一种电动汽车蓄电池快速充电方法
【专利摘要】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。
【专利说明】
-种电动汽车蓄电池快速充电方法
技术领域：
[0001] 本发明设及一种电动汽车蓄电池快速充电方法。
【背景技术】：
[0002] 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W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，运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。
[0003] 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Ξ定 律，其主要包含W下内容：
[0004] (1).对于任何给定的放电电流，蓄电池的最大充电接受电流Ii与放出电量Cf的平 方根成反比，即
[0005]
[0006] 运里K是比例常数。
[0007] (2).如果蓄电池放出的电量Cf是给定的，蓄电池的最大充电接受电流Ii还正比于 放电电流If的倍数的对数，即
[000引
[0009] 运里Κι、Κ2为常数，可由实验得出。
[0010] (3).-个蓄电池经几种放电电流放电后，其充电接受电流It是各个放电电流情况 下的充电接受电流之和，即
[0011] It=Ii+l2+l3+...
[0012] 其在实验证明的基础上，提出了 W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
[0013] i = Iie-at
[0014] 其中，Ii为蓄电池最大可接受起始充电电流，a为充电接受率。
[0015] 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，包括电动汽车用儀氨蓄电池、裡电池等，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Ξ定律。
【发明内容】
：
[0016] 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。
[0017]按此目的，本发明拟采用W下技术方案：
[0018] -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W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W下具 体步骤：
[0019] 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im与采样间隔时间At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Cro,如式(1)所示：
[0020]
(1)
[002。 式（1)中，由于采样间隔时间A t很小，可认为A t时间内输出电流im为恒定直流，Qo 为电动汽车蓄电池额定容量，Μ表示输出电流采样总次数，m=l，2,3,. . .，M。
[0022] 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II，如式(2)所示，
[0023]
(2)
[0024] 式(2)中Κι、Κ2为常数，可由实验得出；
[0025] 2).开始充电，每次Wli为最大起始充电电流、an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tn至充电电流减小到最大可接受 充电电流12后W电流if=eii(e>2)对电动汽车蓄电池进行放电，放电时间为tf，并在放电 前后各停充一段时间ts(ts>100ms)，W此方式充电，至单次充入电量Cn小于2倍单次放出电 量Cf时结束该充电方式，记此时充入总电量为化，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，
[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电电流指数衰减曲线充电时电流12满足 式(4)，
[0029] (4)
[0030] 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11减小 到12所需时间tn，如式(5)所示，
[0031]
(5)
[0032] 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 至Ijl2时的充入电量Cn，如式(6)所示，
[0033]
㈱
[0034] 根据式(6)易知，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Cn也即蓄电池的待充电量Crn，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an,如式(7)所示，
[0035]
(7)
[0036] 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Crn可由式(8)得到，
[0037] Crn = Cr(n-l)-Cn+Cf (8)
[0038] 式(8)中放电电量Cf可由式(9)得到，
[0039] Cf = Iftf (9)
[0040] 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If放电把起始充电电流由12提升到II，结合马斯第二定律，可得到放电 时间tf，如式(10)所示，
[0041]
隣
[0042] 结合式(6)和式(9)，可得到化，如式（11)所示，
[0043] Qi = Ci+C2+. . .+Cn-nCf (11)
[0044] 3).恒流充电，Wl3 = 0.2C电流对电动汽车蓄电池进行充电，至充入电量化= Cr〇-化 结束充电。
[0045] 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<Qo;若前 一次电动汽车蓄电池充满电时结束充电，贝。
[0046] 5).上述步骤2)中，充电电流12的选取需满足W下约束条件：
[0047] A.Cn<2Cf时结束W最大可接受充电电流指数衰减曲线方式充电；
[0048] 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，
[0049]
。2)
[0化0]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12, 一般地，12在 [0.90Ii，0.99511]电流区间。
[0051] 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Ξ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W提升电动汽车蓄电池的可接受充电电流能力，进行停充W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12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】：
[0052] 图1为蓄电池最大可接受充电电流指数衰减曲线示意图。
[0053] 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。
[0054] 图3为本发明所提快速充电方法流程图。
【具体实施方式】：
[0055] W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W此具体实施例的内容限制本发明的保护范 围。
[0056] 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，
[0057] i = Iie-at (1)
[0058] 式(1)中，Ii为铅酸蓄电池最大可接受起始充电电流，a为充电接受率。
[0059] 后期研究表明，对于其它种类的蓄电池，如儀氨蓄电池、裡电池等，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。
[0060] 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，
[0061 ]
(2)
[0062] 式(2)中，时，现JC等于蓄电池充电前的初始待充电量Cro，即
[0063]
(3)
[0064] 根据式(3)，若已知片〇和Ii的大小，则可计算得到充电接受率a的值，如式(4)所示，
[0065]
(4)
[0066] 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im与采样间隔时间At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CrO，如式巧)所示，
[0067]
(5)
[006引式(5)中，由于采样间隔时间Δ t很小，可认为A t时间内输出电流im为恒定直流，Qo 为电动汽车蓄电池额定容量，Μ表示输出电流采样总次数，m=l，2,3,. . .，M。
[0069] 若前一次电动汽车蓄电池未充满电时终止充电，贝lJq<Q〇;若前一次电动汽车蓄电 池充满电时结束充电，则q = Qo。
[0070] 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"、采 样间隔时间At,再结合马斯第二、第Ξ定律和式巧），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II，如式(6)所示，
[0071]
(6)
[00巧式(3)中Κι、Κι为常数，可由实验得出，一般取Ki = 16，K2=10。
[0073] 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。
[0074] 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W实 现的。
[0075] 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W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Ξ部分，第二阶段为恒流充电阶段，主要步骤如下：
[0076] 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Ii衰减到12时，W恒定电流If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II，继续W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tf和放出的电量Cf，分别如式(7)和 (8)所示，
[0077]
(7)
[007引 Cf = Iftf (8)
[0079] 由式(7)和式(8)可W看出每次放电的tf、Cf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ts，一般情况下， 100ms〇
[0080] 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最大可接受充电电流指数衰减曲线充入 的电量，结合式(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，
[0085]
(11)
[0086] 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12时有，
[0087]
(1巧
[0088] 由式(12)可得出第η次对电动车蓄电池进行充电所需的时间tn，如式(13)所示，
[0089]
牌
[0090] 结合式（10)和式（12)，可得到，
[0091]
(14)
[0092] 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Cn会小于放出的电量Cf，为保证充电的快速性，设定当Cn<2Cf时结束W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 量为化，结合式(8)和（14)，可得到，
[0093] 化=Ci+C2+. . . +Cn-nCf (15)
[0094] 4)当Cn<2Cf时开始W恒定电流I3 = 0.2C对电动汽车蓄电池进行充电，至充入电量 化= Cr〇-化结束充电，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，
[0095]
(16)
[0096] 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W充 电电流12需满足W下约束条件：
[0097] A.Cn<2Cf时结束最大可接受充电电流指数衰减曲线充电方式；
[0098] B.完成充电的总时间T最短。
[0099] 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12,一般地，12在 [0.90Ii，0.99511]电流区间。
[0100] 下面Wl20Ah的电动汽车裡电池为例并结合具体计算数据对本发明进行解释和说 明。
[0101] 假设该120Ah电动汽车蓄电池行驶放出了 1 OOAh的电量，且q = 120Ah，根据式(5)可 得到Cr〇 = lOOAh，结合式(6)，假设解得最大可接受起始充电电流Ii = 100A，贝峭到ai = 1，设 定。=311山=20〇1113，根据12的约束条件在控制器计算得到，当12 = 〇.98511时可保证打不 小于2Cf且使总时间T最短，此时得到tf = 8.7ms，W最大可接受充电电流指数衰减曲线充电 的充电次数η = 507，计算得到W最大可接受充电电流指数衰减曲线充入的电量Qi = 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。
[0102] W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，或运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。
【主权项】
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W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W下几 个步骤： 1) 计算电动汽车蓄电池初始待充电量CrO,如式(1)所示：0) 式(1)中，im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，At为电流采样间隔时间，斯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，Μ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11，如式(2)所示，口） 式(2)中Κι、Κ劝常数，可由实验得出； 2) 开始充电，每次Wli为最大可接受起始充电电流、an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tn至充电电流减小到最大 可接受充电电流12后W电流Ι? = βΙι(β>2)对电动汽车蓄电池进行放电，放电时间为tf，并 在放电前后各停充一段时间ts(ts>100ms)，W此方式充电，至最后一次充入电量Cn小于2倍 放出电量Cf时结束该充电方式，记此时充入总电量为化，最大可接受充电电流指数衰减曲线 方程如式(3)所示，巧 式（3)中，n=l,2,3,...; an表不第η次充电时的充电接雙率，结合式(3)，可由式(4)得到，(4) 式(4)中，Crn表示第η次充电前电动汽车蓄电池的待充容量，可由式(5)得到， Crn=Cr(n-：〇-Cn+Cf (5) 式(5)中，Cn表示每次W最大可接受充电电流指数衰减曲线充入的电量，可由式(6)得 到，㈱ 放电电量Cf和放电时间tf分别如式(7)和(8)所示， Cf = Iftf (7)(8) 结合式(6)和式(7)，此过程充入电量化如式(9)所示， Qi = Ci+C2+. . .+Cn-nCf (9) 3似I3 = 0.2C电流对电动汽车蓄电池进行充电，至充入电量化= Cr〇-化时结束充电。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<Q〇,若上次电动汽车蓄电池充满电时结束充 电，现Jq = Qo。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12,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W下约束条件 求出： A . Cn<2Cf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，
【文档编号】H01M10/44GK105966256SQ201610316636
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月11日
【发明人】卫东, 王央康, 徐创, 李志勇, 高志, 常亚文
【申请人】中国计量大学