目前電動汽車電池在續(xù)航里程、充電效率、安全性等方面存在不足，所以不能完全滿足人們的用車需求，阻礙了電動汽車產業(yè)的進一步發(fā)展。為保證電動汽車電池的性能及用戶的充電體驗，要求電池具有較高的能量密度保證其續(xù)航能力，同時具有良好的高、低溫充放電性能，以提高充電效率和充電時間。此外，為了減少交通事故引發(fā)的短路、熱沖擊、爆炸等安全問題，需要對電池的安全性提出更高的要求。筆者主要梳理了電動汽車面臨的問題及性能，并提出了電動汽車電池的日常維護和保養(yǎng)建議。
引言
近年來，在中國隨著低碳環(huán)保政策的出臺，新能源汽車行業(yè)迅猛發(fā)展。根據(jù)公安部統(tǒng)計的數(shù)據(jù)，2022 年年底國內的新能源汽車保有量相比 2021年大幅度提升，已經達到 1310 萬輛，同比增長 67.13 %。2022 年國內新注冊登記的新能源汽車為535萬輛，同比增長81.48 %，表現(xiàn)出了非常快速的發(fā)展勢頭。作為新能源汽車主導的電動汽車具有污染低，效率高，噪音低，不依賴汽油，結構相比傳統(tǒng)內燃機汽車更簡單等優(yōu)點。電池是純電動汽車的關鍵核心部件。鋰離子動力電池以其工作電壓高、比能量高、循環(huán)壽命長、自放電率低、無記憶性、無污染、外形多樣等優(yōu)勢，成為了純電動汽車動力電池的主流之選，但在續(xù)航里程、充電時間、安全性等方面仍存在問題。筆者主要梳理了電動汽車面臨的問題及性能，并提出了電動汽車電池的日常維護和保養(yǎng)建議。
一、鋰離子電池工作原理
鋰離子電池的構成包括正極、隔膜、負極、有機電解液及電池外殼。按照正極材料不同，電動汽車行業(yè)使用比較廣泛的鋰電池主要有磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池。以磷酸鐵鋰電池為例，正極材料采用磷酸鐵鋰，負極采用石墨，聚合物隔膜把正負極分開，帶電荷的鋰離子在其中能夠自由移動。其工作原理如下：
充電時，帶正電荷的鋰離子從正極磷酸鐵鋰上出發(fā)，穿過隔膜到達負極的層狀石墨上，并被儲存在那里。這樣，電池就完成了充電。當電池放電時，也就是當能量以電能的形式從電池中釋放出來時，鋰離子通過電解液，從負極出發(fā)，穿過隔膜返回到正極。電機會將電能轉化為機械能，從而讓汽車行駛。
二、電動汽車鋰離子電池存在的問題及性能研究
電池是電動汽車的“心臟系統(tǒng)”，所以其性能對汽車的運行起到關鍵的作用，制約著電動汽車的普及和發(fā)展。受到成本、生產技術、制造工藝、電池材料等多方面客觀因素的影響，目前電動汽車電池仍然存在著續(xù)航里程短，充電效率低，使用安全性等缺點，不能完全適應人們的用車需求，阻礙電動汽車產業(yè)的進一步發(fā)展[2]。為此，電動汽車制造商應該加大科研投入的力度，正視電動汽車在使用過程中存在的問題，并對其進行改進，同時降低用電成本，從而使電池變得更實惠，并在汽車傳動系統(tǒng)中得到廣泛應用。
為了保證電動汽車電池的性能能夠滿足日常所需，使電動汽車具有較好的續(xù)航能力，就要求電動汽車電池必須具有較高的能量密度。同時，由于電動汽車的銷售跨越的地域范圍廣泛，因此要求電動汽車的電池具有良好的高、低溫充放電性能。為了保證用戶的充電體驗，需提高充電效率和充電時間。在發(fā)生交通事故導致碰撞等情況下，電動汽車的電池可能會因為短路、熱沖擊等情況引發(fā)爆炸等安全問題，所以對電動汽車電池的安全性提出了更高的要求。
2.1 續(xù)航能力
電動汽車的續(xù)航能力與電池的能量密度有直接的關系[3]。電池的能量密度一般可以分為體積能量密度和質量能量密度兩種類型。體積能量密度一般是指單位體積的電池所能夠輸出的電能大小，單位一般可以用 Wh/L 來表示。質量能量密度一般是指單位質量的電池所能輸出的電能大小，單位一般可以用 Wh/kg 來表示。
能量密度低是目前電動汽車電池存在的核心問題。能量密度低意味著汽車的連續(xù)續(xù)航能力弱。目前，對于市面上所用電動汽車，在維持合適的行駛速度的情況下，每次充電后續(xù)駛里程通常在100～300km之間，電池組質量約150～500kg。很明顯，電池的能量密度還有很大的提升和改進空間。一方面，電池組的體積制約表現(xiàn)在，現(xiàn)有電動汽車都是在傳統(tǒng)燃料汽車的基礎上經改裝而來的，所以并沒有大量的空間用來增加電池的體積，而且電池組可再利用的空間非常小。為了提高空間利用率和增加方便實用性，電池公司對電池進行模塊化設計。另一方面，單純通過增加鋰離子單電池的數(shù)量來提升續(xù)駛里程是不現(xiàn)實的。因為隨著單電池數(shù)量的增加，汽車的總質量也相應增加，從而汽車在行駛過程中消耗的功率也就增大。雖然增加電池后能量儲備有所上升，續(xù)航里程理論上可以增大，但是隨著質量的增大行駛過程中的能耗也增加了，行駛里程反而會減少。當然了一味地增加電池的能量密度，也會帶來成本、安全性等方面的問題。此外，電動汽車的續(xù)駛里程與電池的壽命密切相關。有研究表明，隨著電池容量的衰減，車輛的續(xù)駛里程也會大大縮減。影響鋰離子電池循環(huán)壽命的因素是多方面的。更長的循環(huán)壽命意味著更少的能源消耗，包括放電深度與可充電頻次、電池材料、充電習慣、使用溫度等。而電池的成本一般占汽車總成本的 30 % 左右，有的甚至達到 50 %，因此更換電池的成本會極大的影響電動汽車的廣泛推廣和普及。
2.2 充電技術
隨著電動汽車的普及和推廣，充電技術的提升對電動汽車的續(xù)航能力及整體性能的提升都起到了非常重要的作用。然而，充電排隊時間長，充電樁利用率低，充電運營商盈利難等相關問題不斷凸顯。為了使車主達到良好的充電體驗和使用感受，高效快捷的充電過程是電動汽車使用過程中的關鍵環(huán)節(jié)，也會推動整個電動汽車行業(yè)的發(fā)展。便捷、高效、安全的充電方式，能夠減少充電時間，讓充電效率得到顯著的提升，還能提升用戶的使用感受，此外還可以降低電池損耗，延長電池的使用壽命，集快充和高續(xù)航里程于一身。
純電動汽車的充電模式有三種，分別是更換電池、無線感應、有線傳導。純電動汽車充電技術有電磁感應技術、驅動電機技術、大功率充電樁、柔性充電技術、換電技術、無線電波式等。無線充電技術由于具有充電便捷、充電時間短、成本低、運行效率高等優(yōu)點，或將成為未來純電動汽車的主流充電方式。因此，如何降低充電時長、提高電動汽車充電樁充電速率成為目前急需解決的問題。
截至目前，電動汽車快速充電樁常用的充電方式有恒壓充電、恒流充電、大電流脈沖充電、間歇恒流或恒壓充電等方式。近年來，脈沖充電法已成為鋰離子電池的一種主要的快速充電方法。通過脈沖技術能夠大大提高充電效率，縮短充電時長，更好地減小了電池的極化效應和析氣量。關蕾通過放電實驗得出，脈沖充電技術與恒定電流充電技術相比，充電時間有所減少，充電效率明顯提高，電池極化效應有效降低[7]。雖然脈沖充電技術是一種有效的電池快速充電方式，但是其能量轉換效率還有待提高，同時對控制要求復雜。間歇充電法由于其具有超高的能量效率，近幾年發(fā)展迅猛，但是在控制上也提出的更高的要求。
韓國電池制造商 SK On 研究出的最新電池充電技術[8]，與目前普遍的電動汽車充電技術（一般充電時長 30 min）相比，充電時長僅需 18 min。據(jù)了解，該技術的關鍵是通過一種獨特的涂層材料有效地降低了電池在充電過程中的陽極電阻。YANG X G 等的研究成果顯示[9]，僅需充電 10 min，熱調控硫酸鐵鋰電池可續(xù)航里程約 250 km。裝載熱調控硫酸鐵鋰電池的新能源汽車，百公里加速時間在 3 s 以內。熱調控硫酸鐵鋰電池可以同時滿足電動汽車的多項需求，集低成本、高安全、高功率、快速充電、全氣候、長壽命于一身。目前，純電動汽車充電技術的發(fā)展動向主要是提高充電速度和效率，革新純電動汽車電池續(xù)航能力，推進充電設備智能互聯(lián)，規(guī)范統(tǒng)一交易結算模式，配合新能源發(fā)電等。
2.3 安全性
近年來，雖然中國新能源汽車產業(yè)持續(xù)快速發(fā)展，但是動力電池的安全隱患問題突出，燃料爆炸導致的火災等引起人們的持續(xù)關注。熱安全依然是限制動力電池甚至電動汽車產業(yè)發(fā)展的一個重要因素。鋰離子電池安全工作的范圍比較狹窄，過高或者過低的溫度，都可能導致電池內部發(fā)生短路，引起爆炸。目前，動力電池熱失控是發(fā)生汽車火災事故的主要原因。當電池發(fā)生短路時，電池內部溫度急速升高，并迅速地向外散發(fā)熱量，從而導致過熱，引發(fā)爆炸等事故。對熱失控產生影響的因素可劃分為內因和外因兩方面。內因主要有電動汽車電池的生產材料（包括電解液等）的材料安全和產品質量等原因。外因主要有電動汽車電池在運行使用的過程中，由于機械或者電氣等的濫用，比如擠壓或者碰撞等，引起電池變形或者開裂，從而導致了電池內部短路或者溫度異常，引發(fā)了一系列的安全問題。
為了確保電動汽車鋰電池的安全性，電池生產商們必須要對電池的材料、生產和加工過程等方面做進一步的改善。此外，電池管理系統(tǒng)的使用能夠實現(xiàn)對電動汽車電池熱失控的預估和報警，對電池系統(tǒng)運行過程中的各項數(shù)據(jù)進行實時分析，從而達到對電池的運行安全進行監(jiān)控和預警的目的。這是目前能夠提升鋰離子電池運行安全的一種切實可行的措施。但是，截至目前，電動汽車電池的安全性問題尚未得到根本性的解決。熱失控在電動汽車電池的全生命周期中都存在安全風險，而現(xiàn)有的一些檢測電動汽車電池安全性的方法由于成本高、具有破壞性等缺點，還無法全面有效地大規(guī)模施行。在當前的電動汽車電池產業(yè)中，還是以“預防為主，滅火為輔”的原則作為熱失控安全防護的重點。
三、純電動汽車鋰電池的維護與保養(yǎng)策略
針對電動汽車電池存在的一系列問題，有效的維護和保養(yǎng)可以提高電池的使用壽命和安全性。比如：定期對電池進行日常檢查，真正做到“防患于未然”；正確掌握充電時間，避免充電時間控制不當影響電池性能（一般情況下，保持電池的放電深度維持在 50 %～80 %，可獲得最好的充電效果）；保持良好的駕駛習慣，盡量避免在駕駛過程中緊急加速或者減速，而且在凹凸不平的路面駕駛汽車時，盡量保持慢速勻速，以免造成電池的擠壓變形，從而對電池的物理性能造成不可逆的損壞；盡量避免陽光暴曬及深度饋電發(fā)生；保護好汽車充電器等。
四、結束語
綜上所述，電動汽車的發(fā)展和普及是汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。只有注重電動汽車電池的各個方面的性能提升和使用安全性，加強對鋰電池新材料的研發(fā)力度，降低用電成本，并對新技術新工藝進行創(chuàng)新，從而克服續(xù)航里程短、充電時間長、性能不穩(wěn)定、安全性差等短板，才是兼顧個人出行、全球減排和提升空氣質量需求的關鍵。(作者：芮含笑)
