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(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？

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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??

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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(jī)”，都用直流充電樁？ 還是未來電動汽車的“車載充電機(jī)”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(yáng)，充電樁市場呈現(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。

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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：

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? 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(dá) 900 公斤，這個實(shí)現(xiàn)過程是有很多技術(shù)活的。

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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。

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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?！?/p>

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。

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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(shí)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(xì)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??

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回答：因?yàn)槭?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(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 時的充電電流為 25A，那么每節(jié) 18650 的充電電流只有 0.34A 這么??！

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(diǎn)皮毛如下：

當(dāng)對電池進(jìn)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(yùn)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(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)對電池進(jìn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(jī)”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(jī)（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(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

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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。

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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(yàn)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(jī)”，都用直流充電樁？ 還是未來電動汽車的“車載充電機(jī)”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”。