如何在新能源汽车研发过程中，解决电池性能、充电和续航问题，以及提高车辆的功率和效率等方面的挑战？

这么好的问题，必须要认真做个回答。（友情提示，本文很长，但是都是技术干货，请耐心看完）电池性能，充电，续航，这统一属于续航焦虑问题，对于续航焦虑，相信每一个想买新能源电动车的，都想过这个问题，今天一次性给说清楚。

先说电池，当下新能源电动车的动力电池基本就两种，磷酸铁锂跟三元锂电池。比亚迪在磷酸铁锂电池领域妥妥的第一名，宁德时代在三元锂电池领域妥妥的第一名，在电池领域两家技术不分伯仲，都有自己的代表技术。

在动力电池领域，最终追求的一定是能量密度高，稳定性好，支持大功率快充又不损伤电池，电池一致性好，循环寿命长，这么多优点集于一身的电池，那就是固态电池。目前不管是主机厂也好，电池厂也好，没有一个家攻破固态电池的技术，更别提稳定量产了。

那些宣称 2025 年之前量产，2027 年之前量产固态电池的基本都是在博眼球，我觉得最有可能攻破固态电池技术的可能是默默无闻，专心研究技术的公司。

什么是固态电池

固态电池是一种新型电池技术，与传统液态电池相比，其电解质不是液体，而是固体。在固态电池中，正极、负极和电解质之间的界面是由固体材料组成的。传统液态电池使用液体电解质来传递离子，并在正负极之间形成电荷流动的通道。而固态电池使用固体电解质代替液体电解质。这种固态电解质通常是一种具有良好离子传导性能的固体材料，如固态陶瓷或聚合物等。

固态电池的优点：

1．安全性提高：相比传统液态电池，固态电池由于不含易燃液体电解质，具有更高的安全性。这意味着固态电池更不容易发生泄漏、燃烧或爆炸，从而降低了安全风险。

2．高能量密度：固态电池可以使用高能量密度的材料作为电解质，从而实现更高的能量存储能力。这意味着在相同体积或重量下，固态电池可以提供更多的能量，延长设备的使用时间，或者在电动汽车等应用中提供更长的续航里程。

3．快速充放电：固态电解质具有较好的离子传导性能，这使得固态电池能够支持更高的充电和放电速率。因此，固态电池可以实现更快的充电时间和更高的功率输出，满足用户对快速充电的需求。

4．长循环寿命：固态电解质的稳定性较高，可以提供更好的耐久性和长循环寿命。相比液态电池，固态电池在长时间使用或高温环境下也更不容易发生电解质分解或失效。

5．温度范围广：固态电池具有较宽的工作温度范围。固态电解质可以在低温或高温条件下保持较好的性能，这使得固态电池在极端环境下的应用具有优势，例如极寒地区或高温环境中的电动车辆。

这么多优点，愿固态电池早日量产，我们现在回到当下的电池中。

当下的动力电池主要使用磷酸铁锂电池跟三元锂电池，我们先充电池的充放电原理开始讲起。

如上图所示，电池的充电也好，放电也好，都是锂离子在来回的穿梭，

上图为电池放电的原理图，活性锂从负极颗粒内向外扩散， 在负极固液相界面处，发生化学反应，失去一个电子，电子经过电解液、集流体和外电路到达正极，Li+通过电解液、隔膜达到正极，在正极固液相界面处发生，化学反应，Li+与电子结合 ，活性锂在正极颗粒由外向内扩散。

上图为锂离子电池充电原理图，活性锂从正极颗粒内向外扩散，在固液相界面处，发生化学反应，失去一个电子，电子经过电解液、集流体和外电路到达负极；Li+通过电解液、隔膜达到负极在负极固液相界面处发生化学反应，Li+与电子结合，活性锂在负极颗粒由外向内扩散。

这里面要重点提以下析锂现象：锂离子从正极脱离，重新回到负极。但是总有一些锂离子走丢了找不到回去的路了，这个走丢的情况主要跟两个因素有关，一个是低温，另外一个就是快充。低温的时候，在-20℃或者更低的气温下充电，让锂离子回到负极石墨那里去，因为温度的影响，有一些锂离子会走丢。快充的时候，得短时间让大量得锂离子回到负极石墨上，那么多得锂离子是需要排队一个一个慢慢回去得，你让锂离子短时间去完成回到负极这个过程，就会有很多锂离子被挤丢了，回不去了。

尽管锂离子走丢了，但是也总得有个去处吧？是的，他们不会消失，它们还在电池的负极附近，只不过从锂离子变成了锂金属，变成了银白色的金属锂单质附着在负极表面了，这个现象在行业内叫作"析锂"。如果继续在低温下充电或者使用大电流充电，锂金属就会开始结晶，从一个小褶皱变成一个小凸起，从一个小凸起变成一个大疙瘩，从一个大疙瘩生出一个树权一样的分支出去，这既是锂枝晶。锂枝晶足够大是由可能刺破电池隔膜的，造成电池不可逆的上海。这些变成锂枝晶的锂离子之后再也不会参与充放电了，这样可利用的锂离子就变少了，宏观上的表现就是电池容量下降了。

车企在宣传他们的充电速度有多块的时候，肯定是不会提到电池的损伤问题，所以快充能不用尽量不用，但是偶尔应急用几次也没关系。还有汽车从来宣传都是电池从20%充到80%半小时以内，从来没见过车企宣传从0冲到100%，为什么呢？ 因为从0充到100%大约得需要两个小时的时间，即便是快充也是这样，从20%到80%相当于充了60%，那么按这个比例，从0%-100%应该只用50分钟才对，怎么变成120分钟了？

从20%到80%这个区间是最理想的区间，这个区间充电也是最快的时候。0到20%这个区间，充电桩主要是给电池加热用，如果充电的温度太低，会产生析锂现象，到了80%的时候充电速度会变得缓慢，车辆的BMS会跟充电桩有个沟通，原因还是电池负极的析锂现象，没错，就是为了保护电池，让电池寿命边长。

如何解决呢？

刚才这个过程是发生在低温充电时候的。其实只要解决了低温这个问题，电动汽车冬天续航下降的问题就能解决很多。怎么解决呢？方法有两条，要么就把温度升上去，要么就把充电速度降下来。

方法一：把电池温度升上去。

升温的方法很多。比如不在冰天雪地里充电，而是去地下停车库里充电。如果没有室内充电的条件，那么充电的时候，也可以让充电桩的一部分功率先用来给电池加热，等电池达到一定的温度，比如15℃以上之后，车辆再从充电桩上吸取大电流。不过，这就要看纯电动汽车是不是在出厂的时候设置出了这样的功能了。

提升电池的充电温度还有一个办法，就是重新设计有效的热管理系统。电池的热管理系统不仅仅是做好电池热失控，电池的保温也同样重要，因为电池在工作中会产生大量的热，可能很多主机厂的重心方向都集中在电池散热方面，尤其是为了通过国家法规的5分钟不允许起火爆炸，做了大量的设计。电池的保温跟电池的散热正好矛盾，如果把电池的保温做好了那就意味着，电池热量急剧上升，当需要散热的时候，效果会比较差。当下主流的保温设计有两种，一种是PTC加热，一种的热泵管理。

PTC加热可以简单的理解为，在电池热管理系统中，添加了一个加热棒，当电池温度低的时候，加热棒把冷却液加热，从而冷却液就加热了电池，使电池有了一个良好的充电跟工作环境。但是PTC加热的能量来自电池，本应该给电机使用的电量，却分了一部分给PTC用，那么电车的续航里程自然就降低了。PTC能量转换率大约为97%，会损失3%，我们先理解为一度电产生了97%的热量。

热泵系统，热泵系统比较复杂，由压缩机，冷凝器，膨胀阀，蒸发器构成，热泵具体的工作原理我这里不阐述了，我直接说结论，热泵系统在冬天的时候是可以把冷空气中的热量也抓取到，然后一同通过冷凝器放热给电池用。所以热泵系统的能量转化率是大于1：1的，也就是一度电产生了大于100%的能量，就是因为抓取了冷空气中的热量，没错，冷空气中也是有部分热量的。

相对于PTC加热，热泵的效率更高，能量消耗更少。

因为热管理系统帮车辆充电时加热了电池，减少析出了锂，于是就充进了更多的电，于是续航就没有大打折扣。这就是析锂问题的第一个解决方法，把温度升上去。

方法二：把充电速度降下来。

电池厂有做过实验，当然这个实验是在实验室里面完成的，在零下20摄氏度的时候，如果用 C /20的速度给三元锂电池充电，最后获得的容量只有标称的85%；但如果进一步降低充电速度到 C /100，那即便在充电过程中仍然测到了析锂现象，但这些锂金属后来又会在徐徐的电流下重新变成锂离子，进入到负极，最终容量是100%。

C /100的充电速度是什么概念呢，基本相当于连续充电5天，才把一块电池充满，当然这在现实中的电车不可能以这样的速度来充电，这个只是来论证充电速度对析锂的影响。现实中，车企因为知道析锂现象的存在，所以电池管理系统会特地在低温充电的初期降低电流，比如以 C /4或者 C /5充电，就是以很慢的速度来充电，等充到20%，电池的温度已经有了提升以后，才会全速充电。不过，你也不用过于担心，大部分析出的锂都会在后续的充放电过程中重新变成离子，不过仍有少部分会成为永远不参与充放电过程的"死锂"。这也是电池容量下降的一个原因。

那么北方的消费者是不是就跟电动车无缘了呢？

不会的，首先北方的冬天不适合磷酸铁锂电池，因为磷酸铁锂电池在冬天的表现相比三元锂电池更差劲。其次，目前车企通过热管理技术是可以保证低温环境下电动车正常工作，比如通过热泵系统，BMS系统高效的管理电池的工作环境，以及充电环境。尽管是高效管理，但是相对于南方，在续航方面还是会稍微有点打折。

快充

刚刚有提到，快充对于电池是有损伤的，那么为什么企业一直都研发快充呢，因为析锂现象是一个漫长的过程，消费者根本看不见，相对于快充这么直观的东西，消费者肯定是对快充更有兴趣了。其实快充很难。

想要充电快就要增加充电功率，我们都知道功率=电压X电流，也就是说增加电压或者增加电流都能增加功率，都能实现快充。

只要不是超导体，所有物体都有电阻。而电流流过电阻时，产生的发热是按平方增加的。如果增加电流，比如增加电流是从前4倍，发热就是从前的16倍。这样巨量的发热，充电桩根本曾受不住，所以首选增加电压，电流不变、只增加电压，结果就是充电功率增加了，而发热不变。这太划算了。而且，高温对电池本身也会产生不可逆的伤害，所以能增加电压就绝不先提高电流。

在这种思路下，充电电压早就已经摸到民用领域的上限了。今天大部分新上市的旗舰纯电动汽车的充电电压都是800V，其根本目的就是为了快充。那能不能把电压增加到超过1000V，比如1200V，1500V呢，答案是不能。因为能经得住这个电压的半导体元器件还没有出现。而且，对人体可接触的物体来说，超过1000V电压也高得有点危险了。

除了汽车端存在的困难之外，想要实现快充，在充电桩这一端也是困难重重。要实现大功率的快充，那么整个充电路径，从充电桩到整车，都得配合这个大功率充电，都得支持这个功率。我们知道电网出来的电流是交流，充电桩的输出电流是直流，这中间就得需要一个AC-DC转换器，把交流变成直流，如果是充电功率越大，这个DC-DC也就越贵。

如果说要像汽车加油站那样的建立充电桩来实现充电5分钟、续航200公里的话，一个400kW的充电桩需要10万，那么一个充电场建立20个，光充电桩的成本就200万元，相当于蔚来汽车一个换电站的成本。另外，400kW的功率，在1000V的输入电压下，电流就是400A。能通过400A电流的高压电线已经粗到不可想象的地步了，那几根线加上绝缘层和外包皮，保守估计也得跟成年男子小腿那么粗，重量的话可想而知，如果说弱女子要想把这根线搬起来、插到车身的充电口上估计是做不到。

目前小鹏的480kW快充用的是另外一种方式，就是在充电桩内部设计了一个冷却装置，在充电的时候就可以把产生的热量导出去，降低危险的发生，还可以用更细的线，让人们举得起来。而同样的，快充时，车内涉及充电的线材也一样有同样粗细的要求。届时所有因为快充而增加的成本到时候都会转嫁给消费者，只是消费者看不到而已。

换电

先说一下换电的优势，给电动车补电速度最快，通过换电续航可以随意增加或者减少续航，增加电池的寿命，以及消弱电网的波动。

当下购买电动车可能最大的焦虑就是电动车续航的焦虑，各个充电站都是车满为患，但是更重要的是以目前的充电技术，哪怕是用四五百千瓦的快充功率，想要从0充到80%的电量，至少都得需要半个小时的时候，况且这种快充从长远来看是损害电池的。这跟传统车加一箱油只需要5分钟的时间简直天壤地别。所以换电是当下补电速度最快的方式，没有之一。

续航可以随意的增加或者减少

换电第二个优势就是可以随时用上最新的电池，或者根据自己的用车需求，可以随意选择电量多一点的电池或者小一点的电池。现在的电池技术在迅猛发展，在保证安全的同时，能量密度也是大幅提高，续航也是大幅提高，比如你五年前买的电车续航只有400Km,如果没有换电，你就得一直用着那个续航400km的电池，如果你想单独换一块电池，可能得至少花费这辆车一半得费用。有了换电就不同了，可以随时用上最新的电池。还有如果节假日你想出趟远门旅行，你就可以选择换一块电量大一点的电池，就是费用临时提高一下，这种灵活的方式，对用户来说很有利。

增加电池的寿命

换电站换下来的电池，运行商会拿走给电池统一充电。不同用户给电池充电的时候，是不能改变充电的环境的，比如零下10℃的时候你得充，零上40℃你也的充电，因为着急用，而且还希望是快充，希望充电速度越快越好，快充对电池是有损害的，但是运营商来充电就可以选择在什么样得温度下充电，用什么样的功率来充，它是可以选择环境的，充电的温度，湿度，功率都是能够影响电池的寿命的，运营商通过最优的充电环境，这样电池就能提高寿命，本来这块电池的可使用寿命是8年，可能就会用到9年。

消弱电网波动

采用换电方式后，对换电站来说，站内通常都会同时存有几十块电池。这些电池可能1/3是比较空的、正在充电，1/3是充到一半的，还有1/3是已经充满等着给用户换的。对车主来说，这是换电站；而对于电网来说，这些换电站和储能电站是差不多的，因为储能电站也是存有大量电池的。因为太阳能、风能今后会成为能源的主要形式，但它们又是功率不稳定的。比如太阳辐射，白天每平米可以有600多瓦；而阴天下雨就一下降低到只有几十瓦了；等太阳一落山，功率竟然会降到零。风能的波动虽然小一些，但也不稳定。于是，输入电网的能量如果直接来自于它们，电网的电压就会成几倍的上下浮动，就会损坏电器。想要让电压稳定，就只能用大量电池做缓冲池，先把波动巨大的能量充进电池，再管理电池中的能量，根据用电需求把电释放到电网中。作为缓冲池的电池，就是储能电站。在未来储能电站一定会大规模建立的，所以说换电站作为一个微小的储能站，对于整个电网来说是有好处的。

换电虽然有很多优势，但是换电的劣势也是显而易见的，只能自己家品牌的车进行换电，无法做到普及其他品牌电车，就不能额外盈利的，需要投入巨大的资金，电车永远无法用CTB/CTC技术，最多只能做到CTP技术。

无法做到普及其他品牌

目前各家主机厂因为车辆的不同，底盘的不同，当然设计的电池包也不同，电池包不同，设计的接口也就不同，只有自己家品牌的电车可以设计成统一尺寸的电池包，统一接口，这就注定了蔚来的换电只能用在蔚来的车型上，是无法做到给其他品牌的电车也换电，如果蔚来的换电想要盈利，它的客户只能是蔚来的车主，无法做到像加油站那样给各种样子的车子加油。

需要巨大的资金投入

截至到2022年蔚来一共建成了1305座换电站，蔚来的规划是到2025年建成3000座换电站。据了解，蔚来仅仅建设一座换电站的成本就需要300万元左右，每个换电站至少配备6块备用电池，保守估计每块电池成本5万元，总共需要350万元。加上场地租金、人员成本及电费，一座换电站每年的运营成本至少还需要上百万。我们就按照运营成本80万算，一个换电站的需要投入300+50+80=430，规划是3000座换电站，就是430X3000=129亿，光是换电站就得投入100多个亿的巨大资金，蔚来现在每年还在亏损，而它换电站的利润只能靠自家的蔚来车主，可以肯定的是这笔帐只亏不赚。

蔚来的车永远无法用到CTB/CTC技术

CTB/CTC的意思是，把电芯(cell) 直接装到电池包箱体里，然后电池包变成车身的一个零部件，安装在车身上，或者变成底盘的一个零部件，同时安装在车身上跟底盘前后车架上。这样做的好处是集成化设计，可以降低成本，同时增加整个车身的刚度跟强度。

因为蔚来要换电，它的电池包就得拆卸方便，顶多一步或者两步完成电池包的拆卸，因为无法跟车身或者底盘集成化在一起，无论是正常的重量也好，成本也好，都是增加的。因为整车的刚度跟强度跟其CTB/CTC相比下降，就得从别的地方找回来，这又增加了成本。

如果蔚来的换电站想作为一个小型的储能站来用，就得需要在别人用电的时候，储能站不能用电，在别人不用电的时候，储能站疯狂的用电，目前城市里的用电高峰是，晚上6点到夜里12点，用电低谷是夜里12点到早上8点，用电低谷只占了1/3的时间，而大部分换电的车子都是用电高峰来换电的，而用电低谷那1/3的时间，换电站给卸下来的电池充电时间根本不够用，这就可能需要一个中转的大电池，那个中转的大电池在用电低谷充满电，然后白天的时候，通过中转的大电池给卸下来的电池包充电，这就涉及每个电池包的状态不同，电网的波谷波动，还有换电客户的需求，这三者应该如何调配这是一个全新的领域，光是靠车企自己是没法完成的，需要电网以及政府的配合，这里面的安全问题，运营问题还没讨论呢。

总之换电的困难比换电的优势看起来还要大，换电这条路需要企业从一开始就要布局，并且跟电网一起合作才能有可能进行下去，但是一旦建成了，将会对国家的能源布局帮助很大，这是一条任重而道远的路。

电动车的续航是一个复杂的问题，电动车的续航里程受很多因素的影响：

1．电池容量：电池容量是电动车续航里程的主要因素之一。较大容量的电池可以存储更多的能量，从而提供更长的行驶距离。不同电动车型号的电池容量各不相同，因此不同车型的续航里程也会有所差异。

2．车辆效率：车辆的能量利用效率对续航里程有显著影响。包括电机效率、传动效率、轮胎滚动阻力、空气阻力等因素在内的车辆设计和工程影响着能量的消耗。提高车辆的整体效率可以延长续航里程。

3．驾驶行为：驾驶行为对电动车续航里程有直接影响。加速和制动时的急速变化会增加能量的消耗。平稳驾驶、合理的速度和减速控制可以减少能量消耗，从而提高续航里程。

4．车辆负载：车辆所携带的负载（乘客和货物）会增加电动车的能量消耗，从而缩短续航里程。较重的负载会导致电动车需要更多的能量来提供动力。

5．外部温度：环境温度对电池性能和能量传递也有影响。极端低温或高温条件下，电池的性能可能下降，导致续航里程减少。

6．路况和行驶条件：行驶路况和行驶条件也会影响电动车的续航里程。山区、起伏路段、高速公路等对能量消耗有所影响。

所以不能把某一个单一的因素拿出来，续航是一个综合问题。

使用效率

新能源电动车电机的效率通常可以达到80-95之间，这要比发动机高出两倍还要多，其实制约新能源汽车效率的最本大的影响应该是电池，目前宁德时代在电池领域已经有了新的突破，那就是凝聚态电池。

该电池采用了高动力仿生凝聚态电解质，并构建了微米级别自适应网状结构，调节链间相互作用力，以在增强微观结构稳定性的同时，提高电池动力学性能，提升锂离子运输效率。电池单体能量密度最高可达500Wh/kg。

凝聚态，指的是由大量粒子组成，并且粒子间有很强相互作用的系统。宁德时代的凝聚态电池，其电解液完全不同于普通液态锂离子电池的电解液呈完全100%的液态，而是一种半固态化的胶质状态，这使得凝聚态电池既能完成锂离子在正负极的传导工作，也因为电解液本身的粘性使得流动性降低，能提高动力电池整体的安全性能，避免了传统液态锂离子电池热失控的巨大风险。此外，凝聚态电池还聚合了包括超高比能正极、新型负极、隔离膜、工艺等一系列创新技术。

如果未来攻破了固态电池，那么新能源电动车基本上就可以闭眼入手了。

来源：知乎 www.zhihu.com
作者：王大富

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