一種電動汽車蓄電池快速充電方法
【專利摘要】一種電動汽車蓄電池快速充電方法，包括：由電動汽車蓄電管理單元控制器得到初始待充電量和最大可接受起始充電電流I1，根據(jù)約束條件求解最大可接受充電電流I2，按照最大可接受充電電流指數(shù)衰減曲線以I1為起始電流對電動汽車蓄電池進(jìn)行充電，當(dāng)電流衰減到I2時進(jìn)行充放電和停充，將充電電流由I2提升到I1，按照新的最大可接受充電電流指數(shù)衰減曲線進(jìn)行充電，以此方式，直到單次充入的電量小于2倍單次放出的電量，改為以恒流I3進(jìn)行充電，直至充滿。本發(fā)明主要以最大可接受充電電流指數(shù)衰減曲線對電動汽車蓄電池進(jìn)行充電，并在充電過程中提升其可接受充電電流能力，既保證充電過程中不析氣，又大大地降低了充電時間。
【專利說明】
-種電動汽車蓄電池快速充電方法
技術(shù)領(lǐng)域：
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種電動汽車蓄電池快速充電方法。
【背景技術(shù)】：
[0002] 為保護(hù)環(huán)境，降低機(jī)動車尾氣排放，電動汽車越來越受到世界各國的關(guān)注和青睞。 特別是我國政府，近年來開始加大對電動汽車的扶持力度，出臺多種優(yōu)惠政策，大力推廣電 動汽車的使用。但是目前關(guān)于電動汽車蓄電池的充電方法大多W恒流恒壓充電法、自行設(shè) 置變電流充電法和脈沖充電法為主，運(yùn)些充電方法相對而言耗時還是較長，不能在最短的 時間內(nèi)完成對車載蓄電池的充電，容易對人們的出行造成不便。
[0003] 1967年，美國科學(xué)家馬斯在第二屆世界電動汽車年會上提出了著名的馬斯Ξ定 律，其主要包含W下內(nèi)容：
[0004] (1).對于任何給定的放電電流，蓄電池的最大充電接受電流Ii與放出電量Cf的平 方根成反比，即
[0005]
[0006] 運(yùn)里K是比例常數(shù)。
[0007] (2).如果蓄電池放出的電量Cf是給定的，蓄電池的最大充電接受電流Ii還正比于 放電電流If的倍數(shù)的對數(shù)，即
[000引
[0009] 運(yùn)里Κι、Κ2為常數(shù)，可由實驗得出。
[0010] (3).-個蓄電池經(jīng)幾種放電電流放電后，其充電接受電流It是各個放電電流情況 下的充電接受電流之和，即
[0011] It=Ii+l2+l3+...
[0012] 其在實驗證明的基礎(chǔ)上，提出了 W最低析氣率為前提的蓄電池最大可接受充電電 流的指數(shù)衰減曲線，給出了一條充電電流i關(guān)于充電時間t的最佳充電曲線，就是在保持微 量出氣的情況下，蓄電池能夠接受的最大充電電流是一條指數(shù)規(guī)律衰減的曲線，即
[0013] i = Iie-at
[0014] 其中，Ii為蓄電池最大可接受起始充電電流，a為充電接受率。
[0015] 即按照此曲線對蓄電池進(jìn)行充電可在最短時間內(nèi)完成對蓄電池的充電，馬斯曲線 是在對鉛酸蓄電池進(jìn)行大量實驗基礎(chǔ)上提出的，但是學(xué)者們后來研究發(fā)現(xiàn)，目前市場上的 蓄電池，包括電動汽車用儀氨蓄電池、裡電池等，其最大可接受充電電流的曲線也是一條按 指數(shù)規(guī)律衰減的曲線，均符合馬斯Ξ定律。

【發(fā)明內(nèi)容】
：
[0016] 本發(fā)明旨在針對現(xiàn)有充電方法不能保證電動汽車蓄電池在不析氣的基礎(chǔ)上在最 短的時間內(nèi)完成對其充電的問題，提出一種電動汽車蓄電池快速充電方法。
[0017]按此目的，本發(fā)明擬采用W下技術(shù)方案：
[0018] -種電動汽車蓄電池快速充電方法，其特征是充電電流按照最大可接受充電電流 指數(shù)衰減曲線對電動汽車蓄電池進(jìn)行充電，當(dāng)充電電流每次減小到設(shè)定的可接受充電電流 值后W恒定電流對電動汽車蓄電池進(jìn)行放電，并在放電前后各停充一段時間，再次將充電 電流提升到最大可接受起始充電電流，繼續(xù)采用根據(jù)最大可接受充電電流指數(shù)衰減曲線得 到的充電電流進(jìn)行充電，直至單次按照最大可接受充電電流指數(shù)衰減曲線充入的電量小于 2倍單次放出電量時結(jié)束該方式充電，改用恒流方式充至電動汽車蓄電池滿電，包括W下具 體步驟：
[0019] 1).通過電動汽車電池管理單元控制器得到電動汽車前一次充電結(jié)束到本次充電 前運(yùn)行過程中輸出電流im與采樣間隔時間At的累積和、前一次充電結(jié)束時由電池管理單 元控制器得到的電池最終電量q，計算得到本次充電初始待充電量Cro,如式(1)所示：
[0020]
(1)
[002。 式（1)中，由于采樣間隔時間A t很小，可認(rèn)為A t時間內(nèi)輸出電流im為恒定直流，Qo 為電動汽車蓄電池額定容量，Μ表示輸出電流采樣總次數(shù)，m=l，2,3,. . .，M。
[0022] 結(jié)合馬斯第二定律和式（1)，可得到按照最大可接受充電電流指數(shù)衰減曲線對電 動汽車蓄電池進(jìn)行充電的最大可接受起始充電電流II，如式(2)所示，
[0023]
(2)
[0024] 式(2)中Κι、Κ2為常數(shù)，可由實驗得出；
[0025] 2).開始充電，每次Wli為最大起始充電電流、an為充電接受率按照最大可接受充 電電流指數(shù)衰減曲線對電動汽車蓄電池進(jìn)行充電，經(jīng)時間tn至充電電流減小到最大可接受 充電電流12后W電流if=eii(e>2)對電動汽車蓄電池進(jìn)行放電，放電時間為tf，并在放電 前后各停充一段時間ts(ts>100ms)，W此方式充電，至單次充入電量Cn小于2倍單次放出電 量Cf時結(jié)束該充電方式，記此時充入總電量為化，結(jié)合馬斯提出的蓄電池最大可接受充電電 流曲線，其方程如式(3)所示，
[0026]
(3)
[0027] 式（3)中，n = l，2,3，. .
[002引由式（3)可得到，每次按照最大可接受充電電流指數(shù)衰減曲線充電時電流12滿足 式(4)，
[0029] (4)
[0030] 由式(4)可得到每次按照最大可接受充電電流指數(shù)衰減曲線充電時電流由11減小 到12所需時間tn，如式(5)所示，
[0031]
(5)
[0032] 對式(3)積分可得到每次按照最大可接受充電電流指數(shù)衰減曲線充電至電流減小 至Ijl2時的充入電量Cn，如式(6)所示，
[0033]
㈱
[0034] 根據(jù)式(6)易知，時表示一直按照最大可接受充電電流指數(shù)衰減曲線對電 動汽車蓄電池進(jìn)行充電，直至充滿，此時充入電量Cn也即蓄電池的待充電量Crn，據(jù)此可計算 得到每次按照最大可接受充電電流指數(shù)衰減曲線充電的充電接受率an,如式(7)所示，
[0035]
(7)
[0036] 每次按照最大可接受充電電流指數(shù)衰減曲線進(jìn)行充電前電動汽車蓄電池的待充 電量Crn可由式(8)得到，
[0037] Crn = Cr(n-l)-Cn+Cf (8)
[0038] 式(8)中放電電量Cf可由式(9)得到，
[0039] Cf = Iftf (9)
[0040] 除第一次充電外，每次按照最大可接受充電電流指數(shù)衰減曲線對電動汽車蓄電池 充電都需要通過恒流If放電把起始充電電流由12提升到II，結(jié)合馬斯第二定律，可得到放電 時間tf，如式(10)所示，
[0041]
隣
[0042] 結(jié)合式(6)和式(9)，可得到化，如式（11)所示，
[0043] Qi = Ci+C2+. . .+Cn-nCf (11)
[0044] 3).恒流充電，Wl3 = 0.2C電流對電動汽車蓄電池進(jìn)行充電，至充入電量化= Cr〇-化 結(jié)束充電。
[0045] 4).上述步驟1)中，若前一次電動汽車蓄電池未充滿電時終止充電，則q<Qo;若前 一次電動汽車蓄電池充滿電時結(jié)束充電，貝。
[0046] 5).上述步驟2)中，充電電流12的選取需滿足W下約束條件：
[0047] A.Cn<2Cf時結(jié)束W最大可接受充電電流指數(shù)衰減曲線方式充電；
[0048] B.完成充電的總時間T最短，結(jié)合式(5)和式（10)，可得到T如式（12)所示，
[0049]
。2)
[0化0]根據(jù)約束條件A、B，充電前可在電池管理單元控制器計算得出12, 一般地，12在 [0.90Ii，0.99511]電流區(qū)間。
[0051] 本發(fā)明所提快速充電方法，基于馬斯理論提出的蓄電池最大可接受充電電流指數(shù) 衰減曲線，能夠避免電動汽車蓄電池充電過程中的析氣問題，保證對電動汽車蓄電池充電 的安全性；同時，結(jié)合馬斯Ξ定律，在采用最大可接受充電電流指數(shù)衰減曲線的基礎(chǔ)上，充 電過程中進(jìn)行放電W提升電動汽車蓄電池的可接受充電電流能力，進(jìn)行停充W降低電動汽 車蓄電池內(nèi)部極化反應(yīng)影響，從而提高充電速率;另外，采用最大可接受充電電流指數(shù)衰 減曲線充電過程中的最大可接受充電電流12由理論計算得到，保證了充電方法的快速性和 可靠性;最后，對最大可接受充電電流指數(shù)衰減曲線充電方式設(shè)置合理的充電結(jié)束條件，并 在后期采用小電流恒流充電方式，保證了充電效率，極大的減低了整個充電完成時間。
【附圖說明】：
[0052] 圖1為蓄電池最大可接受充電電流指數(shù)衰減曲線示意圖。
[0053] 圖2為本發(fā)明所提快速充電方法中充放電電流關(guān)于時間的關(guān)系曲線示意圖。
[0054] 圖3為本發(fā)明所提快速充電方法流程圖。
【具體實施方式】：
[0055] W下結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步描述。應(yīng)當(dāng)理解的是，此處所描述的實 施方式僅用于說明和解釋本發(fā)明，因此不應(yīng)W此具體實施例的內(nèi)容限制本發(fā)明的保護(hù)范 圍。
[0056] 圖1為蓄電池最大可接受充電電流指數(shù)衰減曲線示意圖，其由馬斯在對鉛酸蓄電 池進(jìn)行大量充放電實驗的基礎(chǔ)上提出，充電過程中，當(dāng)充電電流超出該曲線時，會造成鉛酸 蓄電池析氣，損壞電池，當(dāng)充電電流低于該曲線時，鉛酸蓄電池不會產(chǎn)生析氣反應(yīng)，但充電 較慢，會增加充電時間，其方程如式(1)所示，
[0057] i = Iie-at (1)
[0058] 式(1)中，Ii為鉛酸蓄電池最大可接受起始充電電流，a為充電接受率。
[0059] 后期研究表明，對于其它種類的蓄電池，如儀氨蓄電池、裡電池等，其最大可接受 充電電流曲線方程也同樣符合式（1)。根據(jù)馬斯理論，若蓄電池一直按照本身的最大可接受 充電電流曲線進(jìn)行充電，則可保證在不析氣的基礎(chǔ)上在最短的時間內(nèi)對蓄電池完成充電。
[0060] 對式(1)進(jìn)行積分，可得到0到t時間內(nèi)蓄電池充入的電量C，如式(2)所示，
[0061 ]
(2)
[0062] 式(2)中，時，現(xiàn)JC等于蓄電池充電前的初始待充電量Cro，即
[0063]
(3)
[0064] 根據(jù)式(3)，若已知片〇和Ii的大小，則可計算得到充電接受率a的值，如式(4)所示，
[0065]
(4)
[0066] 對于電動汽車而言，根據(jù)電動汽車前一次充電結(jié)束到本次充電前運(yùn)行過程中輸出 電流im與采樣間隔時間At的累積和、前一次充電結(jié)束時由電池管理單元控制器得到的電 池最終電量q，可計算得到本次充電初始待充電量CrO，如式巧)所示，
[0067]
(5)
[006引式(5)中，由于采樣間隔時間Δ t很小，可認(rèn)為A t時間內(nèi)輸出電流im為恒定直流，Qo 為電動汽車蓄電池額定容量，Μ表示輸出電流采樣總次數(shù)，m=l，2,3,. . .，M。
[0069] 若前一次電動汽車蓄電池未充滿電時終止充電，貝lJq<Q〇;若前一次電動汽車蓄電 池充滿電時結(jié)束充電，則q = Qo。
[0070] 另外，可根據(jù)電動汽車前一次充電結(jié)束到本次充電前運(yùn)行過程中輸出電流i"、采 樣間隔時間At,再結(jié)合馬斯第二、第Ξ定律和式巧），可計算得到本次電動汽車充電的最大 可接受起始充電電流II，如式(6)所示，
[0071]
(6)
[00巧式(3)中Κι、Κι為常數(shù)，可由實驗得出，一般取Ki = 16，K2=10。
[0073] 將式(5)和式(6)代入式(4)，即可得到電動汽車充電接受率a的值。
[0074] 因此，電動汽車蓄電池按照最大可接受充電電流指數(shù)衰減曲線進(jìn)行充電是可W實 現(xiàn)的。
[0075] 圖2為本發(fā)明所提快速充電方法中充放電電流關(guān)于時間的關(guān)系曲線示意圖，整個 充電曲線總體可W分為兩個階段，第一階段包括按照最大可接受充電電流指數(shù)衰減曲線對 電動汽車蓄電池進(jìn)行充電、放電和停充Ξ部分，第二階段為恒流充電階段，主要步驟如下：
[0076] 1)根據(jù)馬斯理論，若在蓄電池充電的過程中對其進(jìn)行放電，可提升其最大可充電 接受電流，因此，在對電動汽車蓄電池按照最大可接受充電電流指數(shù)衰減曲線進(jìn)行充電的 過程中，當(dāng)充電電流從Ii衰減到12時，W恒定電流If對其進(jìn)行放電并進(jìn)行停充，然后可將其 最大可接受充電電流再次提升到II，繼續(xù)W新的最大可接受充電電流指數(shù)衰減曲線對其進(jìn) 行充電，結(jié)合式(6)，由馬斯第二定律可計算出放電時間tf和放出的電量Cf，分別如式(7)和 (8)所示，
[0077]
(7)
[007引 Cf = Iftf (8)
[0079] 由式(7)和式(8)可W看出每次放電的tf、Cf為定值。另外，為降低對電動汽車蓄電 池充電過程中的蓄電池極化反應(yīng)，在充電的前后各停充一段時間ts，一般情況下， 100ms〇
[0080] 2)在對電動汽車蓄電池按照最大可接受充電電流指數(shù)衰減曲線進(jìn)行充電的過程 中，每次充放電后，電動車蓄電池的待充電量都會變化，結(jié)合式(5)和(8)，可得到第n+1次按 照最大可接受充電電流指數(shù)衰減曲線進(jìn)行充電前電動車蓄電池的待充電量Crn，如式(9)所 示，
[0081 ]
(9)
[0082] 式(9)中，n = l，2,3，...，Cn表示第η次W最大可接受充電電流指數(shù)衰減曲線充入 的電量，結(jié)合式(2)，可由式(10)得到，
[0083]
(10)
[0084] 式（10)中an表示第η次按照最大可接受充電電流指數(shù)衰減曲線對電動車蓄電池進(jìn) 行充電的充電接受率，結(jié)合式(4)和(9)，可由式(11)得到，
[0085]
(11)
[0086] 結(jié)合式（1)，每次按照最大可接受充電電流指數(shù)衰減曲線對電動車蓄電池進(jìn)行充 電時，當(dāng)充電電流衰減到12時有，
[0087]
(1巧
[0088] 由式(12)可得出第η次對電動車蓄電池進(jìn)行充電所需的時間tn，如式(13)所示，
[0089]
牌
[0090] 結(jié)合式（10)和式（12)，可得到，
[0091]
(14)
[0092] 3)按照最大可接受充電電流指數(shù)衰減曲線對電動車蓄電池進(jìn)行充電過程中，最終 單次充入的電量Cn會小于放出的電量Cf，為保證充電的快速性，設(shè)定當(dāng)Cn<2Cf時結(jié)束W最 大可接受充電電流指數(shù)衰減曲線充電方式對電動汽車蓄電池進(jìn)行充電，記此時充入的總電 量為化，結(jié)合式(8)和（14)，可得到，
[0093] 化=Ci+C2+. . . +Cn-nCf (15)
[0094] 4)當(dāng)Cn<2Cf時開始W恒定電流I3 = 0.2C對電動汽車蓄電池進(jìn)行充電，至充入電量 化= Cr〇-化結(jié)束充電，此電動汽車蓄電池充滿電，結(jié)合式（7)和（13)可得到充電所用總時間 T，如式(16)所示，
[0095]
(16)
[0096] 5)本發(fā)明所提快速充電方法要求電動車蓄電池完成充電的總時間T最小，所W充 電電流12需滿足W下約束條件：
[0097] A.Cn<2Cf時結(jié)束最大可接受充電電流指數(shù)衰減曲線充電方式；
[0098] B.完成充電的總時間T最短。
[0099] 根據(jù)約束條件A、B，可在充電前在電池管理單元控制器計算得出12,一般地，12在 [0.90Ii，0.99511]電流區(qū)間。
[0100] 下面Wl20Ah的電動汽車裡電池為例并結(jié)合具體計算數(shù)據(jù)對本發(fā)明進(jìn)行解釋和說 明。
[0101] 假設(shè)該120Ah電動汽車蓄電池行駛放出了 1 OOAh的電量，且q = 120Ah，根據(jù)式(5)可 得到Cr〇 = lOOAh，結(jié)合式(6)，假設(shè)解得最大可接受起始充電電流Ii = 100A，貝峭到ai = 1，設(shè) 定。=311山=20〇1113，根據(jù)12的約束條件在控制器計算得到，當(dāng)12 = 〇.98511時可保證打不 小于2Cf且使總時間T最短，此時得到tf = 8.7ms，W最大可接受充電電流指數(shù)衰減曲線充電 的充電次數(shù)η = 507，計算得到W最大可接受充電電流指數(shù)衰減曲線充入的電量Qi = 98.406Ah，最終充滿時總的充電時間T = 64.95min。若一直按照最大可接受充電電流指數(shù)衰 減曲線充電方式對電動汽車進(jìn)行充電，即中間不進(jìn)行充電和停充，則由式（1)可得到，當(dāng)電 動汽車蓄電池完成99.9 %時充電總時間T '= 6.9h。由此可見，按照本發(fā)明提出的快速充電 方法對電動汽車蓄電池進(jìn)行充電，減少了大量充電時間。
[0102] W上所述實施例僅表達(dá)了本發(fā)明的實施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但不能因 此而理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。由于本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求書定義，而非由 說明書定義，因此落入權(quán)利要求的邊界和界限內(nèi)的所有變化，或運(yùn)種權(quán)利要求邊界和界限 的等同方法都被本文權(quán)利要求包含。
【主權(quán)項】
1. 一種電動汽車蓄電池快速充電方法，其特征是充電電流按照最大可接受充電電流指 數(shù)衰減曲線對電動汽車蓄電池進(jìn)行充電，當(dāng)充電電流每次減小到設(shè)定的可接受充電電流值 后W恒定電流對電動汽車蓄電池進(jìn)行放電，并在放電前后各停充一段時間，再次將充電電 流提升到最大可接受起始充電電流，繼續(xù)采用根據(jù)最大可接受充電電流指數(shù)衰減曲線得到 的充電電流進(jìn)行充電，直至單次按照最大可接受充電電流指數(shù)衰減曲線充入的電量小于2 倍單次放出電量時結(jié)束該方式充電，改用恒流方式充至電動汽車蓄電池滿電，包括W下幾 個步驟： 1) 計算電動汽車蓄電池初始待充電量CrO,如式(1)所示：0) 式(1)中，im為通過電動汽車電池管理單元控制器得到的電動汽車前一次充電結(jié)束到本 次充電前運(yùn)行過程中的蓄電池輸出電流，At為電流采樣間隔時間，斯為電動汽車蓄電池額 定容量，q為前一次充電結(jié)束時電動汽車蓄電池最終電量，Μ為輸出電流采樣總次數(shù)，m= 1， 2,3,···，M; 結(jié)合馬斯第二定律和式（1)，可得到按照最大可接受充電電流指數(shù)衰減曲線對電動汽 車蓄電池進(jìn)行充電的最大可接受起始充電電流11，如式(2)所示，口） 式(2)中Κι、Κ勸常數(shù)，可由實驗得出； 2) 開始充電，每次Wli為最大可接受起始充電電流、an為充電接受率，按照最大可接受 充電電流指數(shù)衰減曲線對電動汽車蓄電池進(jìn)行充電，每次經(jīng)時間tn至充電電流減小到最大 可接受充電電流12后W電流Ι? = βΙι(β>2)對電動汽車蓄電池進(jìn)行放電，放電時間為tf，并 在放電前后各停充一段時間ts(ts>100ms)，W此方式充電，至最后一次充入電量Cn小于2倍 放出電量Cf時結(jié)束該充電方式，記此時充入總電量為化，最大可接受充電電流指數(shù)衰減曲線 方程如式(3)所示，巧 式（3)中，n=l,2,3,...; an表不第η次充電時的充電接雙率，結(jié)合式(3)，可由式(4)得到，(4) 式(4)中，Crn表示第η次充電前電動汽車蓄電池的待充容量，可由式(5)得到， Crn=Cr(n-：〇-Cn+Cf (5) 式(5)中，Cn表示每次W最大可接受充電電流指數(shù)衰減曲線充入的電量，可由式(6)得 到，㈱ 放電電量Cf和放電時間tf分別如式(7)和(8)所示， Cf = Iftf (7)(8) 結(jié)合式(6)和式(7)，此過程充入電量化如式(9)所示， Qi = Ci+C2+. . .+Cn-nCf (9) 3似I3 = 0.2C電流對電動汽車蓄電池進(jìn)行充電，至充入電量化= Cr〇-化時結(jié)束充電。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電動汽車蓄電池快速充電方法，其特征在于:所述的前一 次充電結(jié)束時電動汽車蓄電池最終電量q由電動汽車電池管理單元控制器得到，若前一次 電動汽車蓄電池未充滿電時結(jié)束充電，則q<Q〇,若上次電動汽車蓄電池充滿電時結(jié)束充 電，現(xiàn)Jq = Qo。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電動汽車蓄電池快速充電方法，其特征在于:所述最大可 接受充電電流12,其在充電開始前通過電動汽車蓄電池管理單元控制器按照W下約束條件 求出： A . Cn<2Cf時結(jié)束最大可接受充電電流指數(shù)衰減曲線充電方式； B.完成充電的總時間T最短，結(jié)合式(3)和式(8)，可得到T如式(10)所示，
【文檔編號】H01M10/44GK105966256SQ201610316636
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月11日
【發(fā)明人】衛(wèi)東, 王央康, 徐創(chuàng), 李志勇, 高志, 常亞文
【申請人】中國計量大學(xué)