电动汽车的发展方向在哪里？电动汽车的电池技术会有怎样的提升？

20世纪70年代全球三次石油危机爆发后，跨国汽车公司开始研发各种类型的电动汽车。经过“八五”、“九五”、“十五”，我国在电动汽车的研发上投入了大量的人力、物力、财力，取得了一系列的科研成果。然而，到目前为止，能够真正将这些科研成果转化为产品，实现产业化生产的项目并不多。国外大汽车公司投入的资金和人力远远超过中国，很少有电动车产品投入量产。随着全球能源危机的加深、石油资源的枯竭、大气污染和全球气温的上升，世界各国政府和汽车企业普遍意识到节能减排是未来汽车技术发展的主要方向，发展电动汽车将是解决这两大技术难点的最佳途径。下面将为您介绍电动汽车的现状和发展趋势。

一、电动汽车的现状

现代电动汽车一般可分为三类:纯电动汽车(BEV)、混合电动汽车(HEV)和燃料电池电动汽车(FCEV)。但近年来，传统混合动力汽车衍生出一种插电式混合动力汽车，简称PHEV。本文对电动汽车技术研发中的一些问题和趋势进行了简要介绍和评述。

1，纯电动汽车(BEV)

纯电动汽车是指完全由动力电池驱动的电动汽车。虽然有134年的悠久历史，但一直只在一些特定领域使用，市场很小。主要原因是各类电池普遍存在价格高、寿命短、体积重量大、充电时间长等严重缺点。目前使用的铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池的实际性能指标和市场平均价格见表1。根据实际的循环寿命和市场价格，我们可以估算出电动汽车每1kWh的各种动力电池产生的电能要付出的成本。计算时，假设电池最高可充电荷电状态(SOC)为0.9，放电SOC为0.2，即实际可用电池容量仅占总容量的70%；来自电网的供电价格为0.5元/度，电池平均充放电效率为0.75。

从表1的粗略计算可以看出，虽然只需要从电网取电

0.5元/千瓦时，但给电池充电取出后，铅酸电池每1千瓦时电能的价格约为3.05元，其中电池折旧费2.38元，供电费0.67元，而镍氢电池提供1千瓦时电能的成本为9.6元，锂离子电池为10.2元。

目前国内市场用柴油机发电，价格大致在3元/千瓦时。如果用汽油机发电，供电价格估计为4元/千瓦时，即铅酸电机提供的电能价格与柴油机大致相当。考虑到获取能量的成本，铅酸电池相对于汽油机有一定的价格优势，但由于过于笨重，充电时间长，所以只广泛应用于时速50公里以下的车辆。

在各种场馆车辆、高尔夫球车、垃圾车、叉车、电动自行车上。实践证明，在这个低端产品市场，铅酸电池具有很强的竞争力和实用性。

镍氢电池的主要优势是寿命相对较长，但由于金属镍占其成本的60%，镍氢电池的价格居高不下。锂离子电池技术发展迅速。在过去的10年里，它的比能已经从

100Wh/kg提高到180Wh/kg，比功率可达2000W/kg，循环寿命可达1000次以上，工作温度范围为-40 ~ 55℃。美国农业银行

2002年制定的锂离子电池技术发展目标如表2所示。

近年来，由于锂离子磷酸铁电池的研发取得重大突破，电池的安全性有了很大提高。目前，许多发达国家已经将锂离子电池作为电动汽车动力电池的主要方向。中国具有锂资源优势，2004年锂电池产量已占全球市场的37.1%。据预测，2015之后，锂离子电池的性价比有望达到可以与铅酸电池抗衡的水平，成为未来电动汽车的主要动力电池。

图1是国内外各类纯电动汽车的量/性能和性价比曲线。由于成本低，电动自行车等低性能车辆仅在2006年中国的年产量就达到了2000万辆。美国通用汽车公司生产的impact 1电动跑车虽然达到了大功率，但由于价格昂贵，只生产了50辆。我国低性能的轨道车年产量约为7000 ~ 8000辆；天津清远电动车公司生产的微型电动车，最高时速只有50km/h，年产量1000多辆，可能是目前市场上可以接受的纯电动车性能上限。以上电动车均采用铅酸电池供电。随着高性能锂离子电池的性价比越来越高，未来5 ~ 10年，市场上可能会出现最高时速≥100km/h、续驶里程≥250km的高性能纯电动汽车。

2.混合动力电动汽车

由于动力电池驱动的纯电动汽车性价比长期远低于传统内燃机汽车，难以与传统汽车竞争。自20世纪90年代以来，各大汽车公司开始开发混合动力汽车。日本丰田公司在1997率先向市场推出普锐斯混合动力汽车，并在日本、美国和欧洲国家市场取得巨大成功，累计产销量超过60万辆。随后，日本的本田、美国的福特、通用汽车和一些欧洲大公司也向市场推出了各种类型的混合动力汽车。

2.1发展全混合动力电动汽车的必要性

混合动力汽车是指有两个以上动力源，其中一个能释放电能的汽车。根据混合动力模式的不同，混合动力汽车可分为串联式、并联式和混联式。根据混合程度(电机功率与内燃机功率之比)的不同，可分为微混合、轻混合和全混合三种。其中，外置式带传动起动机/发电机(BSG)是微型混合动力汽车的典型结构，其电机功率一般只有2 ~ 3 kW，依靠发动机的停止和断油功能，可节油5 ~ 7%。在发动机曲轴后端增加一个电动/发电机盘式电机(ISG)是轻度混合动力电动汽车的典型结构。具有纯电驱动功能，可视为典型的全混合动力或混联式混合动力汽车。丰田普锐斯车就属于这种全混动车。目前国内几家汽车企业开发的混合动力汽车多采用ISG轻混或BSG微混方案，主要是因为这两种方案的技术难度和生产成本都比较低。但根据研究，混合动力汽车的节油率几乎与汽车动力和汽车产量的混合程度成正比(图2)。因此，从长远来看，发展全混合动力电动汽车是必然趋势。

2.2 R&D及市场情况

下面介绍混合动力乘用车和混合动力客车的研发和市场情况。

以节油率最好的丰田普锐斯为例，其与丰田Corrolla在中国不同工况下的油耗对比数据如表3所示。各种工况平均节油率39.6%，百公里平均节油3.07L L。

以97号汽油价格为5元/L计算，百公里可节省油费15.35元，行驶20万公里仅花费油费3.07万元，显然不足以抵消购买混合动力汽车增加的成本。据中国汽车工业协会统计，一汽丰田普锐斯2006年销量仅为265，438+052辆，占全国乘用车总销量的0.04%。考虑到中国用户对汽车价格的敏感性，这样的销售业绩并不令人意外。可以认为，在不久的将来，如果没有政府的大力支持，混合动力乘用车在中国不会有很大的市场。

2.3城市公共汽车的使用特点

在中国，城市公共汽车和私人小客车的情况大不相同，可以总结如下:

(1)据统计，中国70%的城市居民在日常出行时更喜欢乘坐公交车。中国大部分城市政府遵循公交优先的交通政策，中国公交车年产量和保有量均居世界第一。

(2)我国城市公交车大多由市政府补贴，公交车是否符合节油减排要求将是政府需要考虑的重要采购原则；

(3)从技术角度来说，城市工况下，公交车频繁启动、加速、刹车、停车，额外消耗大量燃油。表4列出了国外四种典型城市工况下汽车制动能耗(油耗)的比例，算术平均值为47.1%。即近一半的燃油消耗在频繁制动上，这就给混合动力客车的节油减排留下了相当大的空间。

正是鉴于上述特点，我国至少有7 ~ 8家汽车企业将重点投入混合动力客车的研发和生产。经过近几年的发展，虽然取得了一系列显著的成绩，但是客车的节油率并没有达到预期的要求。一辆总重量15.5t，车长11m的混合动力客车，实际油耗大多在33 ~ 35L，平均34L/100km。如果是传统的，

11m客车平均油耗为40L/100km，节油率仅为15%。

2.4难以进一步提高节油率的原因

难以进一步提高燃油节省率的主要原因有两个:

(1)汽车刹车过程很短，一半不到10s。在短短几秒钟内，电机需要大电流才能有效回收制动能量，但电池的充电速率只有放电速率的一半，因此电池无法接受大电流充电。理论上，一辆汽车50 ~ 60%的制动能量可以回收，而实际回收的制动能量

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(2)如果混合动力公交车停车断油，即使在滑行时，也能节省约65，438+00%的燃油(4L/65，438+000 km)。其实国内的柴油机并不是专门为混合动力汽车设计的，所以一般不允许频繁停车断油，否则可能会损坏供油系统和废气增压器，严重影响柴油机的寿命。其次，停车断油时必须安装电动转向油泵、电动空压机、电动空调系统，这样会大大增加整车成本和重量，不一定划算，所以最近大部分都没有实现停车断油功能。因此，目前HEV的发展重点放在节油降耗的工作上。针对上述问题，研究人员提出了不同的解决方案，如采用功率密度为铅酸蓄电池10倍的超级电容器，具有快速吸收大电流进行充电、混合动力汽车制动时快速吸收能量、大大提高制动能量回收率的优良特性。此外，它还具有循环寿命长、充放电效率高、耐低温性能优异、免维护等优点。该方案受超级电容器价格高的影响，限制了其在混合动力汽车中的广泛应用。在进一步降低成本和提高能量密度后，超级电容器最有可能首先应用于混合动力公交车。

3.插电式混合动力汽车

插电式混合动力汽车是最新型的混合动力汽车，近年来受到各国政府、汽车企业和研究机构的广泛关注。国内外专家认为，PHEV有望在几年内得到广泛应用。

据统计，超过80%的法国城市居民开车不到50km，在美国，超过60%的驾车者开车不到50km，超过80%的人开车不到50km。

90公里.PHEV特别适合每周只开车上下班5天，里程50 ~ 90km的工薪族。PHEV在混合动力汽车上增加了纯电动行驶工况，并增加了动力电池的容量，使PHEV在纯电动行驶工况下可行驶50 ~ 90 km。如果超过这个里程，就要启动内燃机，采用混合动力驱动模式。因此，PHEV的电池容量一般为5 ~ 10 kW·h，约为纯电动汽车电池容量的30 ~ 50%，是一般混合动力汽车的3 ~ 5倍。可以说，PHEV是混合动力汽车和纯电动汽车之间的过渡产品。与传统的内燃机汽车和普通混合动力汽车(HEV)相比(见表5)，PHEV更依赖动力电池驱动车辆，因此其燃油经济性进一步提高，二氧化碳和氮氧化物的排放量更少。由于动力电池容量的增加，每辆车的价格比一般的HEV至少高2000美元。

图3显示了四种不同类型的客车，它们的电池容量与汽车价格、燃料消耗和废气排放进行了比较。可以看出，随着电池容量的增加，汽车价格会上涨，但油耗和尾气排放会降低。因此可以认为，电动汽车是以使用和磨损电池为代价来节油减排的，动力电池性价比的大幅提升将是电动汽车快速普及和使用的关键。

一般HEV动力电池的SOC只在很小的范围内波动(比如2% ~ 3%)，所以循环寿命很长，而PHEV动力电池的SOC必然在很大的范围内波动(比如40%)，属于深充深放，所以循环寿命短很多，类似于纯电动汽车(PEV)。目前，PHEV使用先进的锂离子电池。从表1可以看出，锂离子电池每释放1kWh的电能，能耗为10.2元，相当于内燃。

3倍于千瓦时的能耗成本。随着全球油价的上涨，燃油内燃机的能耗也会增加，而锂离子电池的能耗会随着技术进步和产量扩大而降低(如图4)，两者可能在2015到2020年之间达到一个平衡点。因此，PHEV有望在10年得到广泛应用。

4.燃料电池电动汽车

早在1839年，英国人格罗弗就提出了氢氧反应发电的原理。20世纪60年代开发出液氢液氧燃料电池，由美国UTC公司首先用于航空航天和军事用途。近20年来，由于石油危机和日益严重的空气污染，以质子交换膜为代表的燃料电池技术受到了世界各国的普遍关注。主要的跨国汽车公司已投入巨资开发各种类型的燃料电池电动汽车(FCEV)。

4.1质子交换膜燃料电池的主要优点(PEMFC)

(1)其排放产物为水和蒸汽，零污染；

(2)能量转换效率可高达60-70%；

(3)无机械振动、低噪音、低热辐射；

(4)宇宙75%的质量是氢，地球上几乎到处都是氢。氢也是最轻的化学元素，具有最好的导热性和可燃性。

(5)氢气的热值很高，1kg氢气的热值相当于3.8L的汽油。

4.2燃料电池电动汽车的技术和经济问题

在中国，科技部在第十个五年计划和第十一个五年计划中将燃料电池公共汽车和燃料电池汽车的研发列为" 863 "重大科技项目。并取得了一系列重大科技成果，但在多年的科研实践中，也暴露出一些技术和经济问题:

(1)燃料电池发动机耐久性短。

一般只需要1，000 ~ 1，200小时(国外最多2200小时)。燃料电池车行驶4 ~ 5万公里时，功率会下降~ 40%，与传统内燃机一般能行驶50万公里以上有很大区别。

(2)燃料电池发动机的制造成本仍然很高。

一般估计在30000元/kW(国外成本在3000美元/kW左右)，与传统内燃机仅200 ~ 350元/kW相比差距巨大。因为质子交换膜、碳纸、铂金属催化剂、高纯石墨粉、氢气回收泵、加压气泵等关键部件都是进口的，与国外相比没有成本优势；

(3)燃料电池发动机对工作环境的适应性差。

国产产品可以在0 ~ 40℃的温度下工作，0℃以下有结冰问题，40℃以上过热不能正常工作；此外，它对空气中的粉尘、一氧化碳、硫化物非常敏感，铂催化剂容易被污染和中毒。

(4)燃料电池汽车的使用成本过高。

比如高纯(99.999%)高压氢气(>:200辆大巴价格约80 ~ 100元/公斤。按1kg氢气可产生10 kW·h电能计算，仅燃料费用约为10元。

/kWh，按燃料电池发动机使用寿命1000小时计算，折旧费用30元/kWh。所以总动力成本高达40元0kWh，对比表1可以看出，至少在目前，燃料电池发动机提供1kWh电能的成本远远高于各种动力电池，从一个侧面反映出燃料电池汽车作为汽车的动力源还有相当的距离。

4.3燃料电池电动汽车的当前研究课题

虽然存在这么多问题，但燃料电池仍然是迄今为止人类发明的最清洁、最安静、可无限再生的能源，值得我们付出更大的努力来实现燃料电池电动汽车的产业化。

为此，建议从以下几个方面着手:

(1)以更创新的思维深入研究燃料电池的基础理论和材料，如尝试寻找非铂金属催化剂；努力开发耐电腐蚀、耐高温(>:110℃)高机械强度质子交换膜等金属双极板。

(2)努力实现复写纸、增压气泵等关键部件的国产化，降低整机成本；

(3)进一步完善整机优化集成技术，努力提高耐候性(高低温变化)、抗大气污染和电负荷快速变化能力。

5.电机和电动轮的分类

电动汽车驱动电机是所有电动汽车必不可少的关键部件。目前，广泛使用的电机有四种:DC无刷电机、永磁无刷电机、交流感应电机和开关磁阻电机。

美国和德国开发的大多数电动汽车使用交流感应电机。主要优点是价格低，效率高，重量轻，但起动转矩小。日本开发的电动汽车几乎都使用永磁无刷电机。它的主要优点是效率可以比交流感应电机高6个百分点，但价格较贵。一般永磁材料只能耐热120℃以下。开关磁阻电机在结构上比较新颖，具有结构简单、可靠、成本低、起动性能好、无大冲击电流等优点。它具有交流感应电机变频调速和DC电机调速的优点，缺点是噪音大，但仍有改进的空间。表6列出了四种电机的比较。

很明显，表6中的四种电机各有优缺点，但对于电动汽车来说，由于电能是由各种电池提供的，价格昂贵且珍贵，所以使用效率相对较高的永磁无刷电机更为合理，这种电机已经广泛应用于功率小于100kW的现代电动汽车。

此外，国外越来越多的电动汽车采用了先进的电动轮(又称轮毂电机)，用电机(多为永磁无刷)直接驱动车轮，因此没有传统汽车的变速箱、传动轴、驱动桥等复杂的机械传动部件，汽车结构大大简化。但它要求电机在低速时有很大的扭矩，尤其是军用越野车，电机基点转速∶最大转速=1∶10(见图5)。近年来，美、英、法、德等国已将电动轮技术应用于军用越野车和轻型坦克上，并取得了巨大的成果。例如，美国海军陆战队以悍马为基础，开发了一系列“影子”混合动力越野车，采用电动轮技术。其结构和主要技术参数见表7。与传统悍马相比，在同等侦察测试条件下，悍马耗油472kg，而暗影仅耗油200kg。同样的越野路段，悍马跑了32分钟，而暗影只用了13分50秒。此外，它还具有纯电动模式下静音、无“热痕迹”的优点。如此优异的性能，据报道，美国军方已经决定停止生产传统的悍马车，代之以新型混合动力电动轮驱动的“影子”军车。这一重要发展趋势应引起高度关注。

二、电动汽车的发展趋势

综上所述，从技术/经济分析中，我们可以得出以下关于电动汽车技术现状和未来的结论:

(1)基于目前国内市场价格，我们可以大致算出各种供电技术的价格比。即电网、柴油机、铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池、燃料电池供电= 1:6:6:19.2:20.4:80。这从一个侧面反映了各种供电模式与电动车市场的距离。当然，随着油价的上涨和电池技术的进步，这些比例关系会发生很大的变化；

(2)由于铅酸电池的供电成本与柴油机大致相当，因此仍是低端电动车市场的主要动力电池。磷酸锂离子电池技术进步很快，最有可能成为铅酸电池的竞争对手，率先成为高端电动车市场的主力动力电池。

(3)由于混合动力汽车只需配备纯电动汽车1/10容量的动力电池，整车性价比接近市场，在不久的将来仍将是实现产业化的主要电动汽车类型。考虑到我国国情，仍应大力推广使用混合动力客车，进一步降低制造成本，减少油耗和排放；

(4)锂离子电池性价比进一步提高后，外插电式混合动力汽车(PHEV)有望成为上班族的理想乘用车，可大幅降低油耗和排放，但由于价格较高，可能会先在发达国家推广应用；

(5)虽然燃料电池是一种理想的清洁能源，但目前其性能价格比太低。要达到能进入市场的性价比，任重道远，需要在基础材料和基础理论上有重大突破，才能进入汽车市场。

(6)电动轮已成为国外电驱动技术的重要发展趋势，并在军用越野车上得到应用，证明了其在技术/经济上的重要优势。我国虽然有很多研发单位，但始终没有进入“863”计划，技术进步缓慢。因此，有必要尽快赶上并掌握这种先进的电驱动技术。