三問三解之：汽車快充那些事

要說新能源汽車，特別是純電汽車有什么痛點，首當其沖就是補能慢、補能不夠便利。由于電池能量密度遠低于汽柴油等化石燃料，電池快充技術就成為了補能的關鍵。那么電池快充的原理是什么？快充的極限又在哪里？汽車補能的極限又在哪里？今天的三問三解，我們主聊電池快充那些事。

動力電池快充的原理是什么？

初中物理就教過，功率=電流×電壓，想要提高充電功率，就是增大充電電流和電壓，從而縮短充電時間。但想要實現快充，還需要從輸入端和接收端(電池)兩個方面雙管齊下才能實現快充。

先來說電池這部分。目前不管是磷酸鐵鋰電池，還是三元鋰電池，充電時內部的鋰離子都要進行傳輸與嵌入。鋰離子電池充電時，鋰離子從正極脫出，經過電解液傳輸到負極，并嵌入負極材料中。鋰離子轉移得越快，充電速度才能更快，快充的關鍵就是加速這個過程。

快充的極限又在哪里？

說是快充的極限，其實倒不如說是電網的極限。早期的充電樁，功率達到60kW就可以算“快充樁”了，近些年快充的功率越大，一輛70度電池的純電汽車充電功率可以輕松達到100-200kW。而理想MEGA等車型，平均充電功率可達400kW以上，峰值充電功率更是達到了520kW。假設一臺電熱水器加熱功率3.3kW計算，一臺理想MEGA的峰值充電功率相當于同時開啟了157臺電熱水器，這對電網的魯棒性提出了極高的要求。部分小區物業之所以不愿意給新能源車主裝充電樁，一個主要的原因就是充電樁屬于大功率電器，除了受到小區電容限制外，對線路的要求也極高。

當然了，汽車充電的整個環節都是一個水桶，任何一個短板都將影響充電速度。電池材料、環境溫度、散熱措施、充電樁的技術都會影響快充。

電池方面

充電時，位于正極的鋰金屬會被氧化成鋰離子，并通過電解液和隔膜跑到負極，而放電則運動方向相反，所以電池的充放電可以理解成一個鋰離子在正負極之間流動的過程。然而電池在充放電過程中，內部存在的電阻，導致電池在充放電過程中產生能量損耗，影響電池的效率和性能。

降低電池內阻。內阻越小，充電時的能量損耗越少，電流通過越順暢。通過優化電池材料和結構，可以降低內阻，從而支持更高的充電電流。

加速離子傳輸。提高電解液的離子導電性和鋰離子遷移速度。新型電解液配方、添加特殊添加劑或采用固態電解質等，減少離子傳輸的阻力。

優化電極材料與結構。如采用納米結構、多孔材料或復合材料等，可以增加電極與電解液的接觸面積，縮短鋰離子的擴散路徑，從而加快充電速度。

電池管理系統的優化。BMS可以實時監測電池的狀態，控制充電電流和電壓，確保充電過程的安全性和高效性。在快充過程中，BMS需要精確管理電池的溫度、電壓和電流，防止過充、過熱等問題，同時優化充電策略以實現快速充電。

以寧德時代的電池技術為例，在材料技術上，將材料表面充分納米化，使陰極材料對充電信號的響應速度以及鋰離子脫出速率大幅提升，為快速充電提供了基礎；在陽極材料表面修飾多孔包覆層，提供豐富的鋰離子交換活性位點，提高鋰離子電荷交換速度和嵌入速率，加快充電進程；改變了傳統石墨材料中鋰離子嵌入方向的限制，顯著提升了充電速度；提升鋰離子在液相和界面的傳輸速度，實現電池充電速度的快速提升。比如寧德時代麒麟Ⅱ賽道專用高功率電池包，支持最高5.2C充電倍率，峰值電壓為897伏，最大充電功率可達480kW。

然而在快充過程中，電池內部還會產生大量熱量。如果熱量不能及時散發，會導致電池溫度升高，影響電池安全性。因此，高效的熱管理系統是實現快充的關鍵之一。為了滿足快充的散熱需求，傳統的方式是在電池電極處放置散熱水道來散熱，而高倍率的快充電池則進一步提升散熱面積，將散熱水道布置在電池兩側，更大的散熱面積能有效提高散熱效率。例如比亞迪的DM5.0技術，采用冷媒直觸對電池進行散熱，壓縮機的冷源直接接觸電池，散熱效率更高，保證電池溫度不超過安全閾值。

除了高溫外，電池也非常怕低溫。低溫狀態下使用快充會損傷電池，簡單而言，溫度越低，電池可承受的充電倍率越低，而磷酸鐵鋰電池尤其怕冷。

正常情況下，鋰離子應該均勻地嵌入到負極材料的晶格中。低溫狀態下，電池內部的化學反應速率會變慢，鋰離子的遷移速度也會降低。但當充電電流過大、溫度過低，鋰離子的沉積速度會大于其嵌入速度，就會在負極表面優先形成金屬鋰的結晶，這些結晶會不斷生長并相互連接，最終形成樹枝狀的鋰枝晶。這些鋰枝晶會導致電池內部的電阻增大，使電池的充放電效率降低，電池容量逐漸衰減，電池的循環壽命縮短。

充電樁

說完了電池，再來說充電樁，也就是快充技術標準。國際上常見的有CHAdeMO、CCS等標準。CHAdeMO 標準主要由日本車企推動，在日本和部分歐洲地區應用較廣；CCS 標準則有 CCS1 和 CCS2 兩種類型，CCS1 主要在美國和加拿大等地區使用，CCS2 在歐洲較為常見。我國采用的是GB/T 20234系列標準，現行版本為 2023 年發布的 GB/T 20234.1-2023、GB/T 20234.2-2023、GB/T 20234.3-2023。GB/T 20234對電動汽車傳導充電用連接裝置、通信協議等進行了規范。

如快充接口的形狀、尺寸、引腳定義以及通信協議等，確保不同品牌的充電樁和電動汽車之間能夠實現兼容和互操作性。

國標的額定電壓為DC 1500V，額定電流至DC 1000A，直流充電接口的最大充電功率上限為800kW；大功率直流充電接口最大額定功率可達900kW。

目前市面上的大功率快充樁主要有華為超充、理想5C超充等。以華為超充樁為例，采用全液冷設計，通過電子泵驅動冷卻液循環散熱，有效降低充電槍和線纜的發熱量。使得華為超充樁支持600kW的超大功率充電，可實現600A的最大充電電流，支持200V-1000V的寬電壓范圍，適配多種車型。

天下武功 唯快不破

然而，目前的化學電池依然是嬌氣得很，雖然電池廠家不斷優化材料、升級結構，配上保溫、直冷等設備提供良好的工作環境，但能量密度依然無法與化石燃料的車型相媲美。如果是加油槍，那么換算成充電功率，將會是多少呢？

根據《汽車加油加氣站設計與施工規范》的要求，汽油加油槍流量不應大于50升/分鐘，實際上加油站的加油槍流速普遍為30-50升/分鐘之間。

按照1L汽油的能量為8.9kWh，加油槍的流速為40L/分鐘計算，加油槍的“功率”可達31225kW，即便是按照汽車發動機45%的熱效率計算，加油槍的“功率”也高達14051kW，遠超國標充電樁900kW的上限，兩者相差約15倍。

而且，加油槍的流速較為恒定，不管是1分鐘還是5分鐘，流速基本都是40L/分鐘，而電動車充電時，峰值充電功率僅能維持幾分鐘，之后就會降功率，補能速度只是加油槍的九牛一毛而已。

當然民用加油站的補能速度只是“矮子里拔將軍”，工業用途的加油槍如火車、飛機、輪船等，流速可達500L/分鐘，F1賽車的加油槍流速為720L/分鐘，這樣的補能速度又是另外一個“維度”的存在了。加油槍補能速度遠高于充電樁，主要是能量密度的差異，以及不受電池充放電倍率限制。