【技術】以Tesla 18650為例，六大問題詳解動力電池及其充放電原理

問題1：BMS管理電池，採集的數據是基於每一個電池包，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：對於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被分流之後，每節18650電芯的充電電流是多少?

問題5：為什麼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？ 充電一次需要多長時間？

毋庸置疑，電動汽車的核心技術在於動力電池。用於電動汽車的動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範圍。

在網路上流傳過一篇拆解特斯拉Model S電池的過程，圖文並茂，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Model S的電池板由16組電池組串聯而成，每組電池組由6組電池包串聯組成，每組電池包由74節18650電芯並聯組成，也就是說，每個電池組由444節18650電芯組成，整個Model S的電池組板共有7104節18650電芯組成，它們是74節並聯，96節串聯。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多節串串並並的，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

這麼多的18650電池芯 彙集到母線上，最後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，常見容量為2200mAh-2600mAh。」

圖4 18650電芯

這麼多小電芯組合在一起，需要有強大的電池管理系統（BMS）。BMS主要功能包括數據採集、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。

問題1：BMS管理電池，採集的數據是基於每一個電池包，還是每一節18650電芯？

電池的物理模型就是電容。電動汽車的電池相當於是幾千節18650電芯對應的小電容串聯和並聯，等效為一個大電容。給電動汽車的電池充電，就是用直流電載入到一個巨大的電容上，譬如用基於高斯寶電氣出品的「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18650電池等效的電容量是多大？

答：普通的18650，2200mAH，能量是8瓦時左右，摺合28800 J。一節18650大概相當8000F左右電容。

問題3：對於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？

實際上的充電過程並不是直接將電壓加到超級大電容上，而是將直流電源（對於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只有4.2V左右。

問題4: 200A被分流之後，每節18650電芯的充電電流是多少?

回答：因為是74節18650並聯，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 Model S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，那麼每節18650的充電電流只有0.34A這麼小！

現在我們將放大鏡對著18650電芯。研究它是跨界到了電化學的知識範疇。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，鋰離子處於從正極→ 負極 → 正極的運動狀態。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」。

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，而直流充電樁直接將電網的交流電轉換為直流電再對電池充電。

圖5 交流充電樁和直流充電樁應用

車載充電機（OBC：On Board Charger）目前國內市場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，家庭空調插座並不能給特斯拉充電。

問題5：為什麼國內車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

家用空調插座能夠提供的電流，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？充電一次需要多長時間？

答：按前述演算法，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，充滿它需要的時間大約為24小時（3400mAh/140mA）。換一種演算法，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(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，特別對於商用車，如公交大巴、通勤車、物流車、計程車。因此，需要更大功率、更大電流充電以減少充電時間。

（文章來源：充電樁之芯 作者：汪進進，深圳市高斯寶電氣技術有限公司新能源事業部）