电动汽车电池的现状及发展趋势

第35卷第4期 2011年4月电网技术 Power System Technology Vol. 35 No. 4 Apr. 2011

文章编号：1000-3673（2011）04-0001-07 中图分类号：TM 91；U 469 文献标志码：A 学科代码：470·4061

电动汽车电池的现状及发展趋势

宋永华，阳岳希，胡泽春

（清华大学电机工程与应用电子技术系，北京市海淀区 100084）

Present Status and Development Trend of Batteries for Electric Vehicles

SONG Yonghua, YANG Yuexi, HU Zechun

(Dept. of Electrical Engineering, Tsinghua University, Haidian District, Beijing 100084, China)

ABSTRACT: With the advent of more stringent regulations related to emissions, energy resource constraints and financial crisis, the world has sparked a global race to electrify transportation. Battery is not only a key component of electric vehicles, but also plays a prominent role as the joint of power and automotive industry. This paper reviews improvements made in the design and manufacture of batteries as well as development of electric vehicles during the past decades. State of the art for three important battery technologies in EV application, namely lead-acid battery, NiMH battery and lithium-ion battery, as well as their current application are presented; and in the viewpoints of chemical propoties of the cell and the performances of commercial pack for EV, detailed comparative analyses in technology and economy are performed. The application outlook of EV battery, its development trend in future and new cell technologies being developed are prospected, and it is pointed out that the power sector of China should pay special attentions to the development of EV battery technology, analyze the influences of EV charging load on power grid and take steps in time. KEY WORDS: batteries; electric vehicle (EV); lead-acid battery; NiMH battery; lithium-ion battery

摘要：电动汽车电池既是发展电动汽车的核心，更是电力工业与汽车行业的关键结合点。结合电动汽车的发展历史概述了车用动力电池的发展情况，重点介绍了3种主要电动汽车电池：铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池的研究现状及当前的应用情况，并从电池化学性能和商业化的电动汽车电池组性能2个角度在技术和经济层面进行了详细的比较分析，最后对当前电动汽车电池的应用前景、未来发展趋势和研发中的新电池技术进行了展望，指出中国电力行业应关注电动汽车电池技术的发展，分析电动汽车充电负荷对电网的影响并及时采取应对措施。

关键词：电池；电动汽车；铅酸电池；镍氢电池；锂离子电池

电动汽车受到了全球的关注。电动汽车采用电能取代石油等化石燃料作为动力，是未来交通的唯一长远解决方案[1]。当前与电动汽车相关的研究热点有电动汽车电机驱动系统，电动汽车充电机技术，充电谐波分析和充电站监控系统等[2-8]，其中电动汽车电池技术被视为最主要的难关[9]。

应用在电动汽车上的储能技术主要是电化学储能技术，即铅酸、镍氢、镍镉、锂离子、钠硫等电池储能技术。过去这些储能技术分别在比能量、比功率、充电技术、使用寿命、安全性和成本等几方面存在严重不足，制约了电动汽车的发展。近年来，电动汽车电池技术的研发受到了各国能源、交通、电力等部门的重视，电池的多种性能得到了提高，如锂离子电池技术在安全性方面取得了突破性进展。这些将有望推动电动汽车的大规模商业化。

本文首先介绍电动汽车电池的发展历程，随后重点介绍了3种电动汽车动力电池(铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池)的研发状况和应用实例，接着从技术和经济层面加以分析，分别论述其在电动汽车领域的应用前景，同时介绍几种处于研发阶段的电动汽车最新电池技术。最后根据我国国情，探讨了电动汽车电池未来的发展方向和研究重点，同时指出了其对电网的重要影响。

1 电动汽车电池的发展

1837年Davidson于阿伯丁制造了世界上第1辆以电池为动力源的车辆[10]。在19世纪末到20世纪初之间，电动汽车由于缺乏成熟的电池技术和合适的电池材料发展得非常缓慢，以内燃机为动力的传统汽车占领了市场。

第1代现代电动汽车EV1由美国通用汽车公司在1996年制造，它采用的是铅酸电池技术。1999

0 引言

能源紧张和气候变化使具有节能环保优势的

2 宋永华等：电动汽车电池的现状及发展趋势 Vol. 35 No. 4

年研发的第2代通用汽车公司的电动汽车以镍氢电池为动力源，一次充电的行驶里程是前者的1.5倍，同样因无竞争力而退出市场。

同期，日本丰田汽车公司利用镍氢电池技术制造了将内燃机和电动机相结合的第3代电动汽车，即混合动力车(hybrid electric vehicles, HEVs)。HEV是具备多个动力源(主要是汽油机、柴油机和电动机)，根据情况同时或者分别使用几个动力源的机动车辆

[11]

表1 铅酸蓄电池的性能指标及其在电动汽车的应用情况

Tab. 1 Performance indices of

lead acid battery and its applications to EVs

比能量/ (W·h/kg)

能量体积密度/(W·h/L)

比功率/ (W/kg)

循环次数

单体电压/ V

30~50 60~75 90~200 500~800 2.105 电动汽车电池组电动汽车电池组电动汽车电池组单体容量/(A·h)

单体质量/kg

单体电压/V

电动汽车类型

。镍氢电池成为在电动汽车电池技术的研究

短距离电动汽车150 42 12

(如观光车) 注：电动汽车电池组模块数据为文献[16]公布的超威集团电动车用密封铅酸电池6DM150，容量标定为3小时率。

领域和市场应用中最受关注的电池。

2006年锂离子电池技术的迅速发展，特别是在安全性方面的大幅提高，使之逐步被应用于纯电动车和混合动力车，成为镍氢电池强劲的竞争者[12]。

2007年，插电式的混合动力车(plug-in HEVs，PHEV)诞生了。PHEV与HEV最大的不同是它的电池能量可来自于电网，而不完全依靠内燃机化石燃料提供。当电池电量高时，PHEV采用纯电动车模式(动力完全来自电池)行驶，电池电量降低时，进入传统的HEV模式。

2008年，金融危机、国际油价的高位震荡和节能减排等产生巨大的外部压力，全球汽车产业正式进入能源转型时期。世界各国对发展电动汽车实现交通能源转型这样的技术路线达成了高度共识；电动汽车电池产业同样进入了加速发展的新阶段。

纵观电动车的整个发展过程，出现过多种不同类型的汽车和电池，其中产生巨大影响并商业化使用直到现在的电动汽车电池主要有铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池。本文将针对这3种重要的电动汽车电池的研究和应用情况进行介绍。

的应用情况，表中的电动汽车电池组模块相关数据选自文献[16]提供的国内主要电动汽车电池厂家所公布的数据。

应用于电动汽车的新一代阀控式密封铅酸蓄电池(valve-regulated lead acid battery，VRLA)不须维护，允许深度放电，可循环使用；然而VRLA依旧有着铅酸蓄电池比能量和比功率低的致命弱点，根本原因是金属铅的密度大。功率密度虽可以通过增大电极的表面积来提高，却会增加侵蚀速度而缩短电池的使用寿命[17]。充放电方式也会严重影响它的使用寿命，长期过充电产生的气体会导致极板的活性物质脱落，不适合放电到低于额定容量的20%，反复过度放电同样导致寿命急剧缩短；此外，在没有定期充满的情况下会有硫酸盐晶体析出，硫酸盐晶体会使电池的孔隙度降低，限制活性物质的进入，导致电池的容量减小。在典型的HEV应用中，电池经常工作于一个高倍率部分荷电状态，使用寿命和性能表现会因此受到严重影响。掌握铅酸电池变流放电情况下的电池特性对延长电池寿命有重要意义。文献[18]提出了一种以能动势为依据估计电池荷电状态的方法。文献[19]指出VRLA在轻度混合电动汽车中是有应用前景的，因其成本低、技术成熟、性能可靠，先进铅酸蓄电池联盟(advanced lead-acid battery consortium，ALABC)在组织研制中度混合的电动汽车使用的VRLA，但不适于重度混合汽车或纯电动车。

铅酸电池作为电动汽车电池的未来研究重点是解决比能量低的问题，以及高倍率部分荷电状态时寿命严重缩短的问题。可通过使用密度小的非腐蚀性容器来提高比能量，再在活性物质中增加碳减轻硫化物以减小对电池容量寿命的影响。文献[15]研究表明在铅酸电池活性物质中加入合适添加剂可使比能量提高到70W·h/kg，比功率也会大幅提高。

2 3种类型电动汽车电池的研究和应用情况

2.1 铅酸蓄电池

铅酸蓄电池1859年由Gaston Plante发明，以氧化铅为正极板，以海绵铅为负极板，硫酸水溶液作为电解液。充放电过程依靠极板上活性物质和电解液发生化学反应来实现

[13]

。

铅酸蓄电池是目前在汽车领域应用得最为广泛的电池，主要作为内燃机汽车内部各种电器和电子设备的电源

[14]

。铅酸蓄电池在过去50a被广泛应

用，具有成熟的技术，可以大批量生产，生产成本低，价格便宜。尽管新电池技术不断地产生，但铅酸蓄电池至今仍作为动力源应用于旅游观光车，电动叉车或者一些短距离行驶的公交车上。表1[13, 15]所示为铅酸蓄电池的性能指标和作为汽车动力源

第35卷第4期电网技术 3

2008年，中国铅酸电池产量占全球总产量的1/3，约为90.77 GVA·h，总产值为1 134亿元[20]。主要的车用铅酸动力电池生产商有超威电源、江苏双登等[16]。 2.2 镍氢电池

碱性电池由镍基和碱性溶液电解液构成，主要有镍镉电池、镍锌电池和镍氢电池3种，其中镍氢电池最有应用于电动汽车的竞争力[17,21]。镍氢电池相对于镍镉电池，比能量较高并对环境无污染。镍锌电池由于容易快速产生枝晶而导致寿命缩短，已有一些方法可解决该问题，如采用第三电极充电，使用新的隔膜和在电解液中添加缓蚀剂等方法[22]；商业化的HEV大多数采用镍氢电池技术。