純電動(dòng)汽車發(fā)展面臨的問(wèn)題

王大為 羅悅齊

（1.上海交通大學(xué)，上海200240；2.上海汽車集團(tuán) 前瞻技術(shù)研究部，上海 201804）

主題詞：純電動(dòng)汽車 鋰離子電池 能量密度 電池管理

1 前言

中國(guó)的新能源汽車銷量在逐年增加，且純電動(dòng)汽車始終占據(jù)主導(dǎo)地位。根據(jù)乘用車市場(chǎng)信息聯(lián)席會(huì)數(shù)據(jù)，2017年中國(guó)新能源汽車共銷售56萬(wàn)輛，其中純電動(dòng)汽車45萬(wàn)輛；2018年中國(guó)新能源汽車共銷售105.3萬(wàn)輛，市場(chǎng)滲透率從2011年的0.3%增長(zhǎng)至超過(guò)4%[1-3]。

另一方面，一系列政策的出臺(tái)則進(jìn)一步保證了新能源汽車的地位。作為《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）》子課題三的《傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車與新能源汽車協(xié)同發(fā)展研究》表明：新能源汽車與燃油汽車協(xié)同發(fā)展、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，新能源汽車將是車輛的必不可少的一部分[4-7]。

與燃油汽車相比，作為新能源汽車主導(dǎo)的純電動(dòng)汽車有很多優(yōu)勢(shì)：污染少、效率高、噪音低、操作順暢、不依賴汽油等[8-10]。但是純電動(dòng)汽車也存在一些爭(zhēng)議和問(wèn)題，如續(xù)駛駛里程、能耗、安全性等。因此，有必要對(duì)純電動(dòng)汽車面臨的問(wèn)題進(jìn)行梳理。

本文從汽車從業(yè)者和高?？蒲腥藛T的角度，首先通過(guò)回顧純電動(dòng)汽車的歷史，指出電池是純電動(dòng)汽車面臨問(wèn)題的核心；其次，本文分析和討論了純電動(dòng)汽車面臨的問(wèn)題。本文所討論的純電動(dòng)汽車僅限于文獻(xiàn)[11]，且不包括燃料電池汽車。

2 純電動(dòng)汽車歷史

了解一項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展歷史，能夠幫助認(rèn)清技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，了解面臨的瓶頸。本文通過(guò)簡(jiǎn)單的回顧純電動(dòng)汽車的歷史，來(lái)簡(jiǎn)述純電動(dòng)汽車面臨的問(wèn)題。

純電動(dòng)汽車的歷史可以追溯至1881年[10-11]。

法國(guó)人Gustave Trouvé制造了第一輛純電動(dòng)汽車。這是一輛三輪車，配備73.55 W的直流電機(jī)并采用鉛酸蓄電池供電。包括駕駛員在內(nèi)，車輛整備質(zhì)量約160 kg。兩年后，兩位英國(guó)教授制造了一款類似的車輛[12]。因?yàn)楫?dāng)時(shí)技術(shù)不夠成熟，所以這些車輛只能夠?qū)崿F(xiàn)約15 km/h的時(shí)速和16 km的續(xù)駛里程。這甚至無(wú)法和馬車競(jìng)爭(zhēng)。直到1864年的巴黎-魯昂賽事(Paris-to-Rouen race)，純電動(dòng)汽車才徹底地超越了馬車。當(dāng)時(shí)的純電動(dòng)汽車可以在48 h 53 min內(nèi)行駛1 135 km，高達(dá)23.3 km/h的平均時(shí)速也遠(yuǎn)超馬車[10]。

此后，純電動(dòng)汽車和燃油汽車展開(kāi)了長(zhǎng)達(dá)20年的競(jìng)爭(zhēng)。在當(dāng)時(shí)的美國(guó)，因?yàn)楣防锍梯^短且主要分布在城市內(nèi)部，所以車輛的行駛范圍較小，純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程的問(wèn)題不是很突出。但是，在當(dāng)時(shí)的歐洲，迅速增加的公路里程極大地?cái)U(kuò)展了車輛的行駛范圍。這顯然更有利于燃油汽車。第一輛商業(yè)化的純電動(dòng)汽車是莫里斯和薩洛姆的“電蝙蝠”（Morris and Salom's Electrobat）。該車配備兩個(gè)1.1 kW的電機(jī)，擁有高達(dá)32 km/h的時(shí)速，其續(xù)駛里程約40 km。盡管該車售價(jià)較高，但是其盈利能力已遠(yuǎn)超馬車。再生制動(dòng)（Regenerative Braking）是這段時(shí)期取得的最有意義的技術(shù)進(jìn)步：因?yàn)樵摷夹g(shù)可以回收剎車能量，并將回收的能量給電池充電，所以純電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程得到了顯著的提升。該技術(shù)由法國(guó)人M.A.Darracq提出，并于1897年成功實(shí)施。同一時(shí)期，法國(guó)人Camille Jenatzy制造的La Jamais Content，續(xù)駛里程首次達(dá)到了100 km。

然而，燃油汽車擁有更強(qiáng)勁的動(dòng)力、更好的靈活性和操控性。因此，純電動(dòng)汽車在與燃油汽車的競(jìng)爭(zhēng)中開(kāi)始落敗。純電動(dòng)汽車較高的成本并不是根本因素，有限的續(xù)駛里程和性能才是更根本的因素。隨著1905年最后一款商業(yè)化的純電動(dòng)汽車出廠，之后的近60年，純電動(dòng)汽車僅僅應(yīng)用在高爾夫球車和運(yùn)輸車輛等場(chǎng)合。

到1945年，晶體管（Transistor）和晶閘管（Thyristor）的出現(xiàn)使得純電動(dòng)汽車的商業(yè)化重見(jiàn)曙光。他們可以使電池在高電壓的情況下輸出大電流，再不需要效率低下的變阻器來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)輸出的功率。此時(shí)，變頻的交流電機(jī)也開(kāi)始應(yīng)用在純電動(dòng)汽車上。1966年，通用公司（General Motors，GM）研制了純電動(dòng)貨車（Electrovan）。該車由感應(yīng)電機(jī)（Induction Motors）驅(qū)動(dòng)并采用由晶閘管組成的逆變器（Inverter）。這段時(shí)期，最有影響力的純電動(dòng)汽車是阿波羅計(jì)劃（Apollo Astronauts）所使用的月球車（Lunar Roving Vehicle）。該車整備質(zhì)量約209 kg，可載重約490 kg，續(xù)駛里程約65 km。在20世紀(jì)60到70年代之間，環(huán)保問(wèn)題的出現(xiàn)也促進(jìn)了純電動(dòng)汽車的研發(fā)。盡管電池技術(shù)和電子設(shè)備都有所進(jìn)步，但是續(xù)駛里程和電池性能仍是純電動(dòng)汽車主要的限制因素。在20世紀(jì)80到90年代早期，盡管通用和雪鐵龍（Peugeot Société Anonyme，PSA）都推出了具有實(shí)用價(jià)值的純電動(dòng)汽車，但是其續(xù)駛里程和車輛性能仍無(wú)法與燃油汽車相比。造成該現(xiàn)象的主要原因之一是電池的能量主要存儲(chǔ)在金屬電極中，這使得電池的能量密度遠(yuǎn)低于汽油。因此，汽車工業(yè)開(kāi)始逐漸放棄純電動(dòng)汽車，轉(zhuǎn)而研發(fā)混合動(dòng)力汽車[10]。

縱觀純電動(dòng)汽車的發(fā)展歷史，電池技術(shù)一直是其最大的軟肋，并嚴(yán)重地阻礙其商業(yè)化。盡管人們對(duì)電池技術(shù)的研發(fā)投入了巨大的精力，但是遺憾的是，電池技術(shù)的進(jìn)步著實(shí)有限，且性能遠(yuǎn)低于純電動(dòng)汽車的要求，尤其是電池的能量密度。事實(shí)上，一些基礎(chǔ)研究表明，即使電池的能量密度被優(yōu)化到理論的上限，純電動(dòng)汽車也永遠(yuǎn)不可能與采用液體燃料的汽車相比[13]。因此，近些年來(lái)，汽車的研發(fā)開(kāi)始逐漸轉(zhuǎn)向混合動(dòng)力和燃料電池汽車。

3 純電動(dòng)汽車面臨的問(wèn)題

3.1 電池能量密度

電池的能量密度是影響純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程的最主要因素。目前，最適合純電動(dòng)汽車的電池是鋰離子電池。因此，本文主要討論鋰離子電池。

在眾多的鋰離子電池中，以三元材料鋰電池和磷酸鐵鋰電池最為普遍[14-15]。然而，即使經(jīng)過(guò)多年的研發(fā)，到目前為止，電池的能量密度仍然較低，且無(wú)法滿足純電動(dòng)汽車的需求：50～100 kW?h的電池包重約600 kg，且占據(jù)約500 L的空間[16]。純電動(dòng)汽車對(duì)電池系統(tǒng)的能量密度的需求約500 W?h/kg。這意味著單電池的能量密度需要達(dá)到800～900 W?h/kg。這遠(yuǎn)超現(xiàn)有的電池技術(shù)水平，與汽油的能量密度（約2 700 W?h/kg）仍有很大的差距[17]，如圖1所示。雪上加霜的是，鋰離子電池技術(shù)的發(fā)展正在逐漸地放緩。這是因?yàn)殇囯x子電池的能量密度已經(jīng)接近其理論值的上限[16]。這意味著鋰離子電池能夠提供的續(xù)駛里程根本無(wú)法與汽油相抗衡，甚至難以讓智能手機(jī)連續(xù)運(yùn)行數(shù)天[18]。根據(jù)計(jì)算，500 km的續(xù)駛里程需要電池包的能量密度達(dá)到約300 W?h/kg，需要單電池的能密度至少達(dá)到350 W?h/kg。這已經(jīng)是鋰離子電池能量密度的極限，如圖2所示[19]。

圖1 多種鋰離子電池理論和實(shí)際的能量密度[20]

圖2 鋰離子電池能量密度的極限[18,21]

雖然金屬鋰的能量密度（高達(dá)43.1 MJ/kg）與汽油不相上下，但是鋰離子電池的能量密度卻遠(yuǎn)低于該值：不能充電的鋰離子電池只有1.8 MJ/kg；能充電的鋰離子電池更低，只有0.36～0.875 MJ/kg。究其原因，可以歸結(jié)為以下三條[22]：

首先，為保證電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)有序地進(jìn)行，鋰離子電池必須要配有一定質(zhì)量的電解液；

其次，鋰離子必須均勻地分布在電極表面：無(wú)序地分布在電極表面會(huì)發(fā)生析晶，導(dǎo)致隔膜穿刺、電池短路；

最后，為了保證正極的結(jié)構(gòu)完整和強(qiáng)度，正極通常會(huì)保留約50%的鋰離子，而這些鋰離子基本不參加化學(xué)反應(yīng)。

由于上述原因，鋰離子電池的能量密度始終難以與汽油相抗衡。此外，如果考慮副反應(yīng)、循環(huán)穩(wěn)定性、材料成本等因素，鋰離子電池的能量密度將會(huì)進(jìn)一步下降[23]。

那么，能否通過(guò)增加鋰離子單電池的數(shù)量來(lái)提升續(xù)駛里程？答案是否定的。純電動(dòng)汽車在行駛過(guò)程中所消耗的功率，除克服空氣阻力外，都與車輛的總質(zhì)量成正比，且為線性關(guān)系。增加單電池的數(shù)量，一方面確實(shí)可以增加能量?jī)?chǔ)備從而提升續(xù)駛里程，但另一方面也增加了車輛質(zhì)量和能耗，反而會(huì)降低續(xù)駛里程。純電動(dòng)汽車總質(zhì)量比燃油車重約10～20%，每增加1 kg質(zhì)量，百公里能耗約增加5～10 Wh[24]。因此，通過(guò)增加單電池的數(shù)量來(lái)提升續(xù)駛里程的效果并不理想。

此外，燃油汽車的續(xù)駛里程則受發(fā)動(dòng)機(jī)壽命影響較小，而純電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程則與電池的壽命緊密相關(guān)。在一些純電動(dòng)汽車的試點(diǎn)項(xiàng)目中，隨著電池容量的衰減，車輛的續(xù)駛里程從原有的100 km下降到不足70 km[25]。影響鋰離子電池壽命的因素有很多，包括材料、溫度、電流和放電深度（Depth of Discharge，DOD）等[26-27]。在理想的工況下，鋰離子電池的壽命通常可以達(dá)到5年左右；但是在實(shí)際使用的過(guò)程中，由于電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）的精度、單電池的一致性等問(wèn)題，其壽命通常只有2年左右[26]。電池到達(dá)使用壽命后，用戶不得不更換新電池。但是，更換新電池的成本非常高昂：在一些車型中，電池所占成本高達(dá)50%，更有甚者的是更換電池的價(jià)格甚至?xí)哂谲囕v價(jià)格，而且政策補(bǔ)貼并不覆蓋更換電池的成本[25,28-29]。這無(wú)疑會(huì)極大的影響純電動(dòng)汽車的普及。

3.2 電池材料

鋰離子電池的制造過(guò)程是高成本、高污染、高能耗的[16]。為保證電池性能，電極材料必須采用一定比例的鈷和鎳：100 kg的鋰離子電池正極約需6～12 kg的鈷和36～48 kg的鎳。鈷在地殼中含量稀少、開(kāi)采過(guò)程高污染且成本高昂[16,19]：全球大多數(shù)的鈷礦含量較低，僅約0.003%，而高于0.1%才值得去開(kāi)采，但成本高達(dá)100～150美元/kg[30]。中國(guó)的鈷礦較少，生產(chǎn)電池所需的鈷大多數(shù)需要進(jìn)口。富含鈷的礦，只有少數(shù)幾個(gè)地方：2015年全球50%多的鈷產(chǎn)自剛果，其中大部分流向了中國(guó)；澳大利亞擁有世界上14%的鈷礦，但是并沒(méi)有被充分地開(kāi)發(fā)；鈷可以從深海海底提取，但是考慮到生態(tài)和經(jīng)濟(jì)等效益，深海開(kāi)采并不提倡[31]。此外，日益增長(zhǎng)的電池產(chǎn)量推高了鈷的價(jià)格：從22美元/kg增至81美元/kg，增長(zhǎng)了約3倍[31]。和鈷一樣，鎳也是只有世界上少數(shù)幾個(gè)地方擁有，且同樣需要進(jìn)口。印度尼西亞、菲律賓、加拿大、新喀里多尼亞、俄羅斯和澳大利亞生產(chǎn)了全球約72%的鎳。鎳的開(kāi)采相對(duì)便宜，但是迅速增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求也推高了鎳的價(jià)格。隨著市場(chǎng)需求的增加，鈷和鎳的產(chǎn)量完全無(wú)法滿足需求，即使回收電池也無(wú)法彌補(bǔ)需求上的缺口。這將進(jìn)一步地推高原材料價(jià)格從而增加純電動(dòng)汽車的成本[32]。因此有研究建議將研發(fā)的重點(diǎn)放在更普遍、更廉價(jià)、更容易獲得的材料上，如鐵、銅等[16]。

此外，鑒于鋰離子電池的能量密度已經(jīng)接近其理論上限，確實(shí)有必要去研發(fā)其他電池來(lái)更好地滿足純電動(dòng)汽車的需求。

除三元材料鋰電池和磷酸鐵鋰電池之外，有觀點(diǎn)建議采用鋰硫電池、鈉離子電池、金屬空氣二次電池、全固態(tài)電池等技術(shù)[15,33,34]。為了實(shí)現(xiàn)高能量密度電池，負(fù)極采用金屬鋰，正極應(yīng)采用O2、H2O、CO2和S等[35]。

在電池結(jié)構(gòu)等方面，有研究建議采用梯度包覆型（梯度核殼結(jié)構(gòu)）[36]。該結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定性好、倍率高、循環(huán)保持率穩(wěn)定。但是在產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中會(huì)面臨電壓衰減、制造工藝等問(wèn)題[37]。也有觀點(diǎn)推薦尖晶石、富鋰異質(zhì)結(jié)構(gòu)[38]。該結(jié)構(gòu)能量密度高、動(dòng)力性能好。但是材料的相變問(wèn)題、成品材料的振實(shí)密度與高能量密度之間的矛盾等問(wèn)題仍有待解決[37]。

值得注意的是，一些實(shí)際效果并不太理想的材料受到過(guò)度地?zé)崤?。在此投入大量的研發(fā)精力，可能會(huì)造成不必要的浪費(fèi)。

首當(dāng)其沖的便是石墨烯，與其他碳系材料競(jìng)爭(zhēng)，無(wú)明顯優(yōu)勢(shì)。石墨烯只能用做負(fù)極活性材料和導(dǎo)電添加劑，且成本高昂、體積密度低下。使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變化（Re-stacking）、分散等一系列問(wèn)題。石墨烯并沒(méi)有改變電化學(xué)特性和存儲(chǔ)機(jī)理，因此在化學(xué)原理上沒(méi)有顛覆性[15,39,40]。

鋰空電池在最近也受到熱捧[41]。有研究解決了鋰空電池只與純氧反應(yīng)、循環(huán)壽命差等問(wèn)題，在基礎(chǔ)研究方面取得了重要的突破[42]。但是，業(yè)界指出鋰空電池結(jié)合了鋰離子電池和燃料電池的缺點(diǎn)，且副反應(yīng)過(guò)多。因此，鋰空電池也不適合純電動(dòng)汽車[43]。

3.3 電動(dòng)汽車生命周期分析

純電動(dòng)汽車是否節(jié)能環(huán)保，不能僅考慮汽車運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的能耗和排放，還需要對(duì)汽車進(jìn)行生命周期分析，包括汽車的制造、回收等環(huán)節(jié)。中國(guó)的汽車生命周期分析已經(jīng)發(fā)布相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[44-45]。

鋰離子電池的制造過(guò)程會(huì)產(chǎn)生一定的污染[16,46]。但是，與燃油汽車相比孰高孰低，目前尚未找到系統(tǒng)的方法去評(píng)估[47-49]。

關(guān)于純電動(dòng)汽車運(yùn)行時(shí)能耗的問(wèn)題，業(yè)界尚存在一定的爭(zhēng)議。有觀點(diǎn)認(rèn)為，純電動(dòng)汽車耗電成本確實(shí)低于燃油汽車[50]。也有計(jì)算表明，鑒于中國(guó)以煤電為主，從碳排放的角度，純電動(dòng)汽車與燃油汽車相比并不具備優(yōu)勢(shì)[47,51-52]。即使技術(shù)較為領(lǐng)先的特斯拉（Tesla），也因?yàn)槟芎倪^(guò)高在新加坡遭到罰款[17]。但是隨著清潔發(fā)電技術(shù)的普及，純電動(dòng)汽車在節(jié)能減排等方面更有潛力，而燃油車始終無(wú)法擺脫化石燃料的限制[53]。

鋰離子電池的回收與環(huán)保問(wèn)題密不可分。廢舊鋰離子電池中的物質(zhì)進(jìn)入環(huán)境，可能會(huì)造成鎳污染、鈷污染、氟污染、有機(jī)物污染、粉塵和酸堿污染等[46]。鑒于此，對(duì)鋰離子電池進(jìn)行回收是十分必要的。中國(guó)公布了《新能源汽車動(dòng)力蓄電池回收利用管理暫行辦法》，明確了回收利用電池責(zé)任主體[54-55]。這有利于環(huán)境保護(hù)，促進(jìn)新能源汽車產(chǎn)業(yè)健康持續(xù)發(fā)展。

3.4 充電技術(shù)

純電動(dòng)汽車的充電時(shí)間通常遠(yuǎn)高于燃油汽車的加油時(shí)間，這也不利于純電動(dòng)汽車的商業(yè)化。純電動(dòng)汽車如果采用“慢充”，所需時(shí)間通常達(dá)到6 h以上[56]。這與燃油汽車的加油時(shí)間根本不在一個(gè)數(shù)量級(jí)上，完全無(wú)法抗衡。因此，業(yè)界提出了“快充”來(lái)解決充電時(shí)長(zhǎng)的問(wèn)題?！翱斐洹蓖ǔＪ切r(shí)級(jí)別的，充電電流大于0.1 C[56-57]。

但是“快充”也面臨著一些問(wèn)題：

首先，“快充”的速度是有上限的。更快的充電速度要求更快的化學(xué)反應(yīng)速度。但是電池內(nèi)部鋰離子的遷移速度在動(dòng)力學(xué)上是存在上限的，無(wú)法無(wú)限制的提高[23,58]；

其次，“快充”會(huì)降低鋰離子電池的能量轉(zhuǎn)換效率、縮短電池壽命?！翱斐洹睂?duì)于單電池的壽命與穩(wěn)定性的影響非常小，但是對(duì)電池包來(lái)說(shuō)，“快充”就是在用充電時(shí)間換取電池壽命[57]?！翱斐洹睍?huì)導(dǎo)致電極中鋰離子的嵌入、脫出過(guò)于頻繁，加速電極結(jié)構(gòu)的“坍塌”，材料的“老化”和性能的衰減。長(zhǎng)期“快充”會(huì)產(chǎn)生極化等效應(yīng)，對(duì)材料不利，會(huì)導(dǎo)致電池容量和能量密度下降[58]；

此外，充電速度過(guò)高還會(huì)帶來(lái)一定的安全隱患[23]。有研究宣稱研發(fā)了“快充”的材料技術(shù)，可以在5 min內(nèi)以12 C的電流充滿一臺(tái)180 kW的插電式混合動(dòng)力汽車[59]。但是，隨后不久，便有研究提出多達(dá)14個(gè)質(zhì)疑，并提到這樣的“快充”會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患：充電產(chǎn)生的熱量足夠?qū)?70 L水煮沸[60-61]。

“快充”要求電池具有良好的功率密度，而續(xù)駛里程要求電池?fù)碛袃?yōu)秀的能量密度。這兩種要求通常是矛盾的，需要妥協(xié)與平衡：功率密度高的電池往往是以犧牲能量密度為代價(jià)的[56]。

在基礎(chǔ)設(shè)施等方面，純電動(dòng)汽車充電技術(shù)也面臨一定的問(wèn)題，無(wú)論“快充”還是“慢充”。純電動(dòng)汽車通常在夜間接入處于用電高峰的居民配電網(wǎng)，而居民配電網(wǎng)容量較小。在“峰上加峰”的情況下，居民配電網(wǎng)難以支撐純電動(dòng)汽車大規(guī)模充電。即使是現(xiàn)有的商用配電網(wǎng)，也難以滿足需求[58]。因此，純電動(dòng)汽車充電對(duì)于居民配電網(wǎng)來(lái)說(shuō)是非常高的負(fù)荷，會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成相當(dāng)?shù)臎_擊。即使相對(duì)保守的計(jì)算，純電動(dòng)汽車以1.4 kW的“慢充”進(jìn)行充電，居民配電網(wǎng)的夜間負(fù)荷上升了一倍多[62-63]。

無(wú)論是建設(shè)專用的配電網(wǎng)絡(luò)還是建立微電網(wǎng)，都有著不小的資金和技術(shù)上的難度。或許改變用戶習(xí)慣，錯(cuò)峰充電是個(gè)可選擇的解決方案。隔夜充電（Overnight charging）8～10 h可續(xù)駛100 km，同時(shí)不會(huì)對(duì)配電網(wǎng)產(chǎn)生很大的沖擊。但是這需要改變消費(fèi)者的使用習(xí)慣，需要用戶的配合[62]。

3.5 換電模式

鑒于充電技術(shù)存在的上述問(wèn)題，蔚來(lái)公司提倡的換電模式逐漸地走進(jìn)業(yè)界的視野[25,64,65]。以色列Better Place公司率先提出換電模式，且在換電站內(nèi)通過(guò)機(jī)械臂3 min即可完成換電[25]。

換電模式有著充電模式不可替代的優(yōu)勢(shì)：提高電網(wǎng)負(fù)荷率，電池可以采用“慢充”延長(zhǎng)壽命，谷底充電時(shí)電價(jià)成本較低；雖然換電站初期投資高，但是比充電站盈利性更強(qiáng)，投資回收期更短[25,66]。

然而換電模式也存在一些難以解決的問(wèn)題。

首先，電池管理系統(tǒng)是電池包的核心技術(shù)之一，各車企不愿意剝離，難以達(dá)成統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。這不利于換電模式的推廣；其次，電池價(jià)格過(guò)于昂貴，消費(fèi)者不愿負(fù)擔(dān)換電產(chǎn)生的成本[25]；再次，隨著換電次數(shù)的增加，電池的容量和能量密度逐漸地衰減，續(xù)駛里程不斷地下降：中國(guó)國(guó)家電網(wǎng)和眾泰汽車在杭州的試點(diǎn)項(xiàng)目中，多次換電后，出租車的續(xù)駛里程由100 km下降到不足70 km[25,67]；此外，涉及多方的利益沖突，利潤(rùn)主要被換電服務(wù)商拿走，整車廠沒(méi)有積極性[25]。

鑒于上述原因，2012年，中國(guó)最終確立了充電模式為主導(dǎo)[25,68]。盡管換電模式不再是主導(dǎo)模式，但是換電模式與充電模式都有各自不可替代的優(yōu)勢(shì)，兩者應(yīng)相輔相成、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，更好地滿足純電動(dòng)汽車的需求[25]。

3.6 電池管理系統(tǒng)

鋰離子電池包配備電池管理系統(tǒng)，主要基于以下三個(gè)原因：

首先，鋰離子單電池的電壓和容量較小，需要將成百上千的單電池組成一個(gè)電池包才能夠滿足純電動(dòng)汽車的需求；其次，電池的過(guò)充和過(guò)放都會(huì)對(duì)電池造成不可逆的損傷，單電池的充電、放電過(guò)程需要被精確地控制；最后，鋰離子電池能夠安全工作的溫度和電壓范圍較窄，如圖3所示（安全放電的溫度范圍是-20～55°C；安全充電的溫度范圍更窄，是0～45 °C[69,70]）。

因此，為保證鋰離子電池包安全、可靠地工作，鋰離子電池包必須要配備電池管理系統(tǒng)[69]。目前，電池管理系統(tǒng)尚無(wú)最終定義，以參考文獻(xiàn)[71][72]的定義最為常見(jiàn)。

圖3 鋰離子電池安全工作范圍[73]

電池管理系統(tǒng)的目標(biāo)主要有三個(gè)[69,72]：

（1）防止電池和電池包的損壞；

（2）讓電池工作在合適的電壓和溫度區(qū)間，保證安全的同時(shí)，盡可能延長(zhǎng)壽命；

（3）讓電池包盡可能地滿足純電動(dòng)汽車的要求。

電池管理系統(tǒng)的硬件架構(gòu)如圖4所示，包括電流、電壓傳感器、溫度傳感器、加速或剎車傳感器、運(yùn)行或禁止充電傳感器；軟件系統(tǒng)的功能應(yīng)包括：電池參數(shù)監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)電池狀態(tài)、在線監(jiān)測(cè)、電池安全控制及預(yù)警、充電控制、電池均衡、熱管理、網(wǎng)絡(luò)連接和信息儲(chǔ)存等[69]。

圖4 電池管理系統(tǒng)硬件架構(gòu)[69]

電池管理系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題包括電壓測(cè)量、電池狀態(tài)預(yù)測(cè)，電池的一致性和錯(cuò)誤診斷等[69]。眾多的企業(yè)、研究所和高校均推出了各自的電池管理系統(tǒng)[74-77]。國(guó)內(nèi)也涌現(xiàn)出相當(dāng)數(shù)量的產(chǎn)品[78-84]。當(dāng)前市場(chǎng)上，特斯拉的電池管理系統(tǒng)是優(yōu)秀系統(tǒng)的典型范例[85]。

3.7 安全性

如前文所述，鋰離子電池安全工作的范圍比較狹窄。90～120°C，電池的固體電解質(zhì)相界面膜（Solid Electrolyte Interphase(SEI)film）會(huì)發(fā)生熱解，而一些電極在69°C就會(huì)分解[86-90]。當(dāng)溫度達(dá)到130°C，電池隔板開(kāi)始融化[91,92]。溫度繼續(xù)升高至150°C，正極材料開(kāi)始分解[93-95]。當(dāng)溫度升至200°C以上，電極會(huì)分解并產(chǎn)生可燃?xì)怏w和氧氣，并引起火災(zāi)[95]。過(guò)低的溫度也會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的問(wèn)題。0°C以下充電會(huì)導(dǎo)致鋰離子以金屬的形態(tài)聚集在電極上，從而降低電池的循環(huán)壽命[96]。極低的溫度下，電池的陰極會(huì)直接發(fā)生分解并導(dǎo)致電池短路[72]。此外，電壓過(guò)低或過(guò)度放電，電池內(nèi)部會(huì)發(fā)生相變，導(dǎo)致晶體聚集從而進(jìn)一步影響電池性能[97]。電壓過(guò)高和過(guò)度充電會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部產(chǎn)生大量的熱量，同時(shí)加速電池容量的衰減，并可能導(dǎo)致電池短路和一系列安全問(wèn)題[98]。

超出安全工作范圍，鋰離子電池將存在一定的安全隱患。用在純電動(dòng)汽車上，還要考慮碰撞安全和爆炸風(fēng)險(xiǎn)。

市場(chǎng)主流使用的有三元材料鋰電池和磷酸鐵鋰電池。磷酸鐵鋰電池安全性較好，但是能量密度低，續(xù)駛里程短；三元材料鋰電池能量密度高、循環(huán)性能好，但是高溫時(shí)的安全性較差，在使用過(guò)程中更容易著火甚至爆炸。

雖然鋰離子電池著火的原因尚不明確，但是有統(tǒng)計(jì)表明，同為易燃物的電解液也起著不可忽視的作用。改善鋰離子電池的安全性，一方面需要對(duì)現(xiàn)有的材料、加工工藝等進(jìn)行改進(jìn)；另一方面，電池管理系統(tǒng)應(yīng)該發(fā)揮更大的作用，因?yàn)樵谝寻l(fā)生的事故中，電池管理系統(tǒng)基本上沒(méi)有起到應(yīng)有的預(yù)警作用。此外，電池成組技術(shù)還不夠成熟，這也是保證電池包安全工作需要攻克的難關(guān)。

3.8 政策的挑戰(zhàn)

給予純電動(dòng)汽車的補(bǔ)貼力度正在逐漸地下降，也就是業(yè)界所謂的“補(bǔ)貼退坡”，且過(guò)渡期只有半年。鑒于純電動(dòng)汽車相對(duì)高昂的制造和使用成本，純電動(dòng)汽車將面臨更大的競(jìng)爭(zhēng)壓力。此外，政策對(duì)能量密度的要求也將進(jìn)一步增加純電動(dòng)汽車的競(jìng)爭(zhēng)壓力。根據(jù)《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012-2020）》、《中國(guó)制造2025》、《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》的相關(guān)內(nèi)容，到2020年時(shí)，中國(guó)新能源汽車產(chǎn)量達(dá)到200萬(wàn)輛，保有量達(dá)到500萬(wàn)輛，電池的能量密度要達(dá)到250 W?h/kg，這就給我國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)定下了“量質(zhì)同升”的總體目標(biāo)[68]。目前來(lái)看，要實(shí)現(xiàn)250 W?h/kg的電池能量密度，難度并不小。

4 結(jié)論

本文回顧了純電動(dòng)汽車的歷史，并指出電池是純電動(dòng)汽車需要解決的核心問(wèn)題。圍繞電池這個(gè)核心問(wèn)題，本文從電池能量密度、電池材料、汽車生命周期分析、充電技術(shù)、換電模式、電池管理系統(tǒng)、安全性和政策等方面，概述了純電動(dòng)汽車面臨的問(wèn)題。

鑒于鋰離子電池的能量密度逐漸接近其理論上限，所以應(yīng)投入一定的精力去研發(fā)其他類型的電池。各種備選的電池都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行全面的評(píng)估。

從汽車生命周期分析的角度，純電動(dòng)汽車節(jié)能減排的能力尚存在一定爭(zhēng)議。鑒于中國(guó)以煤電為主，純電動(dòng)汽車的能耗與燃油汽車相當(dāng)。然而，隨著清潔發(fā)電能源的比例逐漸增加，純電動(dòng)汽車具有更大的節(jié)能減排潛力。

電池充電目前以充電模式為主，換電模式為輔?！翱斐洹彼俣仍诶碚撋洗嬖谏舷?，考慮到電池安全性、容量衰減等問(wèn)題，“快充”速度不能無(wú)限制地提高。此外，純電動(dòng)汽車充電也會(huì)增加電網(wǎng)負(fù)荷，給電網(wǎng)帶來(lái)一定的沖擊。換電模式有其不可替代的優(yōu)勢(shì)。充電模式和換電模式應(yīng)相輔相成以便更好地滿足純電動(dòng)汽車的需求。

電池管理系統(tǒng)是純電動(dòng)汽車安全的重要保證，但是在已發(fā)生的事故中，電池管理系統(tǒng)作用不足，仍有待提高。純電動(dòng)汽車的安全性仍有待提高。這需要對(duì)現(xiàn)有的材料和加工工藝進(jìn)行改進(jìn)。

隨著政策補(bǔ)貼力度的下降，及政策對(duì)電池能量密度的要求，純電動(dòng)汽車將面臨更嚴(yán)峻的競(jìng)爭(zhēng)壓力。