纯电动汽车发展面临的问题

2019-07-22王大为罗悦齐

汽车文摘 2019年8期

王大为罗悦齐

（1.上海交通大学，上海200240；2.上海汽车集团前瞻技术研究部，上海 201804）

主题词：纯电动汽车锂离子电池能量密度电池管理

1 前言

中国的新能源汽车销量在逐年增加，且纯电动汽车始终占据主导地位。根据乘用车市场信息联席会数据，2017年中国新能源汽车共销售56万辆，其中纯电动汽车45万辆；2018年中国新能源汽车共销售105.3万辆，市场渗透率从2011年的0.3%增长至超过4%[1-3]。

另一方面，一系列政策的出台则进一步保证了新能源汽车的地位。作为《新能源汽车产业发展规划（2021-2035年）》子课题三的《传统内燃机汽车与新能源汽车协同发展研究》表明：新能源汽车与燃油汽车协同发展、优势互补，新能源汽车将是车辆的必不可少的一部分[4-7]。

与燃油汽车相比，作为新能源汽车主导的纯电动汽车有很多优势：污染少、效率高、噪音低、操作顺畅、不依赖汽油等[8-10]。但是纯电动汽车也存在一些争议和问题，如续驶驶里程、能耗、安全性等。因此，有必要对纯电动汽车面临的问题进行梳理。

本文从汽车从业者和高校科研人员的角度，首先通过回顾纯电动汽车的历史，指出电池是纯电动汽车面临问题的核心；其次，本文分析和讨论了纯电动汽车面临的问题。本文所讨论的纯电动汽车仅限于文献[11]，且不包括燃料电池汽车。

2 纯电动汽车历史

了解一项技术的发展历史，能够帮助认清技术的优势和劣势，了解面临的瓶颈。本文通过简单的回顾纯电动汽车的历史，来简述纯电动汽车面临的问题。

纯电动汽车的历史可以追溯至1881年[10-11]。

法国人Gustave Trouvé制造了第一辆纯电动汽车。这是一辆三轮车，配备73.55 W的直流电机并采用铅酸蓄电池供电。包括驾驶员在内，车辆整备质量约160 kg。两年后，两位英国教授制造了一款类似的车辆[12]。因为当时技术不够成熟，所以这些车辆只能够实现约15 km/h的时速和16 km的续驶里程。这甚至无法和马车竞争。直到1864年的巴黎-鲁昂赛事(Paris-to-Rouen race)，纯电动汽车才彻底地超越了马车。当时的纯电动汽车可以在48 h 53 min内行驶1 135 km，高达23.3 km/h的平均时速也远超马车[10]。

此后，纯电动汽车和燃油汽车展开了长达20年的竞争。在当时的美国，因为公路里程较短且主要分布在城市内部，所以车辆的行驶范围较小，纯电动汽车续驶里程的问题不是很突出。但是，在当时的欧洲，迅速增加的公路里程极大地扩展了车辆的行驶范围。这显然更有利于燃油汽车。第一辆商业化的纯电动汽车是莫里斯和萨洛姆的“电蝙蝠”（Morris and Salom's Electrobat）。该车配备两个1.1 kW的电机，拥有高达32 km/h的时速，其续驶里程约40 km。尽管该车售价较高，但是其盈利能力已远超马车。再生制动（Regenerative Braking）是这段时期取得的最有意义的技术进步：因为该技术可以回收刹车能量，并将回收的能量给电池充电，所以纯电动汽车的续驶里程得到了显著的提升。该技术由法国人M.A.Darracq提出，并于1897年成功实施。同一时期，法国人Camille Jenatzy制造的La Jamais Content，续驶里程首次达到了100 km。

然而，燃油汽车拥有更强劲的动力、更好的灵活性和操控性。因此，纯电动汽车在与燃油汽车的竞争中开始落败。纯电动汽车较高的成本并不是根本因素，有限的续驶里程和性能才是更根本的因素。随着1905年最后一款商业化的纯电动汽车出厂，之后的近60年，纯电动汽车仅仅应用在高尔夫球车和运输车辆等场合。

到1945年，晶体管（Transistor）和晶闸管（Thyristor）的出现使得纯电动汽车的商业化重见曙光。他们可以使电池在高电压的情况下输出大电流，再不需要效率低下的变阻器来调节电机输出的功率。此时，变频的交流电机也开始应用在纯电动汽车上。1966年，通用公司（General Motors，GM）研制了纯电动货车（Electrovan）。该车由感应电机（Induction Motors）驱动并采用由晶闸管组成的逆变器（Inverter）。这段时期，最有影响力的纯电动汽车是阿波罗计划（Apollo Astronauts）所使用的月球车（Lunar Roving Vehicle）。该车整备质量约209 kg，可载重约490 kg，续驶里程约65 km。在20世纪60到70年代之间，环保问题的出现也促进了纯电动汽车的研发。尽管电池技术和电子设备都有所进步，但是续驶里程和电池性能仍是纯电动汽车主要的限制因素。在20世纪80到90年代早期，尽管通用和雪铁龙（Peugeot Société Anonyme，PSA）都推出了具有实用价值的纯电动汽车，但是其续驶里程和车辆性能仍无法与燃油汽车相比。造成该现象的主要原因之一是电池的能量主要存储在金属电极中，这使得电池的能量密度远低于汽油。因此，汽车工业开始逐渐放弃纯电动汽车，转而研发混合动力汽车[10]。

纵观纯电动汽车的发展历史，电池技术一直是其最大的软肋，并严重地阻碍其商业化。尽管人们对电池技术的研发投入了巨大的精力，但是遗憾的是，电池技术的进步着实有限，且性能远低于纯电动汽车的要求，尤其是电池的能量密度。事实上，一些基础研究表明，即使电池的能量密度被优化到理论的上限，纯电动汽车也永远不可能与采用液体燃料的汽车相比[13]。因此，近些年来，汽车的研发开始逐渐转向混合动力和燃料电池汽车。

3 纯电动汽车面临的问题

3.1 电池能量密度

电池的能量密度是影响纯电动汽车续驶里程的最主要因素。目前，最适合纯电动汽车的电池是锂离子电池。因此，本文主要讨论锂离子电池。

在众多的锂离子电池中，以三元材料锂电池和磷酸铁锂电池最为普遍[14-15]。然而，即使经过多年的研发，到目前为止，电池的能量密度仍然较低，且无法满足纯电动汽车的需求：50～100 kW∙h的电池包重约600 kg，且占据约500 L的空间[16]。纯电动汽车对电池系统的能量密度的需求约500 W∙h/kg。这意味着单电池的能量密度需要达到800～900 W∙h/kg。这远超现有的电池技术水平，与汽油的能量密度（约2 700 W∙h/kg）仍有很大的差距[17]，如图1所示。雪上加霜的是，锂离子电池技术的发展正在逐渐地放缓。这是因为锂离子电池的能量密度已经接近其理论值的上限[16]。这意味着锂离子电池能够提供的续驶里程根本无法与汽油相抗衡，甚至难以让智能手机连续运行数天[18]。根据计算，500 km的续驶里程需要电池包的能量密度达到约300 W∙h/kg，需要单电池的能密度至少达到350 W∙h/kg。这已经是锂离子电池能量密度的极限，如图2所示[19]。

图1 多种锂离子电池理论和实际的能量密度[20]

图2 锂离子电池能量密度的极限[18,21]

虽然金属锂的能量密度（高达43.1 MJ/kg）与汽油不相上下，但是锂离子电池的能量密度却远低于该值：不能充电的锂离子电池只有1.8 MJ/kg；能充电的锂离子电池更低，只有0.36～0.875 MJ/kg。究其原因，可以归结为以下三条[22]：

首先，为保证电池内部的化学反应有序地进行，锂离子电池必须要配有一定质量的电解液；

其次，锂离子必须均匀地分布在电极表面：无序地分布在电极表面会发生析晶，导致隔膜穿刺、电池短路；

最后，为了保证正极的结构完整和强度，正极通常会保留约50%的锂离子，而这些锂离子基本不参加化学反应。

由于上述原因，锂离子电池的能量密度始终难以与汽油相抗衡。此外，如果考虑副反应、循环稳定性、材料成本等因素，锂离子电池的能量密度将会进一步下降[23]。

那么，能否通过增加锂离子单电池的数量来提升续驶里程？答案是否定的。纯电动汽车在行驶过程中所消耗的功率，除克服空气阻力外，都与车辆的总质量成正比，且为线性关系。增加单电池的数量，一方面确实可以增加能量储备从而提升续驶里程，但另一方面也增加了车辆质量和能耗，反而会降低续驶里程。纯电动汽车总质量比燃油车重约10～20%，每增加1 kg质量，百公里能耗约增加5～10 Wh[24]。因此，通过增加单电池的数量来提升续驶里程的效果并不理想。

此外，燃油汽车的续驶里程则受发动机寿命影响较小，而纯电动汽车的续驶里程则与电池的寿命紧密相关。在一些纯电动汽车的试点项目中，随着电池容量的衰减，车辆的续驶里程从原有的100 km下降到不足70 km[25]。影响锂离子电池寿命的因素有很多，包括材料、温度、电流和放电深度（Depth of Discharge，DOD）等[26-27]。在理想的工况下，锂离子电池的寿命通常可以达到5年左右；但是在实际使用的过程中，由于电池管理系统（Battery Management System，BMS）的精度、单电池的一致性等问题，其寿命通常只有2年左右[26]。电池到达使用寿命后，用户不得不更换新电池。但是，更换新电池的成本非常高昂：在一些车型中，电池所占成本高达50%，更有甚者的是更换电池的价格甚至会高于车辆价格，而且政策补贴并不覆盖更换电池的成本[25,28-29]。这无疑会极大的影响纯电动汽车的普及。

3.2 电池材料

锂离子电池的制造过程是高成本、高污染、高能耗的[16]。为保证电池性能，电极材料必须采用一定比例的钴和镍：100 kg的锂离子电池正极约需6～12 kg的钴和36～48 kg的镍。钴在地壳中含量稀少、开采过程高污染且成本高昂[16,19]：全球大多数的钴矿含量较低，仅约0.003%，而高于0.1%才值得去开采，但成本高达100～150美元/kg[30]。中国的钴矿较少，生产电池所需的钴大多数需要进口。富含钴的矿，只有少数几个地方：2015年全球50%多的钴产自刚果，其中大部分流向了中国；澳大利亚拥有世界上14%的钴矿，但是并没有被充分地开发；钴可以从深海海底提取，但是考虑到生态和经济等效益，深海开采并不提倡[31]。此外，日益增长的电池产量推高了钴的价格：从22美元/kg增至81美元/kg，增长了约3倍[31]。和钴一样，镍也是只有世界上少数几个地方拥有，且同样需要进口。印度尼西亚、菲律宾、加拿大、新喀里多尼亚、俄罗斯和澳大利亚生产了全球约72%的镍。镍的开采相对便宜，但是迅速增长的市场需求也推高了镍的价格。随着市场需求的增加，钴和镍的产量完全无法满足需求，即使回收电池也无法弥补需求上的缺口。这将进一步地推高原材料价格从而增加纯电动汽车的成本[32]。因此有研究建议将研发的重点放在更普遍、更廉价、更容易获得的材料上，如铁、铜等[16]。

此外，鉴于锂离子电池的能量密度已经接近其理论上限，确实有必要去研发其他电池来更好地满足纯电动汽车的需求。

除三元材料锂电池和磷酸铁锂电池之外，有观点建议采用锂硫电池、钠离子电池、金属空气二次电池、全固态电池等技术[15,33,34]。为了实现高能量密度电池，负极采用金属锂，正极应采用O2、H2O、CO2和S等[35]。

在电池结构等方面，有研究建议采用梯度包覆型（梯度核壳结构）[36]。该结构热稳定性好、倍率高、循环保持率稳定。但是在产业化过程中会面临电压衰减、制造工艺等问题[37]。也有观点推荐尖晶石、富锂异质结构[38]。该结构能量密度高、动力性能好。但是材料的相变问题、成品材料的振实密度与高能量密度之间的矛盾等问题仍有待解决[37]。

值得注意的是，一些实际效果并不太理想的材料受到过度地热捧。在此投入大量的研发精力，可能会造成不必要的浪费。

首当其冲的便是石墨烯，与其他碳系材料竞争，无明显优势。石墨烯只能用做负极活性材料和导电添加剂，且成本高昂、体积密度低下。使用过程中会产生结构变化（Re-stacking）、分散等一系列问题。石墨烯并没有改变电化学特性和存储机理，因此在化学原理上没有颠覆性[15,39,40]。

锂空电池在最近也受到热捧[41]。有研究解决了锂空电池只与纯氧反应、循环寿命差等问题，在基础研究方面取得了重要的突破[42]。但是，业界指出锂空电池结合了锂离子电池和燃料电池的缺点，且副反应过多。因此，锂空电池也不适合纯电动汽车[43]。

3.3 电动汽车生命周期分析

纯电动汽车是否节能环保，不能仅考虑汽车运行时产生的能耗和排放，还需要对汽车进行生命周期分析，包括汽车的制造、回收等环节。中国的汽车生命周期分析已经发布相应的行业标准[44-45]。

锂离子电池的制造过程会产生一定的污染[16,46]。但是，与燃油汽车相比孰高孰低，目前尚未找到系统的方法去评估[47-49]。

关于纯电动汽车运行时能耗的问题，业界尚存在一定的争议。有观点认为，纯电动汽车耗电成本确实低于燃油汽车[50]。也有计算表明，鉴于中国以煤电为主，从碳排放的角度，纯电动汽车与燃油汽车相比并不具备优势[47,51-52]。即使技术较为领先的特斯拉（Tesla），也因为能耗过高在新加坡遭到罚款[17]。但是随着清洁发电技术的普及，纯电动汽车在节能减排等方面更有潜力，而燃油车始终无法摆脱化石燃料的限制[53]。

锂离子电池的回收与环保问题密不可分。废旧锂离子电池中的物质进入环境，可能会造成镍污染、钴污染、氟污染、有机物污染、粉尘和酸碱污染等[46]。鉴于此，对锂离子电池进行回收是十分必要的。中国公布了《新能源汽车动力蓄电池回收利用管理暂行办法》，明确了回收利用电池责任主体[54-55]。这有利于环境保护，促进新能源汽车产业健康持续发展。

3.4 充电技术

纯电动汽车的充电时间通常远高于燃油汽车的加油时间，这也不利于纯电动汽车的商业化。纯电动汽车如果采用“慢充”，所需时间通常达到6 h以上[56]。这与燃油汽车的加油时间根本不在一个数量级上，完全无法抗衡。因此，业界提出了“快充”来解决充电时长的问题。“快充”通常是小时级别的，充电电流大于0.1 C[56-57]。

但是“快充”也面临着一些问题：

首先，“快充”的速度是有上限的。更快的充电速度要求更快的化学反应速度。但是电池内部锂离子的迁移速度在动力学上是存在上限的，无法无限制的提高[23,58]；

其次，“快充”会降低锂离子电池的能量转换效率、缩短电池寿命。“快充”对于单电池的寿命与稳定性的影响非常小，但是对电池包来说，“快充”就是在用充电时间换取电池寿命[57]。“快充”会导致电极中锂离子的嵌入、脱出过于频繁，加速电极结构的“坍塌”，材料的“老化”和性能的衰减。长期“快充”会产生极化等效应，对材料不利，会导致电池容量和能量密度下降[58]；

此外，充电速度过高还会带来一定的安全隐患[23]。有研究宣称研发了“快充”的材料技术，可以在5 min内以12 C的电流充满一台180 kW的插电式混合动力汽车[59]。但是，随后不久，便有研究提出多达14个质疑，并提到这样的“快充”会带来严重的安全隐患：充电产生的热量足够将170 L水煮沸[60-61]。

“快充”要求电池具有良好的功率密度，而续驶里程要求电池拥有优秀的能量密度。这两种要求通常是矛盾的，需要妥协与平衡：功率密度高的电池往往是以牺牲能量密度为代价的[56]。

在基础设施等方面，纯电动汽车充电技术也面临一定的问题，无论“快充”还是“慢充”。纯电动汽车通常在夜间接入处于用电高峰的居民配电网，而居民配电网容量较小。在“峰上加峰”的情况下，居民配电网难以支撑纯电动汽车大规模充电。即使是现有的商用配电网，也难以满足需求[58]。因此，纯电动汽车充电对于居民配电网来说是非常高的负荷，会对电网造成相当的冲击。即使相对保守的计算，纯电动汽车以1.4 kW的“慢充”进行充电，居民配电网的夜间负荷上升了一倍多[62-63]。

无论是建设专用的配电网络还是建立微电网，都有着不小的资金和技术上的难度。或许改变用户习惯，错峰充电是个可选择的解决方案。隔夜充电（Overnight charging）8～10 h可续驶100 km，同时不会对配电网产生很大的冲击。但是这需要改变消费者的使用习惯，需要用户的配合[62]。

3.5 换电模式

鉴于充电技术存在的上述问题，蔚来公司提倡的换电模式逐渐地走进业界的视野[25,64,65]。以色列Better Place公司率先提出换电模式，且在换电站内通过机械臂3 min即可完成换电[25]。

换电模式有着充电模式不可替代的优势：提高电网负荷率，电池可以采用“慢充”延长寿命，谷底充电时电价成本较低；虽然换电站初期投资高，但是比充电站盈利性更强，投资回收期更短[25,66]。

然而换电模式也存在一些难以解决的问题。

首先，电池管理系统是电池包的核心技术之一，各车企不愿意剥离，难以达成统一的行业标准。这不利于换电模式的推广；其次，电池价格过于昂贵，消费者不愿负担换电产生的成本[25]；再次，随着换电次数的增加，电池的容量和能量密度逐渐地衰减，续驶里程不断地下降：中国国家电网和众泰汽车在杭州的试点项目中，多次换电后，出租车的续驶里程由100 km下降到不足70 km[25,67]；此外，涉及多方的利益冲突，利润主要被换电服务商拿走，整车厂没有积极性[25]。

鉴于上述原因，2012年，中国最终确立了充电模式为主导[25,68]。尽管换电模式不再是主导模式，但是换电模式与充电模式都有各自不可替代的优势，两者应相辅相成、优势互补，更好地满足纯电动汽车的需求[25]。

3.6 电池管理系统

锂离子电池包配备电池管理系统，主要基于以下三个原因：

首先，锂离子单电池的电压和容量较小，需要将成百上千的单电池组成一个电池包才能够满足纯电动汽车的需求；其次，电池的过充和过放都会对电池造成不可逆的损伤，单电池的充电、放电过程需要被精确地控制；最后，锂离子电池能够安全工作的温度和电压范围较窄，如图3所示（安全放电的温度范围是-20～55°C；安全充电的温度范围更窄，是0～45 °C[69,70]）。

因此，为保证锂离子电池包安全、可靠地工作，锂离子电池包必须要配备电池管理系统[69]。目前，电池管理系统尚无最终定义，以参考文献[71][72]的定义最为常见。

图3 锂离子电池安全工作范围[73]

电池管理系统的目标主要有三个[69,72]：

（1）防止电池和电池包的损坏；

（2）让电池工作在合适的电压和温度区间，保证安全的同时，尽可能延长寿命；

（3）让电池包尽可能地满足纯电动汽车的要求。

电池管理系统的硬件架构如图4所示，包括电流、电压传感器、温度传感器、加速或刹车传感器、运行或禁止充电传感器；软件系统的功能应包括：电池参数监测、预测电池状态、在线监测、电池安全控制及预警、充电控制、电池均衡、热管理、网络连接和信息储存等[69]。

图4 电池管理系统硬件架构[69]

电池管理系统的关键问题包括电压测量、电池状态预测，电池的一致性和错误诊断等[69]。众多的企业、研究所和高校均推出了各自的电池管理系统[74-77]。国内也涌现出相当数量的产品[78-84]。当前市场上，特斯拉的电池管理系统是优秀系统的典型范例[85]。

3.7 安全性

如前文所述，锂离子电池安全工作的范围比较狭窄。90～120°C，电池的固体电解质相界面膜（Solid Electrolyte Interphase(SEI)film）会发生热解，而一些电极在69°C就会分解[86-90]。当温度达到130°C，电池隔板开始融化[91,92]。温度继续升高至150°C，正极材料开始分解[93-95]。当温度升至200°C以上，电极会分解并产生可燃气体和氧气，并引起火灾[95]。过低的温度也会导致严重的问题。0°C以下充电会导致锂离子以金属的形态聚集在电极上，从而降低电池的循环寿命[96]。极低的温度下，电池的阴极会直接发生分解并导致电池短路[72]。此外，电压过低或过度放电，电池内部会发生相变，导致晶体聚集从而进一步影响电池性能[97]。电压过高和过度充电会导致电池内部产生大量的热量，同时加速电池容量的衰减，并可能导致电池短路和一系列安全问题[98]。

超出安全工作范围，锂离子电池将存在一定的安全隐患。用在纯电动汽车上，还要考虑碰撞安全和爆炸风险。

市场主流使用的有三元材料锂电池和磷酸铁锂电池。磷酸铁锂电池安全性较好，但是能量密度低，续驶里程短；三元材料锂电池能量密度高、循环性能好，但是高温时的安全性较差，在使用过程中更容易着火甚至爆炸。

虽然锂离子电池着火的原因尚不明确，但是有统计表明，同为易燃物的电解液也起着不可忽视的作用。改善锂离子电池的安全性，一方面需要对现有的材料、加工工艺等进行改进；另一方面，电池管理系统应该发挥更大的作用，因为在已发生的事故中，电池管理系统基本上没有起到应有的预警作用。此外，电池成组技术还不够成熟，这也是保证电池包安全工作需要攻克的难关。

3.8 政策的挑战

给予纯电动汽车的补贴力度正在逐渐地下降，也就是业界所谓的“补贴退坡”，且过渡期只有半年。鉴于纯电动汽车相对高昂的制造和使用成本，纯电动汽车将面临更大的竞争压力。此外，政策对能量密度的要求也将进一步增加纯电动汽车的竞争压力。根据《节能与新能源汽车产业发展规划（2012-2020）》、《中国制造2025》、《节能与新能源汽车技术路线图》的相关内容，到2020年时，中国新能源汽车产量达到200万辆，保有量达到500万辆，电池的能量密度要达到250 W∙h/kg，这就给我国新能源汽车产业定下了“量质同升”的总体目标[68]。目前来看，要实现250 W∙h/kg的电池能量密度，难度并不小。