新能源汽車?yán)m(xù)航能力與電池安全管理初探

藍(lán)國田

摘 要：大力發(fā)展新能源汽車當(dāng)下屬于我國基本國策之一，當(dāng)前新能源汽車面臨的最大問題是如何解決當(dāng)前新能源汽車?yán)m(xù)航里程不足的問題，本文通過探索分析不同因素對新能源汽車?yán)m(xù)航里程的影響情況以及新能源汽車電池安全管理方面的研究思路，提出了提高電池能量密度和降低行駛阻力系數(shù)提升續(xù)航能力、提高電池能量密度和電能驅(qū)動(dòng)效率提升續(xù)航能力、提升新能源純電動(dòng)汽車電池容量提升續(xù)航里程的方式，同時(shí)提出制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、使用電池安全管理系統(tǒng)的措施，實(shí)現(xiàn)電池安全管理的思路，為新能源汽車?yán)m(xù)航能力提升及電池安全管理方面探索提供參考。

關(guān)鍵詞：新能源汽車 續(xù)航能力 電池安全管理

1 引言

由于我國對清潔能源汽車的大力推廣，人民群眾對清潔能源汽車的認(rèn)識(shí)和接受程度都有了很大的提高，市場保有量也有了質(zhì)的突破，我國二零二一年清潔能源汽車市場保有量達(dá)到了七百八十四萬臺(tái)，清潔能源車輛數(shù)量約占全國機(jī)動(dòng)車總數(shù)的百分之二點(diǎn)六。在中國新能源汽車行業(yè)近年來得到較快發(fā)展的大背景下，各企業(yè)和研發(fā)機(jī)構(gòu)也逐漸開始放緩甚至?xí)和鹘y(tǒng)燃油汽車的研發(fā)，重點(diǎn)投資新能源汽車技術(shù)。當(dāng)然新能源汽車發(fā)展也面臨著一定弊端，如動(dòng)力電池中的高電流能量密度和低電能有關(guān)技術(shù)，可充電池快速充電技術(shù)等缺乏突破性的創(chuàng)新，且中國充電設(shè)施（尤其是北方、西方經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)區(qū)域）的布局并不健全，新能源汽車特別是純電動(dòng)汽車的續(xù)航里程短和充電不方便成為發(fā)展過程中存在的主要制約因素。文章采用了citespace知識(shí)圖譜軟件，定性地給出了以下各種因素對車輛續(xù)航里程方面的影響，同時(shí)結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)制定、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用等的電池安全管理方面做了初步探索。

2 新能源汽車?yán)m(xù)航能力影響因素研究

隨著新能源汽車的逐步普及，越來越多的汽車購買客戶選擇使用新能源汽車，在選擇新能源車時(shí)，消費(fèi)者們最關(guān)注的大多是車子的續(xù)航里程數(shù)，很大一部分人也將續(xù)航里程當(dāng)做首選購物點(diǎn)。消費(fèi)者在購買新能源汽車時(shí)，車輛的續(xù)航能力是消費(fèi)者選擇哪款電動(dòng)汽車的主要考慮因素之一。當(dāng)然，不同的客戶對新能源汽車的行駛里程有不同的要求。根據(jù)汽車之家2020年發(fā)布的數(shù)據(jù)，家庭客戶的最小行駛距離可接受為150公里左右，而運(yùn)營客戶和長駕駛需求的客戶的最小行駛距離可達(dá)到400公里以上。所以續(xù)航里程也成為新能源汽車的開發(fā)人員非常關(guān)注的性能因素之一。所以在2021年也出現(xiàn)了以五菱迷你、長城歐拉等為代表的140公里續(xù)航家用（專注女士）小型純電動(dòng)汽車，以特斯拉、蔚來、理想、BYD、哪吒等為代表的續(xù)航400公里以上的長續(xù)航汽車，部分車型甚至可以將續(xù)航提升至600公里以上。

綜合分析，通過對車輛理論的簡單介紹，在逐項(xiàng)分析的車輛前進(jìn)阻力，以及帶入電池特性等變量因素下，對影響車輛續(xù)航里程數(shù)的重要技術(shù)參數(shù)分析，利用citespace知識(shí)圖譜軟件，將時(shí)間切片設(shè)置為1年。選擇“Pathfinder”、“Pruning sliced networks”。如圖1所示，關(guān)鍵詞主要有“車重”、“車速”、“耗電設(shè)備”、“駕駛習(xí)慣”“溫度”。

2.1 車速

根據(jù)哪吒U車型的研究分析，哪吒U長續(xù)航版本車型純電動(dòng)行駛里程為四百一十公里，而該車型正常高速行駛后的行駛里程不足三百公里。造成這種巨大差異的最大關(guān)鍵因素是車輛的行駛速度。速度與風(fēng)阻成正比，因?yàn)樗俣仍娇鞎?huì)導(dǎo)致風(fēng)阻大幅度增加，功耗自然就會(huì)增加。然而，燃油汽車在高速行駛時(shí)油耗并沒有出現(xiàn)較大比例的激增，在合理的運(yùn)行條件下比城市油耗有所下降。然而在實(shí)際行駛里程中為什么新能源電動(dòng)汽車高速行駛后耗電量增加這么多？這是因?yàn)樾履茉措妱?dòng)汽車無發(fā)動(dòng)機(jī)，動(dòng)力通過電機(jī)實(shí)現(xiàn)電能和動(dòng)能的轉(zhuǎn)換，因?yàn)殡姍C(jī)本身相比發(fā)動(dòng)機(jī)而言效率極高，轉(zhuǎn)速范圍非常寬，通過0到最大電機(jī)額定轉(zhuǎn)速一直保持在90%或者90%以上的全功率工作。而高速行駛時(shí)行駛速度在120km/h行駛增加風(fēng)阻的附加動(dòng)量只能靠發(fā)動(dòng)機(jī)來抵御，所以高速行駛耗電量劇增是純電動(dòng)汽車相對于燃油汽車的不同點(diǎn)。

2.2 車重

車體的重量不僅決定了燃油車的油耗，也決定了新能源汽車的電能消耗。重量的增加會(huì)導(dǎo)致行駛動(dòng)能的增加，這自然就需要電機(jī)提供更多的動(dòng)能，從而導(dǎo)致新能源汽車耗電量的增加，影響續(xù)航里程。

2.3 耗電設(shè)備

電子設(shè)備的耗電量相對于汽車行駛的電能消耗量占比也不小，尤其是電動(dòng)汽車當(dāng)前主打智能化設(shè)備，電子設(shè)備相比燃油汽車會(huì)更多，然而這些設(shè)備在使用中都是非常耗電的，因?yàn)殡姍C(jī)不能像發(fā)動(dòng)機(jī)那樣產(chǎn)生較大的熱量，不能依靠電機(jī)的自然加熱為座艙提供加熱。新能源汽車的加熱是通過消耗電池的電能來加熱的，導(dǎo)致耗電量急劇增加，影響了汽車的續(xù)航能力。

2.4 溫度

溫度對電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航能力有著極大的影響。首先，當(dāng)溫度過高或過低時(shí)，駕駛員需要打開車內(nèi)的取暖或制冷相關(guān)電子設(shè)備，這些設(shè)備會(huì)直接消耗純電動(dòng)汽車的電能。此外，也是非常重要的一點(diǎn)，是影響新能源汽車在北方推廣的主要原因之一，冬季溫度較低，鋰電池的實(shí)際放電容量也會(huì)相應(yīng)降低，所以實(shí)際量程也會(huì)減小。有測試報(bào)告，新能源電池最佳工作溫度是23℃到26℃，假設(shè)我們以24.5℃為基準(zhǔn)，溫度平均氣溫每下降1℃，電池電能的衰減程度將會(huì)超過14%，如果是在北方的零下20℃的環(huán)境工況下，電池的衰減率最高達(dá)到55%左右，造成新能源汽車的續(xù)航能力下降最高50%以上，這也是電動(dòng)汽車在北方受歡迎程度相對較低的主要原因之一。

2.5 用車習(xí)慣

與傳統(tǒng)的燃油汽車一樣，駕駛員的駕駛習(xí)慣也是影響汽車能耗的主要原因之一。平穩(wěn)行駛和劇烈行駛的行駛里程自然也會(huì)有所不同，行駛的路況和頻繁的起步動(dòng)作都會(huì)影響實(shí)際行駛里程。

3 提升新能源汽車?yán)m(xù)航能力的方法

3.1 提高電池能量密度和降低行駛阻力系數(shù)

燃油車是通過發(fā)動(dòng)機(jī)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，電動(dòng)汽車是通過電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)的，都是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，只是動(dòng)力轉(zhuǎn)化設(shè)備不同而已。因此研究新能源汽車的續(xù)航能力，首先要從新能源汽車行駛阻力與電池的關(guān)系來分析探索，研究分析核心影響因素，并通過一定的技術(shù)實(shí)現(xiàn)該因素的優(yōu)化，提高汽車?yán)m(xù)航能力。

汽車行駛阻力主要考慮如下阻力，且邏輯管轄如式（1）所示：

新能源汽車應(yīng)該從增加電池能力密度的方式，實(shí)現(xiàn)單位電池儲(chǔ)能最大。同時(shí)通過減小前進(jìn)阻力、滾動(dòng)阻力、流體阻力、加速阻力、坡度阻力等的方法，提升整車?yán)m(xù)航能力。但是很多阻力屬于不可變因素，不能實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，因此增加電池能力密度，提升儲(chǔ)能能力成為最有效的方法之一。

3.2 提高電池能量密度和電能驅(qū)動(dòng)效率

在2010年工信部發(fā)布《免征購置稅的新能源汽車車型目錄》，將新能源汽車各批次性能指標(biāo)進(jìn)行了匯總和分析，其中噸百公里耗電量指的是單位重量汽車行駛百公里的耗電量。取單位質(zhì)量可以有效避免因?yàn)橹亓恳蛩貙ζ嚴(yán)m(xù)航能力的影響。計(jì)算結(jié)果如下表1所示。

S——純電動(dòng)續(xù)航里程（km）;

PE——?jiǎng)恿π铍姵乜傎|(zhì)量占整備質(zhì)量比例;

Pe——?jiǎng)恿π铍姵亟M能量密度（kwh/kg）;

Me——?jiǎng)恿π铍姵亟M電池總質(zhì)量（kg）;

M——整車整備質(zhì)量（kg）;

ED——?jiǎng)恿π铍姵亟M總能量（kwh）;

EC——噸百公里耗電量（Wh/km·t）;

依據(jù)表1所示，隨著新能源汽車?yán)m(xù)航里程的變化，動(dòng)力電池與整車整備質(zhì)量的比例保持在20%左右，如果需要增加新能源汽車的續(xù)航能力，動(dòng)力電池質(zhì)量增加較大，整車整備質(zhì)量增加較小，導(dǎo)致該比例有一定的下降態(tài)勢。隨著當(dāng)下動(dòng)力電池技術(shù)的發(fā)展，動(dòng)力蓄電池的電池密度也在不斷的提升，并且相比以前同級(jí)別、同質(zhì)量的電池其蓄電能力也有了較大的優(yōu)化。汽車每噸百公里的消電量也有了很大的降低，即新能源汽車的經(jīng)濟(jì)性有了明顯的優(yōu)化。

3.3 提升新能源純電動(dòng)汽車電池容量提升續(xù)航里程

新能源純電動(dòng)汽車的電池容量一般的計(jì)量單位和電能的計(jì)量單位一樣，以千瓦時(shí)（kW·h）為單位。電池組的容量越大，汽車儲(chǔ)能能力和續(xù)航里程相對就會(huì)越大。因?yàn)殡姵亟M密度較大，如果增加電池組容量，會(huì)導(dǎo)致整車質(zhì)量會(huì)隨著電池組的增加出現(xiàn)線性增加，從而影響車輛的其他性能，比如車輛的機(jī)動(dòng)性能，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致底盤系統(tǒng)和電子系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)要求及相關(guān)成本的增加。因而在續(xù)航里程、電池組和生產(chǎn)成本之間一直是動(dòng)一發(fā)而牽全身的矛盾點(diǎn)。我們來看看幾款車的電池容量與續(xù)航里程的實(shí)際數(shù)據(jù)對比，如表2所示。

單位電耗是用續(xù)航里程與電池容量之比，通過數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)比亞迪e6和特斯拉ModelS看似續(xù)航里程很樂觀，但它們的單位電耗數(shù)值低，明顯體現(xiàn)出了“依靠增加電池?cái)?shù)量提高續(xù)航能力”的特點(diǎn)。通過堆積電池組來提升里程，是當(dāng)下沒有新的電池技術(shù)革新前提下開展的主要推進(jìn)之一。隨著技術(shù)的發(fā)展，材料的提升，新能源汽車的續(xù)航將出現(xiàn)新的突破，比如當(dāng)下比亞迪汽車即將上市的新車型，采用所謂的刀片電池，續(xù)航可以達(dá)到960公里左右。

4 新能源汽車電池安全管理研究

4.1 通過制定新能源汽車鋰動(dòng)力電池安全性能標(biāo)準(zhǔn)是實(shí)現(xiàn)電池安全管理的基礎(chǔ)

在當(dāng)前生產(chǎn)規(guī)模提倡行業(yè)集成化生產(chǎn)的時(shí)代，標(biāo)準(zhǔn)化的安全管理是對動(dòng)力電池生產(chǎn)階段的核心管理方式之一。當(dāng)前新能源電動(dòng)汽車主要使用鋰動(dòng)力電池，因此新能源汽車電池安全管理研究主要以鋰動(dòng)力電池進(jìn)行探索研究，鋰電池的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)具體而言主要內(nèi)容有。

4.1.1 選材標(biāo)準(zhǔn)

鋰動(dòng)力電池材料主要是從正極材料和負(fù)極材料進(jìn)行選材標(biāo)準(zhǔn)制定，其中正極材料主要為鈷酸鋰電、鎳酸鋰等，我國已經(jīng)發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)中對鋰動(dòng)力電池中的正極材料化學(xué)性能測試作出了系統(tǒng)規(guī)劃，但其中鋰含量、導(dǎo)電性、化學(xué)性能等部分，測試方式仍相對薄弱。對于鋰動(dòng)力電池負(fù)極，國家發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)也不夠完善，對于電解液以及電解溶液的標(biāo)準(zhǔn)也不能滿足社會(huì)生產(chǎn)的高速發(fā)展，安全性能的發(fā)揮也受到了影響。

4.1.2 設(shè)計(jì)及制造回收標(biāo)準(zhǔn)

關(guān)于鋰動(dòng)力電池在電池安全設(shè)計(jì)類的國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也并非非常成熟，同時(shí)，在生產(chǎn)制造中涉及到的檢測設(shè)備、生產(chǎn)設(shè)備、輔料等的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也處于摸索階段，標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布較少。同時(shí)針對鋰動(dòng)力電池的回收利用標(biāo)準(zhǔn)也處于發(fā)展階段，發(fā)布的明顯不夠，但是電池回收已經(jīng)成為我國即將面臨的一大問題。

4.2 新能源汽車鋰動(dòng)力電池安全防護(hù)技術(shù)管理策略

4.2.1 對鋰動(dòng)力電池的材料和部件安全管理研究

鋰動(dòng)力電池安全性能的發(fā)揮效益在很大程度上與電池材料與部件息息相關(guān)，同時(shí)隨著材料技術(shù)的發(fā)展以及環(huán)保要求，材料越來越成為鋰動(dòng)力電池安全管理的核心管理方向。目前來看，鋰動(dòng)力電池材料和部件的優(yōu)化對象主要包括以下幾點(diǎn)：

（1）正極。在現(xiàn)階段新能源汽車鋰動(dòng)力電池進(jìn)行材料選擇過程中，需盡量選擇錳酸鋰、磷酸鐵鋰、高壓鋰鎳錳尖晶石和三元材料等含富鋰錳的基層狀材料，三元電池由于高性能、低成本的顯著優(yōu)勢，依然成為當(dāng)下新能源電池的首選。但相比國外發(fā)達(dá)國家，由于我國起步較晚，而且材料科學(xué)相對國外還有一定的差距，因此這類材料的技術(shù)應(yīng)用在我國相對局限。但是隨著這幾年我國新能源領(lǐng)域的發(fā)展，在工業(yè)應(yīng)用范圍內(nèi)已經(jīng)積累了相對領(lǐng)先的工業(yè)技術(shù)。（2）負(fù)極。新能源鋰動(dòng)力電池負(fù)極材料主要包括石墨、硬（軟）碳、鋰和鈦酸鹽合金負(fù)極材料，通過當(dāng)前實(shí)際使用過程中發(fā)現(xiàn)石墨負(fù)極材料類的充電性能較差，鈦酸鋰類因?yàn)槠浔热萘康偷男阅?，在使用過程中會(huì)對鋰離子動(dòng)力電池的安全性能發(fā)揮有較大的利好影響。除了采用石墨烯改性石墨納米技術(shù)，使用最低容量和充放電庫侖效率低，電導(dǎo)率和導(dǎo)熱性最強(qiáng)的新型納米材料。

4.2.2 通過對電池系統(tǒng)進(jìn)行不斷優(yōu)化進(jìn)行電池安全管理

（1）電池組配技術(shù)?，F(xiàn)階段，鋰動(dòng)力電池在正常的新市場經(jīng)濟(jì)中被廣泛應(yīng)用，為了從根本上保證動(dòng)力電池的安全性能的最大發(fā)揮，需要不斷優(yōu)化電池組配套技術(shù)。電池設(shè)計(jì)需要滿足汽車電池系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)計(jì)，從而提高電池的可靠性。同時(shí)，還有電池組的絕緣安全、抗震/水/塵、碰撞安全、電磁可靠性等諸多要求。（2）熱管理技術(shù)。據(jù)調(diào)查鋰動(dòng)力電池，電池壽命、安全性能同電池溫度密切相關(guān)，當(dāng)溫度過高時(shí)會(huì)產(chǎn)生加速副作用，影響電池的使用壽命，因此要從根本上避免上述問題的發(fā)生，迫切需要確保熱管理技術(shù)的有效實(shí)施。

5 結(jié)語

隨著新能源汽車的增加，新能源汽車在國內(nèi)的認(rèn)可度逐漸提升，提升新能源汽車的續(xù)航能力應(yīng)該從增加新能源汽車的動(dòng)力電池的能量密度，降低噸百公里的功耗，從而實(shí)現(xiàn)提高續(xù)航能力的革新發(fā)展。續(xù)航能力的提升還需要通過使用新型材料、使用新型技術(shù)提升鋰電池在低溫時(shí)的儲(chǔ)電能力，杜絕因?yàn)榈蜏貑栴}導(dǎo)致電能大幅度降低、續(xù)航能力腰斬的問題。因此，未來新能源汽車的核心應(yīng)該是動(dòng)力電池能量密度增加、高效能量回收技術(shù)降低等方面將成為新的研究重點(diǎn)，同時(shí)，從傳統(tǒng)燃料汽車變速器輕量化技術(shù)等方面入手，降低車輛的能耗。但是電池屬于危險(xiǎn)儲(chǔ)電設(shè)備，所以應(yīng)該通過選材、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)等標(biāo)準(zhǔn)的制定，確保電池安全性能。同時(shí)采用科學(xué)合理的電池安全管理系統(tǒng)，確保電池組在充電、儲(chǔ)電、用電過程的電能管理技術(shù)，確保新能源汽車電池安全管理的實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王曉文.新能源汽車鋰動(dòng)力電池安全性能及防護(hù)技術(shù)研究[J].明日風(fēng)尚，2018，23（12）：111-112.

[2]周小紅.退役新能源汽車動(dòng)力電池應(yīng)用于家庭儲(chǔ)能系統(tǒng)的探索[J].智庫時(shí)代，2018，49（15）：166-169.

[3]湯彬.新能源汽車鋰動(dòng)力電池?zé)崮Ｐ图胺抡嫜芯縖J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2018，23（15）：144-147.