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要(yao)说新能(neng)源汽车，特别是纯电汽车有什么(me)痛点，首当其冲就是补能(neng)慢、补能(neng)不够便利。由于电池(shi)能(neng)量密度远低于汽柴油等化石燃(ran)料，电池(shi)快(kuai)充(chong)技术就成为(wei)了补能(neng)的关键。那么(me)电池(shi)快(kuai)充(chong)的原理是什么(me)？快(kuai)充(chong)的极限又(you)在哪里？汽车补能(neng)的极限又(you)在哪里？今天的三(san)问三(san)解，我们主聊电池(shi)快(kuai)充(chong)（补能(neng)）那些事。
动力电池(shi)快(kuai)充(chong)的原理是什么(me)？
初中物理就教过，功率=电流×电压，想要(yao)提(ti)高充(chong)电功率，就是增大充(chong)电电流和电压，从而缩短(duan)充(chong)电时间。但想要(yao)实(shi)现快(kuai)充(chong)，还需要(yao)从输入端（充(chong)电桩）和接收端（电池(shi)）两个(ge)方面双管齐下才能(neng)实(shi)现快(kuai)充(chong)。
先来说电池(shi)这部分。目前不管是磷(lin)酸铁锂电池(shi)，还是三(san)元锂电池(shi)，充(chong)电时内部的锂离子都要(yao)进(jin)行传输与嵌入。锂离子电池(shi)充(chong)电时，锂离子从正极脱出，经过电解液传输到负(fu)极，并嵌入负(fu)极材(cai)料中。锂离子转移得越快(kuai)，充(chong)电速度才能(neng)更快(kuai)，快(kuai)充(chong)的关键就是加速这个(ge)过程(cheng)。
快(kuai)充(chong)的极限又(you)在哪里？
说是快(kuai)充(chong)的极限，其实(shi)倒(dao)不如说是电网的极限。早期的充(chong)电桩，功率达到60kW就可以算“快(kuai)充(chong)桩”了，近(jin)些年快(kuai)充(chong)的功率越大，一辆70度电池(shi)的纯电汽车充(chong)电功率可以轻松达到100-200kW。而理想MEGA等车型，平均充(chong)电功率可达400kW以上，峰(feng)值充(chong)电功率更是达到了520kW。假设一台(tai)电热(re)水器加热(re)功率3.3kW计算，一台(tai)理想MEGA的峰(feng)值充(chong)电功率相(xiang)当于同时开启了157台(tai)电热(re)水器，这对电网的鲁棒性提(ti)出了极高的要(yao)求。部分小区物业之所以不愿意给新能(neng)源车主装充(chong)电桩，一个(ge)主要(yao)的原因就是充(chong)电桩属于大功率电器，除了受(shou)到小区电容限制外，对线(xian)路的要(yao)求也极高。
当然了，汽车充(chong)电的整个(ge)环节都是一个(ge)水桶，任何一个(ge)短(duan)板都将影(ying)响充(chong)电速度。电池(shi)材(cai)料、环境温度、散热(re)措施、充(chong)电桩的技术都会影(ying)响快(kuai)充(chong)。
电池(shi)方面
充(chong)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(fu)极，而放电则运(yun)动方向相(xiang)反(fan)，所以电池(shi)的充(chong)放电可以理解成一个(ge)锂离子在正负(fu)极之间流动的过程(cheng)。然而电池(shi)在充(chong)放电过程(cheng)中，内部存在的电阻(zu)，导致电池(shi)在充(chong)放电过程(cheng)中产生(sheng)能(neng)量损耗，影(ying)响电池(shi)的效率和性能(neng)。
降低电池(shi)内阻(zu)。内阻(zu)越小，充(chong)电时的能(neng)量损耗越少，电流通过越顺畅(chang)。通过优化电池(shi)材(cai)料和结(jie)构，可以降低内阻(zu)，从而支持更高的充(chong)电电流。
加速离子传输。提(ti)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(tai)电解质等，减少离子传输的阻(zu)力。
优化电极材(cai)料与结(jie)构。如采用纳米(mi)结(jie)构、多(duo)孔材(cai)料或复合材(cai)料等，可以增加电极与电解液的接触面积，缩短(duan)锂离子的扩散路径，从而加快(kuai)充(chong)电速度。
电池(shi)管理系(xi)统（BMS）的优化。BMS可以实(shi)时监测电池(shi)的状态(tai)，控制充(chong)电电流和电压，确保充(chong)电过程(cheng)的安全(quan)性和高效性。在快(kuai)充(chong)过程(cheng)中，BMS需要(yao)精确管理电池(shi)的温度、电压和电流，防止过充(chong)、过热(re)等问题，同时优化充(chong)电策略以实(shi)现快(kuai)速充(chong)电。
以宁德时代的电池(shi)技术为(wei)例，在材(cai)料技术上，将材(cai)料表面充(chong)分纳米(mi)化，使阴极材(cai)料对充(chong)电信号的响应速度以及锂离子脱出速率大幅提(ti)升，为(wei)快(kuai)速充(chong)电提(ti)供了基(ji)础；在阳极材(cai)料表面修饰多(duo)孔包覆层，提(ti)供丰富的锂离子交换活性位点，提(ti)高锂离子电荷交换速度和嵌入速率，加快(kuai)充(chong)电进(jin)程(cheng)；改变了传统石墨材(cai)料中锂离子嵌入方向的限制，显著提(ti)升了充(chong)电速度；提(ti)升锂离子在液相(xiang)和界(jie)面的传输速度，实(shi)现电池(shi)充(chong)电速度的快(kuai)速提(ti)升。比如宁德时代麒麟Ⅱ赛道专用高功率电池(shi)包，支持最高5.2C充(chong)电倍率，峰(feng)值电压为(wei)897伏，最大充(chong)电功率可达480kW。
然而在快(kuai)充(chong)过程(cheng)中，电池(shi)内部还会产生(sheng)大量热(re)量。如果(guo)热(re)量不能(neng)及时散发，会导致电池(shi)温度升高，影(ying)响电池(shi)安全(quan)性。因此，高效的热(re)管理系(xi)统是实(shi)现快(kuai)充(chong)的关键之一。为(wei)了满足快(kuai)充(chong)的散热(re)需求，传统的方式是在电池(shi)电极处放置散热(re)水道来散热(re)，而高倍率的快(kuai)充(chong)电池(shi)则进(jin)一步提(ti)升散热(re)面积，将散热(re)水道布置在电池(shi)两侧(ce)，更大的散热(re)面积能(neng)有效提(ti)高散热(re)效率。例如比亚迪的DM5.0技术，采用冷媒(mei)直触对电池(shi)进(jin)行散热(re)，压缩机的冷源直接接触电池(shi)，散热(re)效率更高，保证电池(shi)温度不超过安全(quan)阈值。
除了高温外，电池(shi)也非常怕(pa)低温。低温状态(tai)下使用快(kuai)充(chong)会损伤电池(shi)，简单(dan)而言(yan)，温度越低，电池(shi)可承受(shou)的充(chong)电倍率越低，而磷(lin)酸铁锂电池(shi)尤其怕(pa)冷。
正常情况下，锂离子应该均匀地(di)嵌入到负(fu)极材(cai)料的晶格中。低温状态(tai)下，电池(shi)内部的化学反(fan)应速率会变慢，锂离子的迁移速度也会降低。但当充(chong)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(fu)极表面优先形成金属锂的结(jie)晶，这些结(jie)晶会不断生(sheng)长并相(xiang)互连接，最终形成树枝状的锂枝晶。这些锂枝晶会导致电池(shi)内部的电阻(zu)增大，使电池(shi)的充(chong)放电效率降低，电池(shi)容量逐渐衰减，电池(shi)的循(xun)环寿命缩短(duan)。
充(chong)电桩
说完了电池(shi)，再来说充(chong)电桩，也就是快(kuai)充(chong)技术标准。国际(ji)上常见的有CHAdeMO、CCS（Combined Charging System）等标准。CHAdeMO 标准主要(yao)由日本车企(qi)推动，在日本和部分欧洲地(di)区应用较广；CCS 标准则有 CCS1 和 CCS2 两种类型，CCS1 主要(yao)在美(mei)国和加拿(na)大等地(di)区使用，CCS2 在欧洲较为(wei)常见。我国采用的是GB/T 20234系(xi)列标准，现行版本为(wei) 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(chong)电用连接装置、通信协(xie)议等进(jin)行了规范(fan)。
如快(kuai)充(chong)接口的形状、尺寸、引脚定义以及通信协(xie)议等，确保不同品牌的充(chong)电桩和电动汽车之间能(neng)够实(shi)现兼容和互操作性。
国标的额定电压为(wei)DC 1500V，额定电流至DC 1000A，直流充(chong)电接口的最大充(chong)电功率上限为(wei)800kW；大功率直流充(chong)电接口最大额定功率可达900kW。
目前市(shi)面上的大功率快(kuai)充(chong)桩主要(yao)有华为(wei)超充(chong)、理想5C超充(chong)等。以华为(wei)超充(chong)桩为(wei)例，采用全(quan)液冷设计，通过电子泵驱动冷却液循(xun)环散热(re)，有效降低充(chong)电枪和线(xian)缆的发热(re)量。使得华为(wei)超充(chong)桩支持600kW的超大功率充(chong)电，可实(shi)现600A的最大充(chong)电电流，支持200V-1000V的宽电压范(fan)围，适配多(duo)种车型。
天下武功 唯快(kuai)不破
然而，目前的化学电池(shi)（三(san)元锂电池(shi)、磷(lin)酸铁锂电池(shi)）依然是娇气得很，虽然电池(shi)厂家(jia)不断优化材(cai)料、升级结(jie)构，配上保温、直冷等设备提(ti)供良好的工作环境，但能(neng)量密度依然无法(fa)与化石燃(ran)料的车型相(xiang)媲美(mei)。如果(guo)是加油枪，那么(me)换算成充(chong)电功率，将会是多(duo)少呢？
根(gen)据(ju)《汽车加油加气站(zhan)设计与施工规范(fan)》（GB 50156-2021）的要(yao)求，汽油加油枪流量不应大于50升/分钟，实(shi)际(ji)上加油站(zhan)的加油枪流速普遍为(wei)30-50升/分钟之间。
按照1L汽油的能(neng)量为(wei)8.9kWh，加油枪的流速为(wei)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(re)效率计算，加油枪的“功率”也高达14051kW，远超国标充(chong)电桩900kW的上限，两者(zhe)相(xiang)差约(yue)15倍。
而且，加油枪的流速较为(wei)恒定，不管是1分钟还是5分钟，流速基(ji)本都是40L/分钟，而电动车充(chong)电时，峰(feng)值充(chong)电功率仅能(neng)维持几分钟，之后就会降功率，补能(neng)速度只是加油枪的九牛一毛而已。
当然民用加油站(zhan)的补能(neng)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(wei)720L/分钟，这样的补能(neng)速度又(you)是另外一个(ge)“维度”的存在了。加油枪补能(neng)速度远高于充(chong)电桩，主要(yao)是能(neng)量密度的差异，以及不受(shou)电池(shi)充(chong)放电倍率限制。（朋月）