电助力自行车的快速充电方法与流程

本技术涉及电池充电，具体涉及一种电助力自行车的快速充电方法。

背景技术：

1、随着gb 43854-2024《电动自行车用锂离子蓄电池安全技术规范》及gb/t 36972—2026《电动自行车用锂离子蓄电池性能技术规范》等新国标的相继实施，对电助力车的电池性能和安全提出了明确且严格的要求。

2、目前市面主流电助力自行车普遍采用液态锂电池作为储能核心，受液态电池材料特性、结构稳定性及安全阈值限制，行业常规充电电流普遍为2a–5a，充电时长通常维持在4–8小时，存在充电速度慢、补能效率低的痛点，无法满足用户应急出行、高频次短途骑行的快速补能需求。另外，市面上大部分电助力自行车的电池不支持零下低温充电，无法解决冬季或寒冷地区用户的出行需求。

3、同时，现有电助力自行车充电系统均为适配小电流液态电池设计，充电器输出电流受限、整车充电回路耐压载流能力较弱，即便更换大容量电池，也无法实现大电流快充，极易出现充电发热、回路过载、电池鼓包、使用寿命衰减加速等问题。

技术实现思路

1、为了克服上述缺陷，本技术提供一种电助力自行车的快速充电方法，该方法中采用半固态电池模组，从而大幅提升了热稳定性与安全性，可有效抑制析锂和热失控风险。

2、本技术为了解决其技术问题所采用的技术方案是：

3、一种电助力自行车的快速充电方法，应用于电助力自行车的快速充电系统，所述快速充电系统包括充电器和电池包，所述电池包为半固态电池模组，所述充电器包括功率变换单元、电流采样单元、用于与所述电池包的电池管理系统通信连接的通信接口、以及控制单元，所述方法包括如下步骤：

4、响应于所述充电器上电，所述控制单元控制所述功率变换单元处于无充电电流输出的状态；

5、所述控制单元通过所述通信接口向所述电池管理系统发送身份查询指令，并接收所述电池管理系统响应于所述身份查询指令返回的所述电池包的身份信息；

6、若所述身份信息不满足预设的允许充电条件，则所述控制单元控制所述功率变换单元维持处于所述无充电电流输出的状态；

7、若所述身份信息满足所述预设的允许充电条件，则所述控制单元根据所述身份信息确定所述电池包的充电电流上限，其中，在所述电池包支持预设的快充电流时，所述充电电流上限为所述快充电流，在所述电池包不支持所述快充电流时，所述充电电流上限为小于所述快充电流的降流电流值；

8、所述电池管理系统周期性地获取所述电池包的多种实时状态参数，以确定所述电池包当前能够安全承受的目标充电电流值，并通过所述通信接口向所述充电器发送携带所述目标充电电流值的电流请求指令；

9、所述控制单元在所述目标充电电流值大于所述充电电流上限时，将所述目标充电电流值限制为所述充电电流上限；

10、所述控制单元在接收到所述电流请求指令后的下一个 pwm周期内，将输出至所述功率变换单元的pwm控制信号的占空比调整为目标占空比，由所述功率变换单元输出充电电流至所述电池包；

11、所述控制单元通过所述电流采样单元采样所述功率变换单元实际输出的充电电流，得到实际充电电流值，并根据所述目标充电电流值与所述实际充电电流值的差值修正所述占空比，使所述实际充电电流值与所述目标充电电流值的偏差小于预设偏差阈值；

12、周期性重复执行上述过程，且在所述目标充电电流值为所述降流电流值时，仍执行上述同一过程，输出与所述降流电流值对应的充电电流；

13、在满足预设充电终止条件时，所述控制单元关断所述 pwm控制信号，使所述功率变换单元停止输出充电电流。

14、可选地，所述身份信息包括所述电池包的型号、额定电压、额定容量、电芯类型和允许最大充电电流中的至少一项；所述控制单元在所述允许最大充电电流大于或等于所述快充电流时，确定所述电池包支持所述快充电流；所述快充电流为10a，所述降流电流值为2a～5a。

15、可选地，所述实时状态参数包括所述电池管理系统直接采集的参数和由所采集的参数计算得到的参数，所述实时状态参数包括电池温度、电池电压、电池极化程度、当前荷电状态、电池健康状态和电压变化趋势中的至少两项；所述电池管理系统对所述多种实时状态参数进行融合，确定所述电池包当前能够安全承受的目标充电电流值。

16、可选地，所述电池管理系统直接采集的参数包括各单体电池的单体电压、所述电池包的总电压、充电电流、由分布于所述电池的电芯表面及内部的多个温度采样点采集的温度值，以及所述电池包的电池内阻；所述当前荷电状态由所述电池管理系统通过安时积分法结合开路电压校准确定，所述电池健康状态由所述电池管理系统根据所述电池包的实际容量与额定容量的比值和/或所述电池内阻相对于初始内阻的增长比例确定；所述电池极化程度由极化电压、所述电池电压的电压变化率和所述电池内阻的变化量中的至少一项确定，所述电压变化趋势由所述电池电压在预设时间窗口内的变化速率确定。

17、可选地，所述电池管理系统对所述多种实时状态参数进行融合确定所述目标充电电流值，包括以下方式中的任一种：

18、针对每种所述实时状态参数分别确定对应的候选充电电流值，并将多个所述候选充电电流值中的最小值确定为所述目标充电电流值；

19、根据所述多种实时状态参数查询预设的电流映射表确定所述目标充电电流值；

20、针对每种所述实时状态参数分别确定对应的降额系数，并将各所述降额系数与所述快充电流的乘积中的最小值确定为所述目标充电电流值；

21、对每种所述实时状态参数分别赋予权重后加权计算得到所述目标充电电流值。

22、可选地，所述电池管理系统将所述目标充电电流值封装为指令帧，通过所述通信接口发送所述电流请求指令；所述指令帧包括指令类型字段、目标电流值字段、指令序列号字段和校验码字段，所述目标电流值字段用于承载以安培为单位的所述目标充电电流值，且所述目标电流值字段的分辨率为0.1a；所述通信接口为uart接口或can接口，所述电池管理系统发送所述电流请求指令的发送周期为1s～5s。

23、可选地，所述控制单元在接收到所述电流请求指令后，解析得到所述目标充电电流值，并通过比例积分微分pid算法根据所述目标充电电流值与所述实际充电电流值的差值计算所述pwm控制信号的占空比调整量，在下一个pwm周期内按所述占空比调整量更新所述占空比，并对更新后的占空比进行限幅处理使所述更新后的占空比不超过预设最大占空比；自接收到所述电流请求指令至所述实际充电电流值稳定于所述目标充电电流值的全过程响应时间小于或等于 200ms；所述下一个pwm周期，是指接收到所述电流请求指令后到来的第一个完整pwm开关周期，所述pwm控制信号的开关频率为65khz～100khz。

24、可选地，所述控制单元通过所述通信接口将所述实际充电电流值回传至所述电池管理系统；所述电池管理系统在发送所述电流请求指令后经过预设的比对延时，将回传的所述实际充电电流值与所述目标充电电流值进行比对得到电流执行偏差；在所述电流执行偏差的绝对值小于或等于预设偏差比例阈值时，判定所述充电器已正确执行所述电流请求指令并维持发送所述电流请求指令；所述比对延时大于或等于所述全过程响应时间，所述预设偏差比例阈值为所述目标充电电流值的±5%。

25、可选地，所述控制单元对未接收到所述电流请求指令的持续时长进行监测，在所述持续时长大于预设时长时判定所述通信接口通信异常；所述预设时长大于所述发送周期，且为所述发送周期的2倍至5倍；

26、在判定所述通信接口通信异常时，所述控制单元先将所述目标充电电流值减小为预设的安全充电电流并维持第一预定时长；若在所述第一预定时长内仍未接收到校验通过的所述电流请求指令，则将输出的充电电流由所述安全充电电流分步减小至零，关断所述pwm控制信号并切断所述功率变换单元与所述电池包之间的功率回路；其中，所述安全充电电流小于所述降流电流值；且在所述充电电流减小至零之前重新接收到校验通过的所述电流请求指令时，清除所述持续时长的计时并按重新接收到的目标充电电流值恢复输出充电电流。

27、可选地，所述预设充电终止条件包括充电完成条件和异常终止条件；

28、所述充电完成条件包括：所述电池包的电池电压达到预设充电截止电压、所述实际充电电流值下降至预设截止电流以下、以及所述当前荷电状态达到预设满充阈值中的至少一项；所述预设满充阈值为95～100%，所述预设截止电流为0.5a；

29、所述异常终止条件包括以下至少一项：任一所述单体电压大于或等于过充保护阈值；所述电池温度大于或等于温度保护阈值；所述控制单元在预设时长内未接收到所述电流请求指令且被判定为通信异常；所述充电器触发硬件保护，所述硬件保护包括过温保护、输出过流保护和短路保护中的至少一项；所述过充保护阈值为4.225v～4.275v，所述温度保护阈值为55℃；

30、在满足所述异常终止条件时，所述控制单元或所述电池管理系统还输出报警信号，所述报警信号包括由设置于所述充电器上的指示灯和/或蜂鸣器输出的声光报警信号，以及通过所述通信接口或无线通信模块发送至上位系统的报警报文中的至少一项，所述报警报文包括用于指示异常类型的异常代码。

31、本技术的有益效果是：

32、（1）本技术中半固态电池相较于传统液态锂电池，其电解质呈固液共存态，大幅提升了热稳定性与安全性，可有效抑制析锂和热失控风险，即使针刺也不易起火爆炸；同时，该体系显著延长了循环寿命，可达1200次以上，改善了低温放电性能，-20℃下仍保持较高容量，并支持更高的快充倍率而不过度损耗寿命；加之能量密度更高，有助于电池组轻量化——这些特性共同构成了半固态电池支撑10a大电流快充的技术基础，使得快速、安全、长寿命的充电方案在电助力自行车上成为可能。在充电速度方面，可将同等容量电池的充电时长缩短60%以上，有效解决传统技术补能缓慢、无法应急使用的缺陷，适配高频出行与临时补能场景。

33、（2）本技术中充电器上电后首先控制功率变换单元处于无充电电流输出的状态，在与电池管理系统完成身份查询并确认身份信息满足允许充电条件之前不向电池包输出任何充电电流；在确认支持快充时以快充电流为充电电流上限、不支持时以较小的充电电流为充电电流上限，且在电池管理系统下发的目标充电电流值超过该上限时，充电器将其限制为上限后才执行。由此，即便误接不支持大电流的第三方电池包、老化电池包，或者电池管理系统因故障误发超限电流请求，充电器也不会盲从输出，从源头上避免了电池过流、温升过高乃至热失控的风险，从而实现了上电后的本质安全，避免误充与非标电池风险。

34、（3）本技术中充电器在接收到电池管理系统发送的电流请求指令后的下一个pwm周期内，即将pwm控制信号的占空比调整为目标占空比，使输出电流由当前值向目标值快速逼近；随后通过串联于次级整流滤波输出单元输出回路的电流采样单元采样实际输出电流，并以目标电流值与实际电流值的差值修正占空比，使实际充电电流与目标充电电流的偏差小于预设偏差阈值。由于采样点位于输出回路而非初级侧，变压器损耗、漏感、整流压降和温漂等因素造成的误差被纳入闭环，电流控制精度显著提高。前馈保证了指令到达后的微秒级响应，闭环消除了稳态误差，自接收到指令至电流稳定于目标值的全过程响应时间不超过200ms，实现了快与准的协同。