動力電池的充電速度受限制的因素分析

電池的充電速度受什么限制？

在討論充電速度的時候，電池本身的承受能力絕對是最無法繞過的一個因素。無論外圍的充電設備有多牛、功率有多大、充電能力有多強，如果電池本身在能夠接受的充電能力方面有短板，那么充電速度肯定就快不起來。加上電池容量又比較大的話，自然充電時間就長了。

如果你高中學過電化學方面的知識的話，就會了解電池充放電的過程，本質就是電池內部通過一系列的氧化還原反應，來實現電子在正極和負極之間定向轉移。以當下主流的鋰電池為例，雖然種類五花八門，但是大體的構造無外乎包括正極材料、負極材料、隔膜、電解液等，充電的過程，基本上就是鋰離子從負極脫出，穿過隔膜和電解質，擴散到達正極的過程——擴散速度自然就成了充電速度的關鍵。

理論上，的確可以通過加大電流來提升充電速度。但是電流太大的話，電池內部鋰離子的擴散速度跟不上電子擴散速度，就會導致電子-離子運脫節(jié)，影響電池性能，能夠達到的充電容量也相應減少，電池的壽命就更是慘不忍睹了，甚至會有起火爆炸的危險。

所以一般來說，在不趕時間的情況下我們建議盡量用慢充，有利于延長電池的壽命。

而鋰離子的擴散速度，和溫度、正極的材料和結構密切相關。

首先是溫度，一般來說溫度越高自然是擴散速度越快，但是溫度過高的話也會導致電池壽命降低、充電安全性下降等問題。溫度過低的話同樣不行，氣溫過低的情況下，電池中的金屬鋰會發(fā)生沉積，從而造成電池內部短路，尤其是磷酸鐵鋰電池。一般0℃時磷酸鐵鋰電池的容量大概只剩下60～70%左右，到了-20℃時就只剩下可憐的20～40%了。所以在氣候寒冷的北方冬季，電動車必須要有給電池模組加熱的功能，由此耗電自然也更快。

其次是材料，不同的材料擴散能力差距非常大，像鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、NCM、NCA等都是性能很不錯的正極材料，而后兩者也是當下性能最好、應用普及度比較高的兩種材料了。這也是如今的鋰電池以正極材料命名的一個重要原因。

在電池行業(yè)的領域，通常會用充放電倍率來描述充電速度和電流大小的關系，譬如1小時充滿電池時的速率稱為1C，只需30分鐘的速率則稱之為2C，如此類推，超過1C就可以稱為快充。如今鋰離子電池的充電速率普遍可以做到1C-3C，最高大概可以去到5C，但是相比起動輒10C的放電速率自然還是要差很遠。

充電.jpg

典型的鋰離子電池充電特性曲線

除了最大充電速率有瓶頸之外，不同SOC（StateofCharge，即荷電狀態(tài)，也就是剩余電量）下電池能夠承受的充電速率也是有差別的。一般來說，電池在充電過程的特性大致和上面這張圖類似，充電的速率會遵循慢——快——慢這樣的節(jié)奏。一般當SOC達到90%以上的時候，電池的內阻就會明顯上升，使得充電速率放慢。如果你有留意當下在售的大部分電動車，都會發(fā)現它們會宣傳自己在特定的快充狀態(tài)下，能夠在一個相對比較短的時間——例如1小時乃至30分鐘的時間里，充滿一個大比例的電量，一般在80%-90%左右，就是這個意思。

所以如果你是一個電動車用戶，想要盡可能節(jié)約充電耗時的話，盡量不要動輒把電量用到10%以下，充電的時候也不一定非要充滿，達到90%以上，或者能夠滿足你下一次出行需要的里程數就足夠了。

充電設備的充電速度受什么限制？

除了電池本身的瓶頸之外，外圍的充電設備也有自身的限制。簡單來講，充電樁輸出功率越大，充電時間越短。但是充電樁也不是可以無限提高充電功率的。先來說下電動汽車的充電大體是一個什么樣的過程。

一說到汽車充電，大家首先想到的自然就是充電樁。簡單來講，充電樁輸出功率越大、電池容量越小，充電時間自然越短。這就和要把一個水池放滿水，放水管越大、水池越小自然耗時越短是一個道理。不過作為電動車用戶，當然希望自己的電池容量也足夠大，所以提升充電樁功率自然是更應該做的。車用的充電樁一般分為交流充電樁、直流充電樁兩種。我們分開兩種情況來講。

先講普適性比較強的交流充電樁。它多采用和家用電壓大小一樣的220V交流充電，一般電流只有16A或者32A，充電速度相對比較慢，在電池容量20kwh左右的情況下，要大概6-8個小時才能夠充滿電。