动力电池及其充放电简析（下）

电压

1. 单体动力蓄电池电压
2. 动力蓄电池单体最低电压
3. 动力蓄电池单体最高电压
4. 单体动力蓄电池最高允许充电电压
5. 最高允许充电总电压
6. 最高单体动力蓄电池电压及其组号
7. 整车动力蓄电池当前电池电压
8. 充电电压测量值
9. XX#单体动力蓄电池电压

电流

10. 最高允许充电电流
11. 充电电流测量值

容量相关

12. 动力蓄电池标称总能量
13. 当前荷电状态SOC（%）
14. 估算剩余充电时间(min)
15. 中止荷电状态SOC（%）
16. 整车动力蓄电池荷电状态

温度

17. 动力蓄电池最低温度
18. 动力蓄电池最高温度
19. 最高允许温度
20. 动力蓄电池温度1、2、3、……

电池的主要参数

学术上关注的有更多的参数。有6种比较常见。

1. OCV(Open Circuit Voltage)，开路电压

OCV表示空载稳态时电池端子电压，和SOC相关，和温度关系不大。OCV和SOC之间的关系曲线如图1。可以看出，充电电压和放电电压的平均值几乎与OCV一致。

图1 SOC与充放电电压/OCV特性

前述标准中定义了多种电压，我的理解，都是端子电压，对应单体端子电压或总的端子电压，最高允许电压，当前电压。因为内阻的存在，充电时，端子电压比OCV高，如果端子电压控制在上限电压以下，就可以防止过充电；放电时，端子电压比OCV低，如果端子电压控制在下限电压以上，就可以防止过放电。

2. 内阻

内阻，即电池的输出阻抗，包括电解质内阻，表面内阻和扩散内阻。电池充电时，电流源自锂离子的迁移。在电解液内部迁移，内阻是电解质的内阻; 在电极表面迁移时，有毫秒级反应时间的表面电阻和表面电容，以及耗时30分钟到1个小时的缓慢反应的扩散电阻和扩散电容。电极的表面电容也称“双电层电容”。将每个电化学反应与电路的瞬态响应拟合，并拟合R和C的参数使其匹配电池的响应时间，得到等效电路模型如图2所示。

图2 电池的电阻（输出阻抗）与等效电路

内阻和温度及充电周期强相关。温度降低时，表面电阻和双电层电容增加很快，从30度到0度，表面电阻增大10倍左右，但电解质电阻变化较小。随着充电周期的变化，表面电阻增大十分明显。因此，长期低温工作、充放电循环次数增加，电池都会出现劣化。

3. FCC（Full Charge Capacity）

FCC，完整英文含义是完全充电容量，也即常说的 电池容量， 表示电池储存的能量，具体来说，理解为，充满电的电池在指定条件下放电到终止电压时输出的电量。电池容量单位是安时（Ah），不是瓦时（Wh）。电池的电压几乎是恒定的，省略电压，直接用电流*时间，容易了解电池可以多大的电流持续工作多长时间，比如50Ah就表示50A的电池工作1小时。电池容量因劣化或变异而降低，或随温度和放电电流变化。深入理解这个概念，还需理解多种不同容量的含义，包括：理论容量、i小时率放电容量，额定容量，实际容量，剩余容量等。

4. 电池能量

电池能量也称电池电量，就是我们常说的多少度电，单位是千瓦时或者瓦时，1千瓦时等于1度。

5. SOC（State of Charge）

SOC表示电池剩余容量占额定容量的百分比。0表示完全放电，1表示完全充电。剩余容量表示电池经过使用后，在指定的放电率和温度状态下可以从电池放出的电量。额定容量是在规定条件下电池应放出的电量。额定容量是厂商表明的安时容量，作为验收的技术指标。我国的国家标准中，使用3小时率放电容量来定义电动汽车道路车辆使用动力电池的额定容量。

6. 电流倍率（C倍率）

C倍率，有时候区分为放电倍率和充电倍率。工程上用于描述电池的工作电流相对于电池容量关系的一个概念。如果一个电池的容量是X安时（Ah）而放电电流是I安培（A），那么其放电倍率是I/X（C）。

在不同倍率下，电池容量、OCV、端子电压的关系曲线如图3所示。放电电流越大，达到下限电压耗时越短，电池容量变小。

图3 放电曲线与电池容量、OCV、端子电压的关系曲线

还有其它一些参数，如功率密度、能量密度、SOH、DOD不是非常常用，本文不做介绍了。

**电动汽车电池的充放电原理 **

充电的物理含义

从物理意义上说，给电动汽车充电，就相当于对一个超大的电容充电，就是用直流电加载到一个巨大的电容上。电动汽车的电池相当于是几千节电芯对应的小电容和小电阻的串联和并联，可等效为一个大电容。普通的 18650，2200mAH，能量是 8 瓦时左右，折合 28800 J。一节 18650 大概相当8000F 左右电容。

实际上的充电过程并不是直接将电压加到超级大电容上，而是将直流电源（对于120kW 的充电桩，输出电压 200V-750V，最大电流 200A）连接到图 XX 的连接器上， 高压被分压，大电流被分流，最终形成 几千个“涓涓细流”，它们分别对 几千节的 电芯充电，每个电芯支路的充电终止电压只有 4.2V 左右（具体的终止电压取决电池类型）。如果是 74 节 18650 并联，每节 18650 电芯的电流大小是 2.7A(200A/74 = 2.7A)，这就意味着该 18750 电芯的充电倍率约为 0.79C( 假设 18650 是 3400mAh 的额定容量的话，2.7A/3400mAh )。如果用特斯拉 Model S 内置的 10kW 的车载充电机，在整体充电电压400V 时的充电电流为 25A，那么每节 18650 的充电电流只有 0.34A 这么小。

从微观角度理解充放电原理

电池的活性物质是结晶结构，呈现出层叠状，这种结构使锂离子的嵌入和脱嵌很容易。锂离子在分子之间作用力下为固定状态。当对正负极施加电场时，锂离子只需要较低的能量就能发生迁移，进行嵌入。当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极，而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，到达负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。同样道理，当对电池进行放电时（即电动汽车行驶中，电池的能量驱动车轮胎），嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回到正极。回到正极的锂离子越多，放电容量越高。在锂离子电池的充放电过程中，锂离子处于从正极 → 负极 → 正极的运动状态。如果我们把锂离子电池形象地比喻为一把摇椅，摇椅的两端为电池的两极，而锂离子就象优秀的运动健将，在摇椅的两端来回奔跑。所以，专家们又给了锂离子电池一个可爱的名字叫“摇椅式电池”。

放电原理

如图4所示，表示放电时锂离子的嵌入和迁移的示意图。 在负极，碳层之间存在锂离子，负极比正极的能量高。电池外部连接负载后，负极的锂离子释放电子，向能量低的正极迁移，同时，从负极脱嵌的锂离子，通过电解液和隔膜小孔向正极迁移，嵌入层状结构的正极和活性物质中。同时，电子被接受，锂离子被固定而变得稳定。如果过放电，锂离子过多地聚焦在正极，会使内阻增大，电池发热，导致急剧劣化。

图4 放电时锂离子的嵌入和迁移

充电原理

如图5显示了充电时锂离子的嵌入和迁移过程。充电时，外部电压加在外部端子上，强制产生与放电反应相反的反应。正极的锂离子释放电子，在电场作用下通过电解液迁移到负极，嵌入负极的活性物质内部。同时，电子被接收，锂离子被负极活性物质固定。锂离子在电解液中快速迁移，但是，在负极表面减速，在负极活性物质内部非常缓慢地扩散。充电时，锂离子在负极表面呈拥堵状态。

图5 充电时锂离子的嵌入和迁移

均充和浮充

充电过程在电池两端加载电压，以恒定大电流对电池充电，电池的电压缓慢地上升， 上升到一定程度，电池电压达到标称值，SOC 达到 95%（针对不同电池，不一样）以上，继续以恒压小电流对电池充电。“电压上去了，但电量没有 充满 ，就是没有充实，如果有时间，可以改用小电流 充实 。”

**均充和浮充的定义 **

均充（均衡充电）、浮充在电力行业标准《DL5044-2004，电力工程直流系统设计技术规程》中有标准定义：

浮充电 floating charge

在正常运行时，充电装置承担经常负荷，同时向蓄电池组补充充电，以补充蓄电池的自放电，使蓄电池以满容量的状态处于备用。

均衡充电 equalizing charge

为补偿蓄电池在使用过程中产生的电压不均匀现象，使其恢复到规定的范围内而进行的充电，以及大容量放电后的补充充电，通称为均衡充电。

均充就是恒定电流充电，目的一是当蓄电池放电后，快速补充电能；二是当个别蓄电池电压有偏差，消除偏差，趋于平衡。所以均充也叫快充、强充。浮充就是恒压小电流充电，目的一是防止蓄电池自放电；二是增加充电深度。另外，均、浮充之间的转换是由监控模块自动控制的。蓄电池组均充就是采用恒流充电，充电快，持续时间短；浮充是对电池恒压充电，持续时间长，充电慢。

恒压充电和恒流充电

这一节比较难以理解，需要对电源的控制环路有一点理论基础。

开关电源的恒压模式和恒流模式

充电模块作为一种 AC/DC 电源，它是以恒定电压输出还是以恒定电流输出，这是由充电模块自己决定的吗？

恒压（CV，Constant Voltage）模式，是指开关电源的输出电压恒定，开关电源的控制环路是电压环在起作用，电压环的给定电压就是电源输出的“恒定电压”。恒压模 式下的输出电流大小是由负载决定的。

对于单环控制系统，恒压模式下，电压环在工作。

对于双环控制系统，恒压模式下，如果电压环是内环，电流环是外环，内环电压环在工作，外环电流环没有参与控制，或者说外环失效了；如果电压环是外环，电流环是内环，双环都在工作，外环电压环的 PI 输出作为内环电流环的给定。

恒流 (CC，Constant Current) 模式，是指开关电源的输出电流恒定，开关电源的控制环路是电流环在起作用，电流环的给定电流就是电源输出的“恒定电流”。恒流模式下的输出电流大小是由负载决定的。

对于双环控制系统，电流环和电压环怎么相互转换的，不太容易理解。

充电模块的双环控制系统示意图

如图6是充电模块的控制原理示意图 ( 这张示意图刻意简化处理了，着重于理解双

环，不是标准的控制原理图，譬如图中并没有画出主电路，采样电路 )。为方便理解，

这张图上也没有画出均流环。

图 6 充电桩之芯控制环路示意图（未包括均流环）

图中各英文简写的含义如下：

IBMS 表示 BMS 发送来的“电流需求”，VBMS 表示 BMS 发送来的“电压需求”。

Imax 表示电源主电路硬件上能允许的最大电流，是电源软件预先设定的。Vmax 表示电源主电路硬件上能允许的最大电压，是电源软件预先设定的。

If 表示从主电路检测的反馈电流，Vf 表示反馈电压。Vgc 表示电流环 PI 的输出。

PI 表示 PI 算法。

Ig表示电流环的电流给定，它是比较 IBMS和 Imax，取较小值。Vg表示电压环的电压给定，它是比较 Vgc，VBMS 和 Vmx，取较小值。

充电过程中恒流充电和恒压充电的本质

充电过程中，充电系统的“主脑”BMS 发送给“从脑”充电桩控制器的报文种类繁多，但是，与充电桩之芯是工作在恒流还是恒压模式相关的指令性报文信息并不多。根据国标 GB/T 27930-2015，《电动汽车非车载传导式充电机与电池管理系统之间的通信协议》，相关信息如下：

3.1 PGB9984，BMS 握手报文，提供 BMS“最高允许充电总电压”。

3.2 PGN1536，充电参数配置阶段，BMS 发送给充电机的动力蓄电池充电参数，给出了“最高允许充电电流”和“最高允许充电总电压”。

3.3 PGN4096，电池充电需求报文（BCL），这是充电过程最关键的报文。摘录如下：

这段条文中提到的 CML 报文是充电机最大输出能力报文，充电机发送给 BMS 的充电

机最高输出电压，最大输出电流，最低输出电压，最小输出电流等。

这段报文没有解释如何进入恒压或恒流模式，只是换一种方式解释了恒压模式和恒流模式的含义：

在恒压充电模式下，充电机输出的电压应满足电压需求值，输出的电流不能超过电流需求值；在恒流充电模式下，充电机输出的电流应满足电流需求值，输出的电压不能超过电压需求值。

重要问题是：

① BMS 是根据什么给出“电压需求”和“电流需求”的？“电压需求“和电池的“最高允许充电总电压“之间是否有关系？“电压需求”和充电时电池的端口电压是否有关系？

接下来的问题是：

② 实际充电过程中，充电桩之芯的“双环”是如何切换的：什么时候只有内环电压环工作？什么时候外环电流环在工作？

回答第 2 个问题就需要知道第 1 个问题的答案。报文中发送 了“充电模式”信息给充电机。这可能令人产生误会，以为 BMS下指令要求充电机工作在恒压模式或恒流模式。

这是错误的理解！BMS 给电源提供恒压或恒流指示，只能表示 BMS 希望电源工作在恒压或恒流，但电源是否工作在恒压或恒流，是由“电压需求”，“电流需求”，及电池这个被充电的负载当前的电压值决定的。

“电压需求”就是图 1 中的 Vg，电压给定，“电流需求“就是图 1 中的Ig，电流给定。

对于比较资深的电源工程师来说，不难理解下面这样一个结论：

当满足“电压需求 > 电池电压 + 内阻 x 电流 + 连接线压降 + 防反接二极管压降”这个条件时，就是恒流，否则，就是恒压。

电池的充电过程

为便于理解，我们忽略一些稀奇古怪的车型和电池，讲讲大多数车型的充电过程。

对绝大多数动力电池而言，从SOC 0%到100%的完整充电过程会经历四种状态：

1. 涓流充电

当SOC很小时，先有一个修复电池的“涓流充电”过程。涓流充电，顾名思义，就是充电电流很小。充电电流小到什么程度？我没有深入研究和实测过。SOC小到什么程度，才会有“涓流充电”？小于2%？这个数据，我和BMS厂家和电池厂家的几位朋友沟通过，说法不一。

可以做实车充电试验验证具体某个车型的相关数据。捕获充电过程中 "电流需求" 的报文，监测SOC和实际充电电流，可以获得详细的信息：SOC在多少以下，将会有涓流充电？涓流充电时的电流是多大？持续到SOC为多少时，涓流充电过程结束？电流需求在涓流充电时是逐渐增加的还是一直都很小，然后突然放开？

2. 恒流充电

当SOC达到一定大小之后，车辆端的请求电流上升，进入恒流充电状态。不同车型在恒流充电时的请求电流不一样。B级车型一般都达到了150A以上。微型面包车一般才80A左右。一些以超级快充为核心卖点的车型，请求电流已是500A以上了。

在恒流充电阶段，充电电压缓慢地爬升。

3. 恒压充电

在SOC达到一定大小后，将进入恒压充电阶段，这时候请求电流远小于恒流充电阶段。具体SOC是多少时，将进入恒压充电状态？不同车型差别很大。我们实际验证过几种车型，居然都没有出现所谓的恒压充电。

我们猜测有两种可能：

I. 我们试验中使用的是7kW和20kW小功率直流桩，在恒流阶段的充电电流就远小于请求电流，充电电流小于恒压充电状态下的请求电流，所以从电流上判断不出是否进入恒压充电状态？

II. 有种说法：恒流充电是在确保电池安全的前提下用尽可能大的电流把电池“充满”，而在快要充满时，进入恒压充电，用小电流充电，将电池“充实”。但在SOC 90%以后，电池里面几千个电芯的一致性如果不够好的话，很容易有个别电芯的单体电压提前超过最高允许电压，所以，干脆不进入恒压充电状态。据说，电池在SOC 20%-80%之间，充电最安全。

一个令人费解的问题是：在BMS发给充电桩的BCL报文中，电池告知桩的充电模式是恒压充电还是恒流充电，但实际上，闭环控制的原理告诉我们，充电模块的环路工作在电压环还是电流环，是由环路的电压给定、电流给定和负载决定的，不是受恒压模式这个指令来控制。

4. 充电结束

一般来说，在正常充电过程中，SOC达到100%时进入充电结束状态，BMS下发关机指令，结束充电流程。但实际上，什么状态下显示SOC为100%是一种公司机密级的策略。为了电池安全，为了避免客户投诉，在SOC实际上还没有达到100%时显示为100%。这个策略是基于很多条件判断的算法，BMS厂家称之为“校准”。

下表的数据可以看到，从SOC 5%时开始充电，充电电压323V，充电电流19.8A， 充电到SOC 50%时，花费1.8小时，充进去了11.6度电，充电电压慢慢上升到了336V，充电电流则降低到19.5A。继续充电到SOC为99%时，花费4.3小时，充进去了28.2度电，充电电压上升到了375V，充电电流降到了16.9A 。这款车型从SOC 99%充电到100%，居然花费了24分钟，电压从375V上升到382.9V。

各位自媒体意见领袖们，如果你想制作更多有趣的视频的话，建议您多测试各种不同车型在95%以后的充电电压、充电电流、SOC和所用时长。你会产生很多有趣的问题。欢迎找我探讨。

充电过程中的各种电压和电流在标准文本上表述和实用表述

根据《GB/T 27930-2015，电动汽车非车载传导式充电机与电池管理系统之间的通信协议》，我们可以看到BMS和充电机之间在充电过程中需要交互相关信息，这些信息包括了很多电压、电流相关的参数。这些参数是否将来会被比较懂电的消费者用户熟知呢？SOC、充电电压和充电电流可能是最快普及开来的三个名词。充电电压和充电电流，在直观的理解中，就是充电过程中，充电桩输出多大的电压和多大的电流。SOC，通俗理解就是已经充了百分之多少。

在充电流程的 参数配置阶段 ，BMS给充电机发送BCP报文，即动力蓄电池的充电参数，包括7个参数：单体动力蓄电池最高允许充电电压 、最高允许充电电流、动力蓄电池标称总能量、最高允许充电总电压 、最高允许温度、整车动力蓄电池荷电状态、整车动力蓄电池当前电池电压。

▲BCP报文格式

在充电桩行业的口头沟通和书面沟通中，会用一些简化的表述。简化的表述也用在书面文档甚至专业文章里了。

充电机给BMS发送CML报文，即充电机的最大输出能力，包括最高输出电压、最低输出电压、最大输出电流、最小输出电流。

▲ CML报文格式

在充电流程的充电阶段，BMS实时地给充电桩发送电压需求和 电流需求 （ 充电需求报文BCL ）和电池实际的充电电压测量值和 充电电流测量值 （ 电池充电总状态报文BCS ），相应地，充电桩也会实时地将充电桩输出电压值和 输出电流值 （ 充电机充电状态报文CCS ）传递给BMS。我们习惯用请求电压和请求电流来代替电压需求和电流需求。用充电桩屏幕或手机小程序、APP上显示的充电电压和充电电流代替输出电压值（或充电电压测量值）和输出电流值（或充电电流测量值）。用户不知道APP显示的充电电压和充电电流这两个数值是来自车辆还是充电桩。

▲BCL报文说明和报文格式信息

▲BCS报文格式

▲CCS报文格式