電池之遲

宋喜秀

電池之遲

宋喜秀

車載動力電池，是電動汽車主演，電池性能遲鈍，成為發(fā)展短板：充電時間太長，遲遲不能充滿；放電時間太短，續(xù)駛里程衰減；負重爬坡吃力，配置優(yōu)化遲緩；投機取巧頻出，不利長遠發(fā)展。解決電池之遲，已經(jīng)刻不容緩。

新能源；電池；容量；安全

電池是化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N載體，由于車載動力電池單元的電氣性能直接決定了電動汽車整車的機動性能，所以人們對動力電池的發(fā)展瓶頸特別關(guān)注。力學(xué)性能遲鈍，充電過程遲緩，補貼機制呆板……車載動力電池的各種短板效應(yīng)，已經(jīng)到了矛盾突出、亟待解決的關(guān)鍵時期。

追根溯源，電池之遲，遲在三個方面：容量有極限，安全有局限，補貼有時限。

1 能量容量極限

1780年秋，意大利醫(yī)學(xué)家伽伐尼(Luigi Galvani)在解剖一只青蛙時，發(fā)現(xiàn)手術(shù)刀碰到青蛙大腿上的神經(jīng)時，已經(jīng)死掉了的青蛙的大腿會產(chǎn)生抽搐。伽伐尼換用銅和鐵、銅和銀等不同的金屬器械連接到青蛙的肌肉和神經(jīng)上，青蛙的尸體都會發(fā)生抖動；改用玻璃之類的介質(zhì)搭接神經(jīng)，青蛙腿則不會抖動——這就是電流生理學(xué)發(fā)展史上著名的“青蛙試驗”。伽伐尼就此認為動物有自發(fā)電的本能，并認為動物的腦部是“分泌”電液的器官。

同時期的意大利物理學(xué)家亞歷山德羅·伏打(AlessandroVolta，又譯伏特)卻不以為然。伏打強調(diào)，電流效應(yīng)的主體不是動物體，而是那些金屬器械的屬性差異，并于1800年春天以鋅為負極，銀為正極，用鹽水作電解質(zhì)溶液，成功發(fā)明了人類歷史上第一套化學(xué)電源裝置——“伏打電池(圖1)”。

電解質(zhì)溶液中正負兩個電極的不同電勢產(chǎn)生的電勢差(電壓)，是驅(qū)動電荷流動的根本動力。伏打電池開辟了化學(xué)電源和電氣化學(xué)工業(yè)新時代，“伏打”也被命名為電壓參數(shù)U的計量單位(V)而載入史冊。電壓1V的物理學(xué)定義是：在載荷為恒定電流1A(安培)的導(dǎo)線上，功率消耗為1W(瓦)的兩點之間的電勢差。電勢差的形成離不開電極、回路、電解質(zhì)及自發(fā)進行的氧化還原反應(yīng)四項基本條件。

根據(jù)氧化還原反應(yīng)的可逆性不同，科學(xué)家把化學(xué)電源劃分為原電池與蓄電池兩大類。

1.1 原電池

原電池是指電解質(zhì)溶液中化學(xué)反應(yīng)不能逆轉(zhuǎn)，化學(xué)電能不可持續(xù)的一次性電池。原電池放完電后，電化學(xué)反應(yīng)停止，電勢差歸零；離子不上岸，電子不下水，只有補充電極活性、電解質(zhì)溶液，恢復(fù)氧化還原反應(yīng)，才能恢復(fù)電源功能，而不能通過逆向充電重復(fù)使用。

顧名思義，原電池的電能來源于電池中的化學(xué)原料——普通的一次性干電池、碳氧電池、金屬鋰原電池、燃料電池(Fuel Cell，縮寫FC)都屬于原電池。燃料電池是燃料與氧化劑通過電極反應(yīng)將其化學(xué)能直接轉(zhuǎn)為電能的能量生成裝置。英國的Grove以鉑為電極催化劑，于1839年發(fā)明了燃料電池，并用這種簡單的電池點亮了倫敦講演廳的照明燈。

燃料電池的燃料除了氫氣，還有天然氣、甲醇和柴油等其他液體燃料。如果使用的是純氫氣，燃料電池的排放物就是水蒸氣。只要外部不斷地供給燃料和氧化劑，燃料電池就能連續(xù)穩(wěn)定地發(fā)電。電動汽車應(yīng)用最多的燃料為氫(H2)和甲醇(CH3OH)，是高效率、高環(huán)保、沒有霧霾基因的綠色電池，與其有關(guān)的3類電池的構(gòu)成如表1。

表1 3類燃料電池的構(gòu)成

氫燃料電池的發(fā)電過程是電解水的逆反應(yīng)(圖2)：把車載高壓(70 MPa)氫瓶中的氫氣和空氣中的氧氣分別供給陽極(負極)和陰極(正極)，氫原子中的一個電子被分離出來，失去電子的氫離子(質(zhì)子)通過質(zhì)子交換膜到達陰極；而放出的電子通過外部的負載到達陰極形成電流；電子、氫離子和氧原子在陰極結(jié)合生成水。

氫燃料電池的電極用特制多孔性材料制成，電極本身不含活性物質(zhì)，是催化轉(zhuǎn)化元件，但卻是氫燃料電池的一項關(guān)鍵技術(shù)，既要為氣體和電解質(zhì)提供較大的反應(yīng)接觸面，還要對電池的化學(xué)反應(yīng)起催化作用。燃料和氧化劑在電極上不斷進行反應(yīng)，排出生成物。

由于自身結(jié)構(gòu)的局限性，氫燃料電池存在著輸出電壓相對較低(0.7 V)且電壓值不穩(wěn)定等缺點。所以，氫燃料電池在電動汽車上的大規(guī)模應(yīng)用還存在著技術(shù)、工藝、成本等障礙。為了促進氫燃料動力電池汽車的發(fā)展，豐田汽車于2015年1月宣布開放其5 680項燃料電池技術(shù)專利的使用權(quán)。

1.2 蓄電池

與原電池相對，蓄電池是一種儲能裝置，能夠通過可逆的化學(xué)反應(yīng)實現(xiàn)再充電，屬于二次電池。充電時利用外部的電能使內(nèi)部活性物質(zhì)再生，把電能儲存為化學(xué)能，需要放電時再次把化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能輸出。按電解液成分分為堿性蓄電池和酸性蓄電池，2種蓄電池的典型代表分別是鎘氫蓄電池和鉛酸蓄電池。

1859年法國人普蘭特(GastonPlante)發(fā)明的鉛酸蓄電池，是最早的可充電電池，也是使用時間最長的酸性蓄電池，人們樂此不疲地對其技術(shù)細節(jié)進行改進和完善，美國奧巴馬政府甚至將新型鉛酸蓄電池定義為“下一代電池”。鉛酸蓄電池的先天不足有：充電時產(chǎn)生的酸霧，腐蝕性極強；需要補液，檢查硫化；與堿性電池相比，鉛酸蓄電池的能量密度低。但是，鉛酸電池技術(shù)最成熟，生產(chǎn)和配置成本最低，所以依然是大部分國產(chǎn)低速電動汽車的首選動力。幾種常用蓄電池的物理性能見表2。

表2 3類常用蓄電池的單體電壓

鋰是直徑最小最活潑的金屬，直徑小體積小所以容量密度高，但是，化學(xué)特性太活潑，則潛在著安全隱患——鋰金屬暴露在空氣中時，會與氧氣產(chǎn)生激烈的氧化反應(yīng)而爆炸。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)石墨及鈷酸鋰等材料的分子結(jié)構(gòu)，是納米等級的小格子，可以用來儲存鋰原子，避免鋰原子與氧氣接觸而爆炸。鋰離子電池以碳素材料為負極，以鋰離子嵌入化合物為正極，沒有金屬鋰存在，只有鋰離子，所以叫鋰離子電池。鋰離子電池的充放電過程，就是鋰離子的嵌入和脫嵌過程。鋰離子電池能量密度大，輸出電壓高，自放電小，工作溫度范圍寬,充電效率高，輸出功率大，使用壽命長,不含有毒有害物質(zhì)，被認定為可以取代鉛酸蓄電池的綠色電池。

電動汽車用鋰離子動力電池主要正極材料包括錳酸鋰(LMO)、磷酸鐵鋰(LFP)、鎳鈷錳(NCM)。總部設(shè)在美國加州硅谷地帶的特斯拉(Tesla)汽車公司，是世界上第一個采用鋰離子電池的電動車公司，我國于2005年7月開發(fā)出大容量磷酸鐵鋰電池，目前已裝備數(shù)百個純電動商用車目錄車型。

1.3 電池組

除了電壓之外，電池的第二個重要性能參數(shù)是容量C(Ah)，容量C是在溫度、放電率、終止電壓等技術(shù)參數(shù)一定條件下電池能夠放出的電量，是在連續(xù)放電時間T(h)內(nèi)對電流I(A，安培)的積分，計算公式為：C=∫I·dt。

電池容量按照不同條件分為實際容量、理論容量與額定容量。額定容量是指在某一放電率下于25℃放電至終止電壓所要求的最低限度的容量，是設(shè)計與生產(chǎn)時規(guī)定的電池的容量，有8 Ah、12 Ah、14 Ah等多種規(guī)格。電池的路端電壓U(v)是額定的，額定電壓與額定容量的乘積就是電池存儲電能的能量E(KWh，千瓦時)。E=∫U·I·dt=U×∫I·dt=U×C。

單體二次電池的電能容量十分有限，而片面提高電池容量時，往往又會降低電極的穩(wěn)定性，付出犧牲循環(huán)壽命的代價。所以，單體二次電池通常按照模塊化、標準化技術(shù)路線，與連接器、監(jiān)測器、電池架等輔助設(shè)施按照電氣模式組合成電池包、電池組，用作汽車的動力單元。表示電池組輸出電壓-電流關(guān)系的伏安特性曲線，以及輸出功率-電流關(guān)系的功率特性曲線見圖4。

由圖4可以看出，電池組在開路時輸出電壓最高，在短路時輸出電流及輸出功率最大。如何使電池組輸出的各項性能指標達到最優(yōu)狀態(tài)，需要對電池組進行系統(tǒng)管理。電池包、電池模組的組合過程賦予了電池組成本效應(yīng)和系統(tǒng)功能，并通過BMS(Battery Management System，電池管理系統(tǒng))管理電池單元，監(jiān)控電池單體，延長電池壽命。

2 充電放電風(fēng)險

蓄電池充電時，充電電源電壓必須高于電池的總電動勢，還必須對充放電電壓、電流進行安全防護。以鋰離子電池為例，充電時必須控制電壓上限，因為鋰電池過充到電壓高于4.2 V后，正極材料內(nèi)游走到負極的離子數(shù)目過半，剩下的鋰離子數(shù)量不到一半，此時儲存格很容易垮掉，使電池容量產(chǎn)生永久性的下降。放電時必須控制電壓下限，當(dāng)電壓低于2.4 V時，部分電極材料會被破壞，因此，放電過程不能放到2.4 V才停車。

充放電時還要對電流進行限制。電流過大時，鋰離子來不及進入儲存格，會在獲得電子后在材料表面聚集，產(chǎn)生鋰原子結(jié)晶，這與過充一樣，是一種安全隱患。一般鋰電池組內(nèi)，除了鋰電池芯外，都會有一片保護板，這片保護板主要就是提供電電壓上限、放電電壓下限、及電流上限三項保護。一旦電池外殼破裂，就會發(fā)生爆炸。

充電電源有交流傳導(dǎo)充電、直流傳導(dǎo)充電與無線充電3種類型。傳導(dǎo)充電過程控制有連續(xù)電流充電與脈沖電流充電兩種模式。

脈沖充電采用智能控制算法實施對充電電流脈沖寬度T1、間歇脈沖時間T2、放電電流脈沖T3的分段調(diào)節(jié)(圖5)，以消除被充電電池組的電極化現(xiàn)象，減少大電流充電產(chǎn)生的熱量，使電池組時刻處于較佳的電流接受狀態(tài)，提高充電速度和充電效率。一般屬于快充模式。

連續(xù)電流充電按電流大小不同細分為慢充、快充2種路線，以標稱容量為1 C的電池為例，0.1～0.2 C的充電電流為慢充，0.2 C以上的充電電流為快充，0.8 C的充電電流則為超快速充電。為了規(guī)范充電流程，保證充電安全，國家制定了《GB/T 18487.1-2015電動車輛傳導(dǎo)充電系統(tǒng)一般要求》和《GB/T 20234.2-2015電動汽車傳導(dǎo)充電接口》汽車行業(yè)標準。

2.1 交流充電樁

交流充電樁是安裝在電動汽車車外、與交流電網(wǎng)連接，為電動汽車車載充電機提供交流電源的供電裝置。交流充電樁可以同時具備計量計費功能和安全防護功能。交流充電樁工作原理見圖5。

交流充電樁由主電路、控制電路及顯示窗口、傳感器和通訊接口等3部分組成。其中，主電路是充電樁的配電系統(tǒng)，負責(zé)交流電源與充電接口之間的連接與切斷；控制電路由PLC控制器及其功能擴展模塊組成，實施充電樁正常運行控制、各功能塊的保護、故障檢測及處理、記錄充電參數(shù)，顯示充電過程信息及用戶充電金額等信息；傳感器和通訊接口，用于采集和監(jiān)控電壓、電量、頻率和有功功率等數(shù)據(jù)參數(shù)。

交流充電樁只提供電力輸出，沒有充電功能，需連接車載充電機為電動汽車充電。起了一個控制電源的作用。車載充電機受車身空間限制，功率十分有限，所以不能實現(xiàn)快速充電，俗稱為“慢充”。采用雙模混合動力系統(tǒng)的插電式混合動力汽車，如果要為電車充電，一般依靠外接單相電源(AC220V±15%，頻率50Hz)進行補充。

2.2 直流充電樁

直流充電樁安裝在車外的機柜里，將經(jīng)過轉(zhuǎn)換的直流電能量輸送到電動汽車上的充電接口，進一步轉(zhuǎn)化為蓄電池的化學(xué)能儲存起來。與交流充電樁相比，直流充電樁在同樣的通信功能基礎(chǔ)上，增加了將輸入的交流電轉(zhuǎn)換為直流電的整流功能和調(diào)節(jié)直流電功率的功率轉(zhuǎn)換功能。根據(jù)充電樁和車上電池管理系統(tǒng)相互之間的通訊，功率轉(zhuǎn)換器能在線調(diào)節(jié)直流充電功率，充電樁能顯示充電電壓、充電電流、充電量和充電費用等。同時，按照《GB/T 18487.1-2015電動車輛傳導(dǎo)充電系統(tǒng)一般要求》規(guī)定，充電樁還設(shè)置有一個鎖止杠桿類的鎖緊裝置，以利于插入和取出插頭，提供一個確定已經(jīng)鎖緊的信號以確保充電安全。

目前，常見的直流充電樁一般采用三相四線制供電(AC380V±15%，頻率50 Hz)，可以提供足夠的功率，輸出的電壓和電流調(diào)整范圍大，可以實現(xiàn)快充的要求。

2.3 無線充電

無線充電與有線充電相比，省略了充電接口，增加了接收線圈。目前有3條技術(shù)路線。

首先，是電磁感應(yīng)。變壓器就是利用電磁感應(yīng)原理把電能轉(zhuǎn)變?yōu)榇拍埽职汛拍茏兓仉娔?，進行能量傳遞的。把變壓器的2個繞組分離開來，就是一種無線供電設(shè)施。當(dāng)然，2個繞組簡單分離后，因為中間沒有高磁導(dǎo)率磁芯介質(zhì)，電源發(fā)射線圈發(fā)射的磁力線會嚴重發(fā)散，而且，2個繞組相距越遠，磁能損失越嚴重，所以，不適合大功率、遠距離的無線充電。

其次是光電耦合。以光的形式傳遞電能，到達目的地后，再將光能轉(zhuǎn)化為電能。光電轉(zhuǎn)換技術(shù)比較直觀，但也有技術(shù)缺陷——遇到障礙物會被反射，必須直來直去。

再次是磁共振。利用共振原理，在2個振動頻率相同的感應(yīng)線圈之間傳遞能量。與電磁感應(yīng)方式相比，磁共振方式無須2個線圈位置吻合，可以延長傳輸距離。

最后是無線電波方式。主要由微波發(fā)射裝置、微波接收裝置及微波轉(zhuǎn)化成直流電的轉(zhuǎn)化裝置組成。最理想的發(fā)射裝置是來自太空的太陽能發(fā)電站。

因為無線充電會產(chǎn)生強大的磁場，當(dāng)人或動物位于電動汽車和充電裝置之間時，有可能受到電磁傷害，所以注意和規(guī)范無線充電系統(tǒng)的電磁安全問題，也是必須的。

3 鼓勵激勵漏洞

總結(jié)近幾年來國家、地方對新能源汽車的財政補貼政策和車企、車主爭取補貼的對策，整個操作流程的制度缺陷值得反思。

一是顧此失彼。國家在對電動汽車等新能源車型的消費者進行價格補貼的同時，還大力號召列入新能源汽車應(yīng)用示范地區(qū)名單的地方政府同時“加杠桿”?！皣a+地補”的一刀切“雙補”機制，使那些生產(chǎn)工藝相對簡單的車型，產(chǎn)生了惡性競爭的騙補沖動。企業(yè)把人力物力資源集中到了電池及電池序列號的投機取巧上了，技術(shù)開發(fā)和創(chuàng)新的投入自然會相形見絀。更有甚者，干脆自導(dǎo)自演自買自賣鬧劇，在數(shù)百億的補貼蛋糕里攫取“奶酪”。

恨鐵不成鋼，技術(shù)最受傷。那些急功近利企業(yè)的通常做法是蘿卜快了不洗泥：底盤還是那個底盤，車身還是那個車身，簡單地用“電池+電機”系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的“發(fā)動機+變速器”系統(tǒng)，能源不夠加電池，動力不足加電機，結(jié)果車身自重越做越重，動力增量幾乎全部被內(nèi)耗消費，載重和爬坡能力并未提高，有的甚至還會下降。

再是厚此薄彼?！半p補”機制以電池儲存能量的千瓦時數(shù)為標的物，電池儲存能量越高；獲得補貼越高，儲存能量越低，獲得補貼越少。表面看，合情合理，其實不然。因為在目前電池技術(shù)發(fā)展還不能盡如人意的條件下，混合動力模式能夠取長補短，不僅可以秒殺人們對于純電動模式的里程焦慮、充電成本憂慮和用電安全顧慮，而且在電池系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新方面也同樣能夠大有作為，但因車載電池儲存能量的千瓦時數(shù)相對不足，所以得不到同等的獎勵和補貼。顯然有失公平。

病急亂投醫(yī)，欲速則不達。在國家與地方兩級財政補貼政策的強勢推動下，電動汽車產(chǎn)業(yè)已經(jīng)走完了發(fā)展路線圖中的研發(fā)示范階段，即將通過補貼遞減的政策退坡機制，逐步走進迅速發(fā)展的新階段。然而，補貼政策執(zhí)行過程中過于簡單的時效性沖擊，無疑又使市場對接機制遲到了一步。

電池之遲，不容遲疑。電池生產(chǎn)端、銷售端、電動汽車裝配端及終端用戶之間的利益平衡，是一個動態(tài)平衡過程，只有經(jīng)過不斷調(diào)整，才能獲得最終突破。

中聯(lián)重科首批出口日本環(huán)衛(wèi)產(chǎn)品正式交付

據(jù)日本當(dāng)?shù)匦侣剤蟮?，中?lián)重科與其日本合資公司共同開發(fā)的壓縮式垃圾車在10月3日正式交付日本會津若松市株式會社會津垃圾處理中心。中聯(lián)重科日本合資公司、會津自工、會津垃圾處理中心3家企業(yè)與當(dāng)?shù)氐男袠I(yè)協(xié)會負責(zé)人出席活動。儀式上，3家并聯(lián)合對外宣布后續(xù)將與中聯(lián)重科合作推廣垃圾車產(chǎn)品在福島地區(qū)的銷售。

日本客戶對ZLJ5071ZYSE4壓縮式垃圾車給予了高度評價，無論外形，還是性能和技術(shù)參數(shù)完全符合日本的行業(yè)標準和自身的要求，是一款非常出色的產(chǎn)品。

中聯(lián)重科環(huán)衛(wèi)機械相關(guān)技術(shù)負責(zé)人透露，該批產(chǎn)品的設(shè)計方案確定之后，項目組又與日本公司及終端客戶探討各項技術(shù)難題的解決方案。為此，項目組成員和技術(shù)人員日夜奮戰(zhàn)、攻堅克難，查閱了大量日本壓縮式垃圾車技術(shù)資料，最終研制出了符合日方要求的全新ZLJ5071ZYSE4壓縮式垃圾車。

據(jù)相關(guān)資料顯示，ZLJ5071ZYSE4采用日本日野底盤，兩側(cè)護欄為鋁合金型材，外形美觀。產(chǎn)品垃圾箱和填裝器與垃圾接觸的材料均采用可耐海洋性氣候的耐候板。配套的垃圾收集箱還可與車體分離并通過拉臂鉤實現(xiàn)整體裝卸和轉(zhuǎn)移，垃圾廂采用全密封形式，可以實現(xiàn)無垃圾遺灑、無臭氣散發(fā)、無液體滴漏。而且，該批產(chǎn)品還能夠?qū)崿F(xiàn)“一車配多箱”，可以減少客戶的采購成本和運行費用?？紤]到售后維修的便利性，項目組特別將產(chǎn)品的取力器等許多重要部件采用國際知名品牌。

據(jù)客戶方日本會津垃圾處理中心透露，此次設(shè)備將在福島地區(qū)投入使用，中國裝備再一次出現(xiàn)在了福島地震和核輻射的災(zāi)后重建現(xiàn)場，參與當(dāng)?shù)氐臑?zāi)后重建工作。

據(jù)了解，此次交車儀式，在當(dāng)?shù)匾鹆藦娏业姆错?，作為中國首批出口日本的環(huán)衛(wèi)設(shè)備，中聯(lián)重科以產(chǎn)品的高效率、高規(guī)格和高品質(zhì)贏得了日本社會各界的關(guān)注。

福島民報報社報道稱，與日本制造商的同等性能垃圾車相比，此款垃圾車在價格上便宜了十分之一、合資公司將根據(jù)日本的法規(guī)不斷地進行產(chǎn)品的推進和開發(fā)。

(東 方)