1.3.1 發展純電動汽車需要解決的基本問題

1.3.1.1 續駛里程問題

續駛里程是制約純電動汽車產業化的關鍵因素之一。作為燃油汽車的替代工具，純電動汽車研發的主要目標之一就是在續駛里程方面與燃油車基本一致。經過近幾年動力電池及電機技術的發展，純電動汽車續駛里程逐漸接近燃油汽車單次滿油續駛里程。如圖1-34所示，通過對截至2019年4月底累計發布的24批《免征車輛購置稅的新能源汽車車型目錄》中的1013款純電動乘用車與4758款純電動商用車進行統計，我國純電動乘用車和商用車的平均續駛里程已由2014年的160km和234km分別增長至364km和445km，提前實現了《節能與新能源汽車技術路線圖》中提出的到2020年純電動乘用車平均純電續駛里程達到300km的目標[8,9]。

提升純電動汽車續駛里程最簡單的方式就是增加動力電池容量，但這會帶來以下困難：

1）車輛成本提高。

2）車輛整備質量提升。

3）車輛布置困難。

4）車輛能耗增加。

從長遠發展的角度看，最佳解決方案是提升動力電池組的能量密度[10]。制約純電動汽車續駛里程提高的最主要因素就是動力電池組的比能量，近年來動力電池組的能量密度已經獲得了一定幅度的提升，但提升速度沒有達到我國發展規劃的要求[11]。根據2012年國務院印發的《節能與新能源汽車產業發展規劃（2012—2020年）》要求，純電動汽車動力電池模塊比能量在2015年應達到150W·h/kg，到2020年應達到300W·h/kg。截至2018年，我國主流車輛的動力電池系統能量密度為140～150W·h/kg，略低于2015年要求的水平，而磷酸鐵鋰動力電池單體的能量密度已達到160W·h/kg，三元鋰動力電池單體的能量密度已達240W·h/kg。

1.3.1.2 能量補充不便問題

純電動汽車充電時間長、能量補充慢的問題，也是制約其發展的關鍵因素[12]。首先，純電動汽車能量補充的形式，決定了其能量補充速度很難與燃油汽車媲美。最近幾年發展迅速的動力電池快充技術，將充電時間逐漸縮短到30min以內，在很大程度上加速了純電動汽車的發展和普及，各車型充電時間如圖1-35所示。

此外，能量補充基礎設施建設未能跟上純電動汽車數量增長的步伐，也加劇了純電動汽車能量補充問題[13]。傳統汽車的能量補充設施經過多年建設已經形成了非常完善的體系，而純電動汽車基礎設施發展時間較短，能量補充設施數量及分布都跟不上需求，造成了純電動汽車能量補充困難的問題。但與傳統汽車不同，純電動汽車的能量補充方式有一定多樣性，例如充電及換電兩種方式，可根據車型及具體需求選擇不同的能量補充方式，以提高能量補充效率。

近年來，純電動汽車的能量補充設施正在逐步完善，并朝著進一步多樣化的趨勢發展。除此之外，相關的政策也在推進能量補充設施的發展，例如北京市住房與城鄉建設委員會開展的“社區自用充電設施電源建設示范”工作，截至2016年底，已協調5000余個小區安裝了自用充電樁2.6萬個，并于2017年繼續投放了500個移動充電設備。

1.3.1.3 動力蓄電池環境適應性問題

純電動汽車是一種采用電力驅動的全天候多地形交通工具，其采用動力電池作為能量源，因此動力電池的環境適應性直接影響純電動汽車在各種氣候環境下的使用穩定性。受動力電池技術限制，當冬季氣溫過低時，其活性降低，充電能力隨之降低，具體表現是充放電效率大幅下降，續駛里程銳減[14]。美國AAA汽車研究中心最新的研究表明，當溫度降至-6℃時，續航里程比常溫工況（25℃）下降約41%。

影響純電動汽車環境適應性的不僅是低溫下動力電池性能表現降低，從節能增效方面考慮，現有電動客車冬季采暖方案為PTC電阻加熱，無法滿足采暖負荷要求，且電阻加熱能耗大，冬季制熱消耗電能可達1/3以上，嚴重制約純電動汽車續駛里程。

因此，低溫下的純電動汽車，為保證動力充足，減少能量消耗，需從動力電池、車身保溫密封和整車熱管理等方面提出更高的設計要求。

1.3.1.4 安全性問題

純電動汽車與傳統汽車相比，能量源、驅動系統結構都發生了極大改變。純電動汽車裝有驅動電機系統和動力電池系統等高電壓部件，車輛超過300V的電壓可能危及人身安全和高壓零部件的使用安全。因此相對傳統汽車來說，對純電動汽車的高壓安全防護提出了更高的要求。根據純電動汽車的整車布置和高壓電路特點，設計合理安全的防護系統，是確保駕乘人員和車輛設備運行安全的關鍵。

純電動汽車安全事故很多來自碰撞后的動力電池熱失控。清華大學歐陽明高院士提出，動力電池有三種主要熱失控機理：第一種是負極析活性鋰，就是快充或過充引起的；第二種是隔膜刺穿導致內短路引發熱失控；第三種是高比能量動力電池正極析活性氧，析氧密度隨著比能量提升不斷下降。針對第一種機理和第二種機理主要是預防誘因，即動力電池充電析鋰與快充控制。保障動力電池系統安全性的核心，除提高產品生產工藝水平外，研發先進的動力電池管理系統至關重要。短期內，液態電解液的鋰離子動力電池是主流，通過動力電池管理系統和熱蔓延的抑制來防止安全事故發生，這類動力電池能滿足電動汽車500km續駛里程的要求。中長期，從液態電解質電池逐步過渡到全固態電解質電池。據估計，2030年全固態動力電池將得到產業化應用。固態鋰動力電池具有高能量密度、高安全性和長循環壽命等優點。固態鋰動力電池的固態電解質能與正極形成穩定的界面，同時能阻擋鋰枝晶的穿刺，使采用高電壓的正極材料和高能量密度的鋰金屬負極成為可能。在提高安全性的同時提升了鋰動力電池的能量密度，極大提升了新能源汽車的經濟性和環保性。

近年來，為敦促生產企業不斷提升新能源汽車產品的核心競爭力和安全性能，國家標準化管理委員會等頒布GB/T 31498—2015等一系列針對新能源汽車碰撞電安全相關的法規及標準。2018版C-NCAP將純電動汽車碰撞電安全性能正式納入星級評價規程。由此可見，我國對純電動汽車碰撞安全性能的重視度和要求不斷提升。對純電動汽車來說，發生碰撞后如果動力電池包損壞，則車輛存在發生燃燒甚至爆炸事故的可能。而在純電動汽車專屬平臺上制造的產品，動力電池、電機和變換器等設備一開始就被整合進整車結構之中，因此動力電池和相關組件屬于承受碰撞負荷的一部分，在設計過程中需要考慮碰撞過程中分配沖擊負荷，使傷害最小化。因此，車輛的結構設計在很大程度上決定了其是否安全。

1.3.1.5 電磁兼容問題

電磁兼容一般意義上指設備或系統在其電磁環境中能正常工作，且不對該環境中任何事物構成不能承受的電磁騷擾的能力。傳統汽車的發動機控制系統、自動變速系統、制動系統、空氣調節系統以及行駛系統中有很多電子設備，不可避免地會產生電磁干擾問題。純電動汽車的電子器件更多，且配備有高壓電氣元件，會對周圍環境產生更強的電磁干擾。特別是采用大量功率半導體器件（例如IGBT、MOSFET等），功率半導體器件的快速通斷會產生較高的電流變化率di/dt和電壓變化率du/dt，是傳導發射和輻射發射的根源。由于純電動汽車中電能應用區域較多，不可避免地使各區域之間的電磁兼容處理難度提高。同時，隨著網聯化和智能化的發展，更多低壓電氣元件得到應用，這些部件本身對復雜電磁環境的承受能力較弱，降低了純電動汽車的抗干擾能力。未來高功率密度電驅動系統、智能化控制系統的發展，對于純電動汽車電磁兼容性的要求也日益嚴格。

電磁干擾的來源主要有車體靜電干擾源、車外電磁干擾源以及車內電磁干擾源。車體靜電干擾指汽車在高速行駛過程中，車體與空氣不斷摩擦產生靜電，當電荷積累到一定數量且外在條件合適時，就會發生放電現象，同時產生高頻輻射。車外電磁干擾主要發生在某些特定環境下，例如無線電發射基站和變電站等強輻射源附近。車內電磁干擾指汽車內部的電子電氣設備在正常工作時產生的電磁干擾，充電系統和電驅動系統等強電設備在運行過程中都會產生強烈的電磁輻射，并對車內其他部件產生嚴重的電磁干擾，這是車內電磁干擾的主要來源，也是目前純電動汽車電磁兼容問題的主要研究對象。無論哪種干擾都嚴重影響著純電動汽車行駛的安全性和可靠性。

傳統汽車的某些電磁兼容整車測試標準也適用于純電動汽車，除此之外，還加入了專門針對純電動汽車的測試標準，兩者構成了純電動汽車電磁兼容整車測試標準。電磁兼容試驗方法眾多，所遵從的標準也不盡相同。表1-13為國內外純電動汽車的電磁干擾、電磁兼容測試標準。

通過大量EMC測試發現，許多產品不能滿足EMC標準要求，采取的工程措施大多是外圍整改，不能根本、有效地解決問題。因此，電磁干擾的產生機理、預測和抑制方法對純電動汽車的電磁兼容性是非常重要的。對純電動汽車整車及零部件進行EMC正向開發，是提升電磁兼容性和質量的保證。