1.2 新能源汽车和动力电池的发展趋势

动力电池是电动车辆的主要能量来源，其技术历经了多次材料体系的变迁，每一次电池材料体系的变化都极大促进了汽车技术的发展变化。很多人都以为新能源汽车是近几年才出现的新事物，其实，新能源汽车并不是近些年才有的，比如新能源汽车中的纯电动汽车比传统内燃机汽车出现的还要早。

1.2.1 电池的发明

19世纪初，亚历山德罗·伏特制成了人类历史上最早的电池，人们称之为伏特电池。

1830年，威廉姆·斯特金解决了伏特电池的弱电流和极化问题，使电池的使用寿命大大延长。

1836年，约翰·丹尼尔进一步改进了伏特电池，提高了伏特电池的稳定性，后人称之为丹尼尔电池。它是第一个可长时间持续供电的蓄电池。

1839年，英国人Grove发明了燃料电池，它是以铂为电极催化剂的简单氢氧燃料电池。

1859年，法国科学家普兰特·加斯东（Plant Gaston）最早发明了一种能够产生较大电流的可重复充电的铅酸电池。

1860年，法国人雷克兰士发明了世界上广泛使用的碳锌电池的前身。

1887年，英国人赫勒森发明了最早的干电池。

1899年，瑞典人Waldmar Jungner发明了镍镉电池（Ni-Cd）。

1901年，爱迪生发明了镍铁电池（Ni-Fe）。

1984年，荷兰的飞利浦（Philips）公司成功研制出LaNi5储氢合金，并制备出镍氢电池（Ni-MH）。

1991年，可充电的锂离子电池问世，实验室制成的第一个18650型锂离子电池容量仅为600mA·h。

1992年，日本索尼公司开始大规模生产民用锂离子电池。

1995年，日本索尼公司首先研制出100A·h锂离子动力电池，并在电动汽车上应用，展示了锂离子电池作为电动汽车用动力电池的优越性能，引起了广泛关注。

2000年以后，我国锂离子电池开始了商业化生产，随着我国新能源汽车产业的发展，截至2017年，中国电动汽车市场实现锂离子电池装车总量33.55GW·h，具备规模生产锂离子电池的厂家已多达300多家。

1.2.2 电动机的发明

1821年，英国人迈克尔·法拉第（Michael Faraday）发明电动机实验室模型，只要有电流通过线路，线路就会绕着一块永久磁铁不停地转动，这就是电动机的雏形。

1827年，匈牙利物理学家安幼思·杰德利克（Ányos Jedlik）开始尝试用电磁线圈进行实验。杰德利克解决一些技术问题后，称他的设备为“电磁自转机”。虽然只用于教学目的，但第一款杰德利克的设备已包含直流电动机的三个主要组成部分：定子、转子和换向器。

1831年，美国人约瑟夫·亨利改进了法拉第电动机，使用电磁铁代替永久磁铁，提高了输出功率，从而向实用电动机发展跨出了重要一步。

1834年，德国人莫里茨·赫尔曼·雅可比对亨利电动机做出了重要革新，他把水平的电磁铁改为转动的电枢，并加装了换向器，制成了第一个电动机样机。1838年，他制造出世界上第一台实用直流电动机，安装在船上，并试航成功。从此，电动机就完成了从实验室模型到实用电动机的转化。

1835年，美国一位铁匠托马斯·达文波特（Thomas Davenport）制作出世界上第一台能驱动小电车的电动机，并在1837年申请了专利。

1888年，美国著名发明家尼古拉·特斯拉应用法拉第的电磁感应原理，发明交流电动机，即感应电动机。

1902年，瑞典工程师丹尼尔森利用特斯拉感应电动机的旋转磁场观念，发明了同步电动机。

电动机的发明使电驱动车辆成为可能，为电动汽车的发展提供了条件。

1.2.3 新能源汽车的发展历史

19世纪30年代，苏格兰发明家罗伯特·安德森（Robert Anderson）成功的将电动机装在一部马车上，1842年又与托马斯·达文波特（Thomas Davenport）合作，打造出世界上第一部以电池为动力源的电动汽车，采用不可充电的玻璃封装蓄电池，开创了电动车辆发展和应用的历史。这比卡尔·本茨和戴姆勒发明的第一辆汽油发动机汽车早了数十年。

1881年，法国工程师古斯塔夫·特鲁夫（Gustave Trouve）装配以铅酸电池为动力的三轮车，这是世界上第一辆可充电的电动汽车；随后1890年，威廉姆·莫瑞逊在美国制造了一辆能行驶13h，车速为14mile/h^[1]的电动汽车。1891年，美国人亨利·莫瑞斯制成了第一辆电动四轮车，实现了从三轮向四轮的转变，这是电动车向实用化方向迈出的重要一步。

1895年，由亨利·莫瑞斯（Henry Morris）和皮德罗·沙龙（Pedro Salom）制造的Elec-trobatⅡ，安装了两台驱动电机，能以20mile/h的速度行驶25mile；1897年，美国费城电车公司研究制造的纽约电动出租车实现了电动车的商用化运营。

1899年5月，一个名叫卡米勒·杰纳茨（Camille Jenatzy）的比利时人驾驶一辆以44kW双电动机为动力的后轮驱动的子弹头型电动汽车，创造了时速68mile（110km）的记录，并且续驶里程达到了290km。这也是世界上第一辆时速超过100km的汽车。

1899年，贝克汽车公司在美国成立生产电动汽车。公司生产的电动赛车的最高车速超过120km/h，而且是第一辆座位上装有安全带的乘用车。

1900年，斐迪南·保时捷研制成第一辆混合动力汽车的原型车Semper Vivus。

19世纪末到1920年是电动汽车发展的一个高峰。据统计，到1890年，在全世界4200辆汽车中，有38%为电动汽车，40%为蒸汽机汽车，22%为内燃机汽车。1900年，美国制造的汽车中，电动汽车为15755辆，蒸汽机汽车为1684辆，而汽油机汽车只有936辆。

然而电动汽车的黄金时代仅仅维持了20多年便走向衰退。1901年，在美国得克萨斯州发现了石油，使得汽油价格下跌，大大降低了汽油车的使用成本；1908年，福特汽车公司推出了T型车，并开始大批量生产，内燃机汽车的成本大幅度下降；1911年，查尔斯·科特林（Charles Kettering）发明了内燃机自动起动技术；1912年，电动车售价1750美元，而汽油车只要650美元，内燃机汽车应用方便、价格低廉的优点逐步显现。汽油的质量能量密度是电池的l00倍，体积能量密度是电池的40倍，而且动力电池充电时间也明显长于内燃机汽车燃油的加注时间，电动汽车续驶里程短、充电时间长成为无法与内燃机汽车相抗衡的致命因素。随着内燃机汽车设计和制造技术的发展，在很多地区，有轨电车和无轨电车也逐步被柴油驱动的内燃机汽车取代了。到20世纪20年代，电动汽车几乎消失了。

进入20世纪70年代，1973年爆发的石油危机令全世界陷入石油短缺的境地中，石油资源的日益减少、大气环境的严重污染，让人们重新关注电动车。

1976年，美国国会通过了《纯电动汽车和混合动力电动汽车的研究开发和样车试用法令》（The Electric and Hybrid Vehicle Research Development and Demonstration》，拨款1.6亿美元资助电动汽车的开发。

1991年，美国通用汽车公司、福特汽车公司和克莱斯勒汽车公司共同协议，成立了先进电池联合体（USABC），共同研究开发新一代电动汽车所需要的高能电池。

1992年，福特Ecostar汽车使用了钙硫电池；1996年，通用汽车公司生产了EV1电动轿车；1997年，丰田的Prius混合动力轿车下线；1997年，日产汽车生产了世界上第一辆使用锂离子电池的电动车Prairie Joy EV；1999年，本田汽车开始销售混合动力汽车Insight；2005年，特斯拉（Tesla）汽车公司成立，2006年推出的Roadster跑车0～60mile只要3.9s，每次充电可行驶400km，随后2012年推出第二代产品Model S，特斯拉也成为当前世界上商业化较成功的纯电动汽车厂家。

进入21世纪以来，新能源汽车产业发展出现了前所未有的机遇，世界各国均非常重视新能源汽车的产业发展，纷纷制定了推进新能源汽车发展的相关产业政策，新能源汽车产业的春天已来临，汽车进入了电气化驱动时代。

1.2.4 我国新能源汽车的发展

2000年，我国将电动汽车列入“863”计划 12个重大专项之一。从 2001年开始，“863”项目共投入20亿元研发经费，形成了以纯电动、油电混合动力、燃料电池三条技术路线为“三纵”，以动力电池、驱动电机、动力总成控制系统三种共性技术为“三横”的电动汽车研发格局。

2004年，在国家颁布的《汽车产业发展政策》中明确提出了鼓励发展节能环保型电动汽车与混合动力汽车技术。

2005年，国家发改委将电动大客车列入《车辆生产企业及产品公告》，并出台了相关国家标准。

2008年，新能源汽车在国内呈现全面出击之势。2008年1～12月新能源汽车的销量增长主要是乘用车的增长，1～12月新能源乘用车销售899辆，同比增长117%，而商用新能源汽车共销售1536辆，1～12月同比下滑17%。

2009年，科技部和财政部共同启动了“十城千辆”，并开始给予新能源汽车一次性定额补助。当年1～11月，新能源商用车（包括液化石油气客车、液化天然气客车、混合动力客车等）销量同比增长178.98%，至4034辆。相比于在乘用车市场的冷遇，“新能源汽车”在中国商用车市场已开始迅猛增长。

2010年，我国加大对新能源汽车的扶持力度，自2010年6月1日起，国家在上海、长春、深圳、杭州、合肥5个城市启动了私人购买新能源汽车补贴试点工作。2010年7月，国家将十城千辆节能与新能源汽车示范推广试点城市由20个增至25个，选择5个城市对私人购买节能与新能源汽车给予补贴试点。新能源汽车进入全面政策扶持阶段。

2011年开始进入产业化阶段，在全社会推广新能源城市客车、混合动力轿车、小型电动车。

2012年5月，为了加快发展新能源汽车，新能源汽车项目每年将会获得国家给予的10～20亿元资金支持。

2014年，国家发改委发布了《关于电动汽车用电价格政策有关问题的通知》。我国新能源汽车全年共生产78499辆，生产量同比增长近3.5倍，销售约74763辆，销售量同比增长近3.2倍。

2015年，交通运输部发布的《关于加快推进新能源汽车在交通运输业推广应用的实施意见》明确提出，到2020年，新能源汽车在城市公交、出租汽车和城市物流配送等领域的总量达到30万辆。2015年新能源汽车产量达340471辆，销量达331092辆。

2016年3月，一年多的时间已有14家新建纯电动乘用车建设项目获得国家发改委批准。2016年新能源汽车生产51.7万辆，销售50.7万辆。

2017年，补贴开始缩水，双积分政策也随之落定。新能源汽车产业生态和竞争格局面临重构，加快向低碳化、电动化、智能化方向发展。

电动汽车是21世纪最具发展前景的产业之一，主要的社会效益包括减少汽车的有毒废气排放，特别是空气污染比较严重的城市；减少运输工具对国外石油的依赖，为国家能源需求提供战略弹性；减少二氧化碳温室气体排放，应对全球气候变化。

1.2.5 主流新能源汽车技术及未来发展解析

1．油电混合动力技术

油电混合动力技术是目前新能源汽车过渡阶段的解决方案，其技术特点是：兼具动力性、舒适性与燃油经济性且技术成熟。

混合动力技术是指在车辆动力系统中采用两种不同动力源的一种技术，目前更侧重于燃油电力混合动力。通常降低油耗的方法包括采用小排量发动机、减少怠速运行时间、进行发动机工作点优化、采用辅助能源或者替代能源以及减少摩擦损失和回收制动能量等，辅助发动机的电机可以在起动的瞬间产生强大的动力，因此，驾驶人可以享受更强劲的起步、加速，实现较高水平的燃油经济性。

该技术的优点是：①和汽油车一样到加油站加油，不用改变汽车的使用习惯；政府和企业推广这种产品也无须投资新建充电装置或加气站；②燃油经济性能高，而且行驶性能优越。混合动力汽车的发动机要使用燃油，而且在起步、加速时，由于有电机的辅助，可以降低油耗，可关停内燃机，由电池单独驱动，实现零排放；③动力性优于同排量的内燃机汽车，特别是在起步加速时，电机可以有效地弥补内燃机低转速时转矩不足的弱点；④怠速或低速时采用电机工作，有利于减少汽车的机械噪声。

缺点是：①产品成本较高，电机和内燃机两套动力系统的成本远比一套动力系统高；②长时间高速或匀速行驶不省油。因为混合动力汽车燃油消耗上的优势主要依靠动能积蓄电能，混合动力汽车在行驶中制动减速或起步停车会相对更加节能。而如果长时间处于匀速行驶，其节能效果就会相应降低。

2．插电式混合动力技术

普通混合动力汽车的电池容量小，仅在起/停、加/减速的时候供应/回收能量，不能外部充电，不能用纯电模式较长距离行驶。插电式混合动力汽车的电池相对比较大，可以外部充电，可以用纯电模式行驶，电池电量耗尽后再以混合动力模式（以内燃机为主）行驶，并适时向电池充电。该技术是现阶段应用前景最好的新能源汽车技术，是油电混合技术的升级版。从本质上说，插电式混合动力技术也属于油电混合技术范畴，它与油电混合技术的不同之处是将原有的油电混合技术增加了可充电功能，形成由电池和电机配合发动机向车辆输出动力的两种驱动模式，不仅降低了油耗及排放，更极大地提高了动力和操控性能，既可充电、又可加油的多种能源补充方式，实现了真正意义的双动力混合系统。相比油电混动系统，在短途中完全可实现纯电动行驶，实现零污染零排放。

目前在售代表车型有比亚迪秦、雪佛兰Volt、宝马X1、上汽荣威系列等。其优点为：在油电混合动力的前提下，增加插电式功能，短途中完全可实现纯电动零污染、零排放行驶。相比普通混动车型，可享受国家3.5万元的新能源补贴政策，部分地区最高可达7万元。

缺点：目前技术并不完善，充电设施少，实际使用还是以内燃机为主，同时进口车型价格昂贵，自主品牌价格有优势但品牌影响力不足。

以比亚迪秦和雪佛兰Volt两种车型为例，它们在实际应用中的工作模式并不相同，特别是在电池能量耗尽的情况下。比亚迪秦更多依赖燃油发动机行驶，而Volt发动机更多扮演的是充电增程的作用，多数情况下发动机并不参与行驶工作，而是由发动机驱动发电机发电，电能通过控制器输送到电池或电机，由电机驱动车辆。

3．纯电动技术

纯电动汽车由新能源方案、电池续驶里程决定其发展，其技术特点是：噪声低、无污染、结构简单、转矩大、成本低，但续驶里程是难题。在售代表车型为特斯拉Model S、比亚迪e6、北汽EV系列。

优点：零排放，在行驶中无废气排出，不污染环境，比内燃机汽车的能源利用率要高，转矩性能远超燃油机，同时省去了发动机、油箱和排气系统，所以结构较简单，行驶中并没有噪声，政府补贴支持。

缺点：电池技术瓶颈，续驶里程较短，电池存在寿命短问题，充电地点稀少且充电时间较长。

新能源汽车经历了几年的纯电动热之后，当前进入一个迷茫期，纯电动的续驶里程、价格、充电时间等几座大山依旧是技术难点，令消费者很难接受现在的技术状态，长途行驶无法满足正常应用，同时燃油价格下降使消费者购买热情降低。但不可否认，各国对环境的保护政策成为众多汽车厂商发展新能源汽车的动力。

4．氢燃料电池技术

相比续驶里程短、充电困难的纯电动汽车，燃料电池技术在汽车中的应用具有十分广阔的前景，或将成为新能源汽车的又一发展方向。氢燃料电池（图1-9）无须燃烧即可从氢中提取化学能源，其原理类似于电解的反向作用：通过电化学处理将两种气体合成水，并产生电流，在这个过程中，燃料电池释放出水蒸气和热量。

氢燃料电池汽车代表车型为丰田旗下首款氢燃料电池汽车Mirai，该车已于2014年12月15日上市。

目前困扰业界的就是氢的提取过程并不环保，会额外产生不少二氧化碳。主要通过天然气和水蒸气来提取氢，大概每生产1kg氢，将产生11.9kg二氧化碳。而如要真正实现“零排放”，氢的获取必须采用昂贵的电解质进行水处理，一般电解质采用铂、钯为催化剂，价格昂贵，如能找到廉价的替代品，无疑将有助于燃料电池的大规模推广。

氢燃料电池汽车拥有纯电动汽车难以匹敌的续驶里程和仅数分钟的加气时间，而且动力也不比传统动力车型差，因此氢燃料电池汽车拥有广阔的未来，但想完全取代传统动力汽车仍需要大量时间。

燃料电池汽车并没有内燃机的参与，是一种全新的电动汽车，配有一个可充氢气的燃料箱，没有笨重的电池，且功率比内燃机高3～4倍，它解决了长期困扰电池动力汽车的两大难题：续驶里程有限和充电时间过长。最新数字显示，一箱氢气可供燃料电池汽车行驶480km，而充满一箱氢气只需5min，而且它和电池动力汽车一样，被归为零排放汽车。燃料电池汽车未来或可成为新能源汽车的最终发展方向。

1.2.6 动力电池的现状和未来发展趋势

1．目前新能源汽车上使用的动力电池的类型

长期以来，电池的寿命和成本问题一直是制约电动汽车发展的技术瓶颈。通过不断的技术创新与技术改进，电池技术得到了飞速的发展。动力电池已经从传统的铅酸电池发展到镍氢、钴酸锂、锰酸锂、聚合物、三元材料、磷酸铁锂等先进的绿色动力电池。动力电池在比能量、比功率、安全性、可靠性、循环寿命、成本等方面，都取得很大的进步。表1-1所示为电动汽车上使用的主流动力电池的性能特点。

铅酸电池经过100多年的发展，技术成熟，初期采购成本比镍氢电池和锂离子电池低得多，而且电池结构方面的新技术提高了铅酸电池的性能，因此在一定时间内铅酸电池仍然会被广泛使用。但是铅及其化合物对人体有毒，而且铅酸电池性能大幅度提高的可能性不大，从长远来看，铅酸电池将被其他新型电池所取代。

铅酸电池比较适合低速、低成本的电动车辆，我国绝大多数电动自行车的电池都采用铅酸电池，而且铅酸电池在低速短途电动汽车领域也有着广泛的应用，目前我国多个省份已经开始放开对低速短途电动汽车的政策，在一定意义上将促进铅酸动力电池的应用。

镍氢电池和锂离子电池属于新型动力电池。镍氢动力电池在研发和产业化方面，日本走在前列。目前，在已经产业化的混合动力电动汽车上普遍采用了镍氢电池，使用寿命已经能够达到10年以上。镍氢电池以其功率密度高、技术成熟的特点，在混合动力车辆用动力电池中将被持续稳定应用，今后研发的热点主要集中在提高镍氢电池的能量密度方面。

在锂离子电池领域，随着锂离子电池材料的研究和发展，尤其是磷酸铁锂、钛酸锂等电极材料的出现，大大提高了锂离子电池的循环寿命，降低了电池的材料成本或使用成本，使锂离子电池成为近期内最有发展前途和推广应用前景的动力电池。近年来，以锂离子动力电池为代表的先进动力电池在能量密度、功率密度、安全性、可靠性、循环寿命、成本等方面取得突破性进展，为电动汽车发展注入了新的活力。目前，能量型锂离子动力电池的能量密度能够达到150W·h/kg以上，分别是铅酸电池和镍氢电池的3倍和2倍，电池组寿命达到10年或20万km，成本降低至1美元/A·h左右，已具备了产业化的条件。

锂离子动力电池具有容量高、比能量高、循环寿命长、无记忆效应等优点，因而成为当前电动汽车用动力电池技术研究开发的主要方向。随着锂离子动力电池技术的不断发展，其在电动汽车上的应用前景被汽车企业普遍看好，在近两年国际车展上各大汽车公司展出的绝大多数纯电动汽车和混合动力汽车都采用了锂离子动力电池。

特斯拉公司将便携式电子设备用18650型锂离子电池直接应用到Roadster电动跑车电池组中。这种新型电池组采用6831只18650型电池串并联，具有53kW·h能量，峰值功率200kW。

不同类型的动力电池性能、价格具有明显差异，能适应不同的消费层次和满足不同的需要。铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池在未来一段时间内仍将是国内外电动汽车用动力电池的主要类型，会共同占有电动汽车用动力电池的市场，燃料电池、锌空气电池、超级电容和超高速飞轮等以其独特的优势在经过一系列技术革新和发展后也将在一些特定的领域逐步得到应用和推广。

2．动力电池未来的发展趋势

在车用动力源方面，主要有四种技术路线：锂离子电池、氢燃料电池、超级电容和铝空气电池，其中锂离子电池、超级电容和氢燃料电池都已得到了应用，而铝空气电池尚处于实验室研究阶段，四种技术路线优劣势比较见表1-2。能源补给方面，锂离子电池、超级电容适用于纯电动汽车，但是需要外部充电，而氢燃料电池汽车需要外部氢气加注，铝空气电池则需要补充铝板和电解液。就目前来看，锂离子电池在未来相当长的一段时间内将占据主要发展空间。此外，我国的《中国制造2025》发展计划明确了动力电池的发展规划：2020年，电池能量密度要达到300W·h/kg；2025年，电池能量密度达到400W·h/kg；2030年，电池能量密度达到500W·h/kg。全固态锂电池技术的使用是可行的方案。目前我国锂离子电池生产企业的单体磷酸铁锂能量密度在150W·h/kg以上，三元锂离子电池能量密度达到200W·h/kg以上。

锂离子动力电池具有高能量密度的关键在于材料，三元材料将成为主流的正极材料体系，石墨与软碳、硬碳等具备不同特性的负极材料混合应用也将成为负极材料的主流体系。另外，石墨烯在我国已经开始进入中期试验阶段，量产后会大幅度提高电池的能量密度水平及寿命。从安全性角度考虑，磷酸铁锂电池要优于其他种类电池，从正极材料来讲，磷酸铁锂材料不仅是研究关注的重点，也是产业化的重点。如果将高镍材料与石墨类材料匹配，同时与薄型改性的隔膜涂层结合，能量密度可以做到300W·h/kg；此外从负极材料来讲，石墨类的材料现在已经是很成熟的产品，未来则以硅碳作为研发重点。

3．燃料电池是未来汽车最理想的能源

燃料电池是将化学能转化为电能的发电装置，不是通常所说的“电池”，其能量的来源主要是依靠不断供给燃料及氧化剂产生，而且能量转换效率高、无污染、寿命长、运行平稳，被业界公认为未来汽车的最佳能源。

4．充满活力的新型动力电池技术——物理电池

物理电池是依靠物理变化来提供、储存电能的电池统称，如“瞬间充满电的超级电容”“比功率达5000～10000W/kg的飞轮电池”等都属于物理电池家族的成员。

（1）超级电容

超级电容是一种介于传统电容与电池之间的电源元件，功率密度高达300～500W/kg，是普通电池的5～10倍。它主要依靠双电层和氧化还原电容电荷储存电能，其间不发生化学反应，因此被归为物理电池的范畴。相比化学电池，超级电容有三大明显优势：

①反复充、放电次数达十万次（传统化学电池只有几百至几千次），寿命上要比化学电池高出很多。

②超级电容在充、放电时的功率密度极高，瞬间可放出大量电能，可满足车辆更加宽泛的电力需求。

③工作环境适应能力更佳，通常室外温度在-40～65℃时，超级电容都能稳定正常工作（传统电池一般为-20～60℃）。

（2）飞轮电池

飞轮电池是20世纪90年代提出的一种新概念电池，它利用类似飞轮转动时产生能量的原理实现充、放电。大名鼎鼎的保时捷911 GT3混合动力赛车以及保时捷918 Spyder均在两前轮处安装有飞轮电池，飞轮技术将制动所收集的动能转化为电能，并将能量储存于一个飞轮中。在加速过程中，该能量将转移至前轮，在提高加速性能的同时减少内燃机的燃油消耗。

由于技术和材料价格的限制，飞轮电池的价格相对较高，在小型场合还无法体现其优势，但在太空、大规模交通运输以及军事方面需要大型储能装置的场合，飞轮电池已得到逐步应用。