延長新能源汽車電池的使用壽命因素分析

袁國倫，覃 勇

(雅安職業技術學院，四川 雅安 625000)

0 引言

新能源汽車是指采用非常規的汽車燃料作為動力來源，綜合車輛的動力控制技術和驅動技術，綜合形成一個新型汽車。目前，新能源汽車主要包括混合動力電動汽車(HEV)、純電動汽車、太陽能汽車、燃料電池電動汽車等。對于新能源汽車在不同國家有不同的定義，在日本被稱為“無公害汽車”，主要是指以天然氣為燃料的汽車、混合動力汽車、電動汽車及以甲醇為燃料的汽車，在美國通常被稱為“代用燃料汽車”，隨著新能源的推廣使用，新能源汽車銷售量連年升高(圖1)。

圖1 我國新能源汽車的增長趨勢圖

新能源汽車主要是應增強環境保護、減少汽車污染排放及降低化石資源消耗要求而研究的，新能源汽車“綠色出行，節能減排”的關鍵核心部件是電池。近些年，新能源汽車行業發展迅猛，但是由于新能源汽車研究時間較短，在對電池方面研究進展緩慢，出現了許多問題。例如，電池使用壽命短，可靠性、安全性差等問題。因此，為了更好地推動新能源汽車行業的發展，需要從電池入手，解決新能源汽車的核心動力問題。

1 新能源電池

新能源汽車作為未來汽車行業發展的主要方向，電池成為新能源汽車動力核心部件，目前，我國新能源汽車市場電池總裝量連年升高，電池總裝量的升高對于新能源汽車的發展與電池技術都帶來了一定的挑戰性。現階段的新能源汽車電池主要分為鉛酸電池、鋰電池、燃料電池及太陽能電池等[1]。

鉛酸電池研究較早，發展成為比較成熟的技術，具有制作成本低、放電倍率高、轉化效率高等特點成為當前應用最多的動力電池，但是由于能量密度很低，所以鉛酸電池不能為汽車提供良好的續航能力；鋰電池與鉛酸電池相比，具有更高的儲存能力，其污染小、循環使用壽命時間長、自放電率小等特點使得鋰電池成為最有潛力的車用電池，是當下電池方面的研究熱點；燃料電池工作原理是通過化學反應將化學能轉化為電能，具有可靠性高、運行壽命長等優點，其中氫燃料電池理論上是可以真正實現零排放、零污染，同樣是未來汽車電池的研究方向。

2 新能源汽車電池壽命影響因素

新能源汽車電池在使用壽命管理方面研究緩慢，當下電池在使用過程中，諸多因素會導致電池使用壽命減少(圖2)，影響新能源汽車的使用體驗及用戶安全。影響新能源汽車電池的因素主要有以下幾點。

圖2 影響新能源汽車壽命的主要影響因素

2.1 電池技術落后

我國新能源汽車發展起步較晚，仍然處于發展階段，電池技術也處于較低水平。從電池的設計角度看，不同的電池設計會決定電池的運行方式、性能及所用材料。在新能源電池的正負極設計中，不同的材料設計會影響到電池的性能，電池運行過程中產生的磁性物質也會對電池的性能產生影響，導致電池容量降低，對電池的使用壽命產生嚴重影響。在設計過程中需要將電池的材料應用問題做更多的實驗分析，避免不穩定因素影響到電池的設計使用壽命。在電池的續航能力設計上仍然不能達到用戶需求，相關技術方面沒有關鍵性突破，無法從根本上解決電池穩定性差、使用壽命短等問題，盡管電池領域取得一些成就與進展，但是在對電池的剩余壽命預測，以及電池狀態檢測技術的實際應用方面仍然不能滿足用戶需求，無法從技術上解決電池壽命問題。

2.2 電池錯誤使用

如果說電池的設計是影響電池使用的內部原因，那么錯誤的電池使用方式就是導致電池使用壽命降低的外部原因。電池問題是影響新能源汽車運行的主要因素，而錯誤使用方式是導致電池出現故障的重要原因。電池的過放電及過充電都會對電池容量產生不可恢復的影響，會直接導致電池使用壽命降低。此外，很多用戶未對新能源電池實施正確的維護保養工作，甚至直接缺少電池的維護保養環節。電池的維護保養工作能夠對電池故障進行有效修復與排除，正確及時的維護保養工作能夠有效延長電池的使用壽命。電池的放電過程是電池內部能量轉換與材料消耗的過程，現階段電池管理系統中缺少對電池性能狀態的實時檢測，無法對電池荷電狀態、剩余使用壽命及性能狀態進行預測及監控，無法及時發現電池故障，無法第一時間制定維護策略和進行維護工作，更無法進行針對性地電池保養工作。

2.3 電解液界面膜的阻礙

電池在運行過程中，電池負極表面會產生一層電解液界面膜，會導致電池正負極失去平衡，影響電池內部的電能轉換，在電池經過多次充放電循環后會出現電池容量下降[2]，同時，正極活性物質由于界面膜的形成而減少，導致電池內部容量減少，影響電池使用壽命。另外，電池在充電過程中，電解液會與電極發生反應，消耗部分電解液，影響電池的電能轉換效率與容量，從而影響到電池的使用壽命，電解液與電極反應產生的氣體會增加電池內部壓力，容易產生爆炸，對電池系統安全產生威脅。

2.4 放電損失

電池容量變化直接影響到電池使用壽命，電池容量損失主要分為可逆電池容量變化與不可逆電池容量損失，其主要原因是電池在放置與充放電過程中都會發生自放電反應，影響電池容量。電池的荷電狀態是電池剩余電量與額定總電量的比例，比例越小，電池放電深度越深，越容易對電池使用壽命產生影響[3]，電池過放電會對電池內部造成破壞，影響電池壽命。另外，電池充放電倍率也會影響到電池容量變化，充放電倍率過高，電池內部電能轉化速率提升，加快反應速度，導致電池溫度上升，容易發生短路、起火，甚至爆炸，對電池造成不可逆轉的損傷，減少電池使用生命周期。

2.5 環境溫度影響

電池運行受環境溫度影響，不同規格電池對環境溫度要求不同，擁有各自的最佳運行溫度范圍，溫度會對電池的充放電效率產生影響。溫度過低會影響電解液與電極反應效率，溫度過高會導致電池充電效率過高，加快電池內部電極、電解液及添加劑消耗速度，從而影響到電池性能退化，減少使用壽命。

2.6 電池制造質量影響

除電池設計、環境溫度及自身反應外，最關鍵的因素就是電池制造環節的影響。電池制造商對電池的細節把控不足，為電池安全與質量問題埋下隱患。電池制造材料是否符合設計要求、電池漿料是否均勻、電池極片碾壓密度等制造工藝都對電池質量有直接影響。電池的散熱同樣是重點，部分新能源汽車電池通氣散熱設計不合理導致電池在使用過程中熱量無法及時排放，持續保持高溫，對電池外形及壽命都產生影響。

3 新能源電池延長壽命策略

3.1 科學使用電池

新能源汽車電池本身擁有循環使用壽命周期，在日常運行過程中，都會對使用壽命產生影響，但是科學使用電池，并進行合理地維護操作都會有效延長電池的使用生命周期。相反，錯誤地使用電池，例如，過度充放電等都會加快電池的使用壽命消耗。需要對電池進行防振防護，防止電池在汽車行駛過程中因振動造成斷路或內部構造損壞。需要避免電池長時間充電，同時也不能讓電池處于空電狀態，否則電池會產生不可逆的損傷，嚴重影響使用壽命。

3.2 剩余壽命預測技術

電池剩余壽命預測(RUL)是電池管理系統核心技術之一，是對電池剩余壽命進行預測分析，進行合理的維護保養，從而達到延長電池使用壽命的目的[4]。在電池維護工作中，需要引入故障預測、故障診斷、荷電狀態估計，以及剩余壽命預測等技術，對電池性能狀態進行合理有效的監管，從而保證電池安全高效運行。由于材料、使用方法、環境等因素，電池狀態變化各有不同，需要采用健康管理技術對電池狀態變化進行檢測。

3.3 形成完善的新能源汽車價值評估與資源循環

新能源汽車的回收拆解與資源循環利用在2021年首次在寧波慈溪工貿集團有限公司實施，基于當前綠色再制造技術的發展與資源循環利用理念的不斷提升，針對新能源汽車的使用，開展專門的新能源汽車的回收拆解、資源循環利用等業務，并聯合制定健全的報廢新能源汽車的剩余價值評估、回收利用體系等，開發運用線上線下高效回收新能源汽車模式，實時跨區域回收拆解，加強新能源汽車的循環與再生利用，主要工作流程與內容如圖3所示。

圖3 新能源汽車資源循環利用示意圖

4 新能源汽車的主要發展趨勢

在能源和環保的壓力下，新能源汽車無疑將成為未來汽車的發展方向。如果新能源汽車得到快速發展，以2021年中國汽車保有量1.35億計算，可以節約石油約3 000萬t，替代石油約2 690萬t，將汽車用油需求削減22.7%。但是由于新能源汽車發展時間較短，基礎設施不健全，如充電結構性供給不足、充電設施布局不合理等。新能源汽車整體生產規模仍顯滯后，沒有形成一定的商業發展規模與體系，中央政府與地方政府之間的政策銜接不充分，部分地方政府存在一些“地方保護主義”，導致消費者在汽車的選型中受到一定的局限性，嚴重制約了新能源汽車的市場發展空間。在新能源汽車制造的核心技術中我國整體創新能力較低，與一些跨國企業相比仍存在不小的差距。未來我國應致力于攻破新能源汽車的核心技術瓶頸，實現新能源汽車使用壽命及使用可靠性的增強。

5 總結

電池作為新能源汽車的主要動力源，需要加大對電池領域的研究力度與深度，不斷創新，實現電池在使用壽命、續航能力等方面的重大突破。科學使用并對電池系統進行科學有效管理，才能延長電池使用壽命。