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(wèn)題，歡迎同行朋友加我微信，給我電話，討論這些問(wèn)題：

問(wèn)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(wèn)題2：一節(jié)18650電芯等效的電容量是多大？

問(wèn)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(wèn)題4: 200A被分流之后，每節(jié)18650電芯的充電電流是多少?

問(wèn)題5： 為什么國(guó)內(nèi)車載充電機(jī)的功率一般是3.3KW和6.6KW？

問(wèn)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(zhǎng)時(shí)間？

問(wèn)題7：兩條技術(shù)路線：未來(lái)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(lái)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(guó)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(méi)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(kāi)來(lái)，預(yù)算怎么做？ 這說(shuō)明，政府還沒(méi)有想那么細(xì)，預(yù)算也還沒(méi)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(jiǎn)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(guò)一篇拆解特斯拉Model S電池的過(guò)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(shuō)，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(zhǎng)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(guò)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(jiǎn)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(zhǎng)度為65mm，0表示為圓柱形電池。常見(jiàn)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(jiàn)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(wèn)題是：

問(wèn)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(wèn)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(wèn)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(guò)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(wèn)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這么小！

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(guò)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(guò)程），嵌在負(fù)極碳層中的鋰離子脫出，又運(yùn)動(dòng)回到正極。回到正極的鋰離子越多，放電容量越高。我們通常所說(shuō)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(guò)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(lái)回奔跑。所以，專家們又給了鋰離子電池一個(gè)可愛(ài)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(guò)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(guó)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(guó)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(wèn)題5： 為什么國(guó)內(nèi)車載充電機(jī)的功率一般是3.3KW和6.6KW？

答: 在國(guó)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(guò)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(kāi)關(guān)的電流標(biāo)識(shí)是C16，C32。

圖7 家庭入戶配電盒

問(wèn)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(zhǎng)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(wú)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(lái)了系列之一中我們提出的問(wèn)題：

問(wèn)題7：兩條技術(shù)路線：未來(lái)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(lái)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”。