电池之迟

宋喜秀

电池之迟

宋喜秀

车载动力电池，是电动汽车主演，电池性能迟钝，成为发展短板：充电时间太长，迟迟不能充满；放电时间太短，续驶里程衰减；负重爬坡吃力，配置优化迟缓；投机取巧频出，不利长远发展。解决电池之迟，已经刻不容缓。

新能源；电池；容量；安全

电池是化学能转变为电能的一种载体，由于车载动力电池单元的电气性能直接决定了电动汽车整车的机动性能，所以人们对动力电池的发展瓶颈特别关注。力学性能迟钝，充电过程迟缓，补贴机制呆板……车载动力电池的各种短板效应，已经到了矛盾突出、亟待解决的关键时期。

追根溯源，电池之迟，迟在三个方面：容量有极限，安全有局限，补贴有时限。

1 能量容量极限

1780年秋，意大利医学家伽伐尼(Luigi Galvani)在解剖一只青蛙时，发现手术刀碰到青蛙大腿上的神经时，已经死掉了的青蛙的大腿会产生抽搐。伽伐尼换用铜和铁、铜和银等不同的金属器械连接到青蛙的肌肉和神经上，青蛙的尸体都会发生抖动；改用玻璃之类的介质搭接神经，青蛙腿则不会抖动——这就是电流生理学发展史上著名的“青蛙试验”。伽伐尼就此认为动物有自发电的本能，并认为动物的脑部是“分泌”电液的器官。

同时期的意大利物理学家亚历山德罗·伏打(AlessandroVolta，又译伏特)却不以为然。伏打强调，电流效应的主体不是动物体，而是那些金属器械的属性差异，并于1800年春天以锌为负极，银为正极，用盐水作电解质溶液，成功发明了人类历史上第一套化学电源装置——“伏打电池(图1)”。

电解质溶液中正负两个电极的不同电势产生的电势差(电压)，是驱动电荷流动的根本动力。伏打电池开辟了化学电源和电气化学工业新时代，“伏打”也被命名为电压参数U的计量单位(V)而载入史册。电压1V的物理学定义是：在载荷为恒定电流1A(安培)的导线上，功率消耗为1W(瓦)的两点之间的电势差。电势差的形成离不开电极、回路、电解质及自发进行的氧化还原反应四项基本条件。

根据氧化还原反应的可逆性不同，科学家把化学电源划分为原电池与蓄电池两大类。

1.1 原电池

原电池是指电解质溶液中化学反应不能逆转，化学电能不可持续的一次性电池。原电池放完电后，电化学反应停止，电势差归零；离子不上岸，电子不下水，只有补充电极活性、电解质溶液，恢复氧化还原反应，才能恢复电源功能，而不能通过逆向充电重复使用。

顾名思义，原电池的电能来源于电池中的化学原料——普通的一次性干电池、碳氧电池、金属锂原电池、燃料电池(Fuel Cell，缩写FC)都属于原电池。燃料电池是燃料与氧化剂通过电极反应将其化学能直接转为电能的能量生成装置。英国的Grove以铂为电极催化剂，于1839年发明了燃料电池，并用这种简单的电池点亮了伦敦讲演厅的照明灯。

燃料电池的燃料除了氢气，还有天然气、甲醇和柴油等其他液体燃料。如果使用的是纯氢气，燃料电池的排放物就是水蒸气。只要外部不断地供给燃料和氧化剂，燃料电池就能连续稳定地发电。电动汽车应用最多的燃料为氢(H2)和甲醇(CH3OH)，是高效率、高环保、没有雾霾基因的绿色电池，与其有关的3类电池的构成如表1。

表1 3类燃料电池的构成

氢燃料电池的发电过程是电解水的逆反应(图2)：把车载高压(70 MPa)氢瓶中的氢气和空气中的氧气分别供给阳极(负极)和阴极(正极)，氢原子中的一个电子被分离出来，失去电子的氢离子(质子)通过质子交换膜到达阴极；而放出的电子通过外部的负载到达阴极形成电流；电子、氢离子和氧原子在阴极结合生成水。

氢燃料电池的电极用特制多孔性材料制成，电极本身不含活性物质，是催化转化元件，但却是氢燃料电池的一项关键技术，既要为气体和电解质提供较大的反应接触面，还要对电池的化学反应起催化作用。燃料和氧化剂在电极上不断进行反应，排出生成物。

由于自身结构的局限性，氢燃料电池存在着输出电压相对较低(0.7 V)且电压值不稳定等缺点。所以，氢燃料电池在电动汽车上的大规模应用还存在着技术、工艺、成本等障碍。为了促进氢燃料动力电池汽车的发展，丰田汽车于2015年1月宣布开放其5 680项燃料电池技术专利的使用权。

1.2 蓄电池

与原电池相对，蓄电池是一种储能装置，能够通过可逆的化学反应实现再充电，属于二次电池。充电时利用外部的电能使内部活性物质再生，把电能储存为化学能，需要放电时再次把化学能转换为电能输出。按电解液成分分为碱性蓄电池和酸性蓄电池，2种蓄电池的典型代表分别是镉氢蓄电池和铅酸蓄电池。

1859年法国人普兰特(GastonPlante)发明的铅酸蓄电池，是最早的可充电电池，也是使用时间最长的酸性蓄电池，人们乐此不疲地对其技术细节进行改进和完善，美国奥巴马政府甚至将新型铅酸蓄电池定义为“下一代电池”。铅酸蓄电池的先天不足有：充电时产生的酸雾，腐蚀性极强；需要补液，检查硫化；与碱性电池相比，铅酸蓄电池的能量密度低。但是，铅酸电池技术最成熟，生产和配置成本最低，所以依然是大部分国产低速电动汽车的首选动力。几种常用蓄电池的物理性能见表2。

表2 3类常用蓄电池的单体电压

锂是直径最小最活泼的金属，直径小体积小所以容量密度高，但是，化学特性太活泼，则潜在着安全隐患——锂金属暴露在空气中时，会与氧气产生激烈的氧化反应而爆炸。科学家们发现石墨及钴酸锂等材料的分子结构，是纳米等级的小格子，可以用来储存锂原子，避免锂原子与氧气接触而爆炸。锂离子电池以碳素材料为负极，以锂离子嵌入化合物为正极，没有金属锂存在，只有锂离子，所以叫锂离子电池。锂离子电池的充放电过程，就是锂离子的嵌入和脱嵌过程。锂离子电池能量密度大，输出电压高，自放电小，工作温度范围宽,充电效率高，输出功率大，使用寿命长,不含有毒有害物质，被认定为可以取代铅酸蓄电池的绿色电池。

电动汽车用锂离子动力电池主要正极材料包括锰酸锂(LMO)、磷酸铁锂(LFP)、镍钴锰(NCM)。总部设在美国加州硅谷地带的特斯拉(Tesla)汽车公司，是世界上第一个采用锂离子电池的电动车公司，我国于2005年7月开发出大容量磷酸铁锂电池，目前已装备数百个纯电动商用车目录车型。

1.3 电池组

除了电压之外，电池的第二个重要性能参数是容量C(Ah)，容量C是在温度、放电率、终止电压等技术参数一定条件下电池能够放出的电量，是在连续放电时间T(h)内对电流I(A，安培)的积分，计算公式为：C=∫I·dt。

电池容量按照不同条件分为实际容量、理论容量与额定容量。额定容量是指在某一放电率下于25℃放电至终止电压所要求的最低限度的容量，是设计与生产时规定的电池的容量，有8 Ah、12 Ah、14 Ah等多种规格。电池的路端电压U(v)是额定的，额定电压与额定容量的乘积就是电池存储电能的能量E(KWh，千瓦时)。E=∫U·I·dt=U×∫I·dt=U×C。

单体二次电池的电能容量十分有限，而片面提高电池容量时，往往又会降低电极的稳定性，付出牺牲循环寿命的代价。所以，单体二次电池通常按照模块化、标准化技术路线，与连接器、监测器、电池架等辅助设施按照电气模式组合成电池包、电池组，用作汽车的动力单元。表示电池组输出电压-电流关系的伏安特性曲线，以及输出功率-电流关系的功率特性曲线见图4。

由图4可以看出，电池组在开路时输出电压最高，在短路时输出电流及输出功率最大。如何使电池组输出的各项性能指标达到最优状态，需要对电池组进行系统管理。电池包、电池模组的组合过程赋予了电池组成本效应和系统功能，并通过BMS(Battery Management System，电池管理系统)管理电池单元，监控电池单体，延长电池寿命。

2 充电放电风险

蓄电池充电时，充电电源电压必须高于电池的总电动势，还必须对充放电电压、电流进行安全防护。以锂离子电池为例，充电时必须控制电压上限，因为锂电池过充到电压高于4.2 V后，正极材料内游走到负极的离子数目过半，剩下的锂离子数量不到一半，此时储存格很容易垮掉，使电池容量产生永久性的下降。放电时必须控制电压下限，当电压低于2.4 V时，部分电极材料会被破坏，因此，放电过程不能放到2.4 V才停车。

充放电时还要对电流进行限制。电流过大时，锂离子来不及进入储存格，会在获得电子后在材料表面聚集，产生锂原子结晶，这与过充一样，是一种安全隐患。一般锂电池组内，除了锂电池芯外，都会有一片保护板，这片保护板主要就是提供电电压上限、放电电压下限、及电流上限三项保护。一旦电池外壳破裂，就会发生爆炸。

充电电源有交流传导充电、直流传导充电与无线充电3种类型。传导充电过程控制有连续电流充电与脉冲电流充电两种模式。

脉冲充电采用智能控制算法实施对充电电流脉冲宽度T1、间歇脉冲时间T2、放电电流脉冲T3的分段调节(图5)，以消除被充电电池组的电极化现象，减少大电流充电产生的热量，使电池组时刻处于较佳的电流接受状态，提高充电速度和充电效率。一般属于快充模式。

连续电流充电按电流大小不同细分为慢充、快充2种路线，以标称容量为1 C的电池为例，0.1～0.2 C的充电电流为慢充，0.2 C以上的充电电流为快充，0.8 C的充电电流则为超快速充电。为了规范充电流程，保证充电安全，国家制定了《GB/T 18487.1-2015电动车辆传导充电系统一般要求》和《GB/T 20234.2-2015电动汽车传导充电接口》汽车行业标准。

2.1 交流充电桩

交流充电桩是安装在电动汽车车外、与交流电网连接，为电动汽车车载充电机提供交流电源的供电装置。交流充电桩可以同时具备计量计费功能和安全防护功能。交流充电桩工作原理见图5。

交流充电桩由主电路、控制电路及显示窗口、传感器和通讯接口等3部分组成。其中，主电路是充电桩的配电系统，负责交流电源与充电接口之间的连接与切断；控制电路由PLC控制器及其功能扩展模块组成，实施充电桩正常运行控制、各功能块的保护、故障检测及处理、记录充电参数，显示充电过程信息及用户充电金额等信息；传感器和通讯接口，用于采集和监控电压、电量、频率和有功功率等数据参数。

交流充电桩只提供电力输出，没有充电功能，需连接车载充电机为电动汽车充电。起了一个控制电源的作用。车载充电机受车身空间限制，功率十分有限，所以不能实现快速充电，俗称为“慢充”。采用双模混合动力系统的插电式混合动力汽车，如果要为电车充电，一般依靠外接单相电源(AC220V±15%，频率50Hz)进行补充。

2.2 直流充电桩

直流充电桩安装在车外的机柜里，将经过转换的直流电能量输送到电动汽车上的充电接口，进一步转化为蓄电池的化学能储存起来。与交流充电桩相比，直流充电桩在同样的通信功能基础上，增加了将输入的交流电转换为直流电的整流功能和调节直流电功率的功率转换功能。根据充电桩和车上电池管理系统相互之间的通讯，功率转换器能在线调节直流充电功率，充电桩能显示充电电压、充电电流、充电量和充电费用等。同时，按照《GB/T 18487.1-2015电动车辆传导充电系统一般要求》规定，充电桩还设置有一个锁止杠杆类的锁紧装置，以利于插入和取出插头，提供一个确定已经锁紧的信号以确保充电安全。

目前，常见的直流充电桩一般采用三相四线制供电(AC380V±15%，频率50 Hz)，可以提供足够的功率，输出的电压和电流调整范围大，可以实现快充的要求。

2.3 无线充电

无线充电与有线充电相比，省略了充电接口，增加了接收线圈。目前有3条技术路线。

首先，是电磁感应。变压器就是利用电磁感应原理把电能转变为磁能，又把磁能变回电能，进行能量传递的。把变压器的2个绕组分离开来，就是一种无线供电设施。当然，2个绕组简单分离后，因为中间没有高磁导率磁芯介质，电源发射线圈发射的磁力线会严重发散，而且，2个绕组相距越远，磁能损失越严重，所以，不适合大功率、远距离的无线充电。

其次是光电耦合。以光的形式传递电能，到达目的地后，再将光能转化为电能。光电转换技术比较直观，但也有技术缺陷——遇到障碍物会被反射，必须直来直去。

再次是磁共振。利用共振原理，在2个振动频率相同的感应线圈之间传递能量。与电磁感应方式相比，磁共振方式无须2个线圈位置吻合，可以延长传输距离。

最后是无线电波方式。主要由微波发射装置、微波接收装置及微波转化成直流电的转化装置组成。最理想的发射装置是来自太空的太阳能发电站。

因为无线充电会产生强大的磁场，当人或动物位于电动汽车和充电装置之间时，有可能受到电磁伤害，所以注意和规范无线充电系统的电磁安全问题，也是必须的。

3 鼓励激励漏洞

总结近几年来国家、地方对新能源汽车的财政补贴政策和车企、车主争取补贴的对策，整个操作流程的制度缺陷值得反思。

一是顾此失彼。国家在对电动汽车等新能源车型的消费者进行价格补贴的同时，还大力号召列入新能源汽车应用示范地区名单的地方政府同时“加杠杆”。“国补+地补”的一刀切“双补”机制，使那些生产工艺相对简单的车型，产生了恶性竞争的骗补冲动。企业把人力物力资源集中到了电池及电池序列号的投机取巧上了，技术开发和创新的投入自然会相形见绌。更有甚者，干脆自导自演自买自卖闹剧，在数百亿的补贴蛋糕里攫取“奶酪”。

恨铁不成钢，技术最受伤。那些急功近利企业的通常做法是萝卜快了不洗泥：底盘还是那个底盘，车身还是那个车身，简单地用“电池+电机”系统取代传统的“发动机+变速器”系统，能源不够加电池，动力不足加电机，结果车身自重越做越重，动力增量几乎全部被内耗消费，载重和爬坡能力并未提高，有的甚至还会下降。

再是厚此薄彼。“双补”机制以电池储存能量的千瓦时数为标的物，电池储存能量越高；获得补贴越高，储存能量越低，获得补贴越少。表面看，合情合理，其实不然。因为在目前电池技术发展还不能尽如人意的条件下，混合动力模式能够取长补短，不仅可以秒杀人们对于纯电动模式的里程焦虑、充电成本忧虑和用电安全顾虑，而且在电池系统技术创新方面也同样能够大有作为，但因车载电池储存能量的千瓦时数相对不足，所以得不到同等的奖励和补贴。显然有失公平。

病急乱投医，欲速则不达。在国家与地方两级财政补贴政策的强势推动下，电动汽车产业已经走完了发展路线图中的研发示范阶段，即将通过补贴递减的政策退坡机制，逐步走进迅速发展的新阶段。然而，补贴政策执行过程中过于简单的时效性冲击，无疑又使市场对接机制迟到了一步。

电池之迟，不容迟疑。电池生产端、销售端、电动汽车装配端及终端用户之间的利益平衡，是一个动态平衡过程，只有经过不断调整，才能获得最终突破。

中联重科首批出口日本环卫产品正式交付

据日本当地新闻报道，中联重科与其日本合资公司共同开发的压缩式垃圾车在10月3日正式交付日本会津若松市株式会社会津垃圾处理中心。中联重科日本合资公司、会津自工、会津垃圾处理中心3家企业与当地的行业协会负责人出席活动。仪式上，3家并联合对外宣布后续将与中联重科合作推广垃圾车产品在福岛地区的销售。

日本客户对ZLJ5071ZYSE4压缩式垃圾车给予了高度评价，无论外形，还是性能和技术参数完全符合日本的行业标准和自身的要求，是一款非常出色的产品。

中联重科环卫机械相关技术负责人透露，该批产品的设计方案确定之后，项目组又与日本公司及终端客户探讨各项技术难题的解决方案。为此，项目组成员和技术人员日夜奋战、攻坚克难，查阅了大量日本压缩式垃圾车技术资料，最终研制出了符合日方要求的全新ZLJ5071ZYSE4压缩式垃圾车。

据相关资料显示，ZLJ5071ZYSE4采用日本日野底盘，两侧护栏为铝合金型材，外形美观。产品垃圾箱和填装器与垃圾接触的材料均采用可耐海洋性气候的耐候板。配套的垃圾收集箱还可与车体分离并通过拉臂钩实现整体装卸和转移，垃圾厢采用全密封形式，可以实现无垃圾遗洒、无臭气散发、无液体滴漏。而且，该批产品还能够实现“一车配多箱”，可以减少客户的采购成本和运行费用。考虑到售后维修的便利性，项目组特别将产品的取力器等许多重要部件采用国际知名品牌。

据客户方日本会津垃圾处理中心透露，此次设备将在福岛地区投入使用，中国装备再一次出现在了福岛地震和核辐射的灾后重建现场，参与当地的灾后重建工作。

据了解，此次交车仪式，在当地引起了强烈的反响，作为中国首批出口日本的环卫设备，中联重科以产品的高效率、高规格和高品质赢得了日本社会各界的关注。

福岛民报报社报道称，与日本制造商的同等性能垃圾车相比，此款垃圾车在价格上便宜了十分之一、合资公司将根据日本的法规不断地进行产品的推进和开发。

(东 方)