電動車、電動車用電源及其發展戰略

雷驚雷，張占軍，吳立人，潘國宏，黃少卿，楊邁之，蔡生民

（1．北京大學 化學與分子工程學院 北京 100871；2．江蘇雙登電源有限公司 江蘇 姜堰 225526；3．北京大學 物理系 北京 100871；4．北京大學先行科技產業有限公司 北京 100871）

汽車工業的迅速發展，推動了全球機械、能源等工業的進步以及經濟、交通等方面的發展。但是，汽車在造福于人類的同時，也帶來了很大的弊端。內燃機汽車造成的污染日益嚴重，尾氣、噪聲和熱島效應對環境造成的破壞，已經到了必須加以控制和治理的程度；特別在一些人口稠密、交通擁擠的大中城市，情況更為嚴重。而且，內燃機汽車是以燃燒油料、天然氣等寶貴的資源為動力，而這些資源同時又是重要的、不可再生的化工原料，作為燃料直接燒掉是極大的浪費。按照目前的消耗速度，石油、天然氣等資源僅僅能再維持數十年的時間。顯然，內燃機汽車造成的環境污染以及對資源的消耗，極大地威脅著人類的健康與生存。隨著保護環境、節約能源的呼聲日益高漲，新一代電動車作為無污染、能源可多樣化配置的新型交通工具，引起了人們的普遍關注并得到了極大的發展。

電動車以電力驅動、行駛無排放（或低排放）、噪聲低、能量轉化效率比內燃機汽車高得多。同時，電動汽車還具有結構簡單（可以直接利用電子技術實現傳動、顯示和控制）、運行費用低等優點，安全性也優于內燃機汽車。

電動車的發明可以追溯到1834年，距今已有一百多年歷史。在其開發應用過程中，曾經于19世紀末在歐美等地區達到一個高潮，但后來由于內燃機汽車有了突破性進展，而電動車始終沒有解決電池的比容量、功率以及壽命等方面的問題，因此電動車的性能遠不及內燃機汽車，只好讓內燃機汽車壟斷市場。進入20世紀80年代后，節能與環保問題成為世界各國所關注的主要社會問題，電動車項目已經成為許多國家和各個大汽車公司的重要發展項目，電動車的研究進入了一個新的發展時期。

新一代電動車是一種綜合性的高科技產品，其關鍵技術包括高度可靠的動力驅動系統、電子技術、新型輕質材料、電池技術、整車優化設計與匹配的系統集成技術等。由于受到每一種單元技術的制約以及人們對這種新生事物的重視程度不夠的影響，盡管研制電動車的意義重大，項目開展也經歷了數十年，但現在世界上真正能上路行車的電動車還是寥寥無幾。目前，電動車存在的主要問題在于價格、續駛里程、動力性能等方面，而這些問題都是與電源技術密切相關的。如燃油汽車一次加油行駛距離可達500 km左右，而電動汽車一次充電行駛距離一般不會超過200 km。因此，電動車實用化的難點仍然在于電源技術，特別是電池（化學電源）技術。

電動車用動力蓄電池與一般啟動用蓄電池不同，它是以較長時間的中等電流持續放電為主，間或以大電流放電（用于啟動、加速或爬坡）。電動車對電池的基本要求可以歸納為以下幾點：第一，高能量密度（高質量比能量、高體積比能量）；第二，高功率密度（高質量比功率、高體積比功率）；第三，較長的循環壽命（充放電循環次數、工作年數多）；第四，較好的充放電性能（快速充放電性能和抗過充、過放能力好）；第五，電池一致性好；第六，價格較低；第七，使用維護方便；第八，其它性能好，如安全性能（發生交通事故時的安全性）好，無環境污染問題（電池生產、使用、報廢回收的過程中不能對環境產生不良影響）等。

1.電動車的制式

由于沒有滿意的電源，到目前為止，電動汽車的許多技術和經濟指標仍然不及內燃機汽車。世界各國政府、全球各主要汽車公司都在積極進行電動汽車的研究和開發工作，不斷提高電動汽車的性能，同時降低電動汽車的成本和銷售價格。美國公司如通用、福特、克萊斯勒等，日本公司如日產、豐田、本田、馬自達、三菱等，歐洲公司如奔馳、大眾、PSA-標致-雪鐵龍集團、雷諾、寶馬等，都在大力發展電動汽車。正是由于這些大公司的介入與重視，電動車進入了一個新的發展時期，開始步入實用化階段。目前的研究主要集中于電池電動車（BEV），混合電動車（HEV），燃料電池電動車（FCFV）這3種電動車。

電池電動車是只以車載蓄電池提供動力的電動車，它能真正實現“零排放”，徹底解決能源與污染的問題。這種電動車常用的電池種類有鉛酸電池、金屬氫化物鎳電池、鎘鎳電池或鋰離子電池等，其續駛里程已基本能滿足市區交通的要求，技術已經逐漸成熟并開始商品化，但尚不能大規模地應用。究其原因，制約因素主要在于電池。首先，有限的貯能不能滿足長距離行駛的需要；其次，電池充電時間較長；再次，社會缺乏配套的充電基礎設備，使用不便；還有由于生產、銷售量不大，不能形成規模效應，使得電動汽車造價較高。因此，盡管有許多公司推出了許多型號的電池電動車，但其生產銷售狀況并不盡如人意，大大低于生產廠家的預計和商品化的要求。這種現象給生產廠商帶來了很大困難，有些廠商如本田公司，甚至宣布停止生產這種電動車產品。

混合電動車的動力系統中同時包括電池組和內燃機，它兼有電池電動車和內燃機汽車二者的優點。一般可將混合電動車分為串聯型（S-型）和并聯型（P-型）。串聯型混合電動車中，由內燃機驅動發電機，發電機給蓄電池充電，蓄電池再給電動機提供電能，只有電動機能直接驅動汽車；并聯型混合電動車的內燃機和電動機都可以直接驅動汽車，其動力性能更象傳統的內燃機汽車，它可以在郊外長途行駛中用內燃機按“低排放”標準運行，在啟動時或人口稠密地區用電池組按“零排放”標準運行。混合電動車的優點主要是內燃機一直在低排放、高效率區工作，從而提高了內燃機效率并大大降低了污染物的排放：其耗油量只有普通汽車的一半，同時CO2的排出量大約是普通汽車排出量的一半左右，CO，CH，NOx等廢氣和微塵的排出量只有普通汽車的1/10；混合電動車的行駛距離是由油箱容積決定，因此續駛里程長，且仍然使用加油站（不必另外配備充電器等公共設備），其成本和銷售價格比較低。但不足之處是這種車仍然會消耗石油等資源；它也不能作到“零排放”，因此不能徹底解決污染問題；并且它同時包括兩套動力裝置，驅動系統復雜。混合電動車對電池的要求與電池電動車的要求有所不同，混合電動車要求電池在充、放電時有較大功率以便和內燃機功率匹配并為驅動車輛提供足夠的動力，所以要求電池有高功率密度；另一方面，由于在混合電動車中一般采用小容量電池，電池的體積、質量稍大也無妨，因而能量密度要求則允許低一些。通常用于混合電動車的電池有MH-Ni電池、鋰離子電池，由于有內燃機一直在對電池充電，其容量可以很小。

由于電池電動車價格仍然很高，續駛里程又不夠長；混合電動車雖然續駛里程長，但仍不能作到零排放，因此一些汽車制造廠商致力于第三類電動車——燃料電池電動車的開發研制。燃料電池和普通的化學電源有很大不同，它實際是一個電化學反應器：燃料不斷輸入，電能不斷輸出，其副產物一般是無害的水或再加上二氧化碳。它沒有運動的機械部件，工作時很安靜；它沒有原理上的熱機效率的理論限制，實際效率可達50%～70%，遠高于內燃機，因此被公認為21世紀的理想的“發電廠”。

燃料電池有許多種類，一般認為目前用于電動車最現實的是質子交換膜燃料電池（PEMFC）。最簡單的質子交換膜燃料電池以氫為燃料，可以安靜地、無任何污染地、高效地、長期地工作。但是，目前純氫燃料電池技術仍然面臨不少挑戰。首先，燃料電池的制造成本比較高，如陰、陽極電極材料和質子交換膜等，電極材料一般都含有鉑等貴金屬，而質子交換膜目前幾乎被美國杜邦公司壟斷。氫質子交換膜燃料電池面臨的第二個挑戰是如何貯存氫氣：采用高壓鋼瓶太重，采用稀土吸氫金屬材料太貴，因此低價、安全、能大量吸附并快速釋放氫氣的新材料是目前的研究重點。目前先進的、有所突破的主要有碳納米管、碳凝膠、玻璃微球、碳晶須等，我國在碳納米管貯氫方面的研究取得了世界領先的成果，但它們現在還處于實驗室研究的階段。另外，純氫燃料電池電動車還面臨一個根本的制約因素是缺乏氫氣的制備和灌充基礎設施。這些困難制約了這種電動車的發展和實用化。

為緩解氫氣充氣的問題，不少廠商正積極研究開發燃料重整器，以便從液體燃料（如甲醇等）中制得氫氣。用甲醇有許多優點，如可以用化工方法大量生產（但制取甲醇仍然需要某些化工原料，如煤等），且不用貯氫容器等等。但是甲醇毒性大，作為電動車的燃料，無論在使用中的任何一個環節發性事故而導致甲醇泄漏，其后果都相當嚴重；另外其燃料電池的排放物中除了水、二氧化碳以外還可能會有其它有毒的污染物質；而且重整器的引入會使燃料電池系統結構更加復雜，造價也會上升；另外，系統的響應時間將會延遲，這在冷啟動的過程中更為突出（裂解甲醇需要在300 ℃左右的高溫下進行，往往需要幾十秒到幾分鐘的時間才能使燃料重整器工作正常）。

直接甲醇燃料電池（DMFC）可以直接利用甲醇，無需重整器等中間轉化裝置，具有系統結構簡單、體積能量密度高、燃料補充方便等優點，也具有應用于電動車的前景，但其缺點是電池性能還不夠理想，目前還需要解決甲醇的電催化氧化技術，主要是提高陽極催化劑的催化性能。另外，這種電池也存在著上述甲醇毒性大的問題。直接乙醇燃料電池的技術更不成熟，因為裂解乙醇（打斷CC鍵）需要的能量比裂解甲醇需要的能量更大，因而對催化劑的要求更高。但乙醇可以通過發酵植物的途徑制取而不需要另外的自然資源（如煤、石油等），具有來源廣泛、沒有毒性等優點，是一種比較理想的燃料，因此直接乙醇燃料電池也是人們開發研究的長久目標之一。

另一種值得關注的還有固體氧化物燃料電池（SOFC）。傳統的固體氧化物燃料電池是采用ZrO2-CaO或ZrO2-Y2O3系的固體電解質，這些電解質只允許O2-通過，其電子導電性很差，低溫時比電阻很大，因此工作溫度需要維持在8 00℃～1 000 ℃左右才能有較高的發電效率。這種電源的優點在于可以不用貴金屬催化劑，主要缺點在于其高溫的工作條件以及隨之而來的材料耐高溫、耐腐蝕的問題。新型中溫燃料電池采用稀土氧化物基復合陶瓷材料，這種材料在400℃～600 ℃的條件下具有比傳統材料高幾個數量級的電導率，在電動車中應用新型中溫燃料電池效率比用傳統高溫固體氧化物燃料電池有著顯著優點，可大大降低成本；這種電池還可以利用乙醇作為燃料。這也是一種極具潛力的電動車用電源。

綜上所述，燃料電池電動車具有燃料多樣，效率高，排放少等優點，有可能成為未來汽車的主流動力系統技術，因此受到了各大汽車公司以及一些石油公司的重視。但目前它還面臨著許多技術困難，仍處于研制開發階段而沒有批量生產的產品，距離低成本、大量生產的水平尚有一定的差距。

2.我國電動車研究發展的歷史及現狀

早在解放前，我國就在一些特殊的場合使用電瓶車（如電動叉車）作為短途運輸工具；1958—1959年試制出我國第一輛電動轎車；以后電動車的發展經歷了三起三落的曲折歷程。從20世紀80年代末的情況看，主要是忽略了蓄電池的設計及其維護這個最重要的問題，而把注意力放到了整車及其電動系統的設計上。例如，車身設計沒有考慮蓄電池的快速替換；對作為電動車能源的蓄電池的性能、質量、充電設備及其正確使用、維護都沒有作為關鍵問題認真解決，這帶來了一系列惡果：電動車價格較高；使用電動車有諸多不便，甚至不能正常使用；電動車往往因為電池失效而提前報廢。對電動車，用戶是想用不敢用，廠商則因為生產、銷售狀況不佳而不得不放棄生產。因此電動車產業發展不快的主要原因仍然是電池的問題。

進入20世紀90年代以后，基于能源、環保以及發展經濟的需要我國開始大力發展電動車，世界各國研制電動車及其蓄電池的熱潮也促進了我國電動車研制工作的開展。我國屬于石油資源短缺的國家，目前已經成為了石油進口國，發展電動車能充分利用我國比較豐富的水力、風力等資源以解決汽車發展與石油資源短缺之間的矛盾，因此發展電動車是合理利用資源的需要。發展電動車也是環保的需要。目前我國的環境污染已經相當嚴重，這不僅嚴重地危害人民健康，還嚴重地影響了中國的國際形象，不利于我國招商引資的進行，因此必須提高到政治和改善投資環境的高度看待環保問題。發展電動車能大大減少汽車尾氣排放，是環保的一個重要方面。發展電動車還必然會促進我國高新技術的進步，電動車是集電子技術、控制技術、材料、工藝、汽車技術和電源技術等于一體的高新科技綜合體，電動車的開發研制必然會為這些技術的發展提供十分可觀的市場需求，刺激和促進這些技術的發展。特別地，它為我國汽車工業提供了一個難得的機遇與挑戰：如果以電動車用電源技術為突破口，掌握未來汽車的核心技術，我們就能擁有自主的、先進的汽車工業，而不會再淪為外國汽車的銷售市場。我國廣大人民群眾對發展電動車也有要求。在包括北京在內的許多大城市，小轎車已經逐步進入家庭。而在其它一些人民生活水平還不高的城市，對自行車、摩托車有很大需求。另外，在某些特殊的場合，還會用一些特殊的電動車。人們盼望著能擁有廉價、安全、舒適、清潔的各種車輛，對電動車已經有了一定的需求。

由于發展電動車產業可以在改善生態環境、節約能源的同時成為我國國民經濟新的增長點，我國政府已經把電動車技術列入“八五”科技攻關重點項目和國家“九五”重大科技產業工程項目，全國有關工廠企業、高等院校、幾個省市地方從事整車開發的有五六家，從事蓄電池、電動機等專業部門研究的有幾十家，1987年成立了中國電工技術學會電動車輛研究會，多次組織了國內、國際學術交流活動，出版了許多資料，有效地指導和推動了我國的電動車事業的發展。近年來，我國的電動車及其相關系統的開發方面取得了很大進展。1989年初深圳三星技術研究所曾試制成功以日產“陽光”牌小轎車為基礎的四座電動車；1991年浙江溫州的葉豐電動車廠試制成功五座混合電動車；1993年上海新聯電動車公司與新聯電動車研究所聯合開發成功首次使用鎘鎳、金屬氫化物鎳電池的電動車；1994年北京有色金屬研究總院也開發出車用金屬氫化物鎳電池組并成功地在電動三輪車和電動自行車上示范運行。1993年成都科技大學與重慶電機廠合作，為美國休斯公司設計電動汽車驅動主電機，并于當年裝配在美國電動車輛上，1994年又為美國提供了300臺，成為美國電動車主電機的中國最大供貨商；1994年，河北長安勝利汽車有限公司在原國防科工委組織領導下，引進美國交流電機驅動控制技術，開發成功YW6120型50人座的“遠望”牌城市公交車；1995年上海國際汽車工業展覽會上，首次集中展出了我國研制的電動車輛，引起了國內外參觀者的濃厚興趣；1999年6月，河北長安勝利汽車有限公司又開發成功SL6700型20人座的“遠望”牌電動客車；1999年10月在北京舉行的第十六屆國際電動車學術會議暨展覽會上，北京、上海、成都、山東、河南、廣東、湖北等眾多電動車、電池制造廠家也推出了最能代表自己特點的最新電動車整車以及相關配套產品參加展覽。大連化學物理研究所將于2000年組裝以純氫為燃料的30 kWPEMFC為動力的中巴車，并計劃研制以甲醇重整制氫為燃料的FCEV。

3.如何發展我國的電動車產業

為更好地發展我國電動車產業，我們應該結合我國國情，選好突破口。我們認為目前可以從以下兩個方面入手。

首先，我們可以在有影響的大城市開設電動公共客車專線，以公交車的示范效應帶動整個電動車市場。我國人口眾多，城市道路擁擠，居民平均收入較低，在相當長的時間內還不可能大規模普及私人轎車；而公共汽車具有運輸效率高的優點，仍然將是我國廣大城鄉的主要運輸工具。電動公交車可以采用目前比較成熟的閥控鉛酸蓄電池提供動力。鉛酸蓄電池作為一種安全、低成本、高功率的蓄電池，可以使電動車獲得很好的加速和爬坡性能，其容量能保證汽車在中等范圍內運行；它的缺點是體積大，能量密度低。但由于電動公交車本身質量、體積大，因此采用的閥控鉛酸蓄電池質量、體積方面的缺陷也并不突出。公交車行駛距離有限，并且是定點、定時行駛，電池的充電可以制度化，甚至可以在行駛間歇中補充電，電池放電深度不會太大，這大大有利于電池壽命的延長。因此，在電動公交車上，現有電池的缺點并不明顯，還可以通過很好地維護電池以延長其壽命從而降低整個營運成本。即在我國現有的技術條件下集成的電動車，已經可以滿足公交系統及類似領域的性能要求。另外，我國生產鉛酸蓄電池有50多年的歷史，有著豐富的經驗，產量居世界前列，價格也最低廉。閥控鉛酸蓄電池解決了開口式鉛酸蓄電池酸性氣體逸出和全密閉免維護鉛酸蓄電池的高成本問題，是目前在我國作為動力型化學電源應用于各種電動車而價格又能被接受的電池種類。假如國家現在能夠采取措施啟動電動公交車產業，例如通過制訂相應的政策法規并啟動一個示范工程，讓電動車走出試驗階段，在產業化過程中不斷發展和完善，經過一段時間之后，則很可能吸引眾多企業的大量投資，在中國電動車產業中進行有序地競爭、發展，就有可能產生新的經濟增長點。公交系統是一項公益性事業，有著很大的社會效益，有著其它行業無法比擬的優勢。顯然，電動公交車是我國電動車產業化的一個突破口。

我國電動車產業化的另一個突破口則是電動自行車和電動摩托車。中國號稱“自行車王國”，無疑中國電動車的發展和產業化從電動自行車、電動摩托車起步更符合中國國情：從居民平均收入水平和大眾需求來看，它們比電動汽車更容易普及推廣；電動自行車、電動摩托車是兩沖程燃油摩托車和助力自行車最好的替代產品；電動自行車和電動摩托車的開發生產投資小、上馬快，能迅速形成生產規模。從1999年10月在北京舉行的第十六屆國際電動車學術會議暨展覽會展出的情況看來，我國電動自行車、電動摩托車整車及相關部件的生產技術與電動汽車相比顯得更為成熟。因此，電動自行車、電動摩托車是我國發展電動車產業的又一個突破口。但是，我們應該注意到，目前的這個市場還很不規范，政府應該加強引導，防止由于產品性能的不完善以及用戶使用不當而對電動車事業造成不利的影響。

4.幾種有前途的電動車用電源

從以上分析看來，我國目前的化學電源技術，在技術指標和經濟指標方面已經能夠初步滿足發展中國電動車產業的初級階段的需要，但仍然需要大力加強和提高。

從性價比看，近期內能被電動車市場接受的只能是鉛酸蓄電池。鉛酸蓄電池歷史悠久，在電動車需求的刺激下，也取得了很大進展，達到了較好的性能指標。如江蘇雙登電源有限公司開發出的橢圓形管式閥控鉛酸蓄電池，經清華大學檢測，5 h率質量比能量為38～40 Wh/kg，一次充電行駛里程為100 km，并在驅車行駛6 000 km后通過國家計委驗收鑒定；廠方自測其循環壽命大于750次（D．O．D為75%）。從這些指標看，目前的鉛酸蓄電池性能比以前有很大提高，但還有潛力可挖。目前尚需解決的主要是電池一致性、能量密度低以及壽命短等問題，同時還應該重點發展密封、免維護的電池種類。

混合電動車的成本中電池所占比例并不大，因此可以采用價格較貴但性能更好的化學電源，如金屬氫化物鎳電池（MH-Ni）和鋰離子電池。我國對MH-Ni電池研究投入了大量資金，MH-Ni電池長期被認為是我國“863”計劃中產業化最成功的例子，也就是從技術到商品化投產都是自主開發的。雖然由于各種原因產業化結果不甚理想，但我國是稀土資源大國，貯量占世界的70%，我國有條件、有能力將其真正國產化。混合電動車則為其研制開發提供了一個機遇，目前我國動力型MH-Ni電池的研究已經取得了一定的進展。鋰離子電池是在鋰蓄電池研究的基礎上發展起來的新電源體系，在保持了鋰電池具有高比能量、長壽命優點的同時，負極材料采用了能在充放電過程中嵌入和脫嵌的電極材料而不再使用活潑的金屬鋰，安全性能有了根本改進，因此近年得到了很大的發展。現在合格的鋰離子電池還加上了短路斷流器等一些保險措施，使用安全更有保障。這是一種很有前途的化學電源。但由于電極要使用鈷、鎳等貴重金屬材料，有機電解液也較貴，因此價格仍居高不下，只能使用在手機電池、攝象機電池等少數場合。雖然其價格現在已降到剛上市的十分之一，但仍有很大下降空間。目前降低鋰離子電池的成本是當務之急。我國中科院物理所、北京有色金屬研究總院、武漢大學、北京大學等單位均已研制出或開始批量生產鋰離子電池樣品，中科院物理所的擁有自主產權的18650型鋰離子電池產品性能已經達到日本同類產品水平；天津電源研究所和廣東肇慶、江門等地已有幾家單位開始工業化生產。目前尚需解決的問題是批量生產時產品性能不穩定、成本太高等問題。

從近期、中期的需要和可能性分析，MH-Ni電池和鋰離子電池是高檔電池電動車和混合電動車的選用電池。從長遠來看，燃料電池和燃料電池電動車是發展方向。總之，我們應該以最有效方式進行先期的投入，在若干重要的方面真正有我們自己的創新，才能受到國際的重視，并在此基礎上參與國際上的平等合作，建立我們自己的電動車產業。

除上述幾種電源外，還有以下幾種電源值得注意。鋅鎳電池近年來有所突破，其性能指標已達到當前MH-Ni電池的水平，而價格有望大幅度低于MH-Ni電池。目前在廈門已經建廠投產。超級電容是一種電化學電容器，單位體積電容量很大，如用于電動車，其儲存的電能可以在瞬間放出以協助化學電源工作（然后其電能以充電方式恢復），從而達到降低蓄電池的沖擊負載、減輕化學電源的負擔的目的，因此它可以在一定程度上延長蓄電池的壽命。超級電容器制造工藝并不復雜，成本也不太高。另外，目前太陽能電池還存在效率不夠高、成本不能降低等問題，近期內只能作為電動車的補充電源，尚不能大規模應用；但太陽能作為“最清潔”的、取之不盡用之不竭的能源也值得關注，北京工業大學在這方面已有一定的基礎。

5.結語

發展電動車不僅具有巨大的社會效益, 還可能帶來巨大的經濟效益, 世界各國政府以及各大汽車制造商都在紛紛著手開發各種不同類型的電動車。隨著人們對環保的重視和科技的進步, 電動車必然成為21世紀的主流交通工具。作為一種清潔、小型、中速和短途的日常交通工具, 電動車在中國有著得天獨厚的發展條件和廣闊的應用前景。我們應該抓住機遇, 推動我國電動車產業化工程的進程, 實現我國汽車產業結構調整的戰略目標, 并刺激和促進相關產業, 如電子、控制、材料和新型電源等新興產業的進步和發展, 在世界汽車工業中占有自己的一席之地。