电动汽车动力电池和充放电原理及充电桩的分类

引言：

这篇科普文章中引用了网络上的信息，谈到巨大的电池板是怎么组成的，充放电的本质，特别值得细究的是单颗电芯18650的充电电流有多大。

问题1：BMS管理电池，采集的数据是基于每一个电池包，还是每一节18650电芯？

问题2：一节18650电芯等效的电容量是多大？

问题3：对于8000F的超大电容，充电的直流电压上叠加的纹波电压是否影响到充电效果？是否影响电容的寿命？

问题4：200A被分流之后，每节18650电芯的充电电流是多少？

问题5：为什么国内车载充电机的功率一般是3.3KW和6.6KW？

问题6：假设用3.3KW车载充电机给特斯拉ModelS充电，对应的每节18650的充电电流多大？充电一次需要多长时间？

问题7：两条技术路线：未来电动汽车是否会不配备车载充电机，都用直流充电桩？还是未来电动汽车的车载充电机会做得容量更大，个人乘用车充电以交流充电桩为主？

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充电桩之芯及其它系列之一：《大风起兮云飞扬，充电桩市场呈现中国特色的大热》（点击左下方阅读原文查阅）一文中，我们罗列了多地政府的十三五充电桩规划。这些规划大都没有明确是要安装交流充电桩还是直流充电桩。交流充电桩和直流充电桩价格差别那么大，政府规划中不区分开来，预算怎么做？这说明，政府还没有想那么细，预算也还没有做那么细。

本文将概述电动汽车动力电池及其充放电原理，由之谈到充电桩的分类。

毋庸置疑，电动汽车的核心技术在于动力电池。用于电动汽车的动力电池目前主要有两种，磷酸铁锂电池和三元锂电池，两者的本质区别是正极材料不一样，磷酸铁锂电池正极材料是磷酸铁锂，三元锂电池正极材料是镍钴锂。性能上的差别不在本文科普范围。

在网络上流传过一篇拆解特斯拉ModelS电池的过程，图文并茂，这篇文章可以很好地帮我们科普电动汽车电池的组成。

特斯拉ModelS的电池板由16组电池组串联而成，每组电池组由6组电池包串联组成，每组电池包由74节18650电芯并联组成，也就是说，每个电池组由444节18650电芯组成，整个ModelS的电池组板共有7104节18650电芯组成，它们是74节并联，96节串联。如图1所示：

图1电动汽车的电池组板

单颗18650-电池包-电池组-电池板，18650是直径18mm，长度65mm的小圆柱，7000多节串串并并的，最终组成牢固的电池板，重达900公斤，这个实现过程是有很多技术活的。

图2从18650电芯到电池板

这么多的18650电池芯汇集到母线上，最后汇聚到整个电池板的对外连接器上。

图3电池汽车的电池板对外的连接器

7100节18650电芯！18650电芯是构成电动汽车电池组板的最小单元。18650的百度百科简介如下：

18650是锂离子电池的鼻祖日本SONY公司当年为了节省成本而定下的一种标准性的锂离子电池型号，其中18表示直径为18mm，65表示长度为65mm，0表示为圆柱形电池。常见的18650电池分为锂离子电池、磷酸铁锂电池。锂离子电池电压为3.6V和4.2V，磷酸铁锂电池电压为3.2V，容量通常为1200mAh-3000mAh，常见容量为2200mAh-2600mAh。

图418650电芯

这么多小电芯组合在一起，需要有强大的电池管理系统（BMS）。BMS主要功能包括数据采集、电池状态计算、能量管理、热管理、安全管理、均衡控制和通信功能等。作为BMS的外行，我想到的一个问题是：

问题1：BMS管理电池，采集的数据是基于每一个电池包，还是每一节18650电芯？

电池的物理模型就是电容。电动汽车的电池相当于是几千节18650电芯对应的小电容串联和并联，等效为一个大电容。给电动汽车的电池充电，就是用直流电加载到一个巨大的电容上，譬如用基于高斯宝电气出品的充电桩之芯做成的120KW直流充电桩给电动汽车直接充电，就是用200V-750V，最大200A电流加到电容两端。

问题2：一节18650电池等效的电容量是多大？

王创社博士回答：普通的18650，2200mAH，能量是8瓦时左右，折合28800J。一节18650大概相当8000F左右电容。

问题3：对于8000F的超大电容，充电的直流电压上叠加的纹波电压是否影响到充电效果？是否影响电容的寿命？

实际上的充电过程并不是直接将电压加到超级大电容上，而是将直流电源（对于120KW的充电桩，输出电压200V-750V，最大电流200A）连接到图2的连接器上，高压被分压，大电流被分流，最终形成7100个涓涓细流，它们分别对7100节的18650电芯充电时，每个支路的充电终止电压只有4.2V左右。

问题4：200A被分流之后，每节18650电芯的充电电流是多少？

回答：因为是74节18650并联，所以每节18650的电流大小是2.7A（200A/74=2.7A）。这意味着该18750电芯的充电倍率约为0.79C（假设18650是3400mAh的额定容量的话，2.7A/3400mAh）。实际上特斯拉ModelS内置了10KW的车载充电机，在整体充电电压400V时的充电电流为25A，那么每节18650的充电电流只有0.34A这么小！

现在我们将放大镜对着18650电芯。研究它是跨界到了电化学的知识范畴。我们引用百度百科上的充放电原理，了解一点皮毛如下：

当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极，而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，到达负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。同样道理，当对电池进行放电时（即我们使用电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回到正极。回到正极的锂离子越多，放电容量越高。我们通常所说的电池容量指的就是放电容量。不难看出，在锂离子电池的充放电过程中，锂离子处于从正极→负极→正极的运动状态。如果我们把锂离子电池形象地比喻为一把摇椅，摇椅的两端为电池的两极，而锂离子就象优秀的运动健将，在摇椅的两端来回奔跑。所以，专家们又给了锂离子电池一个可爱的名字叫摇椅式电池。

如前所述，电池只接受直流充电。交流充电桩通过电动汽车内置的车载充电机将电网的交流电转换为直流电后对电池充电，而直流充电桩内置高斯包电气的充电桩之芯，直接将电网的交流电转换为直流电再对电池充电。两者对电动汽车的充电方式如图4所示。

图5交流充电桩和直流充电桩应用

车载充电机（OBC：OnBoardCharger）目前国内市场主要是两种功率大小3.3KW（输入：220VAC/16A，输出：200V-420VDC/10A）和6.6KW（输入：220VAC/32A，输出：200-420V/20A）。但是特斯拉的车载充电机很特别，功率高达10KW，国内的交流充电桩，家庭空调插座并不能给特斯拉充电。

问题5：为什么国内车载充电机的功率一般是3.3KW和6.6KW？

答：在国标GB/T18487.1-2015，《电动汽车传导充电系统第1部分：通用要求》中，规定了充电模式1，2，3，4和连接方式A，B，C。充电模式1/连接方式B就是直接通过电缆和插头连接到供电插座上充电，所谓飞线充电。如图6所示。

图6充电模式1/连接方式B

家用空调插座能够提供的电流，一般是16A和32A。如图7是家庭入户配电盒，上面空气开关的电流标识是C16，C32。

图7家庭入户配电盒

问题6：假设用3.3KW车载充电机给特斯拉ModelS充电，对应的每节18650的充电电流多大？充电一次需要多长时间？

答：按前述算法，很容易计算出每节18650的电流仅为0.14A（10A/72=0.14）。假设一个18650的容量是3400mAh，充满它需要的时间大约为24小时（3400mAh/140mA）。换一种算法，我们已知特斯拉ModelS的电池功率为85KWh，电压为400V，使用3.3KW充电，需要将近26小时（85KWh/3.3KW）。

显然，24小时也好，26小时也罢，都是无法接受的充电时间，哪怕10小时，用户体验也是很差的，特别对于商用车，如公交大巴、通勤车、物流车、出租车。因此，需要更大功率、更大电流充电以减少充电时间。这也就带来了系列之一中我们提出的问题：

问题7：两条技术路线：未来电动汽车是否会不配备车载充电机，都用直流充电桩？还是未来电动汽车的车载充电机会做得容量更大，个人乘用车充电以交流充电桩为主？

直流充电桩内置多个并联使用的充电桩之芯。单个充电桩之芯的功率为15KW，现在主流的60KW充电桩集成了4个充电桩之芯，120KW充电桩集成了8个充电桩之芯。