电池快充的原理是什么？ 第1页

谢没邀。首先我过了一下不同回答：

总体来说， @玛丽卢 对于快充本身过程机理的描述是比较准确的，但是并没有深入到材料层，以及扩展到电池组系统，充电桩以及电网互动方面来考虑问题； @小鹏汽车 的回答介绍了一下快充的插口， 快充对电池的影响（大概的结论），实际上回答并没有特别好的切题（当然可以理解）； @土豆泥 君的回答主要集中于对于正极快充文献的分析，但是这仍然只是材料层的一个点的分析，而且都没有扩展到电芯层面 （当然也可以理解，因为只是就论文说论文）

所以我在这里要给大家一个更系统的回答. 其实快充无非就是让更大的功率可以从电网充进电池，如果要把这个问题分解开来，就需要几个环节：

电网->充电桩/器->电池系统(Battery(Pack))->电池单体（即电芯Cell）

那我们就可以拆分这几个环节，挨个分析一下：本文主要针对最有挑战的电动汽车电池快充，对于手机和电动自行车只有少量的顺带性介绍。

（1）电网

如果对电网有一些基本的了解，大家就会知道电网其实是要对电能即发即用，时时刻刻进行功率平衡的。因此，发电/用电要尽量保证时刻的匹配，而短时间急剧的用电功率变化都会给发输配用环节带来挑战。对于快充，这就意味着我们可以在以下几个方面需要做工作：

发电侧：增加灵活机组（煤电灵活化改造提高爬坡能力，引入灵活性更优但是成本也高的燃气轮机组）提高功率变化应对能力

输配电侧：主要是增加供电容量提高允许输送功率上线（简单的说就是用更粗能送更大电流的电线。。。）

用电侧：其实一大简单的解决方案就是在快充电站就地增加资源，比如放一个电池组做大充电宝，就可以就地进行电池（充电宝）->汽车电池内能量传输，而不会对于电网整体运行带来比较大的冲击。或者本地有光伏电站/分布式燃料电池电站在工作也不错。

总体来说就是：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）。而如果只是对于手机等小电池的快充，对电网的影响基本为0； 电动自行车之类的话，主要也是输配电安全方面的一些调整，这点功率对于大电网的冲击都是很小的。

（2）充电桩

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

直流/交流桩的能力限制：目前对于电动车来说，一般小功率是AC交流桩（<20kW)，大功率是DC直流桩（大多>20kW,比如CHAdeMO的是50kW, Tesla的super charge 为120kW）。交流桩和直流桩一般都需要相应的设计，满足一定电压-电流的投放能力。在2017年， Porsche 已经推出了350kW的直流桩，就可以配套其最近推出的Taycan 以及奥迪的e-tron，以满足100kWh左右电池组3C倍率左右（对应20分钟左右）的快充

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（见 @小鹏汽车 的回答）以与车辆进行准确的对接，实时掌握车辆的情况以进行功率输送。因此如很多回答所说，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

400V/800V技术路线的影响：大家都知道P=U*I，对于大功率来说要么提高电流，要么提高电压。目前的AC交流桩和DC直流桩基本都是400V的，而进一步提高充电功率的话，这就会导致最大电流非常大->需要用很粗的电线。所以在接下来的发展过程中，把快充提高到800V就是一个公认的下一步方向。当然这个并不是一个容易的事情，高电压会带来绝缘标准等一系列的相应升级，对于充电桩在这方面肯定也是有所考虑的。尤其对于目前大家都在发展的>100kW快充技术（Porsche 350kW）来说，走向800V更是大势所趋，当然另外也需要电池组系统的配合努力

关于400V/800V快充的发展未来（功率范围），可以参考汽车电子设计公众号上的这个图

（3）电池系统

主要考虑因素是400V->800V高压化的影响，热管理与BMS与充电桩的通讯互动。

400V->800V高压化的影响：一辆汽车里面是由多节电芯单体（cell)串并联组成电池组/包的（battery)，目前几乎所有电动汽车都是采用的400V的工作电压，这样可以与充电桩进行良好的匹配。但是随着快充的发展，400V快充在电池系统方面也有了瓶颈：太大的电流必然要求集流体载流能力更强，但是电池包又要轻量化和小体积化，不可能无限制的用更粗/更昂贵电阻更低的母线，所以就也要发展800V电池包技术（未来方向），以配合充电桩的800V快充技术。下图引自汽车电子设计：可见PORSCHE 推出的第一款800V电池系统电动汽车TAYCAN 的一些电池组内部设计情况。当然，800V电池包技术也有自己的挑战，一大核心问题就在于电池系统/整车的高压绝缘防护等级相应需要提高。

热管理：汽车电池系统内常常有几百节到上千节电芯，在运行使用/充电时，电池系统内的每一节电芯的温度常常是不均匀的，这会导致不同电芯的充/放电能力明显差别，轻则导致衰减加速（见空冷的NISSAN LEAF），重则使得局部过放过充，导致热失控热热扩散，最终发展事故。比如下图就是热管理效果不好与好的两张示例图。

另外电芯材料的快充能力也是取决于温度的：温度太低的时候允许的最大充电电流也低，因此快充时对电芯有一定的加热是快充的准备条件。而在温度太高的时候，考虑到充电的热效应，快充也会加剧电芯的老化，因此都需要热管理系统配合保证电芯处于合理的温度范围内，不太高也不太低。

因此总体来说，对于更高能量密度三元电池组 +更高功率的充电来说，液冷+冷板等典型的热管理基本是标配，不需要液冷的一般都是磷酸铁锂/能量密度偏低的三元体系，具有这样电池配置的汽车整体市场定位很难走上中高端 。

BMS与充电桩的通讯互动： BMS即Battery Management System, 其实时收集、监控电芯/模组的电/温度等各种信息；在实际充电过程中，BMS 收集来电芯的各种信息，经过分析，与充电术士进行互动，以保证充电的功率还处于电芯可以应对的工作窗口范围内。

（4）电芯单体

有不少回答和文献都已经在这里说电芯单体的快充能力了，在这里我主要想说三点：所有电芯都有自己的快充能力， 快充本身的机制，以及电芯作为一个器件其中各个材料的配合（木桶效应，最短的决定快充能力上限）

所有电芯都有自己的快充能力：实际上，所有电芯都可以在比它的额定功率下更大的电流下进行充放电的能力， 比如下图摘出的充放电曲线(哈哈，献上Dr. Liu真迹一张）实线是低倍率充放电曲线，虚线是高倍率充放电曲线。快充/功率能力更强的，高倍率充放电曲线与低倍率就越近，反之则越远。

所以不难看出，电芯与电芯是不一样的，因此对于每一个电芯都要根据其性能确定其适合工作的电压电流范围，记录下来并以BMS进行管束，所以实际上大家见到的电池总是只能以一个固定的速率充放电，为什么呢？因为都按照工业开发的流程给你限定好了，这是工程开发中考虑各种因素后妥协的结果。

快充本身的机制：其实这个主要参考 @玛丽卢 的回答就可以。具体落实到单节电芯上，快充一定只会落实到5V-大电流输入（即使是手机上的9V快充，最后也要换流成5V)，主要能快充的部分就电中间的CC FAST CHARGE 段（快充尤其不可能是在充电末期发生，因为析锂Li-plating）。然后就要看电芯中各个材料的配合了。

电芯中各个材料的配合：一个电芯也是一个器件，需要其中各个部分都要配合好，才能有最终的良好的快充性能。 正极，负极，隔膜，电解液，集流体都需要配合，需要尽量具有更高的电导率/分倍率性能，同时又要尽量减少占据更多的质量和体积（能量密度上升一般必然导致快充更难，所以谁能做到快充与能量密度兼顾就是本事了），另外电芯结构设计也很重要。

因此作为一个整体电芯，各组分是要紧密配合的，不是一个材料单独一个性能上去就可以了。->所以很多文献针对于一个材料的特定条件下的快充优化，实际上是一种非常局部的研究思路，放在工业界上看，工作当然很有学术意义，但是局限太大。

而在实际的电芯技术，实际上最终的快充的短板目前几乎都落在了石墨负极材料的析锂（Li-plating)， 这会导致锂枝晶析出，可能会扎破隔膜，最终导致锂电池的热失控事故。在充电末期、低温这两个条件下，析锂风险会急剧增加，因此这也是快充最为挑战的条件。

所以最后还是要强调下，负极析锂才是瓶颈，才是瓶颈，才是瓶颈，电芯设计上的能量密度与快充能力的兼顾并不容易，这是电芯厂的核心Know-how, 也是笔者认为以上所述快充因素中最为挑战的一点（个人观点供讨论）。

更新：2019.12.04: 有人还是要来问快充损不损电池。结论是：肯定损，但是程度有多深因电池而异，快充性能好+使用环境温和的话，造成的损伤可以尽可能小甚至接近于0； 如果快充性能不好+使用环境不好的话就麻烦了，频繁的使用必然会造成迅速的老化和失效。

以上。

主要是参考了这篇文章：清华汽车系欧阳明高院士组的综述：

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