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，分析了當前充電樁充電技術的優(yōu)勢與弊端，進而在此基礎上提出一種帶負脈沖快速充電技術，即將負向脈沖引入到電池恒流充電中，對相應的技術原理進行討論，對正、負向脈沖幅值以及對應的充放電時間進行計算，得到帶負脈沖快速充電參數(shù)。
關鍵詞：電動汽車；充電樁；帶負脈沖快速充電；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)進行監(jiān)控，進而得到充電技術對電池化學物質反應性能的影響。為提升電池使用效率、延長其使用壽命，應不斷對電動汽車充電技術進行優(yōu)化，在此基礎上，可得到以下電池優(yōu)化設計要點 ：一，提升電池充電效率與質量 ；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)，連入電源后電池內部開始反應，并生成一定的電勢差。受到電勢差的影響，電池電動勢與實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進行研究的過程中，應將降低電池極化效應作為核心，以實現(xiàn)充電效率的提升。
在電動汽車充電樁充電技術研究中，實現(xiàn)快速充電的理論依據(jù)為“馬斯三定律"，第一定律是當放電電流值一定時，充電電流接受率和放電量之間的關系式可表示為 ：
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，關系式表示為 ：It=I1+I2+I3+I4…馬斯第三定律說明在充電期間進行一定程度的放電可以有效提高充電接受率 [1]。“馬斯三定律"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系，結合上述內容可知，若在充電樁充電期間加入一定的負脈沖，同時對電池進行放電，有利于提高電池對于電流的接受能力，達到快速充電的目的 [2]。
2充電樁充電技術應用
恒流充電。指的是在對電動汽車進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，是當前較為常見的一種充電方式 [3]。值得注意的是，該種技術也存在一定弊端，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。指在對電動汽車進行充電的過程中其電壓始終處于恒定狀態(tài)。該充電技術的優(yōu)勢為操作簡單，通過控制電壓值即可在短時間內完成充電任務。與此同時，該技術也具有一定弊端，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，但該技術無法實現(xiàn)對電池極化效應的控制，導致充電效能降低，并提升了整體控制難度 ；脈沖充電。也是當前常見的充電技術，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換效率 [4] ；間歇充電。是近年來開發(fā)的一種新型充電技術，其提高充電效率的原理是優(yōu)化能量轉換，因此該技術對技術含量要求也更高。總的來說，上述幾種充電技術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有一定的削弱作用，但劣勢仍然存在，因此相關領域仍需對快速充電技術展開深入研究，在滿足電動汽車充電需求的基礎上提高充電效率與安全性。
3帶負脈沖快速充電技術分析
3.1 帶負脈沖快速充電技術原理
鋰電池是當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。以往控制電池極化效應時，大多采用重點電池充電的方法，這樣雖然可以改善極化效應的不利影響，但同時也會導致整體充電效率降低。隨著研究的深入，美國學者馬斯發(fā)現(xiàn)蓄電池恒流充電過程中，當電池電量達到一定水平后，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。在此基礎上，馬斯展開相應的實驗研究，并得出電池充電可接受電流的最佳曲線。
結合圖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，因此在對電池進行充電的過程中，應加強對充電電流的控制，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，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，帶負脈沖快速充電技術就是在脈沖充電停止充電時加入負向脈沖，保證提高電池對電流的接受能力，控制電池極化效應的不利影響。因此，要想進一步延長大電流充電時間，提升鋰電池充電效率，可以加強帶負脈沖快速充電技術的應用，同時對正向、負向脈沖幅值、充電時間、放電時間等參數(shù)進行控制。
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行控制，得到電池電壓達到3.65V 時所需要的時長及對應容量。相關充電測試工作以 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行計算，得到充電電流為20A、40A、48A、60A 時，其對應的充電容量分別是91.068%、68.819%、31.432% 以及5.5%。結合相關規(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行充電時，需要加強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)上述計算結果，充電電流為40A 時電池充電容量為68.819%，沒有達到80% 的電池容量標準。在這樣的情況下，可將“馬斯三定律"作為理論依據(jù)，通過適當放電的方式來削弱電池極化效應的不良影響，進而實現(xiàn)電池充電效率的優(yōu)化。基于此，可將負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，技術人員需對電池放電時間加強把控，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。結合表1數(shù)據(jù)進行計算，可計算出不同充電電流下條件下的電池充電接受率，進而得到對應的起始最大可接受電流，具體數(shù)據(jù)見表2。
結合表2數(shù)據(jù)來看，當恒流充電電流幅值為40A時，其對應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 的時間進行計算，得出為560s，40A 電流條件下對應的容量為6.222Ah。針對這一節(jié)點，可引入負向脈沖，保證以40A 電流幅值繼續(xù)進行充電，同時對電池極化效應進行控制。在進行恒流充電期間，進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、放電期間應不斷加強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，為進一步得到具體數(shù)據(jù)，需要通過上文中計算及的公式進行計算，得出對應時刻下具體的正向脈沖充電時間，進而保證電動汽車鋰電池快速充電目標的實現(xiàn)。
4安科瑞充電樁收費運營云平臺
4.1概述
AcrelCloud-9000安科瑞充電柱收費運營云平臺系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術對接入系統(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，實時監(jiān)控充電樁運行狀態(tài)，進行充電服務、支付管理，交易結算，資要管理、電能管理，明細查詢等。同時對充電機過溫保護、漏電、充電機輸入/輸出過壓，欠壓，絕緣低各類故障進行預警；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應用場所
適用于民用建筑、一般工業(yè)建筑、居住小區(qū)、實業(yè)單位、商業(yè)綜合體、學校、園區(qū)等充電樁模式的充電基礎設施設計。
4.3系統(tǒng)結構
4.3.1系統(tǒng)分為四層：
1）即數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡傳輸層、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)議為標準modbus-rtu。電瓶車智能充電樁用于采集充電回路的電力參數(shù)，并進行電能計量和保護。
3）網(wǎng)絡傳輸層：通過4G網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)上傳至搭建好的數(shù)據(jù)庫服務器。
4）數(shù)據(jù)中心層：包含應用服務器和數(shù)據(jù)服務器，應用服務器部署數(shù)據(jù)采集服務、WEB網(wǎng)站，數(shù)據(jù)服務器部署實時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫、基礎數(shù)據(jù)庫。
5）應客戶端層：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施智能化大屏、實時監(jiān)控、交易管理、故障管理、統(tǒng)計分析、基礎數(shù)據(jù)管理等功能，同時為運維人員提供運維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分布情況，對設備狀態(tài)、設備使用率、充電次數(shù)、充電時長、充電金額、充電度數(shù)、充電樁故障等進行統(tǒng)計顯示，同時可查看每個站點的站點信息、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，查看設備使用率，合理分配資源。
4.4.2實時監(jiān)控
實時監(jiān)視充電設施運行狀況，主要包括充電樁運行狀態(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，對其進行賬戶進行充值、退款、凍結、注銷等操作，可查看小區(qū)用戶每日的充電交易詳細信息。
4.4.4故障管理設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行派發(fā)處理，同時運維人員可通過運維APP收取故障推送，運維人員在運維工作完成后將結果上報。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、充電設施、、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基礎數(shù)據(jù)管理在系統(tǒng)平臺建立運營商戶，運營商可建立和管理其運營所需站點和充電設施，維護充電設施信息、價格策略、折扣、優(yōu)惠活動，同時可管理在線卡用戶充值、凍結和解綁。
4.4.7運維APP面向運維人員使用，可以對站點和充電樁進行管理、能夠進行故障閉環(huán)處理、查詢流量卡使用情況、查詢充電\充值情況，進行遠程參數(shù)設置，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結語
綜上所述，當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并未實現(xiàn)有效控制。因此以快速充電原理為基礎提出帶負脈沖快速充電技術，通過原理分析及參數(shù)計算證明該技術在控制電池極化效應上具有顯著作用。為進一步提升快速充電效率，在應用相關技術時，還應根據(jù)實際情況確定合適的正脈沖、負脈沖大小和時間，促進鋰電池充電效率的提升。
參考文獻
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