动力电池和电动车发展概况及分析

http://www.c114.net ( 2000/10/16 09:02 )

杨 毅 夫

湖南省科学技术研究开发院动力化学电源工程中心



摘 要: 本文简要地介绍了动力电池和电动车的发展现状，并根据各种动力电池性能的比较，分
析了今后动力电池的发展方向。同时，也结合电动车与动力电池的相互关系，阐述了今后电动车发
展的基本趋势。最后，作者对中国发展电动车事业提出了建设性意见。





一、前言

近年来，由于汽车尾气排放对城市造成的严重空气污染，已开始受到各国政府的高度重视。
全电动车辆的使用被认为是最终解决这一问题的最佳途径。除此之外，电动车还具有能源利用率
高、可以综合利用各种不同的能源的特点，对于全球性节能和能源形式的更新换代有着十分重要的
意义。

自90年代初美国加利福尼亚洲立法强制推行零废气排放汽车政策以来，世界上很快兴起一场
电动车的研究开发热潮。所涉及的领域包括车辆、机械、电子、新材料、加工、能源等各个方面，
内容十分广泛丰富。为促进与电动车相关的动力电池的发展，美国的三大汽车公司，通用、福特和
克莱斯勒为此专门成立了一个美国先进电池联合会（USABC），提供巨资着重开发与电动车配套的
电池，并制定了近期、中期、长期电池技术发展规划和技术要求。欧洲主要发达国家及日本也都有
相应的机构协调车辆及电池的发展。十年过去了，电动车及其关键部件电池技术都有了极大的发
展，部分成果已转化为产品推向了市场。在这种时刻，总结国外电动车及电池技术发展的经验教
训，结合中国的实际，制定出适合中国国情的发展战略是十分必要和及时的。

二、动力电池发展概况

1、从电池体系区分

动力电池一般指具有较高的容量和输出功率，可用作电动车辆、电动工具等的驱动电源的电
池，但通常也把企事业单位用的蓄能电池设备、电网的调峰蓄能电池装置、通讯站的常备电源等归
入动力电池的范围。

从动力电池的历史来看，发展最早、使用得最多的是铅酸蓄电池。其电池原理是采用金属铅
为负极活性材料，二氧化铅为正极活性材料，硫酸溶液作电解液。大致经历了开口式铅酸电池、阀
控式铅酸电池、 密封免维护式铅酸电池、胶体电解质铅酸电池等阶段。其特点是造价较低，性能
稳定。缺点是比能量较低、比功率较低，并且铅元素对人体有害。

其次是碱性镉镍可充电池。电池中使用氢氧化镍作正极材料，镉粉作负极活性材料，以氢氧
化钾溶液为电解液。该电池体系相对于铅酸蓄电池而言，具有较高的比能量和输出功率，易制成密
封免维护电池。但其缺点是，比能量和输出功率仍不能满足电动车的需要，电池具有的记忆效应也
给镉镍电池的使用带来不便，并且镉是有毒物质，对人体十分有害。

近十年来，随着贮氢合金材料的发展，新一代的动力电池—金属氢化物镍动力电池产生了。
该电池体系使用氢氧化镍为正极活性物质，用可形成金属氢化物的贮氢合金作负极活性物质。与镉
镍电池相同的是，电池也以氢氧化钾溶液为电解液。金属氢化物镍电池的特点是具有比镉镍电池高
近一倍的比容量和更大的功率输出，而且没有记忆效应。常规充放电循环寿命则与镉镍电池相当。
与前两种动力电池不同的是，金属氢化物镍电池完全不使用对环境及人体有害的材料，被称之为绿
色环保型电池。此外，金属氢化物镍电池具有与镉镍电池相同的开路和工作电压，可实现对镉镍电
池的完全取代。

除了这三种主要的动力电池系列外，其它可作动力电池考虑的主要电池体系还包括铁—镍电
池、锌—镍电池、钠—硫电池、钠—氯化镍电池及锂离子电池等。表1中列出了相关电池的性能比
较（本文表中的数据主要取自日本的一份关于全球电动车电池发展的调查报告）。





表1、电池性能比较

电 池 比能量Wh/kg 比功率W/kg 寿命（循 环 次 数） 价格 实用状
况

开口型铅酸 40-50 150 500 100 ◎

密闭型铅酸 35-45 130 500 100 ◎

镉—镍 ~55 170 500 1200 ○

铁—镍 50 150 800 800

锌—镍 70 170 300 600

金属氢化物—镍 80 250 >500 1500 △

钠—硫 100 150 300 1000

钠—氯化镍 — 150 — —

锂离子 150 300 1000 2500 □

注：1、价格是以开型铅酸电池为100单位的相对比较；

2、◎正在实用中；○部分实用中；△近期达到实用化；□5年后有可能实用化。






从表1中可以看出，铁—镍电池的比能量和比功率偏低，作为动力电池无应用潜力；锌—镍电
池则由于寿命短也尚不能完全达到实用化；钠—硫电池的寿命短且为中温电池，需升温方可使用，
安全性问题也尚未很好解决，近年内无实用化希望；钠—氯化镍电池也属于中温电池，工作温度在
250℃至300℃之间，开发工作目前主要集中在德国，尚未完全达到实用化阶段；锂离子电池比能
量、比功率和寿命都很好，但成本过高，作为动力电池难以接受。其次是锂离子电池使用中的安全
性问题仍是备受关注的焦点。

综合考虑比能量、比功率、寿命、价格、环保性能等因素，可以得出如下结论：金属氢化物
镍电池体系是现阶段最有希望的动力电池体系。当然，作为动力电池，只有以上性能指标还不够，
还要考虑更多的因素，如对更宽的使用环境温度的工作适应性、低自放电特性、性能的稳定性等。


2、从使用目的区分

虽然总体而言，动力电池要求具有较高的容量和功率输出能力，但这两项性能指标针对不同
的用途则是很不一样的。大容量型动力电池除可用作纯电动车的动力电源外，还可用作企事业单位
电力电源的蓄能装置，电网的调峰蓄能装置等。大功率型动力电池则适用于无绳电动工具、通讯站
应急电源等现代产业，超大功率型动力电池则可用于新型环保节能实用型混合电动车的辅助动力
源。

从动力电池的研究开发历史来看，过去人们把精力主要放在了如何提高电池的总蓄能量和比
能量方面。只是到了最近的4-5年间，人们才开始意识到大幅度提高电池输出功率的必要性和重要
性。目前在金属氢化物镍电池体系方面，作为超大功率型动力电池的研究发展水平为：日本松下公
司（与丰田汽车公司合作）开发成功比功率达650W/kg、6.5Ah的混合电动车用超大功率型电池；
美国Ovonic电池公司（与通用汽车公司合作）开发成功550W/kg、20Ah的混合电动车专用电池。
在大容量型动力电池方面，Ovonic公司为90─100Wh/kg左右，而日本松下则在70─80Wh/kg的水
平；美国的金属氢化物镍电池技术水平的代表是Ovonic电池公司，在日本则是松下公司，而这两
家公司则代表了世界金属氢化物镍动力电池的最高水平。

近一年来，锂离子电池的功率特性方面的研究有了较大的进展。在EVS-16年会上，法国SAFT
公司报道了他们的最新结果：其输出比功率达到1000W/kg，输入比功率达到900W/kg。

三、电动车的发展概况

电动车的研究开发已有上百年历史。自电池的发明成功开始，人们就在设想用电池作车辆的
蓄能源。但只是到了近十年间这场波及全球范围的电动车热、电动车的发展才以一种新的姿态、新
的概念展开。参与汽车工业这一轮新的竞争的主要是实力较强的一些大汽车公司，如日本的
Toyota、Honda、Nissan，美国的General Motor、Ford和Chrysler以及欧洲的一些汽车公司。
在纯电动车的开发过程中，除了整车性能的优化设计、新型材料的开发使用、高效电机的开发以及
控制技术外，很关键的一个工作则是动力电池的配套发展。几乎所有这些公司都经历了不同电池体
系的综合评价、选择最佳电池体系、实车性能评价等的过程。部分纯电动车品种除电池外的其他相
关技术均已接近市场边缘。表2是部分电池的单次充电行程测试结果的比较和电池寿命期总行程的
比较。在表3中则给出了几种电池的综合性能评价结果。





表2 电池性能比较

电池 一次充电行驶距离/km 电池寿命期总行驶距离/km

现状 今后预想 现状 今后预想

铅电池 80 100 6万 10万

镉-镍 130 150 7万 15万

铁-镍 130 150 10万 15万

锌-镍 170 180 5万 8万

氢化物-镍 200 250 20万 35万

钠-硫 200 220 7万 20万

锂离子 250 400 30万 35万

表3、电池综合性能比较

项目 要求性能 电池种类

铅 酸 镉- 镍 铁- 镍 锌- 镍 金属氢 化 物 -镍 锂 离
子

一次充电行驶距离（与燃油发动机车相当的性能） 200-400km × × ×
× ○ ◎

总行驶距离（1-2万km/年×10年的现行燃油发动机车辆相等性能） 10-20万km △ ○
○ × ◎ ◎

电池总重量（与现行1500CC发动机相当重量的比较） 200-300Kg/台 × ×
△ △ ○ ◎

急速充电性 △ △ △ △ ○ ◎

安全性 △ × ○ ○ ○ ×-△

材料再生性 ○ ○ ○ ○ ○ ×-△


低价格可能性 ◎ ○-△ △ △ ○-△ △

综合评价 △ △ △ △ ◎ ○-◎

注：◎最好；○良好；△较差；×差。



从以上的综合评价可以看出作为纯电动车用的动力电池，最佳选择当数金属氢化物镍电池。


当然，还有一种介于常规电池与燃料电池之间的混合型动力电池，那就是锌—空气电池。该
电池在国际上也有较大的研究力量从事此开发工作。现阶段已装车试验的主要有以色列Electro
Fuel公司的机械更换式锌—空气电池。其技术关键是将放完电的电池回收，采用专用设备将锌电
极反应产物再生为金属锌后再制成电极，然后装入电池中重新使用。由于电池的充电过程变成了锌
在工厂中的再回收处理过程，因而车辆更换整体电池的时间也可缩短为几分钟，该电池的综合评价
工作仍在进行之中。

虽然通过几年的电池评价后，各汽车制造商均看好以氢化物镍电池作为纯电动车的动力电
池，但从发展的角度考虑，以金属氢化物镍电池为动力源的纯电动车的性能仍难以与纯燃油车性能
相比。如一次充电的行驶距离、低价格化、电池轻量化等要求相互之间有矛盾。经过多年的经验积
累，较为统一的认识是，未来真正的纯电动车不是以金属氢化物镍电池或锂离子电池为动力源，而
是以燃料电池为动力源。

燃料电池是以空气中的氧为正极反应物，以氢或其它燃料为负极反应物产生电力输出的电化
学装置。与前面所谈的各种电池不同的是，燃料电池本身不存在消耗，因而也无需充电，只需要源
源不断的向电池里输入燃料（负极）和氧气（正极）就可以连续获得电力输出。因而类似于燃油车
加油的工作是给车辆补充燃料电池专用燃料，这一过程通常可在很短的时间内完成。目前燃料电池
用作车辆动力源仍在试验中，主要是大中型巴士车辆，作为家用轿车型车辆配套的燃料电池仍在探
索开发之中，还有较长的路要走方可达到实用化。

在减少空气污染、加强环保的工作迫在眉睫，而燃料电池电动车技术尚不能实用化，金属氢
化物镍电池、锂离子电池无法完全胜任车辆纯电动化配套重任的时刻，采取低废气排放要求而不是
零废气排放要求的做法无疑是具有现实意义的有效过渡。相关的技术开发包括：液化石油汽燃料发
动机技术、尾气的催化净化处理技术等，而从电动车的角度开发的新技术则是混合电动车。混合电
动车大体可分为串联结构设计模式和并联结构设计模式。

串联式混合电动车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
计的动力链结构如图1所示。其特点是以电池的动力输出为主，以发动机的动力输出为辅。

串联式混合动力设计可使车辆采用二种方式运行。一是纯电动车方式，即发动机停止工作，
车辆所需的全部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—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。

目前的串联式混合设计中，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。

并联式混合电动车的基本设计思想是以燃油发动机动力为主，以电池/马达系统的动力为辅，其基
本动力链结构可用图2的框图表示。

这种车辆的动力系统的设计原理为：采用一台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，以降低废气中有害气体的排放量。此外，车
辆配备一套由超大功率型可充电池组及马达/发电机构成的辅助动力系统，其电池的充电状态控制
在一定范围，以便随时可对电池进行充电或放电操作。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，而能源的利用率却显著提高。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。并且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。

日本丰田汽车公司采用这种构思设计的混合电动车“Pruis”已于97年底成功地投放市场。这
是迄今全球真正进入市场的第一种混合电动车，至今已售出3万多辆（仅日本国内市场）。其特点
为废气排放降低50%以上，能源利用率提高75%（由原16km/升油提高到28km/升油），车辆实获最
大功率是发动机输出功率的175%。由此可见，混合电动车作为由纯燃油车到纯电动车的过渡阶
段，其环保、节能和实用化方面的效果是十分显著的。

从九九年十月在北京召开的第十六届国际电动车研讨会EVS-16上获得的信息知，电池方面论
文最多的是金属氢化物镍电池，而电动车方面论文最多的是混合电动车，尤其是采用金属氢化物镍
电池作辅助动力的混合电动车。由此也可看出以上分析的正确性。

四、在中国开发混合电动车和超大功率金属氢化物镍动力电池的意义

日本、美国、法国、德国等发达国家汽车工业的发展历史，如果以发动机的特征来区分，到
目前为止，家用轿车大致经历了小功率型发动机车型和大功率型发动机车型两大阶段。现在开始进
入以小功率发动机为主的混合电动车的新阶段，今后还将逐步进入以燃料电池为主的纯电动车阶
段。

中国的汽车工业起步很晚，目前仍处于以小型发动机为其技术特征的生产阶段。中国的汽车
工业要赶上世界先进水平，如果仍按国外的发展模式按部就班，将很难达到目的。混合电动车的研
究开发显然为中国汽车工业的快速发展提供了一个十分难得的机会，即跳过大功率发动机阶段，直
接由小功率发动机阶段跃进到混合电动车阶段。这对我国的汽车工业而言，其意义是十分深远的。


从混合电动车研究开发的技术条件而言，中国已具备小功率型发动机的设计生产能力和整车
生产的能力，这为混合电动车的研究开发奠定了良好的基础。其它需开发的相关技术则包括电子控
制技术和高性能的超大功率型动力电池技术等。

正如前面所分析的，在众多的动力电池体系中，最有发展前景的还是金属氢化物镍电池。作
为该电池的主要原材料之一的稀土贮氢材料，其原材料在中国有着丰富的贮藏量，并且经过国家
863高科技项目的重点攻关，金属氢化物镍电池技术在中国已取得了实质性进展。例如作为通讯用
的金属氢化物镍电池的生产已达到了一定的规模。有关的电池原材料也都得到同步发展，形成了一
定的体系。在此基础之上开发相应的动力电池是现实的和充满希望的。

正在起草之中的国家S-863计划已把动力电池作为重点攻关项目之一，国家科技部也已把混合电动
车的开发作为今后中国汽车产业的新发展方向，这些都无疑是符合中国国情的，因而是非常正确的
和非常及时的。虽然中国的汽车工业起步晚，但汽车尾气对我国城市空气的污染却已到了非下大力
气治理不可的程度。另一方面，中国的石油工业也出现了供不应求的局面。同时解决环保和节能的
问题，对整个国民经济将有不可估量的推动作用。