純電動(dòng)汽車充電技術(shù)和電池材料的探究

胡燕芬，李敦邁

（長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

1 電動(dòng)汽車在我國(guó)的發(fā)展現(xiàn)狀

2018年汽車總銷量達(dá)到2800多萬(wàn)輛，電動(dòng)汽車銷量占總銷量的百分之五。我國(guó)電動(dòng)汽車行業(yè)自從2014年全面爆發(fā)，過(guò)去五年發(fā)展速度極其迅猛。比亞迪、吉利、北汽、上汽乘用車等這些傳統(tǒng)車企的電動(dòng)汽車銷量都排名靠前，于此同時(shí)，互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)同樣為電動(dòng)汽車帶來(lái)了新的思路，蔚來(lái)、小鵬汽車等新興車企發(fā)展的如火如荼。電動(dòng)汽車這一領(lǐng)域的快速發(fā)展，很大程度上歸功于國(guó)家政策的支持。2019年3月5日，海南省宣布2030年起全面禁售燃油車，這也預(yù)示著電動(dòng)汽車在我國(guó)未來(lái)的大發(fā)展。

電動(dòng)汽車采用的電池通常有三種：鉛酸蓄電池，鎳氫電池和鋰離子電池。鉛酸蓄電池成本低，適用于大批量生產(chǎn)，最早應(yīng)用于電動(dòng)汽車，應(yīng)用于城市公交和大巴中居多，但是由于鉛酸蓄電池自身電池特性的限制，導(dǎo)致其比能量較小，無(wú)法滿足電動(dòng)汽車的需要[1]。目前越來(lái)越多的電動(dòng)汽車采用鎳氫電池和鋰離子電池，他們的比能量和比功率相對(duì)較大，相較于鉛酸蓄電池有更大的優(yōu)勢(shì)。鎳氫電池價(jià)格相對(duì)較高，其對(duì)環(huán)境造成的污染較小，應(yīng)用也越來(lái)越廣。隨著鋰離子電池的發(fā)展，鉛酸蓄電池和鎳氫電池的市場(chǎng)份額會(huì)逐漸的縮小，而鋰離子電池的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣。例如日本的豐田prius就應(yīng)用了鋰離子電池，這是汽車企業(yè)在電動(dòng)汽車電池這一方面的成功的嘗試。

2 電動(dòng)汽車存在的問題與前景展望

2.1 續(xù)航問題

目前我國(guó)電動(dòng)汽車的續(xù)航里程仍然較短，諸多企業(yè)均以60km/h的續(xù)航里程作為賣點(diǎn)，但這并不準(zhǔn)確，因?yàn)槠囋趯?shí)際運(yùn)行中會(huì)遇到各種各樣復(fù)雜的工況。這些電動(dòng)汽車以實(shí)際工況行駛，往往與企業(yè)宣傳的相差甚遠(yuǎn)。電動(dòng)汽車在啟動(dòng)和停止時(shí)會(huì)消耗大量的電能，因此以勻速狀態(tài)計(jì)算的電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程是不正確的，需要考慮行車環(huán)境、車輛性能、道路狀況和各方面復(fù)雜的因素。目前電動(dòng)汽車實(shí)際巡航里程只有兩三百公里，與汽車商家宣傳的續(xù)航里程相差甚遠(yuǎn)[2]。而續(xù)航里程不準(zhǔn)確往往會(huì)給用戶帶來(lái)里程焦慮，因?yàn)橛脩艉茈y確切知道車子實(shí)際上還能跑多遠(yuǎn)、多久。為了改善這一情況，生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)該采取更接近與實(shí)際工況的駕駛狀況來(lái)標(biāo)定電動(dòng)汽車電池電量，也就是續(xù)航里程。在這一方面，美國(guó)較為領(lǐng)先，美國(guó)采取EPA標(biāo)準(zhǔn)，在市區(qū)、高速路、激烈駕駛、開啟空調(diào)四種工況來(lái)回循環(huán)往復(fù)，來(lái)標(biāo)定電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程。由于考慮到我國(guó)與其道路狀況和人口密度的不同，應(yīng)該根據(jù)自己的路況來(lái)制定一套標(biāo)準(zhǔn)，目前我國(guó)在這一方面已經(jīng)做出了巨大的努力，填補(bǔ)了標(biāo)定續(xù)航里程的空白。

同時(shí)也需要準(zhǔn)確計(jì)算和測(cè)定電池的SOC，可以通過(guò)電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)方程來(lái)準(zhǔn)確計(jì)量電池的SOC數(shù)值[3]，另一種方法是可以通過(guò)測(cè)量電池外特性參數(shù)來(lái)測(cè)得電池的SOC值。

2.2 充電問題

目前電動(dòng)汽車的充電方式有交流充電（車載交流充電）、直流充電、換電池、無(wú)線充電等方式。交流充電是通過(guò)車載充電機(jī)向汽車充電。車載充電機(jī)通過(guò)插座和電纜連接到電網(wǎng)將交流轉(zhuǎn)化為直流，向電動(dòng)汽車提供動(dòng)力。車載充電器將電動(dòng)汽車的充電地點(diǎn)多元化，只要電動(dòng)汽車在路邊或者小區(qū)有電力的地方就可以充電，同時(shí)這種慢充不會(huì)損傷電池[4]。但是它電流功率小，并且充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，一般需要六到八個(gè)小時(shí)。對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，只有行駛距離較短或者不需要急需用車的情況下這種充電方式的弊端才不會(huì)暴露。

直流充電是直接向電動(dòng)汽車提供直流電。這種方式不需要車載充電器，直接將電路轉(zhuǎn)化為直流電。直流充電的功率特別高，一般為40～60甚至100多kW。大功率輸入會(huì)對(duì)電池造成很大的損害，并且也會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成很大的沖擊，給電力系統(tǒng)造成很大壓力。如果在一個(gè)區(qū)域內(nèi)將很多輛汽車同時(shí)接入電網(wǎng)充電，可能會(huì)造成該局部區(qū)域斷電，給國(guó)家造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。但是采用直流充電，將會(huì)大大縮短充電的時(shí)間，比如說(shuō)鋰電池采用直流充電，充電時(shí)間將縮短到一個(gè)多小時(shí)。目前研究人員正在研究一種方法，使電池接入電網(wǎng)時(shí)，既能在電池電量低時(shí)給電池充電，同時(shí)在電池電量過(guò)多時(shí)，將電能賣給“電網(wǎng)”。電動(dòng)汽車在其再生制動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生電能給電池充電，可能會(huì)導(dǎo)致電池電量過(guò)多。而將電能輸送給電網(wǎng)，也是一種節(jié)約能源和充分利用能源的好的方式[5]。

目前，一些企業(yè)也在考慮換電池。當(dāng)電動(dòng)汽車的電池電力消耗完畢，它可在一個(gè)規(guī)定的區(qū)域內(nèi)，由專業(yè)人員對(duì)電動(dòng)汽車的電池進(jìn)行更換，這樣的更換過(guò)程的時(shí)間一般只需要三分鐘，會(huì)大大縮短用戶等待的時(shí)間，這種換電方式耗時(shí)最短。目前有的新興電動(dòng)汽車造車企業(yè)正在考慮這種方案應(yīng)用的可能性。但是目前最大的難點(diǎn)也就是電池規(guī)格和電池布置的統(tǒng)一以及專業(yè)維修人員的培養(yǎng)。統(tǒng)一電池規(guī)格需要各家汽車企業(yè)通力合作才能實(shí)現(xiàn)，難度較大。同時(shí)目前中國(guó)還沒有大批的這種換電方式的技術(shù)工人。因此這種方式可能需要更長(zhǎng)的時(shí)間才能得到大規(guī)模應(yīng)用。目前只在一些固定線路上比如公交車上得以應(yīng)用。

2.3 電池問題

電動(dòng)汽車最早應(yīng)用鉛酸電池，目前仍應(yīng)用于電氣輔助設(shè)備。但其能量密度低、體積大從而導(dǎo)致電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程的下降。并且在其使用過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)虧電、失水，導(dǎo)致電池壽命的減少。目前已退出主流市場(chǎng)。

自二十世紀(jì)九十年代發(fā)展起來(lái)的鎳氫電池，比功率、能量密度相較于鉛酸電池都有很大提高，利用其快速重放電的特性，在混合動(dòng)力汽車得以應(yīng)用[6]。高速時(shí)，利用發(fā)電機(jī)向電池組充電，低速或者啟停頻繁時(shí)，鎳氫電池代替汽油或者柴油發(fā)電機(jī)，向汽車提供動(dòng)力。但其高溫充電情況差，比能量較鋰電池低，且價(jià)格昂貴。

目前，電動(dòng)汽車九成以上都采用磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池。以比亞迪“秦”為例，只有13kWh的電池驅(qū)動(dòng)峰值功率110kW的電機(jī)。可以計(jì)算出，當(dāng)“秦”滿電時(shí)其最大放電倍率高達(dá)8.4C。這體現(xiàn)了其高倍率放電的優(yōu)越性。其最大的缺陷是能量密度低，低溫電池容量迅速降低。三元鋰電池則克服了磷酸鐵鋰電池能量密度低的劣勢(shì)，但是其高溫電池穩(wěn)定性降低了很多，隨著電池管理技術(shù)的發(fā)展，這一方面得以改善。