為什么不能用Q=It來(lái)計(jì)算充電電流
——由一道高三試題引發(fā)的爭(zhēng)議

何忠燕

(江蘇省梁豐高級(jí)中學(xué) 江蘇 蘇州 215621)

由新疆青少年出版社出版的《試題調(diào)研(2022年第8輯物理)》有一道最新原創(chuàng)試題，內(nèi)容如下：

A．該電動(dòng)汽車(chē)的最大行駛速度為90km/h

B．該車(chē)以額定功率行駛時(shí)最長(zhǎng)行駛時(shí)間為10h

C．若從完全沒(méi)電到充滿(mǎn)電用時(shí)9h，則充電電流約為4.96A

D．放電時(shí)電池可輸出的理論最大電荷量為9×104C

表1 某款電動(dòng)汽車(chē)的參數(shù)

該試題正確選項(xiàng)為C.參考解析中利用能量關(guān)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(duì)此求解方法學(xué)生并無(wú)異議.但較多學(xué)生和老師卻提出疑問(wèn)：為什么不能用“Q=It，I= 250 A·h ÷9 h = 27.8 A”去計(jì)算呢？對(duì)此，筆者結(jié)合生活實(shí)際應(yīng)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(huì)造成電池嚴(yán)重發(fā)熱甚至爆炸，有嚴(yán)重的安全隱患，因此實(shí)際生活中廠家規(guī)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(huì)因電池種類(lèi)及容量而略有變化，但一般不會(huì)超過(guò)75 V)[1]，是不能直接用336 V對(duì)其充電的.

也就是說(shuō)，題中的336 V充電電壓其實(shí)是充電器(充電樁)輸出的間接充電電壓，實(shí)際上還需要經(jīng)過(guò)“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(shí)際充電策略，理想情況下可認(rèn)為等于60 V)才能施加于電池.同時(shí)為了確保充電功率，在降壓的同時(shí)也會(huì)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(shí)是充電器輸出電壓，那對(duì)應(yīng)求解的充電電流也應(yīng)該是充電器的輸出電流，即圖中的I1=4.96 A.故選項(xiàng)C是正確的.

如果用“Q=It，I= 250 A·h ÷9 h = 27.8 A”計(jì)算得到電流27.8 A，這是經(jīng)過(guò)降壓后且不考慮充電損耗時(shí)直接施加于電池的充電電流I2，該直接充電電流I2是對(duì)應(yīng)直接充電電壓U2(即60 V)的，和題中的U1=336 V并非對(duì)應(yīng)關(guān)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(lèi)似， 經(jīng)過(guò)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(shuō)，如果要用Q=It求解和336 V對(duì)應(yīng)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(lái)對(duì)電池間接充電

由Q=It可知，為了實(shí)現(xiàn)快速充電，需要提高直接施加于電池上的充電電流，這就對(duì)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(zhǎng)的電纜輸送60 V / 27.8 A(生活中的主流電動(dòng)汽車(chē)的直接充電電流甚至達(dá)到幾百安培)的大電流給電池，這就需要很粗的導(dǎo)線，對(duì)應(yīng)的充電接口的允許極限電流也需要做得很大，這在技術(shù)上和成本方面的要求是比較高的[2].另外大電流通過(guò)導(dǎo)線也會(huì)引起比較嚴(yán)重的發(fā)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(xì)較長(zhǎng)的電纜連接汽車(chē)，對(duì)汽車(chē)上充電口的極限電流要求也可以放低，對(duì)應(yīng)的線路損耗也較小.而降壓增流模塊是直接內(nèi)置在汽車(chē)內(nèi)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(dǎo)線連接，成本較低，發(fā)熱較小[3,4].

3 “升壓降流快充技術(shù)方案”在生活中應(yīng)用較為廣泛

提高充電功率和間接充電電壓、同時(shí)降低間接充電電流，這種“升壓降流快充技術(shù)方案”在生活中是比較常見(jiàn)的.除了電動(dòng)車(chē)，在手機(jī)和手提電腦等數(shù)碼產(chǎn)品中也廣泛使用.以筆者所用的紅米note9手機(jī)為例，其電源適配器參數(shù)如圖2所示.

圖2 某款手機(jī)充電器參數(shù)

可以發(fā)現(xiàn)，該充電器可以根據(jù)設(shè)備支持的不同充電協(xié)議，充電電壓可以調(diào)整為5 V,9 V,12 V，其中用5 V標(biāo)準(zhǔn)電壓充滿(mǎn)手機(jī)(內(nèi)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(shí)間反而明顯變短.

部分手機(jī)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(jī)的充電接口，主要由Micro USB接口(老款安卓接口)、USB Type C接口、蘋(píng)果Lightning接口，都是非常迷你小巧的，其內(nèi)部的單個(gè)金屬觸點(diǎn)寬度不到1 mm，遠(yuǎn)小于家用電器的電源接口，是不適用于大電流的.同時(shí)手機(jī)充電線也比較細(xì)軟，其內(nèi)部一般設(shè)計(jì)了4根導(dǎo)線(2根供電、2根傳輸數(shù)據(jù))，故其中的供電導(dǎo)線的截面積是非常小的，同樣不適合大電流通過(guò).所以采用較小的間接充電電流，對(duì)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(dāng)然，較小的間接充電電流進(jìn)入手機(jī)內(nèi)部后，同樣還需要經(jīng)過(guò)“降壓增流”(核心是電源管理芯片)才能直接施加于電池進(jìn)行充電.物理是和生產(chǎn)生活、科技前沿聯(lián)系非常密切的一門(mén)學(xué)科，中學(xué)物理教師也需要及時(shí)關(guān)注科技熱點(diǎn)和了解物理知識(shí)的最新生活應(yīng)用，才能更好地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng).