原创 汽车电池充电

汽车上的电池是车内的主要储能电器，在汽车没有发动起来的情况下，电力的供应主要依靠电池来提供电源，而燃油车的发动机工作后，电力由车上的发电机提供了，电池不再承担对外提供电流的主要任务，因而电池容量的需要也不大，但是采用电机作为汽车的电池驱动能量来源后，电池的容量要求就大了很多，整个汽车运行的过程中都要依靠电池中提供的能量来使汽车行驶以及车上的用电器工作，而电动汽车的电池能量往往来自于充电的过程，而不是燃油发动机带动发电机工作产生的电能，从这个角度来看，电动汽车就不再消耗燃油，也 不会在城市的道路上产生影响人类健康的尾气了。

那么汽车电池是如何完成充电的呢？简单来说就是通过电源适配器将国家电网的电能转为汽车电池可以接受的电源后让电池接收，充电电池具有的可充电特性就会将电能转变为化学能存储在电池中了。所以从这个过程中可以知道关键是电池的充电特性和电源适配器转变后的电源特性决定了充电的效果。那么我们来先讲讲电池。

以目前燃油车所用的铅蓄电池来讲，其使用的电解质是硫酸，正极为二氧化铅，负极为铅，在电解质的作用下，可以形成2V的电压，当使用6个这样的装置串联起来后就可以形成12V的电压了。如果是卡车需要更高的工作电压，可以用两个12V的电池串成24V的电池。之所以使用12V的电池而不是采用2V的电池是因为电池主要的作用是启动发动机工作，所以采用12V刚好满足也不必过多地增加成本，而卡车一般采用柴油机工作，启动的能量要更大些，所以采用更大的工作电压24V就可以理解了。一般12V的电池的内阻在10mΏ左右，可以提供300A左右的瞬间电流用于驱动启动机等大功率的电器工作。当铅蓄电池工作时两个电极上会形成硫酸铅，从而使电池中的电化学能减弱，表现为电池的电压及电量不断下降 。当外界有充电电压时，硫酸铅可以电解为铅与二氧化铅，使电量得以按照化学能的形式储存下来，也就实现了可充电的过程了。当充电完成后继续充电则会因为没有可以继续分解的硫酸铅从而使电解液中的水被电解，形成氢氧混合气体，当气体产生后，电池内部的压力增大，从而损坏电池结构或是逸出后遇火爆炸造成事故。因而充电的过程一方面为控制充电的时长，避免充饱后的过充问题，另一方面要控制充电的电压，避免电解水的情况发生，一般会将充电电压限制在14.7V以下。所以充电器的电源适配器一般会完成电压转换与充电时间识别计算控制的过程，使电池充满电。铅蓄电池的充电次数约为 900次，所以用了2年左右一般会建议更换铅蓄电池，如果电池性能较好及使用并不频繁，用到3-4年也是有的。当车上的发电机工作起来后，发电机在燃油发动机的带动下发电，目前的发电机内部含有电压调节控制模块 ，可以通过对发电机的磁场大小进行控制从而实现输出电压稳定在14.7V以下，达到充电又不会损坏铅蓄电池的效果。

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还有一种较常用的电池是镍氢电池，其相对于铅蓄电池可以有更多的充电次数，可以达到2000次的充放电，因而寿命上会好些。其单极的电压只有1.2V，因而更多是用于数码产品上。但其在安全性方面及充放电方面的优点，也有轿车使用这种镍氢电池作为混动能量的储存介质，典型的代表为丰田的普锐斯。在充电的原理上与铅蓄电池类似，只是对应的限制电压会低些，控制在1.45V即可充满。尽管单节电池的电压较低，但镍氢电池的功率密度可以做到铅蓄电池的5倍以上，铅蓄电池的功率密度为200瓦每千克，而镍氢电池可以做到1000瓦每千克，更高的功率密度意味着可以在相同的重量下充下更多的电以及可以更好地支持大功率放电。无论是铅蓄电池还是镍氢电池，其工作温度范围都是有上限的，一般为55度，如果高于这个温度下工作，会影响电池的寿命，而低温会影响电池的性能，使电池无法良好工作，铅蓄电池为10度，而镍氢电池为-20度。所以在低温下为了让电池正常工作，放置电池的位置往往在发动机边上的位置，可以在冬季寒冷的天气下使电池保持在较高的温度环境中。而在考虑电池充电过程时，电池本身也会发热，因而对电池的温度监测有助于判断是否要继续为电池充电，避免损坏电池。而电池在放电的过程中也会自发热，因而对电池的温度判断可以决定电池放电量的控制，通过适当地限制车速或大负荷电器的工作来减少用电需要，使电池寿命更加长些，另外一些有效的热管理也可以使电池的寿命延长。

锂蓄电池是当下最为流行的电池，无论是用于数码产品还是汽车动力系统，相比铅蓄电池与镍氢电池，它的功率密度更高，可以达到1500瓦每千克，单格电压约为4V，充电次数也可以达到千次以上，在-10到55度的范围可以正常工作，其主要的担忧点在于锂电池过充过热失效后的燃烧问题。由于锂电池中的锂是活泼金属，如果过充过热或是内部短路的话会使锂与空气发生反应，加剧失效的表现，同时动力电池一般由多个电池并联形成电池组，当单节电池短路后，关联着的其它电池会向这个失效的电池放电，从而使失效的情况恶化。通常的做法是在每个电池上加装保险丝防止失效时过大的电流通过电池。另外锂电池的容量会受到储存温度及充电电量的影响，因而在电池的使用过程中控制温度及做好电池的管理也很重要，如果锂电池过放电到2.5V以下电池就会损坏，所以在长期不使用的过程中要避免电池本身的自放电影响最终使电池亏电损坏。锂电池的充电过程也有电压限制，一般会控制在4.2V,充电过程一开始会采用1/10C的小电流进行充电，当电池的电压上到3V后，再恒流进行充电，当接近4.2V时会不断减少电流，直到充满电池。

在家里对电动汽车充电一般可以使用车厂配给的家用电源适配器进行充电，一头插到220V的电源上，另一头接到汽车的充电接口就可以了。这种充电方式受制于家庭的供电电路容量，一般都是慢充一晚上将车辆电池充好。如果有专门的充电桩，电源电路是专门设计的，可以提供150A以上的电流进行快充，在几十分钟内完成车辆电池的充电。除了这种直接接触的充电，还有无线充电的方式及换电池的方式。换电池就是通过机械操作，将车上的电池拆下来放在充电站慢慢充，现场则直接给汽车换一块新的电池就好了，时间上可以做到很快，减少车主的等待。而无线充电则是在车底下通过感应线圈接收电能，既有停车充电的方法，也有行驶中进行感应充电的方法。

最后我们来看看特斯拉做的电池吧，七千多节的电池组成的电池系统，重达900千克，提供85KWh电能，电压达到400V，额定电流630A，每个电池有保险丝，整个电池中分布有冷却装置及电池管理系统，整个电池中不但有防火材料还有坚固的外壳进行保护，配合电池管理系统软件来对电池进行监控与工作控制，使整个电动车发挥出了优异的性能。