电动车用蓄电池的路在何方？

O 引言
人类社会发展进入20世纪中后期，西方发达国家遭遇到严重的中东石油危机，与过度依赖燃烧化石原料获取能量，给人类自己的生存环境造成了巨大的破坏与污染后，人们才清楚地认识到这种发展的不良后果。纷纷提出，要在能源消耗最大的机动车产品上，进行技术革命。首先是减少机动车每百公里的耗油量，提高燃油利用率，间接减少污染环境的废气排放量；进一步的研究发展是寻找新的能源和系统。即要求能够在机动车上广泛利用，得来方便廉价又不污染或较少污染环境的能源和系统。如上世纪90年代初，美国通用汽车公司率先开发的纯蓄电池电动汽车EVl，该车的最高时速可达128 km/h，从静止加速到96 km/h只需9s，一次充电可行驶144km。1991年日本东京电力公司研制的1ZA依萨蓄电池4座电动车，最高时速可达176km/h，充一次电按40km/h匀速行驶，可行驶548km。1993年我国香港地区的香港大学也研制成功了 U2001蓄电池电动轿车，最高时速为1lOkm/h，充一次电可行驶176km。还有许多先进的西方国家，如德国、法国、意大利等．20世纪末都开发过性能达到甚至超过以上水平，利用蓄电池储能作动力的电动汽车。如此看来，依靠纯蓄电池储能、行驶过程完全没有废气排放的电动汽车，在上世纪90年代它的技术性能，就已达到了一般的可用水平。那么，为什么时至今日，电动汽车仍未得到普及，其中的问题出在哪里 下面我们就自己的研究，来谈谈对这些问题的看法。

l 蓄电池容量的认识与探讨
作为电动车辆动力之源的蓄电池，其使用技术的进步与发展，是这种节能环保车辆赖以发展和普及的核心技术。我们在另一篇题为“蓄电池与蓄电池应用研究的新思路”的文章里，对源自西方发达国家的传统的蓄电池研究与使用中存在的一些问题，系统地提出了不同看法，如：蓄电池最关键的一个性能表征参数“容量”，它是由式(1)推导出来的。

式中：C为蓄电池容量(Ah)；

I为蓄电池放电电流(A)；

t为蓄电池放电时间(h)；
由式(1)发现，隐藏在式(1)后面的测量时负载的大小、测量时截止电压的取值高低，都将影响C的大小，因此蓄电池的容量C并不是一个单值数，其大小依赖于测量的条件。这一点在文献[2]的第三章：“蓄电池的参数和定义”中有非常详细的讨论与介绍。由此不难推断，使用中的蓄电池容量与不同的使用条件密切相关，它并不是一个定值。人们平常使用的蓄电池上标注的容量值，只是某蓄电池在特定环境、特定负载、特定时间段上的一个特定值。不同的负载、不同的环境、不同的时间，蓄电池的容量值并不和出厂的原始值一致。我们认为式(1)的描述并未错，但它只能用来证明某蓄电池历史上某一特定条件下的值。错就错在人们在使用中，总是将蓄电池出厂时提供的特定条件下的容量值，当作一成不变的常数，作为蓄电池日常使用中长期不变的标准。这是蓄电池在今天应用中众多问题产生的根源。
蓄电池这种化学储能装置，研究和使用过的人都知道，它最令人担心的是使用过程中的过充电与过放电。过充电和过放电，对蓄电池来说，损害都是致命的。
保障蓄电池在使用过程中不出现过充电和过放电是保障整个系统安全工作的关键。要做到这一点勿容置疑的是：人们要在蓄电池的使用中，能随时准确知道蓄电池的真实容量，采取及时的控制手段。我们从人们公认的蓄电池容量求证方程的说明中，谈到蓄电池出厂提供的容量值，并不是一个任何时候都能当作标准用的值，它随着使用条件的不同而变化。为了能随时掌握蓄电池的实时容量，人们从蓄电池的投入应用开始，就仔细研究了蓄电池端电压变化与容量的关系，企图用测量蓄电池端电压的变化来判断蓄电池的实时容量。当效果不明显后，又想用测量蓄电池内阻的变化来达到上述目的。长期的实践证明，这些方法都无法有效解决蓄电池容量的实时测量。
没有方便快速和准确的容量测量方法，怎么会有实时准确的蓄电池容量值 没有准确的蓄电池容量值，又怎么去判断蓄电池的过充电与过放电 怎么去保障蓄电池的使用安全 这一问题成了蓄电池使用中，长期困扰人们的最大难题。有多少专家学者，为解决此问题，付出了长期艰巨的劳动，一直没有停止探索。像现在，在以水为蓄电池电解液溶剂的电池系统里，人们普遍采用的氧循环和阀控式机制，就是人们想通过氧循环和阀控技术，来吸收和减少蓄电池在使用过程中，由于无法准确把握蓄电池的真实容量值，造成蓄电池的过充电，而采取的一项保障蓄电池充电安全的措施。不过，目前的现实是，这一问题并没有真正获得解决。
我们认为，解决这一问题的困难主要是影响蓄电池容量的不确定性因素大都是非线性的，且太多太复杂。拿电动车上使用的动力电池来说，使用过程中必将碰到：今天和昨天的行驶里程不一定完全相等、今天和昨天的载重、今天的温度和昨天的温度……等都是不同的，因此，每天耗去的电池容量也是不相同的。用什么标准来补充蓄电池已耗去的容量呢 最好是用去了多少补进去多少，但谁能真正确切知道充电前蓄电池的真实容量 这里举出的问题，仅是很不全面的部分问题。就是这些问题，使传统的分细求真解决问题的思维模式陷入了一片无法走出的迷茫之中。我们认为，要解决此问题，必须从整个系统在使用中的发展过程来研究和探讨，不如此，则很难跳出传统思维模式的束缚，寻找到解决问题的新路子。

2 对蓄电池快速充电的认识
蓄电池能否快速充电，我们在“蓄电池与蓄电池应用研究的新思路”一文中，从分析电化学反应过程的扩散、渗透和平衡的角度，说明了快速充电存在的问题。最近由武汉大学出版社出版的，我国学者杳全性先生的“化学电源选论”一书，也从蓄电池极板物质分布不均匀的角度，指出了过大充电电流对蓄电池的有害影响。快速充电这一问题，在蓄电池大规模社会应用后，早已有之。只是在机动的电动车的发展上，人们似乎对它更加的青睐和迫切，呼声总是在不断地高涨。这里我们不妨从更客观的实用角度，对电动汽车等交通产品要求的快速充电，谈一点我们的看法。
根据国内外电动汽车研究资料的报道，一般行驶里程在200～250km，时速达到100km/h的电动轿车，需配用30kWh的蓄电池组。这样大的蓄电池系统，如果每车用IOC的速度将放完电的蓄电池充满，理论耗时是6分钟，假设其它损耗都为零，充电时，每台车需从电网中吸收300 kW的功率；用5C的速度将放完电的蓄电池充满，用时12分钟，也需从电网中吸收150kW的功率；用2C的速度充电，30分钟将蓄电池充满，也需从供电网吸收60kW功率。如果一个城市有10万台这样的车(10万台，对我网的北京、上海、广州这样的大城市来说还不及现有燃油车的10％)，如果真是上面说的那样，每天只要有10万台车中的10％～20％需要同时充电，对整个城市现有的供电系统将是巨大的麻烦。果真如此的话，电动汽车尽管有很先进的环保指标，还会有推广应用的空间吗 同时，快速充电还将使支撑电动车发展的动力电池组无法获得必要的均衡充电时间，恶化各电池在电池组内协同工作的环境，造成电池组整体的瓦解崩溃。上面的分析说明，蓄电池无论是其内在的结构和特性，还是外在的使用环境，对人们所谓的快速充电要求，都是不可能满足的。
从大量的蓄电池产品的应用来看，不同品种、不同材料、不同结构的蓄电池，都有它们自己接受充电的不同能力，不是人们想怎么快就能怎么快的。我们认为，不论情况一味强调快速充电的做法，无疑会将电动车的研究发展引进一条死胡同。

3 蓄电池的循环使用次数与寿命问题
我们查阅过很多国内外有关动力蓄电池寿命的定义和要求。发现人们大都强调的是蓄电池在某一放电深度下的循环充、放电次数。当前，有的蓄电池生产出来后，在实验室条件下，设定放电深度为80％，充、放电达到上千次是完全可以做到的。但是，如果将蓄电池存放一年后，再拿来做同样的充、放电实验，蓄电池充、放电循环次数将大幅度下降，甚至蓄电池失效。同时，电动车上使用的蓄电池，由于车辆每天使用中存在不确定性，蓄电池在使用中容量的消耗是不确定的。在这种高度不确定性条件下的充放电，蓄电池在传统充电理论指导下，到底能循环使用到多少次，至今，人们拿不出确切有力的证明。我们不知道这样在实验室条件下做出来的蓄电池循环使用寿命有何实际意义？
我们认为，蓄电池的寿命，应当将客观使用中的循环次数与真正常规环境下的正常工作时间结合起来考核，才是真实的。缺少其中任何一方的数据，都没有太多的实际意义。
我们做过一次这样的实验，2004年5月在一大型超市买回8只国内某著名电池企业2004年2月生产的AA型MH-NI电池，电池标明容量为1 300mAh，用我们研制的充电器对其充电，以O.5C进行放电，循环到降至额定容量的80％时，停止实验。每灭循环4次，做到了接近一千次循环，考虑到在做循环测试之前，该8只电池做过一些其它的测试，为求更准确的结果，2005年又从原超市买回了与第一批电池同一批出厂的8只同型号同容量电池，准备再做一次同样的循环实验测试。令我们感到意外的是，后一批电池根本就达不到出厂时标定的额定容量，甚至连前一批实验后的容量都达不到。这一结果与发现给了我们一次很大的震惊!后来，我们在2004年第6期“电源技术”杂志上看到了一篇题为“MH-NI蓄电池在放电态条件下的储存性能”的文章，作者为中国科学院上海微系统信息技术研究所的李晓峰和马丽萍等同志。 他们测试研究报告的结果与我们看到的现象是完全吻合的。由此我们更加坚定地认为，不能以实验室短期实验获得的循环工作次数来作为单一推断蓄电池有效工作寿命的依据。换言之，这种单一的蓄电池循环寿命，是一种模糊了时间概念的寿命。它对电动汽车的发展研究，到底有什么真实意义 是值得大家去思考的。

4 蓄电池的比能量与寿命问题
蓄电池的Wh/kg和Wh/L是衡量蓄电池在一定的重量和容积上储存、转载能量大小的两个主要参数，也是蓄电池的研究者经常用来评价蓄电池发展进步的重要依据。很明显，该参数的比值越大，说明蓄电池在相同重量或相同容积下，储存、转载电能的能力越强，使用性能越好。随着人们对节能环保的电动汽车等交通产品的热情不断高涨，蓄电池已成为电动交通产品发展道路上的瓶颈，蓄电池与蓄电池的性能，自然成了业内人士研究关注的焦点。世界上科学技术发达的国家如：美国、德国、日本等都集中了一大批优秀人才，投入巨资对此进行了深入持续的研究。今天，这些国家在这一领域也取得了一些明显的进步。如美国上世纪90年代发明的氧化物镍氢蓄电池；日本开发的锂离子蓄电池等与传统的铅酸、镉镍等蓄电池相比，Wh/kg和Wh/L都有很突出的提升。应该说，新型蓄电池在性能上的进步，已经明明白白地告诉我们，装上与过去同样重量或同样大小的新型蓄电池的电动汽车，充一次电的行驶里程更远、加速性能更好、爬坡能力更强、也更实用。但是，时至今日，这些国家的电动汽车行未实现产业化，里面的问题到底在哪里 我们认为，这是人们对这一问题的认识不全面造成的：只强调提高蓄电池比能量，认为比能量一上去，什么问题都会迎刃而解的思想是片面的、是不可能使电动汽车实现产业化的。
上世纪90年代，各国研究成功的电动汽车、蓄电池的比能量肯定要比现在的新型电池小，汽车测试达到的各项性能指标，对一般的使用者来说，是完全可以满足的。为什么当时实现不了电动汽车的产业化 我们认为，主要是蓄电池的使用寿命太短而不是蓄电池比能量的问题。如果当时蓄电池的使用寿命能达到10～15年，蓄电池的成本能摊入10～15年使用期中，电动汽车的产业化之路，恐怕早已实现。今天尽管蓄电池的比能量有了很大的提高，生产蓄电池的材料与蓄电池的结构也取得了很大的进步，但是蓄电池的使用寿命，并末获得重大的突破。如果解决不好蓄电池的使用寿命问题，我们认为电动汽车的产业化和实用化，仍将遥遥无期。包括今天叫得很响亮的混合动力汽车也将会成为一段历史上一个匆匆过客，给社会留下一张沉重的买单。

5 蓄电池的使用寿命，是今天电动汽车发展必须跨越的一道坎
此文的开头，我们根据过去的有关报道，谈到了20世纪90年代世界各国研究成功的依靠纯蓄电池储能作动力的几款典型的电动汽车所达到的技术指标。在科研成果能很快转化成新兴产业的今天，这一明显带着技术进步标志的产品，至今不能形成产业化，惠及国家、惠及人类。如果以前各国的科研成果报道属实，那么到底是什么问题阻碍了这一产品产业化的进程呢 下面是我们的看法。
要探讨该问题的实质，我们认为最好还是从我国已发展成一定规模的轻型电动车入手比较客观。我国轻型电动车的发展，经过十多年的共同努力和共同推动，成绩是有目共睹的。使用过这种产品的人都有一种共同体会：开始使用的初期，该产品不愧是一种方便实用、节约义环保的代步工具。说明书上的各项技术指标，只要是正规厂家生产的产品，一般都是能够达到。由此我们可以相信，上世纪90年代世界各国花巨资研发的纯蓄电池电动汽车，其短期实验所达到的技术指标，应是可以信赖的。那么电动汽车迟迟不能实现产业化的技术症结到底在哪里 我们认为，还是从我国轻型电动车的现状去探讨为好。从轻型电动车的结构上看，一是电机、车架和提供使用控制的电子系统。目的，这方面不存在太难的技术问题。二是提供储存能量的蓄电池组。买车时，说明书和供货商一般都会提醒用户，随车配用的蓄电池组保用期一年，超过一年，使用者自己买单。目前常用的轻型电动车用蓄电池组市场价格为300～600多元，占到轻型电动车造价的1/2~1/4不等，这还是蓄电池品种中，价格最低的铅酸蓄电池。对一般工薪阶层的人来说，尽管蓄电池的工作寿命不是很理想，但是一年换一组电池，其费用还是支付得起的。而电动汽车所使用的蓄电池组一般比轻型电动车的蓄电池大得多，而且是比能量较高的蓄电池。蓄电池的成本要占新车造价的l/2，一辆电动汽车的造价至少十几万至二十几万，如果蓄电池组也只能保用1～2年，电动汽车能实现产业化吗 蓄电池的使用寿命直接关系到未来电动汽车与混合动力汽车的使用成本，没有合适的而且是经得起实践检验的使用时间来分摊电动汽车蓄电池这一高额成本，市埸是不会接受这一产品的。因此，蓄电池的使用寿命才是今天电动汽车实现产业化必须跨越的一道坎。这一问题如不能获得有效解决，今后实验成功的电动汽车，即使加速性能完全能达到或超过今天燃油车的最高水平；蓄电池充一次电的行驶里程能超过燃油车目前加一箱油的行驶里程，也是没有推广的基础和意义的。

6 结语
我们认为，要解决当前电动汽车研究发展上的问题，必须对传统的蓄电池与蓄电池的应用研究进行全面的思维更新，只有彻底抛弃那些不正确的认识与方法，使蓄电池真正拥有了一个较长较经济的使用寿命，才会真正找到电动汽车与混合动力汽车产业化发展的光明之路。