19
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。这样聊着聊着，我居然还是抛出了一系列问题，欢迎同行朋友加我微信，给我电话，讨论这些问题：
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 Model S 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？
----------------------------------
“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。
一，简单了解电动汽车的“动力电池”
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 Model S 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 Model S 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 Model S 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 4 18650 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？
二，电动汽车电池的充放电原理
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 28800 J。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 Model S 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”。
三，交流充电桩 or 直流充电桩？
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：On Board Charger）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/T 18487.1-2015,《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 Model S 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 Model S 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”。
