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？

問題3：關(guān)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?

問題5：為何國內(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ModelS充電，對應(yīng)的每節(jié)18650的充電電流多大？充電一次要多長時間？

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？

----------------------------------

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)我國特色的大熱》（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鋰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電池

毋庸置疑，電動汽車的核心技術(shù)在于動力鋰電池。用于電動汽車的動力鋰電池目前重要有兩種，磷酸鐵鋰離子電池和三元鋰離子電池，兩者的本質(zhì)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(wǎng)絡(luò)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ModelS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。

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(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(qiáng)大的電池管理系統(tǒng)（BMS）。BMS重要功能包括數(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。

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28800J。一節(jié)18650大概相當(dāng)8000F左右電容。

問題3：關(guān)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（關(guān)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?

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ModelS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)。假如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：OnBoardCharger）目前國內(nèi)市場重要是兩種功率大小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：為何國內(nèi)車載充電機(jī)的功率一般是3.3KW和6.6KW？

答:在國標(biāo)GB/T18487.1-2015,《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

家用空調(diào)插座能夠供應(yīng)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。

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ModelS充電，對應(yīng)的每節(jié)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(jì)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，充滿它要的時間大約為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(yàn)也是很差的，特別關(guān)于商用車，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(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。