动力电池快充技术是什么？

在过去两期中我们畅想了新能源汽车行业2017年乃至更远未来发展的几大方向，在这些潜在的热点方向中，“快充”和“换电”是被提及最多的两个关键词。但这两个名词在我们过去的内容中尚未得到详细的介绍，因此从本期起方旭资本将围绕这二者谈谈它们的发展与现状。

动力电池快充技术顾名思义是实现对新能源汽车动力电池快速充电的技术。但是这个快速充电究竟得多快？如果是要比照动辄六七个小时的慢充，那么一个小时充好电可以叫快充技术（所以用现在的直流充电桩充电，也经常被坊间称为快充），十分钟充好电也可以叫快充技术。但要真这么说，恐怕里面的差距还是大了那么一点，未免有失偏颇。

幸运的是经过了行业内专家的充分讨论，2017年起新实施的新能源汽车政策不仅首次将快充技术写入了补贴政策中，更是明确的定义了这个快充得要多快。根据《新能源汽车推广补贴方案及产品技术要求》（以下简称《补贴方案》），对快充类纯电动客车的补贴按照动力电池系统的充电倍率分为了三个等级：

3C-5C为第一档，按系统的电量享受2400元/kWh的补贴；

5C-15C为第二档，按系统电量享受3000元/kWh的补贴；

15C以上为第三档，按系统的电量享受4200元/kWh的补贴。

不难看出，按照国家补贴的定义，这个快充技术与普通充电技术的分水岭就是这个3C的充电倍率。

这里先介绍充电倍率中“C”的概念，其是电池讨论分析中最常用的术语之一。电池中的倍率缩写是Current-Rate——“AC-rate is a measure of the rate at which a battery is discharged relative toits maximum capacity. A 1C rate means that the discharge current will dischargethe entire battery in 1 hour.”倍率也就是电池在规定的时间内充入或者放出其额定容量所输出的电流值，1C表示用1个小时将电池电量放完所需要的电流大小。2C就表示0.5小时充满或放完所需要的电流大小。倍率越大，也就意味着电流越大。所以3C的充电倍率也就意味着能够得到国家补贴的快充动力电池系统的充电时间需要控制在20分钟以内，而要享受最高一级的补贴，充电时间则需要控制在4分钟以内。如果能够实现，那么毫无疑问快充新能源汽车就已经达到了可与传统汽车相比拟的续航体验。

但是要想满足这样一个快充标准在技术上却并非一件易事——就连圈内鼎鼎大名的Tesla的超级充电站快充也要花上40分钟才能充满80%。在我看来快充的难点有两个，一是电学工程上的问题，二是材料技术上的问题。

为什么说快充在电学工程上有问题呢？这是因为锂离子电池的充电过程是一个锂离子从正极脱嵌再跑到负极的空位填充进去的过程，由于一开始正极锂离子特别多，负极留给锂离子的空位很多，所以充电速度较快，而当到了充电后期则正极的锂离子数量和负极的空位数量大大减少，这样一个锂离子迁移填充的速率自然大大减慢，所以锂离子电池的充电过程往往是一个先快后慢的过程。而如果可以通过充电设备有效识别电池的充电状态，再根据充电状态来选用最佳的充电参数，那么就可以在一定程度上较单纯的恒压恒流充电提高充电效率。这也就是为什么不是电池厂商的高通、联发科、OPPO也纷纷拿出了自己的快充技术，并可以在手机市场上广泛推广的原因。

另一方面，在充电过程中，随着电流的持续通过，电池系统以及相连接的充电设备不断发热，如果发热太快，那么就容易产生危险。物理上有个焦耳定律（Q=I₂Rt，电流值I越大发热量越大，小的电阻值R可以减少焦耳发热量）来描述这样一个发热的过程，根据定律电流越大，体系的电阻越大，那么产生热量的功率也就越大。

而相比较普通充电模式，动力电池的容量是不变的，充电电压也差不多，那么既然是快充模式，充电的时间越短，那么充电的电流也就越大，如果不改变电阻，自然会更快产生更多的热量。而如果不进一步改善散热，那么产热功率的增加就会大大提高体系的温度，从而对充电过程带来危险。

对于手机快充技术来说，由于手机电池的电量较小，实际通过的电流并不大，比如高通的Quick Charge 2.0技术最大电流为3A，OPPO的VOOC技术最大电流也就4A，还在一般电线的额定电流之内，所以并不会产生大的问题。但是对于纯电动汽车的动力电池来说，情况就截然不同了。

这里我们不妨以工况里程超过400公里的Tesla Model S P85的电池组举例，该电池组功率总量85kWh，额定电压400V，如果要达到3C的充电倍率，那么充电电流需要超过600A，充电功率达到250kWh，要进一步达到第二档的6C充电倍率，那么充电电流就需要超过1200A，充电功率超过500kWh。

抛去电池本身和充电设备不谈，单就传输线的散热安全性，3C快充的导线截面积需要超过200平方毫米，而6C快充的导线截面积得要超过500平方毫米，要知道很多高压输电塔上的高压线也不过就200-300平方毫米。由此可见快充技术对于配电网的负担是极大的，这也就是为什么目前1C左右的充电桩也大多建在发电站或者变电设施附近的原因。除了对配电网进行改造使之达到快充的功率要求，另一种选择便是将快速充电设施与分布式能源相结合，从而减少对电网的负荷。

如果说快充中的电学工程问题是它的外部问题，那么快充中的材料技术问题就是它的内在问题。输出倍率是动力电池支持电动机工作的重要参数，就目前主要的动力电池来看，其充电倍率均能达到0.5C以上，所以要将电动汽车充电时间由六七个小时降低至一两个小时完全在大多数电池的性能范围内，只要充电设施的输出功率允许就可以，远未达到要拼电池倍率的程度。

但要想进一步缩短充电时间，如果不对电池本身的内功做出改进，而只是提高充电设施的输出功率，那么不仅容易因为发热产生危险，而且还会因为锂扩散速度慢和副反应增加的问题使得电池的能量密度和循环性能大打折扣。如果电池想要快充，那么其功率（倍率）相关性能的要求也就更高，而正如刚才提过的，要想功率高就要解决锂扩散速度和电池内部的发热两个问题。

对于快充时的电池发热，解决问题的核心在于减少内阻，那么添加更多的导电剂或选用更低阻的高孔隙率隔膜等就是比较可行的方法；对于锂扩散问题，解决方案既可以是用碳包覆等手段改性电极材料使其锂扩散系数增加甚至换用更高锂扩散系数的电极材料，也可以是通过涂布更薄的电极让锂离子传质扩散的距离变短。根据上述设计思路设计出的快充电池就是所谓的功率型电池，其内阻小，充电发热量低，副反应更少，安全性能更好。通俗的讲就是快充时，功率型电池比起一般的能量型电池发热更少，电池内部升温少，最后充进去的电也更多。

但是就快充技术的现状来看鱼与熊掌不可兼得，功率型电池在提高倍率的同时往往会引起能量密度的下降，而且部分功率型电池的设计理念就与追求能量密度等目标有所冲突，比如说靠减少涂布时的电极厚度虽然可以缩短锂离子扩散距离，但也意味着单层电极材料量的减少，电池的能量密度自然也会大打折扣。

所以这要不要快充，真到了汽车上，我们还要综合汽车的用途来权衡一番是要能量密度还是要倍率。对于行程比较固定的客车，行驶线路都会根据续航里程得到合理的设计，所以这能量密度并不那么重要，反倒为了增加客车的利用效率需要尽可能地缩短充电时间，这也就是为什么《补贴方案》仅在纯电动客车领域增加了对快充技术的补贴而没有提及乘用车的原因。

综上所述，动力电池的快充技术包括两个方面：一是电学工程设计的问题，既要使充电设备的充电策略与电池本身特性相适应，也要使充电设备的输出功率和配电网相适应；二是电池中的材料技术问题，快充需要尽可能减小电池的内阻和减少锂离子的扩散时间，从而增大电池的倍率。

就充电设施和动力电池的发展现状看，目前快充的短板并不在动力电池上——微宏动力和珠海银隆给出的产品技术参数已经达到了3C的倍率要求，而诸如CATL等其他一线厂商也有实现快充的技术实力，只要使用钛酸锂等负极材料，再多牺牲一些能量密度，电池系统的设计更加偏重于功率化一些，更上一层楼接近10C并不是梦。但要想把这一电池系统的倍率实现为电动汽车的充电速度，充电桩的输出功率却并非一般配电网所能够承载，所以使这二者相匹配才是快充技术的实际难点。

为了解决充电功率过大问题，充电设施要么得选址在发电设施附近，要么就要进行充电设施+分布式电源的组合。而以光伏为代表的新能源，正是这一分布式电源的第一选择。因此对于甚至不惜违背市场意愿也要推动Tesla和Solarcity合并的Elon Musk，也许他是真的看到了超级充电站与光伏相结合的未来与商机。

参考资料：

1、第一电动，“光说几分钟充满，其它性能都不说的快充技术，都是耍流氓”，http://www.d1ev.com/44565.html

查看相关精彩话题：

7、动力电池的安全之盾——BMS（电池管理系统）

8、专业才能为王——BMS现状与竞争关键

9、主动还是被动——从科列技术谈起