電動車電池的發(fā)展現(xiàn)狀

郭自強

（中國電工技術(shù)學(xué)會電動車輛專業(yè)委員會技術(shù)服務(wù)中心，上海 200126）

電池是電動車的能源，是影響電動車性能的關(guān)鍵部件，也是制約電動車發(fā)展的關(guān)鍵。為適應(yīng)電動車的需要，電動車用電池發(fā)展也很快。文章簡述了近幾年各種電動車電池的發(fā)展概況及看法。

1 鉛蓄電池

（1）電動自行車用閥控鉛蓄電池

鉛蓄電池因其價格便宜、材料來源豐富、比功率較高、技術(shù)和制造工藝較成熟、資源回收率高等綜合因素被各國各種電動車普遍采用和廣泛研究。

電動自行車作為省力、方便、快速、舒適、價廉、零排放的個人交通工具已被人們廣泛接受，并受到國家有關(guān)部門的重視。由國務(wù)院發(fā)展研究中心、國家發(fā)改委、建設(shè)部、科技部等部委參與的《輕型電動車產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究》課題組提出了“輕型電動車產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究”報告。電動自行車的全國保有量已達3 000萬輛以上。95%以上的電動自行車都用閥控鉛蓄電池。

第一，綜合性能有很大提高。

近10年來，電動自行車用閥控鉛蓄電池的綜合性能有很大提高。以6-DZM-10電池為例。1997年，該型電池存在容量不足，2 h率 （5 A） 放電容量達不到10 Ah；比能量低，2 h率的比能量不到30 Wh/kg；壽命短，100%放電深度的循環(huán)壽命只有50～60次（容量降到8 Ah前；以下同） ，使用壽命只有3～5個月等問題。

到2003年，2 h率 （5 A） 放電容量達到11～13 Ah；2 h率比能量達到33～36 Wh/kg；100%放電深度的循環(huán)壽命達到250～300次，使用壽命可達到12個月以上。電動自行車用閥控鉛酸蓄電池存在的問題基本得到解決。

近2年，該類型電池的深循環(huán)壽命性能又有新的、突破性進展。主要表現(xiàn)為：2 h率（5 A） 放電初始容量達到14 Ah；2 h率比能量達到38 Wh/kg；100%放電深度的循環(huán)壽命超過400次，放出總?cè)萘繛? 500 Ah，相應(yīng)累計行駛里程約18 000 km （以4 km/Ah計，以下同） 。最高的深循環(huán)壽命超過600次，放出總?cè)萘繛? 151 Ah，相應(yīng)累計行駛里程約24 600 km。如果以容量低于7 Ah為壽命終止標志，深循環(huán)壽命為943次循環(huán)，放出總?cè)萘繛? 710 Ah，相應(yīng)累計行駛里程約34 800 km。如果按深循環(huán)壽命250次或放出的總?cè)萘繛? 250 Ah、相應(yīng)累計行駛里程為9 000 km的電池組可保證使用1年，那么該類型電池的使用壽命達到2年已不是夢了。

當然，目前生產(chǎn)電動自行車用閥控鉛蓄電池的大小廠家約有200家，產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，能夠在容量、比能量、壽命 （尤其重要） 等全面指標達到要求的生產(chǎn)廠家不多。

第二，重視與充電器的匹配。

在多年的使用實踐中，電動自行車的整車廠家和蓄電池廠家都逐漸認識了蓄電池與電驅(qū)動系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備之間匹配的重要性，特別是與充電器的匹配。制造質(zhì)量是蓄電池質(zhì)量的前提，但只有在與其相匹配的充電器一起使用才能發(fā)揮高質(zhì)量蓄電池應(yīng)有的優(yōu)越性能，否則高質(zhì)量蓄電池不能完全發(fā)揮其潛在的優(yōu)越性能。

不同廠家的蓄電池由于在配方、結(jié)構(gòu)、酸濃度等方面的差別，其合適的充電參數(shù)是不同的。例如，我們在研究中發(fā)現(xiàn)，不同廠家的蓄電池在恒壓階段的充電參數(shù)可相差1．5～2．0 V（對36 V的電池組）。合適的充電參數(shù)基本要求是：確保電池可充滿，不會因欠充電造成電池容量不正常的衰減；又要確保電池在全壽命期間不會因過充電而造成電池嚴重失水和產(chǎn)生熱失控。

（2）純電動車用鉛蓄電池

早期純電動車用的開口式鉛蓄電池采用了“八五”規(guī)劃期間的研究成果，已取得了可用19個月 （12萬km）的成功經(jīng)驗，關(guān)鍵是積累了控制好充電方式、放電深度、及時補水等一套系統(tǒng)匹配的工作經(jīng)驗和精心維護的經(jīng)驗。近年來四輪微型電動車 （包括游覽車、巡邏車、高爾夫球車、短距離道路車等） 發(fā)展很快，車上采用的大多是開口式鉛蓄電池。相應(yīng)型號的電池受到蓄電池制造廠家的青睞。

近年來，電動車采用的是閥控式密封鉛蓄電池新產(chǎn)品，其性能為：3 h率容量55 Ah；3 h率下比能量為33 Wh/kg和84 Wh/L；75%放電深度的循環(huán)壽命達到400次以上。相信電動自行車用的閥控鉛蓄電池成功的經(jīng)驗可推廣到純電動車用閥控鉛蓄電池，性能將會有進一步的提高。

（3）混合電動車用鉛蓄電池

現(xiàn)在混合電動車基本分為3類：輕度混合型 （即電動系統(tǒng)主要用于起動和回收制動能量，即將在所有汽車上推廣的42 V電系統(tǒng)屬于此型） 、中度混合型 （即電動系統(tǒng)用于起動、回收制動能量和中、短距離的行駛） 、重度混合型 （即電動系統(tǒng)用于起動、回收制動能量和較長距離的行駛，也稱為“Plug-in”） 。

在國內(nèi)外文獻中已明確：在輕度混合的電動汽車中，閥控鉛蓄電池是有優(yōu)勢的，主要因其成本低，技術(shù)成熟，性能可靠；中度混合的電動汽車用的閥控鉛蓄電池，ALABC （先進鉛酸蓄電池聯(lián)合體） 正在組織研制，準備與MH-Ni蓄電池爭奪中度混合電動汽車的市場，現(xiàn)已推出并進行了車上試驗的卷繞式雙極耳電池和TMF （金屬薄膜） 電池；在重度混合的電動汽車領(lǐng)域，鉛蓄電池的比能量低，無法滿足電動系統(tǒng)較長距離的行駛要求。

閥控鉛蓄電池在混合電動摩托車上也有前途，國內(nèi)最近推出的以燃油或燃氣發(fā)動機和閥控鉛蓄電池及電機雙動力的輕型混合電動摩托車產(chǎn)品，很受市場歡迎。

在此，還要提醒廣大消費者：市場上的電池產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊。因此，建議使用單位要建立一套規(guī)范的程序，按接近實際使用的條件，對選用的電池成組地進行測試評估。只有經(jīng)過全面、嚴格、定量地檢測，進行橫向比較和評估，才能科學(xué)地評價和選擇，不能只做某個單項測試，更不能只看宣傳、廣告資料。

鉛蓄電池是已有100多年歷史的老產(chǎn)品，比能量較低，因此很多人認為鉛蓄電池是落后、過時的產(chǎn)品，在電動車上應(yīng)用的前途不大，進一步開發(fā)的必要性不大。筆者認為，鉛蓄電池在100多年的歷史中得到了不斷的改進提高，有的是革命性的飛躍式提高，如從開口式流動電解液的鉛蓄電池發(fā)展到密封式無流動電解液的閥控鉛蓄電池；比能量從不到10 Wh/kg提高到40 Wh/kg，；已開發(fā)出可像汽車加油一樣在幾分鐘內(nèi)實現(xiàn)充電的快速充電技術(shù)；超高速率閥控鉛蓄電池比功率已達到2～4 kW/kg等。綜上所述，筆者認為：

第一，因價格便宜，材料來源豐富，制造和回收技術(shù)及工藝都較成熟，資源回收率高等綜合因素，在一定時期內(nèi)鉛蓄電池仍將是商業(yè)化電動車主要采用的電池。

第二，隨著性能不斷地改進提高，鉛蓄電池將保持在電動車上應(yīng)用的顯著地位，很難被完全取代，因此要重視對它的研究和改進提高。

第三，在實際使用中，消費者應(yīng)根據(jù)使用對象、維護條件和專業(yè)化程度，選擇使用壽命長、成本低的品種，不必盲目追求最新的品種和單項指標 （如比能量） 好的產(chǎn)品。

2.金屬氫化物-鎳蓄電池 （MH-Ni）

我國MH-Ni蓄電池在純電動汽車和電動自行車上真正使用的不多。MH-Ni蓄電池在混合電動車 （包括轎車和巴士） 上已普遍采用，成為主流采用的電池。但是價格高和資源有限是限制MH-Ni蓄電池在混合電動車上推廣和發(fā)展的因素。因此，價廉的鉛蓄電池，性能更優(yōu)越、價格相近的鋰離子蓄電池將是MH-Ni蓄電池在混合電動車上應(yīng)用的競爭對手。

3.鋰離子蓄電池 （包括聚合物鋰離子蓄電池）

在安全性好、循環(huán)性能好、比容量高的新型價廉正極材料發(fā)展的推動下，電動自行車用的鋰離子蓄電池已接近實用。有幾家公司已可提供較成熟的、裝有電池管理系統(tǒng)（BMS） 的電動自行車用鋰離子蓄電池。也有專門生產(chǎn)用鋰離子蓄電池的電動自行車廠家。筆者認為電動自行車用的鋰離子蓄電池將是首先商業(yè)化、大批量在車上使用的動力型電池；它將是繼鉛蓄電池之后所占比例較大的實用化電池，也將成為用于高端電動自行車產(chǎn)品的電池。

關(guān)于大型鋰離子蓄電池在純電動轎車和電動巴士，以及在混合電動車上試用，展覽示范的已有不少報道。根據(jù)現(xiàn)在的鋰離子蓄電池發(fā)展水平和經(jīng)驗，認為電動自行車用48 V10 Ah以下電池組的安全性是有保障的，但大型鋰離子蓄電池要在商業(yè)化電動車輛上使用還要做許多艱苦的工作，其原因主要是：純電動轎車和電動巴士，以及混合電動車上使用的電池數(shù)量多、系統(tǒng)復(fù)雜，安全性難度更大，對可靠性和一致性的要求更高，價格太高等。曾經(jīng)報道過深圳比亞迪要在2005年提供200輛以鋰離子蓄電池為動力源的電動轎車組成出租車隊之事，現(xiàn)在已推遲到2007年了。

4.燃料電池

燃料電池將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能供給電動機來驅(qū)動車輛。它的主要優(yōu)點是：效率高、可節(jié)省燃料、零排放、噪音小等，特別適合于做車輛動力源。氫燃料電池車將是理想的、最終取代以石油產(chǎn)品為燃料的汽車。

“十五”期間，我國氫燃料電池車方面有長足的發(fā)展。上海、北京、湖北武漢等地都曾報道過氫燃料電池為動力的轎車和巴士樣車進行試驗和示范運行。由我國科技部、聯(lián)合國開發(fā)計劃署、全球環(huán)境基金共同支持的中國燃料電池公共汽車示范項目正在積極進行，2005年11月，3輛戴-克燃料電池公共汽車進行了交接儀式，將在北京384線路上示范運行。上海的“超越1，2，3號”氫燃料電池轎車，跨了3步?！俺?號”在2006年6月法國巴黎進行的清潔能源汽車挑戰(zhàn)賽上，獲得廢氣排放、能源效率、發(fā)動機噪音和二氧化碳排放4項指標的A級。

在“十五”氫燃料電池車方面有長足發(fā)展的基礎(chǔ)上，“十一五”期間對氫燃料電池車提出了宏偉的規(guī)劃。最近公布的《2006—2008年度上海市新能源汽車推進項目指南》中明白地傳遞了一個信息：在代用燃料車、混合動力車和燃料電池車新能源汽車三大主流技術(shù)中，上海選擇了主攻燃料電池車，兼顧混合動力車和代用燃料車。同時啟動了“百千萬”計劃，即2008年開始，小批量生產(chǎn)100輛燃料電池車，并形成示范車隊；2009年，將生產(chǎn)1 000輛燃料電池轎車，投入出租車使用；到2011—2012年左右將形成1萬輛燃料電池車生產(chǎn)目標。

據(jù)《中國汽車報》報道：在“十一五”國家“863”計劃節(jié)能與新能源汽車重大項目論證會結(jié)束后對中國工程院院士郭孔輝和全國清潔汽車行動專家組組長王秉剛采訪時，2位專家都表達了這樣的觀點：“目前，節(jié)能與新能源汽車重大項目應(yīng)當將更多的力量放在產(chǎn)品的技術(shù)突破上。”“燃料電池汽車還是要把重點放在技術(shù)攻關(guān)上，而不是產(chǎn)品的生產(chǎn)數(shù)量上。因為目前燃料電池的壽命還很短，使用的貴金屬數(shù)量相對較多，商業(yè)化成本太高?！蓖醣鼊偢苯颖磉_了自己的觀點，認為在2010年達到1 000輛的生產(chǎn)規(guī)模太快了，在技術(shù)上很難實現(xiàn)。

此前，在參加“十五”電動汽車重大科技專項的驗收會上，全國政協(xié)副主席、中國工程院院長徐匡迪對電動汽車下一步的發(fā)展提出了3點建議。他強調(diào)：對電動汽車的考核，不能僅僅著眼于能量密度、速度等研究性考核，而更應(yīng)該從用戶實際使用的角度加強考核；不能缺少對產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化的經(jīng)濟合理性的分析，要有成本意識。

《電源技術(shù)》雜志曾報道了對專門從事燃料電池研究的衣寶廉院士的采訪，他表示，燃料電池電動車要作為一個商品進入市場，需要解決的技術(shù)問題還很多，主要有4大方面：

第一，最關(guān)鍵的要解決壽命問題。目前，在不考慮低溫貯存和啟動，不考慮反應(yīng)氣中的雜質(zhì)等因素情況下，壽命為2 200 h。要想真投放市場，壽命至少要5 000 h以上，最好是10 000 h，而且要考慮低溫貯存和啟動、考慮氫和空氣的反應(yīng)氣中雜質(zhì)等因素影響。

第二，成本。只有發(fā)展批量生產(chǎn)技術(shù)才能將成本降下來。但現(xiàn)在技術(shù)還未定型，建立批量生產(chǎn)線有困難，因此目前世界范圍內(nèi)還沒有批量生產(chǎn)線，有的只是小型示范線。

第三，可靠性和可使用性。燃料電池系統(tǒng)較復(fù)雜，可靠性和可使用性現(xiàn)在還比不上內(nèi)燃機。

第四，車載貯氫能力有待提高。燃料電池電動車上貯氫量至少要使車能像普通汽油車一樣能行駛500 km以上。而目前的燃料電池電動車用高壓貯氫，一般只能行駛250～300 km。

對燃料電池及其電動車，在“十五”前夕曾著文宣傳燃料電池用于電動車的優(yōu)點，認為是理想的電動汽車動力源，與其他業(yè)內(nèi)同仁呼吁國家給予重視、加強投資強度。但是理想與實際有距離，尤其是對車輛這樣千百萬用戶使用的工業(yè)品，更要在科學(xué)、全面的分析基礎(chǔ)上做出規(guī)劃。國外曾多次報道過對氫燃料電池車實現(xiàn)商業(yè)化時間的預(yù)言，大多都失言了。最近，美國預(yù)見在10～15年后氫燃料電池車實現(xiàn)商業(yè)化，我們認為可能還是太樂觀，因為：①目前的氫燃料電池有些本質(zhì)問題還難于解決；②類似的預(yù)見已失信多次；③更關(guān)鍵的問題是目前的車用燃料電池要用白金作催化劑，而白金的世界貯量有限，根本無法滿足普及化的燃料電池電動車需要。因此，筆者非常同意上述知名人士的真知灼見：燃料電池是一種反映國家綜合科技水平和能力的電池產(chǎn)品，現(xiàn)階段應(yīng)該把重點放在投資研究上，要真正商業(yè)化用到電動車為時還遠，輕型電動車上真正商業(yè)化應(yīng)用可能更小，規(guī)劃要留有余地，燃料電池電動車的發(fā)展應(yīng)該是循序漸進的過程。

5.鋅-鎳蓄電池（Zn-Ni）

Zn-Ni蓄電池曾被認為是應(yīng)提倡的電動車用蓄電池。從4～5年的市場篩選來看，在商業(yè)化的電動車上幾乎沒有使用。這主要是由于Zn-Ni蓄電池的價格貴 （1VAh要2．5～4元，為鉛蓄電池的4～6倍） ；循環(huán)過程中，初期容量衰減率大，影響了蓄電池組實際可使用的壽命。另外，鋰離子蓄電池的迅速發(fā)展和價格降低，使Zn-Ni蓄電池在電動車上應(yīng)用更加缺乏競爭力。

6.鋅空氣電池

鋅空電池是金屬-空氣電池的一種，屬于半燃料電池范疇。它有比能量高、原材料豐富、價格不高、無污染等優(yōu)點，被認為是電動車用電池的有競爭力的候選者。

美籍華人曾在上海成立了生產(chǎn)機械可充鋅空電池的博信 （Power Zinc） 公司，并已建成示范車間。該公司制造的電動自行車和電動摩托車用鋅空電池裝車進行了行駛里程測試，分別達到150 km和250 km，并做了大量的推廣應(yīng)用工作，在上海市建立了50個電池更換點。但是不到1年，此推廣試用工作就停止了，市場篩選的結(jié)果是沒有被用戶接受。此后在有些領(lǐng)導(dǎo)支持下，做了一輛用該公司制造的鋅空電池為動力源的電動巴士，但受鋅空電池高功率性能差的限制，車的啟動和加速性能明顯較差。

國內(nèi)外在開發(fā)電動車用鋅空電池方面已經(jīng)做了許多工作。近年來國內(nèi)電動車用鋅空電池的研制工作又重新興起，但是實踐證實了鋅空電池原來應(yīng)有的優(yōu)越性，同時也暴露了一些國外已報道過的問題，如鋅電極更換服務(wù)系統(tǒng)和再生成本，氧電極的壽命，電池的電解液滲漏、爬漏或溢出等。這些問題影響鋅空電池在電動車上推廣應(yīng)用。市場篩選的結(jié)果也證明用戶沒有接受。因此，對電動車用鋅空電池的開發(fā)要認真總結(jié)國內(nèi)外經(jīng)驗和教訓(xùn)。

7.小結(jié)

我國電動車用電池的研究開發(fā)范圍很廣，基本上涉及了世界上正在研究開發(fā)的主要幾種電動車用電池。綜上所述，對電動車電池市場發(fā)展的前景，筆者認為：

第一，鉛蓄電池因其價格便宜、材料來源豐富技術(shù)和制造工藝較成熟等綜合因素，將是商業(yè)化電動車主要采用的電池，隨著性能不斷地改進提高將保持它在電動車上應(yīng)用的顯著地位，很難被完全取代，要重視對它的研究和改進提高。

第二，電動自行車用鋰離子蓄電池及聚合物鋰離子蓄電池將是首先商業(yè)化、大批量在車上使用，它將是繼鉛蓄電池之后所占比例較大的實用化電池，將用于高端電動自行車產(chǎn)品。大型鋰離子蓄電池和鋰聚合物蓄電池在商業(yè)化電動車輛 （轎車、巴士和混合電動車） 上使用還要經(jīng)過許多艱苦的工作，安全性、價格、電池數(shù)量多，系統(tǒng)復(fù)雜等是主要制約因素。

第三，MH-Ni蓄電池在我國的純電動汽車和電動自行車上真正使用的不多；在混合電動車上已普遍采用 （包括轎車和巴士） ，成為主流電池。但高價格和資源問題限制其推廣和發(fā)展。

第四，燃料電池雖然有許多優(yōu)點，被認為是未來汽車的理想動力源。但要推廣應(yīng)用和商業(yè)化不是近期能實現(xiàn)的，還要有相當一段時間。要關(guān)心其進展情況，積極研究開發(fā)，跟上世界發(fā)展步伐，力爭創(chuàng)新、超越。

第五，Zn-Ni蓄電池經(jīng)市場篩選幾乎沒被采用。鋰離子蓄電池的迅速發(fā)展和價格降低，使Zn-Ni蓄電池在電動車上應(yīng)用更加困難。

第六，鋅空電池近年來做了大量的推廣應(yīng)用工作，經(jīng)市場篩選沒有被采用。國內(nèi)外在開發(fā)電動車用鋅空電池方面已經(jīng)做了許多工作。再對電動車用鋅空電池的開發(fā)要認真總結(jié)國內(nèi)外經(jīng)驗和教訓(xùn)。要解決鋅電極更換服務(wù)系統(tǒng)和再生成本、及存在的其他有關(guān)問題才能在電動車上推廣應(yīng)用。