眾所周知，如今阻礙純電動(dòng)汽車發(fā)展的最大瓶頸有兩個(gè)，一個(gè)是電池的功率密度，另外一個(gè)就是充電速度了。前者影響一款電動(dòng)車的制造成本和續(xù)航里程，而后者更是直接限制了純電動(dòng)汽車場(chǎng)景使用的便利性。但是為什么如今的電動(dòng)車要充滿電動(dòng)輒就要一兩個(gè)小時(shí)呢？一臺(tái)電動(dòng)車的充電速度到底受什么限制呢？今天我們就簡(jiǎn)單給大家講講這個(gè)問(wèn)題。
電池的充電速度受什么限制？
在討論充電速度的時(shí)候，電池本身的承受能力絕對(duì)是最無(wú)法繞過(guò)的一個(gè)因素。無(wú)論外圍的充電設(shè)備有多牛、功率有多大、充電能力有多強(qiáng)，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(lái)。加上電池容量又比較大的話，自然充電時(shí)間就長(zhǎng)了。
如果你高中學(xué)過(guò)電化學(xué)方面的知識(shí)的話，就會(huì)了解電池充放電的過(guò)程，本質(zhì)就是電池內(nèi)部通過(guò)一系列的氧化還原反應(yīng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)電子在正極和負(fù)極之間定向轉(zhuǎn)移。以當(dāng)下主流的鋰電池為例，雖然種類五花八門(mén)，但是大體的構(gòu)造無(wú)外乎包括正極材料、負(fù)極材料、隔膜、電解液等，充電的過(guò)程，基本上就是鋰離子從負(fù)極脫出，穿過(guò)隔膜和電解質(zhì)，擴(kuò)散到達(dá)正極的過(guò)程——擴(kuò)散速度自然就成了充電速度的關(guān)鍵。
理論上，的確可以通過(guò)加大電流來(lái)提升充電速度。但是電流太大的話，電池內(nèi)部鋰離子的擴(kuò)散速度跟不上電子擴(kuò)散速度，就會(huì)導(dǎo)致電子-離子運(yùn)脫節(jié)，影響電池性能，能夠達(dá)到的充電容量也相應(yīng)減少，電池的壽命就更是慘不忍睹了，甚至?xí)衅鸹鸨ǖ奈ｋU(xiǎn)。
所以一般來(lái)說(shuō)，在不趕時(shí)間的情況下我們建議盡量用慢充，有利于延長(zhǎng)電池的壽命。
而鋰離子的擴(kuò)散速度，和溫度、正極的材料和結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。
首先是溫度，一般來(lái)說(shuō)溫度越高自然是擴(kuò)散速度越快，但是溫度過(guò)高的話也會(huì)導(dǎo)致電池壽命降低、充電安全性下降等問(wèn)題。溫度過(guò)低的話同樣不行，氣溫過(guò)低的情況下，電池中的金屬鋰會(huì)發(fā)生沉積，從而造成電池內(nèi)部短路，尤其是磷酸鐵鋰電池。一般0℃時(shí)磷酸鐵鋰電池的容量大概只剩下60～70%左右，到了-20℃時(shí)就只剩下可憐的20～40%了。所以在氣候寒冷的北方冬季，電動(dòng)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(kuò)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(cuò)的正極材料，而后兩者也是當(dāng)下性能最好、應(yīng)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(gè)重要原因。
在電池行業(yè)的領(lǐng)域，通常會(huì)用充放電倍率來(lái)描述充電速度和電流大小的關(guān)系，譬如1小時(shí)充滿電池時(shí)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(guò)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(dòng)輒10C的放電速率自然還是要差很遠(yuǎn)。
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（State of Charge，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(lái)說(shuō)，電池在充電過(guò)程的特性大致和上面這張圖類似，充電的速率會(huì)遵循慢——快——慢這樣的節(jié)奏。一般當(dāng)SOC達(dá)到90%以上的時(shí)候，電池的內(nèi)阻就會(huì)明顯上升，使得充電速率放慢。如果你有留意當(dāng)下在售的大部分電動(dòng)車，都會(huì)發(fā)現(xiàn)它們會(huì)宣傳自己在特定的快充狀態(tài)下，能夠在一個(gè)相對(duì)比較短的時(shí)間——例如1小時(shí)乃至30分鐘的時(shí)間里，充滿一個(gè)大比例的電量，一般在80%-90%左右，就是這個(gè)意思。
所以如果你是一個(gè)電動(dòng)車用戶，想要盡可能節(jié)約充電耗時(shí)的話，盡量不要?jiǎng)虞m把電量用到10%以下，充電的時(shí)候也不一定非要充滿，達(dá)到90%以上，或者能夠滿足你下一次出行需要的里程數(shù)就足夠了。
充電設(shè)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(shè)備也有自身的限制。簡(jiǎn)單來(lái)講，充電樁輸出功率越大，充電時(shí)間越短。但是充電樁也不是可以無(wú)限提高充電功率的。先來(lái)說(shuō)下電動(dòng)汽車的充電大體是一個(gè)什么樣的過(guò)程。
一說(shuō)到汽車充電，大家首先想到的自然就是充電樁。簡(jiǎn)單來(lái)講，充電樁輸出功率越大、電池容量越小，充電時(shí)間自然越短。這就和要把一個(gè)水池放滿水，放水管越大、水池越小自然耗時(shí)越短是一個(gè)道理。不過(guò)作為電動(dòng)車用戶，當(dāng)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(yīng)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(kāi)兩種情況來(lái)講。
先講普適性比較強(qiáng)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(duì)比較慢，在電池容量20kwh左右的情況下，要大概6-8個(gè)小時(shí)才能夠充滿電。
而特斯拉是個(gè)例外，它們的高功率壁掛適配器同樣也是220V的交流電壓，采用專用的接口，輸出電流可達(dá)50A，充電速度自然更快，不過(guò)對(duì)于其它品牌的車來(lái)說(shuō)就沒(méi)有普適性了。
其次，由于汽車電機(jī)用的是直流電，所以充電的電流需要通過(guò)充電機(jī)轉(zhuǎn)換。充電機(jī)大體分為車載充電機(jī)和非車載充電機(jī)兩種，兩者基本都是輸入交流電、輸出直流電儲(chǔ)存到電池組里。前者重量輕、功率損耗更低，而且搭配車載充電機(jī)的車型充電便利性會(huì)更好，但是很難承受比較大的充電功率，而后者的優(yōu)缺點(diǎn)正好相反。車載充電機(jī)的設(shè)計(jì)，是要適配一定的交流輸出功率的，如果適配的功率比較低，哪怕接上了更大功率的充電樁，充電速度也快不起來(lái)。
再說(shuō)說(shuō)直流充電樁。相比起只有220V的交流充電樁，它的接入電壓高達(dá)380V，相同的電池容量下2-3小時(shí)就可以充滿了。但是這種快充的方式也不是可以濫用的——首先頻繁快充會(huì)折損電池壽命，其次大量電動(dòng)車一起快充的話，電流會(huì)非常大，對(duì)于現(xiàn)有電網(wǎng)的壓力也是很大的，甚至有可能會(huì)造成局部癱瘓。
另外，由于現(xiàn)行的電動(dòng)車充電網(wǎng)絡(luò)并不是獨(dú)立的，所以用電高峰的時(shí)候，如果在使用區(qū)域公用變壓器的電網(wǎng)里充電的話，充電速度也會(huì)變慢。這也是很多電動(dòng)車用戶需要錯(cuò)峰充電的原因之一。
總結(jié)
綜合來(lái)說(shuō)，當(dāng)下影響電動(dòng)車充電速度提升的因素，重點(diǎn)還是在于電池本身的承受能力：一方面不能過(guò)于頻繁地使用快充，另一方面充電進(jìn)程中的速率不均勻，使得日常實(shí)際能用的續(xù)航里程也打了折扣。另外，充電機(jī)、充電樁等配套設(shè)施的能力、標(biāo)準(zhǔn)不一，對(duì)于日常充電的場(chǎng)景也有很多限制，需要不斷地升級(jí)！
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