電池?zé)o法顛覆突破，快速充電上演“圍魏救趙”大戲

鋰電池是整個(gè)數(shù)碼設(shè)備生態(tài)系統(tǒng)中最薄弱的一環(huán)，續(xù)航能力成為巨大挑戰(zhàn)，在目前沒有比鋰電池更好的電池新技術(shù)應(yīng)用前，如何實(shí)現(xiàn)鋰電池的快速充電成為解決問題的關(guān)鍵。除了三星，包括華為、Oppo、Vivo、小米等國內(nèi)外主流3C企業(yè)都在積極布局快充技術(shù)，并成為其市場營銷的最大賣點(diǎn)之一。

快速充電標(biāo)準(zhǔn)加速統(tǒng)一與普及

目前快速充電標(biāo)準(zhǔn)處于戰(zhàn)國時(shí)代，許多芯片廠商與手機(jī)廠商推出了各種充電技術(shù)，如高通Quick Charge 4.0/3.0快充、聯(lián)發(fā)科MediaTek Pump Express快充、Oppo VOOC閃充、一加Dash快充、華為SuperCharge超級快充、TI MaxCharge快充等。

這些標(biāo)準(zhǔn)除了各有特點(diǎn)與優(yōu)勢外，最主要的問題是各自為戰(zhàn)，在線纜及充電頭上都有一定的特殊性，電源芯片管理也具有不同之處，缺乏通用性，給快充普及帶來不利影響。

可喜的是，推廣、制訂USB(通用串行總線)的非營利組織USB-IF(USB開發(fā)者論壇)公布了USB PD (Power Delivery) 3.0 的最新更新內(nèi)容，統(tǒng)一了快速充電技術(shù)規(guī)范的PPS (Programmable Power Supply，可編程電力供給)，為數(shù)碼設(shè)備跨廠牌快充的愿景，提供了一定的基礎(chǔ)。

USB-IF公布的USB PD (Power Delivery) 3.0 的最新內(nèi)容，當(dāng)中納入了高通(Qualcomm)的Quick Charge 4.0/3.0、OPPO VOOC、聯(lián)發(fā)科Pump Express 3.0/2.0，還有華為SuperCharge等快充解決方案。同時(shí)，USB PPS還和我國工信部的泰爾實(shí)驗(yàn)室達(dá)成了共識(shí)，預(yù)計(jì)將與國標(biāo)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一。

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在規(guī)范方面，USB PD 3.0在加入PPS之后，輸出電壓范圍從5V調(diào)整到3.0V～21V;而可調(diào)整電壓幅度則是20mV，可以實(shí)現(xiàn)低壓大電流直充。并且不允許USB連接埠不透過USB PD的協(xié)議來進(jìn)行電壓調(diào)整。USB PD 3.0標(biāo)準(zhǔn)將進(jìn)一步推動(dòng)業(yè)界研發(fā)支持PPS技術(shù)的芯片以及解決方案。而全球的數(shù)碼設(shè)備特別是智能手機(jī)用戶將有可能在2017年或稍后體驗(yàn)到電源充電器統(tǒng)一帶來的便利性。

此前，Android手機(jī)陣營因?yàn)闅W盟的強(qiáng)制規(guī)定，也曾體驗(yàn)過凡micro USB充電頭幾乎皆可通用的便利性。然而如今USB PD 3.0的重要更新，則進(jìn)一步將手機(jī)快充也納入進(jìn)來，擴(kuò)大了原先的領(lǐng)域。另外，谷歌在Android 7.0的OEM規(guī)范中就明確指出，快速充電必須基于USB PD而來，也算是倒逼PPS出臺(tái)的一個(gè)因素。

USB PD 可兼容5V/12V/20V 不同充電電壓和 1.5A/2A/3A/5A不同充電電流，最大支持高達(dá) 100W 充電功率。同時(shí)，USB PD可以將電源線和信號線整合至同一條線纜內(nèi)。除了能夠給手機(jī)、平板等移動(dòng)設(shè)備充電外，還可給筆記本等以前無法通過 USB充電的設(shè)備快速充電。USB PD設(shè)定了 10W、18W、36W、60W、100W五級充電規(guī)格，不僅充電功率強(qiáng)悍，更可以實(shí)現(xiàn)雙向充電。

USB Type-C 與 USB PD 協(xié)議共生，有望統(tǒng)一快速充電標(biāo)準(zhǔn)，而且隨著USB Type-C接口的普及，將推動(dòng)快速充電技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用。智能手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦等所有的數(shù)碼設(shè)備都有望實(shí)現(xiàn)充電器和數(shù)據(jù)線的統(tǒng)一。

快速充電技術(shù)

近十年，數(shù)碼設(shè)備特別是智能手機(jī)硬件以飛快的速度發(fā)展，CPU從低頻單核，到現(xiàn)在的高頻多核，伴隨著性能飛速提升的同時(shí)，續(xù)航能力越來越成為數(shù)碼設(shè)備最大的瓶頸。

而鋰電池技術(shù)這么多年來基本處于原地踏步狀態(tài)，在電量不夠用的情況下，如何解決電池的續(xù)航問題成為關(guān)鍵。快速充電技術(shù)可謂鋰電池在應(yīng)用上的一次創(chuàng)新，只需要十幾分鐘的充電過程就可以達(dá)到普通充電一小時(shí)左右的程度，大大提升了充電效率，也利于用戶利用零碎時(shí)間給數(shù)碼設(shè)備充電。在電池容量無法得到顛覆性突破的情況下，快速充電技術(shù)成為解決消費(fèi)者應(yīng)用痛點(diǎn)的迂回之策。

中國信息通信研究院對快速充電的定義是：30分鐘充電進(jìn)入電池的平均電流大于 3A 或者 30 分鐘充電電量大于 60%。

快速充電主要是保證鋰離子(Li+)快速地從正極嵌出并快速的嵌入負(fù)極，不能造成鋰離子(Li+)的沉積。

快速充電技術(shù)三種不同的實(shí)現(xiàn)形式：

(1)電壓不變，提高電流;

(2)電流不變，提升電壓;

(3)電壓、電流均提高。

快速充電是一個(gè)系統(tǒng)的綜合工程，快速充電系統(tǒng)包括快充標(biāo)準(zhǔn)，快充電源適配器，接口 E-marker芯片，線纜，數(shù)碼設(shè)備芯片，電池等多個(gè)部分。各部分都必須針對不同標(biāo)準(zhǔn)專門設(shè)計(jì)，才能實(shí)現(xiàn)快速充電功能，并且保證充電安全。

快充適配器：需要專門適配器將交流電降為所用快充協(xié)議規(guī)定的電壓電流，并提供足夠安全保證。

快充線纜：需要能承載 5A甚至更高的大電流，并且搭載接口芯片做識(shí)別、認(rèn)證和保護(hù)。

數(shù)碼設(shè)備芯片：對電源管理 IC和處理器提出更高要求，支持在數(shù)碼設(shè)備軟件界面充電類型選擇和保護(hù)。

快充電池：使用專門的快速充電電芯，充電倍率(充電電流/電池電量)至少在 1.5C以上。

快速充電作為提升用戶使用體驗(yàn)的微創(chuàng)新，未來將逐步得到普及。無論在數(shù)碼設(shè)備還是新能源汽車上，快速充電作為一種能夠?qū)崿F(xiàn)加速充電、減少等待時(shí)間的技術(shù)，在產(chǎn)業(yè)鏈逐步成熟的情況下，將得到越來越多的應(yīng)用。

快速充電技術(shù)的挑戰(zhàn)

快速充電技術(shù)對于鋰電池材料、系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)等方面都提出了更高要求和挑戰(zhàn)?？焖俪潆娺^程中，確保設(shè)備安全性和傳輸數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性對于數(shù)碼產(chǎn)品來說是極具挑戰(zhàn)的。

快充是一個(gè)系統(tǒng)的綜合工程，既要材料配合，電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也相應(yīng)要改變，還需匹配大功率充電器，并不是所有的電池都適合快充。

既然是快充，那么未來的發(fā)展方向自然是比快更快。低壓快充方案未來的最大發(fā)展瓶頸在電池上。充電器的輸出功率可以做到很大，但怎么讓電池能夠都承受住這么大的電流輸入是需要考慮的。

高壓快充方案，除了要解決電池問題外，未來還需要解決快充時(shí)所帶來的發(fā)熱問題。比如手機(jī)充電時(shí)轉(zhuǎn)換效率基本在80%左右，最多也就90%，這就意味著還有10%沒有轉(zhuǎn)換的能量會(huì)變成熱量。這部分熱量導(dǎo)致設(shè)備發(fā)熱。由此可能引起用戶對于安全問題的擔(dān)憂。

假設(shè)在高壓快充方案下，將充電器輸出功率提升到70W，在手機(jī)降壓電路處的轉(zhuǎn)換損耗按照損失10%來計(jì)算，發(fā)熱將達(dá)到7W。而這是一個(gè)非?？鋸埖臄?shù)字，解決難度不小。因此做好熱管理是實(shí)現(xiàn)快充的基本要求。

快充技術(shù)實(shí)質(zhì)是將盡可能多的電量塞進(jìn)鋰電池里，不斷挑戰(zhàn)電池技術(shù)的材料和設(shè)計(jì)的物理極限，同時(shí)也在間接威脅著電池的使用安全和壽命。

快充是通過電壓電流轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)的，在保證安全的前提下尋求更高效的轉(zhuǎn)換技術(shù)本身就是行業(yè)瓶頸。如果不能保證安全，再高效的快充技術(shù)都是無用的。

小結(jié)：在數(shù)碼產(chǎn)品有限的空間里以及電池容量很難提升的情況下，使用快充技術(shù)顯得非常必要，但我們需要在保證不影響電池可靠性等因素的基礎(chǔ)上發(fā)展快充技術(shù)。隨著電池技術(shù)的突破配合成熟的快充技術(shù)，將推動(dòng)數(shù)碼產(chǎn)品的更快速發(fā)展。