什么是快充？锂电池的快充原理是什么？
来源：宝鄂实业
2019-07-19 13:38
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我们充电的基本诉求：
1）充电要快；’
2）不要影响电芯寿命；
3）尽量省钱，充电机放出来多少电，尽量都充到我的电池里。
那么多快就可以叫快充了呢？并没有什么标准文献给出具体数值，我们暂且参考知名度最高的补贴政策中提及的数值门槛。下表是新能源客车2017年补贴标准。可以看到，快充的入门级是3C。实际上，在乘用车的补贴标准中，没有提及快充的要求。从一般乘用车的宣传资料中，可以看到，大家一般认为30分钟充满80%已经可以作为快充的噱头，拿出来宣传了，那么姑且认为乘用车的1.6C就可以是入门级快充参考值。按照这个思路，宣传15分钟充满80%的，相当于3.2C。
在快充这个语境里，相关方按照物理主体分，包括电池、充电机、配电设施。
我们讨论快充，直接的想到电池会不会有问题。实际上，在电池有问题之前，首先是充电机，配电线路的问题。我们提到特斯拉的充电桩，其名曰超级充电桩，它的功率是120kW。按照特斯拉Model S85D的参数，96s75p，232.5Ah，最高403V计算，其1.6C对应最大需求功率为149.9kW。从这里就可以看到，对于长续航纯电动车型，1.6C或者说30分钟充满80%已经对充电桩构成考验。
在国家标准中，不允许在原来的居民用电网络中直接直接设置充电站。1台快充桩的用电功率就已经超出几十户居民的用电量。因此，充电站都需要单独设置10kV变压器，而一个区域的配电网络并非都有余量增加更多的10kV变电站。
然后说道电池。电池是否能够承载1.6C或者3.2C的充电要求，可以从宏观和微观两个角度来看待。
宏观上的快速充电理论
之所以这节的题目叫做“宏观上的快速充电理论”，是因为直接决定电池快速充电能力的是锂电池内部正负极材料性质、微观结构，电解液成分、添加剂，隔膜性质等等，这些微观层面的内容，我们暂时放在一边，站在电池外边，看锂电池快速充电的方法。
负责监测电池充电的关键参数（例如电池充电电流、电池当前电压、电池温度），根据预先设定好的电池充电算法，调节如充电电流等参数，或者关断充电。手机充电电路的测量和反馈控制部分，通常可以通过软件编程来调节某些参数。甚至有些手机充电的测量、反馈控制部分大部分功能都是由软件来完成。大多数手机对锂电池充电的控制算法都是基于恒流——恒压过程或者其变种。恒流恒压充电的过程，大体上是这样的，首先在电池低于其充电限制电压（以往手机是4.2v，现在常见4.35V，偶见4.40V）时，以一个恒定电流对电池充电。
这个恒定电流的大小与电池容量的比值（称为充电电流倍率）与手机电池充电速度关系密切。要提高手机的充电速度，提高充电电流倍率是一个有效的手段。但是手机电池对充电电流倍率的接受能力有限，过大的充电电流倍率会导致手机电池的循环衰减增加，甚至有可能导致电池安全问题。目前大多数手机电池可以接受0.5-1倍的充电电流倍率。比如对3000mAh的手机电池，0.5-1倍的充电电流倍率就对应着1500mA-3000mA的充电电流。通过优化电池结构和配方，可以让电池接受更大的充电电流倍率。就目前的情况来看，手机电池的充电电流倍率上限通常不是手机充电速度的瓶颈。
当电池通过恒定电流充电达到电池的充电限制电压后，通过逐渐减小充电电流来维持这个充电限制电压不变。因为锂离子电池电压除了随电池充满度提高而上升外，充电电流越大，电池的电压也越高，因此在充满度不断提高的情况下，减小充电电流可以让电池电压维持恒定，这就是恒压过程。当充电电流减小到预定值后，充电电流会关断，充电即告完成。
2、电压电流变换部分
这部分电路的功能是将从手机充电端口得到的电能，在测量、反馈控制部分的控制下，转换为电池的充电电流。由于手机充电端口输入的电压通常是5V、9V之类的电压，与电池电压（3.0V-4.35V，随电量和充电电流发生变化）并不匹配，因此需要进行变换。正是由于这个变换过程，高电压充电影响电池寿命这个说法才是非常荒谬的。因为决定手机电池充电电压、电流的是测量、反馈控制部分预先设定好的充电程序。输入电压高一点或者低一点，只要还在电压电流变换部分允许的范围内，都会由电压电流变换部分变换成程序设定好的值。
锂电池存在最优充电电流
1972 年美国科学家J.A. Mas 提出蓄电池在充电过程中存在最佳充电曲线和他的马斯三定律，需要注意的是，这个理论是针对铅酸蓄电池提出的，其界定最大可接受充电电流的边界条件是少量副反应气体的产生，显然这个条件与具体的反应类型有关。
但系统存在最优解的思想，却是放之四海而皆准的。具体到锂电池，界定其最大可接受电流的边界条件可以重新定义。基于一些研究文献的结论，其最优值仍然是类似马斯定律的曲线趋势。
值得注意的是，锂电池的最大可接受充电电流的边界条件，除了需要考虑锂电池单体的因素，还需要考虑系统级别的因素，比如散热能力不同，系统的最大可接受充电电流是不同的。然后我们暂且以这样的基础继续向下讨论。
马斯定理的公式描述：
I =I0*e^αt
式中；I0为电池初始充电电流；α 为充电接受率；t 为充电时间。I0和α 的值与电池类型、结构和新旧程度有关。
现阶段对电池充电方法的研究主要是基于最佳充电曲线来开展的。如下图所示，如果充电电流超过这条最佳充电曲线，不但不能提高充电速率，而且会增加电池的析气量；如果小于此最佳充电曲线，虽然不会对电池造成伤害，但是会延长充电时间，降低充电效率。
①对于任何给定的放电电流， 蓄电池充电时的电流接受比α 与电池放出的容量平方根成反比；
② 对于任何给定的放电量，α与放电电流Iｄ 的对数成正比；
③蓄电池在以不同的放电率放电后， 其最终的允许充电电流It （ 接受能力） 是各个放电率下的允许充电电流的总和。
以上定理，也是充电接受能力这个概念的来源。先理解一下什么是充电接受能力。找了一圈，没有看到统一官方的定义。按照自己的理解，充电接受能力就是在特定环境条件下，具备一定荷电量的可充电电池充电的最大电流。可以接受的含义是不会产生不应有的副反应，不会对电芯的寿命和性能造成不良影响。
进而理解一下三定律。第一定律，在电池放出一定电量以后，其充电接受能力与当前荷电量有关，荷电量越低，其充电接受能力越高。第二定律，充电过程中，出现脉冲放电，有助于帮助电池提高实时的可接受电流值；第三定律，充电接受能力会受到充电时刻以前的充放电情况的叠加影响。
如果马斯理论也适用于锂电池，则反向脉冲充电（下文中具体名称为Reflex 快速充电法）除了可以用去极化的角度解释其对温升抑制有帮助以外，马斯理论也作为对脉冲方法的支撑。而更进一步的，真正将马斯理论全盘运用的，是智能充电方法，即跟踪电池参数，使得充电电流值始终因循锂电池的马斯曲线变化，使得在安全边界以内，充电效率达到最大化。
