第8章MH-Ni电池的应用

1、第8章 MH-Ni电池的应用目前MH-Ni 电池的发展主要集中在“一大一小”和“高功率”上，即电动汽车用大容量电池，手机和便携式电子设备用AA规格以下的小型号电池以及电动工具和电动车等用高功率电池。开发工作温度范围更宽的电池也是当前热点之一。自从1984年荷兰飞利浦公司解决了LaNi5贮氢合金在充放电过程中容量衰减问题后，MH-Ni电池技术开发进入新的时期，20 世纪90 年代中期即实现了产业化，在此期间MH-Ni 电池技术获得了突破性进展。20世纪90年代初期AA 型MH/ Ni电池容量为1050 mAh, 1997年达到了1500 mAh，目前常规AA型电池容量普遍已经达到2300 mAh

2、，而GP、三洋等已有超过2700 mAh的产品。2001年世界MH-Ni电池产量约15亿只，2005年已经超过20亿只。日本MH-Ni 电池产业化进展很快，20世纪以前，每年都以较高的速度在增长, MH-Ni 电池的产量一直保持着较高的增长率。1998 年MH-Ni 电池达到6. 5亿只，1999年生产了8.68亿只，2000年生产了10.1亿只。日本仅两年时间就增长了约4亿支，可以看出日本增长速度是惊人的。随着MH-Ni电池技术日趋成熟，在中国已大批量生产，产品质量与日本相当，但原材料、制造成本等均低于日本，所以日本采取把生产能力往中国迁移的策略，其国内产量明显下降。日本19992003年M

3、H-Ni电池的总产量和其总产值见表81。表81 19992003年的日本MH-Ni 电池总产量和产值年份生产量/百万只产值/亿日元1999868.0571 071.0420001 026.001 171.0420011 480.001 689.222002540.00638.002003380.00511.00日本MH-Ni 电池的70 %以上出口欧美和东南亚地区，主要用于移动电话、微机和摄像机和笔记本电脑。中国于20 世纪70 年代开始探索贮氢合金材料LaNi5作电极材料的可能性，研究重点是LaNi5材料的物理化学性质和电化学特性。中国是继美、日之后MH-Ni产业化开发最早的国家，MH-Ni

4、 电池的生产厂家主要集中在广东、山东、江苏、浙江、天津等地，广东约占据了总生产量的三分之一以上；而广东的厂家又多集中在深圳、东莞、中山等地，深圳地区MH-Ni电池厂家的产量占了广东省的50%以上。从市场集中度来看，我国MH-Ni电池行业集中度比较高，其中比较大的企业主要包括：深圳比亚迪、深圳毫鹏、惠州超霸、天津力神等企业。中国有100余家电池厂商的主要产品是以MH-Ni 电池为主。比亚迪公司(BYD) 为中国最大的小型二次电池专业厂商，2005年销售收入达65亿元。深圳毫鹏(High Power)、惠州超霸(GP)、辽宁三普(Union Suppo)、江门三捷等企业MH-Ni 电池月产能都达到

5、1500万只以上。2005年，中国MH-Ni电池产量超过9.6亿只，预计2006年产量继续以超过15%的速度增长，达到11亿只左右。中国MH-Ni电池主要性能和生产工艺已达国际先进水平。目前MH-Ni 电池的生产企业主要集中在日本和中国。据中国海关统计数据和中国电池工业协会提供数据显示2004年中国电池出口数量与金额均比2003年有较大幅度的增长。二次电池中的传统电池如铅酸、镍镉、镍氢等电池增幅达2530。二次电池中的镍氢电池、锂离子电池等正打破原来电池行业中一贯是日本向世界各地出口的局面，其数量和金额均有大幅度提升。2005年中国外销出口镍氢电池约9亿只，创汇近6亿美元，超过日本成为世界上M

6、H-Ni电池第一生产大国。8.1 MH-Ni小型号电池的应用近年来，个人电脑、移动电话等便携式电子产品飞速发展，促使与之配套的小型二次电池向小型化、高容量、快充电方向快速发展。镍氢电池的发展成功，给小型二次电池的发展注入了新的活力，并迅速进入竞争市场，使其呈现一派勃勃生机。小型MH-Ni电池的体积比能量由1990年的180WhL-1发展到1997年360 WhL-1，重量比能量由1990年的55 Whkg-1发展到1997年的70 Whkg-1。日本三洋公司4/3A型4700 mAh电池产品，其体积比能量已达370 WhL-1。目前小型MH-Ni电池的体积比能量及重量比能量均比较稳定，分别在3

7、70 WhL-1和75Whkg-1左右。小型MH-Ni电池在发展中一方面要与Cd-Ni电池比价格，另一方面又受到锂离子电池比能量的竞争。随着MH-Ni电池的产业化、规模化，大大降低了成本，目前已取代了一部分Cd-Ni电池市场。为了与锂离子电池竞争，MH-Ni电池正向高容量、小型化发展，目前AA型电池容量已达到2800 mAh。为适应移动电话向小型化、低电压的发展趋势，AAAA型（直径8.4 mm）MH-Ni电池现已问世。8.1.1 MH-Ni电池在移动电话中的应用2006年中国移动电话用户将达到4.4亿户。电池是移动电话的关键部件,一部移动电话通常要配备两块电池,因此移动电话用电池年需求量剧增

8、。开发移动电话MH-Ni 电池是产业热点。据资料统计，2000年世界几种高能电池的应用中，MH-Ni 电池在移动电话中的应用比例最高,如表82所示。中国近几年和未来5年新增手机对MH-Ni和锂离子两种高能电池组合块的需求预测如表83所示。表82 2000年世界高能电池的应用比例电池移动电话 /%便携计算机 /%其它 /%MH-Ni 电池78418Li-ion 电池67249Cd-Ni 电池1112（摄像机）77表83 手机市场对MH/ Ni 电池的需求预测(百万只) 年度2003-20052005-2010手机增长量（部）电池组需求量MH-Ni需求量锂离子或聚合物锂离子电池需求量1202206

9、01602604801203608.1.2 MH-Ni电池在个人电脑中的应用2005年全球笔记本电脑总销售量达6530万台左右，与2004年4890万台相比，大幅成长33.5，创下2000年以来成长新高，占全球PC总量约31。笔记本电脑发展如此快速就是因为其最大的特点机动性和便携性，这都是因为相对台式机笔记本电脑有使用可充电电池的优势，它可以极大地方便在各种环境下笔记本电脑的使用。中国笔记本电脑市场是1993年开始发展的，1994年全面进入市场。虽然中国大陆笔记本电脑规模不大，但是由于市场潜力大，利润高，笔记本在中国的销售迅速增大。2004年中国笔记本电脑市场销售量195万台，与2003年同比

10、增长39.6%；2005年中国大陆市场的笔记本出货量为360万台左右，预计06年市场销量将上升42%，达510万台左右。但在销售量大幅增长的同时，笔记本电脑价格大幅下降，2004年中国笔记本电脑市场销售额188.61亿元，仅比2003年同期增长16.7%。笔记本电脑的电池是其灵活性和稳定性的根本。笔记本电脑标准配置可充电电池系统，包括充电电池和电源管理系统等。电池是体现笔记本电脑便携性的重要环节，最早的笔记本电脑都是使用Cd-Ni电池，由于Cd-Ni电池有了很多令人头疼的缺点，如：体积大、份量重、容量小、寿命短、有记忆效应等，不久就被MH-Ni电池所取代。MH-Ni电池具有较好的性价比和较大的

11、功率，同时MH-Ni电池是一种环保电池。但MH-Ni电池与锂离子电相比，有重量较重、容量较小，电池持续放电时间短等缺点。锂离子电池储能密度大，持续放电时间长。当然锂离子电池也有缺陷，如价格高和充放电次数少等等。锂离子电池的充放电次数只有400-600次，经过特殊改进的产品也不过800多次。按每天充电一次计算，最好的锂离子电池也不过两年多。而镍氢电池的充电次数能够达到700次以上，某些质量好的产品充放电可达1200次，这样一比较，MH-Ni电池要比锂离子电池长寿，而且MH-Ni电池的价格也要比锂电池低很多。尤其是随着MH-Ni电池技术的发展，MH-Ni电池的记忆效应已完全被克服，比容量和寿命也大

12、大提高，成为了性价比最好的笔记本电脑电池。因此众多笔记本电脑公司再一次推出MH-Ni电池笔记本电脑。戴尔曾经是全球第一个推出锂电池笔记本电脑的厂商，这个举动缔造了全球笔记本电脑市场10多年的盛世。然而2004年，戴尔正式宣布重返MH-Ni电池笔记本电脑市场，紧接着其竞争对手惠普也决定跟进。戴尔公司的Inspiron 1000系列笔记本电脑搭配主电池为8颗电池芯的MH-Ni电池。8. 2 MH-Ni高功率电池的应用目前，小型MH-Ni电池在市场竞争中面临低成本的Cd-Ni电池和高比能量的锂离子电池两面夹击。MH-Ni电池在朝着低成本化、高容量化和轻质化发展的同时必需致力于拓宽新的应用市场。电动自

13、行车、电动工具和新一代42V汽车电气系统为综合性能优良、价格适中的MH-Ni电池提供了广阔的市场空间，但是对MH-Ni电池也提出了新的性能要求，特别是要求其具有优异的高功率特性。MH-Ni电池在向小型化和高容量化发展的同时，为适应高功率放电特性需要，在比能量是Cd-Ni电池1.5倍的前提下，放电倍率从5C率提高到15C以上。提高功率特性采取的主要措施有：增加薄极板面积、多极耳集流体、端面焊、提高电极表面导电性等技术。目前，高功率MH-Ni电池已进入长期被Cd-Ni电池占据的电动工具市场。随着欧洲对Cd-Ni电池逐渐禁止使用，高功率MH-Ni电池的市场占有率将快速增长。8.2.1 MH-Ni电池

14、在电动自行车中的应用据有关方面预测我国人口总量将控制在16亿17亿之间，是美国人口的6倍，德国的20倍。在美国平均每1.5人1辆汽车，德国平均每1.33人1辆汽车。随着中国经济的发展，汽车的拥有量将不断增加。如果达到美国的经济发展水平，那么中国的汽油消耗量将相当于目前中东地区产油量的2倍。显然这是不现实的，应当依靠其它方法来解决。因此，电动自行车是目前较为理想的选择之一。因为电动自行车在行驶时不会产生环境污染。中国的自行车拥有量很大，如果将电动自行车的时速限制在15 kmh-1或2030 kmh-1以内，在行车安全方面不存在问题。因为电动自行车安装动力装置后，可节省体力，但仍然是自行车。从交通

15、方面而言，可不作为机动车使用。电动车的发展和产业化从发展电动自行车开始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，电动自行车比电动汽车更容易普及推广，中国作为全球最大的“自行车王国”，正迎来一场“自行车电动化”浪潮。电动自行车是助力自行车最好的替代产品。电动自行车的开发生产投资小、上马快，能迅速形成生产规模。中国电动自行车整车及生产技术与电动汽车相比显得更为成熟。因此，电动自行车是中国发展电动车产业的一个突破口。采用铅酸蓄电池作为动力，则电池本身重量就有十几公斤。如果采用MH-Ni电池，电池质量将大大降低。这样电动自行车的轻快、便捷、安全、价廉将会受到越来越多人士的欢迎，且其品牌、规

16、格、花色也将越来越多，具有广阔的发展前景。春兰集团研制成功的高能动力MH-Ni电池，不仅代表了高效、清洁、环保的世界新能源产业发展方向，还将为消费者带来实实在在的便利。春兰高能动力MH-Ni电池的电动自行车具备以下性能：一次充电可行驶100公里；累计行驶里程可达6万公里；预计一般使用年限长达5年；循环充电高达600次；最高车速可达每小时20公里；载重量超过75公斤；每公里耗电小于1.2度；市场零售价预计在每辆3000元左右。以北京市为例，随着交通管理部门对电动自行车限制的放松，市场需求将达到100万辆。尽管目前大部分电动自行车采用铅酸蓄电池作为动力，随着人们对环境保护意识的增强、国家环保政策的

17、强化实施及MH-Ni电池价格的不断下降和性能的不断提高，MH-Ni电池将全面挤占铅酸蓄电池市场。8.2.2 MH-Ni电池在电动工具中的应用电动工具市场长期以来被高倍率放电特性较好的Cd-Ni电池所垄断由于该电池负极材料镉金属有剧毒，对环境造成污染，世界各国将逐步禁止其使用电动工具市场很庞大，大约每年需5亿只电池，因此各国都在致力于开发电动工具用Cd-Ni电池的替代品绿色环保型MH-Ni电池与Cd-Ni电池具有互换性(电压均为1.2V)。且容量是Cd-Ni电池的1.5倍以上随着MH-Ni电池制备技术的日益成熟，其高功率特性也得到很大提高所以，电动工具电池市场将逐步被MH-Ni电池占有。 电动工

18、具电池关键技术之一是研制高功率、高能量、长寿命、可快速充电、价格较低且符合环保要求的新型电源和相关材料。到2006年，电动工具用MH-Ni电池和Cd-Ni电池产量将达到相当，各国对Cd-Ni电池的限制性法规将为MH-Ni电池进入电动工具市场提供强劲动力。预测表明，电动工具市场每年需电池6亿只以上。1997年，美国Moltech公司(Energizer公司前身)首先推出电动工具用MH-Ni电池以取代高功率Cd-Ni电池。美国发展的SC型MH-Ni电池，容量可达到2.22.4Ah。且能在1020C倍率放电。目前，日本松下电池公司的HHR SC 300P 3500mAh型MH-Ni电池已进入电动工具

19、市场。永备公司的2.2Ah MH-Ni电池已实用化，它比Cd-Ni电池在电动工具中的工作能力有显著提高。德国Varta公司也开发了用于电动工具的超高功率MH-Ni电池。中国电动工具生产量占世界总产量的30 %。而且每年对欧美均有大量的出口。2003年欧盟不再允许使用Cd-Ni电池，这给MH-Ni电池提供了一个市场良机。目前世界各国SC、C、D、F型MH-Ni电池由于热平衡问题均未得到很好解决，因此生产规模均未形成。必须抓紧高功率MH-Ni 电池的研制开发，才能在市场竞争中取得有利地位。在中国，天津津川公司、江苏海四达、广东佳力等开发出电动工具用高倍率放电的MH-Ni电池，也已开始投放市场。湖南

20、神舟科技公司亦着力于开发高功率MN-Ni蓄电池产品。北京有色金属研究院已研究出150Ah的电动用蓄电池，春兰集团已有高功率MN-Ni动力电池上市并出口欧洲。8.2.3 MH-Ni电池在新一代42V汽车电气系统中的应用高功率MH-Ni电池另一个有希望而且巨大的市场是新一代42V汽车电气系统(42V-Vehicle Electric Power Supply systems)，或简称42V系统(42V-systems)汽车工业的发展趋势(降低废气排放；提高燃油经济；强调安全、舒适、方便)促使汽车制造商提供更高的车携电功率。近些年，汽车发展对车携电功率要求增长迅速。不需多久，车携电功率就会达到154

21、0kW。然而，目前采用的14V发电机已接近其最大功率能力(2kW)，采用的蓄电池也多为铅酸电池为提供大于2kW的电功率，高电压的发电机成为必需。基于组件成本和安全性等考虑，采用42V发电机是最佳选择。这为车携蓄电池提出了新的性能要求，特别是高功率性能要求。42V系统的优点是很明显的。较高的电压容许电池提供更高的功率，因而汽车可以使用更多的电子控制，如电动机械阀，电动方向盘，电动空调，汽车稳定性控制器。最有利的是可以使用整合启动发电机(integrated starter generators (ISG) )，ISG可使汽车具有“Soft hybrid功能。汽车停止即关闭发动机节约燃料，启动、加

22、速对增大扭矩，刹车时回收机械能。据估计，采用恰当的构造和控制策略，ISG系统可以提高15-30的燃油经济。ISG技术已经比较成熟，它的物理构造类似于HEV中并联混合的概念的极类似于Honda公司Insight采用的控制系统。大型汽车电动系统供应商如Siemens公司和Continental/Delco Remy公司计划每年生产几百万台ISG系统。42V系统，特别是采用ISG的42V系统非常依赖于42V电池系统的高功率、长寿命和低温性能。表8-4列出了ISG汽车系统对电池的性能要求。从电池水平看，42V-ISG和HEV用高功率电池有许多相似处，MH-Ni电池和锂离子电池是很好的候选，铅酸电池低温

23、性能和快充能力较差。为了解决日益增长的汽车电力供需之间的矛盾，美国通用公司已经研制出一种适用于42V的汽车用电系统。欧洲的电池公司如法国SAFT、德国的varta 均已着手开发用于42V系统的高功率MH-Ni电池。福特研究中心也在着手评价阀控铅酸电池、MH-Ni电池和锂离子电池适用于42V系统的优劣表8-4 ISG汽车对电池性能要求ApplicationCold startStop-StartBoost-BrakeAirport TestPower6000W1000/6000 W6000/6000 W250 WDuration10 s60/1 s5/5 (30) s30 daysVoltage

24、 Levelmin.25 Vmin. 30/25 Vmin. 25/max. 48Vmin.30 VTemperature-30 +20/20 +20/20 -40 +50 Cycle Amount100/201996年汽车界人士就提出新一代汽车的电压水平应由14V上升到42V。目前，发达国家汽车工业已接近42V电气系统的标准化确定。汽油机、柴油机的限制性排放和提高燃油经济的强制性法规将促进42V系统的逐步引入。在2005年，欧洲42V系统的产量超过200万单元，到2009年将达900万单元。美国市场42V系统会落后欧洲一两年，但到2006年也会达到150万单元。42V汽车电气系统给高功率MH

25、-Ni电池带来又一巨大的市场空间。8.3 MH-Ni大容量电池的应用8.3.1应用背景除作为小型移动电源以外，MH-Ni电池可成为要求大容量电池的电动车的电源之一。目前MH-Ni电池等在混合动力汽车HEV和纯电动汽车EV中的应用已成为国际上研究开发的热点之一。MH-Ni电池用于纯电动汽车（EV）和混合电动汽车（HEV）已进入产业化阶段，丰田公司利用松下PEVE公司的MH-Ni电池组装的电动汽车已年产近10万台, 供应美国和欧洲市场，本田公司也有相似产品上市。人们对城市空气质量及地球石油资源危机等问题日趋重视，保护环境，节约能源的呼声日益高涨，促使人们高度重视电动车及其相关技术的发展，美国、法国

26、、中国的上海市等均相继通过立法限制燃油车，大力发展电动车。受国情影响，欧美等发达如美国、德国、法国、日本等国家开发的电动车以电动汽车为主，同时包含一部分电动摩托车和电动自行车；发展中国家尤其是中国内地，近期的电动车市场主要为电动摩托车和电动自行车。据统计，国内已有200家公司、企业着手小型电动车的开发、生产和应用。迄今为止，制约整个电动车行业发展的主要因素是电动车电池。从20世纪90年代初，日本、美国、法国、德国等国家纷纷制定了相应的电动汽车用动力电池发展计划，如美国能源部(DOE)、国家能源研究所与通用、克莱斯勒、福特三大汽车公司组成的先进电池联合体(USABC)于1991年底签定一项协定，

27、计划开发电动车电池，其中以MH-Ni动力电池为中期发展目标的DOE-USABC计划指标已基本达到。日本和美国在MH-Ni动力电池的研究开发方面已取得重要进展。1996年丰田合作推出EV-95（容量100Ah）电池用于EV，一次充电可行驶215Km，最高时速125Km，能量密度65Wh/kg，输出功率密度200W/kg，循环寿命1000次以上。1999年日本研制的高能量型MH/Ni动力电池驱动一辆4轮8座电动轿车，一次充电行驶里程达500km，丰田汽车公司采用松下公司生产的6.5AhHEV的高功率型MH-Ni电池，其混合动力汽车已达到月产3000辆的水平，具有较强的市场竞争力。1997年底，GM

28、-Ovonic公司已开始批量生产MH-Ni动力电池，并装备了30辆Chevy S-10电动汽车进行试车运行；1998年该公司又进一步扩大了MH-Ni动力电池的年产量，日本政府也有一个由11家公司参加的投资近16亿美元开发电动车用蓄电池的计划。 电动车是MH-Ni 动力电池的主要应用领域之一。按动力结构的特征可将电动车分为以蓄电池/电机动力系统为唯一动力的纯电动车（BEV），和以内燃机或燃料电池发动机为主动力，以蓄电池/电机为辅助动力的混合动力电动车（HEV）两大类。由于这两类电动车对蓄电池性能要求的不同，导致MH-Ni动力电池在特性设计上也分为了两大类，即以高储能密度兼顾功率要求的高比能型动力

29、电池和以高输入输出功率为首要因素兼顾储能密度的高功率型动力电池。HEV由于具备节能效率高、污染物排放低以及车辆成本适中的原因，已成为目前电动车发展的主流。这也是MH-Ni动力电池性能得到充分发挥的主要市场。8.3.2电动汽车的特点新一代电动汽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、轻型材料、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和综合成本的制约以及人们对这种新生事物的重视程度所限，尽管研制电动汽车的意义重大，项目开发也已经历数十年，但现在世界上真正能上路行驶的纯电动汽车还是寥寥无几。电动汽车与传统内燃机汽车在构造上的主要差异为动

30、力系统。我们可以说从内燃机汽车卸下引擎、燃料箱、引擎控制装置、排气管(含催化转化器)等零部件，再取而代之以马达、电池、控制器、充电器等零部件，就可以成为电动汽车。与传统内燃机引擎汽车相比，电动汽车具有以下明显优势： 低污染排放 电动汽车行驶时不会排放有毒气体，即“零”排放(zero emission vehicle，ZEV)，因为它只以车载蓄电池为动力。目前大气污染特别严重，有相当一部分是内燃机汽车排放的尾气造成的，如CO2、CO、NOx等。另外，全球气候因大气中二氧化碳含量增加而变暖。因此迫切需要零排放交通工具。 低噪声、无废热 电动汽车行驶时的马达噪声远比传统车辆的引擎及排气管噪声要低，且

31、不排出废热。 提高能源利用效率 传统内燃机汽车能源利用效率只有30左右，而电动汽车能源利用效率可达80，远高于传统汽车。 减缓能源危机 根据世界能源协会的估计再过60年(甚至更短)，地球上的石油将会用完，届时机动车辆怎么办?电动汽车使用的电能可通过多种方法(石油、煤、水力、风力、地热、核能、太阳能等)得到，促进能源多元化，减轻对石油的依赖，减缓能源危机的发生。当然，电动汽车也可利用夜间用电低峰期充电，有助于电力供应的平稳。 使用寿命长(大于10年)，维修费用低，直接传动而驾驶平稳且无歇停振动现象等。8.3.3 MH-Ni动力电池的要求与特性目前，电动汽车存在的主要问题在于价格、行驶里程、动力性

32、能等方面，而这些问题的解决都与电源技术密切相关。电动汽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，因此MH-Ni 动力电池要成为一种为电动车市场接受的产品，必须在以下几个方面满足要求。 能量要素 蓄电池主要的基本功能是储备能量，因此无论是高比能型电池还是高功率型电池，其储备能量的能力大小是至关重要的。目前MH-Ni动力电池的储能能力，高比能型电池可达到7080Wh/kg, 高功率型电池可达到4050Wh/kg。与传统的铅酸蓄电池比较具有储能优势，但与锂蓄电池比较则显不足。 功率要素 作为HEV的辅助动力能源，除了需具备一定的

33、储能能力外，更重要的是需具有很高的功率能力，这不仅表现为人们较为熟悉的输出功率，也表现在人们不太熟悉的输入功率能力。高功率型MH-Ni动力电池目前已达到的输出比功率为10001500W/kg，与超级电容器的输出比功率不相上下，但比其他电池体系的输出比功率能力更高一些。在输入功率能力方面，MH-Ni动力电池则显示出其独到的优势，几乎可以按其输出功率的等值进行充电并保持很高的充电效率(容量效率)。这也是为什么在混合动力电动车的开发和商业化方面，基本上是以MH-Ni动力电池为配套的原因。输入功率的大小直接影响电动车辆的能量效率。 寿命要素电池的寿命长短对电动车的推广使用同样是至关重要的。但影响电池寿

34、命的因素很多，包括材料寿命因素、电池单体一致性因素、电池使用条件规范化因素等。在目前的电池技术水平上，MH-Ni动力电池的寿命是最长的。国内单组MH-Ni电池满足纯电动车20万公里以上的累计行驶里程和满足HEV电动车10万公里以上的累计行驶里程的寿命要求已不再是技术难题。电池寿命的长短不仅仅影响电动车的使用方便性，更重要的是影响电动车的成本和市场的开拓。 成本要素（性价比的考虑）电动车的推广，除了车辆本身的要求外，就电池而言，成本因素也是一个起决定作用的因素。早期的纯电动车虽然技术很先进，但推广却不成功，其原因就在于电池的成本过高。如丰田汽车公司的RAV4纯电动车的造价是同车型燃油车的两倍以上

35、。开发HEV的主要目的之一也就在于降低成本，因为从材料用量的角度而言，一辆HEV所需要的电池组，仅是一辆纯电动车电池组的十分之一以下。即使是这样，从市场的角度出发，仍然觉得电池的成本过高。因此如何开发出真正意义上的物美价廉的动力电池是电池材料和电池两个主题共同努力的目标。目前的MH-Ni动力电池综合制造成本仍然高于500美元/kWh，当然这个价位对推广HEV车来说还是可以接受的。MH-Ni动力电池的主要优异特性体现在：1）高比能量（使电动车具有较长的一次充电行驶距离），目前开发研制的MH-Ni动力电池质量比能量已接近100Whkg-1，体积比能量已接近300WhL-1，已与锂离子电池水平相当。

36、2） 高比功率（赋予电动车良好的启动、加速、爬坡性能），现MH-Ni动力电池比功率已达100200 Wkg-1，最高已达630 Wkg-1，体积比功率可达200-300 WL-1，最高已达到1700 WL-1，其性能已高于锂离子电池水平，使其在混合动力型电动车应用上体现出更加明显的优势。3）MH-Ni电池具有良好的大倍率放电特性，德国Varta公司开发了HEV混合动力型电动车用高倍率及超高倍率MH-Ni动力电池，可进行3040C放电。锂离子电池的高倍率放电性能不如MH-Ni电池，主要是由于锂电池在高功率下发热严重引起安全性能下降。4）安全性高。MH-Ni电池的安全性高，耐过充过放电的能力较好。

37、5）价格较低，性能价格比良好。锂电池的比能量价格是MH-Ni电池的1.82.1倍。美国能源部认为锂离子电池今后首先要着重降低电池的价格和提高安全性。为促进电动车相关的动力电池的发展，美国能源部(DOE)、国家电源研究所与通用、福特、克莱斯勒三大汽车公司组成美国先进电池联合体(USABC)，提供巨额资金着重开发与电动车配套的电池并制定了近期、中期和远期电池技术发展规划和技术要求欧洲主要发达国家如法国、德国、意大利以及亚洲的日本也都有专门的机构协调电动车和动力电池的发展。根据USABC和日本公司对各种电动车用电池的性能以及发展潜力比较论证，综合考虑电池的可靠性、安全电池材料的资源与环境问题以及电池

38、性能的发展趋势，确定MH-Ni电池是近期和中期电动车用首选动力电池。目前，美国Ovonic公司已与通用公司、日本松下已与丰田公司合作计划实现电动车用MH-Ni动力电池的产业化。8.3.4 纯电动车（BEV）电动汽车的研发始于1873年的英国人Robert Davidson，后来开始应用于私用轿车、送货车及公共汽车。电动汽车曾经在19世纪末的欧美等地区达到高潮，它比1885年德国人Carl Benz发明的第一辆以汽油为燃料的内燃机汽车早12年。在开始阶段二者的发展并驾齐驱，但福特汽车公司于1913年开始大力生产内燃机汽车，大大降低成本并且性能不断提高。而电动汽车始终没有解决电池的比容量、功率以及

39、寿命等方面的问题，因此电动汽车的性能远不如内燃机汽车的性能，只好让内燃机汽车开始垄断市场。20世纪70年代各主要汽车制造厂商开始受到石油危机的冲击，又开始着手研制电动汽车，使其速度、续驶能力都得到提高；但因性能赶不上内燃机引擎汽车的发展及成本太高等原因，随着石油危机的解除，依然无法进入市场。近年来，因内燃机汽车造成的空气污染日趋严重，使用石油替代性能源(氢气、风能、太阳能、甲醇、乙醇、电力等)的车辆开始受到各国政府的重视，其中电动汽车被认为是最有希望的品种。目前许多大汽车公司积极投入大量的人力、物力和财力，推动电动汽车的进一步发展。对我国而言，内燃机汽车污染日益严重，尾气、噪声等对环境的破坏到

40、了必须加以控制和治理的程度，特别是在一些人口稠密、交通拥挤的大中城市情况变得更为严重。例如，在我国上海市1995年市中心城区内机动车的CO、CxHy、NOx排污负荷分别占该区域内相应排放总量的76、93和44。如不采取措施，预计到2010年机动车排污负荷将进一步分别上升到94、98和75%。此外，到2004年我国取代日本成为世界第二大石油消费国。因此，发展新一代电动汽车作为无污染、能源多样化配置的新型交通工具已引起人们的普遍关注。纯电动车的发展道路是相当曲折的。早期的纯电动车在技术上已达到相当高的水平，甚至法国的雪铁龙公司还建立了电动车的制造专线，但没有一家厂商在开发BEV的市场上获得了成功。

41、主要原因还在于电池成本。但在小规模和特定场合的使用工作仍在继续进行。近年来由于电池技术的进步，使得纯电动车的发展又出现了新机。如MH-Ni动力电池的快速充电能力已得到显著提高，可以在数分钟内使电池的储能恢复80%以上。这样就可以利用MH-Ni动力电池的快充电性能，显著减少电池的使用量，直接的结果就是降低车辆的成本。另外通过发展长寿命的MH-Ni动力电池配以快速充电技术，可以构架一个以租赁方式为主业务的纯电动车推广模式，使纯电动车杰出的环保功能和高能量效率得到充分的发挥。目前，大型纯电动车(包括轿车、客车、邮政车等)用动力电池的开发目标大多参照美国USABC计划，表85 给出了USABC中、远期

42、电池性能目标。由表85可见，BEV动力电池主要要求电池高比能量特性。表86 给出了几种BEV可选用电池的综合性能评价结果。由表86可见，MH-Ni 电池的综合性能最佳。表87是第二代EV用MH-Ni 电池电池参数与USABC中、长期目标的对比，美国USABC和日本公司确定MH-Ni电池是近期和中期电动车用首选动力电池表85 USABC中、远期BEV用动力电池性能目标性能USABC中期计划USABC远期计划质量比能量(Wh/kg)80200体积比能量(Wh/L)135300质量比功率(W/kg)150200400体积比功率(W/L)250600循环寿命(Cycles)6001000使用年限(ye

43、ars)510充电时间(hr)636工作温度()-3065-4085成本(/kWh)150100表86 各种车用动力电池综合性能比较项目性能要求电池种类Pb-acidCd-NiFe-NiZn-NiMH-NiLi-ion一次充电行驶里程(与燃油发动机车相当的性能)200400 km差差差差良好最好总行驶里程(1-2万km/年10年的现行燃油发动机车辆相等性能)1020万km较差良好良好差最好最好电池总重量(与现行1500 CC发动机相当的比较)200300kg/台差差较差较差良好最好急速充电性较差较差较差较差最好良好安全性较差差良好良好良好差较差材料再生性良好良好良好良好良好差较差低价格可能性最

44、好良好较差较差较差良好较差良好较差综合评价较差较差较差较差最好良好最好表87 第二代EV用MH-Ni电池电池参数与USABC中、长期目标的对比电池类型比能量E/Whkg-1能量密度Ed/WhL-1比功率P/Wkg-1循环寿命L/次成本C/(kWh)-1MH-Ni电池6070130170150300601200200350中期目标100135200600150长期目标20030040010001000BEV或大型HEV2812583001000小型 BEV6.57.241430HEV据预测，20062010年EV将有可能进入实用化阶段，EV用电池将以MH-Ni 电池为主力（所占比例最高）约占64

45、%；锂离子电池居次，约占15%，铅酸电池约占11%，锂聚合物电池约占2%，其余，如燃料电池、锌空气电池等则共占8%左右。8.3.5 混合电动车（HEV）由于电动汽车从实用的角度而言还有待于进一步提高，目前的折衷方案是选用混合动力汽车。混合动力汽车并非是最近的发展产物，早在20世纪60年代就已提出。混合动力汽车将主动力装置与储能装置结合起来：主动力装置提供一般的动力需要；储能装置则调节汽车的功率波动。当爬坡或加速时供给能量，而刹车时则回收储存能量。一般的内燃机必须能迅速响应，供给足够的能量。在快速加速时，所供能量常常在80 kW以上；而在一般的公路上行驶时所供能量低于8 kW。由于负荷变化和快速

46、响应的要求，降低内燃机的热效率。混合动力汽车由于内燃机一直处在优化的水平上运行，因此效率高，排放量低。混合电动汽车的动力系统中同时包括电池组和内燃机，它兼有纯电动汽车和内燃机汽车二者的优点。一般可将混合电动汽车分为串联型S型和并联型P型。串联型混合电动汽车由内燃机驱动发电机，发电机向蓄电池充电，蓄电池再向电动机提供电能，只有电动机能直接驱动汽车。并联型混合电动汽车的内燃机和电动机都可以直接驱动汽车，在郊外长途行驶过程中用内燃机按低排放标准运行。在人口稠密地区电池组按“零排放”标准运行。混合电动汽车的优点主要是内燃机一直在低排放、高效率区工作，从而提高内燃机效率并大大降低污染物的排放：其耗油量只

47、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，CO、CxHy、NOx等废气和微尘的排出量只有普通汽车的十分之一。混合电动汽车的行驶距离由油箱容积决定，行驶里程长且使用加油站加油。不必另外配备其它公共设备，成本和销售价格比较低。不足之处是这种车仍然消耗石油等资源，不能达到“零排放”，不能彻底解决污染问题。这种车同时包括两套动力装置，驱动系统复杂。混合电动汽车对电池的要求与纯电动汽车的要求有所不同：混合电动汽车要求电池在充、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，混合电动汽车要求电池有高功率密度。另一方面，由于采用的电池一般为小容量电池，因此在能

48、量密度方面的要求则可能低一些。MH-Ni 电池当然可用于混合电动汽车，由于有内燃机一直在对电池充电，其容量可以较小。归纳起来，混合电动汽车（HEV）有以下优点： 采用小功率发动机； 优化发动机效率，提高燃油经济； 回收减速、刹车时的能量损失，降低能耗； 降低废气排放量； 降低对化石燃料的依赖； 启动迅速。1997年底，日本丰田汽车公司首先将名为“Pruis”的HEV成功地投放市场，至今已售出30多万辆“Pruis”采用1.4升高效燃油发动机为主动力，采用6.5Ah的高功率MH-Ni电池组为辅助动力，废气排放降低50以上，能源利用率提高75，车辆实获最大功率是发动机输出功率的175，其环保、节能

49、和实用化方面的效果是十分显著的目前投放市场的HEV还有本田公司的“Insight”，也采用MH-Ni电池为辅助动力，其能量利用率为：城市道路6l英里每加仑(mpg)，高速公路70mpg。此外，许多大汽车公司已开发出HEV概念车，如福特的“Prodigy”、“Escape”，通用的“Precept”等。2004年，春兰研发出200500Ah的大容量动力MH-Ni电池及电池组管理模块，成功投入运行，经测试达到了世界先进设计标准。国际电动车的开发方向已由BEV向HEV转变，HEV更具有环保、节能和市场效应从最近几届国际电动车会议暨展览会(EVS)也可以明显地看出纯电动车进展缓慢。而混合电动车成为突出

50、热点。2000年10月在加拿大蒙特利尔召开的EVS-17以“驾驭新的想象力”为主题，混合电动车的展出比往年更加全面、丰富。表现为：a)混合动力设计方式包括了串联式、并联式和串并联复合式；b)车型已由家用小轿车拓宽到混合动力公共汽车及运输用卡车；c)除丰富的整车展示外，还有较多的与HEV相关的电机、电池、控制器件等各种零部件参展；d)原有车型在市场上更加成熟继1999年底日本本田公司的“Insight”在美国首先上市。日本丰田公司的“Prius也于2000年7月在美国上市。“Prius从1997年底来销售量已超过了30万辆；e)HEV车型更加丰富，各主要大汽车公司均展出了最新开发的HEV，如本田

51、的“Prius2000型”、“THS-C型”，日产的“Tino”，福特的“Prodigy”、“Escape”，通用的“ChevnoletTriax”和“Precept”，戴姆勒克莱斯勒公司的“Citadel”、“ESX3”，飞雅特的“MulfipIa”等等。混合电动汽车(HEV)的产量将逐年增长，研发也越来越热据估计，到2010年全世界将生产150万辆电动车，其中95将为HEV。美国能源部调查结果也表明HEV将成为市场的主流产品。美国能源部2001年用于电动车电源技术的研究经费为2600万美元，其中1700万美元用于研究HEV用高功率电池和相关技术。混合电动车根据结构设计模式大体可分为串联模式

52、和并联模式。串联式HEV的基本设计思路是采用一台功率较小的燃油发动机带动一台发电机发电供电池充电，电池再将电力输出到一台与驱动轮相连的马达上转化为机械动力推动车辆。串联式混合动力设计可使车辆采用两种方式运行。一是纯电动车方式，即发动机停止工作。车辆所需的全都动力由电池组向马达输出电力而获得二是混合动力式即发动机一发电机系统和电池组同时向马达输出电流，使马达的输出功率达到最大这种混合动力设计的特点是HEV具有一定的零排放行驶能力，适合于在城市区域行驶，同时还可作混合动力运行，因而发动机的功率设计要求可降低，从而降低废气排放量。而且发动机工作点可优化，也有助于降低废气排放。并联式HEV的基本设计思

53、路是采用一小型燃油发动机作为车辆的主动力源，控制发动机恒速工作在最佳工作状态，使燃油得到充分燃烧，以降低废气体、有害气体的排放量。此外，车辆配备一套高功率可充电池组及马达、发电机构成的辅助动力系统当车辆要求功率值大于发动机实际输出功率时，其差值可通过电池组放电，由马达转变为机械动力而得到补充；而当车辆要求的功率值小于发动机实际输出功率时，发动机富余的动力部分即可通过带动发电机将机械能转变为电能对电池充电。使用再生式刹车系统还可将车辆刹车时的机械能转变为电能对电池充电。这样设计的结果可使废气排放大大降低，而能源的利用率却得以显著提高。目前HEV辅助动力源多采用MH-Ni电池和Li-ion电池等先

54、进电池。不同设计模式的HEV对电池的性能要求也不同。串联式混合设计中，电池容量的设计通常可满足数十公里的纯电动行驶距离，电池的容量和功率都设计得较大，且电池的工作方式主要为全充全放式，因而电池放电后需从市电网充电。发动机-发电机辅助系统主要用于补充电池电容量以延长续行距离。并联式混合设计中，由于电池系统起辅助调节作用在使用过程中不断地充电和放电，使充电状态在一定范围内变化而不是全充全放，所以并不需要从市电网进行充电，车辆的操作也相应简化电池组采用容量相对较小的电池，所以在重量上及成本增加上都不是很高，车辆较容易被用户接受但要求电池具有更高的功率密度、高功率能量比和充电功率等。为促进HEV的发展

55、，1994年美国能源部颁布了汽车高功率能源储备装置的性能要求(见表89)。表89中主要性能指标与美国“新一代汽车联盟(PNGV)”提出的高功率能源要求基本一致。由表89可见，对于HEV用动力电池，主要性能指标是： 高功率密度 1000 WL； 高比功率 500 Wkg；较高的比能量 50 Whkg； 高功率/能量比率 83，可以降低电池容量，而达到高功率目的； 高充电功率 500 Wkg；高HEV循环效率 85； 非常长的HEV循环寿命； 低成本。高功率电池是目前已上市HEV和HEV概念车的关键部分。虽然，至今还没有一种电池能在性能和价格方面完全满足PNGV的要求，但目前较为看好的是MH-Ni电池和Li-ion电池。PNGV过去7年关于发展HEVs用电化学储能技术的项目也主要集中在高功率的MH-Ni电池和Li-ion电池上。PNGV认为高功率MH-Ni电池和Li-ion电池能够较好地满足其所制定的电池性能指标，当然，在功率能量比和成本等方面仍需努力。这一合理性也已被PNGV主管的各项目的