电池充电那些事(一):平衡与妥协的艺术

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电池技术对于当今人类社会的运行已经有了非常强大的支撑意义:不论是手机,还是普及率不断上升的电动汽车,电池都是核心部件。而因为电池续航不利,大家对于怎样充电等话题的关注日渐升温,各种充电技术相关的技术介绍更是层出不穷,尤其是快速充电,相关报道真是五花八门,靠谱的不靠谱的都有。

想要电池充电技术提升的心情可以理解,但是电池充电需要牵扯的因素实际上很多,合理充电,开发各种与充电相关的技术和业务同样也很重要。笔者认为,电池充电绝对不是一个简单的单点问题,其涉及到一条产业链,必须以工程师的角度审视,平衡好各方面的因素,才能够使该技术不断取得实质的进步。本文将重点科普与电池充电相关的那些事,重点将围绕电池充电技术相关的五大因素进行分析,意在说明不同因素之间是要互相平衡与妥协的,希望能给各位读者启发和收获。 

首先说明本文的五大关键词:成本,容量,时间,便携,安全。

 电池充电大概涉及到哪些环节呢?以我们的手机充电为例,无非以下几个核心部件:

 

充电头

可以把家用的交流市电,依靠电路元件转化为5V1A/2A/其它制度的直流电输送到电池中充电。大家可以注意到,近年来,快速充电技术兴起,市场上已经有了许多快速充电的流派,但是提炼一下,大功率充电P=UI,无非就是要靠大电流/高电压来实现,所以不管你是18W还是50+W,也离不开这一条核心精神。所以不管是大电流派(5V4A)代表VOOC和大电压派(9V2A)代表高通QUICK CHARGE,其技术都可以用这一条来解释。

另外一条要特别注意的,就是充电头随着输出功率的上升,越是支持大功率快充的体积就越大,成本也会上升,而所说近来市面上推出的一些新型快充产品,功率是很大,充电器那叫一个体积大(BULKY)。当然我们期待着随着半导体等技术的进步,这些电子元件的体积能缩小,但是目前阶段很多快充头体积很大,确实是不争的事实。

总结一下:充电头体积(便携)与充电速率(时间)、成本、安全之间,难以同时顾全,需要平衡妥协。

充电线

相对来说看起来没有那么起眼的一个东西,但是充电线对于充电,尤其是以后要发展起来的快充的影响也不容低估。考虑到焦耳定律等物理规律,大电流下电线的热效应以及压降都会变大,这是一个实实在在的工程考虑因素,这也是导致许多企业优先选择高电压技术(9V甚至更高)而不走大电流路线的原因之一——当然了,9V的电压是没法给锂电池直接充电的,容易BOOM——爆炸,所以到了手机端还要再经一次直流转换成电池可用的电压,这也会再增加一部分体积(便携)和成本。

另外一条:很多人都在说什么手机几秒充满电这样的想法,其实这用我们初中物理知识一想也能知道不靠谱:一块手机电池10+Wh的能量,如果几秒钟充满,充电功率能达到几个kW,这对于家用电功率来说是有些荒谬的,更不用计算这需要多粗的电线。

总结一下:随着快充技术的发展,充电线要求能够更好地应对大功率电流(时间),成本会有上升,便携方面会略有削弱(更粗的导线VS在电池端增加直流直流转换元件),因此同样几个因素之间需要妥协平衡。

手机IC与算法

仍然是与快充有关,更为复杂、工作条件更为苛刻的快充制度,使得多种新的快充协议诞生,而为了处理这些协议,自然要开发手机IC和算法,支持相应的充电电流能够流入电池。这一环节实际上是非常重要的,因为它是电池充电的控制方,而新开发的高性能手机IC,必然也会遇到成本上升、体积需要缩小(便携)等方面的挑战,需要科研人员和工程师们协力克服。

附着推荐几个回答:关于手机快充,重点推荐这个帖子:OPPO声称的VOOC低压快速充电是什么原理?https://www.zhihu.com/question/23103960/answer/101057296,以及:电池快充的原理是什么?——玛丽卢的回答。https://www.zhihu.com/question/23831848/answer/25850047。在其中对于电池充电、快充的机理做了比较详细的说明,在此不多做展开介绍。

电池

电池是笔者的老本行。电池相关文章已经写过很多,受制于篇幅,在这里只能说一下重点:

为了达成快充功率电池,减小内阻,降低快充焦耳发热量是一个核心问题,此时就需要进行相应的材料、结构上的优化,主要有使用高电导的电极材料(碳包覆,改性提高锂扩散系数,减小粒径缩短扩散路径)、使用更多的导电剂、涂布更薄的电极(让传质扩散距离变短)都是典型的功率快充型电池的设计思路。而这些路数常常不可避免的会与追求能量密度产生矛盾。总体来说功率密度好的电池能量密度一般不会太高,能做到两者平衡兼顾的,都是大牛厂家和技术。所以在这里,能量密度(容量)与倍率性能(时间)有所矛盾。

能达到快充的功率型电池,相比于能量型电池更适合各种快充场合。而能量型电池频繁使用快充,可能会影响其寿命、并降低其安全性,因此非常不建议无限制扩展快充的使用范围。即:能量密度(容量)与安全之间的矛盾。

但是快充型电池就没安全问题了?考验其实更大,因为它本身就常常在高功率状态下工作,面临的大电流、极端环境(高低温等)的问题更为麻烦。此时,想要控制好电池的倍率性能(时间),以及同时追求良好安全、甚至是体积相关的特性(便携),并不容易(高功率工作的电池有时也需要配备更多的散热辅助设备,可能体积会很大)。

当然了,追求性能的上升,成本上升的倾向也很大,如何控制这个平衡,自然要靠技术人员。

大家不难看出,从以上的链条中,我们提炼了几个因素:成本,容量,时间,便携,安全。实际这五个因素概括有些过度,略失严谨,但是主要是为了把信息直接简单的传达给读者,其主要包括的内容如下表所示。接下来,我们将对这五个因素之间的互相矛盾,需要平衡的关系进行分析。

成本

如果可以不惜一切代价,我们当然可以在充电涉及的各个环节中都采用最先进的技术,比如电池里用离子液体(参考微宏的“不燃烧”电池技术),充电头用最先进的电子电路设备,甚至大胆假设一下我们的电线也可以搞成超导的(当然这个有点扯)——这样的话,电池的综合性能,充电的速度(时间)、便利性(便携)自然可能都会有一定的提高。然而此情景的假设中构思的技术虽然可能都是工程上优化前进的方向,在目前阶段却都太过昂贵,很难有实际的竞争力,因为毕竟电池充电是一个民用、充分竞争的技术。可以说,成本与其它四个因素之间都需要达成平衡妥协。

容量

从容量/质量能量密度来说,其与充电时间、安全性的矛盾最为突出。大容量的电池,如果还想追求高能量密度,使用的材料、电池结构必然是偏向于能量密度型的,功率密度不可避免的会受到影响,两者需要追求两好的平衡。笔者在之前关于快充的系列文章中都已经阐明观点,在此不再赘述。

而大容量/高能量密度导致电池使用的活性物质量提升、高电压化等趋势会不可避免的降低电池的安全性,所以以消费电子产品为例:4.4V高电压钴酸锂电池技术是机遇,同时也是挑战,如何把高能量密度(容量)与安全性同时做好是电池界一个不变的难题。

时间

即功率/倍率性能,其与质量能量密度(容量)的矛盾已经描述,在这里主要需要说的是其与体积能量密度(便携)、以及安全性之间的关系。充电时间想要快,主要涉及两大方面,一是电池本体的倍率性能要优异,另一方面则是配套的电子配件等要能跟上要求,然而此时矛盾就出现了:1)电池倍率性能优异(时间),能量密度方面必有削弱(容量),体积能量密度(便携)也会略有影响,但这在几个矛盾中可能还是相对比较好解决的一个;2)为快充配套电子配件在便携程度上一定会有折扣,而且是充电功率越大转换头等的体积就越大,而最近面世的几款充电功率极大的充电宝/手机(50W左右?)的充电器更是大到没眼看,目前说要便携使用极为困难……而电池想要快充,其与安全上也必然存在矛盾,而且是本征上的矛盾(毕竟电池不是电容),只能缓解而难以根除。

便携

主要是体积相关的能量和功率密度。便携要求把电池做的体积要小,此时电池生产工艺要求更为严格,对于电池内部结构的控制精细程度要求也更高,安全性上自然有更大的挑战。而且相关的配件还都要做的尽可能紧凑,这样的问题在于,不可避免的会影响电池的散热,进而影响安全性。以我们近来影响很大的三星NOTE7爆炸为例,其实这就是一个工程集成上略显激进的结果。三星首先使用了高电压电池,安全性上的挑战本身就大了一些,然后一方面搭载了具备快充功能的大电池,导致在充电过程中会产生更多的热;而另一方面又给手机配置了防水防尘和无线充电的功能,严重恶化了手机的散热功能。两面夹攻,也难怪Note7在充电过程中,电池失控的频率有点太高了。虽然说大电池,快充,防水防尘,无线充电都是酷炫的功能,但是把这些功能都凑在一起,超过了系统能承受的极限,最后出现了这么大的问题。所以便携与其它几个因素,也是需要相互平衡的,这对于手机等消费电子产品来说,尤为重要。

安全

已经在前面几点中都说完了,再强调一下,安全无小事,工程设计一定要考虑好安全,否则一旦出事,满盘皆输。相关血泪教训比比皆是,无需赘述。同样,过分非理性的追求快速充电,绝对不是什么好事,炒作这方面的新闻的人可能更多的只是为了赚眼球而已。

来源:第一电动网

作者:刘冠伟

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