1.3.1 发展纯电动汽车需要解决的基本问题

1.3.1.1 续驶里程问题

续驶里程是制约纯电动汽车产业化的关键因素之一。作为燃油汽车的替代工具，纯电动汽车研发的主要目标之一就是在续驶里程方面与燃油车基本一致。经过近几年动力电池及电机技术的发展，纯电动汽车续驶里程逐渐接近燃油汽车单次满油续驶里程。如图1-34所示，通过对截至2019年4月底累计发布的24批《免征车辆购置税的新能源汽车车型目录》中的1013款纯电动乘用车与4758款纯电动商用车进行统计，我国纯电动乘用车和商用车的平均续驶里程已由2014年的160km和234km分别增长至364km和445km，提前实现了《节能与新能源汽车技术路线图》中提出的到2020年纯电动乘用车平均纯电续驶里程达到300km的目标[8,9]。

提升纯电动汽车续驶里程最简单的方式就是增加动力电池容量，但这会带来以下困难：

1）车辆成本提高。

2）车辆整备质量提升。

3）车辆布置困难。

4）车辆能耗增加。

从长远发展的角度看，最佳解决方案是提升动力电池组的能量密度[10]。制约纯电动汽车续驶里程提高的最主要因素就是动力电池组的比能量，近年来动力电池组的能量密度已经获得了一定幅度的提升，但提升速度没有达到我国发展规划的要求[11]。根据2012年国务院印发的《节能与新能源汽车产业发展规划（2012—2020年）》要求，纯电动汽车动力电池模块比能量在2015年应达到150W·h/kg，到2020年应达到300W·h/kg。截至2018年，我国主流车辆的动力电池系统能量密度为140～150W·h/kg，略低于2015年要求的水平，而磷酸铁锂动力电池单体的能量密度已达到160W·h/kg，三元锂动力电池单体的能量密度已达240W·h/kg。

1.3.1.2 能量补充不便问题

纯电动汽车充电时间长、能量补充慢的问题，也是制约其发展的关键因素[12]。首先，纯电动汽车能量补充的形式，决定了其能量补充速度很难与燃油汽车媲美。最近几年发展迅速的动力电池快充技术，将充电时间逐渐缩短到30min以内，在很大程度上加速了纯电动汽车的发展和普及，各车型充电时间如图1-35所示。

此外，能量补充基础设施建设未能跟上纯电动汽车数量增长的步伐，也加剧了纯电动汽车能量补充问题[13]。传统汽车的能量补充设施经过多年建设已经形成了非常完善的体系，而纯电动汽车基础设施发展时间较短，能量补充设施数量及分布都跟不上需求，造成了纯电动汽车能量补充困难的问题。但与传统汽车不同，纯电动汽车的能量补充方式有一定多样性，例如充电及换电两种方式，可根据车型及具体需求选择不同的能量补充方式，以提高能量补充效率。

近年来，纯电动汽车的能量补充设施正在逐步完善，并朝着进一步多样化的趋势发展。除此之外，相关的政策也在推进能量补充设施的发展，例如北京市住房与城乡建设委员会开展的“社区自用充电设施电源建设示范”工作，截至2016年底，已协调5000余个小区安装了自用充电桩2.6万个，并于2017年继续投放了500个移动充电设备。

1.3.1.3 动力蓄电池环境适应性问题

纯电动汽车是一种采用电力驱动的全天候多地形交通工具，其采用动力电池作为能量源，因此动力电池的环境适应性直接影响纯电动汽车在各种气候环境下的使用稳定性。受动力电池技术限制，当冬季气温过低时，其活性降低，充电能力随之降低，具体表现是充放电效率大幅下降，续驶里程锐减[14]。美国AAA汽车研究中心最新的研究表明，当温度降至-6℃时，续航里程比常温工况（25℃）下降约41%。

影响纯电动汽车环境适应性的不仅是低温下动力电池性能表现降低，从节能增效方面考虑，现有电动客车冬季采暖方案为PTC电阻加热，无法满足采暖负荷要求，且电阻加热能耗大，冬季制热消耗电能可达1/3以上，严重制约纯电动汽车续驶里程。

因此，低温下的纯电动汽车，为保证动力充足，减少能量消耗，需从动力电池、车身保温密封和整车热管理等方面提出更高的设计要求。

1.3.1.4 安全性问题

纯电动汽车与传统汽车相比，能量源、驱动系统结构都发生了极大改变。纯电动汽车装有驱动电机系统和动力电池系统等高电压部件，车辆超过300V的电压可能危及人身安全和高压零部件的使用安全。因此相对传统汽车来说，对纯电动汽车的高压安全防护提出了更高的要求。根据纯电动汽车的整车布置和高压电路特点，设计合理安全的防护系统，是确保驾乘人员和车辆设备运行安全的关键。

纯电动汽车安全事故很多来自碰撞后的动力电池热失控。清华大学欧阳明高院士提出，动力电池有三种主要热失控机理：第一种是负极析活性锂，就是快充或过充引起的；第二种是隔膜刺穿导致内短路引发热失控；第三种是高比能量动力电池正极析活性氧，析氧密度随着比能量提升不断下降。针对第一种机理和第二种机理主要是预防诱因，即动力电池充电析锂与快充控制。保障动力电池系统安全性的核心，除提高产品生产工艺水平外，研发先进的动力电池管理系统至关重要。短期内，液态电解液的锂离子动力电池是主流，通过动力电池管理系统和热蔓延的抑制来防止安全事故发生，这类动力电池能满足电动汽车500km续驶里程的要求。中长期，从液态电解质电池逐步过渡到全固态电解质电池。据估计，2030年全固态动力电池将得到产业化应用。固态锂动力电池具有高能量密度、高安全性和长循环寿命等优点。固态锂动力电池的固态电解质能与正极形成稳定的界面，同时能阻挡锂枝晶的穿刺，使采用高电压的正极材料和高能量密度的锂金属负极成为可能。在提高安全性的同时提升了锂动力电池的能量密度，极大提升了新能源汽车的经济性和环保性。

近年来，为敦促生产企业不断提升新能源汽车产品的核心竞争力和安全性能，国家标准化管理委员会等颁布GB/T 31498—2015等一系列针对新能源汽车碰撞电安全相关的法规及标准。2018版C-NCAP将纯电动汽车碰撞电安全性能正式纳入星级评价规程。由此可见，我国对纯电动汽车碰撞安全性能的重视度和要求不断提升。对纯电动汽车来说，发生碰撞后如果动力电池包损坏，则车辆存在发生燃烧甚至爆炸事故的可能。而在纯电动汽车专属平台上制造的产品，动力电池、电机和变换器等设备一开始就被整合进整车结构之中，因此动力电池和相关组件属于承受碰撞负荷的一部分，在设计过程中需要考虑碰撞过程中分配冲击负荷，使伤害最小化。因此，车辆的结构设计在很大程度上决定了其是否安全。

1.3.1.5 电磁兼容问题

电磁兼容一般意义上指设备或系统在其电磁环境中能正常工作，且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。传统汽车的发动机控制系统、自动变速系统、制动系统、空气调节系统以及行驶系统中有很多电子设备，不可避免地会产生电磁干扰问题。纯电动汽车的电子器件更多，且配备有高压电气元件，会对周围环境产生更强的电磁干扰。特别是采用大量功率半导体器件（例如IGBT、MOSFET等），功率半导体器件的快速通断会产生较高的电流变化率di/dt和电压变化率du/dt，是传导发射和辐射发射的根源。由于纯电动汽车中电能应用区域较多，不可避免地使各区域之间的电磁兼容处理难度提高。同时，随着网联化和智能化的发展，更多低压电气元件得到应用，这些部件本身对复杂电磁环境的承受能力较弱，降低了纯电动汽车的抗干扰能力。未来高功率密度电驱动系统、智能化控制系统的发展，对于纯电动汽车电磁兼容性的要求也日益严格。

电磁干扰的来源主要有车体静电干扰源、车外电磁干扰源以及车内电磁干扰源。车体静电干扰指汽车在高速行驶过程中，车体与空气不断摩擦产生静电，当电荷积累到一定数量且外在条件合适时，就会发生放电现象，同时产生高频辐射。车外电磁干扰主要发生在某些特定环境下，例如无线电发射基站和变电站等强辐射源附近。车内电磁干扰指汽车内部的电子电气设备在正常工作时产生的电磁干扰，充电系统和电驱动系统等强电设备在运行过程中都会产生强烈的电磁辐射，并对车内其他部件产生严重的电磁干扰，这是车内电磁干扰的主要来源，也是目前纯电动汽车电磁兼容问题的主要研究对象。无论哪种干扰都严重影响着纯电动汽车行驶的安全性和可靠性。

传统汽车的某些电磁兼容整车测试标准也适用于纯电动汽车，除此之外，还加入了专门针对纯电动汽车的测试标准，两者构成了纯电动汽车电磁兼容整车测试标准。电磁兼容试验方法众多，所遵从的标准也不尽相同。表1-13为国内外纯电动汽车的电磁干扰、电磁兼容测试标准。

通过大量EMC测试发现，许多产品不能满足EMC标准要求，采取的工程措施大多是外围整改，不能根本、有效地解决问题。因此，电磁干扰的产生机理、预测和抑制方法对纯电动汽车的电磁兼容性是非常重要的。对纯电动汽车整车及零部件进行EMC正向开发，是提升电磁兼容性和质量的保证。