充电桩之芯 | 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？-电路图讲
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？
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“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”。
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以上是直流电机驱动电路图，下面为您详细介绍直流电机驱动设计需要注意的事项，低压驱动电路的简易栅极驱动、边沿延时驱动电路图解及其设计思路。
一、 直流电机驱动电路的设计目标
在直流电机驱动电路的设计中，主要考虑一下几点：
1. 功能：电机是单向还是双向转动?需不需要调速?对于单向的电机驱动，只要用一个大功率三极管或场效应管或继电器直接带动电机即可，当电机需要双向转动时，可以使用由4个功率元件组成的H桥电路或者使用一个双刀双掷的继电器。如果不需要调速，只要使用继电器即可;但如果需要调速，可以使用三极管，场效应管等开关元件实现PWM(脉冲宽度调制)调速。
2. 性能：对于PWM调速的电机驱动电路，主要有以下性能指标。
1)输出电流和电压范围，它决定着电路能驱动多大功率的电机。
2)效率，高的效率不仅意味着节省电源，也会减少驱动电路的发热。要提高电路的效率，可以从保证功率器件的开关工作状态和防止共态导通(H桥或推挽电路可能出现的一个问题，即两个功率器件同时导通使电源短路)入手。
3)对控制输入端的影响。功率电路对其输入端应有良好的信号隔离，防止有高电压大电流进入主控电路，这可以用高的输入阻抗或者光电耦合器实现隔离。
4)对电源的影响。共态导通可以引起电源电压的瞬间下降造成高频电源污染;大的电流可能导致地线电位浮动。
5)可靠性。电机驱动电路应该尽可能做到，无论加上何种控制信号，何种无源负载，电路都是安全的。
1.输入与电平转换部分：
输入信号线由DATA引入，1脚是地线，其余是信号线。注意1脚对地连接了一个2K欧的电阻。当驱动板与单片机分别供电时，这个电阻可以提供信号电流回流的通路。当驱动板与单片机共用一组电源时，这个电阻可以防止大电流沿着连线流入单片机主板的地线造成干扰。或者说，相当于把驱动板的地线与单片机的地线隔开，实现“一点接地”。
高速运放KF347(也可以用TL084)的作用是比较器，把输入逻辑信号同来自指示灯和一个二极管的2.7V基准电压比较，转换成接近功率电源电压幅度的方波信号。KF347的输入电压范围不能接近负电源电压，否则会出错。因此在运放输入端增加了防止电压范围溢出的二极管。输入端的两个电阻一个用来限流，一个用来在输入悬空时把输入端拉到低电平。
不能用LM339或其他任何开路输出的比较器代替运放，因为开路输出的高电平状态输出阻抗在1千欧以上，压降较大，后面一级的三极管将无法截止。
2.栅极驱动部分：
后面三极管和电阻，稳压管组成的电路进一步放大信号，驱动场效应管的栅极并利用场效应管本身的栅极电容(大约1000pF)进行延时，防止H桥上下两臂的场效应管同时导通(“共态导通”)造成电源短路。
当运放输出端为低电平(约为1V至2V,不能完全达到零)时，下面的三极管截止，场效应管导通。上面的三极管导通，场效应管截止,输出为高电平。当运放输出端为高电平(约为VCC-(1V至2V),不能完全达到VCC)时，下面的三极管导通，场效应管截止。上面的三极管截止，场效应管导通,输出为低电平。
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