“充電樁之芯及其它”系列之一： 《大風(fēng)起兮云飛揚，充電樁市場(chǎng)呈現中國特色的“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”充電樁規劃。這些規劃大都沒(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，政府規劃中不區分開(kāi)來(lái)，預算怎么做？ 這說(shuō)明，政府還沒(méi)有想那么細，預算也還沒(méi)有做那么細。

本文將概述電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池及其充放電原理，由之談到充電樁的分類(lèi)。

一，簡(jiǎn)單了解電動(dòng)汽車(chē)的“動(dòng)力電池”

毋庸置疑，電動(dòng)汽車(chē)的核心技術(shù)在于動(dòng)力電池。用于電動(dòng)汽車(chē)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(chē)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18650電芯并聯(lián)組成，也就是說(shuō)，每個(gè)電池組由444節18650電芯組成，整個(gè)Model S的電池組板共有7104節18650電芯組成，它們是74節并聯(lián)，96節串聯(lián)。如圖1所示： 

  圖1  電動(dòng)汽車(chē)的電池組板

單顆18650-電池包-電池組-電池板，18650是直徑18mm，長(cháng)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(gè)實(shí)現過(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(xiàn)上，最后匯聚到整個(gè)電池板的對外連接器上。 

圖3 電池汽車(chē)的電池板對外的連接器

7100節18650電芯！ 18650電芯是構成電動(dòng)汽車(chē)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(cháng)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，需要有強大的電池管理系統（BMS）。BMS主要功能包括數據采集、電池狀態(tài)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(gè)問(wèn)題是：

問(wèn)題1：BMS管理電池，采集的數據是基于每一個(gè)電池包，還是每一節18650電芯？

二，電動(dòng)汽車(chē)電池的充放電原理   

電池的物理模型就是電容。電動(dòng)汽車(chē)的電池相當于是幾千節18650電芯對應的小電容串聯(lián)和并聯(lián)，等效為一個(gè)大電容。給電動(dòng)汽車(chē)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(chē)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18650大概相當8000F左右電容。

問(wèn)題3：對于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大電容上，而是將直流電源（對于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)“涓涓細流”，它們分別對7100節的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18650電芯的充電電流是多少? 
回答：因為是74節18650并聯(lián)，所以每節18650的電流大小是2.7A(200A/74 = 2.7A)。 這意味著(zhù)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(huà)，2.7A/3400mAh )。實(shí)際上特斯拉 Model S內置了10KW的車(chē)載充電機，在整體充電電壓400V時(shí)的充電電流為25A，那么每節18650的充電電流只有0.34A這么��！

現在我們將放大鏡對著(zhù)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：

當對電池進(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)電解液運動(dòng)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(jìn)行放電時(shí)（即我們使用電池的過(guò)程），嵌在負極碳層中的鋰離子脫出，又運動(dòng)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(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 → 負極 → 正極的運動(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)秀的運動(dòng)健將，在搖椅的兩端來(lái)回奔跑。所以，專(zhuān)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(chē)內置的“車(chē)載充電機”將電網(wǎng)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”，直接將電網(wǎng)的交流電轉換為直流電再對電池充電。兩者對電動(dòng)汽車(chē)的充電方式如圖4所示。

 圖5 交流充電樁和直流充電樁應用

車(chē)載充電機（OBC：On Board Charger）目前國內市場(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(chē)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(wèn)題5： 為什么國內車(chē)載充電機的功率一般是3.3KW和6.6KW？ 

答: 在國標GB/T 18487.1-2015,《電動(dòng)汽車(chē)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就是直接通過(guò)電纜和插頭連接到供電插座上充電，所謂“飛線(xiàn)充電”。 如圖6所示。

    圖6   充電模式1/連接方式B 

家用空調插座能夠提供的電流，一般是16A和32A。如圖7是家庭入戶(hù)配電盒，上面空氣開(kāi)關(guān)的電流標識是C16，C32。

圖7  家庭入戶(hù)配電盒

問(wèn)題6：假設用3.3KW車(chē)載充電機給特斯拉Model S充電，對應的每節18650的充電電流多大？ 充電一次需要多長(cháng)時(shí)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(gè)18650的容量是3400mAh，充滿(mǎn)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(hù)體驗也是很差的，特別對于商用車(chē)，如公交大巴、通勤車(chē)、物流車(chē)、出租車(chē)。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(xiàn)：未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)是否會(huì )不配備“車(chē)載充電機”，都用直流充電樁？ 還是未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)的“車(chē)載充電機”會(huì )做得容量更大，個(gè)人乘用車(chē)充電以交流充電樁為主？

直流充電樁內置多個(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”。