摘要：本文主要针对当前新能源汽车充电桩普遍存在的充电效率低、极化现象严重和功率调节耦合等问题进行研究，通过采用三段式大电流进行充电（预充电、分段恒流快充、恒压脉冲去极化）减轻电池极化 和提高充电效率；采用虚拟同步发电机（VSG）技术与复矢量解耦方法解决充电桩功率耦合问题；采用模糊神经网络PID控制实现新能源汽车智能充电管理。提出分段式自适应充电算法、VSG联合解耦法及模块化 控制系统设计法，减少了充电桩极化现象并优化了充电桩充电效率和输出功率，为提升充电桩整体充电性能提供了理论基础与技术支撑，也进一步拓展了充电桩的工程应用价值。关键词：新能源汽车；充电桩；极化抑制；解耦控制；关键技术

1 新能源汽车充电桩关键技术研究的意义

近年来，为节约资源，减少碳排放、保护环境、响应国家关于“以电代油”的号召，新能源汽车作为碳排放为“0”的新兴产业成为当代汽车发展的重要方向，而充电桩作为汽车充电配套系统又成为充电设施不可或缺的组成部分。目前国内现有的充电桩控制系统存在整体落后现象，汽车充电通用性差、充电速度慢、充电效率低及容易出现欠充和过充现象，同时也存在充电桩在充电过程中电池容易产生极化和功率调节时出现功率耦合现象，影响电池充电效率和使用寿命。因此，如何降低充电桩充电时产生的极化现象，提高充电效率，并分析耦合产生原因，实现精确解耦，设计一款功能完善、安全可靠、兼容性好、充电速度快的新能源汽车智能充电桩是目前新能源汽车充电桩亟待解决的问题，它的研究具有十分重要的意义。

2 新能源汽车充电桩国内外研究现状

20 世纪中叶，美国Mas教授分析了电动汽车电池的充电原理，并在此基础上提出电池充电的最佳可接受电流曲线。20 世纪70 年代，Mas教授又提出了Mas三定律，此定律是电池快速充电技术的基础。近年来，日本公司研发出充电从0 充至容量为50%仅需3 分钟时间的快速充电装置，并将该装置应用于实际电动汽车充电中，充电后汽车能够连续续航达100 公里左右。

2017 年王海群等人在《电动汽车充电桩控制系统的设计》中设计了基于 MSP430F149 单片机为核心带放电去极化的三段式智能充电控制系统，实现了提高电池充电效率的同时也消除快速充电电池产生的极化现象[1]。

2022 年关蕾在《电动汽车充电桩快速充电技术研究》中通过分析快速充电原理基础上提出带负脉冲快速充电技术，并通过试验验证了带负脉冲充电技术减少了充电时长，提高了充电效率[2]。

2024 年许红英等人在《电动汽车智能充电桩的设计及关键技术研究》中针对电动汽车快速发展带来的充电需求，采用软硬件系统架构规划与实现的模块化设计思想，对电动汽车智能充电桩的关键技术进行研究，并通过实验验证了智能充电桩的可行性和优越性[3]。

从目前国内外针对新能源汽车充电桩关键技术的研究来看，都主要是针对目前充电桩存在的充电易产生极化和功率调节时易出现功率耦合以及智能化问题进行研究，虽然取得了一定的成就，但是距离完全克服这些问题仍面临诸多挑战，也需要所有研究者共同努力，从本质上解决相关问题，使充电桩充电性能有质的飞跃。

3 新能源汽车充电桩存在问题应对策略

3.1 新能源汽车充电桩极化效应应对策略

在锂离子电池的快速充电相关技术中，影响电池的充电效率和健康状态的关键因素之一就是极化效应。为了有效地抑制电池极化效应，本文采用Maas定律原理，提出三段式大电流充电策略。该策略是根据电池荷电状态（SOC）的区间将充电过程划分为三个阶段，通过动态调整充电电流波形和引入脉冲间歇达到减轻极化积累的目的，从而在保证电池安全的前提下大幅度地缩短充电时间。具体策略如下：

首先，预充电阶段，当电池过充过放导致电池荷电能量（SOC）低于10%的情况时，电极极化内阻较高，若直接施加较大电流，不仅降低充电效率，还可能对电池造成不可逆的损伤。因此，第一阶段采用小电流缓充方式，对电池进行预充电以保护电池，预充电阶段还具有电池状态检测与修复功能可识别是否存在电压异常、内阻过高或微短路等问题，从而提高整个充电过程的安全性与可靠性。

其次，是快速充电的主体部分，适用于电池荷电能量（SOC）处于 10% 至 80% 之间的区间。采用多段恒流（MSC）策略进行大电流充电，进一步将充电过程划分为七个电流递减的恒流子阶段。初始子阶段电流可设定为较高，以迅速提升电池能量；随着电池荷电能量（SOC）的增加和极化现象逐渐显现，后续各段电流逐步递减，以避免极化电压超过安全阈值。此方法既充分发挥了电池在大电流区的充电能力，也有效控制了极化效应的积累，同时避免了传统单一大电流恒流充电中后期出现的产热剧增和效率下降问题。每一子阶段的切换依据除了SOC数值外，还结合电压变化率及温升情况进行动态判断，以增强控制的适应性与安全性。

最后，恒压正负脉冲充电阶段，适用于电池荷电能量（SOC）达到 80% 以上的高电量区间。改用恒压脉冲充电模式进行继续充电，施加一个幅值较高的正电流脉冲后关闭电流，提供一个短暂的静置间歇，使电极表面的离子浓度梯度有机会扩散均匀，缓解浓差极化；之后适时地施加一个瞬间的放电电流，主动消除电化学极化及欧姆极化。这种“充电–静置–放电”的脉冲组合可显著增强极化恢复效果，提高电池在高SOC下的电流可接受能力，从而延长大电流充电的适用区间，进一步缩短总充电时间。

3.2 新能源汽车充电桩功率耦合及解耦应对策略

功率耦合问题是制约电动汽车直流充电桩的控制系统动态响应与稳态精度的重要挑战之一。为提升充电设备对电网的兼容性与自身控制的准确性，本文采用虚拟同步发电机（VSG）技术，重点针对解耦控制策略展开研究，以保障系统性能。

本文采用旋转坐标变化法及复矢量 PI 电流控制器的联合解耦策略。将实际功率经矩阵变换后得到虚拟功率，通过虚拟同步发电机（VSG）技术，计算得到控制的电流，通过复矢量 PI 电流控制器实现坐标轴交叉耦合的解耦，最终消除功率调节过程中的稳态误差保障系统的稳态性能，提高系统动态性能。这个联合解耦方法显著改善了系统的动、静态性能，一方面，有效抑制了功率调节过程中的超调量与振荡现象，增强了系统的响应速度与鲁棒性；另一方面，消除了稳态误差，提升输出电能质量。且解耦后的VSG控制系统适用于高动态要求的电动汽车直流充电场景。因此，针对电动汽车充电桩中存在的功率耦合问题，通过建立VSG技术的复矢量模型并设计相应的解耦控制策略，可实现更精确、稳定的功率控制，为未来充电设施提供有效技术路径[4]。

3.3 新能源汽车充电桩间歇式充电桩系统结构功能解析

当前，电动汽车充电桩的充电策略中，间歇充电法快速充电技术采用较多，这种方法的核心目标是在保证电池安全与寿命的前提下实现高效充电。在充电过程中要严格遵循GB/T 20234《电动汽车传导充电用连接装置》和GB/T 27930《非车载传导式充电机与电动汽车之间的数字通信协议》等国家标准，确保设备兼容性、通信一致性与操作安全性。整体系统采用功能模块化设计，具有良好的可扩展性与维护性。采用功能模块化的设计方法的间歇式充电桩整体系统结构图如图 1 所示：

图1 间歇式充电桩整体系统结构图

该系统主要包括电源电路、充电单元、信号采集、人机交互等多个核心模块。充电桩整体系统以交流380V电源作为输入，通过交流接触器实现电源的通断控制，具备过流和短路保护功能。电流表的作用是实时监测输入电流，确保系统工作在额定范围内。整流电路将交流电转换为直流电，为后续功率变换提供基础。PWM整流电路进一步实现对电压的精确调节，提升电能质量与转换效率。控制系统以中央处理单元为核心，协调各模块运行。启动充电流程要求闭合按钮和开关驱动模块共同负责，并通过通讯接口实现与电池管理系统的数据交换，严格遵循GB/T 27930 协议，获取电池状态信息并发送控制指令。读卡器用于用户身份认证与启动权限管理，支持刷卡启动充电服务。充电单元电路采用间歇充电策略，通过周期性地通断充电电流，避免电池极化现象，减少发热，延长电池寿命。

充电单元电路直接与电池组相连，根据电池管理系统发送的电压、温度、SOC（荷电状态）等参数动态调整充电电流与间歇时间，实现快速的充电过程。数据采集模块实时收集充电电压、电流、温度等关键参数，并上传至中央处理单元进行处理与判断。人机界面提供用户操作与状态显示功能，包括充电进度、费用信息及故障提示。故障报警模块在检测到异常时发出声光报警，并上传故障代码，便于运维人员快速定位与处理。此外，系统还配备打印机模块用来生成充电凭证或消费票据，提升用户服务的完整性。

针对充电桩充电过程具有的时变性强、非线性以及强耦合特点，在第三阶段的恒压正负脉冲充电阶段引入模糊神经网络PID控制系统来提高充电桩的控制性能，其模糊神经网络PID控制器结构图如图2 所示。

图2 模糊神经网络PID 控制器结构图

图2 所示的核心输入量为控制系统误差（E）和误差变化率（EC）。在系统中，E指实际输出与期望设定值之间的偏差，EC反映该偏差随时间的变化趋势，二者共同影响系统动态响应状态。模糊神经网络控制器作为整体架构的智能决策核心，融合了模糊推理的语言化处理能力和神经网络的自学习特性。系统中PID控制器的三个关键参数为比例系数 ）、积分系数（Ki）和微分系数（Kd），Kp影响系统响应速度，Ki决定消除稳态误差的能力，Kd则改善系统动态特性及抗干扰性。若想要使控制器能够更好地应对充电过程中因电池化学特性变化导致的模型不确定性，可以自适应地调整这三个参数。之后将整定后的Kp、Ki、Kd参数送入PID控制器，由其产生最终的控制量，该控制量作用于控制对象（即充电桩的功率变换电路），进而调节输出的充电电压与电流波形。在整个恒压脉冲充电阶段，系统需维持电压稳定，同时周期性地施加负脉冲以缓解电池极化现象，提升充电效率、缩短充电时间。模糊神经网络控制器还参与计算负脉冲的强度与持续时间，使其与整体充电策略相匹配。

结束语

本文着重分析了充电桩快速充电过程中容易产生的三个问题，并针对三个问题提出相应的解决策略。针对充电桩充电过程中导致的电池极化现象，采用分段式大电流充电策略减少电池极化现象，有效地抑制了极化现象，提升充电效率与电池安全性；采用旋转坐标变化法及复矢量 PI 电流控制器的联合解耦策略。将实际功率经矩阵变换后得到虚拟功率，通过虚拟同步发电机（VSG）技术，计算得到控制的电流，通过复矢量 PI 电流控制器实现坐标轴交叉耦合的解耦，最终消除功率调节过程中的稳态误差保障系统的稳态性能，提高系统动态性能；采用功能模块化设计方法，实现充电桩智能控制。

参考文献

[1]王海群，彭川.电动汽车充电桩控制系统的设计[J].微型机与应用，2017，36（23）：107-111.

[2] 关蕾.电动汽车充电桩快速充电技术研究[J].电子制作，2022，30（08）：95-97.

[3]许红英，李昊.电动汽车智能充电桩的设计及关键技术研究[J].自动化应用，2024，65（15）：156-15

[4]王科田.基于复矢量模型的直流充电桩虚拟同步电机解耦技术研究[D].合肥工业大学，2021.

基金项目：2023 年度创新创业发展基金——科研专项基金项目（课题号：JS2023032；项目名称：新能源汽车充电桩关键技术研究）

作者简介：于洋（1992 年1 月－），女，汉族，人，工学硕士，人工智能学院讲师，研究方向：智能感知与自主控制