為什么不能用Q=It來計算充電電流
——由一道高三試題引發的爭議

何忠燕

(江蘇省梁豐高級中學 江蘇 蘇州 215621)

由新疆青少年出版社出版的《試題調研(2022年第8輯物理)》有一道最新原創試題，內容如下：

A．該電動汽車的最大行駛速度為90km/h

B．該車以額定功率行駛時最長行駛時間為10h

C．若從完全沒電到充滿電用時9h，則充電電流約為4.96A

D．放電時電池可輸出的理論最大電荷量為9×104C

表1 某款電動汽車的參數

該試題正確選項為C.參考解析中利用能量關系U充I充t充=U放Q放，即336 V×I充×9 h = 60 V×250 A·h.可得充電電流約為4.96 A，對此求解方法學生并無異議.但較多學生和老師卻提出疑問：為什么不能用“Q=It，I= 250 A·h ÷9 h = 27.8 A”去計算呢？對此，筆者結合生活實際應用分析原因如下：

1 題中充電電壓336 V是充電器的輸出電壓

首先需要明確，如果直接施加給電池的充電電壓太高，會造成電池嚴重發熱甚至爆炸，有嚴重的安全隱患，因此實際生活中廠家規定的充電電壓，都只能略高于電池輸出電壓.例如平均輸出電壓為3.7 V的鋰離子電池的最高充電電壓約為4.2 V,輸出3.8 V的聚合物鋰電池最高充電電壓約為4.35 V,輸出12 V的鉛蓄電池最高充電約為14.4 V,本題中的60 V電池其最高充電電壓約72 V(具體會因電池種類及容量而略有變化，但一般不會超過75 V)[1]，是不能直接用336 V對其充電的.

也就是說，題中的336 V充電電壓其實是充電器(充電樁)輸出的間接充電電壓，實際上還需要經過“直流降壓模塊”降低到略高于60 V(如果不考慮充電損耗和實際充電策略，理想情況下可認為等于60 V)才能施加于電池.同時為了確保充電功率，在降壓的同時也會增加電流，其原理如圖1所示.

圖1 高壓充電原理圖

題中給出的充電電壓336 V(即U1)其實是充電器輸出電壓，那對應求解的充電電流也應該是充電器的輸出電流，即圖中的I1=4.96 A.故選項C是正確的.

如果用“Q=It，I= 250 A·h ÷9 h = 27.8 A”計算得到電流27.8 A，這是經過降壓后且不考慮充電損耗時直接施加于電池的充電電流I2，該直接充電電流I2是對應直接充電電壓U2(即60 V)的，和題中的U1=336 V并非對應關系.此處的直流降壓增流模塊在效果上和交流降壓變壓器相類似， 經過降壓后輸出電流是顯著大于輸入電流的.故流入降壓模塊(即充電器輸出)的電荷量Q1=I1t，是小于降壓模塊輸出的電荷量Q2=I2t(即250 A·h)的.也就是說，如果要用Q=It求解和336 V對應的充電電流，還需要知道充電器輸出的電荷量Q1，該電荷量是明顯小于電池的容量250 A·h的.

2 為什么需要采用較高電壓來對電池間接充電

由Q=It可知，為了實現快速充電，需要提高直接施加于電池上的充電電流，這就對充電接口和充電線材提出了更高的要求.以本題為例，如果充電樁直接用較長的電纜輸送60 V / 27.8 A(生活中的主流電動汽車的直接充電電流甚至達到幾百安培)的大電流給電池，這就需要很粗的導線，對應的充電接口的允許極限電流也需要做得很大，這在技術上和成本方面的要求是比較高的[2].另外大電流通過導線也會引起比較嚴重的發熱損耗.而如果充電器(充電樁)改為輸出336 V/4.96 A的較小電流，那么就可以采用較細較長的電纜連接汽車，對汽車上充電口的極限電流要求也可以放低，對應的線路損耗也較小.而降壓增流模塊是直接內置在汽車內部，甚至和電池整合在一起的，它和電池距離很近，可采用很短的粗導線連接，成本較低，發熱較小[3,4].

3 “升壓降流快充技術方案”在生活中應用較為廣泛

提高充電功率和間接充電電壓、同時降低間接充電電流，這種“升壓降流快充技術方案”在生活中是比較常見的.除了電動車，在手機和手提電腦等數碼產品中也廣泛使用.以筆者所用的紅米note9手機為例，其電源適配器參數如圖2所示.

圖2 某款手機充電器參數

可以發現，該充電器可以根據設備支持的不同充電協議，充電電壓可以調整為5 V,9 V,12 V，其中用5 V標準電壓充滿手機(內置電池容量5 000 mA)需要接近2 h，而采用9 V和12 V快充，雖然間接充電電流變小了，但充電時間反而明顯變短.

部分手機之所以也采用“升壓降流”充電方案，主要原因也是受到了充電接口和充電線路的限制.手機的充電接口，主要由Micro USB接口(老款安卓接口)、USB Type C接口、蘋果Lightning接口，都是非常迷你小巧的，其內部的單個金屬觸點寬度不到1 mm，遠小于家用電器的電源接口，是不適用于大電流的.同時手機充電線也比較細軟，其內部一般設計了4根導線(2根供電、2根傳輸數據)，故其中的供電導線的截面積是非常小的，同樣不適合大電流通過.所以采用較小的間接充電電流，對充電線和充電接口的要求就可以降低，還可以兼容早期的充電接口和充電線.當然，較小的間接充電電流進入手機內部后，同樣還需要經過“降壓增流”(核心是電源管理芯片)才能直接施加于電池進行充電.物理是和生產生活、科技前沿聯系非常密切的一門學科，中學物理教師也需要及時關注科技熱點和了解物理知識的最新生活應用，才能更好地培養學生的科學素養.