郭 自 强
摘要:
介绍了铅蓄电池、金属氢化物一镍蓄电池、锂离子蓄电池及聚合物锂离子蓄电池、锌一镍蓄电池、锌空电池和氢燃料电池作为电动自行丰、电动汽车以及混合电动车动力电源的优缺点;分析了上述蓄电池在电动车上的应用现状和应用前景。
关键词:电动车;电动自行车;蓄电池;燃料电池
中图分类号:TM912 文献标志码:A 文章编号:1008-7923(2008)01-0055-05
Development status of batteries for Evs
Abstract:
The advantages and disadvantages of lead-acid battery, Ni-MH battery, Li-ion battery/polymer Li-ionb attery,Zn -Niba ttery,zi nc-airba tterya ndfu elce lsap pliedin e lectricb icycles(EBs),el ectricv ehicles(EVs)a ndh ybride lectricv ehicles(HEVs),werei ntroduced.T hea pplications tatusa ndf uture ofth ea boveb atteriesa sth ep owerso urcesfo rel ectricv ehiclesw erea nalyzed,too.
Key words: electric vehicle; electric bicycle; storage
国际 油 价 飞涨，全球气候异常，各国对能源安全和环境保护在战略上更加重视。在此形势下，我国对电动车的事业发展也非常重视，在“十・五”计划和“十一五”规划中都将其列为重大科技项目。在“十・五”期间电动车事业有长足的发展。
电池是电动车的能源，是影响电动车性能的关键部件，也是制约电动车发展的关键。为适应电动车的需要，电动车用电池发展也很快。文章简述了近几年各种电动车电池的发展概况及看法。
1 铅蓄电池
1.1 电动自行车用阀控铅蓄电池
铅蓄电池因其价格便宜、材料来源丰富、比功率较高、技术和制造工艺较成熟、资源回收率高等综合因素被各国各种电动车普遍采用和广泛研究。
电动自行车作为省力，方便、快速、舒适、价廉、零排放的个人交通工具已被人们广泛接受，并受到国家有关部门的重视。由国务院发展研究中心、国家发改委、建设部、科技部等部委参与的《轻型电动车产业发展战略研究》课题组提出了“轻型电动车产业发展战略研究”报告。电动自行车的全国保有量已达3 000万辆以上。95%以上的电动自行车都用阀控铅蓄电池。
(1) 综合性能有很大提高
近10年来，电动自行车用阀控铅蓄电池的综合性能有很大提高。以6-DZM-10电池为例。1997年，该型电池存在容量不足，2h率(5A)放电容量达不到10 Ah;比能量低，2h率的比能量不到30Wh/kg;寿命短,100%放电深度的循环寿命只有50-60次(容量降到8 Ah前;以下同)，使用寿命只有3-5个月等问题。到 2003 年，2h率(5A)放电容量达到11--13Ah;2h率比能量达到33--36 Wh/kg;100%放电深度的循环寿命达到250---300次，使用寿命可达到12个月以上。电动自行车用阀控铅酸蓄电池存在的问题基本得到解决。
近两年，该类型电池的深循环寿命性能又有新的突破性进展。主要表现为:2h率(5A)放电初始容量达到14Ah ; 2h率比能量达到38 Wh/kg;100%放电深度的循环寿命超过400次，放出总容量为4500 Ah，相应累计行驶里程约18 000km(以4 km/Ah计，以下同)。最高的深循环寿命超过600次，放出总容量为6151 Ah，相应累计行驶里程约24600km。如果以容量低于7 Ah为寿命终止标志，深循环寿命为943次循环，放出总容量为8710 Ah，相应累计行驶里程约34800 km。如果按深循环寿命250次或放出的总容量为2 250 Ah、相应累计行驶里程为9 000 km的电池组可保证使用1年，那么该类型电池的使用寿命达到2年已不是梦了。
当然，目前生产电动自行车用阀控铅蓄电池的大小厂家约有200家，产品质量参差不齐，能够在容量、比能量、寿命(尤其重要)等全面指标达到要求的生产厂家不多。
(2) 重 视 与充电器的匹配
在多年的使用实践中，电动自行车的整车厂家和蓄电池厂家都逐渐认识了蓄电池与电驱动系统相关设备之间匹配的重要性，特别是与充电器的匹配。制造质量是蓄电池质量的前提，但只有在与其相匹配的充电器一起使用才能发挥高质量蓄电池应有的优越性能，否则高质量蓄电池不能完全发挥其潜在的优越性能。不同厂家的蓄电池由于在配方、结构、酸浓度等方面的差别，其合适的充电参数是不同的。例如，我们在研究中发现，不同厂家的蓄电池在恒压阶段的充电参数可相差1.5-2.0 V(对36 V的电池组)。合适的充电参数基本要求是:确保电池可充满，不会因欠充电造成电池容量不正常的衰减;又要确保电池在全寿命期间不会因过充电而造成电池严重失水和产生热失控。
1.2 纯电动车用铅蓄电池
早期纯电动车用的开口式铅蓄电池采用了“八・五”规划期间的研究成果，已取得了可用19个月(12万公里)的成功经验，关键是积累了控制好充电方式、放电深度、及时补水等一套系统匹配的工作经验和精心维护的经验。近年来四轮微型电动车(包括游览车、巡逻车、高尔夫球车、短距离道路车等)发展很快，车上采用的大多是开口式铅蓄电池。相应型号的电池受到蓄电池制造厂家的青睐。近年 来 ， 电动车采用的是阀控式密封铅蓄电池新产品，其性能为:3h率容量55 Ah;3 h率下比能量为33W h/kg和84W h/L;75 %放电深度的循环寿命达到400次以上。相信电动自行车用的阀控铅蓄电池成功的经验可推广到纯电动车用阀控铅蓄电池，性能将会有进一步的提高。
1.3 混合电动车用铅蓄电池
现在混合电动车基本分为3类:轻度混合型(即电动系统主要用于起动和回收制动能量，即将在所有汽车上推广的42 V电系统属于此型)、中度混合型(即电动系统用于起动、回收制动能量和中、短距离的行驶)、重度混合型(即电动系统用于起动、回收制动能量和较长距离的行驶，也称为“Plug-in")。
在 国内外文献中已明确:在轻度混合的电动汽车中，阀控铅蓄电池是有优势的，主要因其成本低，技术成熟，性能可靠;中度混合的电动汽车用的阀控铅蓄电池，ALABC(先进铅酸蓄电池联合体)正在组织研制，准备与MH-Ni蓄电池争夺中度混合电动汽车的市场，现已推出并进行了车上试验的卷绕式双极耳电池和TMF金属薄膜)电池;在重度混合的电动汽车领域，铅蓄电池的比能量低，无法满足电动系统较长距离的行驶要求。
阀控 铅 蓄 电池在混合电动摩托车上也有前途，国内最近推出的以燃油或燃气发动机和阀控铅蓄电池及电机双动力的轻型混合电动摩托车产品，很受市场欢迎。
在此，还 要提醒广大消费者:市场上的电池产品质量参差不齐。因此，建议使用单位要建立一套规范的程序，按接近实际使用的条件，对选用的电池成组地进行测试评估。只有经过全面、严格、定量地检测，进行横向比较和评估，才能科学地评价和选择，不能只做某个单项测试，更不能只看宣传、广告资料。
铅蓄电池 是已有100多年历史的老产品，比能量较低，因此很多人认为铅蓄电池是落后、过时的产品，在电动车上应用的前途不大，进一步开发的必要性不大。笔者认为，铅蓄电池在100多年的历史中得到了不断的改进提高，有的是革命性的飞跃式提高，如从开口式流动电解液的铅蓄电池发展到密封式无流动电解液的阀控铅蓄电池;比能量从不到10 Wh/kg提高到40 Wh/kg,;已开发出可像汽车加油一样在几分钟内实现充电的快速充电技术;超高速率阀控铅蓄电池比功率已达到2--4 kW/kg;等等。综上所述，笔者认为:
(1) 因价格便宜，材料来源丰富，制造和回收技术及工艺都较成熟，资源回收率高等综合因素，在一定时期内铅蓄电池仍将是商业化电动车主要采用的电池;
(2) 随着性能不断地改进提高，铅蓄电池将保持在电动车上应用的显著地位，很难被完全取代，因此要重视对它的研究和改进提高。
(3) 在实际使用中，消费者应根据使用对象、维护条件和专业化程度，选择使用寿命长、成本低的品种，不必盲目追求最新的品种和单项指标(如比能量)好的产品。
2.金属氢化物一镍蓄电池(MH-Ni)
我国MH -Ni蓄电池在纯电动汽车和电动自行车上真正使用的不多。MH-Ni蓄电池在混合电动车(包括轿车和巴士)上已普遍采用，成为主流采用的电池。但是价格高和资源有限是限制MH-Ni蓄电池在混合电动车上推广和发展的因素。因此，价廉的铅蓄电池，性能更优越、价格相近的铿离子蓄电池将是MH-Ni蓄电池在混合电动车上应用的竞争对手。
3 锂离子蓄电池(包括聚合物锂离子蓄电池)
在安全性好、循环性能好、比容量高的新型价廉正极材料发展的推动下，电动自行车用的锂离子蓄电池已接近实用。有几家公司已可提供较成熟的、装有电池管理系统(BMS)的电动自行车用锂离子蓄电池。也有专门生产用锂离子蓄电池的电动自行车厂家。笔者认为电动自行车用的锂离子蓄电池将是首先商业化、大批量在车上使用的动力型电池;它将是继铅蓄电池之后所占比例较大的实用化电池，也将成为用于高端电动自行车产品的电池。
关于大型锂离子蓄电池在纯电动轿车和电动巴士，以及在混合电动车上试用，展览示范的已有不少报道。根据现在的锂离子蓄电池发展水平和经验，认为电动自行车用48V10Ah以下电池组的安全性是有保障的，但大型锂离子蓄电池要在商业化电动车辆上使用还要做许多艰苦的工作，其原因主要是:纯电动轿车和电动巴士，以及混合电动车上使用的电池数量多、系统复杂，安全性难度更大，对可靠性和一致性的要求更高，价格太高等。曾经报道过深圳比亚迪要在2005年提供200辆以锂离子蓄电池为动力源的电动轿车组成出租车队之事，现在已推迟到2007年了。
4 燃料电池
燃料电池 将化学能直接转换成电能供给电动机来驱动车辆。它的主要优点是:效率高，可节省燃料;零排放;噪音小等，特别适合于做车辆动力源。氢燃料电池车将是理想的、最终取代以石油产品为燃料的汽车。
“十 .五 ” 期间，我国氢燃料电池车方面有长足的发展。上海、北京、湖北武汉等地都曾报道过氢燃料电池为动力的轿车和巴士样车进行试验和示范运行。由我国科技部、联合国开发计划署、全球环境基金共同支持的中国燃料电池公共汽车示范项目正在积极进行，2005年11月，3辆戴一克燃料电池公共汽车进行了交接仪式，将在北京384线路上示范运行。上海的“超越1,2,3号”氢燃料电池轿车，跨了三步。“超越3号”在2006年6月法国巴黎进行的清洁能源汽车挑战赛上，获得废气排放、能源效率、发动机噪音和二氧化碳排放4项指标的A级。
在 “十 ・五”氢燃料电池车方面有长足发展的基础上，“十一五”期间对氢燃料电池车提出了宏伟的规划。最近公布的《2006-2008年度上海市新能源汽车推进项目指南》中明白地传递了一个信息:在代用燃料车、混合动力车和燃料电池车新能源汽车三大主流技术中，上海选择了主攻燃料电池车，兼顾混合动力车和代用燃料车。同时启动了“百千万”计划，即2008年开始，小批量生产100辆燃料电池车，并形成示范车队;2009年，将生产100()辆燃料电池轿车，投人出租车使用;到2011-2012年左右将形成1万辆燃料电池车生产目标。
据《 中 国 汽车报》报道:在“十一五”国家“863"计划节能与新能源汽车重大项目论证会结束后对中国工程院院士郭孔辉和全国清洁汽车行动专家组组长王秉刚采访时，两位专家都表达了这样的观点: “目前，节能与新能源汽车重大项目应当将更多的力量放在产品的技术突破上。”“燃料电池汽车还是要把重点放在技术攻关上，而不是产品的生产数量上。 因为目前燃料电池的寿命还很短，使用的贵金属数量相对较多，商业化成本太高。”王秉刚更直接表达了自己的观点，认为在2010年达到100()辆的生产规模太快了，在技术上很难实现。
此前 ，在 参加“十・五”电动汽车重大科技专项的验收会上，全国政协副主席、中国工程院院长徐匡迪对电动汽车下一步的发展提出了3点建议。他强调:对电动汽车的考核，不能仅仅着眼于能量密度、速度等研究性考核，而更应该从用户实际使用的角度加强考核;不能缺少对产品产业化的经济合理性的分析，要有成本意识。
《电 源 技 术》杂志曾报道了对专门从事燃料电池研究的衣宝廉院士的采访，他表示:燃料电池电动车要作为一个商品进人市场，需要解决的技术问题还很多，主要有4大方面:
(1) 最 关 键的要解决寿命问题。目前，在不考虑低温贮存和启动，不考虑反应气中的杂质等因素情况下，寿命为2 200 h。要想真投放市场，寿命至少要5 000 h以上，最好是10 000 h，而且要考虑低温贮存和启动、考虑氢和空气的反应气中杂质等因素影响;
(2) 成 本 。只有发展批量生产技术才能将成本降下来。但现在技术还未定型，建立批量生产线有困难，因此目前世界范围内还没有批量生产线，有的只是小型示范线;
(3) 可 靠 性和可使用性。燃料电池系统较复杂，可靠性和可使用性现在还比不上内燃机;
(4) 车 载 贮氢能力有待提高。燃料电池电动车上贮氢量至少要使车能像普通汽油车一样能行驶500km以上。而目前的燃料电池电动车用高压贮氢，一般只能行驶250-300 km.
对燃 料 电 池及其电动车，我们在“十・五”前夕曾著文宣传燃料电池用于电动车的优点，认为是理想的电动汽车动力源，与其他业内同仁呼吁国家给予重视、加强投资强度。但是理想与实际有距离，尤其是对车辆这样千百万用户使用的工业品，更要在科学、全面的分析基础上做出规划。国外曾多次报道过对氢燃料电池车实现商业化时间的预言，大多都失言了。最近，美国预见在10-15年后氢燃料电池车实现商业化，我们认为可能还是太乐观，因为:① 目前的氢燃料电池有些本质问题还难于解决;② 类似的预见已失信多次;③ 更关键的问题是目前的车用燃料电池要用白金作催化剂，而白金的世界贮量有限，根本无法满足普及化的燃料电池电动车需要。因此，笔者非常同意上述知名人士的真知灼见:燃料电池是一种反映国家综合科技水平和能力的电池产品，现阶段应该把重点放在投资研究上，要真正商业化用到电动车为时还远，轻型电动车上真正商业化应用可能更小，规划要留有余地，燃料电池电动车的发展应该是循序渐进的过程。5 锌一镍蓄电池(Zn一Ni)Zn- N i蓄 电池曾被认为是应提倡的电动车用蓄电池。从4-5年的市场筛选来看，在商业化的电动车上几乎没有使用。这主要是由于Zn-Ni蓄电池的价格贵(每VA 要2.5--4元，为铅蓄电池的4-6倍);循环过程中，初期容量衰减率大，影响了蓄电池组实际可使用的寿命。另外，铿离子蓄电池的迅速发展和价格降低，使Zn一Ni蓄电池在电动车上应用更加缺乏竞争力。
6 锌空气电池
锌空 电 池 是金属一空气电池的一种，属于半燃料电池范畴。它有比能量高、原材料丰富、价格不高、无污染等优点，被认为是电动车用电池的有竞争力的候选者。
美籍华人曾在上海成立了生产机械可充锌空电池的博信(Power Zinc)公司，并已建成示范车间。该公司制造的电动自行车和电动摩托车用锌空电池装车进行了行驶里程测试，分别达到150 km和250km，并做了大量的推广应用工作，在上海市建立了50个电池更换点。但是不到1年，此推广试用工作就停止了，市场筛选的结果是没有被用户接受。此后在有些领导支持下，做了一辆用该公司制造的锌空电池为动力源的电动巴士，但受锌空电池高功率性能差的限制，车的启动和加速性能明显较差。
国内 外 在 开发电动车用锌空电池方面已经做了许多工作。近年来国内电动车用锌空电池的研制工作又重新兴起，但是实践证实了锌空电池原来应有的优越性，同时也暴露了一些国外已报道过的问题，如锌电极更换服务系统和再生成本，氧电极的寿命，电池的电解液渗漏、爬漏或溢出等。这些问题影响锌空电池在电动车上推广应用。市场筛选的结果也证明用户没有接受。因此，对电动车用锌空电池的开发要认真总结国内外经验和教训。
7 小结
我国电动车用电池的研究开发范围很广，基本上涉及了世界上正在研究开发的主要几种电动车用电池。综上所述，对电动车电池市场发展的前景，笔者认为:
1) 铅蓄电池因其价格便宜、材料来源丰富技术和制造工艺较成熟等综合因素，将是商业化电动车主要采用的电池，随着性能不断地改进提高将保持它在电动车上应用的显著地位，很难被完全取代，要重视对它的研究和改进提高。
2) 电动自行车用锂离子蓄电池及聚合物锂离子蓄电池将是首先商业化、大批量在车上使用，它将是继铅蓄电池之后所占比例较大的实用化电池，将用于高端电动自行车产品。大型锂离子蓄电池和锂聚合物蓄电池在商业化电动车辆(轿车、巴士和混合电动车)上使用还要经过许多艰苦的工作，安全性、价格、电池数量多，系统复杂等是主要制约因素。
3) M H 一 Ni蓄电池在我国的纯电动汽车和电动自行车上真正使用的不多;在混合电动车上已普遍采用(包括轿车和巴士)，成为主流电池。但高价格和资源问题限制其推广和发展。
4) 燃 料 电池虽然有许多优点，被认为是未来汽车的理想动力源。.但要推广应用和商业化不是近期能实现的，还要有相当一段时间。要关心其进展情况，积极研究开发，跟上世界发展步伐，力争创新、超越。
5) Z n 一 Ni蓄电池经市场筛选几乎没被采用。锉离子蓄电池的迅速发展和价格降低，使Zn一Ni蓄电池在电动车上应用更加困难
6) 锌 空 电池近年来做了大量的推广应用工作，经市场筛选没有被采用。国内外在开发电动车用锌空电池方面已经做了许多工作。再对电动车用锌空电池的开发要认真总结国内外经验和教训。要解决锌电极更换服务系统和再生成本、及存在的其他有关问题才能在电动车上推广应用。
参考文献:
[1]郭自强.长寿命电动自行车用阀控铅酸蓄电池田.电池工业，
20 07 ,12 (5):291-293.
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