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电动汽车用动力电池的现状及发展趋势


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第2 卷第2 4 期
200 4年 4月

辽 宁 工 学 院 学 报
J OUR NA OF L AONI L I NG NS TUTE OF TE I TI CHNOL OGY

V o_ 4 No 2 l2 .


Ap. r 2004

电动汽 车用动 力 电池 的现状及发 展趋势
邱 纲 陈 勇 李 东 , ,
( . 宁工 学 院 汽车 与交通 工程 学 院 , 宁 锦州 1 1 0 ;. 1辽 辽 2 0 1 2 辽宁 石油 化工大 学 , 宁 抚顺 辽 130 ) 1 0 0



要 :电 动汽 车 的 发展 已经 成 为 当今 世 界各 国的热 点 . 力 电池 是 电动 车 的关 键 技术 和 影 响 电动 车 发展 的 动

主要 障 碍之 一 .本 文介绍 了铅 酸 电池 , 氢 电池 , 离子 电池 和燃 料 电池 的历史 , 镍 锂 工作 原 理和 现 状 以及将 来 的前 景 . 关键 词 : 酸 蓄 电池 ; 氢 蓄 电池 ; 离子 蓄 电池 ; 料 电池 铅 镍 锂 燃

中 图分类 号 :U4 97 6. 2

文献标 识 码 :A

文 章编 号 :O5l9 (O4 O—010 lO一OO 2O )204—4

Pr s n t t s a d Pr s e to e e tS a u n o p c f EVS Po r d wih Ba t r e we e t te is
QI Ga g , HEN n L n U n C Yo g , IDo g
( .Auo bl & Tr i gn eig C l g , i nn nttt f Teh oo y, iz o 1 1 0 , ia .La nn 1 tmo i e Mf En iern ol e La i Isi e o c n l c e o g u g Jnh u 2 0 1 Chn ;2 i i o g
Per c m ia ie st Fu hu 1 0 to he e lUn v r i y, s n 1 3 00, i ) Ch n a

Ke r s y wo d :VRLA ; — H a t r l h u t n b te y;u lb te y NiM b te y;i i ma i at r f e a tr t o Ab ta t sr c :De eo me to lc r e ilsh sb c mea y — ac ig a d mu h c n e nn t ral v lp n fee ti v h ce a e o ne e c th n n c o c r i gma t l c e o e h rd Th s fb te is i v r t e wo l . e u e o at re n EVS i o e e h oo y, o v r r itn n n le cn s fk y tc n lg h we e ,e sig a d i f n ig s u EVS d v lp n os med g e . ep p ri to u e h it r wo kn rn i l , r s n tt s e eo me tt o e r e Th a e n r d c st ehso y, r ig p icpe p ee tsa u

a d p o e to n r p c fVRLA ,NiM H a tr ih u t n b te y a d f e e1 — b te y,l i ma i a tr n u l l t o c .

由于 燃 油 汽 车 的发 展 所 造 成 的 能 源 危 机 和 环 境 问 题 , 展 电动 汽 车 已经 成 为 当 今 世 界 各 国 的 热 发 点 .然 而 , 动 汽 车 发 展 的难 点 之 一 就 是 电 源 问 题 , 电 目前 推 广 电 动汽 车 的 主 要 障 碍 是 一 次 充 电 的续 驶 里

文 就 电动 汽 车 上 常 用 的几 种 蓄 电池 的发 展 历 史 和 性 能情 况 作 以简 单 的介 绍和 比较 .

1 铅 酸 蓄 电池
发展历史 : 酸 电池诞 生于 16 铅 8 0年 , 今 已有 距 1 0多 年 的 发 展 历 史 , 泛 用 于 内燃 机 汽 车 的 起 动 0 广 动 力 源 . 是 成 熟 电 动 汽 车 蓄 电池 , 是 目前 唯 一 能 它 也 大 量 生 产 供 应 的 电 动 汽 车 电池 [ .有 8 ~ 9 的 2 ] 0 0 采用率 . 工 作 原 理 : 是 采 用 金 属 铅 作 为 负 极 , 氧 化铅 它 二
作 为 正 极 , 硫 酸 作 为 电解 液 , 化 学 反 应 式 为 : 用 其
Pb+ Pb O2+ 2 S = 2 S H2 O4 Pb O4+ 2 O H2

程和初始价格 .而 电动汽车 的电源 系统是引起这些 问题的主要原 因, 电源系统 的要求如下 : 对 ( ) 的比能量和能量密 度 ; 1高
( ) 的 比功 率 和 功 率 密 度 ; 2高 ( ) 速 充 电和 深 度 放 电 的 能力 ; 3快 () 用寿命长 ; 4使

() 5 自放 电率小 , 电效率 高 ; 充 () 6 安全性能 良好 , 且成本低廉 ; () 7 免维修 ; () 8 对环境无 危害 , 回收性好[ . 可 1 ]
目前 还 没 有 一 种 电 池 能 完 全 满 足 上 述 要 求 , 本

放 电 时 , 和 二 氧化 铅 都 与 电解 液 反 应 生 成 硫 酸 铅 . 铅 充 电 时 反应 过 程 正 好 相 反 . 现 在 比较 广 泛 的采 用 免
维 护 的 阀控 式铅 酸 电池 ( A) VI .

收 稿 日期 :2 0 —0 0 031—8

基 金项 目:辽 宁 省博 士科 研启 动 基金 ( 目编 号 :0 3 0 4 项 20 18 )

作者 简介 : 邱纲 (9 2) 男 ( 族) 辽宁 抚顺 人 , 师 , 士生 . 17一 , 满 , 讲 硕

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辽 宁工 学院 学报

笫 2 4卷

主 要 优 缺 点 : 的优 点 是 技 术 比较 成 熟 , 靠性 它 可 好, 原材 料 容 易得 到 价 格 便 宜 , 功率 基 本 上 能 满 足 比
电动 汽车 的 动 力 性 要 求 . 点 是 比能 量 较 低 , 致 一 缺 导

池 充 电时 , 正极 的 氢 进 入 负极 贮 氢 合 金 巾 , 电时 过 放
程 正好 相 反 .在 此 过 程 中 , , 正 负极 的 活 性 物 质 都 伴

随着结 构 , 成分 , 体积 的变 化 , 电解 液也发生变 化.
主 要 优缺 点 : 对于 其 他 电池 , — 相 Ni MH 电 池 的 优 异 特 性 表 现 在 以 下 几 点 [ ( ) 比能 量 ( 量 电 , 1 高 衡
动 车 一 次 充 电 行驶 里 程 ) 已与 锂 离 子 电池 水 平 相 当 ;

次 充 电的 行驶 里 程 短 , 且 质 量 和 体 积 较 大 , 加 r 并 增 汽 车 的 自重 和 自身 功 率 消耗 .另 外 铅 酸 电 池 的 使 用 寿命 短 , 用 成 本 较 高 . 使
发展现状 : 目前 正 在 开 发 的 电动 汽 车 用 先 进 铅
酸蓄 电 也主 要 有 以 下 几 种 【 , 1 水 平 密 封 铅 酸 电 3 () ]

() 比功率 ( 予 电 动 车 良好 的 启 动 , 速 , 坡 性 2高 赋 加 爬
能 ) 性 能 已高 于 锂 离 子 电池 ;3 }寿命 特 性 ( 予 其 ( )∈ 赋 电池 良好 的 经 济 性 ) 均 寿命 3 O 6 0次 ;4 安 全 平 O~ 0 ()

池 , 国 Eet su 公 司 开 发 的 .( ) 极 型 密 封 铅 美 l r or co 2双

酸 电 池 , 国 Ar sReerhAsoit 美 i sac sc e a a s公 司 与 加 州
喷 气 推进 实 验 室 开 发 . ( ) 式 电 极 铅 酸 电池 , 典 3卷 瑞

性 能高 , 污 染 物 , 誉 为 " 色 电 源 " 但 是 目前 阻 无 被 绿 .
碍 其应 用 的 一 个 重 要 问 题 是 初 始 成 本 的 太 高 , 般 一 都 大 于 1 0 ¥/ W · _ , 且 还 有 记 忆 效 应 和 充 电 5 k h .而

OP M A 公 司 和 美 国 E DE 分 别 研 制 . TI XI 这 些 电 池 都 采 用 了一 些 合 金 极 板 和 专 利 技术 大 大 的 提高 了铅 酸 电 池 的 性 能 指 标 .现 在 铅 酸 电池 售 价 小 于 10 ¥/ 0 KW ·h .比功 率 可 达 到 ]0 W · _, 5/ k _ , 能 量 达 到 4 / 1· g .循 环 寿 命 达 到 8 0 g .比 5硼 k -, 0
次 以上 .

发 热 等 问题 , 电发 热 会 引 发 安 全 问题 , 充 因此 相 应 的 要 求 发 展 可 靠 的 能 量 管 理 系统 .
发展现状 : 日本 从 事 电 动 汽 车 用 Ni — MH 电池 开

发 的 代 表 性 厂 家 为 松 下 公 司 和 丰 田 公 司. 国 的 美 Ovnc公 司 和 美 国 US C( 国先 进 电池 联 合 体 ) oi AB 美
也 正 在 积 极 开 发研 制 Ni — MH 电池 .表 1 ] 内 外 各 国 个 厂家 的 Ni — MH 电 池 组 的主 要 技 术 指 标 . 下 表 中 从 可 以看 出 , 国 的 Ni 中 — MH 电池 技 术 也 处 于 国 际先 进
水平 .

发 展 前 景 : 酸 电池 作 为 电动 汽 车 的 主 要 动 力 铅
源 , 且 技 术 成 熟 , 用 成 本 远 远 低 于 MH— Ni 并 使 和 锂 离 子 等 高 能 电 池 , 以 还 会 在 很 长 一 段 时 间 内 仍 所

是 电动 汽 车 中最 可 能 广 泛 使 用 的 能源 [ 但 是 , . 由于

新型 电池的 日新月异 的出现 , 必将 有性能 , 本等 更 成 适合 的 电动汽 车商 业 化 的 电池取 代铅 酸 电池 的地
位 . 某 种 程 度 上 , 酸 电池 时 代 可 以称 得 上 是 电 动 在 铅
汽 车 用 电 源 的起 步 和 过 渡 阶 段 .

发展 前 景 : — Ni MH 电 池 优 越 的 性 能 极 具 吸 引 力, 除 技 术 不 太 成 熟 外 , 其 它 电池 更 具 发 展 潜 比
力 , 以很 多 厂 家 正 在 研 发 Ni 所 — MH 电 池 , 是 电 动 它 汽 车 发展 中期 目标 的 主要 能 源 之 一 .具 有很 大 的 发
展前 景 .

2 镍 氢 蓄 电池
发展历史 : 在 2 早 0世 纪 3 O年 代 , 基 电池 技 术 镍 就 已经 出 现 , 了 2 到 O世 纪 7 O年 代末 期 由 于 电 动 汽 车 工 业 的 复 苏 , 得 镍 基 电池 快 速 的 发 展 起 来 . 早 使 最 应 用 的是 Ni d电 池 , 后 出现 镍 锌 电 池 和 镍 氢 — C 而 电池 .9 0年 代 镍 氢 电池 投 放 市 场 , — H 电 池被 认 Ni M
为 是 满 足 电 动 汽 车 使 用 近 期 目标 的 电池 , 时 也 是 同


3 锂 离 子 电池
发展 历 史 : 离 子 电池 出 现 在 9 锂 O年 代 初 期 , 是

由 日本 索尼公 司首先 推 向市场 的新 型高 能蓄 电池 ,
由于 它 的独 特 性 能 , 短 短 十 几 年 的 时 间里 , 离 子 在 锂 电池 技 术 得 到 了空 前 的 发 展 .许 多 国 家 和 一 些 厂 家

对 锂 离 子 电 池 在 电 动 车 , 天 和 储 能 方 面 都 表 现 出 航
浓厚的兴趣和关注 .

种 新 型 绿 色 电池 , 当多 的 电 池 生 产 厂 家 都 致 力 相 工作原 理 : — Ni MH 电 池 正 极 活 性 物 质 采 用 氢

于 它 的研 发 .

工 作 原 理 : 离 子 电池 使 用锂 碳 化 合 物 作 负极 , 锂 锂 化 过 渡 金 属 氧化 物 作 正 极 , 体 有 机 溶 液 或 固 体 液 聚合 物 作 为 电解 液 . 在充 放 电过 程 中 , 离子 在 电 池 锂
正极 和 负极 之 间 往 返 流 动 . 电 化 学 反 应 方 程 式 为 :
I C+ Ii O: = i M 寻 C + Li 0 — 一 M

氧 化镍 , 极 活 性 物 质 为贮 氢 合 金 , 解 液 为氢 氧 化 负 电
钾溶 液 , 电池 中的 主 要 反 应 为 :
正 极
NiOH ) ( 2+ OH~一 Ni OOH + H2 + e O 一

L 为锂 碳 化 合 物 ; i i C L一M 为 锂 化 过 渡 金 属 氧 化 物 . 电 时 , 离 子 由 电 池 负极 通 过 电 解 液 流 向正 极 放 锂 并 被 吸 收 .充 电时 , 程 正 好 相 反 . 过 主 要 优 缺 点 : 离 子 电 池 基 本 上 解 决 了蓄 电 池 锂 的 两 个 技 术 难 题 , 安 全 性 差 和 充 放 电 寿命 短 的 问 即 题[ . 时锂 离 子 电 池 具 有 高 的 电池 单 体 电 压 , 的 7 同 ] 高

负 极
M + H2 + e 一 MHa OH一 O 一 b+

总反 应 式
NiOH) ( 2+ M — Ni oOH + M H b

式 中: 为贮氢合金 ; M ME 贮 有 氢 的贮 氢 合 金 . 为 电

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第 2期

邱 纲等 :电动 汽 车 用动 力 电池 的现状 及 发展 趋 势

4 3

比能量和 能量 密度 , 以说 是 当前 比能量 最高 的 电 可
池 , 作 稳 定 . 的性 能 指 标 都 可 以满 足 US C 制 工 它 AB

子 电 池 比能 量 达 到 1 3 , · - , O D 4 /7 .8 OD 的 比

功率 为 3 5 W · 4/

L. 国瓦尔塔 公 司也 在研 制 8德 j

定 的电动车 中期 目标 . 缺点是 自放 电率高 , 始成本 初 较高 . 生产技术上还 有待于进一步发展 .
发 展现状 : 日本 索 尼 公 司 生 产 的锂 离 子 电 池 在

高能量密度型和 高功率密度型 电池 .高能密度型 电
池 为 方 型 , 量 为 6 , 容 0Ah 比能 量 为 l 5Wh· g . 1 k _, 使 用 寿命 9 0次 (0 DOD) 随 着 技 术 的 发 展 , 0 10 . 锂 离子 电池 的性 能 指 标 将 会 越 来 越 高 . 发 展前景 : 良好 的 性 能 指 标 注 定 锂 离 子 电 池 会 有广 阔 的发展前 景 , 展 潜力 巨大 , 计 到 21 发 预 0 0年 前 后 , 成 为 锂 离 子 电池 的 时 代 . 将

性能 上 和 品 种 上 已经 具 备 相 当高 的 水 平 .该 公 司生

产 的圆柱型单 体电池 分为高能型和 高功率型 .其 中 高能型 电池 的 比能量 为 1O 1/ · g .8 %D D k _ ,O O 的 比功率 3 0 W · g . 放 电次数 1 0 0/ k -, 充 0次. 2 高功
率 型 的 圆 柱 电 池 8 D.D 的 比 功 率 高 达 O 8o w ·k ~. 国 萨 弗 特 公 司 的 圆柱 型 单 体 锂 离 o/ g 法

表 1 国 内外各 个厂 家 Nj —MH 电池 组技 术指标 对 比

4 燃 料 电池
发 展 历 史 : 料 电池 从 1 3 燃 8 9年 问 世 以来 , 已经 经 过 了 1 0多 年 的发 展 . 到 2 6 直 O世 纪 6 O年 代 , 料 燃

作 用 下 发 生 氧 化 反 应 并 输 出 电子 到 外 电路 . 阴 极 在

催化 剂作用下发生还原反应 , 并从外 电路接 受电子 . 电解 液用于传 递燃 料反应 的离子 和电子 . 主要优 缺点 : 燃料 电池是 一个能量生成装 置 , 并
且 一 直 产 生 能 量 , 到 燃 料 耗 尽 . 的优 越 性 在 于 高 直 它

电池作 为航 空器 的 动力 源 , 才得 到 了实 际 的应 用 . 19 93年加拿大 的巴拉德公 司纯 氢一空气型 2 0 5 4组 k 电池组 , W 成功的进 行 了公共 汽车 行驶试 验 , 实 证 了燃 料汽车可以与燃油汽车等 同 的性能 .而后 的许 多 厂家都开始 燃 料 电池 的研究 .如 日本 的丰 田汽 车公 司, 国大众奔驰公 司, 德 戴姆勒 一克 莱斯勒公 司
等 , 以认 为 2 可 1世 纪 初 燃 料 电 池 开 始 实 用 化 ,0 0 2 1

效率 的把燃料转化 为电能 , 工作 安静 , 以纯氢 为燃 料
时 可 以实 现 零 排 放 , 料 补 充 迅 速 , 且 燃 料 容 易 获 燃 并 得 . 点 是 现 在 的应 用 技 术 还 需 要 进 一步 的 提 高 , 缺 还

存 在一定的安全问题和价格 问题 .
发 展 现 状 :O年 代 以来 燃 料 电 池 成 为 各 个 发 达 9
国家 竟 相 开 发 的 电动 车 电池 . 拿 大 , 国 , 加 美 日本 , 德

年前后燃料 电池驱 动的汽车将会 相 当普及[ . 目前 9 ] 有五种 燃料 电池 , 由于质 子交 换膜燃 料 电池能 在常
温 下 工 作 , 以 成 为 研 究 最 为 活跃 , 展 也 最 快 的 燃 所 进

国等 国 家 处 于 领 先 地 位 , 中 以加 拿 大 的 巴德 拉 公 其 司最 为 先 进 . 由于 汽 车 运 行 工 况复 杂 , 如果 单 独 用燃

料 电池作 动力 源会导致 燃料 电池 后备 功率很 大 , 引 起 重量增加 , 成本上 升 , 气利用低 的问题 . 以, 氢 所 目 前的燃料 电池几乎全部采 用燃 料 电池加辅助 动力 源

料 电池 , 目前汽 车上用 的燃 料 电池多 为质子 交换 膜
燃料 电池.

工 作原理 : 燃料 电池是 一种将储 存 在燃料 和 氧 化 剂 中 的化 学 能 通 过 电极 反 应 直 接 转 化 为 电能 的发
电 装 置 .燃 料 电池 通 常 由三 部 分 组 成 , 阳极 ( . 即 A) ,

的混 合驱动方案 . 目前 以氢为燃 料 的电动 汽车在性
能 上 已经 基 本 赶 上 了燃 油 汽 车 . 是 , 成 本 制 约 了 但 高 ,
发展 . .

阴极 ( 和 电解液 ( ) 阳极 为 燃料 电极 ; C) E, 在催化 剂

发 展 前 景 : 料 电 池 电 动 车 这 是 唯 一 能 与 燃 油 燃

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4 4

辽 宁工 学 院学报
北 京理 工大 学 出 版社 , 0 2 1 7 20 .8 .

第 2 4卷

汽车 相 比的 电 动 车 , 可 能 成 为 未 来 的主 流 技术 . 有 但

是燃 料 电池 汽车要 达到商 品化 还要克 服许 多 困难 ,
高 额 的开 发 费用 更 是 限 制 它 发 展 的原 因 . 但是 在 未

[] 2 毕道 治. 电动 车 电池 的开 发 现 状 及 展 望 口] 电 池 工 业 , .
20 . 2 5 —6. 0 0 5( ): 6 3

来 的 5 1 年 内 , 料 电池技术 必将 得 到飞速 的发 ~ 0 燃
展.

[ ] U i g o Y N Z i ag P oed g fte 1 h 3 H Xn u , A h— n . rcei so h 0t — g n N t nl ofr c nEet hm s y J.H nz o , ai a C ne neo l r e i r [] a ghu o e co c t
l9 . 8. 9 9 B0 1

5 结 论
() 酸 动 力 电池 最 安 全 , 本 最 低 , 然 是 电 1铅 成 当 动 汽 车 的 可 选 动 力 电源 , 比能 量 , 但 比功 率 都 较 低 . ( ) 氢 动 力 电 池 和 锂 离 子 动 力 电 池 在 比功 率 和 比 2镍

[] 4 金国栋, 黄禹, 吴晓明. 阀控式铅酸电池在电动车发展 中
的地 位 [] 电池 ,0 03 ()l4 3. J. 20 .0 3 :3 一l6

[] 5 吴伯荣. 电动 车用 MH—N 动 力 电池 [] 电源 技术 , i J.
20 . 41 :5 5. 0 0 2 ( ) 4 — 6

[ ] 自强. 6郭 电动车用金属氰化物一镍 电池 [] 电源技术 , J.
2 0 2 ( : 3 — 2 1 0 1, 5 3) 2 5 4.

能量方 面都 比铅 酸动力电池有所提高 , 但是成本高 , 还 存在安全 问题 , 为提高 安全性 需要 使用 电池 管理
系 统 . () 料 电 池是 今 后 发 展 的重 要 方 向 , 目前 3燃 但

[] 7 冯熙康 , 朱进朝. 电动车与航天用锂离子蓄 电池 的进 展
[]C i s ora o P w r o r s 99 2 () 16 J. hn eJunl f o e uc .1 9 ,3 3 :8 e S e


存在成本高 的问题 , 考虑到汽车 的运行 特点 , 采用混
合 驱 动 方 案 是 未来 电动 汽 车 发 展 的 主 流 .

l9 O.

[] 8冯熙康 , 朱进朝. IF 9 C B 9 论文集[ ]1 9 :1 4 . c . 9 94 - 5 [] 9 香山科学会议年报. 燃料 电池的研究现状未来发展一2 l
世 纪 的新型 发 电技术 [ .9 5 1 9 :6 7 A] 19 - 9 68 —8.

参考文献 :
[] 1 陈清 泉 , 逢春 , 嘉 光. 代 电动 汽 车 技术 [ . 京 : 孙 祝 现 M]北

责 任 编 辑 : 亚 兵 刘

( 接第3 上 1页) 料 为 黄 铜 , 材 h=5mm,=4mi ,一 b lr l
5 0mm,一 10mm.单 元 类 型 为 S I)5 0 OL 【4 .

参 数 , 些振 型存 在频 率 差几 乎 为零 的近似 正交模 某
态 . 这是 该 类 环 形 弯 曲振 动模 态 有 别 于 圆 环 的一 个
重要 特征.

图 4所 示 为 B , , .B B., 的弯 曲 振 型 模 态 .由

4 结 论
针 对 一 类 直 线 超 声 电 机 定 子 , 文 就 具 有 轴 对 本

称 圆环的弯 曲振动进 行 了模态分 析 , 论分 析 与有 ' 理 限元数 值结果表 明 , 圆环 弯 曲振 动对任 一 阶弯 曲振

动模 态 , 存 在 同 阶, 频 率 , 位 差 9 .空 间差 总 同 相 0,
14 / 波长 的正交 的两个 弯 曲振 型. 含直 梁段 圆环 弯 但
曲 振 动 模 态 通 常 情 况 下 同 阶 的两 个 弯 曲振 型 对 应 的 两 个 固有 频 率 不 等 , 含 直 梁 段 圆 环 , 对 当选 取 适 宜 结 构 参 数 时 , 可 以 找 到 频 率 差 几 乎 为 零 的 近 似 正 交 总
模态 .

参考文献 :
[ ] 羽 贞行 ,富川 义 郎著 ; 1上 杨志 刚 , 学 伦译 .超 声 波 马达 郑 理 论 与应 用 [ . 海 : 海 科 学 技术 出版 社 ,98 4 M]上 上 19. —
7 .

[] 2 陈永 校 , 吉 丰. 声 波 电机 [ .杭 州 :浙江 大 学 出 版 郭 超 M]
社 ,941 —2 . 19 .9 1

[] .T m sek , .H o n , .Wevr i ai 3 S i ohn o D .Y u g W ae.Vb t n r o Po l snE g er g M ] e ok· h hse · rb m n i e n [ .N w Y r C i e r e i n i c t
图 4 含直 梁 段 圆环 弯 曲振 动 模态 简 图
B i a e· oo t J h ly& S n ,1 7 , o nh r b n T rno, o n Wi s e o s 9 4 F u —
Edto 4 9 — 8 . i n, 7 — 4 0 i

图可 以看 出 , 常情况下 , 通 同阶 的两个 弯曲振型对应
的两 个 固有 频 率 有 较 大 的 差 异 .但 对 于 适 宜 的 结 构

责 任 编 辑 : 亚兵 刘

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