新能源汽车充电过程策略分析（二）脉冲充电

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在四段式充电模型中，涓流充电与预充电虽都是采用小电流方式充电，但二者却有着本质的区别，其中预充电阶段通常应用于电池长时间未使用或深度放电后导致的单体电池（低于2.5V、3V等，视电池而定）或电池总电压过低的情况，其主要目的是通过小电流（如0.01C~0.1C）充电方式去缓慢地将电池电压恢复至一个安全的范围，以激活电池内部的化学反应，以防止大电流充电对电池造成损伤。

而涓流充电发生在电池接近充满状态时，通常是SOC大于90%以上（按策略而定），此时的电池电压已达到恒压充电阶段设定的上限。通过以电池容量的0.01C甚至更低的充电电流去维持电池满电的状态，并防止其过充，这属于一种补充性、维护性的充电策略，同时涓流充电的电流较之预充通常会更小些。

从上文介绍及过程模型示意图中我们已经可以知道，在一个连续的充电周期中，锂电池所能承受的最大充电电流会随着充电过程的推移而逐渐减小，这其中的原因便是如上文所述的极化、内阻增大等现象的存在。而又由于电荷在电极上的累积，会让电极电压发生偏移，并使其高于真实的动力电池正常电压。如正常情况下，电池的电压此时应为A，但由于电压的偏移，导致该电压变为了B。

此现象产生的结果是让充电过程中的恒压充电阶段提早介入，从而使得充电过程出现假性充满的情况。此情况的存在对于用户而言最直观的感受是，明明仪表显示充进了一定比例的电量，但在用车时却发现掉电情况异常严重。


图6 常规充电模型可能存在的问题
为缓解上述提到的电荷累积造成的电压偏移、极化等现象的发生，于是通过引入脉冲电流在充电模型中的应用被提出。

2.4.脉冲充电

脉冲充电是在充电过程中采用一定强度的充电电流，并以充-停或充-停-‘放’的间歇性方式，以形成脉冲电流对动力电池进行充电控制的技术手段，其过程将对连续的充电过程所形成的电荷，以间歇性的方式进行释放，从而以起到缓解极化现象的作用，进而实现提高动力电池的充电量的目的。

2.4.1.可能应用的阶段

我们知道电荷的累积是由于在较大电流下，采用恒流充电所造成的，而恒压充电的提早介入也是由于此电荷的存在。在图5所示的常规充电模型中，第一阶段和第四阶段的小电流充电方式并不会造成动力电池的极化现象，因此脉冲充电主要可能的应用应是在常规充电过程模型中的恒流充电或恒压充电阶段，也就是对动力电池充电的主要阶段。


图7 脉冲充电示意
在此恒流恒压充电阶段中，通过脉冲电流的应用，可在充电过程中通过停止充电时间（t2）对累积的电荷进行释放，从而让堆积于电极处的电荷得以减少，进而让系统检测到的动力电池电压更加真实，进而实现在整个充电周期中可充入更多的电量。同时，电荷的释放缓解了极化现象的发生，这将有利于动力电池的使用寿命。


图8 脉冲与恒流充电在整个充电周期中的充电量对比
2.4.2.脉冲强度与充电时间

如上所述，当在恒流恒压阶段采用了脉冲充电，如果此时脉冲强度是基于原模型而来，即脉冲强度与恒流恒压时一致，那么尽管它有助于减少充电过程中的极化效应，也可让动力电池在固有容量内实现更多的充电量，但从图7可以看出，在相同的时间内，采用同样大小的充电电流，由于脉冲充电方式存在停止充电时段，所以要达到与恒流下的同等充电量，则需要付出更长的时间。


图9 同电流、同时间下脉冲充电电量更少
在如今快充、超充在市场中的应用不断普及的背景下，延长时间的充电方式将不太能被市场认可。也正是由于此点原因，当下所应用的脉冲充电多是作为电池维护的一种手段或充电过程的一种特定优化，而非日常充电的应用方式。

但由于在快充趋势下，高倍率充电方式将会被广泛应用，在此技术背景下，大电流的恒流充电将会让极化现象变得更加明显且严重，从而导致恒流充电下的真实充电量变得更少。此时采用脉冲充电方式与恒流恒压充电方式对比，其‘损失’在停止充电时间上的电量，将远低于因为极化导致的真实电量损失，这一点或可弥补其充电时间较长的问题。

而为了让脉冲充电方式下的充电时间与原充电方式相当，则需要通过提高脉冲强度的方式进行，但基于动力电池各个单体电芯的充电状态可能存在差异，对于能量的吸收效果也将会不同，为此其脉冲强度、宽度、频率和间隔都需要精心设计。同时，为了加快电荷的释放速度，以进一步降低整体充电时间，可通过加入负脉冲以实现对电荷的主动中和。此时的脉冲电流示意如下：


图10 加入负脉冲电流的脉冲充电示意
此方式下的强度、脉宽、负脉宽等参数则更加复杂，同时动力电池的发热效果也将有所不同，如何对其进行选取以在实现最好的效果的同时，又不导致不必要的副反应则需要诸君不停的试验了。

2.4.3.脉冲替代的可行性

虽然在高倍率充电应用的背景下，脉冲充电方式由于极化现象的缓解，可以让动力电池相对于传统充电模型产生的热量要更低，进而让动力电池的应用更具安全性。但此技术的应用还需要重点解决如何准确判断电池饱和度的问题，特别是在大电流脉冲后电池内部状态变化较快的情况下。

我们知道在传统的恒流/恒压充电过程中，系统可以通过监测电池的电压、电流以及温度等参数，并结合预设的标准曲线来判断电池何时在此阶段已完成充电，然后转到下一阶段。而在脉冲充电模式下，由于电流是以瞬态的方式施加到电池上的，此时可能会使电池内部的化学反应过程与连续恒流充电有所不同，在此新的变化环境下，导致了电池的饱和状态不易通过常规的电压阈值或简单的容量计算来判断。

因此，为实现其功能的应用，便需要更为高级、复杂且智能的控制策略，而在此方案还未形成之前，脉冲充电对于传统充电模型中的恒流阶段或者多充电阶段的替代都还不太可行。为此，此应用方式还如目前应用那般，尚以补充优化、维护、补救应用为主。