電動(dòng)車(chē)用蓄電池的路在何方？

O 引言
人類(lèi)社會(huì )發(fā)展進(jìn)入20世紀中后期，西方發(fā)達國家遭遇到嚴重的中東石油危機，與過(guò)度依賴(lài)燃燒化石原料獲取能量，給人類(lèi)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(dòng)車(chē)產(chǎn)品上，進(jìn)行技術(shù)革命。首先是減少機動(dòng)車(chē)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(jìn)一步的研究發(fā)展是尋找新的能源和系統。即要求能夠在機動(dòng)車(chē)上廣泛利用，得來(lái)方便廉價(jià)又不污染或較少污染環(huán)境的能源和系統。如上世紀90年代初，美國通用汽車(chē)公司率先開(kāi)發(fā)的純蓄電池電動(dòng)汽車(chē)EVl，該車(chē)的最高時(shí)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(dòng)車(chē)，最高時(shí)速可達176km/h，充一次電按40km/h勻速行駛，可行駛548km。1993年我國香港地區的香港大學(xué)也研制成功了 U2001蓄電池電動(dòng)轎車(chē)，最高時(shí)速為1lOkm/h，充一次電可行駛176km。還有許多先進(jìn)的西方國家，如德國、法國、意大利等．20世紀末都開(kāi)發(fā)過(guò)性能達到甚至超過(guò)以上水平，利用蓄電池儲能作動(dòng)力的電動(dòng)汽車(chē)。如此看來(lái)，依靠純蓄電池儲能、行駛過(guò)程完全沒(méi)有廢氣排放的電動(dòng)汽車(chē)，在上世紀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(shí)至今日，電動(dòng)汽車(chē)仍未得到普及，其中的問(wèn)題出在哪里?下面我們就自己的研究，來(lái)談?wù)剬@些問(wèn)題的看法。

l 蓄電池容量的認識與探討
作為電動(dòng)車(chē)輛動(dòng)力之源的蓄電池，其使用技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，是這種節能環(huán)保車(chē)輛賴(lài)以發(fā)展和普及的核心技術(shù)。我們在另一篇題為“蓄電池與蓄電池應用研究的新思路”的文章里，對源自西方發(fā)達國家的傳統的蓄電池研究與使用中存在的一些問(wèn)題，系統地提出了不同看法，如：蓄電池最關(guān)鍵的一個(gè)性能表征參數“容量”，它是由式(1)推導出來(lái)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(shí)間(h)；
由式(1)發(fā)現，隱藏在式(1)后面的測量時(shí)負載的大小、測量時(shí)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(gè)單值數，其大小依賴(lài)于測量的條件。這一點(diǎn)在文獻[2]的第三章：“蓄電池的參數和定義”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(gè)定值。人們平常使用的蓄電池上標注的容量值，只是某蓄電池在特定環(huán)境、特定負載、特定時(shí)間段上的一個(gè)特定值。不同的負載、不同的環(huán)境、不同的時(shí)間，蓄電池的容量值并不和出廠(chǎng)的原始值一致。我們認為式(1)的描述并未錯，但它只能用來(lái)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(chǎng)時(shí)提供的特定條件下的容量值，當作一成不變的常數，作為蓄電池日常使用中長(cháng)期不變的標準。這是蓄電池在今天應用中眾多問(wèn)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(guò)的人都知道，它最令人擔心的是使用過(guò)程中的過(guò)充電與過(guò)放電。過(guò)充電和過(guò)放電，對蓄電池來(lái)說(shuō)，損害都是致命的。
保障蓄電池在使用過(guò)程中不出現過(guò)充電和過(guò)放電是保障整個(gè)系統安全工作的關(guān)鍵。要做到這一點(diǎn)勿容置疑的是：人們要在蓄電池的使用中，能隨時(shí)準確知道蓄電池的真實(shí)容量，采取及時(shí)的控制手段。我們從人們公認的蓄電池容量求證方程的說(shuō)明中，談到蓄電池出廠(chǎng)提供的容量值，并不是一個(gè)任何時(shí)候都能當作標準用的值，它隨著(zhù)使用條件的不同而變化。為了能隨時(shí)掌握蓄電池的實(shí)時(shí)容量，人們從蓄電池的投入應用開(kāi)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(lái)判斷蓄電池的實(shí)時(shí)容量。當效果不明顯后，又想用測量蓄電池內阻的變化來(lái)達到上述目的。長(cháng)期的實(shí)踐證明，這些方法都無(wú)法有效解決蓄電池容量的實(shí)時(shí)測量。
沒(méi)有方便快速和準確的容量測量方法，怎么會(huì )有實(shí)時(shí)準確的蓄電池容量值?沒(méi)有準確的蓄電池容量值，又怎么去判斷蓄電池的過(guò)充電與過(guò)放電?怎么去保障蓄電池的使用安全?這一問(wèn)題成了蓄電池使用中，長(cháng)期困擾人們的最大難題。有多少專(zhuān)家學(xué)者，為解決此問(wèn)題，付出了長(cháng)期艱巨的勞動(dòng)，一直沒(méi)有停止探索。像現在，在以水為蓄電池電解液溶劑的電池系統里，人們普遍采用的氧循環(huán)和閥控式機制，就是人們想通過(guò)氧循環(huán)和閥控技術(shù)，來(lái)吸收和減少蓄電池在使用過(guò)程中，由于無(wú)法準確把握蓄電池的真實(shí)容量值，造成蓄電池的過(guò)充電，而采取的一項保障蓄電池充電安全的措施。不過(guò)，目前的現實(shí)是，這一問(wèn)題并沒(méi)有真正獲得解決。
我們認為，解決這一問(wèn)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(xiàn)性的，且太多太復雜。拿電動(dòng)車(chē)上使用的動(dòng)力電池來(lái)說(shuō)，使用過(guò)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。用什么標準來(lái)補充蓄電池已耗去的容量呢?最好是用去了多少補進(jìn)去多少，但誰(shuí)能真正確切知道充電前蓄電池的真實(shí)容量?這里舉出的問(wèn)題，僅是很不全面的部分問(wèn)題。就是這些問(wèn)題，使傳統的分細求真解決問(wèn)題的思維模式陷入了一片無(wú)法走出的迷茫之中。我們認為，要解決此問(wèn)題，必須從整個(gè)系統在使用中的發(fā)展過(guò)程來(lái)研究和探討，不如此，則很難跳出傳統思維模式的束縛，尋找到解決問(wèn)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“蓄電池與蓄電池應用研究的新思路”一文中，從分析電化學(xué)反應過(guò)程的擴散、滲透和平衡的角度，說(shuō)明了快速充電存在的問(wèn)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(shū)，也從蓄電池極板物質(zhì)分布不均勻的角度，指出了過(guò)大充電電流對蓄電池的有害影響?？焖俪潆娺@一問(wèn)題，在蓄電池大規模社會(huì )應用后，早已有之。只是在機動(dòng)的電動(dòng)車(chē)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(guān)的實(shí)用角度，對電動(dòng)汽車(chē)等交通產(chǎn)品要求的快速充電，談一點(diǎn)我們的看法。
根據國內外電動(dòng)汽車(chē)研究資料的報道，一般行駛里程在200～250km，時(shí)速達到100km/h的電動(dòng)轎車(chē)，需配用30kWh的蓄電池組。這樣大的蓄電池系統，如果每車(chē)用IOC的速度將放完電的蓄電池充滿(mǎn)，理論耗時(shí)是6分鐘，假設其它損耗都為零，充電時(shí)，每臺車(chē)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(mǎn)，用時(shí)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(mǎn)，也需從供電網(wǎng)吸收60kW功率。如果一個(gè)城市有10萬(wàn)臺這樣的車(chē)(10萬(wàn)臺，對我網(wǎng)的北京、上海、廣州這樣的大城市來(lái)說(shuō)還不及現有燃油車(chē)的10％)，如果真是上面說(shuō)的那樣，每天只要有10萬(wàn)臺車(chē)中的10％～20％需要同時(shí)充電，對整個(gè)城市現有的供電系統將是巨大的麻煩。果真如此的話(huà)，電動(dòng)汽車(chē)盡管有很先進(jìn)的環(huán)保指標，還會(huì )有推廣應用的空間嗎?同時(shí)，快速充電還將使支撐電動(dòng)車(chē)發(fā)展的動(dòng)力電池組無(wú)法獲得必要的均衡充電時(shí)間，惡化各電池在電池組內協(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(shuō)明，蓄電池無(wú)論是其內在的結構和特性，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(mǎn)足的。
從大量的蓄電池產(chǎn)品的應用來(lái)看，不同品種、不同材料、不同結構的蓄電池，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，不論情況一味強調快速充電的做法，無(wú)疑會(huì )將電動(dòng)車(chē)的研究發(fā)展引進(jìn)一條死胡同。

3 蓄電池的循環(huán)使用次數與壽命問(wèn)題
我們查閱過(guò)很多國內外有關(guān)動(dòng)力蓄電池壽命的定義和要求。發(fā)現人們大都強調的是蓄電池在某一放電深度下的循環(huán)充、放電次數。當前，有的蓄電池生產(chǎn)出來(lái)后，在實(shí)驗室條件下，設定放電深度為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(lái)做同樣的充、放電實(shí)驗，蓄電池充、放電循環(huán)次數將大幅度下降，甚至蓄電池失效。同時(shí)，電動(dòng)車(chē)上使用的蓄電池，由于車(chē)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，蓄電池在傳統充電理論指導下，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(shí)驗室條件下做出來(lái)的蓄電池循環(huán)使用壽命有何實(shí)際意義？
我們認為，蓄電池的壽命，應當將客觀(guān)使用中的循環(huán)次數與真正常規環(huán)境下的正常工作時(shí)間結合起來(lái)考核，才是真實(shí)的。缺少其中任何一方的數據，都沒(méi)有太多的實(shí)際意義。
我們做過(guò)一次這樣的實(shí)驗，2004年5月在一大型超市買(mǎi)回8只國內某著(zhù)名電池企業(yè)2004年2月生產(chǎn)的AA型MH-NI電池，電池標明容量為1 300mAh，用我們研制的充電器對其充電，以O.5C進(jìn)行放電，循環(huán)到降至額定容量的80％時(shí)，停止實(shí)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(guò)一些其它的測試，為求更準確的結果，2005年又從原超市買(mǎi)回了與第一批電池同一批出廠(chǎng)的8只同型號同容量電池，準備再做一次同樣的循環(huán)實(shí)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(chǎng)時(shí)標定的額定容量，甚至連前一批實(shí)驗后的容量都達不到。這一結果與發(fā)現給了我們一次很大的震驚!后來(lái)，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果與我們看到的現象是完全吻合的。由此我們更加堅定地認為，不能以實(shí)驗室短期實(shí)驗獲得的循環(huán)工作次數來(lái)作為單一推斷蓄電池有效工作壽命的依據。換言之，這種單一的蓄電池循環(huán)壽命，是一種模糊了時(shí)間概念的壽命。它對電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展研究，到底有什么真實(shí)意義?是值得大家去思考的。

4 蓄電池的比能量與壽命問(wèn)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、轉載能量大小的兩個(gè)主要參數，也是蓄電池的研究者經(jīng)常用來(lái)評價(jià)蓄電池發(fā)展進(jìn)步的重要依據。很明顯，該參數的比值越大，說(shuō)明蓄電池在相同重量或相同容積下，儲存、轉載電能的能力越強，使用性能越好。隨著(zhù)人們對節能環(huán)保的電動(dòng)汽車(chē)等交通產(chǎn)品的熱情不斷高漲，蓄電池已成為電動(dòng)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)內人士研究關(guān)注的焦點(diǎn)。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(jìn)行了深入持續的研究。今天，這些國家在這一領(lǐng)域也取得了一些明顯的進(jìn)步。如美國上世紀90年代發(fā)明的氧化物鎳氫蓄電池；日本開(kāi)發(fā)的鋰離子蓄電池等與傳統的鉛酸、鎘鎳等蓄電池相比，Wh/kg和Wh/L都有很突出的提升。應該說(shuō)，新型蓄電池在性能上的進(jìn)步，已經(jīng)明明白白地告訴我們，裝上與過(guò)去同樣重量或同樣大小的新型蓄電池的電動(dòng)汽車(chē)，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(shí)用。但是，時(shí)至今日，這些國家的電動(dòng)汽車(chē)行未實(shí)現產(chǎn)業(yè)化，里面的問(wèn)題到底在哪里?我們認為，這是人們對這一問(wèn)題的認識不全面造成的：只強調提高蓄電池比能量，認為比能量一上去，什么問(wèn)題都會(huì )迎刃而解的思想是片面的、是不可能使電動(dòng)汽車(chē)實(shí)現產(chǎn)業(yè)化的。
上世紀90年代，各國研究成功的電動(dòng)汽車(chē)、蓄電池的比能量肯定要比現在的新型電池小，汽車(chē)測試達到的各項性能指標，對一般的使用者來(lái)說(shuō)，是完全可以滿(mǎn)足的。為什么當時(shí)實(shí)現不了電動(dòng)汽車(chē)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(wèn)題。如果當時(shí)蓄電池的使用壽命能達到10～15年，蓄電池的成本能攤入10～15年使用期中，電動(dòng)汽車(chē)的產(chǎn)業(yè)化之路，恐怕早已實(shí)現。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構也取得了很大的進(jìn)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(wèn)題，我們認為電動(dòng)汽車(chē)的產(chǎn)業(yè)化和實(shí)用化，仍將遙遙無(wú)期。包括今天叫得很響亮的混合動(dòng)力汽車(chē)也將會(huì )成為一段歷史上一個(gè)匆匆過(guò)客，給社會(huì )留下一張沉重的買(mǎi)單。

5 蓄電池的使用壽命，是今天電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展必須跨越的一道坎
此文的開(kāi)頭，我們根據過(guò)去的有關(guān)報道，談到了20世紀90年代世界各國研究成功的依靠純蓄電池儲能作動(dòng)力的幾款典型的電動(dòng)汽車(chē)所達到的技術(shù)指標。在科研成果能很快轉化成新興產(chǎn)業(yè)的今天，這一明顯帶著(zhù)技術(shù)進(jìn)步標志的產(chǎn)品，至今不能形成產(chǎn)業(yè)化，惠及國家、惠及人類(lèi)。如果以前各國的科研成果報道屬實(shí)，那么到底是什么問(wèn)題阻礙了這一產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程呢?下面是我們的看法。
要探討該問(wèn)題的實(shí)質(zhì)，我們認為最好還是從我國已發(fā)展成一定規模的輕型電動(dòng)車(chē)入手比較客觀(guān)。我國輕型電動(dòng)車(chē)的發(fā)展，經(jīng)過(guò)十多年的共同努力和共同推動(dòng)，成績(jì)是有目共睹的。使用過(guò)這種產(chǎn)品的人都有一種共同體會(huì )：開(kāi)始使用的初期，該產(chǎn)品不愧是一種方便實(shí)用、節約義環(huán)保的代步工具。說(shuō)明書(shū)上的各項技術(shù)指標，只要是正規廠(chǎng)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90年代世界各國花巨資研發(fā)的純蓄電池電動(dòng)汽車(chē)，其短期實(shí)驗所達到的技術(shù)指標，應是可以信賴(lài)的。那么電動(dòng)汽車(chē)遲遲不能實(shí)現產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)癥結到底在哪里?我們認為，還是從我國輕型電動(dòng)車(chē)的現狀去探討為好。從輕型電動(dòng)車(chē)的結構上看，一是電機、車(chē)架和提供使用控制的電子系統。目的，這方面不存在太難的技術(shù)問(wèn)題。二是提供儲存能量的蓄電池組。買(mǎi)車(chē)時(shí)，說(shuō)明書(shū)和供貨商一般都會(huì )提醒用戶(hù)，隨車(chē)配用的蓄電池組保用期一年，超過(guò)一年，使用者自己買(mǎi)單。目前常用的輕型電動(dòng)車(chē)用蓄電池組市場(chǎng)價(jià)格為300～600多元，占到輕型電動(dòng)車(chē)造價(jià)的1/2~1/4不等，這還是蓄電池品種中，價(jià)格最低的鉛酸蓄電池。對一般工薪階層的人來(lái)說(shuō)，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(dòng)汽車(chē)所使用的蓄電池組一般比輕型電動(dòng)車(chē)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(chē)造價(jià)的l/2，一輛電動(dòng)汽車(chē)的造價(jià)至少十幾萬(wàn)至二十幾萬(wàn)，如果蓄電池組也只能保用1～2年，電動(dòng)汽車(chē)能實(shí)現產(chǎn)業(yè)化嗎?蓄電池的使用壽命直接關(guān)系到未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)與混合動(dòng)力汽車(chē)的使用成本，沒(méi)有合適的而且是經(jīng)得起實(shí)踐檢驗的使用時(shí)間來(lái)分攤電動(dòng)汽車(chē)蓄電池這一高額成本，市埸是不會(huì )接受這一產(chǎn)品的。因此，蓄電池的使用壽命才是今天電動(dòng)汽車(chē)實(shí)現產(chǎn)業(yè)化必須跨越的一道坎。這一問(wèn)題如不能獲得有效解決，今后實(shí)驗成功的電動(dòng)汽車(chē)，即使加速性能完全能達到或超過(guò)今天燃油車(chē)的最高水平；蓄電池充一次電的行駛里程能超過(guò)燃油車(chē)目前加一箱油的行駛里程，也是沒(méi)有推廣的基礎和意義的。

6 結語(yǔ)
我們認為，要解決當前電動(dòng)汽車(chē)研究發(fā)展上的問(wèn)題，必須對傳統的蓄電池與蓄電池的應用研究進(jìn)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(gè)較長(cháng)較經(jīng)濟的使用壽命，才會(huì )真正找到電動(dòng)汽車(chē)與混合動(dòng)力汽車(chē)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的光明之路。