充電樁之芯 | 電動汽車動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車載充電機給特斯拉Model S充電，對應(yīng)的每節(jié)18650的充電電流多大？ 充電一次需要多長時間？

問題7：兩條技術(shù)路線：未來電動汽車是否會不配備“車載充電機”，都用直流充電樁？ 還是未來電動汽車的“車載充電機”會做得容量更大，個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，充電樁市場呈現(xiàn)中國特色的“大熱”》（點擊左下方“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，預(yù)算也還沒有做那么細。

本文將概述電動汽車動力電池及其充放電原理，由之談到充電樁的分類。

一，簡單了解電動汽車的“動力電池”

毋庸置疑，電動汽車的核心技術(shù)在于動力電池。用于電動汽車的動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，每個電池組由444節(jié)18650電芯組成，整個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900公斤，這個實現(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，最后匯聚到整個電池板的對外連接器上。

圖3 電池汽車的電池板對外的連接器

7100節(jié)18650電芯！ 18650電芯是構(gòu)成電動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，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，我想到的一個問題是：

問題1：BMS管理電池，采集的數(shù)據(jù)是基于每一個電池包，還是每一節(jié)18650電芯？

二，電動汽車電池的充放電原理

電池的物理模型就是電容。電動汽車的電池相當(dāng)于是幾千節(jié)18650電芯對應(yīng)的小電容串聯(lián)和并聯(lián)，等效為一個大電容。給電動汽車的電池充電，就是用直流電加載到一個巨大的電容上，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瓦時左右，折合28800 J。一節(jié)18650大概相當(dāng)8000F左右電容。

問題3：對于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2的連接器上，高壓被分壓，大電流被分流，最終形成7100個“涓涓細流”，它們分別對7100節(jié)的18650電芯充電時，每個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：因為是74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 )。實際上特斯拉 Model S內(nèi)置了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(jié)18650的充電電流只有0.34A這么小！

現(xiàn)在我們將放大鏡對著18650電芯。研究它是跨界到了電化學(xué)的知識范疇。我們引用百度百科上的充放電原理，了解一點皮毛如下：

當(dāng)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(jīng)過電解液運動到負(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)對電池進行放電時（即我們使用電池的過程），嵌在負(fù)極碳層中的鋰離子脫出，又運動回到正極?；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 → 正極的運動狀態(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”。

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汽車內(nèi)置的“車載充電機”將電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換為直流電后對電池充電，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)換為直流電再對電池充電。兩者對電動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（OBC：On Board Charger）目前國內(nèi)市場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很特別，功率高達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)車載充電機的功率一般是3.3KW和6.6KW？

答: 在國標(biāo)GB/T 18487.1-2015,《電動汽車傳導(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車載充電機給特斯拉Model S充電，對應(yīng)的每節(jié)18650的充電電流多大？ 充電一次需要多長時間？

答： 按前述算法，很容易計算出每節(jié)18650的電流僅為0.14A（10A/72=0.14）。假設(shè)一個18650的容量是3400mAh，充滿它需要的時間大約為24小時（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 (85KWh/3.3KW)。

顯然，24小時也好，26小時也罷，都是無法接受的充電時間，哪怕10小時，用戶體驗也是很差的，特別對于商用車，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：未來電動汽車是否會不配備“車載充電機”，都用直流充電樁？ 還是未來電動汽車的“車載充電機”會做得容量更大，個人乘用車充電以交流充電樁為主？

直流充電樁內(nèi)置多個并聯(lián)使用的“充電樁之芯”。單個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“充電樁之芯”，120KW充電樁集成了8個“充電樁之芯”。