影響新能源車電池續(xù)航的因素都有哪些？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-03-18 12:41
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在這個新能源車飛速發(fā)展的今天，雖說電池續(xù)航里程也在逐漸的增長，但新能源車純電續(xù)航也一直是困擾消費者選擇的最主要因素之一。消費者在選擇新能源車時能參考的續(xù)航里程數據一般有NEDC續(xù)航里程及60Km/h等速續(xù)航里程這兩大主要數據，其中NEDC是歐洲的續(xù)航測試標準，在我國，工信部在對純電動車的綜合里程進行測試的時候，采用的就是NEDC測試標準。這一標準，主要在歐洲、中國、澳大利亞使用，NEDC循環(huán)工況中，包含4個市區(qū)循環(huán)和1個郊區(qū)循環(huán)（模擬），其中市區(qū)循環(huán)的車速較低，郊區(qū)循環(huán)的車速則較高一些。但是，消費者在實際使用過程中往往達不到工信部提供的NEDC續(xù)航里程。本文車叔給消費者回答如大標題的兩個問題。
影響純電動車續(xù)航的因素
動力電池的容量
動力電池的容量會直接造成純電動汽車的續(xù)航高低，目前主流的動力電池類型有：三元鋰離子電池、鎳氫電池、磷酸鐵鋰電池等。幾種動力電池種類因為所使用的材質和結構的不同各有優(yōu)缺點。比如三元鋰電池在寒冷條件下的活性會降低，在高溫條件下易分解，有自然的風險；鎳氫電池存在較強的記憶效應，在徹底放電的情況下有較強的電池容量衰減效應；磷酸鐵鋰電池的重量較大等等。處于電動車第一梯隊的特斯拉的電池容量目前做到了100Kwh，國內自主品牌大多數在50~70Kwh區(qū)間內。
動力電池的能量密度
動力電池的能量密度控制了在同樣重量下的電池容量大小，動力電池的能量密度與電池容量成正比例增長。主流的三種電池類型中，能量密度做的最好的就是三元鋰離子電池。目前大部分廠商也都紛紛采用了這種電池類型，特斯拉也不例外。
車輛整備質量
眾所周知，車輛在越輕的情況之下想要獲得同樣的加速度時電動機輸出功率一定越小。所以在其他外部環(huán)境相同時，質量越輕的車輛想要獲得同樣的加速度時一定比質量重的車輛消耗的電能少。就目前來看，新能源汽車品牌也是越來越重視這一點，有許多廠商也采用了全鋁和碳纖維的車身構架。對于異類材料在車體的投放上也越精準。
電動機的運轉特性決定這一點對于新能源純電動汽車尤為重要。所有車在跑高速都要克服來自空氣的阻力，但是電動機的動力輸出曲線與傳統燃料發(fā)動機完全不一致，加之傳統燃料汽車有變速箱來調節(jié)發(fā)動機轉速。而電動機有一個基速轉速，也就是說在基速轉速之前具有恒扭矩特性，基速轉速之后有恒功率特性。（下圖為極低風阻0.2375cd的吉利幾何A）
目前安裝在汽車中的動力電機主要有三種：開關磁阻電機、永磁同步電機、感應異步電機。其中開關磁阻電機因為運轉時的高噪音和震動沒有解決，所以沒有安裝在乘用車上，在商用車上運用的比較廣泛。永磁同步電機的功率密度比感應異步電機的功率密度高，所以在其他外部條件一致的情況下，永磁同步電機比感應異步電機能耗低。但是，感應異步電機的功率和扭矩都能做的更高，所以一些注重性能的新能源純電動車都采用了感應異步電機。例如：特斯拉Model S、Model X、蔚來EP9等等。
輪胎滾動阻力決定了在同等外部環(huán)境時同等速度下車輛能滑行的距離大小和動能回收的多少。所以一套低滾阻的輪胎對于汽車的能耗有一定的幫助。（下圖為固特異低滾阻輪胎）
這一點控制了動能回收力度、電動機輸出功率限制等等。一套好的數據標定雖然不能解決硬件不足的問題，但是能配合硬件發(fā)揮出符合硬件自身實力的水平。
在汽車行駛的過程中，不僅僅是動力電機在耗電。還有很多其它輔助行駛的電器在默默無聞的工作。例如：空調、車輛燈光系統、方向助力系統、剎車助力系統等等。他們的工作也會產生電耗，所以他們的功率以及工作效率也會影
養(yǎng)成良好的駕駛習慣不僅僅能在新能源車型上能節(jié)省電能，同時在傳統燃油汽車上也能節(jié)省燃料。盡量做到相對勻速的行駛，減少急剎車和急加速是節(jié)能的不二法寶。
外界環(huán)境的溫度會影響電池的活性，溫度越低電池活性越差，同等條件下電池的充電速度會變慢，電池的實際容量也會變低。從而也會影響新能源純電動車的續(xù)航里程。
在文章的前部車叔已經提到了NEDC續(xù)航的測試辦法，NEDC續(xù)航測試來自歐洲，用不同的速度值在臺架上做模擬阻力做四個城市循環(huán)和一個郊區(qū)循環(huán)。不同的實驗測試標準得出來的續(xù)航數據也一定也是不一致的。同樣測試能耗以及續(xù)航的標準還有來自美國的EPA標準，日本的JC08標準。同樣的一款車，外部條件一致時，用這三套標準測試得出的能耗標準和續(xù)航里程也是不同的，與我們實際使用過程中的續(xù)航也是不一致的。
NEDC續(xù)航的確有一定參考性，但是我們同時作為消費者，在日常使用過程中不能盲目相信續(xù)航一定會達到NEDC續(xù)航值。在實際的新能源純電動車使用中還是要根據實際的速度、距離、外界環(huán)境溫度等等各方面的條件綜合判斷實際續(xù)航里程。另外我國還在更新新的續(xù)航及能耗的測試標準。這套新的標準WLTC同樣來自歐洲，新的標準實施以后，排放會越來越嚴格。同時標稱的續(xù)航里程一定也會越來越精確，這對消費者無疑是一個好消息。
我們現在也在這樣做。據預測，到2022年，全球的電池市場規(guī)模將達到250億美元。但消費者認為，在一項又一項的調查中，電池續(xù)航時間是智能手機最受關注的功能。隨著未來十年能耗更高的5G網絡普及，問題只會越來越嚴重。而對于那些能夠解決問題的人來說，他們將會得到巨大的回報。
Ionic Materials公司只是數十家公司中的一員，它們正在進行從根本上重新思考電池問題的史詩競賽。不過，這場競賽被錯誤的開端、痛苦的訴訟以及失敗的初創(chuàng)公司所困擾。但在經過十年的緩慢發(fā)展之后，希望仍在。世界各地的初創(chuàng)企業(yè)、大學和資金雄厚的國家實驗室的科學家們，正在使用復雜的工具尋找新材料。他們似乎即將大幅提高智能手機電池的能量密度和續(xù)航時間，并創(chuàng)造更環(huán)保、更安全的設備，這些設備將在幾秒鐘內完成充電，并足夠持續(xù)全天使用。
電池通過分解化學物質來發(fā)電。自從1799年意大利物理學家亞歷山德羅·沃爾塔(Alessandro Volta)發(fā)明了電池，用來解決關于青蛙的爭論以來，每塊電池都有相同的關鍵部件：兩個金屬電極——帶負電的陽極和帶正電的陰極，由被稱為電解質的物質隔開。當電池連接到電路時，陽極中的金屬原子會發(fā)生化學反應。它們失去一個電子，變成帶正電荷的離子，并通過電解質被吸引到正極。與此同時，電子（也帶負電荷）則會流向陰極。但是它并沒有通過電解質，而是通過電路在電池的外部傳播，為它連接的設備供電。
陽極上的金屬原子最終會耗盡，此時意味著電池耗盡電量。但在可充電電池中，可以通過充電來逆轉這一過程，從而迫使離子和電子回到原位，準備再次啟動循環(huán)之旅。純金屬制成的電極無法承受原子不斷進出的壓力而不發(fā)生坍縮，因此可充電電池必須使用組合材料，使陽極和陰極通過重復的充電循環(huán)保持形狀。這種結構可被比作公寓建筑，其中有用于反應性元素的“房間”?？沙潆婋姵氐男阅茉诤艽蟪潭壬先Q于你能以多快的速度在這些房間里進出，而不會導致建筑物倒塌。
1977年，年輕的英國科學家斯坦·惠廷漢姆(Stan Whittingham)在新澤西州林登(Linden)的?？松?Exxon)工廠工作，他建造了一個陽極，用鋁來形成“公寓街區(qū)的墻壁和地板”，用鋰作為活性材料。當他給電池充電時，鋰離子從陰極移動到陽極，在鋁原子之間的空隙中沉淀。當放電時，他們向另一個方向移動，通過電解質回到陰極一側的空間。
惠廷漢姆發(fā)明了世界上第一個可充電的鋰電池，這種硬幣大小的電池足以為太陽能手表提供動力。但當他試圖增加電壓（使更多離子進出）或試圖制造更大的電池時，它們就會繼續(xù)燃燒。1980年，在牛津大學工作的美國物理學家約翰·古德諾夫(John Goodenough)取得了突破。古德諾夫是一名基督徒，曾在第二次世界大戰(zhàn)中擔任美國陸軍氣象學家，他也是金屬氧化物方面的專家。他懷疑，與惠廷漢姆使用的鋁化合物相比，肯定有某種物質能為鋰提供更堅固的牢籠。
古德諾夫指導兩名博士后研究人員系統性地在周期表中摸索，用不同的金屬氧化物對鋰進行比對，看看在它們崩潰前能從其中抽出多少鋰。最終，他們確定了鋰和鈷的混合物，后者是遍布非洲中部的藍灰色金屬。鋰鈷氧化物可以承受半數鋰被拉出的極限。當它被用作陰極時，這代表了電池技術向前邁出了一大步。鈷是一種更輕便、廉價的材料，既適用于小型設備也適用于大型設備，而且大大優(yōu)于市場上的其他材料。
如今，古德諾夫的陰極幾乎出現在地球上的所有掌上設備中，但他并沒有從中賺到一分錢。牛津大學拒絕申請專利，他本人也放棄了這項權利。但它改變了可能發(fā)生的事情。1991年，經過10年的修修補補，索尼將古德諾夫的鋰鈷氧化物陰極與碳陽極結合在一起，試圖改善其新型CCD-TR1攝像機的電池續(xù)航時間。這是第一款用于消費產品的可充電鋰離子電池，它改變了整個世界。
吉恩·伯迪切夫斯基(Gene Berdichevsky)曾是特斯拉的第七名員工。當這家電動汽車公司于2003年成立時，電池能量密度穩(wěn)步提高已經持續(xù)了十年，每年的提高幅度約為7%。但到了2005年前后，伯迪切夫斯基發(fā)現鋰離子電池的性能開始趨于平穩(wěn)。在過去的七八年里，科學家們不得不竭盡全力去爭取哪怕是0.5%的電池性能提高。
當時的進步主要來自工程和制造業(yè)的改進。伯迪切夫斯基說:“在現代化學反應被使用27年后，它們不斷接受提煉。”材料更加純凈，電池制造商已經能夠通過使每層都變得更薄的方式將更活躍的材料裝入相同的空間中。伯迪切夫斯基稱之為“從罐子里吸出空氣”。但這也有其自身風險?，F代電池由極薄的陰極、電解質和陽極材料的交替層組成，與銅和鋁電荷收集器緊密地結合起來，將電子帶出電池，送到需要的地方。
在許多高端電池中，塑料隔膜位于陰極和陽極之間，用來防止它們接觸和短路，其厚度僅為6微米（約為人類頭發(fā)厚度的1/10），這使它們很容易受到擠壓損傷。這就是航空公司的安全視頻現在為何警告稱，如果你的手機掉進了機械裝置里，不要試圖調整座位。
對鋰離子電池的每一次改進，都需要權衡取舍。提高能量密度會降低安全性，引入快速充電可能降低電池的循環(huán)壽命，這意味著電池的性能下降得更快。鋰離子的潛力正在接近其理論極限。自從古德諾夫的突破以來，研究人員一直在試圖尋找下一個飛躍，包括通過系統性地審視電池的四個主要組成部分——陰極、陽極、電解質和分離器，并使用越來越復雜的工具。
克萊爾·格雷(Clare Grey)是古德諾夫在牛津大學的學生，他始終在研究鋰-空氣電池，即用空氣中的氧氣充當另一個電極。從理論上講，這些電池提供了巨大的能量密度，但要讓它們可靠地充電，并且持續(xù)時間超過幾十個周期，在實驗室里已經夠困難的了，更不用說在現實世界骯臟而不可預知的空氣中了。
盡管格雷聲稱最近取得了突破，但由于上述問題，研究團體的注意力主要轉向了鋰-硫電池。它為鋰離子提供了更便宜、更強大的替代品，但科學家們始終在努力阻止其在陰極上形成的樹突（cathode），以及在陽極上的硫磺因重復充電而溶解。索尼聲稱已經解決了這一問題，并希望到2020年將含有鋰-硫電池的消費類電子產品推向市場。
在曼徹斯特大學，材料學家劉旭清(Xuqing Liu)是那些試圖從碳陽極中擠出更多能量的人之一，他將類似于石墨烯的二維材料結合起來，以便擴大表面積，從而增加鋰原子的數量。劉旭清把它比作增加一本書的頁數。這所大學還投資建造干燥的實驗室，這將使其研究人員能夠安全、輕松地交換不同的元件，以測試不同的電極和電解質的組合。
令人難以置信的是，即使古德諾夫本人也在研究這個問題。去年，94歲的他發(fā)表了一篇論文，描述了一種容量是現有鋰離子電池三倍的電池。這受到廣泛質疑。一位研究人員說:“如果是古德諾夫之外的其他人發(fā)表了這篇文章，我可能就要罵娘。”
但是，盡管有成千上萬的論文發(fā)表，數十億美元的資金投入，數十家創(chuàng)業(yè)公司成立并提供資金支持，自1991年以來，我們大部分消費電子產品的基本化學功能幾乎沒有改變。在成本、性能和消費性電子產品的便攜性方面，還沒有什么能夠取代鋰鈷氧化物和碳的組合。iPhoneX的電池的原理幾乎和索尼的第一臺便攜式攝像機一樣。
因此，2008年，伯迪切夫斯基從特斯拉離開，開始專注于研究新的電池化學反應。他對尋找石墨陽極的替代品尤其感興趣，他認為這是制造更好電池的最大障礙。伯迪切夫斯基說:“石墨的使用已經有六七年了，它現在基本上是用在電池的熱力學容量上。”2011年，他與特斯拉的前同事亞歷克斯·雅各布斯(Alex Jacobs)、佐治亞理工學院材料學教授格萊布·尤辛（Gleb Yushin）共同創(chuàng)立了Sila Nanotechnologies。他們在阿拉米達的灣區(qū)辦公室有開放式布局，以雅達利游戲命名的會議室，還有充滿熔爐和燃氣管道的工業(yè)實驗室。
在調查了所有可能的解決方案之后，三人從理論上確定硅是最有前途的材料。他們只需要讓技術發(fā)揮作用。許多人在他們之前嘗試過，但都以失敗告終。不過，伯迪切夫斯基和他的同事們對他們的成功表示樂觀。一個硅原子可以附著4個鋰離子，這意味著與重量相近的石墨陽極相比，一個硅陽極可以儲存10倍的鋰。這一潛力意味著，美國國家研究院對硅陽極材料充滿了興趣，Amprius、Enovix和Envia等風投機構支持的初創(chuàng)企業(yè)也是如此。
當鋰離子在電池充電時附著在陽極上時，它會輕微膨脹，然后在使用時再次收縮。在重復的充電循環(huán)中，這種膨脹和收縮破壞了固態(tài)電解質界面層，后者是一種保護物質，在陽極表面形成斑塊。這種損害會產生副作用，消耗電池中的部分鋰。伯迪切夫斯基說：“它被困在無用的垃圾里。”
