按照最大可接受充电电流指数衰减曲线对电动车蓄电池进行充电过程中，最终单次充入的电量C_n会小于放出的电量C_f，为保证充电的快速性，设定当C_n＜2C_f时结束以最大可接受充电电流指数衰减曲线充电方式对电动汽车蓄电池进行充电，记此时充入的总电量为Q₁，结合式(8)和(14)，可得到，

Q₁＝C₁+C₂+...+C_n-nC_f (15)

4)当C_n＜2C_f时开始以恒定电流I₃＝0.2C对电动汽车蓄电池进行充电，至充入电量Q₂＝C_r0-Q₁结束充电，此电动汽车蓄电池充满电，结合式(7)和(13)可得到充电所用总时间T，如式(16)所示，

$T=t_1+t_2+\mathrm{...}+t_n+{\mathrm{nt}}_f+2{\mathrm{nt}}_s+\frac{Q_2}{I_3}---\left(16\right)$

5)本发明所提快速充电方法要求电动车蓄电池完成充电的总时间T最小，所以充电电流I₂需满足以下约束条件：

A.C_n＜2C_f时结束最大可接受充电电流指数衰减曲线充电方式；

B.完成充电的总时间T最短。

根据约束条件A、B，可在充电前在电池管理单元控制器计算得出I₂，一般地，I₂在[0.90I₁，0.995I₁]电流区间。

下面以120Ah的电动汽车锂电池为例并结合具体计算数据对本发明进行解释和说明。

假设该120Ah电动汽车蓄电池行驶放出了100Ah的电量，且q＝120Ah，根据式(5)可得到C_r0＝100Ah，结合式(6)，假设解得最大可接受起始充电电流I₁＝100A，则得到a₁＝1，设定I_f＝3I₁，t_s＝200ms，根据I₂的约束条件在控制器计算得到，当I₂＝0.985I₁时可保证C_n不小于2C_f且使总时间T最短，此时得到t_f＝8.7ms，以最大可接受充电电流指数衰减曲线充电的充电次数n＝507，计算得到以最大可接受充电电流指数衰减曲线充入的电量Q₁＝98.406Ah，最终充满时总的充电时间T＝64.95min。若一直按照最大可接受充电电流指数衰减曲线充电方式对电动汽车进行充电，即中间不进行充电和停充，则由式(1)可得到，当电动汽车蓄电池完成99.9％时充电总时间T’＝6.9h。由此可见，按照本发明提出的快速充电方法对电动汽车蓄电池进行充电，减少了大量充电时间。

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。由于本发明的范围由所附权利要求书定义，而非由说明书定义，因此落入权利要求的边界和界限内的所有变化，或这种权利要求边界和界限的等同方法都被本文权利要求包含。

Claims (3)

1.一种电动汽车蓄电池快速充电方法，其特征是充电电流按照最大可接受充电电流指数衰减曲线对电动汽车蓄电池进行充电，当充电电流每次减小到设定的可接受充电电流值后以恒定电流对电动汽车蓄电池进行放电，并在放电前后各停充一段时间，再次将充电电流提升到最大可接受起始充电电流，继续采用根据最大可接受充电电流指数衰减曲线得到的充电电流进行充电，直至单次按照最大可接受充电电流指数衰减曲线充入的电量小于2倍单次放出电量时结束该方式充电，改用恒流方式充至电动汽车蓄电池满电，包括以下几个步骤：

1)计算电动汽车蓄电池初始待充电量C_r0，如式(1)所示：

$C_{r0}=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\left(i_m\mathrm{\Δ}t\right)+Q_0-q---\left(1\right)$

式(1)中，i_m为通过电动汽车电池管理单元控制器得到的电动汽车前一次充电结束到本次充电前运行过程中的蓄电池输出电流，Δt为电流采样间隔时间，Q₀为电动汽车蓄电池额定容量，q为前一次充电结束时电动汽车蓄电池最终电量，M为输出电流采样总次数，m＝1，2，3，...，M；

结合马斯第二定律和式(1)，可得到按照最大可接受充电电流指数衰减曲线对电动汽车蓄电池进行充电的最大可接受起始充电电流I₁，如式(2)所示，

$I_1=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\[K_1\sqrt{i_m*\mathrm{\Δ}t}log\left(K_2{i}_m\right)\]---\left(2\right)$

式(2)中K₁、K₂为常数，可由实验得出；

2)开始充电，每次以I₁为最大可接受起始充电电流、a_n为充电接受率，按照最大可接受充电电流指数衰减曲线对电动汽车蓄电池进行充电，每次经时间t_n至充电电流减小到最大可接受充电电流I₂后以电流I_f＝βI₁(β≥2)对电动汽车蓄电池进行放电，放电时间为t_f，并在放电前后各停充一段时间t_s(t_s≥100ms)，以此方式充电，至最后一次充入电量C_n小于2倍放出电量C_f时结束该充电方式，记此时充入总电量为Q₁，最大可接受充电电流指数衰减曲线方程如式(3)所示，

$i=I_1{e}^{-a_n{t}_n}---\left(3\right)$

式(3)中，n＝1，2，3，...；

a_n表示第n次充电时的充电接受率，结合式(3)，可由式(4)得到，

$a_n=\frac{I_1}{C_{rn}}---\left(4\right)$

式(4)中，C_rn表示第n次充电前电动汽车蓄电池的待充容量，可由式(5)得到，

C_rn＝C_r(n-1)-C_n+C_f (5)

式(5)中，C_n表示每次以最大可接受充电电流指数衰减曲线充入的电量，可由式(6)得到，

$C_n=\frac{I_1}{a_n}(1-\frac{I_2}{I_1})---\left(6\right)$

放电电量C_f和放电时间t_f分别如式(7)和(8)所示，

C_f＝I_ft_f (7)

$t_f={\[\frac{I_1-I_2}{K_{1}log\left(K_2{I}_f\right)}\]}^2*\frac{1}{I_f}---\left(8\right)$

结合式(6)和式(7)，此过程充入电量Q₁如式(9)所示，

Q₁＝C₁+C₂+...+C_n-nC_f (9)

3)以I₃＝0.2C电流对电动汽车蓄电池进行充电，至充入电量Q₂＝C_r0-Q₁时结束充电。

2.根据权利要求1所述的一种电动汽车蓄电池快速充电方法，其特征在于：所述的前一次充电结束时电动汽车蓄电池最终电量q由电动汽车电池管理单元控制器得到，若前一次电动汽车蓄电池未充满电时结束充电，则q＜Q₀，若上次电动汽车蓄电池充满电时结束充电，则q＝Q₀。

3.根据权利要求1所述的一种电动汽车蓄电池快速充电方法，其特征在于：所述最大可接受充电电流I₂，其在充电开始前通过电动汽车蓄电池管理单元控制器按照以下约束条件求出：

A. C_n＜2C_f时结束最大可接受充电电流指数衰减曲线充电方式；

B.完成充电的总时间T最短，结合式(3)和式(8)，可得到T如式(10)所示，

$T=t_1+t_2+\mathrm{...}+t_n+{\mathrm{nt}}_f+2{\mathrm{nt}}_s+\frac{Q_2}{I_3}---\left(10\right)$

其中，

$t_n=-\frac{1}{a_n}ln\frac{I_2}{I_1}$