要說新能源汽車，特別是純電汽車有什么痛點(diǎn)，首當(dāng)其沖就是補(bǔ)能慢、補(bǔ)能不夠便利。由于電池能量密度遠(yuǎn)低于汽柴油等化石燃料，電池快充技術(shù)就成為了補(bǔ)能的關(guān)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(bǔ)能的極限又在哪里？今天的三問三解，我們主聊電池快充（補(bǔ)能）那些事。
動(dòng)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(shí)間。但想要實(shí)現(xiàn)快充，還需要從輸入端（充電樁）和接收端（電池）兩個(gè)方面雙管齊下才能實(shí)現(xiàn)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(shí)內(nèi)部的鋰離子都要進(jìn)行傳輸與嵌入。鋰離子電池充電時(shí)，鋰離子從正極脫出，經(jīng)過電解液傳輸?shù)截?fù)極，并嵌入負(fù)極材料中。鋰離子轉(zhuǎn)移得越快，充電速度才能更快，快充的關(guān)鍵就是加速這個(gè)過程。
快充的極限又在哪里？
說是快充的極限，其實(shí)倒不如說是電網(wǎng)的極限。早期的充電樁，功率達(dá)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(dá)到100-200kW。而理想MEGA等車型，平均充電功率可達(dá)400kW以上，峰值充電功率更是達(dá)到了520kW。假設(shè)一臺(tái)電熱水器加熱功率3.3kW計(jì)算，一臺(tái)理想MEGA的峰值充電功率相當(dāng)于同時(shí)開啟了157臺(tái)電熱水器，這對(duì)電網(wǎng)的魯棒性提出了極高的要求。部分小區(qū)物業(yè)之所以不愿意給新能源車主裝充電樁，一個(gè)主要的原因就是充電樁屬于大功率電器，除了受到小區(qū)電容限制外，對(duì)線路的要求也極高。
當(dāng)然了，汽車充電的整個(gè)環(huán)節(jié)都是一個(gè)水桶，任何一個(gè)短板都將影響充電速度。電池材料、環(huán)境溫度、散熱措施、充電樁的技術(shù)都會(huì)影響快充。
電池方面
充電時(shí)，位于正極的鋰金屬會(huì)被氧化成鋰離子，并通過電解液和隔膜跑到負(fù)極，而放電則運(yùn)動(dòng)方向相反，所以電池的充放電可以理解成一個(gè)鋰離子在正負(fù)極之間流動(dòng)的過程。然而電池在充放電過程中，內(nèi)部存在的電阻，導(dǎo)致電池在充放電過程中產(chǎn)生能量損耗，影響電池的效率和性能。
降低電池內(nèi)阻。內(nèi)阻越小，充電時(shí)的能量損耗越少，電流通過越順暢。通過優(yōu)化電池材料和結(jié)構(gòu)，可以降低內(nèi)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(dǎo)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(tài)電解質(zhì)等，減少離子傳輸?shù)淖枇Α?/p>
優(yōu)化電極材料與結(jié)構(gòu)。如采用納米結(jié)構(gòu)、多孔材料或復(fù)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(kuò)散路徑，從而加快充電速度。
電池管理系統(tǒng)（BMS）的優(yōu)化。BMS可以實(shí)時(shí)監(jiān)測電池的狀態(tài)，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(shí)優(yōu)化充電策略以實(shí)現(xiàn)快速充電。
以寧德時(shí)代的電池技術(shù)為例，在材料技術(shù)上，將材料表面充分納米化，使陰極材料對(duì)充電信號(hào)的響應(yīng)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(chǔ)；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(diǎn)，提高鋰離子電荷交換速度和嵌入速率，加快充電進(jìn)程；改變了傳統(tǒng)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(shí)現(xiàn)電池充電速度的快速提升。比如寧德時(shí)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(dá)480kW。
然而在快充過程中，電池內(nèi)部還會(huì)產(chǎn)生大量熱量。如果熱量不能及時(shí)散發(fā)，會(huì)導(dǎo)致電池溫度升高，影響電池安全性。因此，高效的熱管理系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)快充的關(guān)鍵之一。為了滿足快充的散熱需求，傳統(tǒng)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(jìn)一步提升散熱面積，將散熱水道布置在電池兩側(cè)，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(shù)，采用冷媒直觸對(duì)電池進(jìn)行散熱，壓縮機(jī)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(tài)下使用快充會(huì)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(yīng)該均勻地嵌入到負(fù)極材料的晶格中。低溫狀態(tài)下，電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)速率會(huì)變慢，鋰離子的遷移速度也會(huì)降低。但當(dāng)充電電流過大、溫度過低，鋰離子的沉積速度會(huì)大于其嵌入速度，就會(huì)在負(fù)極表面優(yōu)先形成金屬鋰的結(jié)晶，這些結(jié)晶會(huì)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(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)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(huán)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(shù)標(biāo)準(zhǔn)。國際上常見的有CHAdeMO、CCS（Combined Charging System）等標(biāo)準(zhǔn)。CHAdeMO 標(biāo)準(zhǔn)主要由日本車企推動(dòng)，在日本和部分歐洲地區(qū)應(yīng)用較廣；CCS 標(biāo)準(zhǔn)則有 CCS1 和 CCS2 兩種類型，CCS1 主要在美國和加拿大等地區(qū)使用，CCS2 在歐洲較為常見。我國采用的是GB/T 20234系列標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)行版本為 2023 年發(fā)布的 GB/T 20234.1-2023、GB/T 20234.2-2023、GB/T 20234.3-2023。GB/T 20234對(duì)電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電用連接裝置、通信協(xié)議等進(jìn)行了規(guī)范。
如快充接口的形狀、尺寸、引腳定義以及通信協(xié)議等，確保不同品牌的充電樁和電動(dòng)汽車之間能夠?qū)崿F(xiàn)兼容和互操作性。
國標(biāo)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(dá)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(shè)計(jì)，通過電子泵驅(qū)動(dòng)冷卻液循環(huán)散熱，有效降低充電槍和線纜的發(fā)熱量。使得華為超充樁支持600kW的超大功率充電，可實(shí)現(xiàn)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(xué)電池（三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池）依然是嬌氣得很，雖然電池廠家不斷優(yōu)化材料、升級(jí)結(jié)構(gòu)，配上保溫、直冷等設(shè)備提供良好的工作環(huán)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(huì)是多少呢？
根據(jù)《汽車加油加氣站設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》（GB 50156-2021）的要求，汽油加油槍流量不應(yīng)大于50升/分鐘，實(shí)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(jì)算，加油槍的“功率”可達(dá)31225kW，即便是按照汽車發(fā)動(dòng)機(jī)45%的熱效率計(jì)算，加油槍的“功率”也高達(dá)14051kW，遠(yuǎn)超國標(biāo)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(dòng)車充電時(shí)，峰值充電功率僅能維持幾分鐘，之后就會(huì)降功率，補(bǔ)能速度只是加油槍的九牛一毛而已。
當(dāng)然民用加油站的補(bǔ)能速度只是“矮子里拔將軍”，工業(yè)用途的加油槍如火車、飛機(jī)、輪船等，流速可達(dá)500L/分鐘，F(xiàn)1賽車的加油槍流速為720L/分鐘，這樣的補(bǔ)能速度又是另外一個(gè)“維度”的存在了。加油槍補(bǔ)能速度遠(yuǎn)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。（朋月）