第24卷第2期
辽宁工学院学报
V o l .24 N o .22004年4月
JOU RNAL O F L I A ON I N G I N ST ITU T E O F T ECHNOLO GY
A p r .
2004
①
邱 纲1，陈 勇1，李 东2
(1.辽宁工学院汽车与交通工程学院，辽宁锦州 121001;2.辽宁石油化工大学，辽宁抚顺 113000)
摘 要：电动汽车的发展已经成为当今世界各国的热点，动力电池是电动车的关键技术和影响电动车发
展的主要障碍之一。本文介绍了铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池和燃料电池的历史、工作原理和现状以及将来的前景。 关键词：铅酸蓄电池；镍氢蓄电池；锂离子蓄电池；燃料电池
中图分类号:U 469.72 文献标识码:A 文章编号:100521090(2004)022*******
Presen t Status and Prospect of EVS Powered with Batter i es
Q I U Gang 1,CH EN Yong 1,L IDong
2
(1.A utomobile &T raffic Engineering College ,L iaoning Institute of Technol ogy ,J inzhou 121001,China ;2.L iaoning
Petroche m icalU niversity ,Fushun 113000,China )
Key words :V RLA ;N i 2M H battery ;lith ium ati on battery ;fuel battery
Abstract :D evel opm en t of electric veh icles has becom e an eye 2catch ing and m uch concern ing
m atter all over the w o rld .T he use of batteries in EV S is of key techno l ogy ,how ever ,resisting and influencing EV S devel opm en t to s om e degree .T he paper in troduces the h isto ry ,w o rk ing p rinci p le ,p resen t status and p ropect of V RLA ,N i 2M H battery ,lith ium ati on battery and fuel cell
. 由于燃油汽车的发展所造成的能源危机和环
境问题，发展电动汽车已经成为当今世界各国的热点。然而，电动汽车发展的难点之一就是电源问题，目前推广电动汽车的主要障碍是一次充电的续驶里程和初始价格。而电动汽车的电源系统是引起这些问题的主要原因，对电源系统的要求如下:
(1)高的比能量和能量密度;(2)高的比功率和功率密度;
(3)快速充电和深度放电的能力;(4)使用寿命长;
(5)自放电率小，充电效率高;(6)安全性能良好，且成本低廉;
(7)免维修;
(8)对环境无危害，可回收性好[1]。
目前还没有一种电池能完全满足上述要求，本
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：铅酸电池诞生于1860年，距今已有100多年的发展历史，广泛用于内燃机汽车的起动动力源。它是成熟电动汽车蓄电池，也是目前唯一能大量生产供应的电动汽车电池[2]。有80%～90%的采用率。
工作原理：它是采用金属铅作为负极，二氧化铅作为正极，用硫酸作为电解液，其化学反应式为:
Pb +PbO 2+2H 2SO 42PbSO 4+2H 2O 放电时，铅和二氧化铅都与电解液反应生成硫酸铅。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(V RLA ).
①
收稿日期:2003210208
基金项目：辽宁省博士科研启动基金(项目编号:20031084)
作者简介：邱纲(19722)，男(满族)，辽宁抚顺人，讲师，硕士生。
主要优缺点：它的优点是技术比较成熟，可靠性好、原材料容易得到价格便宜、比功率基本上能满足电动汽车的动力性要求。缺点是比能量较低，导致一次充电的行驶里程短，并且质量和体积较大，增加了汽车的自重和自身功率消耗。另外铅酸电池的使用寿命短，使用成本较高。
发展现状：目前正在开发的电动汽车用先进铅酸蓄电池主要有以下几种[3],(1)水平密封铅酸电池，美国E lectro s our公司开发的。(2)双极型密封铅酸电池，美国A rias R esearch A ss ociates公司与加州喷气推进实验室开发。(3)卷式电极铅酸电池，瑞典O PT I M A公司和美国EX I D E分别研制。
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100 K W·h-1，比功率可达到150 W·kg-1，比能量达到45 W h·kg-1，循环寿命达到800次以上。
发展前景：铅酸电池作为电动汽车的主要动力源，并且技术成熟，使用成本远远低于M H-N i和锂离子等高能电池，所以还会在很长一段时间内仍是电动汽车中最可能广泛使用的能源[4]。但是，由于新型电池的日新月异的出现，必将有性能、成本等更适合的电动汽车商业化的电池取代铅酸电池的地位。在某种程度上，铅酸电池时代可以称得上是电动汽车用电源的起步和过渡阶段。
2 镍氢蓄电池
发展历史：早在20世纪30年代，镍基电池技术就已经出现，到了20世纪70年代末期由于电动汽车工业的复苏，使得镍基电池快速的发展起来。最早应用的是N i2Cd电池，而后出现了镍锌电池和镍氢电池。90年代镍氢电池投放市场,N i2M H电池被认为是满足电动汽车使用近期目标的电池，同时也是一种新型绿电池，相当多的电池生产厂家都致力于它的研发。
工作原理:N i2M H电池正极活性物质采用氢氧化镍，负极活性物质为贮氢合金，电解液为氢氧化钾溶液，电池中的主要反应为:
正极
N i(OH)2+OH-=N i O OH+H2O+e-
负极
M+H2O+e-=M H ab+OH-
总反应式
N i(OH)2+M=N i O OH+M H ab
式中:M为贮氢合金;M H ab为贮有氢的贮氢合金。电池充电时，正极的氢进入负极贮氢合金中，放电时过程正好相反。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：相对于其他电池,N i2M H电池的优异特性表现在以下几点[5],(1)高比能量(衡量电动车一次充电行驶里程)已与锂离子电池水平相当;
(2)高比功率(赋予电动车良好的启动、加速、爬坡性能)其性能已高于锂离子电池;(3)长寿命特性(赋予电池良好的经济性)平均寿命300～600次;(4)安全性能高，无污染物，被誉为“绿电源”。但是目前阻碍其应用的一个重要问题是初始成本的太高，一般都大于150 k W·h-1，而且还有记忆效应和充电发热等问题，充电发热会引发安全问题，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N i2M H电池开发的代表性厂家为松下公司和丰田公司.美国的O von ic公司和美国U SABC(美国先进电池联合体)也正在积极开发研制N i2M H电池。表1[6]国内外各个厂家的N i2M H电池组的主要技术指标。从下表中可以看出，中国的N i2M H电池技术也处于国际先进水平。
发展前景:N i2M H电池优越的性能极具吸引力，除了技术不太成熟外，比其它电池更具发展潜力，所以很多厂家正在研发N i2M H电池，它是电动汽车发展中期目标的主要能源之一。具有很大的发展前
景。
自控温伴热带
3 锂离子电池
发展历史：锂离子电池出现在90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，在短短十几年的时间里，锂离子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、航天和储能方面都表现出浓厚的兴趣和关注。
工作原理：锂离子电池使用锂碳化合物作负极，锂化过渡金属氧化物作正极，液体有机溶液或固体聚合物作为电解液。在充放电过程中，锂离子在电池正极和负极之间往返流动。电化学反应方程式为: L i x C+L i-x M y O
z C+L i M y O-z
L i x C为锂碳化合物;L i-x M y O z为锂化过渡金属氧化窄叶火棘
物。放电时，锂离子由电池负极通过电解液流向正极
并被吸收。充电时，过程正好相反。
主要优缺点：锂离子电池基本上解决了蓄电池
的两个技术难题，即安全性差和充放电寿命短的问
题[7]。同时锂离子电池具有高的电池单体电压、高的24辽宁工学院学报第24卷
比能量和能量密度，可以说是当前比能量最高的电池，工作稳定。它的性能指标都可以满足U SABC制定的电动车中期目标。缺点是自放电率高，初始成本较高，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110 W h·kg-1,80%DOD 的比功率300 W·kg-1，充放电次数1200次。高功率型的圆柱电池80%DOD的比功率高达800 W·kg-1.法国萨弗特公司的圆柱型单体锂离子电池比能量达到143 W h·kg-1,80%DOD的比功率为345 W·kg-1[8].德国瓦尔塔公司也在研制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，容量为60A h，比能量为115W h·kg-1，使用寿命900次(100%DOD).随着技术的发展，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，发展潜力巨大，预计到2010年前后，
将成为锂离子电池的时代。
表1 国内外各个厂家N i-M H电池组技术指标对比
性能指标日本松下日本汤浅美国法国中国香港中国和平海湾电池型号EV-95EV JQN F95
斩波调速器标称电压(V)12.012.013.212.0
24.0
12.012.0
标称容量(A h)95978596
96
9095
质量比能量(W h g)63657066
66
6463
质量比功率(W kg)200200200160
160
250250
体积比能量(W h L)149149138
138
136145
尺寸(mm)388×116×175388×116×175409×102×176390×120×195
760×120×195
398×107×191388×116×175
质量(kg)18.719.018.218.6
37.0
17.819
4 燃料电池
发展历史：燃料电池从1839年问世以来，已经经过了160多年的发展。直到20世纪60年代，燃料电池作为航空器的动力源，才得到了实际的应用。1993年加拿大的巴拉德公司纯氢-空气型240组5 k W电池组，成功的进行了公共汽车行驶试验，证实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了燃料电池的研究。如日本的丰田汽车公司、德国大众奔驰公司、戴姆勒-克莱斯勒公司等，可以认为21世纪初燃料电池开始实用化,2010年前后燃料电池驱动的汽车将会相当普及[9]。目前有五种燃料电池，由于质子交换膜燃料电池能在常温下工作，所以成为研究最为活跃，进展也最快的燃料电池，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，即阳极(A)、阴极(C)和电解液(E)，阳极为燃料电极，在催化剂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，直到燃料耗尽。它的优越性在于高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，燃料补充迅速，并且燃料容易获得。缺点是现在的应用技术还需要进一步的提高，还存在一定的安全问题和价格问题。
发展现状:90年代以来燃料电池成为各个发达国家竞相开发的电动车电池。加拿大、美国、日本、德国等国家处于领先地位，其中以加拿大的巴德拉公司最为先进。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，氢气利用低的问题。所以，目前的燃料电池几乎全部采用燃料电池加辅助动力源的混合驱动方案。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。但是，高成本制约了发展。
发展前景：燃料电池电动车这是唯一能与燃油
34
第2期邱纲等：电动汽车用动力电池的现状及发展趋势
汽车相比的电动车，有可能成为未来的主流技术。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
来的5～10年内，燃料电池技术必将得到飞速的发
展。
5 结 论
(1)铅酸动力电池最安全，成本最低，当然是电
动汽车的可选动力电源，但比能量、比功率都较低。
(2)镍氢动力电池和锂离子动力电池在比功率和比
2硅酸铝纤维毡
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。(3)燃料电池是今后发展的重要方向，但目前
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。
参考文献:
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北京理工大学出版社,
同温同压下
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[4]金国栋，黄禹，吴晓明.阀控式铅酸电池在电动车发展中
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[6]郭自强.电动车用金属-镍电池[J].电源技术,
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[9]香山科学会议年报.燃料电池的研究现状未来发展-21
世纪的新型发电技术[A].1995-1996:86-87.
责任编辑：刘亚兵
(上接第31页)材料为黄铜,h=5mm,b=4mm,r= 50mm,l=100mm.单元类型为SOL I D45.
图4所示为B4、B6、B23、B24的弯曲振型模态。由
图4 含直梁段圆环弯曲振动模态简图阿维菌素油膏
图可以看出，通常情况下，同阶的两个弯曲振型对应的两个固有频率有较大的差异。但对于适宜的结构参数，某些振型存在频率差几乎为零的近似正交模态。这是该类环形弯曲振动模态有别于圆环的一个重要特征。
4 结 论
针对一类直线超声电机定子，本文就具有轴对称圆环的弯曲振动进行了模态分析，理论分析与有限元数值结果表明，圆环弯曲振动对任一阶弯曲振动模态，总存在同阶、同频率、相位差90°、空间差1 4波长的正交的两个弯曲振型。但含直梁段圆环弯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，对含直梁段圆环，当选取适宜结构参数时，总可以到频率差几乎为零的近似正交模态。
参考文献:
[1]上羽贞行，富川义郎著；杨志刚，郑学伦译.超声波马达
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[2]陈永校，郭吉丰.超声波电机[M].杭州：浙江大学出版
社,1994.19-21.
[3]S.T i m o shenko,D.H.Young,W.W eaver.V ibrati on
P roble m s in Engineering[M].N e w Yo rk·Ch ichester·
B risbane·To ron to,John W iley&Son s,1974,Fourth-
Editi on,479-480.
责任编辑：刘亚兵
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