三问三解之：汽车快充那些事

要说新能源汽车，特别是纯电汽车有什么痛点，首当其冲就是补能慢、补能不够便利。由于电池能量密度远低于汽柴油等化石燃料，电池快充技术就成为了补能的关键。那么电池快充的原理是什么？快充的极限又在哪里？汽车补能的极限又在哪里？今天的三问三解，我们主聊电池快充那些事。

动力电池快充的原理是什么？

初中物理就教过，功率=电流×电压，想要提高充电功率，就是增大充电电流和电压，从而缩短充电时间。但想要实现快充，还需要从输入端和接收端(电池)两个方面双管齐下才能实现快充。

先来说电池这部分。目前不管是磷酸铁锂电池，还是三元锂电池，充电时内部的锂离子都要进行传输与嵌入。锂离子电池充电时，锂离子从正极脱出，经过电解液传输到负极，并嵌入负极材料中。锂离子转移得越快，充电速度才能更快，快充的关键就是加速这个过程。

快充的极限又在哪里？

说是快充的极限，其实倒不如说是电网的极限。早期的充电桩，功率达到60kW就可以算“快充桩”了，近些年快充的功率越大，一辆70度电池的纯电汽车充电功率可以轻松达到100-200kW。而理想MEGA等车型，平均充电功率可达400kW以上，峰值充电功率更是达到了520kW。假设一台电热水器加热功率3.3kW计算，一台理想MEGA的峰值充电功率相当于同时开启了157台电热水器，这对电网的鲁棒性提出了极高的要求。部分小区物业之所以不愿意给新能源车主装充电桩，一个主要的原因就是充电桩属于大功率电器，除了受到小区电容限制外，对线路的要求也极高。

当然了，汽车充电的整个环节都是一个水桶，任何一个短板都将影响充电速度。电池材料、环境温度、散热措施、充电桩的技术都会影响快充。

电池方面

充电时，位于正极的锂金属会被氧化成锂离子，并通过电解液和隔膜跑到负极，而放电则运动方向相反，所以电池的充放电可以理解成一个锂离子在正负极之间流动的过程。然而电池在充放电过程中，内部存在的电阻，导致电池在充放电过程中产生能量损耗，影响电池的效率和性能。

降低电池内阻。内阻越小，充电时的能量损耗越少，电流通过越顺畅。通过优化电池材料和结构，可以降低内阻，从而支持更高的充电电流。

加速离子传输。提高电解液的离子导电性和锂离子迁移速度。新型电解液配方、添加特殊添加剂或采用固态电解质等，减少离子传输的阻力。

优化电极材料与结构。如采用纳米结构、多孔材料或复合材料等，可以增加电极与电解液的接触面积，缩短锂离子的扩散路径，从而加快充电速度。

电池管理系统的优化。BMS可以实时监测电池的状态，控制充电电流和电压，确保充电过程的安全性和高效性。在快充过程中，BMS需要精确管理电池的温度、电压和电流，防止过充、过热等问题，同时优化充电策略以实现快速充电。

以宁德时代的电池技术为例，在材料技术上，将材料表面充分纳米化，使阴极材料对充电信号的响应速度以及锂离子脱出速率大幅提升，为快速充电提供了基础；在阳极材料表面修饰多孔包覆层，提供丰富的锂离子交换活性位点，提高锂离子电荷交换速度和嵌入速率，加快充电进程；改变了传统石墨材料中锂离子嵌入方向的限制，显著提升了充电速度；提升锂离子在液相和界面的传输速度，实现电池充电速度的快速提升。比如宁德时代麒麟Ⅱ赛道专用高功率电池包，支持最高5.2C充电倍率，峰值电压为897伏，最大充电功率可达480kW。

然而在快充过程中，电池内部还会产生大量热量。如果热量不能及时散发，会导致电池温度升高，影响电池安全性。因此，高效的热管理系统是实现快充的关键之一。为了满足快充的散热需求，传统的方式是在电池电极处放置散热水道来散热，而高倍率的快充电池则进一步提升散热面积，将散热水道布置在电池两侧，更大的散热面积能有效提高散热效率。例如比亚迪的DM5.0技术，采用冷媒直触对电池进行散热，压缩机的冷源直接接触电池，散热效率更高，保证电池温度不超过安全阈值。

除了高温外，电池也非常怕低温。低温状态下使用快充会损伤电池，简单而言，温度越低，电池可承受的充电倍率越低，而磷酸铁锂电池尤其怕冷。

正常情况下，锂离子应该均匀地嵌入到负极材料的晶格中。低温状态下，电池内部的化学反应速率会变慢，锂离子的迁移速度也会降低。但当充电电流过大、温度过低，锂离子的沉积速度会大于其嵌入速度，就会在负极表面优先形成金属锂的结晶，这些结晶会不断生长并相互连接，最终形成树枝状的锂枝晶。这些锂枝晶会导致电池内部的电阻增大，使电池的充放电效率降低，电池容量逐渐衰减，电池的循环寿命缩短。

充电桩

说完了电池，再来说充电桩，也就是快充技术标准。国际上常见的有CHAdeMO、CCS等标准。CHAdeMO 标准主要由日本车企推动，在日本和部分欧洲地区应用较广；CCS 标准则有 CCS1 和 CCS2 两种类型，CCS1 主要在美国和加拿大等地区使用，CCS2 在欧洲较为常见。我国采用的是GB/T 20234系列标准，现行版本为 2023 年发布的 GB/T 20234.1-2023、GB/T 20234.2-2023、GB/T 20234.3-2023。GB/T 20234对电动汽车传导充电用连接装置、通信协议等进行了规范。

如快充接口的形状、尺寸、引脚定义以及通信协议等，确保不同品牌的充电桩和电动汽车之间能够实现兼容和互操作性。

国标的额定电压为DC 1500V，额定电流至DC 1000A，直流充电接口的最大充电功率上限为800kW；大功率直流充电接口最大额定功率可达900kW。

目前市面上的大功率快充桩主要有华为超充、理想5C超充等。以华为超充桩为例，采用全液冷设计，通过电子泵驱动冷却液循环散热，有效降低充电枪和线缆的发热量。使得华为超充桩支持600kW的超大功率充电，可实现600A的最大充电电流，支持200V-1000V的宽电压范围，适配多种车型。

天下武功 唯快不破

然而，目前的化学电池依然是娇气得很，虽然电池厂家不断优化材料、升级结构，配上保温、直冷等设备提供良好的工作环境，但能量密度依然无法与化石燃料的车型相媲美。如果是加油枪，那么换算成充电功率，将会是多少呢？

根据《汽车加油加气站设计与施工规范》的要求，汽油加油枪流量不应大于50升/分钟，实际上加油站的加油枪流速普遍为30-50升/分钟之间。

按照1L汽油的能量为8.9kWh，加油枪的流速为40L/分钟计算，加油枪的“功率”可达31225kW，即便是按照汽车发动机45%的热效率计算，加油枪的“功率”也高达14051kW，远超国标充电桩900kW的上限，两者相差约15倍。

而且，加油枪的流速较为恒定，不管是1分钟还是5分钟，流速基本都是40L/分钟，而电动车充电时，峰值充电功率仅能维持几分钟，之后就会降功率，补能速度只是加油枪的九牛一毛而已。

当然民用加油站的补能速度只是“矮子里拔将军”，工业用途的加油枪如火车、飞机、轮船等，流速可达500L/分钟，F1赛车的加油枪流速为720L/分钟，这样的补能速度又是另外一个“维度”的存在了。加油枪补能速度远高于充电桩，主要是能量密度的差异，以及不受电池充放电倍率限制。