一文读懂动力电池快充技术

2021-12-31 来源：未知

前言：日本东芝公司日前宣布开发出新一代电动车专用锂电池，快充仅需6分钟。与一般采用石墨作为负极材料的锂电池不同，这种锂电池使用钛铌氧化物作为负极材料，具有能量密度高、可超快速充电等特性。传统电动车锂电池快充30分钟也只能充到约80%的电量，新一代锂电池快充仅需6分钟就能充到90%的电量，且在零下10度的低温环境下仍能快速充电。

现如今电动汽车如火如荼的发展，随着动力电池能量密度的不断提升和成本的不断降低，电动汽车的续航里程也在不断增加。而与普通燃油车相比，燃油车补充燃料简单快捷，大街小巷到处都可以补充，电动汽车如果想真正实现与燃油车体验接近，缩短充电时间、提高续航里程和充电的便利性是不可回避的话题。

如何实现“充电五分钟，行驶两小时“呢？今天我们来了解下动力电池快充技术。

首先动力电池是个什么？

纯电动汽车中动力电池作为汽车唯一的动力来源，电池电能的高低决定了电动汽车的行驶里程。提高动力电池组电能的方法有两种：采用高容量的电芯，使用更多的电芯。一般电芯容量越高，成本也越高。因此优化电池组的结构，尽量使用更多的电芯成为整车厂设计过程需要考虑的重要因素。

一辆汽车的动力由多个电池单体组成。将其进行串联、并联，加上一些诸如控制单元、采集系统、冷却系统等就构成了一个完整的动力电池。

比如网红特斯拉电动汽车的电池模组就由18650块电池组成

整个动力系统一般由电池盖，正负极，隔膜，有机电解液，电池壳等组成。

目前，各大电动汽车企业使用的比较盛行的动力电池类型主要有两种，一是磷酸铁锂电池，二是三元锂电池。然而不论是哪一种电池，其充电的过程大致可以以下四个阶段，即恒流充电阶段、恒压充电阶段、充满阶段、浮充充电阶段。

在恒流充电阶段，充电电流保持恒定，充入电量快速增加，电池电压也随之上升。到了恒压充电阶段，顾名思义，充电电压会保持恒定，虽然充入电量会继续增加，但是电池电压上升缓慢，充电电流也会下降。到了电池充满阶段，充电电流下降到低于浮充转换电流，充电器充电电压降低到浮充电压。在浮充充电阶段，充电电压会保持为浮充电压。

锂离子电池的充放电过程，就是锂离子的嵌入和脱嵌过程。在锂离子的嵌入和脱嵌过程中，同时伴随着与锂离子等当量电子的嵌入和脱嵌（习惯上正极用嵌入或脱嵌表示，而负极用插入或脱插表示）。在整个充电过程中，正极上的电子会通过外部电路跑到负极上，正锂离子Li+从正极穿过电解液，穿过隔膜材料，最终到达负极，并在此停留与“驻地”的电子结合在一起，被还原成Li镶嵌在负极的碳素材料中。资料显示，作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，达到负极的锂离子嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量也就越高。

相反，当电池放电时（即使用电池的过程），镶嵌在负极碳素材料中的Li失去电子，负极上的电子通过外部电路“运动”到正极上，正锂离子Li+从负极越过电解液，越过隔膜材料，到达正极，并与“驻地”的电子电子结合在一起。同样，返回正极的锂离子越多，放电的容量也就越高。

那么什么是动力电池快充技术呢？

要理解快充，一个专业术语是逃脱不掉的。C!C是什么?C指的是充电倍率，可以简单理解为充、放电的速率。锂离子电池的充放电倍率，决定了我们可以以多快的速度，将一定的能量存储到电池里面，或者以多快的速度，将电池里面的能量释放出来。

举个例子，1C的电流，从满电到放电完全是用1/1=1小时;2C=1/2小时，也就是30分钟；4C，则耗时15分钟。

快充和慢充是相对的概念。业界普遍认为，电动汽车快充是指充电电流大于1.6C的充电方式，也就是从0%充电到80%时间小于30分钟的技术。

充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，以供到达负极的锂离子嵌入。嵌入的锂离子越多，充电容量越高。

快充时，锂离子需要加速瞬时嵌入到负极。这对负极的快速接收锂离子的能力挑战很大。普通化学体系的电池在快充时负极会出现副产物，影响电芯的循环和稳定性。

所以，锂电池快充的技术的核心就是在不影响电芯寿命和可靠性的前提下，通过化学体系和设计优化，加速锂离子在正负极移动的速度。

锂离子在正/负极的扩散和移动，跟百米赛跑一样。我们希望跑道要足够的宽，不要相互拥挤。如何拓宽通道呢？我们以宁德时代“快离子环“为例来讲解。”快离子环“是在负极石墨表面打造一圈高速跑道，极大地加快锂离子在石墨层的嵌入，修饰后的石墨兼顾超级快充和高能量密度的特性。

快充时负极不再出现副产物，大大提高锂离子在石墨层的嵌入速度，使其具备4-5C快充能力，实现10-15分钟快速充电。

另外，电池内部的散热速率，也是影响倍率性能的一个重要因素。如果散热速率慢，大倍率充放电时所积累的热量无法传递出去，会影响锂离子电池的可靠性和寿命。

快充无非就是让更大的功率可以从电网进入电池，如电网->充电桩/器->电池系统(Battery(Pack))->电池单体（即电芯Cell），我们就可以拆分这几个环节，挨个分析一下：

（1）电网

快充的功率可达350kW，这对现有电网瞬时负担很大，可能会影响电网的稳定性，同时由于基础设施的设计及铺设的滞后可能对快充的推广带来一定的影响。所以要提高瞬时供能能力，而且要准备好输配电需要的输送能力（电线），现在许多城市提供快充的充电桩功率都高达20KW及以上，能够将10KV的高压交流电转换成几百安的直流电，并且通过专用电缆源源不断的输送进汽车电池系统。

（2）充电桩/器

主要影响因素是：直流/交流桩的能力限制，充电桩与电池组的交互， 400V/800V技术路线的影响。

1，直流/交流桩的能力限制：一般小功率是AC交流桩（<20kW），大功率是DC直流桩（>20kW,如特斯拉的super charge为120kW），

2， 2充电桩与电池组的交互：对于直流/交流桩，不管是功率输送接口还有通讯接口都有一定的标准，并不是这个充电桩50kW就意味着他一直以50kW给车充电，而是这只是一个最大的容量，实际快充的时候功率是一直在变的，这主要取决于电网本身当时的能量供给以及更重要的：电动车电池（组）实时的情况，它会通过通讯返回信号给充电桩，两边进行动态的配合。

3， 400V/800V技术路线：实现快充，或更快的百公里加速（大功率输出），从最基本的物理原理来看只有两种途径：一是采用大电流，二是采用高电压。（物理原理公式为P=UI）特斯拉是前者的代表，保时捷是后者的代表。大电流的问题在于提高电流后，发热量平方倍增加，导线横截面也增大（变粗），带来电动汽车最头疼的两个问题：耗电能大幅增加（从而减少续航里程），重量增加（导线等变重，从而增大能耗）。高电压可以避免这两个问题。但高电压技术不是单纯的抬高电压，它同时对整个车上的相关高压部件(如下图所示)提出了新的要求，意味着已有的400V平台上的产品可能需要重新设计，这对800V的推广带来了阻力：整车厂往往不愿意为此大动干戈，调整众多的电气设计.

3)电池系统

主要影响因素有：400V/800V高压化的影响，热管理

400V和800V都属于B级电压，不过根据LV123标准的划分，800V属于HV_3级，400V属于HV_2a级。

根据IEC 60664-1，这对电气间隙没有影响，二者相同；但对于爬电距离会有所不同，在同样二级污染，绝缘材料为1级的条件下，爬电距离将由400V的210mm增加到420mm；绝缘阻值的要求也同样变化，如果以LV123的标准，将由400V的25MΩ(500V测试电压)，增加到50 MΩ（1000V测试电压）

高电压带来的电弧问题可能是最为严重的，与400V相比，800V的条件下，电弧在空气中最大的拉弧长度将翻倍，由原来的210mm增大至420mm；在30 mΩ短路的情况下，400V平台在断开过程可产生1.2 MW的功率输出，而800V平台则将达到5MW。

因此，800V平台必须有更安全可靠的灭弧，尤其是在开关进行通、断时，这对熔断器、继电器等提出了更高要求。

从以上几点的分析能够看出，800V电压技术在没有成熟和丰富的供应链之前，其成本应该高很多，而且整车企业也需要做大量的调整和验证，这都需要时间和成本，相比之下，大电流的技术成熟，配套厂家也多。

热管理：从下图的测试（30分钟行驶，20分钟充电）可以看出，在行驶过程中最大的峰值电流为750A，但均方根电流为230A，温升最高约为95˚C；在随后的充电中，最大电流为500A，均方根电流达到350A，温度也快速升至140 ˚C（此后充电电流降至400A）

理论上来说，对于同样的功率需求，800V电流输出为400V的一半，从而产热为400V的1/4，但对于电连接来说，同样的电流在连接电阻不变的情况下，二者没有区别。

4）电芯单体：

所有电芯都有快充能力，不管是三元还是钴酸锂等等，快充/功率能力更强的，高倍率充放电曲线与低倍率就越近，反之越远。一个电芯也是一个器件，需要其中各个部件的配合，正负极，隔膜，电解液等等都需要配合，尽量提高电导率/分倍率性能，同时减少质量/体积。实际这个工作现在全落在负极身上了，负极析锂是最终的瓶颈。石墨负极材料析锂（li-plating）导致锂枝晶体析出，可能会扎破隔膜，导致电池的热失控事故。在充电的末期，析锂风险会加剧存在，因此也是快充发展的关键一环。

车和桩的匹配达到最完美的状态、国外最著名的，就是特斯拉了。特斯拉的超充桩要升级了，从V2升级为V3了。

下面大致展示一些关于特斯拉超充的参数对比，能够比较直观的看出差异，简单的结论就是，从数据来看，Model 3 V3快充性能较V2快充性能有较大幅度提升，8~90%SOC的充电时间能减小50%，最大充电功率从原来的125kw提高到250kw；

不过特斯拉的超充桩，不兼容其他品牌车辆的充电！

特斯拉不用考虑中国国标兼容问题啊，它有自己的一套标准，充电桩，充电线，完全按照自己想要的最大功率去设计，但是这样也确实存在一定的风险，后面会再说一下。（不知道国产化后，特斯拉的充电桩协议是不是会对中国的电动车放开）

最后：快充是否影响电池寿命？答案是，会！

照旧，咱们用数据说话，大家看到的是来自于某品牌的电芯，在经过分别用连续快充循环和连续慢充循环后，电芯的容量保持率的对比可以很明显的看得出来，连续的使用快充，确实会导致电池的容量下降。

我们再做一点横向对比，以增强数据的说服力，下面再展示几组不同厂家的电芯测试数据结果对比。（采用相同的测试条件，给三种电芯分别进行充放电测试）

以上的一些数据和结论可以看出，频繁的使用单一的快速充电，确实会在次数多了以后，影响到电池的单体容量。

不用过分担心这件事，想想看，连续几百次的快充，才会导致电池容量的衰减，而我们的车主在常规使用车辆的过程中，通常的操作方式会用快慢充相互结合的方式。几百次，通常也是在正常的质保期内用完吧，使用得当的话，衰减也并不会这么严重。我们的时代在进步，技术也是在进步，产品也是越做越好。现在的电动车技术，电池技术，也已经不是多年前的技术可以比拟的。

晋龙木子科研笔记

一文读懂动力电池快充技术

最后：快充是否影响电池寿命？答案是，会！

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