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来源:OFweek电子工程发布时间:2023-03-032053浏览
询问 AI近日，小米公司创始人雷军今日在个人微信公众号表示，小米发布300W“秒充”技术。在300W有线充电模式下，Redmi Note 12 Pro＋魔改版的4100mAh电池仅需5分钟便可完全充满。
在视频展示中可以看到，只需43秒便可将手机电量充至10％；
（43秒可充至10％电量）
2分13秒，手机电量达到了50％；
（2分13秒充至50％电量）
5分钟时，手机电量完全充满至100%。
（5分钟充满100%电量）
这充电速度，着实“惊艳”了笔者一把。现如今快充技术已经成为电子产品的必备，不管是手机还是汽车，都会用到这项技术，借此机会，我们也来为大家揭晓下超高速快充技术背后的技术和发展历程。
01.
“神仙秒充”依靠的什么原理？
据雷军介绍，“300W神仙秒充”基于Redmi Note 12探索版魔改而来，从充电器端、手机端充电架构再到电池端，通过创新性设计与新材料引入，在手机快充体系上实现巨大技术突破。这无疑是手机快充赛道的又一里程碑，
在充电架构上，“300W神仙秒充”采用了定制的6：2电荷泵芯片，芯片最高转换效率高达98％，多颗电荷泵并联后直接给电池充电，实现了300瓦超大功率。相比常规的4：2电荷泵方案，解决了充电输入通路中的大电流发热问题，从源头降低充电温升。同时，多颗电荷泵采用分散式布局，有效避免发热集中，延长高功率充电时长。实测峰值功率高达290瓦，且280瓦以上功率持续时长超过2分钟。
如此高效的充电效率自然也对电芯电池等做出了更高的要求。据了解，300W神仙秒充基于双串电池设计，电芯输入电流高达30A，要求电芯需要具备15C超高充电倍率。而常规石墨负极难以提供更快的反应速度，是限制电池充电速度的最大瓶颈。因此，小米在手机电池中引入新型硬碳材料，相比石墨，硬碳结构更疏松无序，可为锂离子提供更宽松的反应通路。通过特定比例混合制成的“硬碳＋石墨”混合负极，可大幅提高充电速度，同时还兼顾高能量密度。
此外，在新制程工艺及流程优化等措施下，正负极片厚度也得到大幅压缩，相比常规极片进一步减薄35％。与此同时，通过引入新型锂盐添加剂，核心溶剂配比调制等，实现超高电导率电解液，有效提升锂离子迁移速率并降低充电温升。
在结构上也有所不同，常规的是采用双电芯并排形式，就是一块电池内部有两块电芯，可以同时以较高的电流对两块电芯进行充电，达到充电效率翻倍的目的。但小米这次创新性采用“三明治”堆叠方案，实现更强散热＋更高空间利用率。
上下两块超薄电芯与中间填充的相变散热材料充分接触，可将热量快速吸收并导出，快充中可以有效降低温度。与之匹配的电池PCM保护板也同样为双层设计，可有效将保护板空间占用降低50％。
不过，笔者注意到，在去年OPPO举办的“闪充开放日上，也曾推出多个闪充黑科技，其中就有一个叫内串双电芯设计的黑科技。这个技术的的设计方案是，首先双电芯采用上下垂直堆叠设计，内部采用叠片式结构。具有空间利用率高，电流损耗更小的特点。这样一以来，既提高了空间利用率，有效提升了电池容量，又减少了电流在电路上的损耗，降低了手机发热的程度，充电快速的同时更加安全。看起来，两者之间也有着异曲同工之妙。
（OPPO的内串双电芯设计）
值得注意的是，在功率大涨43％的情况下，300W充电器体积与小米上一代210W充电器完全相同，功率密度达到2.31W/cm³。据悉，这是因为采用了第四代GaN集成化方案，功率高、体积小、发热低，效率也更高。平面变压器更是采用集成化更高的模组化设计，进一步压缩器件的占用空间。在散热方面还在灌胶均热基础上额外增加了大面积石墨烯辅助散热，双重散热。
02.
充电速度“快到吓人”，安全性如何保障
当然，对于更多消费者而言，快充固然能满足其在电量告急时的需求，但安全性如何？据悉，以小米这块300瓦神仙秒充来看，雷军称从方案设计到元件选型上都对安全性进行了充分考虑。整机安全防护超50余项。如，充电架构中每颗电荷泵都有独立的输入过压、过流、过温以及输出过压保护；电池PCM相比业界常规方案更是多加5重核心硬件保护，确保用电安全。
但快充也并非想象的那么简单。据笔者了解，手机产品上实现快充，需要一整套定制的电路、电芯、接口、数据线以及配套的快充适配器，同时还需要做一套智能电源管理系统，以便让手机能够根据不同的充电情况提供安全智能的充电保护。
简单来说，手机要进行快充，手机本身和快充充电器都会加入相应的安全保护，同时也会设置不同的保护措施来保证安全。当前各大手机厂商推出的快充技术，不管是按照公有协议还是私有协议，都满足国内标准规范，并且充电时有保护机制，保证快充安全。
比如在散热方面，快速充电会导致电池局部过热,但是现在会使用石墨烯等一些新的散热材料,来保证其安全。
不过，虽说安全性确实有保障了，但并不代表电池就不会受到任何损伤。
从充电原理来看，电池的损害基本上来源于两方面：一是电池充放电时，电池的阴极与阳极会随离子的释放和吸收而缩小和膨胀，快充会破坏电池上的化学物质，导致电池寿命缩短；
二是在进行快充时，由于电流的比较高，电流的热效应会加剧，导致电池会产生高温，从而影响到手机的安全和稳定性，造成容量骤减和电芯永久性损坏的现象。
因此，快充虽好但电池的寿命也确实存在被影响的情况。从安全性来考虑，当前快充技术发展颇为成熟，快充变成“不定时炸弹”的事情也不太可能了。
03.
从2.5W到300W，充电功率暴涨120倍
“通电5分钟，通话两小时”这句广告词不知道多少人还记得，这也算是十分远古了，但手机快充的发展历史还要从更早说起。
要知道，在十几年前，手机的标配基本都是5V/0.5A的充电标准，一块800mAh的电池，只需要两三个小时就能充满，并可以使用一周之久。
随着手机功能越来越强大，内置硬件、应用软件越来越多，屏幕变大，处理器性能提升从而导致功耗增加等，800mAh的电池放在现在那是想都不用想，根本不够用。
因此手机电池扩容最先出现，先是增加到1000-2000mAh，但这期间充电功率并没有出现太大变化，大家也保留着白天用手机，晚上睡前冲上电的状态。但这样的弊端在于，电池容量大了，充电速度没变，因此一旦用电完了，又要等上不少时间。
于是在2012年7月，USB-IF（位于美国的USB标准化组织，全称USB Implementers Forum）率先提出了USB-PD 1.0标准，USB Power Delivery。这一标准给出了USB接口达100W的美好愿景，也就是iPhone祖传的“PD快充协议”。但在USB Type-C接口成为主流接口之前，100W充电只是美好的愿景。
2013年，Micro USB的高通QC 1.0出现，打破了5V/1A的魔咒，达到了5V/2A（10W）。但无论是5V/1A还是5V/2A，改变的都只是电流。要知道，电发热量＝电流平方 × 电阻，因此在电流、电压和电阻相同的情况下，电流对发热量影响最大，而电压对发热量影响最小。
如果电流越大，通过电阻时产生的热量越大，便会导致热量增加。在这种情况下，尽管功率确实变高了，但电能效率却下降了，更多的能量被浪费了，而浪费的这部分能量大部分都变成热能散失了。
直到2014年8月，USB-IF发布了具有革命性意义的USB Type-C 1.0接口标准和USB-PD 2.0标准。由于USB-IF本身的优势，USB Type-C接口理论上最大支持20V/5A的速度。但是，此时的Type-C 还未被各大厂商采纳，因此PD 1.0和QC 1.0的快充协议依然是市场的主流。
同年里，Micro USB/USB-A接口的QC 2.0开始尝试改变充电电压，从5V提升到了9V/12V/20V等档位，也就是在QC 1.0的基础上保持相同2A电流，实现了18W大功率电力传输，并且要尝试新的QC 2.0，不需要更换充电线，只需要更换变压器。
但是QC 2.0的“固定电压”管理机制也十分简单粗暴，它会直接将输入电压从5V跳到9V或12V并一路冲到总电量的90％（这个标准可由厂商定制），再通过涓流充电补充到100％的电量。由此会引出一个问题：在以9V/12V电压快充时，电池两端电压与DC/DC转换电路的输入输出电压差值较大，因而功耗比较严重从而带来了手机发热的问题。
因此，高通又改变了策略，在2015年推出基于USB Type-C的QC 3.0。QC 3.0是波动电压，有智能自动调节电压的功能，在9V/12V的电压基础上，细分电压档，用上独特的INOV算法，以0.2V为一档设定电压，最低达3.6V，最高达20V，保护手机电池，避免发热。电量到达90％，自动转化成涓流充电。并且QC 3.0还向下兼容QC 2.0。由于也使用了Type-C接口，电流可以提升到了3A，电压更低，所以效率提升达38％，充电速度提升27％，发热更是降低45％。
高通的QC 3.0确实好用，但没想到遭到了谷歌的无情打压，谷歌要求高通在安卓系统下必须使用USB-PD协议。原因很简单，USB-PD协议是USB-IF标准化组织推出的，而Google公司是USB-IF协会成员，同时也是USB PD快充标准的发起者之一。
继QC 3.0被打压后，QC 4.0在2016年匆匆上线。这次高通学会了，加入了USB-PD支持。QC 4.0撤除了12V电压档，5V电压可输出最大5.6A，9V电压可输出最大3A，电压继续细分0.2V为一档。
（高通QC充电技术介绍）
在2017年，USB-IF组织发布了USB-PD 3.0标准的重要更新——USB-PD PPS，目的是规范市场的花式增压增流。同年，QC 4.0＋作为QC 4.0的升级版出现，也增加了QC 3.0、QC 2.0的兼容支持。
不过，在这十多年来的快充标准变迁中，统一移动设备充电的标准依然是收效甚微。以安卓手机为例，尽管统一了充电接口，但并不等于统一充电协议。
现在安卓手机基本都在用Type-C口充电，但充电速度却是千差万别，充电功率从几十瓦到两百多瓦，甚至出现了小米最新带来的三百瓦。这背后，混乱的快充协议比比皆是，除了QC/USB-PD以外，各类品牌的私有协议也不断迭代，不同品牌之间的壁垒不降反增，消费者的用户体验也大打折扣。
04.
赛道现状：神仙打架，各有千秋
其实近几年可以看到，各大厂商都把快充作为手机的最大卖点之一，继而开发出超级快充/闪电快充等新名词。但从完整性角度来说，超级快充的实现依赖于手机、充电头、充电线这一整套设备。充电头决定了充电时的最大电流和电压的大小；而充电线决定了充电时电流流过的电阻是多少，如果说充电线不好，电阻大了，同样也充不快，而有充电线，没有快充头，更是无法实现快充。
而在充电协议方面，众多厂商也是各有奇招。比如在私有协议方面，三星有AFC快充协议，该协议首次运用在Galaxy Note 4上。AFC在后面发布的Galaxy S6，S7/S7 Edge，Note7以及Galaxy A上都得到了很好的运用。但在最新的爆料称，三星Galaxy S22 Ultra将采用新款45W充电器EP-T4510。据说这款充电器可以在30分钟内将三星Galaxy S22+和Galaxy S22 Ultra的电池从0%充到70%。
（外媒曝光的新款45W充电器EP-T4510）
华为的快充协议分为FCP（Fast Charge Protocol）和SCP（Super Charge Protocol），前者在早期用的比较多，属于高压快充的流派。现在主要以SCP为主，也是只支持自家的机器。目前，华为最知名的Mate 50系列使用的是66W超级快充。
（华为超级快充充电器Max 66W）
小米用的是Mi Turbo Charge协议，早期小米魔改数据线A口，兼容了PD快充协议，随后开始大力发展自家的私有协议。其通过自研快充芯片澎湃P1，在小米12 Pro上首次实现了单电芯120W的速度。其最新推出的300W秒充技术就不用多说了，看起来还是十分惊艳的，但毕竟是在魔改版上进行的实验，是否真的能落实到在售产品中还有待观望。
OPPO则是在2014年发布了VOOC快充协议，“充电5分钟，通话两小时”说的就是它。第一代VOOC采用5V/4.5A＝22.5w的充电方案。后来VOOC发展成为Super VOOC。在目前火热进行的2023年MWC世界移动通信大会上，OPPO刚发布了旗下首个三合一充放电一体的全链路电源管理芯片SUPERVOOC S，这也是目前手机领域最高效的充放电解决方案。
（OPPO全链路电源管理芯片SUPERVOOC S）
vivo的闪充协议叫做Flash Charge协议，也是目前来看私有性做得比较好的协议,目前能够达到的最大充电功率为200W，由子品牌IQOO系列首次使用。不过在适配充电器、充电头和移动电源时，基本只能选择vivo的原装产品，因为Flash Charge私有协议没有做过多的公开，同时对通用标准QC和PD的兼容性也没那么好，这也是很多vivo手机的用户的苦恼。
（vivo子品牌IQOO系列的200W Type-C闪充）
05.
推动统一手机快充标准刻不容缓
众所周知，快速充电功能目前已经成为国产手机和数码产品的标配，快充效率也是这些电子产品重要卖点之一，很多产品都能实现半小时充满80％电量的水平。然而，许多厂家的快充技术不能互相兼容，接口、协议、线缆不互通，不仅影响用户体验，也存在安全隐患。
想想就知道，每次换一款手机就得换一款充电头，不同充电头无法继续使用，只能弃之不用。根据市场数据显示，全球智能手机和物联网设备的年出货量已经超过了20亿，每年仅多余的充电器就产生超过1.1万吨的电子垃圾和60万吨的碳排放。在此背景下，推动统一手机快充标准，让同一种充电头能适配上各款手机才最符合广大用户需求。
在去年，欧盟达成临时协议，强制要求所有手机、平板电脑和相机等15种电子产品在2024年秋以后都必须使用USB Type-C接口作为通用充电端口，其中针对意味很强，正好包括了苹果公司一直采用Lightning接口的iPhone系列。有分析师表示，2023年下半年苹果推出的新iPhone将可能更换为Type-C接口。
在推进统一手机快充标准上，我国的进展更是迅速，早在2016年就确立了统一手机充电接口和技术指标的国家标准。目前，工信部已指导制定了《移动终端融合快速充电技术规范》《移动终端融合快速充电测试方法》两项团体标准。
据工信部信息通信管理局一级巡视员王鹏介绍，推动建立兼容统一的快充技术标准实际上是势在必行。不断健全以自有技术为核心的快充标准体系，逐步实现我国智能终端设备充电标准的统一，减少电子垃圾、助力产业实现绿色发展。
如此一来，不仅仅是现在的手机终端，与之相近的平板电脑等中功率产品，今后都可以用到这个技术，使得老百姓在使用这个终端充电的时候，能快速使用到统一标准的这种充电装置。
不过，回到本文最初提到的本质，快充确实给人们带来了极大的便利性，但超越了一般功率的超级快充／闪电快充到底有没有必要呢？大家可以看到，超级快充技术通常都展示的是从1％到100％的充电过程，但现代人使用手机，谁会真正的把电量用到1％才想起来充电呢。就算真的出现了如此严重的求点，要用上超充技术那还得保证自己有携带原装充电器的习惯，还总能找到可以充电的地方。
另一方面，如果我们的习惯是每天睡觉前插上电，第二天早上带着满格电量的手机出门，那么30分钟内充满和1小时内充满、2小时内充满，其实没有任何区别。如果第二天出门的中途电量不足，我会考虑用充电宝补血，那么相比超级快充，我需要的可能是一块容量更大的电池，让手机能用的更久，而不是多充几次。
总而言之，快充技术一直在迭代，也将不断推进旗舰快充的快速普及，虽然在手机上已经接近饱和了，但它依然可以沿用到给汽车电池充电等场景中。如果仅仅是对于智能手机来说，厂商“秀肌肉”固然是一方面，但快充性能是否过剩是一个问题。另一方面也是更希望厂商能够在手机系统的用户体验，在品控上多下功夫。
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