電動車用蓄電池的路在何方？

O 引言
人類社會發(fā)展進入20世紀(jì)中后期，西方發(fā)達國家遭遇到嚴(yán)重的中東石油危機，與過度依賴燃燒化石原料獲取能量，給人類自己的生存環(huán)境造成了巨大的破壞與污染后，人們才清楚地認識到這種發(fā)展的不良后果。紛紛提出，要在能源消耗最大的機動車產(chǎn)品上，進行技術(shù)革命。首先是減少機動車每百公里的耗油量，提高燃油利用率，間接減少污染環(huán)境的廢氣排放量；進一步的研究發(fā)展是尋找新的能源和系統(tǒng)。即要求能夠在機動車上廣泛利用，得來方便廉價又不污染或較少污染環(huán)境的能源和系統(tǒng)。如上世紀(jì)90年代初，美國通用汽車公司率先開發(fā)的純蓄電池電動汽車EVl，該車的最高時速可達128 km/h，從靜止加速到96 km/h只需9s，一次充電可行駛144km。1991年日本東京電力公司研制的1ZA依薩蓄電池4座電動車，最高時速可達176km/h，充一次電按40km/h勻速行駛，可行駛548km。1993年我國香港地區(qū)的香港大學(xué)也研制成功了 U2001蓄電池電動轎車，最高時速為1lOkm/h，充一次電可行駛176km。還有許多先進的西方國家，如德國、法國、意大利等．20世紀(jì)末都開發(fā)過性能達到甚至超過以上水平，利用蓄電池儲能作動力的電動汽車。如此看來，依靠純蓄電池儲能、行駛過程完全沒有廢氣排放的電動汽車，在上世紀(jì)90年代它的技術(shù)性能，就已達到了一般的可用水平。那么，為什么時至今日，電動汽車仍未得到普及，其中的問題出在哪里?下面我們就自己的研究，來談?wù)剬@些問題的看法。

l 蓄電池容量的認識與探討
作為電動車輛動力之源的蓄電池，其使用技術(shù)的進步與發(fā)展，是這種節(jié)能環(huán)保車輛賴以發(fā)展和普及的核心技術(shù)。我們在另一篇題為“蓄電池與蓄電池應(yīng)用研究的新思路”的文章里，對源自西方發(fā)達國家的傳統(tǒng)的蓄電池研究與使用中存在的一些問題，系統(tǒng)地提出了不同看法，如：蓄電池最關(guān)鍵的一個性能表征參數(shù)“容量”，它是由式(1)推導(dǎo)出來的。

式中：C為蓄電池容量(Ah)；

I為蓄電池放電電流(A)；

t為蓄電池放電時間(h)；
由式(1)發(fā)現(xiàn)，隱藏在式(1)后面的測量時負載的大小、測量時截止電壓的取值高低，都將影響C的大小，因此蓄電池的容量C并不是一個單值數(shù)，其大小依賴于測量的條件。這一點在文獻[2]的第三章：“蓄電池的參數(shù)和定義”中有非常詳細的討論與介紹。由此不難推斷，使用中的蓄電池容量與不同的使用條件密切相關(guān)，它并不是一個定值。人們平常使用的蓄電池上標(biāo)注的容量值，只是某蓄電池在特定環(huán)境、特定負載、特定時間段上的一個特定值。不同的負載、不同的環(huán)境、不同的時間，蓄電池的容量值并不和出廠的原始值一致。我們認為式(1)的描述并未錯，但它只能用來證明某蓄電池歷史上某一特定條件下的值。錯就錯在人們在使用中，總是將蓄電池出廠時提供的特定條件下的容量值，當(dāng)作一成不變的常數(shù)，作為蓄電池日常使用中長期不變的標(biāo)準(zhǔn)。這是蓄電池在今天應(yīng)用中眾多問題產(chǎn)生的根源。
蓄電池這種化學(xué)儲能裝置，研究和使用過的人都知道，它最令人擔(dān)心的是使用過程中的過充電與過放電。過充電和過放電，對蓄電池來說，損害都是致命的。
保障蓄電池在使用過程中不出現(xiàn)過充電和過放電是保障整個系統(tǒng)安全工作的關(guān)鍵。要做到這一點勿容置疑的是：人們要在蓄電池的使用中，能隨時準(zhǔn)確知道蓄電池的真實容量，采取及時的控制手段。我們從人們公認的蓄電池容量求證方程的說明中，談到蓄電池出廠提供的容量值，并不是一個任何時候都能當(dāng)作標(biāo)準(zhǔn)用的值，它隨著使用條件的不同而變化。為了能隨時掌握蓄電池的實時容量，人們從蓄電池的投入應(yīng)用開始，就仔細研究了蓄電池端電壓變化與容量的關(guān)系，企圖用測量蓄電池端電壓的變化來判斷蓄電池的實時容量。當(dāng)效果不明顯后，又想用測量蓄電池內(nèi)阻的變化來達到上述目的。長期的實踐證明，這些方法都無法有效解決蓄電池容量的實時測量。
沒有方便快速和準(zhǔn)確的容量測量方法，怎么會有實時準(zhǔn)確的蓄電池容量值?沒有準(zhǔn)確的蓄電池容量值，又怎么去判斷蓄電池的過充電與過放電?怎么去保障蓄電池的使用安全?這一問題成了蓄電池使用中，長期困擾人們的最大難題。有多少專家學(xué)者，為解決此問題，付出了長期艱巨的勞動，一直沒有停止探索。像現(xiàn)在，在以水為蓄電池電解液溶劑的電池系統(tǒng)里，人們普遍采用的氧循環(huán)和閥控式機制，就是人們想通過氧循環(huán)和閥控技術(shù)，來吸收和減少蓄電池在使用過程中，由于無法準(zhǔn)確把握蓄電池的真實容量值，造成蓄電池的過充電，而采取的一項保障蓄電池充電安全的措施。不過，目前的現(xiàn)實是，這一問題并沒有真正獲得解決。
我們認為，解決這一問題的困難主要是影響蓄電池容量的不確定性因素大都是非線性的，且太多太復(fù)雜。拿電動車上使用的動力電池來說，使用過程中必將碰到：今天和昨天的行駛里程不一定完全相等、今天和昨天的載重、今天的溫度和昨天的溫度……等都是不同的，因此，每天耗去的電池容量也是不相同的。用什么標(biāo)準(zhǔn)來補充蓄電池已耗去的容量呢?最好是用去了多少補進去多少，但誰能真正確切知道充電前蓄電池的真實容量?這里舉出的問題，僅是很不全面的部分問題。就是這些問題，使傳統(tǒng)的分細求真解決問題的思維模式陷入了一片無法走出的迷茫之中。我們認為，要解決此問題，必須從整個系統(tǒng)在使用中的發(fā)展過程來研究和探討，不如此，則很難跳出傳統(tǒng)思維模式的束縛，尋找到解決問題的新路子。

2 對蓄電池快速充電的認識
蓄電池能否快速充電，我們在“蓄電池與蓄電池應(yīng)用研究的新思路”一文中，從分析電化學(xué)反應(yīng)過程的擴散、滲透和平衡的角度，說明了快速充電存在的問題。最近由武漢大學(xué)出版社出版的，我國學(xué)者杳全性先生的“化學(xué)電源選論”一書，也從蓄電池極板物質(zhì)分布不均勻的角度，指出了過大充電電流對蓄電池的有害影響?？焖俪潆娺@一問題，在蓄電池大規(guī)模社會應(yīng)用后，早已有之。只是在機動的電動車的發(fā)展上，人們似乎對它更加的青睞和迫切，呼聲總是在不斷地高漲。這里我們不妨從更客觀的實用角度，對電動汽車等交通產(chǎn)品要求的快速充電，談一點我們的看法。
根據(jù)國內(nèi)外電動汽車研究資料的報道，一般行駛里程在200～250km，時速達到100km/h的電動轎車，需配用30kWh的蓄電池組。這樣大的蓄電池系統(tǒng)，如果每車用IOC的速度將放完電的蓄電池充滿，理論耗時是6分鐘，假設(shè)其它損耗都為零，充電時，每臺車需從電網(wǎng)中吸收300 kW的功率；用5C的速度將放完電的蓄電池充滿，用時12分鐘，也需從電網(wǎng)中吸收150kW的功率；用2C的速度充電，30分鐘將蓄電池充滿，也需從供電網(wǎng)吸收60kW功率。如果一個城市有10萬臺這樣的車(10萬臺，對我網(wǎng)的北京、上海、廣州這樣的大城市來說還不及現(xiàn)有燃油車的10％)，如果真是上面說的那樣，每天只要有10萬臺車中的10％～20％需要同時充電，對整個城市現(xiàn)有的供電系統(tǒng)將是巨大的麻煩。果真如此的話，電動汽車盡管有很先進的環(huán)保指標(biāo)，還會有推廣應(yīng)用的空間嗎?同時，快速充電還將使支撐電動車發(fā)展的動力電池組無法獲得必要的均衡充電時間，惡化各電池在電池組內(nèi)協(xié)同工作的環(huán)境，造成電池組整體的瓦解崩潰。上面的分析說明，蓄電池?zé)o論是其內(nèi)在的結(jié)構(gòu)和特性，還是外在的使用環(huán)境，對人們所謂的快速充電要求，都是不可能滿足的。
從大量的蓄電池產(chǎn)品的應(yīng)用來看，不同品種、不同材料、不同結(jié)構(gòu)的蓄電池，都有它們自己接受充電的不同能力，不是人們想怎么快就能怎么快的。我們認為，不論情況一味強調(diào)快速充電的做法，無疑會將電動車的研究發(fā)展引進一條死胡同。

3 蓄電池的循環(huán)使用次數(shù)與壽命問題
我們查閱過很多國內(nèi)外有關(guān)動力蓄電池壽命的定義和要求。發(fā)現(xiàn)人們大都強調(diào)的是蓄電池在某一放電深度下的循環(huán)充、放電次數(shù)。當(dāng)前，有的蓄電池生產(chǎn)出來后，在實驗室條件下，設(shè)定放電深度為80％，充、放電達到上千次是完全可以做到的。但是，如果將蓄電池存放一年后，再拿來做同樣的充、放電實驗，蓄電池充、放電循環(huán)次數(shù)將大幅度下降，甚至蓄電池失效。同時，電動車上使用的蓄電池，由于車輛每天使用中存在不確定性，蓄電池在使用中容量的消耗是不確定的。在這種高度不確定性條件下的充放電，蓄電池在傳統(tǒng)充電理論指導(dǎo)下，到底能循環(huán)使用到多少次，至今，人們拿不出確切有力的證明。我們不知道這樣在實驗室條件下做出來的蓄電池循環(huán)使用壽命有何實際意義？
我們認為，蓄電池的壽命，應(yīng)當(dāng)將客觀使用中的循環(huán)次數(shù)與真正常規(guī)環(huán)境下的正常工作時間結(jié)合起來考核，才是真實的。缺少其中任何一方的數(shù)據(jù)，都沒有太多的實際意義。
我們做過一次這樣的實驗，2004年5月在一大型超市買回8只國內(nèi)某著名電池企業(yè)2004年2月生產(chǎn)的AA型MH-NI電池，電池標(biāo)明容量為1 300mAh，用我們研制的充電器對其充電，以O(shè).5C進行放電，循環(huán)到降至額定容量的80％時，停止實驗。每滅循環(huán)4次，做到了接近一千次循環(huán)，考慮到在做循環(huán)測試之前，該8只電池做過一些其它的測試，為求更準(zhǔn)確的結(jié)果，2005年又從原超市買回了與第一批電池同一批出廠的8只同型號同容量電池，準(zhǔn)備再做一次同樣的循環(huán)實驗測試。令我們感到意外的是，后一批電池根本就達不到出廠時標(biāo)定的額定容量，甚至連前一批實驗后的容量都達不到。這一結(jié)果與發(fā)現(xiàn)給了我們一次很大的震驚!后來，我們在2004年第6期“電源技術(shù)”雜志上看到了一篇題為“MH-NI蓄電池在放電態(tài)條件下的儲存性能”的文章，作者為中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)信息技術(shù)研究所的李曉峰和馬麗萍等同志。 他們測試研究報告的結(jié)果與我們看到的現(xiàn)象是完全吻合的。由此我們更加堅定地認為，不能以實驗室短期實驗獲得的循環(huán)工作次數(shù)來作為單一推斷蓄電池有效工作壽命的依據(jù)。換言之，這種單一的蓄電池循環(huán)壽命，是一種模糊了時間概念的壽命。它對電動汽車的發(fā)展研究，到底有什么真實意義?是值得大家去思考的。

4 蓄電池的比能量與壽命問題
蓄電池的Wh/kg和Wh/L是衡量蓄電池在一定的重量和容積上儲存、轉(zhuǎn)載能量大小的兩個主要參數(shù)，也是蓄電池的研究者經(jīng)常用來評價蓄電池發(fā)展進步的重要依據(jù)。很明顯，該參數(shù)的比值越大，說明蓄電池在相同重量或相同容積下，儲存、轉(zhuǎn)載電能的能力越強，使用性能越好。隨著人們對節(jié)能環(huán)保的電動汽車等交通產(chǎn)品的熱情不斷高漲，蓄電池已成為電動交通產(chǎn)品發(fā)展道路上的瓶頸，蓄電池與蓄電池的性能，自然成了業(yè)內(nèi)人士研究關(guān)注的焦點。世界上科學(xué)技術(shù)發(fā)達的國家如：美國、德國、日本等都集中了一大批優(yōu)秀人才，投入巨資對此進行了深入持續(xù)的研究。今天，這些國家在這一領(lǐng)域也取得了一些明顯的進步。如美國上世紀(jì)90年代發(fā)明的氧化物鎳氫蓄電池；日本開發(fā)的鋰離子蓄電池等與傳統(tǒng)的鉛酸、鎘鎳等蓄電池相比，Wh/kg和Wh/L都有很突出的提升。應(yīng)該說，新型蓄電池在性能上的進步，已經(jīng)明明白白地告訴我們，裝上與過去同樣重量或同樣大小的新型蓄電池的電動汽車，充一次電的行駛里程更遠、加速性能更好、爬坡能力更強、也更實用。但是，時至今日，這些國家的電動汽車行未實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，里面的問題到底在哪里?我們認為，這是人們對這一問題的認識不全面造成的：只強調(diào)提高蓄電池比能量，認為比能量一上去，什么問題都會迎刃而解的思想是片面的、是不可能使電動汽車實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的。
上世紀(jì)90年代，各國研究成功的電動汽車、蓄電池的比能量肯定要比現(xiàn)在的新型電池小，汽車測試達到的各項性能指標(biāo)，對一般的使用者來說，是完全可以滿足的。為什么當(dāng)時實現(xiàn)不了電動汽車的產(chǎn)業(yè)化?我們認為，主要是蓄電池的使用壽命太短而不是蓄電池比能量的問題。如果當(dāng)時蓄電池的使用壽命能達到10～15年，蓄電池的成本能攤?cè)?0～15年使用期中，電動汽車的產(chǎn)業(yè)化之路，恐怕早已實現(xiàn)。今天盡管蓄電池的比能量有了很大的提高，生產(chǎn)蓄電池的材料與蓄電池的結(jié)構(gòu)也取得了很大的進步，但是蓄電池的使用壽命，并末獲得重大的突破。如果解決不好蓄電池的使用壽命問題，我們認為電動汽車的產(chǎn)業(yè)化和實用化，仍將遙遙無期。包括今天叫得很響亮的混合動力汽車也將會成為一段歷史上一個匆匆過客，給社會留下一張沉重的買單。

5 蓄電池的使用壽命，是今天電動汽車發(fā)展必須跨越的一道坎
此文的開頭，我們根據(jù)過去的有關(guān)報道，談到了20世紀(jì)90年代世界各國研究成功的依靠純蓄電池儲能作動力的幾款典型的電動汽車所達到的技術(shù)指標(biāo)。在科研成果能很快轉(zhuǎn)化成新興產(chǎn)業(yè)的今天，這一明顯帶著技術(shù)進步標(biāo)志的產(chǎn)品，至今不能形成產(chǎn)業(yè)化，惠及國家、惠及人類。如果以前各國的科研成果報道屬實，那么到底是什么問題阻礙了這一產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化的進程呢?下面是我們的看法。
要探討該問題的實質(zhì)，我們認為最好還是從我國已發(fā)展成一定規(guī)模的輕型電動車入手比較客觀。我國輕型電動車的發(fā)展，經(jīng)過十多年的共同努力和共同推動，成績是有目共睹的。使用過這種產(chǎn)品的人都有一種共同體會：開始使用的初期，該產(chǎn)品不愧是一種方便實用、節(jié)約義環(huán)保的代步工具。說明書上的各項技術(shù)指標(biāo)，只要是正規(guī)廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品，一般都是能夠達到。由此我們可以相信，上世紀(jì)90年代世界各國花巨資研發(fā)的純蓄電池電動汽車，其短期實驗所達到的技術(shù)指標(biāo)，應(yīng)是可以信賴的。那么電動汽車遲遲不能實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)癥結(jié)到底在哪里?我們認為，還是從我國輕型電動車的現(xiàn)狀去探討為好。從輕型電動車的結(jié)構(gòu)上看，一是電機、車架和提供使用控制的電子系統(tǒng)。目的，這方面不存在太難的技術(shù)問題。二是提供儲存能量的蓄電池組。買車時，說明書和供貨商一般都會提醒用戶，隨車配用的蓄電池組保用期一年，超過一年，使用者自己買單。目前常用的輕型電動車用蓄電池組市場價格為300～600多元，占到輕型電動車造價的1/2~1/4不等，這還是蓄電池品種中，價格最低的鉛酸蓄電池。對一般工薪階層的人來說，盡管蓄電池的工作壽命不是很理想，但是一年換一組電池，其費用還是支付得起的。而電動汽車所使用的蓄電池組一般比輕型電動車的蓄電池大得多，而且是比能量較高的蓄電池。蓄電池的成本要占新車造價的l/2，一輛電動汽車的造價至少十幾萬至二十幾萬，如果蓄電池組也只能保用1～2年，電動汽車能實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化嗎?蓄電池的使用壽命直接關(guān)系到未來電動汽車與混合動力汽車的使用成本，沒有合適的而且是經(jīng)得起實踐檢驗的使用時間來分攤電動汽車蓄電池這一高額成本，市埸是不會接受這一產(chǎn)品的。因此，蓄電池的使用壽命才是今天電動汽車實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化必須跨越的一道坎。這一問題如不能獲得有效解決，今后實驗成功的電動汽車，即使加速性能完全能達到或超過今天燃油車的最高水平；蓄電池充一次電的行駛里程能超過燃油車目前加一箱油的行駛里程，也是沒有推廣的基礎(chǔ)和意義的。

6 結(jié)語
我們認為，要解決當(dāng)前電動汽車研究發(fā)展上的問題，必須對傳統(tǒng)的蓄電池與蓄電池的應(yīng)用研究進行全面的思維更新，只有徹底拋棄那些不正確的認識與方法，使蓄電池真正擁有了一個較長較經(jīng)濟的使用壽命，才會真正找到電動汽車與混合動力汽車產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的光明之路。