电动车、电动车用电源及其发展战略

雷惊雷，张占军，吴立人，潘国宏，黄少卿，杨迈之，蔡生民

（1．北京大学 化学与分子工程学院 北京 100871；2．江苏双登电源有限公司 江苏 姜堰 225526；3．北京大学 物理系 北京 100871；4．北京大学先行科技产业有限公司 北京 100871）

汽车工业的迅速发展，推动了全球机械、能源等工业的进步以及经济、交通等方面的发展。但是，汽车在造福于人类的同时，也带来了很大的弊端。内燃机汽车造成的污染日益严重，尾气、噪声和热岛效应对环境造成的破坏，已经到了必须加以控制和治理的程度；特别在一些人口稠密、交通拥挤的大中城市，情况更为严重。而且，内燃机汽车是以燃烧油料、天然气等宝贵的资源为动力，而这些资源同时又是重要的、不可再生的化工原料，作为燃料直接烧掉是极大的浪费。按照目前的消耗速度，石油、天然气等资源仅仅能再维持数十年的时间。显然，内燃机汽车造成的环境污染以及对资源的消耗，极大地威胁着人类的健康与生存。随着保护环境、节约能源的呼声日益高涨，新一代电动车作为无污染、能源可多样化配置的新型交通工具，引起了人们的普遍关注并得到了极大的发展。

电动车以电力驱动、行驶无排放（或低排放）、噪声低、能量转化效率比内燃机汽车高得多。同时，电动汽车还具有结构简单（可以直接利用电子技术实现传动、显示和控制）、运行费用低等优点，安全性也优于内燃机汽车。

电动车的发明可以追溯到1834年，距今已有一百多年历史。在其开发应用过程中，曾经于19世纪末在欧美等地区达到一个高潮，但后来由于内燃机汽车有了突破性进展，而电动车始终没有解决电池的比容量、功率以及寿命等方面的问题，因此电动车的性能远不及内燃机汽车，只好让内燃机汽车垄断市场。进入20世纪80年代后，节能与环保问题成为世界各国所关注的主要社会问题，电动车项目已经成为许多国家和各个大汽车公司的重要发展项目，电动车的研究进入了一个新的发展时期。

新一代电动车是一种综合性的高科技产品，其关键技术包括高度可靠的动力驱动系统、电子技术、新型轻质材料、电池技术、整车优化设计与匹配的系统集成技术等。由于受到每一种单元技术的制约以及人们对这种新生事物的重视程度不够的影响，尽管研制电动车的意义重大，项目开展也经历了数十年，但现在世界上真正能上路行车的电动车还是寥寥无几。目前，电动车存在的主要问题在于价格、续驶里程、动力性能等方面，而这些问题都是与电源技术密切相关的。如燃油汽车一次加油行驶距离可达500 km左右，而电动汽车一次充电行驶距离一般不会超过200 km。因此，电动车实用化的难点仍然在于电源技术，特别是电池（化学电源）技术。

电动车用动力蓄电池与一般启动用蓄电池不同，它是以较长时间的中等电流持续放电为主，间或以大电流放电（用于启动、加速或爬坡）。电动车对电池的基本要求可以归纳为以下几点：第一，高能量密度（高质量比能量、高体积比能量）；第二，高功率密度（高质量比功率、高体积比功率）；第三，较长的循环寿命（充放电循环次数、工作年数多）；第四，较好的充放电性能（快速充放电性能和抗过充、过放能力好）；第五，电池一致性好；第六，价格较低；第七，使用维护方便；第八，其它性能好，如安全性能（发生交通事故时的安全性）好，无环境污染问题（电池生产、使用、报废回收的过程中不能对环境产生不良影响）等。

1.电动车的制式

由于没有满意的电源，到目前为止，电动汽车的许多技术和经济指标仍然不及内燃机汽车。世界各国政府、全球各主要汽车公司都在积极进行电动汽车的研究和开发工作，不断提高电动汽车的性能，同时降低电动汽车的成本和销售价格。美国公司如通用、福特、克莱斯勒等，日本公司如日产、丰田、本田、马自达、三菱等，欧洲公司如奔驰、大众、PSA-标致-雪铁龙集团、雷诺、宝马等，都在大力发展电动汽车。正是由于这些大公司的介入与重视，电动车进入了一个新的发展时期，开始步入实用化阶段。目前的研究主要集中于电池电动车（BEV），混合电动车（HEV），燃料电池电动车（FCFV）这3种电动车。

电池电动车是只以车载蓄电池提供动力的电动车，它能真正实现“零排放”，彻底解决能源与污染的问题。这种电动车常用的电池种类有铅酸电池、金属氢化物镍电池、镉镍电池或锂离子电池等，其续驶里程已基本能满足市区交通的要求，技术已经逐渐成熟并开始商品化，但尚不能大规模地应用。究其原因，制约因素主要在于电池。首先，有限的贮能不能满足长距离行驶的需要；其次，电池充电时间较长；再次，社会缺乏配套的充电基础设备，使用不便；还有由于生产、销售量不大，不能形成规模效应，使得电动汽车造价较高。因此，尽管有许多公司推出了许多型号的电池电动车，但其生产销售状况并不尽如人意，大大低于生产厂家的预计和商品化的要求。这种现象给生产厂商带来了很大困难，有些厂商如本田公司，甚至宣布停止生产这种电动车产品。

混合电动车的动力系统中同时包括电池组和内燃机，它兼有电池电动车和内燃机汽车二者的优点。一般可将混合电动车分为串联型（S-型）和并联型（P-型）。串联型混合电动车中，由内燃机驱动发电机，发电机给蓄电池充电，蓄电池再给电动机提供电能，只有电动机能直接驱动汽车；并联型混合电动车的内燃机和电动机都可以直接驱动汽车，其动力性能更象传统的内燃机汽车，它可以在郊外长途行驶中用内燃机按“低排放”标准运行，在启动时或人口稠密地区用电池组按“零排放”标准运行。混合电动车的优点主要是内燃机一直在低排放、高效率区工作，从而提高了内燃机效率并大大降低了污染物的排放：其耗油量只有普通汽车的一半，同时CO2的排出量大约是普通汽车排出量的一半左右，CO，CH，NOx等废气和微尘的排出量只有普通汽车的1/10；混合电动车的行驶距离是由油箱容积决定，因此续驶里程长，且仍然使用加油站（不必另外配备充电器等公共设备），其成本和销售价格比较低。但不足之处是这种车仍然会消耗石油等资源；它也不能作到“零排放”，因此不能彻底解决污染问题；并且它同时包括两套动力装置，驱动系统复杂。混合电动车对电池的要求与电池电动车的要求有所不同，混合电动车要求电池在充、放电时有较大功率以便和内燃机功率匹配并为驱动车辆提供足够的动力，所以要求电池有高功率密度；另一方面，由于在混合电动车中一般采用小容量电池，电池的体积、质量稍大也无妨，因而能量密度要求则允许低一些。通常用于混合电动车的电池有MH-Ni电池、锂离子电池，由于有内燃机一直在对电池充电，其容量可以很小。

由于电池电动车价格仍然很高，续驶里程又不够长；混合电动车虽然续驶里程长，但仍不能作到零排放，因此一些汽车制造厂商致力于第三类电动车——燃料电池电动车的开发研制。燃料电池和普通的化学电源有很大不同，它实际是一个电化学反应器：燃料不断输入，电能不断输出，其副产物一般是无害的水或再加上二氧化碳。它没有运动的机械部件，工作时很安静；它没有原理上的热机效率的理论限制，实际效率可达50%～70%，远高于内燃机，因此被公认为21世纪的理想的“发电厂”。

燃料电池有许多种类，一般认为目前用于电动车最现实的是质子交换膜燃料电池（PEMFC）。最简单的质子交换膜燃料电池以氢为燃料，可以安静地、无任何污染地、高效地、长期地工作。但是，目前纯氢燃料电池技术仍然面临不少挑战。首先，燃料电池的制造成本比较高，如阴、阳极电极材料和质子交换膜等，电极材料一般都含有铂等贵金属，而质子交换膜目前几乎被美国杜邦公司垄断。氢质子交换膜燃料电池面临的第二个挑战是如何贮存氢气：采用高压钢瓶太重，采用稀土吸氢金属材料太贵，因此低价、安全、能大量吸附并快速释放氢气的新材料是目前的研究重点。目前先进的、有所突破的主要有碳纳米管、碳凝胶、玻璃微球、碳晶须等，我国在碳纳米管贮氢方面的研究取得了世界领先的成果，但它们现在还处于实验室研究的阶段。另外，纯氢燃料电池电动车还面临一个根本的制约因素是缺乏氢气的制备和灌充基础设施。这些困难制约了这种电动车的发展和实用化。

为缓解氢气充气的问题，不少厂商正积极研究开发燃料重整器，以便从液体燃料（如甲醇等）中制得氢气。用甲醇有许多优点，如可以用化工方法大量生产（但制取甲醇仍然需要某些化工原料，如煤等），且不用贮氢容器等等。但是甲醇毒性大，作为电动车的燃料，无论在使用中的任何一个环节发性事故而导致甲醇泄漏，其后果都相当严重；另外其燃料电池的排放物中除了水、二氧化碳以外还可能会有其它有毒的污染物质；而且重整器的引入会使燃料电池系统结构更加复杂，造价也会上升；另外，系统的响应时间将会延迟，这在冷启动的过程中更为突出（裂解甲醇需要在300 ℃左右的高温下进行，往往需要几十秒到几分钟的时间才能使燃料重整器工作正常）。

直接甲醇燃料电池（DMFC）可以直接利用甲醇，无需重整器等中间转化装置，具有系统结构简单、体积能量密度高、燃料补充方便等优点，也具有应用于电动车的前景，但其缺点是电池性能还不够理想，目前还需要解决甲醇的电催化氧化技术，主要是提高阳极催化剂的催化性能。另外，这种电池也存在着上述甲醇毒性大的问题。直接乙醇燃料电池的技术更不成熟，因为裂解乙醇（打断CC键）需要的能量比裂解甲醇需要的能量更大，因而对催化剂的要求更高。但乙醇可以通过发酵植物的途径制取而不需要另外的自然资源（如煤、石油等），具有来源广泛、没有毒性等优点，是一种比较理想的燃料，因此直接乙醇燃料电池也是人们开发研究的长久目标之一。

另一种值得关注的还有固体氧化物燃料电池（SOFC）。传统的固体氧化物燃料电池是采用ZrO2-CaO或ZrO2-Y2O3系的固体电解质，这些电解质只允许O2-通过，其电子导电性很差，低温时比电阻很大，因此工作温度需要维持在8 00℃～1 000 ℃左右才能有较高的发电效率。这种电源的优点在于可以不用贵金属催化剂，主要缺点在于其高温的工作条件以及随之而来的材料耐高温、耐腐蚀的问题。新型中温燃料电池采用稀土氧化物基复合陶瓷材料，这种材料在400℃～600 ℃的条件下具有比传统材料高几个数量级的电导率，在电动车中应用新型中温燃料电池效率比用传统高温固体氧化物燃料电池有着显著优点，可大大降低成本；这种电池还可以利用乙醇作为燃料。这也是一种极具潜力的电动车用电源。

综上所述，燃料电池电动车具有燃料多样，效率高，排放少等优点，有可能成为未来汽车的主流动力系统技术，因此受到了各大汽车公司以及一些石油公司的重视。但目前它还面临着许多技术困难，仍处于研制开发阶段而没有批量生产的产品，距离低成本、大量生产的水平尚有一定的差距。

2.我国电动车研究发展的历史及现状

早在解放前，我国就在一些特殊的场合使用电瓶车（如电动叉车）作为短途运输工具；1958—1959年试制出我国第一辆电动轿车；以后电动车的发展经历了三起三落的曲折历程。从20世纪80年代末的情况看，主要是忽略了蓄电池的设计及其维护这个最重要的问题，而把注意力放到了整车及其电动系统的设计上。例如，车身设计没有考虑蓄电池的快速替换；对作为电动车能源的蓄电池的性能、质量、充电设备及其正确使用、维护都没有作为关键问题认真解决，这带来了一系列恶果：电动车价格较高；使用电动车有诸多不便，甚至不能正常使用；电动车往往因为电池失效而提前报废。对电动车，用户是想用不敢用，厂商则因为生产、销售状况不佳而不得不放弃生产。因此电动车产业发展不快的主要原因仍然是电池的问题。

进入20世纪90年代以后，基于能源、环保以及发展经济的需要我国开始大力发展电动车，世界各国研制电动车及其蓄电池的热潮也促进了我国电动车研制工作的开展。我国属于石油资源短缺的国家，目前已经成为了石油进口国，发展电动车能充分利用我国比较丰富的水力、风力等资源以解决汽车发展与石油资源短缺之间的矛盾，因此发展电动车是合理利用资源的需要。发展电动车也是环保的需要。目前我国的环境污染已经相当严重，这不仅严重地危害人民健康，还严重地影响了中国的国际形象，不利于我国招商引资的进行，因此必须提高到政治和改善投资环境的高度看待环保问题。发展电动车能大大减少汽车尾气排放，是环保的一个重要方面。发展电动车还必然会促进我国高新技术的进步，电动车是集电子技术、控制技术、材料、工艺、汽车技术和电源技术等于一体的高新科技综合体，电动车的开发研制必然会为这些技术的发展提供十分可观的市场需求，刺激和促进这些技术的发展。特别地，它为我国汽车工业提供了一个难得的机遇与挑战：如果以电动车用电源技术为突破口，掌握未来汽车的核心技术，我们就能拥有自主的、先进的汽车工业，而不会再沦为外国汽车的销售市场。我国广大人民群众对发展电动车也有要求。在包括北京在内的许多大城市，小轿车已经逐步进入家庭。而在其它一些人民生活水平还不高的城市，对自行车、摩托车有很大需求。另外，在某些特殊的场合，还会用一些特殊的电动车。人们盼望着能拥有廉价、安全、舒适、清洁的各种车辆，对电动车已经有了一定的需求。

由于发展电动车产业可以在改善生态环境、节约能源的同时成为我国国民经济新的增长点，我国政府已经把电动车技术列入“八五”科技攻关重点项目和国家“九五”重大科技产业工程项目，全国有关工厂企业、高等院校、几个省市地方从事整车开发的有五六家，从事蓄电池、电动机等专业部门研究的有几十家，1987年成立了中国电工技术学会电动车辆研究会，多次组织了国内、国际学术交流活动，出版了许多资料，有效地指导和推动了我国的电动车事业的发展。近年来，我国的电动车及其相关系统的开发方面取得了很大进展。1989年初深圳三星技术研究所曾试制成功以日产“阳光”牌小轿车为基础的四座电动车；1991年浙江温州的叶丰电动车厂试制成功五座混合电动车；1993年上海新联电动车公司与新联电动车研究所联合开发成功首次使用镉镍、金属氢化物镍电池的电动车；1994年北京有色金属研究总院也开发出车用金属氢化物镍电池组并成功地在电动三轮车和电动自行车上示范运行。1993年成都科技大学与重庆电机厂合作，为美国休斯公司设计电动汽车驱动主电机，并于当年装配在美国电动车辆上，1994年又为美国提供了300台，成为美国电动车主电机的中国最大供货商；1994年，河北长安胜利汽车有限公司在原国防科工委组织领导下，引进美国交流电机驱动控制技术，开发成功YW6120型50人座的“远望”牌城市公交车；1995年上海国际汽车工业展览会上，首次集中展出了我国研制的电动车辆，引起了国内外参观者的浓厚兴趣；1999年6月，河北长安胜利汽车有限公司又开发成功SL6700型20人座的“远望”牌电动客车；1999年10月在北京举行的第十六届国际电动车学术会议暨展览会上，北京、上海、成都、山东、河南、广东、湖北等众多电动车、电池制造厂家也推出了最能代表自己特点的最新电动车整车以及相关配套产品参加展览。大连化学物理研究所将于2000年组装以纯氢为燃料的30 kWPEMFC为动力的中巴车，并计划研制以甲醇重整制氢为燃料的FCEV。

3.如何发展我国的电动车产业

为更好地发展我国电动车产业，我们应该结合我国国情，选好突破口。我们认为目前可以从以下两个方面入手。

首先，我们可以在有影响的大城市开设电动公共客车专线，以公交车的示范效应带动整个电动车市场。我国人口众多，城市道路拥挤，居民平均收入较低，在相当长的时间内还不可能大规模普及私人轿车；而公共汽车具有运输效率高的优点，仍然将是我国广大城乡的主要运输工具。电动公交车可以采用目前比较成熟的阀控铅酸蓄电池提供动力。铅酸蓄电池作为一种安全、低成本、高功率的蓄电池，可以使电动车获得很好的加速和爬坡性能，其容量能保证汽车在中等范围内运行；它的缺点是体积大，能量密度低。但由于电动公交车本身质量、体积大，因此采用的阀控铅酸蓄电池质量、体积方面的缺陷也并不突出。公交车行驶距离有限，并且是定点、定时行驶，电池的充电可以制度化，甚至可以在行驶间歇中补充电，电池放电深度不会太大，这大大有利于电池寿命的延长。因此，在电动公交车上，现有电池的缺点并不明显，还可以通过很好地维护电池以延长其寿命从而降低整个营运成本。即在我国现有的技术条件下集成的电动车，已经可以满足公交系统及类似领域的性能要求。另外，我国生产铅酸蓄电池有50多年的历史，有着丰富的经验，产量居世界前列，价格也最低廉。阀控铅酸蓄电池解决了开口式铅酸蓄电池酸性气体逸出和全密闭免维护铅酸蓄电池的高成本问题，是目前在我国作为动力型化学电源应用于各种电动车而价格又能被接受的电池种类。假如国家现在能够采取措施启动电动公交车产业，例如通过制订相应的政策法规并启动一个示范工程，让电动车走出试验阶段，在产业化过程中不断发展和完善，经过一段时间之后，则很可能吸引众多企业的大量投资，在中国电动车产业中进行有序地竞争、发展，就有可能产生新的经济增长点。公交系统是一项公益性事业，有着很大的社会效益，有着其它行业无法比拟的优势。显然，电动公交车是我国电动车产业化的一个突破口。

我国电动车产业化的另一个突破口则是电动自行车和电动摩托车。中国号称“自行车王国”，无疑中国电动车的发展和产业化从电动自行车、电动摩托车起步更符合中国国情：从居民平均收入水平和大众需求来看，它们比电动汽车更容易普及推广；电动自行车、电动摩托车是两冲程燃油摩托车和助力自行车最好的替代产品；电动自行车和电动摩托车的开发生产投资小、上马快，能迅速形成生产规模。从1999年10月在北京举行的第十六届国际电动车学术会议暨展览会展出的情况看来，我国电动自行车、电动摩托车整车及相关部件的生产技术与电动汽车相比显得更为成熟。因此，电动自行车、电动摩托车是我国发展电动车产业的又一个突破口。但是，我们应该注意到，目前的这个市场还很不规范，政府应该加强引导，防止由于产品性能的不完善以及用户使用不当而对电动车事业造成不利的影响。

4.几种有前途的电动车用电源

从以上分析看来，我国目前的化学电源技术，在技术指标和经济指标方面已经能够初步满足发展中国电动车产业的初级阶段的需要，但仍然需要大力加强和提高。

从性价比看，近期内能被电动车市场接受的只能是铅酸蓄电池。铅酸蓄电池历史悠久，在电动车需求的刺激下，也取得了很大进展，达到了较好的性能指标。如江苏双登电源有限公司开发出的椭圆形管式阀控铅酸蓄电池，经清华大学检测，5 h率质量比能量为38～40 Wh/kg，一次充电行驶里程为100 km，并在驱车行驶6 000 km后通过国家计委验收鉴定；厂方自测其循环寿命大于750次（D．O．D为75%）。从这些指标看，目前的铅酸蓄电池性能比以前有很大提高，但还有潜力可挖。目前尚需解决的主要是电池一致性、能量密度低以及寿命短等问题，同时还应该重点发展密封、免维护的电池种类。

混合电动车的成本中电池所占比例并不大，因此可以采用价格较贵但性能更好的化学电源，如金属氢化物镍电池（MH-Ni）和锂离子电池。我国对MH-Ni电池研究投入了大量资金，MH-Ni电池长期被认为是我国“863”计划中产业化最成功的例子，也就是从技术到商品化投产都是自主开发的。虽然由于各种原因产业化结果不甚理想，但我国是稀土资源大国，贮量占世界的70%，我国有条件、有能力将其真正国产化。混合电动车则为其研制开发提供了一个机遇，目前我国动力型MH-Ni电池的研究已经取得了一定的进展。锂离子电池是在锂蓄电池研究的基础上发展起来的新电源体系，在保持了锂电池具有高比能量、长寿命优点的同时，负极材料采用了能在充放电过程中嵌入和脱嵌的电极材料而不再使用活泼的金属锂，安全性能有了根本改进，因此近年得到了很大的发展。现在合格的锂离子电池还加上了短路断流器等一些保险措施，使用安全更有保障。这是一种很有前途的化学电源。但由于电极要使用钴、镍等贵重金属材料，有机电解液也较贵，因此价格仍居高不下，只能使用在手机电池、摄象机电池等少数场合。虽然其价格现在已降到刚上市的十分之一，但仍有很大下降空间。目前降低锂离子电池的成本是当务之急。我国中科院物理所、北京有色金属研究总院、武汉大学、北京大学等单位均已研制出或开始批量生产锂离子电池样品，中科院物理所的拥有自主产权的18650型锂离子电池产品性能已经达到日本同类产品水平；天津电源研究所和广东肇庆、江门等地已有几家单位开始工业化生产。目前尚需解决的问题是批量生产时产品性能不稳定、成本太高等问题。

从近期、中期的需要和可能性分析，MH-Ni电池和锂离子电池是高档电池电动车和混合电动车的选用电池。从长远来看，燃料电池和燃料电池电动车是发展方向。总之，我们应该以最有效方式进行先期的投入，在若干重要的方面真正有我们自己的创新，才能受到国际的重视，并在此基础上参与国际上的平等合作，建立我们自己的电动车产业。

除上述几种电源外，还有以下几种电源值得注意。锌镍电池近年来有所突破，其性能指标已达到当前MH-Ni电池的水平，而价格有望大幅度低于MH-Ni电池。目前在厦门已经建厂投产。超级电容是一种电化学电容器，单位体积电容量很大，如用于电动车，其储存的电能可以在瞬间放出以协助化学电源工作（然后其电能以充电方式恢复），从而达到降低蓄电池的冲击负载、减轻化学电源的负担的目的，因此它可以在一定程度上延长蓄电池的寿命。超级电容器制造工艺并不复杂，成本也不太高。另外，目前太阳能电池还存在效率不够高、成本不能降低等问题，近期内只能作为电动车的补充电源，尚不能大规模应用；但太阳能作为“最清洁”的、取之不尽用之不竭的能源也值得关注，北京工业大学在这方面已有一定的基础。

5.结语

发展电动车不仅具有巨大的社会效益, 还可能带来巨大的经济效益, 世界各国政府以及各大汽车制造商都在纷纷着手开发各种不同类型的电动车。随着人们对环保的重视和科技的进步, 电动车必然成为21世纪的主流交通工具。作为一种清洁、小型、中速和短途的日常交通工具, 电动车在中国有着得天独厚的发展条件和广阔的应用前景。我们应该抓住机遇, 推动我国电动车产业化工程的进程, 实现我国汽车产业结构调整的战略目标, 并刺激和促进相关产业, 如电子、控制、材料和新型电源等新兴产业的进步和发展, 在世界汽车工业中占有自己的一席之地。