動力電池及其充放電（下）
27930充電協(xié)議中提及的動力電池相關(guān)術(shù)語
在《GB/T 27930-2015，電動汽車非車載傳導(dǎo)式充電機與電池管理系統(tǒng)之間的通信協(xié)議》標準中，我們窮盡各種和電池相關(guān)的報文，總計有20種，分成了電壓、電流、容量相關(guān)和溫度四大類。電壓
單體動力蓄電池電壓
動力蓄電池單體最低電壓
動力蓄電池單體最高電壓
單體動力蓄電池最高允許充電電壓
最高允許充電總電壓
最高單體動力蓄電池電壓及其組號
整車動力蓄電池當前電池電壓
充電電壓測量值
XX#單體動力蓄電池電壓
電流
最高允許充電電流
充電電流測量值
容量相關(guān)
動力蓄電池標稱總能量
當前荷電狀態(tài)SOC（%）
估算剩余充電時間(min)
中止荷電狀態(tài)SOC（%）
整車動力蓄電池荷電狀態(tài)
溫度
動力蓄電池最低溫度
動力蓄電池最高溫度
最高允許溫度
動力蓄電池溫度1、2、3、……
電池的主要參數(shù)
學(xué)術(shù)上關(guān)注的有更多的參數(shù)。有6種比較常見。
OCV(Open Circuit Voltage)，開路電壓
OCV表示空載穩(wěn)態(tài)時電池端子電壓，和SOC相關(guān)，和溫度關(guān)系不大。OCV和SOC之間的關(guān)系曲線如圖1?？梢钥闯?，充電電壓和放電電壓的平均值幾乎與OCV一致。
圖1 ?SOC與充放電電壓/OCV特性前述標準中定義了多種電壓，我的理解，都是端子電壓，對應(yīng)單體端子電壓或總的端子電壓，最高允許電壓，當前電壓。因為內(nèi)阻的存在，充電時，端子電壓比OCV高，如果端子電壓控制在上限電壓以下，就可以防止過充電；放電時，端子電壓比OCV低，如果端子電壓控制在下限電壓以上，就可以防止過放電。
內(nèi)阻
內(nèi)阻，即電池的輸出阻抗，包括電解質(zhì)內(nèi)阻，表面內(nèi)阻和擴散內(nèi)阻。電池充電時，電流源自鋰離子的遷移。在電解液內(nèi)部遷移，內(nèi)阻是電解質(zhì)的內(nèi)阻; 在電極表面遷移時，有毫秒級反應(yīng)時間的表面電阻和表面電容，以及耗時30分鐘到1個小時的緩慢反應(yīng)的擴散電阻和擴散電容。電極的表面電容也稱“雙電層電容”。將每個電化學(xué)反應(yīng)與電路的瞬態(tài)響應(yīng)擬合，并擬合R和C的參數(shù)使其匹配電池的響應(yīng)時間，得到等效電路模型如圖2所示。
圖2 ?電池的電阻（輸出阻抗）與等效電路內(nèi)阻和溫度及充電周期強相關(guān)。溫度降低時，表面電阻和雙電層電容增加很快，從30度到0度，表面電阻增大10倍左右，但電解質(zhì)電阻變化較小。隨著充電周期的變化，表面電阻增大十分明顯。因此，長期低溫工作、充放電循環(huán)次數(shù)增加，電池都會出現(xiàn)劣化。
FCC（Full ?Charge Capacity）
FCC，完整英文含義是完全充電容量，也即常說的電池容量，表示電池儲存的能量，具體來說，理解為，充滿電的電池在指定條件下放電到終止電壓時輸出的電量。電池容量單位是安時（Ah），不是瓦時（Wh）。電池的電壓幾乎是恒定的，省略電壓，直接用電流*時間，容易了解電池可以多大的電流持續(xù)工作多長時間，比如50Ah就表示50A的電池工作1小時。電池容量因劣化或變異而降低，或隨溫度和放電電流變化。深入理解這個概念，還需理解多種不同容量的含義，包括：理論容量、i小時率放電容量，額定容量，實際容量，剩余容量等。
電池能量
電池能量也稱電池電量，就是我們常說的多少度電，單位是千瓦時或者瓦時，1千瓦時等于1度。
SOC（State ?of Charge）
SOC表示電池剩余容量占額定容量的百分比。0表示完全放電，1表示完全充電。剩余容量表示電池經(jīng)過使用后，在指定的放電率和溫度狀態(tài)下可以從電池放出的電量。額定容量是在規(guī)定條件下電池應(yīng)放出的電量。額定容量是廠商表明的安時容量，作為驗收的技術(shù)指標。我國的國家標準中，使用3小時率放電容量來定義電動汽車道路車輛使用動力電池的額定容量。
電流倍率（C倍率）
C倍率，有時候區(qū)分為放電倍率和充電倍率。工程上用于描述電池的工作電流相對于電池容量關(guān)系的一個概念。如果一個電池的容量是X安時（Ah）而放電電流是I安培（A），那么其放電倍率是I/X（C）。在不同倍率下，電池容量、OCV、端子電壓的關(guān)系曲線如圖3所示。放電電流越大，達到下限電壓耗時越短，電池容量變小。
圖3 ?放電曲線與電池容量、OCV、端子電壓的關(guān)系曲線還有其它一些參數(shù)，如功率密度、能量密度、SOH、DOD不是非常常用，本文不做介紹了。電動汽車電池的充放電原理?
充電的物理含義
從物理意義上說，給電動汽車充電，就相當于對一個超大的電容充電，就是用直流電加載到一個巨大的電容上。電動汽車的電池相當于是幾千節(jié)電芯對應(yīng)的小電容和小電阻的串聯(lián)和并聯(lián)，可等效為一個大電容。普通的 18650，2200mAH，能量是 8 瓦時左右，折合 28800 J。一節(jié) 18650 大概相當8000F 左右電容。實際上的充電過程并不是直接將電壓加到超級大電容上，而是將直流電源（對于120kW 的充電樁，輸出電壓 200V-750V，最大電流 200A）連接到圖 XX 的連接器上， 高壓被分壓，大電流被分流，最終形成 幾千個“涓涓細流”，它們分別對 幾千節(jié)的 電芯充電，每個電芯支路的充電終止電壓只有 4.2V 左右（具體的終止電壓取決電池類型）。如果是 74 節(jié) 18650 并聯(lián)，每節(jié) 18650 電芯的電流大小是 2.7A(200A/74 = 2.7A)，這就意味著該 18750 電芯的充電倍率約為 0.79C( 假設(shè) 18650 是 3400mAh 的額定容量的話，2.7A/3400mAh )。如果用特斯拉 Model S 內(nèi)置的 10kW 的車載充電機，在整體充電電壓400V 時的充電電流為 25A，那么每節(jié) 18650 的充電電流只有 0.34A 這么小。
從微觀角度理解充放電原理
電池的活性物質(zhì)是結(jié)晶結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)出層疊狀，這種結(jié)構(gòu)使鋰離子的嵌入和脫嵌很容易。鋰離子在分子之間作用力下為固定狀態(tài)。當對正負極施加電場時，鋰離子只需要較低的能量就能發(fā)生遷移，進行嵌入。當對電池進行充電時，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經(jīng)過電解液運動到負極，而作為負極的碳呈層狀結(jié)構(gòu)，它有很多微孔，到達負極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。同樣道理，當對電池進行放電時（即電動汽車行駛中，電池的能量驅(qū)動車輪胎），嵌在負極碳層中的鋰離子脫出，又運動回到正極?；氐秸龢O的鋰離子越多，放電容量越高。在鋰離子電池的充放電過程中，鋰離子處于從正極 → 負極 → 正極的運動狀態(tài)。如果我們把鋰離子電池形象地比喻為一把搖椅，搖椅的兩端為電池的兩極，而鋰離子就象優(yōu)秀的運動健將，在搖椅的兩端來回奔跑。所以，專家們又給了鋰離子電池一個可愛的名字叫“搖椅式電池”。
放電原理
如圖4所示，表示放電時鋰離子的嵌入和遷移的示意圖。?在負極，碳層之間存在鋰離子，負極比正極的能量高。電池外部連接負載后，負極的鋰離子釋放電子，向能量低的正極遷移，同時，從負極脫嵌的鋰離子，通過電解液和隔膜小孔向正極遷移，嵌入層狀結(jié)構(gòu)的正極和活性物質(zhì)中。同時，電子被接受，鋰離子被固定而變得穩(wěn)定。如果過放電，鋰離子過多地聚焦在正極，會使內(nèi)阻增大，電池發(fā)熱，導(dǎo)致急劇劣化。
圖4 ?放電時鋰離子的嵌入和遷移
充電原理
如圖5顯示了充電時鋰離子的嵌入和遷移過程。充電時，外部電壓加在外部端子上，強制產(chǎn)生與放電反應(yīng)相反的反應(yīng)。正極的鋰離子釋放電子，在電場作用下通過電解液遷移到負極，嵌入負極的活性物質(zhì)內(nèi)部。同時，電子被接收，鋰離子被負極活性物質(zhì)固定。鋰離子在電解液中快速遷移，但是，在負極表面減速，在負極活性物質(zhì)內(nèi)部非常緩慢地擴散。充電時，鋰離子在負極表面呈擁堵狀態(tài)。
圖5 ? 充電時鋰離子的嵌入和遷移
均充和浮充
充電過程在電池兩端加載電壓，以恒定大電流對電池充電，電池的電壓緩慢地上升， 上升到一定程度，電池電壓達到標稱值，SOC 達到 95%（針對不同電池，不一樣）以上，繼續(xù)以恒壓小電流對電池充電?！半妷荷先チ?，但電量沒有充滿，就是沒有充實，如果有時間，可以改用小電流充實?！?/p>
均充和浮充的定義 ?
均充（均衡充電）、浮充在電力行業(yè)標準《DL5044-2004，電力工程直流系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》中有標準定義：
浮充電 floating charge
在正常運行時，充電裝置承擔經(jīng)常負荷，同時向蓄電池組補充充電，以補充蓄電池的自放電，使蓄電池以滿容量的狀態(tài)處于備用。
均衡充電 equalizing charge
為補償蓄電池在使用過程中產(chǎn)生的電壓不均勻現(xiàn)象，使其恢復(fù)到規(guī)定的范圍內(nèi)而進行的充電，以及大容量放電后的補充充電，通稱為均衡充電。均充就是恒定電流充電，目的一是當蓄電池放電后，快速補充電能；二是當個別蓄電池電壓有偏差，消除偏差，趨于平衡。所以均充也叫快充、強充。浮充就是恒壓小電流充電，目的一是防止蓄電池自放電；二是增加充電深度。另外，均、浮充之間的轉(zhuǎn)換是由監(jiān)控模塊自動控制的。蓄電池組均充就是采用恒流充電，充電快，持續(xù)時間短；浮充是對電池恒壓充電，持續(xù)時間長，充電慢。
恒壓充電和恒流充電
這一節(jié)比較難以理解，需要對電源的控制環(huán)路有一點理論基礎(chǔ)。
開關(guān)電源的恒壓模式和恒流模式
充電模塊作為一種 AC/DC 電源，它是以恒定電壓輸出還是以恒定電流輸出，這是由充電模塊自己決定的嗎？恒壓（CV，Constant Voltage）模式，是指開關(guān)電源的輸出電壓恒定，開關(guān)電源的控制環(huán)路是電壓環(huán)在起作用，電壓環(huán)的給定電壓就是電源輸出的“恒定電壓”。恒壓模 式下的輸出電流大小是由負載決定的。對于單環(huán)控制系統(tǒng)，恒壓模式下，電壓環(huán)在工作。對于雙環(huán)控制系統(tǒng)，恒壓模式下，如果電壓環(huán)是內(nèi)環(huán)，電流環(huán)是外環(huán)，內(nèi)環(huán)電壓環(huán)在工作，外環(huán)電流環(huán)沒有參與控制，或者說外環(huán)失效了；如果電壓環(huán)是外環(huán)，電流環(huán)是內(nèi)環(huán)，雙環(huán)都在工作，外環(huán)電壓環(huán)的 PI 輸出作為內(nèi)環(huán)電流環(huán)的給定。恒流 (CC，Constant Current) 模式，是指開關(guān)電源的輸出電流恒定，開關(guān)電源的控制環(huán)路是電流環(huán)在起作用，電流環(huán)的給定電流就是電源輸出的“恒定電流”。恒流模式下的輸出電流大小是由負載決定的。對于雙環(huán)控制系統(tǒng)，電流環(huán)和電壓環(huán)怎么相互轉(zhuǎn)換的，不太容易理解。
充電模塊的雙環(huán)控制系統(tǒng)示意圖
如圖6是充電模塊的控制原理示意圖 ( 這張示意圖刻意簡化處理了，著重于理解雙環(huán)，不是標準的控制原理圖，譬如圖中并沒有畫出主電路，采樣電路 )。為方便理解，這張圖上也沒有畫出均流環(huán)。
圖?6 充電樁之芯控制環(huán)路示意圖（未包括均流環(huán)）圖中各英文簡寫的含義如下：IBMS 表示 BMS 發(fā)送來的“電流需求”，VBMS 表示 BMS 發(fā)送來的“電壓需求”。Imax 表示電源主電路硬件上能允許的最大電流，是電源軟件預(yù)先設(shè)定的。Vmax 表示電源主電路硬件上能允許的最大電壓，是電源軟件預(yù)先設(shè)定的。If 表示從主電路檢測的反饋電流，Vf 表示反饋電壓。Vgc 表示電流環(huán) PI 的輸出。PI 表示 PI 算法。Ig表示電流環(huán)的電流給定，它是比較 IBMS和 Imax，取較小值。Vg表示電壓環(huán)的電壓給定，它是比較 Vgc，VBMS 和 Vmx，取較小值。
充電過程中恒流充電和恒壓充電的本質(zhì)
充電過程中，充電系統(tǒng)的“主腦”BMS 發(fā)送給“從腦”充電樁控制器的報文種類繁多，但是，與充電樁之芯是工作在恒流還是恒壓模式相關(guān)的指令性報文信息并不多。根據(jù)國標 GB/T 27930-2015，《電動汽車非車載傳導(dǎo)式充電機與電池管理系統(tǒng)之間的通信協(xié)議》，相關(guān)信息如下：3.1 PGB9984，BMS 握手報文，提供 BMS“最高允許充電總電壓”。3.2 PGN1536，充電參數(shù)配置階段，BMS 發(fā)送給充電機的動力蓄電池充電參數(shù)，給出了“最高允許充電電流”和“最高允許充電總電壓”。3.3 PGN4096，電池充電需求報文（BCL），這是充電過程最關(guān)鍵的報文。摘錄如下：這段條文中提到的 CML 報文是充電機最大輸出能力報文，充電機發(fā)送給 BMS 的充電機最高輸出電壓，最大輸出電流，最低輸出電壓，最小輸出電流等。這段報文沒有解釋如何進入恒壓或恒流模式，只是換一種方式解釋了恒壓模式和恒流模式的含義：在恒壓充電模式下，充電機輸出的電壓應(yīng)滿足電壓需求值，輸出的電流不能超過電流需求值；在恒流充電模式下，充電機輸出的電流應(yīng)滿足電流需求值，輸出的電壓不能超過電壓需求值。重要問題是：① BMS 是根據(jù)什么給出“電壓需求”和“電流需求”的？“電壓需求“和電池的“最高允許充電總電壓“之間是否有關(guān)系？“電壓需求”和充電時電池的端口電壓是否有關(guān)系？接下來的問題是：② 實際充電過程中，充電樁之芯的“雙環(huán)”是如何切換的：什么時候只有內(nèi)環(huán)電壓環(huán)工作？什么時候外環(huán)電流環(huán)在工作？回答第 2 個問題就需要知道第 1 個問題的答案。報文中發(fā)送 了“充電模式”信息給充電機。這可能令人產(chǎn)生誤會，以為 BMS下指令要求充電機工作在恒壓模式或恒流模式。這是錯誤的理解！BMS 給電源提供恒壓或恒流指示，只能表示 BMS 希望電源工作在恒壓或恒流，但電源是否工作在恒壓或恒流，是由“電壓需求”，“電流需求”，及電池這個被充電的負載當前的電壓值決定的?！半妷盒枨蟆本褪菆D 1 中的 Vg，電壓給定，“電流需求“就是圖 1 中的Ig，電流給定。對于比較資深的電源工程師來說，不難理解下面這樣一個結(jié)論：當滿足“電壓需求 > 電池電壓 + 內(nèi)阻 x 電流 + 連接線壓降 + 防反接二極管壓降”這個條件時，就是恒流，否則，就是恒壓。
電池的充電過程
為便于理解，我們忽略一些稀奇古怪的車型和電池，講講大多數(shù)車型的充電過程。對絕大多數(shù)動力電池而言，從SOC 0%到100%的完整充電過程會經(jīng)歷四種狀態(tài)：
1. 涓流充電
當SOC很小時，先有一個修復(fù)電池的“涓流充電”過程。涓流充電，顧名思義，就是充電電流很小。充電電流小到什么程度？我沒有深入研究和實測過。SOC小到什么程度，才會有“涓流充電”？小于2%？這個數(shù)據(jù)，我和BMS廠家和電池廠家的幾位朋友溝通過，說法不一?？梢宰鰧嵻嚦潆娫囼烌炞C具體某個車型的相關(guān)數(shù)據(jù)。捕獲充電過程中"電流需求"的報文，監(jiān)測SOC和實際充電電流，可以獲得詳細的信息：SOC在多少以下，將會有涓流充電？涓流充電時的電流是多大？持續(xù)到SOC為多少時，涓流充電過程結(jié)束？電流需求在涓流充電時是逐漸增加的還是一直都很小，然后突然放開？
2. 恒流充電
當SOC達到一定大小之后，車輛端的請求電流上升，進入恒流充電狀態(tài)。不同車型在恒流充電時的請求電流不一樣。B級車型一般都達到了150A以上。微型面包車一般才80A左右。一些以超級快充為核心賣點的車型，請求電流已是500A以上了。在恒流充電階段，充電電壓緩慢地爬升。
3. 恒壓充電
在SOC達到一定大小后，將進入恒壓充電階段，這時候請求電流遠小于恒流充電階段。具體SOC是多少時，將進入恒壓充電狀態(tài)？不同車型差別很大。我們實際驗證過幾種車型，居然都沒有出現(xiàn)所謂的恒壓充電。我們猜測有兩種可能：I. 我們試驗中使用的是7kW和20kW小功率直流樁，在恒流階段的充電電流就遠小于請求電流，充電電流小于恒壓充電狀態(tài)下的請求電流，所以從電流上判斷不出是否進入恒壓充電狀態(tài)？II. ?有種說法：恒流充電是在確保電池安全的前提下用盡可能大的電流把電池“充滿”，而在快要充滿時，進入恒壓充電，用小電流充電，將電池“充實”。但在SOC 90%以后，電池里面幾千個電芯的一致性如果不夠好的話，很容易有個別電芯的單體電壓提前超過最高允許電壓，所以，干脆不進入恒壓充電狀態(tài)。據(jù)說，電池在SOC 20%-80%之間，充電最安全。一個令人費解的問題是：在BMS發(fā)給充電樁的BCL報文中，電池告知樁的充電模式是恒壓充電還是恒流充電，但實際上，閉環(huán)控制的原理告訴我們，充電模塊的環(huán)路工作在電壓環(huán)還是電流環(huán)，是由環(huán)路的電壓給定、電流給定和負載決定的，不是受恒壓模式這個指令來控制。
4. 充電結(jié)束
一般來說，在正常充電過程中，SOC達到100%時進入充電結(jié)束狀態(tài)，BMS下發(fā)關(guān)機指令，結(jié)束充電流程。但實際上，什么狀態(tài)下顯示SOC為100%是一種公司機密級的策略。為了電池安全，為了避免客戶投訴，在SOC實際上還沒有達到100%時顯示為100%。這個策略是基于很多條件判斷的算法，BMS廠家稱之為“校準”。下表的數(shù)據(jù)可以看到，從SOC 5%時開始充電，充電電壓323V，充電電流19.8A， 充電到SOC 50%時，花費1.8小時，充進去了11.6度電，充電電壓慢慢上升到了336V，充電電流則降低到19.5A。繼續(xù)充電到SOC為99%時，花費4.3小時，充進去了28.2度電，充電電壓上升到了375V，充電電流降到了16.9A 。這款車型從SOC 99%充電到100%，居然花費了24分鐘，電壓從375V上升到382.9V。各位自媒體意見領(lǐng)袖們，如果你想制作更多有趣的視頻的話，建議您多測試各種不同車型在95%以后的充電電壓、充電電流、SOC和所用時長。你會產(chǎn)生很多有趣的問題。歡迎找我探討。
充電過程中的各種電壓和電流在標準文本上表述和實用表述
根據(jù)《GB/T ?27930-2015，電動汽車非車載傳導(dǎo)式充電機與電池管理系統(tǒng)之間的通信協(xié)議》，我們可以看到BMS和充電機之間在充電過程中需要交互相關(guān)信息，這些信息包括了很多電壓、電流相關(guān)的參數(shù)。這些參數(shù)是否將來會被比較懂電的消費者用戶熟知呢？SOC、充電電壓和充電電流可能是最快普及開來的三個名詞。充電電壓和充電電流，在直觀的理解中，就是充電過程中，充電樁輸出多大的電壓和多大的電流。SOC，通俗理解就是已經(jīng)充了百分之多少。在充電流程的參數(shù)配置階段，BMS給充電機發(fā)送BCP報文，即動力蓄電池的充電參數(shù)，包括7個參數(shù)：單體動力蓄電池最高允許充電電壓 、最高允許充電電流、動力蓄電池標稱總能量、最高允許充電總電壓 、最高允許溫度、整車動力蓄電池荷電狀態(tài)、整車動力蓄電池當前電池電壓。
▲BCP報文格式在充電樁行業(yè)的口頭溝通和書面溝通中，會用一些簡化的表述。簡化的表述也用在書面文檔甚至專業(yè)文章里了。
充電機給BMS發(fā)送CML報文，即充電機的最大輸出能力，包括最高輸出電壓、最低輸出電壓、最大輸出電流、最小輸出電流。
▲CML報文格式在充電流程的充電階段，BMS實時地給充電樁發(fā)送電壓需求和電流需求（充電需求報文BCL）和電池實際的充電電壓測量值和充電電流測量值（電池充電總狀態(tài)報文BCS），相應(yīng)地，充電樁也會實時地將充電樁輸出電壓值和輸出電流值（充電機充電狀態(tài)報文CCS）傳遞給BMS。我們習(xí)慣用請求電壓和請求電流來代替電壓需求和電流需求。用充電樁屏幕或手機小程序、APP上顯示的充電電壓和充電電流代替輸出電壓值（或充電電壓測量值）和輸出電流值（或充電電流測量值）。用戶不知道APP顯示的充電電壓和充電電流這兩個數(shù)值是來自車輛還是充電樁。
▲BCL報文說明和報文格式信息
▲BCS報文格式
▲CCS報文格式
