鋰電的發(fā)展方向！

現(xiàn)代電動汽車一般可分為三類：純電動汽車（PEV）、混合動力汽車（HEV）、燃料電池電動汽車（FCEV）。但是近幾年在傳統(tǒng)混合動力汽車的基礎(chǔ)上，又派生出一種外接充電式（Plug-In）混合動力汽車，簡稱PHEV。本文將電動汽車技術(shù)研發(fā)的若干問題和趨勢，作簡要的介紹和評述。
2、純電動汽車（PEV）
純電動汽車是指完全由動力蓄電池提供電力驅(qū)動的電動汽車，雖然它已有134年的悠久歷史，但一直僅限于某些特定范圍內(nèi)應(yīng)用，市場較小。主要原因是由于各種類別的蓄電池，普遍存在價(jià)格高、壽命短、外形尺寸和重量大、充電時間長等嚴(yán)重缺點(diǎn)。目前采用的鉛酸電池、鎳氫電池和鋰離子電池，它們已達(dá)到的實(shí)際性能指標(biāo)和市場平均價(jià)格，如表1所示。根據(jù)實(shí)際裝車時的循環(huán)壽命和市場價(jià)格，可估算出電動汽車從各種動力電池上每取出1kWh電能所必須付出的費(fèi)用。計(jì)算時，假設(shè)電池最高可充電荷電狀態(tài)（SOC）為0.9，放電SOC為0.2，即實(shí)際可用的電池容量僅占總?cè)萘康?0%;由電網(wǎng)供電價(jià)為0.5元/kWh，電池的平均充放電效率為0.75。
粗略計(jì)算中可知，雖然從電網(wǎng)取電僅需0.5元/kWh，但充入電池，再從電池取出，鉛酸電池每提供1kWh電能，價(jià)格為3.05元左右，其中2.38元為電池折舊費(fèi)，0.67元為電網(wǎng)供電費(fèi)，而從鎳氫電池中每提供1kWh電能，費(fèi)用為9.6元，鋰離子電池為10.2元，即后二種先進(jìn)電池供電成本是鉛酸電池的三倍多。
目前國內(nèi)市場上用柴油機(jī)發(fā)電，價(jià)格大致為3元/kWh，若用汽油機(jī)發(fā)電，供電價(jià)格估計(jì)為4元/kWh，即從鉛酸電機(jī)提供電能的價(jià)格大致和柴油機(jī)發(fā)電價(jià)格相等，僅僅從取得能量的成本來考慮，采用鉛酸電池比汽油機(jī)驅(qū)動有一定價(jià)格優(yōu)勢，但是由于它太過笨重，充電時間又長，因此只被廣泛用于車速小于50km/h的各種場地車、高爾夫球車、垃圾車、叉車以及電動自行車上。實(shí)踐證實(shí)鉛酸電池在這一低端產(chǎn)品市場上有較強(qiáng)的競爭力和實(shí)用性。
鎳氫電池的主要優(yōu)點(diǎn)是相對壽命較長，但是由于鎳金屬占其成本的60％，導(dǎo)致鎳氫電池價(jià)格居高不下。鋰離子電池技術(shù)發(fā)展很快，近10年來，其比能量由100Wh/kg增加到180Wh/kg，比功率可達(dá)2000W/kg，循環(huán)壽命達(dá)1000次以上，工作溫度范圍達(dá)-40～55℃。 。
近年由于磷酸鐵鋰離子電池的研發(fā)有重大突破，又大大提高了電池的安全性。目前已有許多發(fā)達(dá)國家將鋰離子電池作為電動汽車用動力電池的主攻方向。我國擁有鋰資源優(yōu)勢，鋰電池產(chǎn)量到2004年已占全球市場的37.1％，預(yù)計(jì)到2015年以后，鋰離子電池的性/價(jià)比有望達(dá)到可以和鉛酸電池競爭的水平，而成為未來電動汽車的主要動力電池。
圖1示出了國內(nèi)外各種純電動車輛數(shù)量/性能和價(jià)格/性能曲線，以電動自行車為代表的低性能車輛，由于其成本低廉，僅我國在2006年已達(dá)到年產(chǎn)2000萬輛，美國通用汽車公司生產(chǎn)的沖擊1號電動跑車，雖然已達(dá)到了很高的動力性，但是由于售價(jià)高昂，僅生產(chǎn)了區(qū)區(qū)50輛，由于沒有市場而不得不停產(chǎn)。性能較低的場地車，在我國年產(chǎn)達(dá)7000～8000輛左右；天津清源電動車公司生產(chǎn)的微型電動車，最高車速僅50km/h，年產(chǎn)也可以達(dá)千輛以上，這可能是目前市場所能接受的純電動車輛性能的上限。上述所有電動車輛均采用鉛酸電池為動力。隨著高性能鋰離子電池的性/價(jià)比不斷提升，未來5～10年內(nèi)，市場上可能會出現(xiàn)最高車速≥100km/h，續(xù)駛里程≥250km的高性能純電動汽車。
3、混合動力電動汽車（HEV）
由于完全由動力蓄電池驅(qū)動的純電動汽車，其性能/價(jià)格比長期以來都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車，難于與傳統(tǒng)汽車相競爭，上個世紀(jì)90年代以來各大汽車公司都著手開發(fā)混合動力汽車。日本豐田公司在1997年率先向市場推出“先驅(qū)者”（Prius）混合動力汽車，并在日本、美國和歐洲各國市場上均獲得較大成功，累計(jì)產(chǎn)銷量已超過60萬輛。隨后日本本田、美國福特、通用和歐洲一些大公司，也紛紛向市場推出各種類型的混合動力汽車。
3.1 研制全混合電動汽車的必要性
混合動力電動汽車是指具備兩個以上動力源、而其中有一個可以釋放電能的汽車?；旌蟿恿ζ嚢椿旌戏绞讲煌?，可分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式三種；按混合度（電機(jī)功率與內(nèi)燃機(jī)功率之比）的不同，又可分為微混合、輕度混合和全混合三種。其中外掛式皮帶驅(qū)動起動/發(fā)電（BSG）式是微混合動力汽車的典型結(jié)構(gòu)，其電機(jī)功率一般僅2～3kW，依賴發(fā)動機(jī)的停車斷油功能，可節(jié)燃油5～7％;在發(fā)動機(jī)曲軸后端加裝一個電動/發(fā)電型盤式電機(jī)（ISG）是輕度混合動力汽車的典型結(jié)構(gòu)；具有純電力驅(qū)動功能的可作為全混合或混聯(lián)式混合動力汽車的典型。豐田公司的Prius轎車即屬于這類全混合汽車。目前我國若干汽車企業(yè)研制的混合動力汽車，大多采用ISG輕度混合或BSG微混合方案，主要是考慮這二種方案的技術(shù)難度較小，生產(chǎn)成本也較低。但是根據(jù)研究表明，混合動力汽車的節(jié)油率幾乎與汽車功率的混合度和汽車的生產(chǎn)成正比上升 因此，從長遠(yuǎn)來看，研制全混合電動汽車是一種必然趨勢。
4、外接充電式混合動力汽車
外接充電式混合動力汽車是最新的一代混合動力汽車類型，近年來受到各國政府、汽車企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)的普遍關(guān)注，國內(nèi)外專家認(rèn)為，PHEV有望在幾年后得到廣泛的推廣使用。
據(jù)統(tǒng)計(jì)，法國城鎮(zhèn)居民80％以上日均駕車?yán)锍躺儆?0km，在美國，汽車駕駛者也有60％以上日均行駛里程少于50km，80％以上日均行駛里程少于90km。PHEV特別適合于一周有5天僅駕車用于上下班，行駛里程50～90km之間的工薪族使用。PHEV是在混合動力汽車上增加了純電動行駛工況，并且加大了動力電池容量，使PHEV采用純電動工況可行駛50～90km，超過這一里程，即必須起動內(nèi)燃機(jī)，采用混合驅(qū)動模式。所以PHEV的電池容量一般達(dá)5～10kW·h，約是純電動汽車電池容量的30～50％，是一般混合動力汽車電池容量的3～5倍，可以說它是介于混合動力汽車與純電動汽車之間的一種過渡性產(chǎn)品。與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車和一般混合動力汽車（HEV）對比（見表5），PHEV由于更多的依賴動力電池驅(qū)動汽車，因此它的燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)一步提高，二氧化碳和氮氧化物排放更少。由于動力電池容量的加大，每輛車的售價(jià)至少比一般HEV高2000美元。
圖3示出了四種不同類型乘用車，它們的蓄電池容量與汽車價(jià)格、燃油消耗及尾氣排放的對比關(guān)系。可見隨著蓄電池容量的加大，汽車價(jià)格將上升，但是燃油消耗和尾氣排放則下降。因此可以認(rèn)為，電動汽車是以使用和損耗蓄電池為代價(jià)來換取節(jié)油、減排的效果，動力電池性/價(jià)比的大幅提升將是電動汽車能否迅速推廣使用的關(guān)鍵所在。
一般HEV動力電池SOC僅在較小范圍內(nèi)波動（例如±2％～3％）因此循環(huán)壽命次數(shù)很長，而PHEV的動力電池SOC必須在很大的范圍內(nèi)波動（例如±40％），屬于深充深放，因此循環(huán)工作壽命短得多，和純電動汽車（PEV）相似。目前在PHEV上都采用先進(jìn)的鋰離子電池，由表1可知，鋰離子電池每放出1kWh電能，能耗費(fèi)為10.2元，相當(dāng)于內(nèi)燃每kWh能耗費(fèi)用的3倍。隨著全球石油價(jià)格不斷上升，燃油內(nèi)燃機(jī)的能耗費(fèi)用也將不斷上升，而鋰離子電池隨著技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)量的擴(kuò)大，其能耗費(fèi)用將不斷下降 。
5、燃料電池電動汽車
早在1839年，英國人格羅孚就提出了氫和氧反應(yīng)發(fā)電的原理。20世紀(jì)60年代，研發(fā)出了液氫和液氧發(fā)電的燃料電池，由美國UTC公司首先用于航天和軍事用途。近20年來，由于石油危機(jī)和大氣污染日趨嚴(yán)重，以質(zhì)子交換膜式為代表的燃料電池技術(shù)，受到世界各國普遍重視。各大跨國汽車公司紛紛投入巨資，研發(fā)出了各種類型的燃料電池電動汽車(FCEV)。
5.1 質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）主要優(yōu)點(diǎn)
（1）其排放生成物是水及水蒸汽，為零污染；
（2）能量轉(zhuǎn)換效率可高達(dá)60～70％;
（3）無機(jī)械振動、低噪聲、低熱輻射;
（4）宇宙質(zhì)量中有75％是氫，地球上氫也幾乎是無處不在。氫還是化學(xué)元素中質(zhì)量最輕、導(dǎo)熱性和燃燒性最好的元素;
（5）氫的熱值很高，1kg氫和3.8L汽油的熱值相當(dāng)。
5.2 燃料電池電動汽車存在的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)問題
在我國，國家科技部將研發(fā)燃料電池客車和燃料電池轎車列為“十五”和“十一五”計(jì)劃“863”重大科技項(xiàng)目。并已取得一系列重大科技成果，但是在多年科研實(shí)踐中，也暴露出一些技術(shù)、經(jīng)濟(jì)問題:
（1）燃料電池發(fā)動機(jī)的耐久性壽命短
一般僅1000～1200小時（國外達(dá)2200小時），燃料電池汽車行駛4～5萬km，功率即下降～40％，和傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)可普遍行駛50萬km以上相比，差距很大；
（2）燃料電池發(fā)動機(jī)的制造成本居高不下
一般估計(jì)3萬元/kW（國外成本約3000美元/kW），與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)僅200～350元/kW相比，差距巨大。由于其中如質(zhì)子交換膜、炭紙、鉑金屬催化劑、高純度石墨粉、氫回收泵、增壓空氣泵等關(guān)鍵部件均依靠進(jìn)口，所以與國外相比，并沒有成本優(yōu)勢；
（3）燃料電池發(fā)動機(jī)對工作環(huán)境的適應(yīng)性很差
國產(chǎn)可在0～40℃氣溫下工作，低于0℃有結(jié)冰問題，高于40℃過熱不能正常工作；此外對空氣中的粉塵、一氧化碳、硫化物等都十分敏感，鉑催化劑極易污染中毒失效；
（4）燃料電池汽車的使用成本過于高昂
例如高純度(99.999％)高壓氫(>200大巴)售價(jià)約80～100元/kg。按1kg氫可發(fā)10kW·h電能計(jì)算，僅燃料費(fèi)即約為10元/kW·h，按燃料電池發(fā)動機(jī)工作壽命1000小時計(jì)算，折舊費(fèi)為30元/kWh。所以總的動力成本達(dá)40元/kW·h。與表1對照可知，至少在目前，由燃料電池發(fā)動機(jī)提供1kWh電能的成本遠(yuǎn)高于各種動力電池，這從一個側(cè)面反映了作為汽車動力源，燃料電池汽車還有相當(dāng)?shù)木嚯x。
5. 目前燃料電池電動汽車的研究課題
盡管存在如此多的問題，但是燃料電池仍然是人類迄今為止，發(fā)明的最清潔、安靜又可無限再生的能源，值得我們?yōu)閷?shí)現(xiàn)燃料電池電動汽車的產(chǎn)業(yè)化，付出更大的努力。
6、電機(jī)及電動車輪
電動汽車驅(qū)動電機(jī)是所有電動汽車必不可少的關(guān)鍵部件。目前使用較多的有直流有刷、永磁無刷、交流感應(yīng)和開關(guān)磁阻等四種電機(jī)。美國和德國開發(fā)的電動汽車大多采用交流感應(yīng)電機(jī)，主要優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格較低、效率高、重量輕，但啟動轉(zhuǎn)矩小。日本研制的電動汽車幾乎全部使用永磁無刷電機(jī)，其主要優(yōu)點(diǎn)是效率可以比交流感應(yīng)電機(jī)高6個百分點(diǎn)，但價(jià)格較貴，永磁材料一般僅耐熱120℃以下。開關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)較新，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、可靠、成本較低、起動性能好，沒有大的沖擊電流，它兼有交流感應(yīng)電機(jī)變頻調(diào)速和直流電機(jī)調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是噪聲較大，但仍有一定改進(jìn)余地。
但是對于電動汽車而言，由于電能是由各類電池提供，價(jià)格昂貴而彌足珍貴，所以使用相對效率最高的永磁無刷電機(jī)是較為合理的，它已被廣泛用于功率小于100kW的現(xiàn)代電動汽車上。
此外，在國外已有越來越多的電動汽車采用性能先進(jìn)的電動輪（又稱輪轂電機(jī)），它用電機(jī)（多為永磁無刷式）直接驅(qū)動車輪，因此無傳統(tǒng)汽車的變速箱、傳動軸、驅(qū)動橋等復(fù)雜的機(jī)械傳動部件，汽車結(jié)構(gòu)大大簡化。但是它要求電機(jī)在低轉(zhuǎn)速下有很大的扭矩，特別是對于軍用越野車，要求電機(jī)基點(diǎn)轉(zhuǎn)速∶最高轉(zhuǎn)速=1∶10 近幾年，美、英、法、德等國紛紛將電動輪技術(shù)應(yīng)用于軍用越野車和輕型坦克上，并取得了重大成果。例如美海軍陸戰(zhàn)隊(duì)在“悍馬”基礎(chǔ)上研制出串聯(lián)式“影子”新型混合動力越野車，采用了電動輪技術(shù)， 與傳統(tǒng)“悍馬”車對比試驗(yàn)，在同樣偵察試驗(yàn)條件下，“悍馬”耗油472kg，而“影子”僅耗油200kg；同一越野路段，“悍馬”耗時32分鐘跑完，而“影子”僅耗時13分50秒，此外它還具有在純電動模式下，汽車靜音、無“熱痕跡”等優(yōu)點(diǎn)。如此優(yōu)異的性能，據(jù)聞美軍已決定停產(chǎn)傳統(tǒng)“悍馬”車，全部改產(chǎn)新型混合動力電動輪驅(qū)動的“影子”型軍車。這一重要發(fā)展趨勢，應(yīng)引起高度關(guān)注。
7、結(jié)束語
（1）由于鉛酸電池的供電成本大體和柴油機(jī)供電相等，因此它仍然是低端電動車市場的主要動力電池。磷酸鋰離子電池技術(shù)進(jìn)步較快，它最有可能成為鉛酸電池的競爭對手，率先成為高端電動車市場的主要動力電池；
（2）由于混合動力汽車僅需裝用純電動汽車1/10的動力電池容量，整車有較為接近市場的性/價(jià)比，因此它仍將是近期實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的主要電動汽車種類?？紤]到我國國情，目前仍應(yīng)大力推廣使用混合動力大客車，進(jìn)一步降低制造成本，減少油耗和排放；
（3）在鋰離子電池性/價(jià)比進(jìn)一步提升后，外接充電式混合動力汽車（PHEV）有望成為理想的上班族乘用車，它可大幅度減少油耗和降低排放，但是由于較高的價(jià)格，它可能首先在發(fā)達(dá)國家得到推廣應(yīng)用；
（4）燃料電池雖然是理想的清潔能源，但是目前它的性/價(jià)比太低，要達(dá)到可以進(jìn)入市場的性/價(jià)比，可說是任重而道遠(yuǎn)，必須從基礎(chǔ)材料和基本理論上有重大突破，才可能進(jìn)入汽車市場。