27930充電協議中提及的動力電池相關術語

在《GB/T 27930-2015，電動汽車非車載傳導式充電機與電池管理系統之間的通信協議》標準中，我們窮盡各種和電池相關的報文，總計有20種，分成了電壓、電流、容量相關和溫度四大類。

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

動力蓄電池標稱總能量
當前荷電狀態SOC（%）
估算剩余充電時間(min)
中止荷電狀態SOC（%）
整車動力蓄電池荷電狀態

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

學術上關注的有更多的參數。有6種比較常見。

OCV(Open Circuit Voltage)，開路電壓

OCV表示空載穩態時電池端子電壓，和SOC相關，和溫度關系不大。OCV和SOC之間的關系曲線如圖1。可以看出，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。

內阻

內阻，即電池的輸出阻抗，包括電解質內阻，表面內阻和擴散內阻。電池充電時，電流源自鋰離子的遷移。在電解液內部遷移，內阻是電解質的內阻; 在電極表面遷移時，有毫秒級反應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”。將每個電化學反應與電路的瞬態響應擬合，并擬合R和C的參數使其匹配電池的響應時間，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

內阻和溫度及充電周期強相關。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、充放電循環次數增加，電池都會出現劣化。

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過使用后，在指定的放電率和溫度狀態下可以從電池放出的電量。額定容量是在規定條件下電池應放出的電量。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、端子電壓的關系曲線

還有其它一些參數，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電芯對應的小電容和小電阻的串聯和并聯，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 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 18650 并聯，每節 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 18650 是 3400mAh 的額定容量的話，2.7A/3400mAh )。如果用特斯拉 Model S 內置的 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 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

電池的活性物質是結晶結構，呈現出層疊狀，這種結構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。當對正負極施加電場時，鋰離子只需要較低的能量就能發生遷移，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，生成的鋰離子經過電解液運動到負極，而作為負極的碳呈層狀結構，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，電池的能量驅動車輪胎），嵌在負極碳層中的鋰離子脫出，又運動回到正極。回到正極的鋰離子越多，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。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，嵌入層狀結構的正極和活性物質中。同時，電子被接受，鋰離子被固定而變得穩定。如果過放電，鋰離子過多地聚焦在正極，會使內阻增大，電池發熱，導致急劇劣化。

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，強制產生與放電反應相反的反應。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內部。同時，電子被接收，鋰離子被負極活性物質固定。鋰離子在電解液中快速遷移，但是，在負極表面減速，在負極活性物質內部非常緩慢地擴散。充電時，鋰離子在負極表面呈擁堵狀態。

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，繼續以恒壓小電流對電池充電。“電壓上去了，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。”

均充和浮充的定義

均充（均衡充電）、浮充在電力行業標準《DL5044-2004，電力工程直流系統設計技術規程》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處于備用。

均衡充電 equalizing charge

為補償蓄電池在使用過程中產生的電壓不均勻現象，使其恢復到規定的范圍內而進行的充電，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、浮充之間的轉換是由監控模塊自動控制的。蓄電池組均充就是采用恒流充電，充電快，持續時間短；浮充是對電池恒壓充電，持續時間長，充電慢。

恒壓充電和恒流充電

這一節比較難以理解，需要對電源的控制環路有一點理論基礎。

開關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，是指開關電源的輸出電壓恒定，開關電源的控制環路是電壓環在起作用，電壓環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。

對于單環控制系統，恒壓模式下，電壓環在工作。

對于雙環控制系統，恒壓模式下，如果電壓環是內環，電流環是外環，內環電壓環在工作，外環電流環沒有參與控制，或者說外環失效了；如果電壓環是外環，電流環是內環，雙環都在工作，外環電壓環的 PI 輸出作為內環電流環的給定。

恒流 (CC，Constant Current) 模式，是指開關電源的輸出電流恒定，開關電源的控制環路是電流環在起作用，電流環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。

對于雙環控制系統，電流環和電壓環怎么相互轉換的，不太容易理解。

充電模塊的雙環控制系統示意圖

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，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。

圖中各英文簡寫的含義如下：

IBMS 表示 BMS 發送來的“電流需求”，VBMS 表示 BMS 發送來的“電壓需求”。

Imax 表示電源主電路硬件上能允許的最大電流，是電源軟件預先設定的。Vmax 表示電源主電路硬件上能允許的最大電壓，是電源軟件預先設定的。

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 PI 的輸出。

PI 表示 PI 算法。

Ig表示電流環的電流給定，它是比較 IBMS和 Imax，取較小值。Vg表示電壓環的電壓給定，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

充電過程中，充電系統的“主腦”BMS 發送給“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的指令性報文信息并不多。根據國標 GB/T 27930-2015，《電動汽車非車載傳導式充電機與電池管理系統之間的通信協議》，相關信息如下：

3.1 PGB9984，BMS 握手報文，提供 BMS“最高允許充電總電壓”。

3.2 PGN1536，充電參數配置階段，BMS 發送給充電機的動力蓄電池充電參數，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“之間是否有關系？“電壓需求”和充電時電池的端口電壓是否有關系？

接下來的問題是：

② 實際充電過程中，充電樁之芯的“雙環”是如何切換的：什么時候只有內環電壓環工作？什么時候外環電流環在工作？

回答第 2 個問題就需要知道第 1 個問題的答案。報文中發送了“充電模式”信息給充電機。這可能令人產生誤會，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。

“電壓需求”就是圖 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論：

當滿足“電壓需求 > 電池電壓 + 內阻 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，講講大多數車型的充電過程。

對絕大多數動力電池而言，從SOC 0%到100%的完整充電過程會經歷四種狀態：

1. 涓流充電

當SOC很小時，先有一個修復電池的“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%？這個數據，我和BMS廠家和電池廠家的幾位朋友溝通過，說法不一。

可以做實車充電試驗驗證具體某個車型的相關數據。捕獲充電過程中"電流需求"的報文，監測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？持續到SOC為多少時，涓流充電過程結束？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。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？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？

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。據說，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，閉環控制的原理告訴我們，充電模塊的環路工作在電壓環還是電流環，是由環路的電壓給定、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. 充電結束

一般來說，在正常充電過程中，SOC達到100%時進入充電結束狀態，BMS下發關機指令，結束充電流程。但實際上，什么狀態下顯示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”。

下表的數據可以看到，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《GB/T 27930-2015，電動汽車非車載傳導式充電機與電池管理系統之間的通信協議》，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信息，這些信息包括了很多電壓、電流相關的參數。這些參數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，通俗理解就是已經充了百分之多少。

在充電流程的參數配置階段，BMS給充電機發送BCP報文，即動力蓄電池的充電參數，包括7個參數：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、整車動力蓄電池當前電池電壓。

▲BCP報文格式

在充電樁行業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文章里了。

充電機給BMS發送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（電池充電總狀態報文BCS），相應地，充電樁也會實時地將充電樁輸出電壓值和輸出電流值（充電機充電狀態報文CCS）傳遞給BMS。我們習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