摘要：本文基于“马斯三定律”讨论了电动汽车充电桩充电特性，分析了当前充电桩充电技术的优势与弊端，进而在此基础上提出一种带负脉冲快速充电技术，即将负向脉冲引入到电池恒流充电中，对相应的技术原理进行讨论，对正、负向脉冲幅值以及对应的充放电时间进行计算，得到带负脉冲快速充电参数。

关键词：电动汽车；充电桩；带负脉冲快速充电；锂电池

1 电动汽车充电桩充电特性

电动汽车使用期间，其使用效果与使用寿命直接受到电池充放电过程的影响，因此有必要通过充电桩对电池电流、温度、电压等参数进行监控，进而得到充电技术对电池化学物质反应性能的影响。为提升电池使用效率、延长其使用寿命，应不断对电动汽车充电技术进行优化，在此基础上，可得到以下电池优化设计要点 ：一，提升电池充电效率与质量 ；二，尽可能减少电池充电损耗 ；三，保证电池充电的安全性与稳定性。

在对电动汽车电池进行充电之前，电池处于电势静态平衡状态，连入电源后电池内部开始反应，并生成一定的电势差。受到电势差的影响，电池电动势与实际电压之间往往存在一定差异，这也是电池极化现象产生的主要原因。该现象对电池使用质量、充电效率与充电安全都会造成一定影响，因此在对快速充电技术进行研究的过程中，应将降低电池极化效应作为核心，以实现充电效率的提升。

在电动汽车充电桩充电技术研究中，实现快速充电的理论依据为“马斯三定律”，第一定律是当放电电流值一定时，充电电流接受率和放电量之间的关系式可表示为 ：式中，α 为充电电流接受率 ；C 为放电量 ；K 为放电常数。马斯第一定律说明放电深度会随着充电电池接受能力的提升而加深 ；第二定律是在放电量确定的条件下，充电电流接受率和放电电流的关系可以表示为：式中，k 为计算常数 ；Id 表示放电电流。马斯第二定律说明放电量一致时，电池放电率会随着充电接受率升高而升高 ；第三定律是放电率不同时，充电电流之和为能接受的总电流，关系式表示为 ：It=I1+I2+I3+I4…马斯第三定律说明在充电期间进行一定程度的放电可以有效提高充电接受率 [1]。“马斯三定律”明确指出了电池对于电流接受能力及其放电电量之间的关系，结合上述内容可知，若在充电桩充电期间加入一定的负脉冲，同时对电池进行放电，有利于提高电池对于电流的接受能力，达到快速充电的目的 [2]。

2充电桩充电技术应用

  恒流充电。指的是在对电动汽车进行充电的过程中其电流始终处于恒定状态。恒流充电的优势在于操作简便，对电流、电压限制不大，是当前较为常见的一种充电方式 [3]。值得注意的是，该种技术也存在一定弊端，一方面是受电流控制影响，其充电时长明显延长，使其充电效率处于较低水平。另一方面，充电期间其电流存在明显的增加趋势，从而对电池使用寿命造成不利影响 ；恒压充电。指在对电动汽车进行充电的过程中其电压始终处于恒定状态。该充电技术的优势为操作简单，通过控制电压值即可在短时间内完成充电任务。与此同时，该技术也具有一定弊端，即缩短充电时间采用的电流值较大，对电池使用寿命会造成不利影响。

  阶段式充电。该技术将恒流充电、恒压充电的优势加以融合，有效提高了充电效率，但该技术无法实现对电池极化效应的控制，导致充电效能降低，并提升了整体控制难度 ；脉冲充电。也是当前常见的充电技术，其主要适用于锂离子电池充电，不仅可以提高电池充电效率，还可以避免电池极化现象对使用寿命的不利影响。然而该技术的弊端在于对操作控制提出了较高要求，整体难度较大，同时难以有效提升能量转换效率 [4] ；间歇充电。是近年来开发的一种新型充电技术，其提高充电效率的原理是优化能量转换，因此该技术对技术含量要求也更高。总的来说，上述几种充电技术均可以在一定程度上缩短充电时长、提高充电效率，同时对电池极化效应有一定的削弱作用，但劣势仍然存在，因此相关领域仍需对快速充电技术展开深入研究，在满足电动汽车充电需求的基础上提高充电效率与安全性。

3带负脉冲快速充电技术分析

3.1 带负脉冲快速充电技术原理

锂电池是当前电动汽车使用的主要电池类型，可有效削弱电池极化效应。以往控制电池极化效应时，大多采用重点电池充电的方法，这样虽然可以改善极化效应的不利影响，但同时也会导致整体充电效率降低。随着研究的深入，美国学者马斯发现蓄电池恒流充电过程中，当电池电量达到一定水平后，往往会伴随析气现象的出现，并对电池充电效率造成不利影响。在此基础上，马斯展开相应的实验研究，并得出电池充电可接受电流的最佳曲线。

  结合图1可知，充电电流过高或过低都无益于电池充电效率和使用寿命，因此在对电池进行充电的过程中，应加强对充电电流的控制，使其尽可能贴近充电可接受电流的最佳曲线。随后，马斯提出“马斯三定律”，该定律表明在对电动汽车充电桩进行充电时，受瞬间大电流放电影响，可以有效增加电池的充电可接受率，进而使其可以接受更大的电流。值得注意的是，在电池充电过程中，若电压提升到极限电压值，会引发电池极化效应，可通过大电流放电提高电池电流接收能力。图2为大电流放电下电池可接受电流曲线，由图可知，带负脉冲快速充电技术就是在脉冲充电停止充电时加入负向脉冲，保证提高电池对电流的接受能力，控制电池极化效应的不利影响。因此，要想进一步延长大电流充电时间，提升锂电池充电效率，可以加强带负脉冲快速充电技术的应用，同时对正向、负向脉冲幅值、充电时间、放电时间等参数进行控制。

3.2 正向脉冲幅值计算

以3.2V/20Ah 磷酸铁锂动力电池为例，为得出明确的正向脉冲幅值，需要对具体的充电电流条件进行控制，得到电池电压达到3.65V 时所需要的时长及对应容量。相关充电测试工作以 ITS5000电池测试系统为依托，得到的具体数据见表1。

结合表1数据来看，可通过计算充电容量均值与充电电流的比值得到充电容量。针对不同的充电电流条件进行计算，得到充电电流为20A、40A、48A、60A 时，其对应的充电容量分别是91.068%、68.819%、31.432% 以及5.5%。结合相关规定来看，电池充电容量需要保持在电池额定容量的80% 以上，因此在使用恒流充电方式对电动汽车进行充电时，需要加强对电池充电容量的控制，避免出现过高或过低的情况。综合来看，宜选取的充电电流幅值为40A。

3.3 正向脉冲充电时间计算

根据上述计算结果，充电电流为40A 时电池充电容量为68.819%，没有达到80% 的电池容量标准。在这样的情况下，可将“马斯三定律”作为理论依据，通过适当放电的方式来削弱电池极化效应的不良影响，进而实现电池充电效率的优化。基于此，可将负向脉冲放电引入到恒流充电中，有效增加电池充电容量。在此期间，技术人员需对电池放电时间加强把控，通常情况下，放电时间为可接受电流下降1% 情况下，正向脉冲充电时间计算公式表示

为：式中，t 表示的是正向脉冲充电时间；i 表示的是充电电流 ；I0表示的是最大可接受充电电流 ；α 表示的是充电接受率。

由此可见，正向脉冲充电时的计算需要以充电可接受率为依据，同时根据电池充电可接受电流的最佳曲线得到对应时间的充电容量，其计算公式表示为 ：

式中 ：CS 表示的是电池充电容量 ；t 表示的是充电时间 ；C 表示的是电池额定容量。结合表1数据进行计算，可计算出不同充电电流下条件下的电池充电接受率，进而得到对应的起始最大可接受电流，具体数据见表2。

结合表2数据来看，当恒流充电电流幅值为40A时，其对应的起始最大可接受电流是67.72A，基于马斯定律对67.72A 下降至40A 的时间进行计算，得出为560s，40A 电流条件下对应的容量为6.222Ah。针对这一节点，可引入负向脉冲，保证以40A 电流幅值继续进行充电，同时对电池极化效应进行控制。在进行恒流充电期间，进入充电后期时电流会逐渐增加，电池接受率也会随之增加，公式表示为：式中，α 表示充电接受率 ；I 表示充电电流 ；CS 表示电池充电容量 ；C 表示电池额定容量。将上述数据代入式中，当起始最大可接受电流67.72A下降至40A 时，为6.222Ah，为20Ah，得到为2.903，

再将其代入式 中，得到 t 为12.46s。

综合来看，充电时间及电池容量等因素都会对电池充电接受率产生影响，随着相关参数的变动，电池充电接受率也会呈现出明显的变动趋势。因此，电池充电、放电期间应不断加强对正向脉冲充电时间的把控，将12.46s 作为正向脉冲充电初始时间，随着充电时间的延长，其数值会在后续的充电过程中发生变化，为进一步得到具体数据，需要通过上文中计算及的公式进行计算，得出对应时刻下具体的正向脉冲充电时间，进而保证电动汽车锂电池快速充电目标的实现。

4安科瑞充电桩收费运营云平台

4.1概述

AcrelCloud-9000安科瑞充电柱收费运营云平台系统通过物联网技术对接入系统的电动电动自行车充电站以及各个充电整法行不间断地数据采集和监控，实时监控充电桩运行状态，进行充电服务、支付管理，交易结算，资要管理、电能管理，明细查询等。同时对充电机过温保护、漏电、充电机输入/输出过压，欠压，绝缘低各类故障进行预警；充电桩支持以太网、4G或WIFI等方式接入互联网，用户通过微信、支付宝，云闪付扫码充电。

4.2应用场所

适用于民用建筑、一般工业建筑、居住小区、实业单位、商业综合体、学校、园区等充电桩模式的充电基础设施设计。

4.3系统结构

4.3.1系统分为四层：

1）即数据采集层、网络传输层、数据中心层和客户端层。

2）数据采集层：包括电瓶车智能充电桩通讯协议为标准modbus-rtu。电瓶车智能充电桩用于采集充电回路的电力参数，并进行电能计量和保护。

3）网络传输层：通过4G网络将数据上传至搭建好的数据库服务器。

4）数据中心层：包含应用服务器和数据服务器，应用服务器部署数据采集服务、WEB网站，数据服务器部署实时数据库、历史数据库、基础数据库。

5）应客户端层：系统管理员可在浏览器中访问电瓶车充电桩收费平台。终端充电用户通过刷卡扫码的方式启动充电。

小区充电平台功能主要涵盖充电设施智能化大屏、实时监控、交易管理、故障管理、统计分析、基础数据管理等功能，同时为运维人员提供运维APP，充电用户提供充电小程序。

4.4安科瑞充电桩云平台系统功能

4.4.1智能化大屏

智能化大屏展示站点分布情况，对设备状态、设备使用率、充电次数、充电时长、充电金额、充电度数、充电桩故障等进行统计显示，同时可查看每个站点的站点信息、充电桩列表、充电记录、收益、能耗、故障记录等。统一管理小区充电桩，查看设备使用率，合理分配资源。

4.4.2实时监控

实时监视充电设施运行状况，主要包括充电桩运行状态、回路状态、充电过程中的充电电量、充电电压/电流，充电桩告警信息等。

4.4.3交易管理

平台管理人员可管理充电用户账户，对其进行账户进行充值、退款、冻结、注销等操作，可查看小区用户每日的充电交易详细信息。

4.4.4故障管理设备自动上报故障信息，平台管理人员可通过平台查看故障信息并进行派发处理，同时运维人员可通过运维APP收取故障推送，运维人员在运维工作完成后将结果上报。充电用户也可通过充电小程序反馈现场问题。

4.4.5统计分析通过系统平台，从充电站点、充电设施、、充电时间、充电方式等不同角度，查询充电交易统计信息、能耗统计信息等。

4.4.6基础数据管理在系统平台建立运营商户，运营商可建立和管理其运营所需站点和充电设施，维护充电设施信息、价格策略、折扣、优惠活动，同时可管理在线卡用户充值、冻结和解绑。

4.4.7运维APP面向运维人员使用，可以对站点和充电桩进行管理、能够进行故障闭环处理、查询流量卡使用情况、查询充电\充值情况，进行远程参数设置，同时可接收故障推送

4.4.8充电小程序面向充电用户使用，可查看附近空闲设备，主要包含扫码充电、账户充值，充电卡绑定、交易查询、故障申诉等功能。 

4.5系统硬件配置

5结语

  综上所述，当前常见的电动汽车充电桩充电方法虽然可以起到缩短充电时间、提高充电效率的作用，但对充电过程中极化效应并未实现有效控制。因此以快速充电原理为基础提出带负脉冲快速充电技术，通过原理分析及参数计算证明该技术在控制电池极化效应上具有显著作用。为进一步提升快速充电效率，在应用相关技术时，还应根据实际情况确定合适的正脉冲、负脉冲大小和时间，促进锂电池充电效率的提升。

参考文献

[1] 关蕾 .电动汽车快速充电方法研究及系统设计 [J]. 电子制作 ,2022,16. 

[2] 李志鹏 , 梁威 . 锂电池搁置——负脉冲快速充电 实验研究 [J]. 农业装备与车辆工程 ,2021,12. 

[3] 桑岳昌 .电动汽车充电桩充电策略的优化设计 [J]. 电子质量 ,2023,3. 

[4] 郭辉 .电动汽车锂电池快速充电方法研究 [J]. 内 燃机与配件 ,2020,13.

[5]  谢雨函，简析电动汽车充电桩快速充电技术.

[6]   安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022.05版.