延长新能源汽车电池的使用寿命因素分析

袁国伦，覃 勇

(雅安职业技术学院，四川 雅安 625000)

0 引言

新能源汽车是指采用非常规的汽车燃料作为动力来源，综合车辆的动力控制技术和驱动技术，综合形成一个新型汽车。目前，新能源汽车主要包括混合动力电动汽车(HEV)、纯电动汽车、太阳能汽车、燃料电池电动汽车等。对于新能源汽车在不同国家有不同的定义，在日本被称为“无公害汽车”，主要是指以天然气为燃料的汽车、混合动力汽车、电动汽车及以甲醇为燃料的汽车，在美国通常被称为“代用燃料汽车”，随着新能源的推广使用，新能源汽车销售量连年升高(图1)。

图1 我国新能源汽车的增长趋势图

新能源汽车主要是应增强环境保护、减少汽车污染排放及降低化石资源消耗要求而研究的，新能源汽车“绿色出行，节能减排”的关键核心部件是电池。近些年，新能源汽车行业发展迅猛，但是由于新能源汽车研究时间较短，在对电池方面研究进展缓慢，出现了许多问题。例如，电池使用寿命短，可靠性、安全性差等问题。因此，为了更好地推动新能源汽车行业的发展，需要从电池入手，解决新能源汽车的核心动力问题。

1 新能源电池

新能源汽车作为未来汽车行业发展的主要方向，电池成为新能源汽车动力核心部件，目前，我国新能源汽车市场电池总装量连年升高，电池总装量的升高对于新能源汽车的发展与电池技术都带来了一定的挑战性。现阶段的新能源汽车电池主要分为铅酸电池、锂电池、燃料电池及太阳能电池等[1]。

铅酸电池研究较早，发展成为比较成熟的技术，具有制作成本低、放电倍率高、转化效率高等特点成为当前应用最多的动力电池，但是由于能量密度很低，所以铅酸电池不能为汽车提供良好的续航能力；锂电池与铅酸电池相比，具有更高的储存能力，其污染小、循环使用寿命时间长、自放电率小等特点使得锂电池成为最有潜力的车用电池，是当下电池方面的研究热点；燃料电池工作原理是通过化学反应将化学能转化为电能，具有可靠性高、运行寿命长等优点，其中氢燃料电池理论上是可以真正实现零排放、零污染，同样是未来汽车电池的研究方向。

2 新能源汽车电池寿命影响因素

新能源汽车电池在使用寿命管理方面研究缓慢，当下电池在使用过程中，诸多因素会导致电池使用寿命减少(图2)，影响新能源汽车的使用体验及用户安全。影响新能源汽车电池的因素主要有以下几点。

图2 影响新能源汽车寿命的主要影响因素

2.1 电池技术落后

我国新能源汽车发展起步较晚，仍然处于发展阶段，电池技术也处于较低水平。从电池的设计角度看，不同的电池设计会决定电池的运行方式、性能及所用材料。在新能源电池的正负极设计中，不同的材料设计会影响到电池的性能，电池运行过程中产生的磁性物质也会对电池的性能产生影响，导致电池容量降低，对电池的使用寿命产生严重影响。在设计过程中需要将电池的材料应用问题做更多的实验分析，避免不稳定因素影响到电池的设计使用寿命。在电池的续航能力设计上仍然不能达到用户需求，相关技术方面没有关键性突破，无法从根本上解决电池稳定性差、使用寿命短等问题，尽管电池领域取得一些成就与进展，但是在对电池的剩余寿命预测，以及电池状态检测技术的实际应用方面仍然不能满足用户需求，无法从技术上解决电池寿命问题。

2.2 电池错误使用

如果说电池的设计是影响电池使用的内部原因，那么错误的电池使用方式就是导致电池使用寿命降低的外部原因。电池问题是影响新能源汽车运行的主要因素，而错误使用方式是导致电池出现故障的重要原因。电池的过放电及过充电都会对电池容量产生不可恢复的影响，会直接导致电池使用寿命降低。此外，很多用户未对新能源电池实施正确的维护保养工作，甚至直接缺少电池的维护保养环节。电池的维护保养工作能够对电池故障进行有效修复与排除，正确及时的维护保养工作能够有效延长电池的使用寿命。电池的放电过程是电池内部能量转换与材料消耗的过程，现阶段电池管理系统中缺少对电池性能状态的实时检测，无法对电池荷电状态、剩余使用寿命及性能状态进行预测及监控，无法及时发现电池故障，无法第一时间制定维护策略和进行维护工作，更无法进行针对性地电池保养工作。

2.3 电解液界面膜的阻碍

电池在运行过程中，电池负极表面会产生一层电解液界面膜，会导致电池正负极失去平衡，影响电池内部的电能转换，在电池经过多次充放电循环后会出现电池容量下降[2]，同时，正极活性物质由于界面膜的形成而减少，导致电池内部容量减少，影响电池使用寿命。另外，电池在充电过程中，电解液会与电极发生反应，消耗部分电解液，影响电池的电能转换效率与容量，从而影响到电池的使用寿命，电解液与电极反应产生的气体会增加电池内部压力，容易产生爆炸，对电池系统安全产生威胁。

2.4 放电损失

电池容量变化直接影响到电池使用寿命，电池容量损失主要分为可逆电池容量变化与不可逆电池容量损失，其主要原因是电池在放置与充放电过程中都会发生自放电反应，影响电池容量。电池的荷电状态是电池剩余电量与额定总电量的比例，比例越小，电池放电深度越深，越容易对电池使用寿命产生影响[3]，电池过放电会对电池内部造成破坏，影响电池寿命。另外，电池充放电倍率也会影响到电池容量变化，充放电倍率过高，电池内部电能转化速率提升，加快反应速度，导致电池温度上升，容易发生短路、起火，甚至爆炸，对电池造成不可逆转的损伤，减少电池使用生命周期。

2.5 环境温度影响

电池运行受环境温度影响，不同规格电池对环境温度要求不同，拥有各自的最佳运行温度范围，温度会对电池的充放电效率产生影响。温度过低会影响电解液与电极反应效率，温度过高会导致电池充电效率过高，加快电池内部电极、电解液及添加剂消耗速度，从而影响到电池性能退化，减少使用寿命。

2.6 电池制造质量影响

除电池设计、环境温度及自身反应外，最关键的因素就是电池制造环节的影响。电池制造商对电池的细节把控不足，为电池安全与质量问题埋下隐患。电池制造材料是否符合设计要求、电池浆料是否均匀、电池极片碾压密度等制造工艺都对电池质量有直接影响。电池的散热同样是重点，部分新能源汽车电池通气散热设计不合理导致电池在使用过程中热量无法及时排放，持续保持高温，对电池外形及寿命都产生影响。

3 新能源电池延长寿命策略

3.1 科学使用电池

新能源汽车电池本身拥有循环使用寿命周期，在日常运行过程中，都会对使用寿命产生影响，但是科学使用电池，并进行合理地维护操作都会有效延长电池的使用生命周期。相反，错误地使用电池，例如，过度充放电等都会加快电池的使用寿命消耗。需要对电池进行防振防护，防止电池在汽车行驶过程中因振动造成断路或内部构造损坏。需要避免电池长时间充电，同时也不能让电池处于空电状态，否则电池会产生不可逆的损伤，严重影响使用寿命。

3.2 剩余寿命预测技术

电池剩余寿命预测(RUL)是电池管理系统核心技术之一，是对电池剩余寿命进行预测分析，进行合理的维护保养，从而达到延长电池使用寿命的目的[4]。在电池维护工作中，需要引入故障预测、故障诊断、荷电状态估计，以及剩余寿命预测等技术，对电池性能状态进行合理有效的监管，从而保证电池安全高效运行。由于材料、使用方法、环境等因素，电池状态变化各有不同，需要采用健康管理技术对电池状态变化进行检测。

3.3 形成完善的新能源汽车价值评估与资源循环

新能源汽车的回收拆解与资源循环利用在2021年首次在宁波慈溪工贸集团有限公司实施，基于当前绿色再制造技术的发展与资源循环利用理念的不断提升，针对新能源汽车的使用，开展专门的新能源汽车的回收拆解、资源循环利用等业务，并联合制定健全的报废新能源汽车的剩余价值评估、回收利用体系等，开发运用线上线下高效回收新能源汽车模式，实时跨区域回收拆解，加强新能源汽车的循环与再生利用，主要工作流程与内容如图3所示。

图3 新能源汽车资源循环利用示意图

4 新能源汽车的主要发展趋势

在能源和环保的压力下，新能源汽车无疑将成为未来汽车的发展方向。如果新能源汽车得到快速发展，以2021年中国汽车保有量1.35亿计算，可以节约石油约3 000万t，替代石油约2 690万t，将汽车用油需求削减22.7%。但是由于新能源汽车发展时间较短，基础设施不健全，如充电结构性供给不足、充电设施布局不合理等。新能源汽车整体生产规模仍显滞后，没有形成一定的商业发展规模与体系，中央政府与地方政府之间的政策衔接不充分，部分地方政府存在一些“地方保护主义”，导致消费者在汽车的选型中受到一定的局限性，严重制约了新能源汽车的市场发展空间。在新能源汽车制造的核心技术中我国整体创新能力较低，与一些跨国企业相比仍存在不小的差距。未来我国应致力于攻破新能源汽车的核心技术瓶颈，实现新能源汽车使用寿命及使用可靠性的增强。

5 总结

电池作为新能源汽车的主要动力源，需要加大对电池领域的研究力度与深度，不断创新，实现电池在使用寿命、续航能力等方面的重大突破。科学使用并对电池系统进行科学有效管理，才能延长电池使用寿命。