鉅大LARGE | 點擊量：1280次 | 2021年08月26日
電動汽車動力鋰離子電池及其充放電原理有哪些？
這篇科普文章中引用了網絡上的信息，談到巨大的電池板是怎么組成的，充放電的本質，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，采集的數據是基于每一個電池組，還是每一節18650電芯？
問題2：一節18650電芯等效的電容量是多大？
問題3：有關8000F的超大電容，充電的直流電壓上重疊的紋波電壓是不是影響到充電效果？是不是影響電容的壽命？
問題4:200A被分流之后，每節18650電芯的充電電流是多少?
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
問題5：為甚么國內車載充電機的功率一般是3.3KW和6.6KW？
問題6：假設用3.3KW車載充電機給特斯拉ModelS充電，對應的每節18650的充電電流多大？充電一次要多長時間？
問題7：兩條技術路線：將來電動汽車是不是會不配備車載充電機，都用直流充電樁？還是將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：《大風起兮云飛揚，充電樁市場呈現我國特色的大熱》（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劃。這些規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，政府規劃中不區分開來，預算怎么做？這說明，政府還沒有想那么細，預算也還沒有做那么細。
本文將概述電動汽車動力鋰離子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鋰離子電池
毋庸置疑，電動汽車的核心技術在于動力鋰離子電池。用于電動汽車的動力鋰離子電池目前緊要有兩種，磷酸鐵鋰離子電池和三元鋰離子電池，兩者的本質差別是正極材料不相同，磷酸鐵鋰離子電池正極材料是磷酸鐵鋰，三元鋰離子電池正極材料是鎳鈷鋰。性能上的差別不在本文科普范圍。
在網絡上流傳過一篇拆解特斯拉ModelS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ModelS的電池板由16組電池包串聯而成，每組電池包由6組電池組串聯組成，每組電池組由74節18650電芯并聯組成，也就是說，每個電池包由444節18650電芯組成，整個ModelS的電池包板共有7104節18650電芯組成，它們是74節并聯，96節串聯。如圖1所示：
圖1電動汽車的電池包板
單顆18650-電池組-電池包-電池板，18650是直徑18mm，長度65mm的小圓柱，7000多節串串并并的，最終組成牢固的電池板，重達900公斤，這個實現過程是有很多技術活的。
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18650電芯！18650電芯是構成電動汽車電池包板的最小單元。18650的百度百科簡介如下：
18650是鋰離子電池的鼻祖日本SONY公司當年為了節省成本而定下的一種標準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、磷酸鐵鋰離子電池。鋰離子電池電壓為3.6V和4.2V，磷酸鐵鋰離子電池電壓為3.2V，容量通常為1200mAh-3000mAh，常見容量為2200mAh-2600mAh。
圖418650電芯
這么多小電芯組合在一起，要有強大的電池管理系統（bMS）。bMS緊要功能包括數據采集、電池狀態計算、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，采集的數據是基于每一個電池組，還是每一節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于是幾千節18650電芯對應的小電容串聯和并聯，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筆直充電，就是用200V-750V，最大200A電流加到電容兩端。
問題2：一節18650電池等效的電容量是多大？
王創社博士回答：一般的18650，2200mAH，能量是8瓦時左右，折合28800J。一節18650大概相當8000F左右電容。
問題3：有關8000F的超大電容，充電的直流電壓上重疊的紋波電壓是不是影響到充電效果？是不是影響電容的壽命？
實際上的充電過程并不是筆直將電壓加到超級大電容上，而是將直流電源（有關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節的18650電芯充電時，每個支路的充電終止電壓惟有4.2V左右。
問題4:200A被分流之后，每節18650電芯的充電電流是多少?
回答：因為是74節18650并聯，所以每節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18650是3400mAh的額定容量的話，2.7A/3400mAh)。實際上特斯拉ModelS內置了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18650的充電電流惟有0.34A這么小！
今朝我們將放大鏡對著18650電芯。研究它是跨界到了電化學的知識領域。我們引用百度百科上的充放電原理，了解一點皮毛如下：
當對電池進行充電時，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經過電解液運動到負極，而作為負極的碳呈層狀結構，它有很多微孔，到達負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，當對電池進行放電時（即我們使用電池的過程），嵌在負極碳層中的鋰離子脫出，又運動回到正極。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→負極→正極的運動狀態。倘若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置的車載充電機將電網的交流電轉換為直流電后對電池充電，而直流充電樁內置高斯包電氣的充電樁之芯，筆直將電網的交流電轉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使用
車載充電機（ObC：OnboardCharger）目前國內市場緊要是兩種功率大小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，國內的交流充電樁，家庭空調插座并不能給特斯拉充電。
問題5：為甚么國內車載充電機的功率一般是3.3KW和6.6KW？
答:在國標Gb/T18487.1-2015,《電動汽車傳導充電系統第1部分：通用要求》中，規定了充電模式1，2，3，4和連接方式A，b，C。充電模式1/連接方式b就是筆直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
家用空調插座能夠供應的電流，一般是16A和32A。如圖7是家庭入戶配電盒，上面空氣開關的電流標識是C16，C32。
圖7家庭入戶配電盒
問題6：假設用3.3KW車載充電機給特斯拉ModelS充電，對應的每節18650的充電電流多大？充電一次要多長時間？
答：按前述算法，很容易計算出每節18650的電流僅為0.14A（10A/72=0.14）。假設一個18650的容量是3400mAh，洋溢它要的時間約莫為24小時（3400mAh/140mA）。換一種算法，我們已知特斯拉ModelS的電池功率為85KWh，電壓為400V，使用3.3KW充電，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，特別有關商用車，如公交大巴、通勤車、物流車、出租車。因此，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7：兩條技術路線：將來電動汽車是不是會不配備車載充電機，都用直流充電樁？還是將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？
直流充電樁內置多個并聯使用的充電樁之芯。單個充電樁之芯的功率為15KW，今朝主流的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。
