慧聪电子网首页 > 行业资讯 > 业界动态 > 国内 > 正文

电动汽车动力电池及其充放电原理:交流充电桩 or直流充电桩?

http://www.ec.hc360.com2017年02月22日10:18 来源:慧聪电子网T|T

    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ModelS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ModelS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ModelS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ModelS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418650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28800J。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ModelS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:OnBoardCharger)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/T18487.1-2015,《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ModelS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ModelS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”。

责任编辑:李嘉

热门活动更多>>

电子采购经理人俱乐部(北京站)启动仪式

时间:2017年2月25日

地点:北京