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要说新能源汽(qi)车，特别是纯电汽(qi)车有什么痛点，首当其冲就是补能慢、补能不够(gou)便利。由于电池(shi)能量(liang)密度远(yuan)低于汽(qi)柴油等化石燃料，电池(shi)快(kuai)充技术就成为了补能的关键。那么电池(shi)快(kuai)充的原理是什么？快(kuai)充的极限又在(zai)哪里？汽(qi)车补能的极限又在(zai)哪里？今天的三问(wen)三解，我们主聊电池(shi)快(kuai)充（补能）那些事。
动力电池(shi)快(kuai)充的原理是什么？
初中物理就教过，功率=电流(liu)×电压，想要提高充电功率，就是增大充电电流(liu)和电压，从而缩(suo)短(duan)充电时间。但想要实现快(kuai)充，还需要从输入端(duan)（充电桩(zhuang)）和接收端(duan)（电池(shi)）两(liang)个方面双管(guan)齐下才(cai)能实现快(kuai)充。
先来说电池(shi)这部分。目前不管(guan)是磷酸铁锂(li)电池(shi)，还是三元锂(li)电池(shi)，充电时内部的锂(li)离子都要进行传(chuan)输与嵌入。锂(li)离子电池(shi)充电时，锂(li)离子从正极脱出(chu)，经过电解液传(chuan)输到负极，并嵌入负极材料中。锂(li)离子转移得越快(kuai)，充电速度才(cai)能更快(kuai)，快(kuai)充的关键就是加速这个过程。
快(kuai)充的极限又在(zai)哪里？
说是快(kuai)充的极限，其实倒不如说是电网的极限。早期的充电桩(zhuang)，功率达到60kW就可以算“快(kuai)充桩(zhuang)”了，近些年(nian)快(kuai)充的功率越大，一辆(liang)70度电池(shi)的纯电汽(qi)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(shang)，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(xing)提出(chu)了极高的要求。部分小区物业(ye)之所以不愿意给(gei)新能源车主装充电桩(zhuang)，一个主要的原因就是充电桩(zhuang)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(qi)车充电的整个环节都是一个水桶，任何一个短(duan)板都将影响充电速度。电池(shi)材料、环境温度、散热措施、充电桩(zhuang)的技术都会(hui)影响快(kuai)充。
电池(shi)方面
充电时，位于正极的锂(li)金属会(hui)被氧化成锂(li)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(shi)的充放电可以理解成一个锂(li)离子在(zai)正负极之间流(liu)动的过程。然而电池(shi)在(zai)充放电过程中，内部存在(zai)的电阻，导致电池(shi)在(zai)充放电过程中产生能量(liang)损(sun)耗，影响电池(shi)的效率和性(xing)能。
降低电池(shi)内阻。内阻越小，充电时的能量(liang)损(sun)耗越少，电流(liu)通过越顺畅。通过优化电池(shi)材料和结构，可以降低内阻，从而支持(chi)更高的充电电流(liu)。
加速离子传(chuan)输。提高电解液的离子导电性(xing)和锂(li)离子迁移速度。新型电解液配方、添加特殊添加剂或(huo)采用固态电解质等，减少离子传(chuan)输的阻力。
优化电极材料与结构。如采用纳米结构、多(duo)孔材料或(huo)复合材料等，可以增加电极与电解液的接触面积，缩(suo)短(duan)锂(li)离子的扩散路径，从而加快(kuai)充电速度。
电池(shi)管(guan)理系统（BMS）的优化。BMS可以实时监测电池(shi)的状态，控制充电电流(liu)和电压，确保充电过程的安全性(xing)和高效性(xing)。在(zai)快(kuai)充过程中，BMS需要精确管(guan)理电池(shi)的温度、电压和电流(liu)，防止过充、过热等问(wen)题，同时优化充电策略(lue)以实现快(kuai)速充电。
以宁德时代的电池(shi)技术为例，在(zai)材料技术上(shang)，将材料表面充分纳米化，使阴(yin)极材料对充电信号的响应速度以及锂(li)离子脱出(chu)速率大幅提升，为快(kuai)速充电提供了基础；在(zai)阳(yang)极材料表面修饰(shi)多(duo)孔包覆层，提供丰富的锂(li)离子交换活性(xing)位点，提高锂(li)离子电荷交换速度和嵌入速率，加快(kuai)充电进程；改变了传(chuan)统石墨材料中锂(li)离子嵌入方向的限制，显著提升了充电速度；提升锂(li)离子在(zai)液相和界面的传(chuan)输速度，实现电池(shi)充电速度的快(kuai)速提升。比如宁德时代麒麟Ⅱ赛道专用高功率电池(shi)包，支持(chi)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(zai)快(kuai)充过程中，电池(shi)内部还会(hui)产生大量(liang)热量(liang)。如果热量(liang)不能及时散发，会(hui)导致电池(shi)温度升高，影响电池(shi)安全性(xing)。因此，高效的热管(guan)理系统是实现快(kuai)充的关键之一。为了满足快(kuai)充的散热需求，传(chuan)统的方式是在(zai)电池(shi)电极处放置散热水道来散热，而高倍率的快(kuai)充电池(shi)则进一步提升散热面积，将散热水道布置在(zai)电池(shi)两(liang)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(shi)进行散热，压缩(suo)机的冷源直接接触电池(shi)，散热效率更高，保证电池(shi)温度不超过安全阈值。
除了高温外，电池(shi)也非常怕低温。低温状态下使用快(kuai)充会(hui)损(sun)伤电池(shi)，简单(dan)而言，温度越低，电池(shi)可承受的充电倍率越低，而磷酸铁锂(li)电池(shi)尤其怕冷。
正常情况下，锂(li)离子应该均匀地嵌入到负极材料的晶(jing)格中。低温状态下，电池(shi)内部的化学反应速率会(hui)变慢，锂(li)离子的迁移速度也会(hui)降低。但当充电电流(liu)过大、温度过低，锂(li)离子的沉积速度会(hui)大于其嵌入速度，就会(hui)在(zai)负极表面优先形(xing)成金属锂(li)的结晶(jing)，这些结晶(jing)会(hui)不断生长并相互连接，最终形(xing)成树枝状的锂(li)枝晶(jing)。这些锂(li)枝晶(jing)会(hui)导致电池(shi)内部的电阻增大，使电池(shi)的充放电效率降低，电池(shi)容量(liang)逐渐衰减，电池(shi)的循环寿命缩(suo)短(duan)。
充电桩(zhuang)
说完了电池(shi)，再来说充电桩(zhuang)，也就是快(kuai)充技术标(biao)准。国(guo)际上(shang)常见的有CHAdeMO、CCS（Combined Charging System）等标(biao)准。CHAdeMO 标(biao)准主要由日本车企推动，在(zai)日本和部分欧洲(zhou)地区应用较(jiao)广；CCS 标(biao)准则有 CCS1 和 CCS2 两(liang)种类(lei)型，CCS1 主要在(zai)美国(guo)和加拿大等地区使用，CCS2 在(zai)欧洲(zhou)较(jiao)为常见。我国(guo)采用的是GB/T 20234系列标(biao)准，现行版本为 2023 年(nian)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(qi)车传(chuan)导充电用连接装置、通信协议等进行了规范。
如快(kuai)充接口的形(xing)状、尺寸(cun)、引脚定义以及通信协议等，确保不同品牌的充电桩(zhuang)和电动汽(qi)车之间能够(gou)实现兼容和互操作性(xing)。
国(guo)标(biao)的额定电压为DC 1500V，额定电流(liu)至DC 1000A，直流(liu)充电接口的最大充电功率上(shang)限为800kW；大功率直流(liu)充电接口最大额定功率可达900kW。
目前市面上(shang)的大功率快(kuai)充桩(zhuang)主要有华为超充、理想5C超充等。以华为超充桩(zhuang)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(liang)。使得华为超充桩(zhuang)支持(chi)600kW的超大功率充电，可实现600A的最大充电电流(liu)，支持(chi)200V-1000V的宽电压范围，适(shi)配多(duo)种车型。
天下武功 唯快(kuai)不破
然而，目前的化学电池(shi)（三元锂(li)电池(shi)、磷酸铁锂(li)电池(shi)）依然是娇气得很，虽然电池(shi)厂家不断优化材料、升级结构，配上(shang)保温、直冷等设备提供良好的工作环境，但能量(liang)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(hui)是多(duo)少呢？
根据《汽(qi)车加油加气站设计与施工规范》（GB 50156-2021）的要求，汽(qi)油加油枪流(liu)量(liang)不应大于50升/分钟，实际上(shang)加油站的加油枪流(liu)速普遍为30-50升/分钟之间。
按照(zhao)1L汽(qi)油的能量(liang)为8.9kWh，加油枪的流(liu)速为40L/分钟计算，加油枪的“功率”可达31225kW，即便是按照(zhao)汽(qi)车发动机45%的热效率计算，加油枪的“功率”也高达14051kW，远(yuan)超国(guo)标(biao)充电桩(zhuang)900kW的上(shang)限，两(liang)者相差约15倍。
而且，加油枪的流(liu)速较(jiao)为恒定，不管(guan)是1分钟还是5分钟，流(liu)速基本都是40L/分钟，而电动车充电时，峰值充电功率仅能维(wei)持(chi)几分钟，之后就会(hui)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(ye)用途的加油枪如火车、飞机、轮(lun)船等，流(liu)速可达500L/分钟，F1赛车的加油枪流(liu)速为720L/分钟，这样的补能速度又是另外一个“维(wei)度”的存在(zai)了。加油枪补能速度远(yuan)高于充电桩(zhuang)，主要是能量(liang)密度的差异(yi)，以及不受电池(shi)充放电倍率限制。（朋月）