充電樁之芯 | 電動(dòng)汽車動(dòng)力電池及其充放電原理:交流充電樁 or直流充電樁?
引言:
這篇科普文章中引用了網(wǎng)絡(luò)上的信息,談到巨大的電池板是怎么組成的,充放電的本質(zhì),特別值得細(xì)究的是單顆電芯18650的充電電流有多大。這樣聊著聊著,我居然還是拋出了一系列問題,歡迎同行朋友加我微信,給我電話,討論這些問題:
問題1:BMS管理電池,采集的數(shù)據(jù)是基于每一個(gè)電池包,還是每一節(jié)18650電芯?
問題2:一節(jié)18650電芯等效的電容量是多大?
問題3:對(duì)于8000F的超大電容,充電的直流電壓上疊加的紋波電壓是否影響到充電效果? 是否影響電容的壽命?
問題4: 200A被分流之后,每節(jié)18650電芯的充電電流是多少?
問題5: 為什么國內(nèi)車載充電機(jī)的功率一般是3.3KW和6.6KW?
問題6:假設(shè)用3.3KW車載充電機(jī)給特斯拉Model S充電,對(duì)應(yīng)的每節(jié)18650的充電電流多大? 充電一次需要多長時(shí)間?
問題7:兩條技術(shù)路線:未來電動(dòng)汽車是否會(huì)不配備“車載充電機(jī)”,都用直流充電樁? 還是未來電動(dòng)汽車的“車載充電機(jī)”會(huì)做得容量更大,個(gè)人乘用車充電以交流充電樁為主?
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“充電樁之芯及其它”系列之一: 《大風(fēng)起兮云飛揚(yáng),充電樁市場(chǎng)呈現(xiàn)中國特色的“大熱”》(點(diǎn)擊左下方“閱讀原文”查閱)一文中,我們羅列了多地政府的“十三五”充電樁規(guī)劃。這些規(guī)劃大都沒有明確是要安裝交流充電樁還是直流充電樁。交流充電樁和直流充電樁價(jià)格差別那么大,政府規(guī)劃中不區(qū)分開來,預(yù)算怎么做? 這說明,政府還沒有想那么細(xì),預(yù)算也還沒有做那么細(xì)。
本文將概述電動(dòng)汽車動(dòng)力電池及其充放電原理,由之談到充電樁的分類。
一,簡單了解電動(dòng)汽車的“動(dòng)力電池”
毋庸置疑,電動(dòng)汽車的核心技術(shù)在于動(dòng)力電池。用于電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池目前主要有兩種,磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池,兩者的本質(zhì)區(qū)別是正極材料不一樣,磷酸鐵鋰電池正極材料是磷酸鐵鋰,三元鋰電池正極材料是鎳鈷鋰。性能上的差別不在本文科普范圍。
在網(wǎng)絡(luò)上流傳過一篇拆解特斯拉Model S電池的過程,圖文并茂,這篇文章可以很好地幫我們科普電動(dòng)汽車電池的組成。
特斯拉Model S的電池板由16組電池組串聯(lián)而成,每組電池組由6組電池包串聯(lián)組成,每組電池包由74節(jié)18650電芯并聯(lián)組成,也就是說,每個(gè)電池組由444節(jié)18650電芯組成,整個(gè)Model S的電池組板共有7104節(jié)18650電芯組成,它們是74節(jié)并聯(lián),96節(jié)串聯(lián)。如圖1所示:
圖1 電動(dòng)汽車的電池組板
單顆18650-電池包-電池組-電池板,18650是直徑18mm,長度65mm的小圓柱,7000多節(jié)串串并并的,最終組成牢固的電池板,重達(dá)900公斤,這個(gè)實(shí)現(xiàn)過程是有很多技術(shù)活的。
圖2 從18650電芯到電池板
這么多的18650電池芯 匯集到母線上,最后匯聚到整個(gè)電池板的對(duì)外連接器上。
圖3 電池汽車的電池板對(duì)外的連接器
7100節(jié)18650電芯! 18650電芯是構(gòu)成電動(dòng)汽車電池組板的最小單元。 18650的百度百科簡介如下:
“18650是鋰離子電池的鼻祖日本SONY公司當(dāng)年為了節(jié)省成本而定下的一種標(biāo)準(zhǔn)性的鋰離子電池型號(hào),其中18表示直徑為18mm,65表示長度為65mm,0表示為圓柱形電池。常見的18650電池分為鋰離子電池、磷酸鐵鋰電池。鋰離子電池電壓為3.6V和4.2V,磷酸鐵鋰電池電壓為3.2V,容量通常為1200mAh-3000mAh,常見容量為2200mAh-2600mAh。”
圖4 18650電芯
這么多小電芯組合在一起,需要有強(qiáng)大的電池管理系統(tǒng)(BMS)。BMS主要功能包括數(shù)據(jù)采集、電池狀態(tài)計(jì)算、能量管理、熱管理、安全管理、均衡控制和通信功能等。作為BMS的外行,我想到的一個(gè)問題是:
問題1:BMS管理電池,采集的數(shù)據(jù)是基于每一個(gè)電池包,還是每一節(jié)18650電芯?
二,電動(dòng)汽車電池的充放電原理
電池的物理模型就是電容。電動(dòng)汽車的電池相當(dāng)于是幾千節(jié)18650電芯對(duì)應(yīng)的小電容串聯(lián)和并聯(lián),等效為一個(gè)大電容。給電動(dòng)汽車的電池充電,就是用直流電加載到一個(gè)巨大的電容上,譬如用基于高斯寶電氣出品的“充電樁之芯”做成的120KW直流充電樁給電動(dòng)汽車直接充電,就是用200V-750V,最大200A電流加到電容兩端。
問題2:一節(jié)18650電池等效的電容量是多大?
王創(chuàng)社博士回答:普通的18650,2200mAH,能量是8瓦時(shí)左右,折合28800 J。一節(jié)18650大概相當(dāng)8000F左右電容。
問題3:對(duì)于8000F的超大電容,充電的直流電壓上疊加的紋波電壓是否影響到充電效果? 是否影響電容的壽命?
實(shí)際上的充電過程并不是直接將電壓加到超級(jí)大電容上,而是將直流電源(對(duì)于120KW的充電樁,輸出電壓200V-750V,最大電流200A)連接到圖2的連接器上,高壓被分壓,大電流被分流,最終形成7100個(gè)“涓涓細(xì)流”,它們分別對(duì)7100節(jié)的18650電芯充電時(shí),每個(gè)支路的充電終止電壓只有4.2V左右。
問題4: 200A被分流之后,每節(jié)18650電芯的充電電流是多少?
回答:因?yàn)槭?4節(jié)18650并聯(lián),所以每節(jié)18650的電流大小是2.7A(200A/74 = 2.7A)。 這意味著該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 )。實(shí)際上特斯拉 Model S內(nèi)置了10KW的車載充電機(jī),在整體充電電壓400V時(shí)的充電電流為25A,那么每節(jié)18650的充電電流只有0.34A這么?。?/p>
現(xiàn)在我們將放大鏡對(duì)著18650電芯。研究它是跨界到了電化學(xué)的知識(shí)范疇。我們引用百度百科上的充放電原理,了解一點(diǎn)皮毛如下:
當(dāng)對(duì)電池進(jìn)行充電時(shí),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(yùn)動(dòng)到負(fù)極,而作為負(fù)極的碳呈層狀結(jié)構(gòu),它有很多微孔,到達(dá)負(fù)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(dāng)對(duì)電池進(jìn)行放電時(shí)(即我們使用電池的過程),嵌在負(fù)極碳層中的鋰離子脫出,又運(yùn)動(dòng)回到正極?;氐秸龢O的鋰離子越多,放電容量越高。我們通常所說的電池容量指的就是放電容量。不難看出,在鋰離子電池的充放電過程中,鋰離子處于從正極 → 負(fù)極 → 正極的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(gè)可愛的名字叫“搖椅式電池”。
三,交流充電樁 or 直流充電樁?
如前所述,電池只接受直流充電。交流充電樁通過電動(dòng)汽車內(nèi)置的“車載充電機(jī)”將電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換為直流電后對(duì)電池充電,而直流充電樁內(nèi)置高斯包電氣的“充電樁之芯”,直接將電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換為直流電再對(duì)電池充電。兩者對(duì)電動(dòng)汽車的充電方式如圖4所示。
圖5 交流充電樁和直流充電樁應(yīng)用
車載充電機(jī)(OBC:On Board Charger)目前國內(nèi)市場(chǎng)主要是兩種功率大小3.3KW(輸入:220VAC/16A,輸出:200V-420VDC / 10A)和6.6KW(輸入:220VAC/32A,輸出:200-420V/20A )。 但是特斯拉的車載充電機(jī)很特別,功率高達(dá)10KW,國內(nèi)的交流充電樁,家庭空調(diào)插座并不能給特斯拉充電。
問題5: 為什么國內(nèi)車載充電機(jī)的功率一般是3.3KW和6.6KW?
答: 在國標(biāo)GB/T 18487.1-2015,《電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電系統(tǒng)—第1部分:通用要求》中,規(guī)定了充電模式1,2,3 ,4和連接方式A,B,C。 充電模式1/連接方式B就是直接通過電纜和插頭連接到供電插座上充電,所謂“飛線充電”。 如圖6所示。
圖6 充電模式1/連接方式B
家用空調(diào)插座能夠提供的電流,一般是16A和32A。如圖7是家庭入戶配電盒,上面空氣開關(guān)的電流標(biāo)識(shí)是C16,C32。
圖7 家庭入戶配電盒
問題6:假設(shè)用3.3KW車載充電機(jī)給特斯拉Model S充電,對(duì)應(yīng)的每節(jié)18650的充電電流多大? 充電一次需要多長時(shí)間?
答: 按前述算法,很容易計(jì)算出每節(jié)18650的電流僅為0.14A(10A/72=0.14)。假設(shè)一個(gè)18650的容量是3400mAh,充滿它需要的時(shí)間大約為24小時(shí)(3400mAh/140mA)。換一種算法,我們已知特斯拉Model S的電池功率為85KWh,電壓為400V,使用3.3KW充電,需要將近26小時(shí) (85KWh/3.3KW)。
顯然,24小時(shí)也好,26小時(shí)也罷,都是無法接受的充電時(shí)間,哪怕10小時(shí),用戶體驗(yàn)也是很差的,特別對(duì)于商用車,如公交大巴、通勤車、物流車、出租車。因此,需要更大功率、更大電流充電以減少充電時(shí)間。這也就帶來了系列之一中我們提出的問題:
問題7:兩條技術(shù)路線:未來電動(dòng)汽車是否會(huì)不配備“車載充電機(jī)”,都用直流充電樁? 還是未來電動(dòng)汽車的“車載充電機(jī)”會(huì)做得容量更大,個(gè)人乘用車充電以交流充電樁為主?
直流充電樁內(nèi)置多個(gè)并聯(lián)使用的“充電樁之芯”。單個(gè)充電樁之芯的功率為15KW,現(xiàn)在主流的60KW充電樁集成了4個(gè)“充電樁之芯”,120KW充電樁集成了8個(gè)“充電樁之芯”。
評(píng)論