新能源汽车续航能力与电池安全管理初探

蓝国田

摘 要：大力发展新能源汽车当下属于我国基本国策之一，当前新能源汽车面临的最大问题是如何解决当前新能源汽车续航里程不足的问题，本文通过探索分析不同因素对新能源汽车续航里程的影响情况以及新能源汽车电池安全管理方面的研究思路，提出了提高电池能量密度和降低行驶阻力系数提升续航能力、提高电池能量密度和电能驱动效率提升续航能力、提升新能源纯电动汽车电池容量提升续航里程的方式，同时提出制定相关标准、使用电池安全管理系统的措施，实现电池安全管理的思路，为新能源汽车续航能力提升及电池安全管理方面探索提供参考。

关键词：新能源汽车 续航能力 电池安全管理

1 引言

由于我国对清洁能源汽车的大力推广，人民群众对清洁能源汽车的认识和接受程度都有了很大的提高，市场保有量也有了质的突破，我国二零二一年清洁能源汽车市场保有量达到了七百八十四万台，清洁能源车辆数量约占全国机动车总数的百分之二点六。在中国新能源汽车行业近年来得到较快发展的大背景下，各企业和研发机构也逐渐开始放缓甚至暂停传统燃油汽车的研发，重点投资新能源汽车技术。当然新能源汽车发展也面临着一定弊端，如动力电池中的高电流能量密度和低电能有关技术，可充电池快速充电技术等缺乏突破性的创新，且中国充电设施（尤其是北方、西方经济欠发达区域）的布局并不健全，新能源汽车特别是纯电动汽车的续航里程短和充电不方便成为发展过程中存在的主要制约因素。文章采用了citespace知识图谱软件，定性地给出了以下各种因素对车辆续航里程方面的影响，同时结合标准制定、设计、生产、使用等的电池安全管理方面做了初步探索。

2 新能源汽车续航能力影响因素研究

随着新能源汽车的逐步普及，越来越多的汽车购买客户选择使用新能源汽车，在选择新能源车时，消费者们最关注的大多是车子的续航里程数，很大一部分人也将续航里程当做首选购物点。消费者在购买新能源汽车时，车辆的续航能力是消费者选择哪款电动汽车的主要考虑因素之一。当然，不同的客户对新能源汽车的行驶里程有不同的要求。根据汽车之家2020年发布的数据，家庭客户的最小行驶距离可接受为150公里左右，而运营客户和长驾驶需求的客户的最小行驶距离可达到400公里以上。所以续航里程也成为新能源汽车的开发人员非常关注的性能因素之一。所以在2021年也出现了以五菱迷你、长城欧拉等为代表的140公里续航家用（专注女士）小型纯电动汽车，以特斯拉、蔚来、理想、BYD、哪吒等为代表的续航400公里以上的长续航汽车，部分车型甚至可以将续航提升至600公里以上。

综合分析，通过对车辆理论的简单介绍，在逐项分析的车辆前进阻力，以及带入电池特性等变量因素下，对影响车辆续航里程数的重要技术参数分析，利用citespace知识图谱软件，将时间切片设置为1年。选择“Pathfinder”、“Pruning sliced networks”。如圖1所示，关键词主要有“车重”、“车速”、“耗电设备”、“驾驶习惯”“温度”。

2.1 车速

根据哪吒U车型的研究分析，哪吒U长续航版本车型纯电动行驶里程为四百一十公里，而该车型正常高速行驶后的行驶里程不足三百公里。造成这种巨大差异的最大关键因素是车辆的行驶速度。速度与风阻成正比，因为速度越快会导致风阻大幅度增加，功耗自然就会增加。然而，燃油汽车在高速行驶时油耗并没有出现较大比例的激增，在合理的运行条件下比城市油耗有所下降。然而在实际行驶里程中为什么新能源电动汽车高速行驶后耗电量增加这么多？这是因为新能源电动汽车无发动机，动力通过电机实现电能和动能的转换，因为电机本身相比发动机而言效率极高，转速范围非常宽，通过0到最大电机额定转速一直保持在90%或者90%以上的全功率工作。而高速行驶时行驶速度在120km/h行驶增加风阻的附加动量只能靠发动机来抵御，所以高速行驶耗电量剧增是纯电动汽车相对于燃油汽车的不同点。

2.2 车重

车体的重量不仅决定了燃油车的油耗，也决定了新能源汽车的电能消耗。重量的增加会导致行驶动能的增加，这自然就需要电机提供更多的动能，从而导致新能源汽车耗电量的增加，影响续航里程。

2.3 耗电设备

电子设备的耗电量相对于汽车行驶的电能消耗量占比也不小，尤其是电动汽车当前主打智能化设备，电子设备相比燃油汽车会更多，然而这些设备在使用中都是非常耗电的，因为电机不能像发动机那样产生较大的热量，不能依靠电机的自然加热为座舱提供加热。新能源汽车的加热是通过消耗电池的电能来加热的，导致耗电量急剧增加，影响了汽车的续航能力。

2.4 温度

温度对电动汽车续航能力有着极大的影响。首先，当温度过高或过低时，驾驶员需要打开车内的取暖或制冷相关电子设备，这些设备会直接消耗纯电动汽车的电能。此外，也是非常重要的一点，是影响新能源汽车在北方推广的主要原因之一，冬季温度较低，锂电池的实际放电容量也会相应降低，所以实际量程也会减小。有测试报告，新能源电池最佳工作温度是23℃到26℃，假设我们以24.5℃为基准，温度平均气温每下降1℃，电池电能的衰减程度将会超过14%，如果是在北方的零下20℃的环境工况下，电池的衰减率最高达到55%左右，造成新能源汽车的续航能力下降最高50%以上，这也是电动汽车在北方受欢迎程度相对较低的主要原因之一。

2.5 用车习惯

与传统的燃油汽车一样，驾驶员的驾驶习惯也是影响汽车能耗的主要原因之一。平稳行驶和剧烈行驶的行驶里程自然也会有所不同，行驶的路况和频繁的起步动作都会影响实际行驶里程。

3 提升新能源汽车续航能力的方法

3.1 提高电池能量密度和降低行驶阻力系数

燃油车是通过发动机将化学能转化为动能，电动汽车是通过电能转化为动能实现驱动的，都是将化学能转化为动能，只是动力转化设备不同而已。因此研究新能源汽车的续航能力，首先要从新能源汽车行驶阻力与电池的关系来分析探索，研究分析核心影响因素，并通过一定的技术实现该因素的优化，提高汽车续航能力。

汽车行驶阻力主要考虑如下阻力，且逻辑管辖如式（1）所示：

新能源汽车应该从增加电池能力密度的方式，实现单位电池储能最大。同时通过减小前进阻力、滚动阻力、流体阻力、加速阻力、坡度阻力等的方法，提升整车续航能力。但是很多阻力属于不可变因素，不能实现优化，因此增加电池能力密度，提升储能能力成为最有效的方法之一。

3.2 提高电池能量密度和电能驱动效率

在2010年工信部发布《免征购置税的新能源汽车车型目录》，将新能源汽车各批次性能指标进行了汇总和分析，其中吨百公里耗电量指的是单位重量汽车行驶百公里的耗电量。取单位质量可以有效避免因为重量因素对汽车续航能力的影响。计算结果如下表1所示。

S——纯电动续航里程（km）;

PE——动力蓄电池总质量占整备质量比例;

Pe——動力蓄电池组能量密度（kwh/kg）;

Me——动力蓄电池组电池总质量（kg）;

M——整车整备质量（kg）;

ED——动力蓄电池组总能量（kwh）;

EC——吨百公里耗电量（Wh/km·t）;

依据表1所示，随着新能源汽车续航里程的变化，动力电池与整车整备质量的比例保持在20%左右，如果需要增加新能源汽车的续航能力，动力电池质量增加较大，整车整备质量增加较小，导致该比例有一定的下降态势。随着当下动力电池技术的发展，动力蓄电池的电池密度也在不断的提升，并且相比以前同级别、同质量的电池其蓄电能力也有了较大的优化。汽车每吨百公里的消电量也有了很大的降低，即新能源汽车的经济性有了明显的优化。

3.3 提升新能源纯电动汽车电池容量提升续航里程

新能源纯电动汽车的电池容量一般的计量单位和电能的计量单位一样，以千瓦时（kW·h）为单位。电池组的容量越大，汽车储能能力和续航里程相对就会越大。因为电池组密度较大，如果增加电池组容量，会导致整车质量会随着电池组的增加出现线性增加，从而影响车辆的其他性能，比如车辆的机动性能，同时也会导致底盘系统和电子系统技术参数要求及相关成本的增加。因而在续航里程、电池组和生产成本之间一直是动一发而牵全身的矛盾点。我们来看看几款车的电池容量与续航里程的实际数据对比，如表2所示。

单位电耗是用续航里程与电池容量之比，通过数据发现比亚迪e6和特斯拉ModelS看似续航里程很乐观，但它们的单位电耗数值低，明显体现出了“依靠增加电池数量提高续航能力”的特点。通过堆积电池组来提升里程，是当下没有新的电池技术革新前提下开展的主要推进之一。随着技术的发展，材料的提升，新能源汽车的续航将出现新的突破，比如当下比亚迪汽车即将上市的新车型，采用所谓的刀片电池，续航可以达到960公里左右。

4 新能源汽车电池安全管理研究

4.1 通过制定新能源汽车锂动力电池安全性能标准是实现电池安全管理的基础

在当前生产规模提倡行业集成化生产的时代，标准化的安全管理是对动力电池生产阶段的核心管理方式之一。当前新能源电动汽车主要使用锂动力电池，因此新能源汽车电池安全管理研究主要以锂动力电池进行探索研究，锂电池的相关标准具体而言主要内容有。

4.1.1 选材标准

锂动力电池材料主要是从正极材料和负极材料进行选材标准制定，其中正极材料主要为钴酸锂电、镍酸锂等，我国已经发布的标准中对锂动力电池中的正极材料化学性能测试作出了系统规划，但其中锂含量、导电性、化学性能等部分，测试方式仍相对薄弱。对于锂动力电池负极，国家发布标准也不够完善，对于电解液以及电解溶液的标准也不能满足社会生产的高速发展，安全性能的发挥也受到了影响。

4.1.2 设计及制造回收标准

关于锂动力电池在电池安全设计类的国家相关标准也并非非常成熟，同时，在生产制造中涉及到的检测设备、生产设备、辅料等的行业标准也处于摸索阶段，标准发布较少。同时针对锂动力电池的回收利用标准也处于发展阶段，发布的明显不够，但是电池回收已经成为我国即将面临的一大问题。

4.2 新能源汽车锂动力电池安全防护技术管理策略

4.2.1 对锂动力电池的材料和部件安全管理研究

锂动力电池安全性能的发挥效益在很大程度上与电池材料与部件息息相关，同时随着材料技术的发展以及环保要求，材料越来越成为锂动力电池安全管理的核心管理方向。目前来看，锂动力电池材料和部件的优化对象主要包括以下几点：

（1）正极。在现阶段新能源汽车锂动力电池进行材料选择过程中，需尽量选择锰酸锂、磷酸铁锂、高压锂镍锰尖晶石和三元材料等含富锂锰的基层状材料，三元电池由于高性能、低成本的显著优势，依然成为当下新能源电池的首选。但相比国外发达国家，由于我国起步较晚，而且材料科学相对国外还有一定的差距，因此这类材料的技术应用在我国相对局限。但是随着这几年我国新能源领域的发展，在工业应用范围内已经积累了相对领先的工业技术。（2）负极。新能源锂动力电池负极材料主要包括石墨、硬（软）碳、锂和钛酸盐合金负极材料，通过当前实际使用过程中发现石墨负极材料类的充电性能较差，钛酸锂类因为其比容量低的性能，在使用过程中会对锂离子动力电池的安全性能发挥有较大的利好影响。除了采用石墨烯改性石墨纳米技术，使用最低容量和充放电库仑效率低，电导率和导热性最强的新型纳米材料。

4.2.2 通过对电池系统进行不断优化进行电池安全管理

（1）电池组配技术。现阶段，锂动力电池在正常的新市场经济中被广泛应用，为了从根本上保证动力电池的安全性能的最大发挥，需要不断优化电池组配套技术。电池设计需要满足汽车电池系统参数的设计，从而提高电池的可靠性。同时，还有电池组的绝缘安全、抗震/水/尘、碰撞安全、电磁可靠性等诸多要求。（2）热管理技术。据调查锂动力电池，电池寿命、安全性能同电池温度密切相关，当温度过高时会产生加速副作用，影响电池的使用寿命，因此要从根本上避免上述问题的发生，迫切需要确保热管理技术的有效实施。

5 结语

随着新能源汽车的增加，新能源汽车在国内的认可度逐渐提升，提升新能源汽车的续航能力应该从增加新能源汽车的动力电池的能量密度，降低吨百公里的功耗，从而实现提高续航能力的革新发展。续航能力的提升还需要通过使用新型材料、使用新型技术提升锂电池在低温时的储电能力，杜绝因为低温问题导致电能大幅度降低、续航能力腰斩的问题。因此，未来新能源汽车的核心应该是动力电池能量密度增加、高效能量回收技术降低等方面将成为新的研究重点，同时，从传统燃料汽车变速器轻量化技术等方面入手，降低车辆的能耗。但是电池属于危险储电设备，所以应该通过选材、设计、生产等标准的制定，确保电池安全性能。同时采用科学合理的电池安全管理系统，确保电池组在充电、储电、用电过程的电能管理技术，确保新能源汽车电池安全管理的实现。

参考文献：

[1]王晓文.新能源汽车锂动力电池安全性能及防护技术研究[J].明日风尚，2018，23（12）：111-112.

[2]周小红.退役新能源汽车动力电池应用于家庭储能系统的探索[J].智库时代，2018，49（15）：166-169.

[3]汤彬.新能源汽车锂动力电池热模型及仿真研究[J].内燃机与配件，2018，23（15）：144-147.