文章来源：1哈尔滨理工大学汽车电子驱动控制与系统集成教育部工程研究中心2清华大学汽车安全与节能国家重点实验室

国内外对于电动汽车快速充电的标准至今还尚未统一，美国能源部在年提出的报告中将电动汽车快速充电目标定为每分钟充入电量可行驶20英里。根据中国电动汽车大功率充电技术与标准预研工作组研究，电动汽车传导直流大功率充电指充电功率在kW或以上，充电80%～90%耗时10～15min。表1为各国传导直流充电装置标准。可以看到，最新制定的ChaoJi充电装置标准的最大允许功率为kW，远超之前大功率充电kW的定义。说明电动汽车充电速度仍有一定的发展空间。

如图1为年及年几款车型的电池包容量、充电功率及电池的每分钟充入电量行驶里程的比较。可以看出，由于电动汽车电池包容量在不断增加，在提升续航里程的同时也增加了充电功率。汽车生产企业将大功率充电作为电动汽车里程焦虑的解决方案之一，不断推进充电功率等级的提升。

然而，除了对于充电枪端电力电子变换器件功率等级和散热系统的要求外，电池包本身的一致性、耐久性及安全性成为了制约充电功率等级提升的重要限制条件。随着动力电池比能量的提升，在电动汽车有限的装配空间和容许附加质量限制下可装载的动力电池包的能量不断提升。但由于电池内部的离子扩散速度受限，在大倍率充电电流的情况下，加快了由于锂沉积的线性损失引起的电池老化速度，电池的寿命衰减更为严重。更为重要的是，在大倍率充电条件下，电池的内阻大量产热，导致大功率充电过程电池温度急剧上升，进而对电池的安全性提出挑战。

大功率充电过程中电池的容量衰减由于副反应导致。优化充电策略在提升充电速率的同时可以在一定程度上减小电池的容量衰减。而大功率充电速度较高，电池温度上升较明显，能够控制大功率充电过程电池温度，保证大功率充电过程的安全。

综上，在大功率充电过程中，充电策略和热管理系统的优化是电池管理系统需要面对的两个重要问题。本文大功率充电通过对比已报道充电策略和热管理系统的研究，归纳出现有方法的优点及局限性。在此基础上，对大功率充电技术应用过程中需面对的挑战进行分析。

1大功率充电策略研究现状

面向大功率快速充电需求时，充电策略的选择能够通过优化实现电池寿命，充电速度和电池温升的最优解。目前针对电动汽车大功率充电策略可分为多阶段恒流充电策略(multi-stageconstantcurrentcharging，MSCC)，脉冲充电策略(pulsecharging，PC)，正弦电流充电策略(sinusoidal-ripple-current，SRC)充电策略，Boost-charging策略，基于优化算法的策略，基于电池模型的策略等，其分类如图2所示。

1.1基本充电策略

1.1.1多阶段恒流充电策略

多阶段恒流充电策略如图3所示。其充电协议中，每一个台阶都持续一定的充电时间，直到电池电压/容量达到过渡点，然后跳跃到下一个充电台阶，充电过程转入下一个预置电流。由锂电池的极化约束条件可知，在锂电池充电初期即低荷电状态(stateofcharge，SOC)区间一般使用高电流，在充电末期即高SOC区间，一般使用低电流。因此，MSCC(阶梯式充电)电流水平是逐级降低的。

MSCC策略(阶梯式充电策略)的特点是简单，易于控制和实现，因此该策略在目前的电动车充电策略中得到了广泛应用。

目前采用这种充电策略的有雪佛兰BoltEV、现代Kona和IONIQ、起亚Kiae-Niro、北汽EU7、蔚来ES6等车型。其中雪佛兰BoltEV、现代Kona和起亚Kiae-Niro采用五阶梯式充电模式，北汽EU7采用四阶梯式充电模式，而现代IONIQ则采用两阶梯式，蔚来ES6主体采用阶梯式充电策略，但在后期高SOC区间呈现出斜坡模式。

然而，阶梯式充电模式的问题在于缺乏选择最佳电池充电电流的理论基础，若选取电流倍率过大容易使电池在某一阶段温升超过额定值，从而对电池寿命产生影响。

1.1.2脉冲充电策略

脉冲充电被认为是一种快速、高效的锂离子电池充电策略，它可以理解为一个不连续的恒流(constantcurrent，CC)或恒压(constantvoltage，CV)充电，即充电电流被周期性地静置或放电脉冲中断，如图4所示。

其最先应用于铅酸电池快速充电，然后探索用于锂离子电池的快速充电。脉冲充电的主要特点是通过静置或者加一段放电区间(类似于交流充电方式)来消除或降低极化电压，使下一周期的可接受电流高于其他充电方式。这将使脉冲充电的平均充电电流高于其他充电方式，从而缩短充电时间。

脉冲充电策略的关键是通过理论或者实验设计出最合适的脉冲参数(幅值、频率、占空比等)。虽然脉冲充电策略具有更短的充电时间和更高的充电效率，但在高荷电状态下进行脉冲充电是一种不合理的技术，容易造成锂离子电池的过电压失控，在实际应用中也应考虑其温度和对循环寿命的影响。在实际应用中一般很少有车企直接采用脉冲充电作为大功率充电模式，但少部分车型采用了脉冲快充的方式，采用脉冲的充电模式可以减小锂电池极化从而充进更多电量。

采用脉冲充电模式的车型有梅赛德斯奔驰Mercedes-BenzB-Class、雷诺RenaultZOE、比亚迪BYDE6等。其中，雷诺RenaultZOE充电25～30min其行车里程可达km左右，优于一般的充电模式。

1.1.3SRC充电策略

SRC充电策略采用正弦电流和直流电流叠加作为充电电流，如图5所示，该策略通过最小化锂离子电池阻抗频率从而降低锂离子电池的产热。

许多研究人员通过电化学阻抗谱(electrochemicalimpedancespectroscopy，EIS)分析得到锂离子电池SRC充电的最佳频率。

目前，对于SRC-CV充电方式能否改善锂离子电池的充电性能还没有定论，但已有研究表明SRC充电策略具有更短的充电时间，更高的充电效率和更好的温升控制效果。

然而，SRC充电策略对硬件水平要求较高，成本较高，还需要进一步的理论分析和实验工作了解SRC充电在工业上的应用。

1.1.4Boost-charging策略

Boost-charging特点是启动充电阶段设置更高的电流或最高电压，然后是较为平缓的CC-CV部分，如图6所示。

Boost-charging最早是由Notten等提出，并在圆柱型(US，Sony)和方形型(LP，Philips)锂离子电池上进行了Boost-charging实验。与1CCC-CV方案相比，圆柱型电池的充电时间减少了约30%～40%，容量衰减没有明显的加速，对于棱柱形电池，充电时间减少较少，容量衰减率略高。

Boost-charging作为一种新型快速充电策略可以明显缩短充电时间，提高充电效率，并且对循环寿命没有明显的影响。然而，Boost-charging没有考虑充电电流的优化和温度的控制，因此在大功率充电条件下，电池模组产热情况严重，如果不配以合适的热管理系统，可能会引起热失控。

1.2充电策略的优化

基于大功率充电的需求，电动汽车动力电池的充电倍率要尽量提高。然而由于热管理系统和电池的耐久性，安全性所限，从电池管理系统的角度而言，电池的充电倍率应受到充电温升、电池寿命等一系列约束条件的限制。

这些限制和大功率充电的最终目标，即加快充电速率，减小充电时间矛盾，所以在现有的充电策略适用过程中，常通过对充电策略进行多目标优化，解决大功率充电过程中存在的问题。目前的优化策略主要有两种，一种是基于电池的耐久性实验数据，优化充电策略。另一种是基于电池模型，建立起电池外特性和内部机理之间的联系，从而通过控制充电过程中的极化实现充电策略的控制。

1.2.1基于优化算法的策略

在大功率充电模式下，虽然缩短了充电时间，提高了充电效率，但充电倍率较高会导致锂离子电池极化电压较大、温升较高、老化加速等一系列问题。基于优化算法的充电策略可实现任意多目标的优化与平衡，从而解决大功率充电过程中存在的问题。

1.2.2基于电池模型的策略

基于电池模型的充电策略主要通过采用等效电路模型(图7)或电化学模型(图8)来预测最佳充电电流。他们将外部的电行为与内部的反应机制结合起来，通过控制极化电压达到优化充电的目的。

等效电路模型以其计算速度快的优点得到了广泛

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