纯电动汽车充电技术和电池材料的探究

胡燕芬，李敦迈

（长安大学汽车学院，陕西 西安 710064）

1 电动汽车在我国的发展现状

2018年汽车总销量达到2800多万辆，电动汽车销量占总销量的百分之五。我国电动汽车行业自从2014年全面爆发，过去五年发展速度极其迅猛。比亚迪、吉利、北汽、上汽乘用车等这些传统车企的电动汽车销量都排名靠前，于此同时，互联网企业同样为电动汽车带来了新的思路，蔚来、小鹏汽车等新兴车企发展的如火如荼。电动汽车这一领域的快速发展，很大程度上归功于国家政策的支持。2019年3月5日，海南省宣布2030年起全面禁售燃油车，这也预示着电动汽车在我国未来的大发展。

电动汽车采用的电池通常有三种：铅酸蓄电池，镍氢电池和锂离子电池。铅酸蓄电池成本低，适用于大批量生产，最早应用于电动汽车，应用于城市公交和大巴中居多，但是由于铅酸蓄电池自身电池特性的限制，导致其比能量较小，无法满足电动汽车的需要[1]。目前越来越多的电动汽车采用镍氢电池和锂离子电池，他们的比能量和比功率相对较大，相较于铅酸蓄电池有更大的优势。镍氢电池价格相对较高，其对环境造成的污染较小，应用也越来越广。随着锂离子电池的发展，铅酸蓄电池和镍氢电池的市场份额会逐渐的缩小，而锂离子电池的应用会越来越广。例如日本的丰田prius就应用了锂离子电池，这是汽车企业在电动汽车电池这一方面的成功的尝试。

2 电动汽车存在的问题与前景展望

2.1 续航问题

目前我国电动汽车的续航里程仍然较短，诸多企业均以60km/h的续航里程作为卖点，但这并不准确，因为汽车在实际运行中会遇到各种各样复杂的工况。这些电动汽车以实际工况行驶，往往与企业宣传的相差甚远。电动汽车在启动和停止时会消耗大量的电能，因此以匀速状态计算的电动汽车续航里程是不正确的，需要考虑行车环境、车辆性能、道路状况和各方面复杂的因素。目前电动汽车实际巡航里程只有两三百公里，与汽车商家宣传的续航里程相差甚远[2]。而续航里程不准确往往会给用户带来里程焦虑，因为用户很难确切知道车子实际上还能跑多远、多久。为了改善这一情况，生产企业应该采取更接近与实际工况的驾驶状况来标定电动汽车电池电量，也就是续航里程。在这一方面，美国较为领先，美国采取EPA标准，在市区、高速路、激烈驾驶、开启空调四种工况来回循环往复，来标定电动汽车续航里程。由于考虑到我国与其道路状况和人口密度的不同，应该根据自己的路况来制定一套标准，目前我国在这一方面已经做出了巨大的努力，填补了标定续航里程的空白。

同时也需要准确计算和测定电池的SOC，可以通过电池内部化学反应方程来准确计量电池的SOC数值[3]，另一种方法是可以通过测量电池外特性参数来测得电池的SOC值。

2.2 充电问题

目前电动汽车的充电方式有交流充电（车载交流充电）、直流充电、换电池、无线充电等方式。交流充电是通过车载充电机向汽车充电。车载充电机通过插座和电缆连接到电网将交流转化为直流，向电动汽车提供动力。车载充电器将电动汽车的充电地点多元化，只要电动汽车在路边或者小区有电力的地方就可以充电，同时这种慢充不会损伤电池[4]。但是它电流功率小，并且充电时间过长，一般需要六到八个小时。对于用户来说，只有行驶距离较短或者不需要急需用车的情况下这种充电方式的弊端才不会暴露。

直流充电是直接向电动汽车提供直流电。这种方式不需要车载充电器，直接将电路转化为直流电。直流充电的功率特别高，一般为40～60甚至100多kW。大功率输入会对电池造成很大的损害，并且也会对电网造成很大的冲击，给电力系统造成很大压力。如果在一个区域内将很多辆汽车同时接入电网充电，可能会造成该局部区域断电，给国家造成巨大的经济损失。但是采用直流充电，将会大大缩短充电的时间，比如说锂电池采用直流充电，充电时间将缩短到一个多小时。目前研究人员正在研究一种方法，使电池接入电网时，既能在电池电量低时给电池充电，同时在电池电量过多时，将电能卖给“电网”。电动汽车在其再生制动时会产生电能给电池充电，可能会导致电池电量过多。而将电能输送给电网，也是一种节约能源和充分利用能源的好的方式[5]。

目前，一些企业也在考虑换电池。当电动汽车的电池电力消耗完毕，它可在一个规定的区域内，由专业人员对电动汽车的电池进行更换，这样的更换过程的时间一般只需要三分钟，会大大缩短用户等待的时间，这种换电方式耗时最短。目前有的新兴电动汽车造车企业正在考虑这种方案应用的可能性。但是目前最大的难点也就是电池规格和电池布置的统一以及专业维修人员的培养。统一电池规格需要各家汽车企业通力合作才能实现，难度较大。同时目前中国还没有大批的这种换电方式的技术工人。因此这种方式可能需要更长的时间才能得到大规模应用。目前只在一些固定线路上比如公交车上得以应用。

2.3 电池问题

电动汽车最早应用铅酸电池，目前仍应用于电气辅助设备。但其能量密度低、体积大从而导致电动汽车续航里程的下降。并且在其使用过程中，会出现亏电、失水，导致电池寿命的减少。目前已退出主流市场。

自二十世纪九十年代发展起来的镍氢电池，比功率、能量密度相较于铅酸电池都有很大提高，利用其快速重放电的特性，在混合动力汽车得以应用[6]。高速时，利用发电机向电池组充电，低速或者启停频繁时，镍氢电池代替汽油或者柴油发电机，向汽车提供动力。但其高温充电情况差，比能量较锂电池低，且价格昂贵。

目前，电动汽车九成以上都采用磷酸铁锂电池和三元锂电池。以比亚迪“秦”为例，只有13kWh的电池驱动峰值功率110kW的电机。可以计算出，当“秦”满电时其最大放电倍率高达8.4C。这体现了其高倍率放电的优越性。其最大的缺陷是能量密度低，低温电池容量迅速降低。三元锂电池则克服了磷酸铁锂电池能量密度低的劣势，但是其高温电池稳定性降低了很多，随着电池管理技术的发展，这一方面得以改善。