新能源汽車續航能力與電池安全管理初探

藍國田

摘 要：大力發展新能源汽車當下屬于我國基本國策之一，當前新能源汽車面臨的最大問題是如何解決當前新能源汽車續航里程不足的問題，本文通過探索分析不同因素對新能源汽車續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提升續航能力、提高電池能量密度和電能驅動效率提升續航能力、提升新能源純電動汽車電池容量提升續航里程的方式，同時提出制定相關標準、使用電池安全管理系統的措施，實現電池安全管理的思路，為新能源汽車續航能力提升及電池安全管理方面探索提供參考。

關鍵詞：新能源汽車 續航能力 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識和接受程度都有了很大的提高，市場保有量也有了質的突破，我國二零二一年清潔能源汽車市場保有量達到了七百八十四萬臺，清潔能源車輛數量約占全國機動車總數的百分之二點六。在中國新能源汽車行業近年來得到較快發展的大背景下，各企業和研發機構也逐漸開始放緩甚至暫停傳統燃油汽車的研發，重點投資新能源汽車技術。當然新能源汽車發展也面臨著一定弊端，如動力電池中的高電流能量密度和低電能有關技術，可充電池快速充電技術等缺乏突破性的創新，且中國充電設施（尤其是北方、西方經濟欠發達區域）的布局并不健全，新能源汽車特別是純電動汽車的續航里程短和充電不方便成為發展過程中存在的主要制約因素。文章采用了citespace知識圖譜軟件，定性地給出了以下各種因素對車輛續航里程方面的影響，同時結合標準制定、設計、生產、使用等的電池安全管理方面做了初步探索。

2 新能源汽車續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，消費者們最關注的大多是車子的續航里程數，很大一部分人也將續航里程當做首選購物點。消費者在購買新能源汽車時，車輛的續航能力是消費者選擇哪款電動汽車的主要考慮因素之一。當然，不同的客戶對新能源汽車的行駛里程有不同的要求。根據汽車之家2020年發布的數據，家庭客戶的最小行駛距離可接受為150公里左右，而運營客戶和長駕駛需求的客戶的最小行駛距離可達到400公里以上。所以續航里程也成為新能源汽車的開發人員非常關注的性能因素之一。所以在2021年也出現了以五菱迷你、長城歐拉等為代表的140公里續航家用（專注女士）小型純電動汽車，以特斯拉、蔚來、理想、BYD、哪吒等為代表的續航400公里以上的長續航汽車，部分車型甚至可以將續航提升至600公里以上。

綜合分析，通過對車輛理論的簡單介紹，在逐項分析的車輛前進阻力，以及帶入電池特性等變量因素下，對影響車輛續航里程數的重要技術參數分析，利用citespace知識圖譜軟件，將時間切片設置為1年。選擇“Pathfinder”、“Pruning sliced networks”。如圖1所示，關鍵詞主要有“車重”、“車速”、“耗電設備”、“駕駛習慣”“溫度”。

2.1 車速

根據哪吒U車型的研究分析，哪吒U長續航版本車型純電動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鍵因素是車輛的行駛速度。速度與風阻成正比，因為速度越快會導致風阻大幅度增加，功耗自然就會增加。然而，燃油汽車在高速行駛時油耗并沒有出現較大比例的激增，在合理的運行條件下比城市油耗有所下降。然而在實際行駛里程中為什么新能源電動汽車高速行駛后耗電量增加這么多？這是因為新能源電動汽車無發動機，動力通過電機實現電能和動能的轉換，因為電機本身相比發動機而言效率極高，轉速范圍非常寬，通過0到最大電機額定轉速一直保持在90%或者90%以上的全功率工作。而高速行駛時行駛速度在120km/h行駛增加風阻的附加動量只能靠發動機來抵御，所以高速行駛耗電量劇增是純電動汽車相對于燃油汽車的不同點。

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。重量的增加會導致行駛動能的增加，這自然就需要電機提供更多的動能，從而導致新能源汽車耗電量的增加，影響續航里程。

2.3 耗電設備

電子設備的耗電量相對于汽車行駛的電能消耗量占比也不小，尤其是電動汽車當前主打智能化設備，電子設備相比燃油汽車會更多，然而這些設備在使用中都是非常耗電的，因為電機不能像發動機那樣產生較大的熱量，不能依靠電機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，導致耗電量急劇增加，影響了汽車的續航能力。

2.4 溫度

溫度對電動汽車續航能力有著極大的影響。首先，當溫度過高或過低時，駕駛員需要打開車內的取暖或制冷相關電子設備，這些設備會直接消耗純電動汽車的電能。此外，也是非常重要的一點，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，鋰電池的實際放電容量也會相應降低，所以實際量程也會減小。有測試報告，新能源電池最佳工作溫度是23℃到26℃，假設我們以24.5℃為基準，溫度平均氣溫每下降1℃，電池電能的衰減程度將會超過14%，如果是在北方的零下20℃的環境工況下，電池的衰減率最高達到55%左右，造成新能源汽車的續航能力下降最高50%以上，這也是電動汽車在北方受歡迎程度相對較低的主要原因之一。

2.5 用車習慣

與傳統的燃油汽車一樣，駕駛員的駕駛習慣也是影響汽車能耗的主要原因之一。平穩行駛和劇烈行駛的行駛里程自然也會有所不同，行駛的路況和頻繁的起步動作都會影響實際行駛里程。

3 提升新能源汽車續航能力的方法

3.1 提高電池能量密度和降低行駛阻力系數

燃油車是通過發動機將化學能轉化為動能，電動汽車是通過電能轉化為動能實現驅動的，都是將化學能轉化為動能，只是動力轉化設備不同而已。因此研究新能源汽車的續航能力，首先要從新能源汽車行駛阻力與電池的關系來分析探索，研究分析核心影響因素，并通過一定的技術實現該因素的優化，提高汽車續航能力。

汽車行駛阻力主要考慮如下阻力，且邏輯管轄如式（1）所示：

新能源汽車應該從增加電池能力密度的方式，實現單位電池儲能最大。同時通過減小前進阻力、滾動阻力、流體阻力、加速阻力、坡度阻力等的方法，提升整車續航能力。但是很多阻力屬于不可變因素，不能實現優化，因此增加電池能力密度，提升儲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動效率

在2010年工信部發布《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進行了匯總和分析，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。取單位質量可以有效避免因為重量因素對汽車續航能力的影響。計算結果如下表1所示。

S——純電動續航里程（km）;

PE——動力蓄電池總質量占整備質量比例;

Pe——動力蓄電池組能量密度（kwh/kg）;

Me——動力蓄電池組電池總質量（kg）;

M——整車整備質量（kg）;

ED——動力蓄電池組總能量（kwh）;

EC——噸百公里耗電量（Wh/km·t）;

依據表1所示，隨著新能源汽車續航里程的變化，動力電池與整車整備質量的比例保持在20%左右，如果需要增加新能源汽車的續航能力，動力電池質量增加較大，整車整備質量增加較小，導致該比例有一定的下降態勢。隨著當下動力電池技術的發展，動力蓄電池的電池密度也在不斷的提升，并且相比以前同級別、同質量的電池其蓄電能力也有了較大的優化。汽車每噸百公里的消電量也有了很大的降低，即新能源汽車的經濟性有了明顯的優化。

3.3 提升新能源純電動汽車電池容量提升續航里程

新能源純電動汽車的電池容量一般的計量單位和電能的計量單位一樣，以千瓦時（kW·h）為單位。電池組的容量越大，汽車儲能能力和續航里程相對就會越大。因為電池組密度較大，如果增加電池組容量，會導致整車質量會隨著電池組的增加出現線性增加，從而影響車輛的其他性能，比如車輛的機動性能，同時也會導致底盤系統和電子系統技術參數要求及相關成本的增加。因而在續航里程、電池組和生產成本之間一直是動一發而牽全身的矛盾點。我們來看看幾款車的電池容量與續航里程的實際數據對比，如表2所示。

單位電耗是用續航里程與電池容量之比，通過數據發現比亞迪e6和特斯拉ModelS看似續航里程很樂觀，但它們的單位電耗數值低，明顯體現出了“依靠增加電池數量提高續航能力”的特點。通過堆積電池組來提升里程，是當下沒有新的電池技術革新前提下開展的主要推進之一。隨著技術的發展，材料的提升，新能源汽車的續航將出現新的突破，比如當下比亞迪汽車即將上市的新車型，采用所謂的刀片電池，續航可以達到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力電池安全性能標準是實現電池安全管理的基礎

在當前生產規模提倡行業集成化生產的時代，標準化的安全管理是對動力電池生產階段的核心管理方式之一。當前新能源電動汽車主要使用鋰動力電池，因此新能源汽車電池安全管理研究主要以鋰動力電池進行探索研究，鋰電池的相關標準具體而言主要內容有。

4.1.1 選材標準

鋰動力電池材料主要是從正極材料和負極材料進行選材標準制定，其中正極材料主要為鈷酸鋰電、鎳酸鋰等，我國已經發布的標準中對鋰動力電池中的正極材料化學性能測試作出了系統規劃，但其中鋰含量、導電性、化學性能等部分，測試方式仍相對薄弱。對于鋰動力電池負極，國家發布標準也不夠完善，對于電解液以及電解溶液的標準也不能滿足社會生產的高速發展，安全性能的發揮也受到了影響。

4.1.2 設計及制造回收標準

關于鋰動力電池在電池安全設計類的國家相關標準也并非非常成熟，同時，在生產制造中涉及到的檢測設備、生產設備、輔料等的行業標準也處于摸索階段，標準發布較少。同時針對鋰動力電池的回收利用標準也處于發展階段，發布的明顯不夠，但是電池回收已經成為我國即將面臨的一大問題。

4.2 新能源汽車鋰動力電池安全防護技術管理策略

4.2.1 對鋰動力電池的材料和部件安全管理研究

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

（1）正極。在現階段新能源汽車鋰動力電池進行材料選擇過程中，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、低成本的顯著優勢，依然成為當下新能源電池的首選。但相比國外發達國家，由于我國起步較晚，而且材料科學相對國外還有一定的差距，因此這類材料的技術應用在我國相對局限。但是隨著這幾年我國新能源領域的發展，在工業應用范圍內已經積累了相對領先的工業技術。（2）負極。新能源鋰動力電池負極材料主要包括石墨、硬（軟）碳、鋰和鈦酸鹽合金負極材料，通過當前實際使用過程中發現石墨負極材料類的充電性能較差，鈦酸鋰類因為其比容量低的性能，在使用過程中會對鋰離子動力電池的安全性能發揮有較大的利好影響。除了采用石墨烯改性石墨納米技術，使用最低容量和充放電庫侖效率低，電導率和導熱性最強的新型納米材料。

4.2.2 通過對電池系統進行不斷優化進行電池安全管理

（1）電池組配技術?，F階段，鋰動力電池在正常的新市場經濟中被廣泛應用，為了從根本上保證動力電池的安全性能的最大發揮，需要不斷優化電池組配套技術。電池設計需要滿足汽車電池系統參數的設計，從而提高電池的可靠性。同時，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。據調查鋰動力電池，電池壽命、安全性能同電池溫度密切相關，當溫度過高時會產生加速副作用，影響電池的使用壽命，因此要從根本上避免上述問題的發生，迫切需要確保熱管理技術的有效實施。

5 結語

隨著新能源汽車的增加，新能源汽車在國內的認可度逐漸提升，提升新能源汽車的續航能力應該從增加新能源汽車的動力電池的能量密度，降低噸百公里的功耗，從而實現提高續航能力的革新發展。續航能力的提升還需要通過使用新型材料、使用新型技術提升鋰電池在低溫時的儲電能力，杜絕因為低溫問題導致電能大幅度降低、續航能力腰斬的問題。因此，未來新能源汽車的核心應該是動力電池能量密度增加、高效能量回收技術降低等方面將成為新的研究重點，同時，從傳統燃料汽車變速器輕量化技術等方面入手，降低車輛的能耗。但是電池屬于危險儲電設備，所以應該通過選材、設計、生產等標準的制定，確保電池安全性能。同時采用科學合理的電池安全管理系統，確保電池組在充電、儲電、用電過程的電能管理技術，確保新能源汽車電池安全管理的實現。

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