新能源汽车电池研究.docx

1、新能源汽车电池研究新能源汽车动力电池1.入门篇：电动车电池大浪潮来临1.1比一般引擎更环保的电动车是近几年全球关注的焦点，也许20年内，各种电动车将汇集成庞大的一股潮流，创新的电动车相关产业，也变成经济新势力。1.2工业革命的发迹源国家英国，正进行全球最大规模的绿能电动车试行活动，把我们原来只会在新闻报道或杂志报道中看到的高科技电动车，在英国重要城市的街头上路。这象征的意义很大，英国让伦敦（London）、新堡（Newcastle）、考文垂（Coventry）、格拉斯哥（Glasgow）、伯明翰（Birmingham）等八个城市地区，提供340辆包括绿能电动车，这些车辆都有各国车厂、当地的电力

2、公司与研究机构共同组队来执行，并通过GPS与卫星监控追踪，测量电动车实际效益。目前，车辆每公里的CO2排放量都在180200公斤或者更多，而欧洲已经有多国立法建立新标准，要求在2012年排放量减少到140千克以下。几种电动车的比较如下图所示：英文及缩写工作原理及市场情况优点缺点油电混合车HEV Hybrid Electric Vehicle1.采用汽油或柴油等传统燃料为动力来源的引擎，同时搭配马达来改善低速动力和油耗。2.目前国际市场上，汽油油电混合车与柴油油电混合车都有很好的发展3.以日本市场最为积极，丰田（Toyota）与本田（Honda）旗下的油电混合车目前在全球电动车市场的占有率超过一

3、半以上。由于油电混合车需要传统引擎搭配电动马达，传统汽车大厂在引擎方面的技术实力比新兴电动车厂还要纯熟，产能比较大不需要特别的燃料，续航力长，技术最为成熟，解决单车成本问题后容易普及仍旧是汽油当主要动力，但已经比传统汽车的油耗少一半以上插电式油电混合车PHEV Plug-in Electric Vehicle1.针对纯电动车续航里程严重不足的现状，有汽车公司提出制造双模电动车，即PHEV。不同于现阶段的HEV仅能透过汽油来提供动力来源，另外也可以通过充电方式提供动力来源，可以大量减少汽油的使用量。这种汽车是在油电混合车上增加了纯电动行驶模式，并且加大了车用电池容量，使车辆在纯电动状况下可行驶5

4、0公里到90公里，超过这一里程则启动引擎工作。2.特别适合于日均行驶里程有限且基本固定的上班族使用3.概念最早产生于美国，并早已有了一些改装车、试验车问世。介于油电混合车与电动车之间的一种过渡性产品，采用“短途用电，长途用油”的工作模式，离不开传统马达技术，因此和传统马达一样要面对能源挑战纯电动车 EV Electric Vehicle主要采用电力来驱动马达，技术困难之处在于储存电的技术，也就是电动车用电池，因为没有像油电混合车一样采用汽油动力，所以电池的容量、效率要够，才能有足够的续航力。人类的马达技术已经很成熟，充电、电池的技术也发展了很长时间，只要有电力供应的地方就能够充电可充电电池的重

5、量、体积、容量、充电时间、稳定安全性与昂贵的成本，这些部分需要继续改善。氢燃料电池车HV Hydrogen Vehicle原理及市场：目前氢燃料电池的使用主要有两种途径，一种是直接导入氢动力引擎燃烧，另一种透过燃料电池的化学反应，把能量转化为电能来驱动马达。优点：不会造成环境污染，燃烧过后的排放物是纯水，氢动力车行驶时不产生任何污染物缺点：成本过高，而且氢燃料的储存和运输需要很好的技术，否则氢分子容易逸失。另外，氢动力车最大问题就是氢气怎么来的呢？需要电解水或利用天然气分解出来，如此一来同样需要消耗大量能源，除非使用核能来分解水分子取得氢气，否则并不能降低二氧化碳排放量太阳能动力车SV Sol

6、or Vehicle原理及市场：太阳能电动车也算是纯电动车，但是取得电的方式增加为太阳能。把太阳能光电板暴露在阳光下，就能将太阳能转化为电能驱动马达，让车辆行驶优点：有阳光的地方就能补充电能，行驶时不产生任何污染物缺点：必须打造出很创新的汽车外形，一般车型是无法吸收足够太阳能的。这种车辆受天气及云的影响高。还有造价问题，比前述几种电动车要高，离真正能实用于市场上还需要很长一段时间。1.4 车用电池与绿能环保车的绝妙搭配推动电动车相关技术最积极的公司，并不是大车厂，也不是新兴车厂，或者是电池零部件厂商、马达厂商这些电动车相关产业，而是电力产业的核心电力公司。在未来，油电混合车与电动车大量被采用后

7、，车辆平均消耗的石油将减少40%，这对油价会造成一定的下滑影响，我们可以相信，随着全球有越来越多的车辆，从目前的8亿台汽车，在2020年可能成长到14亿台车，包括中国、印度等开发中国家对汽车的需求大增，而如果没有油电混合车、纯电动车，对全球石油的消耗将相当惊人，油价势必很可观。随着电动车的导入，石油的消耗可维持在一个平衡点，不至于爆增。 绿能电动车特点油电混合车纯电动汽车燃料电池汽车驱动方式引擎+马达驱动马达驱动马达驱动能量系统引擎、蓄电池蓄电池燃料电池能源和基础设备加油站/电网充电设备电网充电设备加氢气设备排放量低排量零排量超低排量或零排量主要特点续航里程长/仍部分依赖汽柴油续航里程短/初始

8、成本高能源效率高/续航里程长/成本高商业化过程已规模化量产有销售，但未规模化仍处于研发阶段主要问题蓄电池效率/电池管理系统电池安全性及效率/充电网点成本高昂/制氢技术有待突破2.3 G8已经决议在2050年时，发达国家温室气体排放总量将减降80%以上。 依据新能源CO2排放系数，燃烧车用汽油1万公秉（1公秉=1000公升）油当量约排放2.59万公吨二氧化碳。 如果绿能汽车得到快速发展，到2020年，中国可以节省3300万吨油。 英国政府已经用车辆的二氧化碳排量决定“车辆执照费”，费率从70英镑到155英镑，汽油车费率比柴油车高，使用“替代燃料”的车型税率最低。德、法两国也确认2012年的新车二

9、氧化碳排放标准为120130g/km，而到了2020年，标准更将降至95至110g/km。 各国奖励电动车产业政策一览国家 奖励政策中国购买燃料电池公车，补助金额每辆达到60万元人民币13个大城市开始推广，油电混合车可以获得4000元到42万元人民币补助不等，纯电动车还有燃料电池车可获补助6万到60万元人民币补贴110亿元人民币，发展电动车以及关键零组件向消费者提供补贴金额，4年内预计提供500亿人民币2010到2011年间，只要消费者在上海购买、注册省用率15%以上的电动车，就可以获得最高20%的买车补助款。美国对购买电动车车主实施税收减免，幅度2500到7500美元。能源部拨款数十亿美元补

10、助车厂生产电动车，各州政府也提供土地兴建车厂能源部特别成立20亿美元的补助计划，以促进电动车电池以及相关零部件发展奥巴马约8000亿美元的刺激经济方案，其中有1500亿美元用于新能源发展，在税额抵扣优惠方面，可再生能源的优惠额度由100亿美元提升到200亿美元。2012年时，美国联邦政府的车辆中，有一半需为电动车。日本实施绿色税制，让购买纯电动车、油电混合车、天然气车、柴油车的消费者可以少付税设立低排放车认定制度，只要通过认定标准，可以享有不同的税负减免优惠，排放二氧化碳超低的，赋税减免越多。平均每台电动车可获20万日圆税负减免。南韩实施燃油税改革，调涨燃油税，下调液化石油税，拉大两者之间的价

11、差，鼓励民众使用环保能源。补助每辆新购的CNG公车22500美元，CNG垃圾运输卡车补贴60000美元，提供每座加气站最高达70万美元的低息贷款，年利率4.5%。购买每辆CNG公车减免1万美元购买税，每座加气站则减少1万5000美元的企业税。欧盟欧洲议会通过法案，要求政府机关以后采购车辆时，不仅需要考虑汽车价格，还必须注重环保节能，以排放低污染、低二氧化碳的车款为优先。英国投入总额约3亿英镑，进行低碳排放计划。投入2.5亿英镑，加速低碳排放车辆普及。购买电动车可获得2000到5000英镑奖励。法国制定二氧化碳排放标准，排放介于100克到130克之间，可获得200到1000欧元的奖金，如果排放量

12、在60克以下，可得到最高奖金5000欧元，但是二氧化碳排放量超过标准，将会被多课200到2600欧元的税。从2008年起，陆续投入4亿欧元，帮助汽车厂研发、制造电动车德国实施石油税收法，针对电动车实施税收优惠，目标是到2010年每年税收优惠约30亿欧元，2050年时一年税收优惠50亿欧元，且对于油电混合车2008年起已经投入5亿欧元补贴。2.4 纯电动车就是完全采用电来担任动力，其车身安装了有马达的配置，以及提供马达电力的电池。这种纯电动车舍弃了传统燃油引擎，也把存放燃油的油箱取消，省去的空间与重量，转由重量不轻的电池来取代和使用。纯电动车完全依赖电池动力，使用马达与电机控制系统驱动驱动。它不

13、使用液体燃料，没有轰鸣的引擎，也没有冒烟的排放管，具备最佳的环保诉求。纯电动车与燃油引擎在某种程度上是类似的，那就是越轻越环保、燃油引擎车是越轻越省油、越能减少二氧化碳排放量并省钱。纯电动车则是越轻越省电、越环保（减少使用的电可以帮助电厂减排），提高续航力。但由于电池本身有一定的重量与体积，目前各家厂商的努力方向是设法减轻纯电动车整体的车重。当然，纯电动车车型的改变时很重要的部分，电池位置的适当配置，车重的拿捏，都考验纯电动车厂车的智慧。同时，电动车上路，需要很多配套措施才跑的顺，特别是充电设备方面，不能只有住家充电设备，工作地点也要，而马路上需要设置充电站，或者是加油站增加充电设备，这些都会

14、是纯电动车普及的关键。纯电动车之所以没能普及的原因除了基础设施需要强化外，根本的原因在于成本，纯电动车最大的成本支出在于昂贵的可充电电池，约占纯电动车约40%50%的成本，不论是采用镍氢电池或锂铁电池，电池的价格要进一步下降，纯电动车的成本才能够降低，提高普及率。.tw预估，2015年全球纯电动车市场率达到50万辆，2020年可达200万辆。各品牌车厂投入纯电动车状况 在2002年，通用汽车（GM）曾经召回并销毁了该公司打造的全部EV1系列电动车，原因是过高的成本与极低的市场接受度，使得纯电动车在美国市场几乎扼杀在襁褓之中。但是到了2007年底，日本车厂日产汽车（Nissan）于该年东京车展上

15、宣示将于2012年大量生产电动车，将于日本、欧洲市场等地推出。日产采取的方式是两路并进，他们除了设法从电池、车身结构、传动结构上改善纯电动车的生产成本与效能，也积极与各国政府合作进行纯电动车需要的充电设备基础建设。比如说日本东京都政府，就与日产方面合作在大东京地区设置数百个充电站。双管齐下来解决纯电动车的问题，未来的纯电动车普及之路就会比较顺达。由于各国政府的支持，包括日产（Nissan）、雷诺（Renault）、斯巴鲁（subaru）、三菱（Mistubishi）、宝狮（Peugeot）、奔驰（Mercedes-Benz）与BMW等车厂，已经积极切入纯电动车的开发设计与制造，更有Ecotri

16、city公司Westfield、Delta Motorsport、Lightning等较小独立车厂进行纯电动车的打造。台湾的裕隆汽车业投资了纳智捷（Luxgen）这个自创品牌，由华创负责关键设计，也即将进军纯电动车市场。产业链改变，电动车小厂出头天目前市场上各家厂商为了快速让纯电动车普及，正努力减轻充电电池重量，并降低成本，还得提高电池的能量密度，这是因为要减少电池的体积，放在纯电动车身内才不会太占据空间。厂商们为了使成本继续减少到目前的一半，甚至是四分之一，纯电动车厂与汽车厂商、系统供应商正进行合作来加速开发速度，这是有效减少研发成本的方法。 纯电动车的研发、生产与制造，和传统车厂的方法有很

17、大的不同，如果从头到尾自己来开发纯电动车，厂商会面临的是各种不同领域科技的整合。这些科技包括了高效能电池、机电控制系统、马达、传动装置系统、热处理系统、车身结构等多项技术，如果是小厂商，很难面面俱到，而即便是极具规模的传统车厂，要整合这么多技术也是需要很大的努力。但是，纯电动车的制造几乎可以完全分工，有的厂商可以专门只进行纯电动车的设计，赚取设计费，有的则是专门生产电池、马达、传动装置系统、车身等部分。这样一来，专门进行组装纯电动车的公司可就方便了，需要哪些东西，就和合作的供应商购买即可，特别是这当中有相当多的零组件，如马达、车身等等已经很成熟。在这种情况下，纯电动车的开发与制造，会偏向于不同

18、厂商合作的态势，非常类似个人电脑工业的情况。当前的全球电脑工业，就是很明显的分工产业，任何有志要打造一台电脑的厂商，可以从各种供应商获得需要的零组件，在进行组装即可。固然传统厂商已经运作了数十年，供应链体系已经很成熟，正如电脑产业一样，而纯电动车产业则是新兴的，还不能算是成熟产业。因此，纯电动车的打造需要各方合作，而这给了很多小厂商机会，形成这几年来的特殊商机，除了发达国家外，也受到许多没有孕育出重要传统车厂的发展中国家重视，因此在这个运输车辆产业革命的浪潮上，是有机会选择切入点来投资电动车产业的，给了这些国家提升国内产业水准，加入国际运输车辆市场竞争的可能性，也将是这几年全球纯电动车产业的现

19、象之一。短程运输将是纯电动车未来的主力市场小型的纯电动车，现阶段比较适合在短程的运输用途，比方说都市内短程代步、机场、科学或工业园区、游乐度假区等等，行驶不过100公里的短程用途。大型的纯电动车，如电动巴士，适合由政府单位率先支持，提高大众运输工具的环保诉求，减少都会区的二氧化碳排放量。.tw预估2015年全球的纯电动车市场可达到50万辆，2020年可达200万辆。未来的纯电动车，将不限于我们较为熟悉的环保电动双人或四人小车，而是有电动巴士这种由政府高度投资与鼓励的车辆出现，也会有车体较大的纯电动休旅车、纯电动豪华大轿车等。至于当前已经很常出现的纯电动车，还不是运输主力，自然是轻型通勤用纯电动

20、车（LEV）、纯电动机车、电动轮椅、电动高尔夫球车等等。其中，LEV是印度、中国等发展中国家，重点培植的车重，希望能够减少发展中国家未来汽车大增后产生的环保需求，并为本土纯电动车产业扎根。2.5 HEV、PHEV区别 目前，市面上销售的油电混合车（HEV）系统，以引擎发电和回收车辆刹车时的能量对电池组充电；插电式油电混合车系统则是能用110或220伏特的一般市电，给高能量电池组充电，在都会区短程行驶时，其电能足可供应纯电动模式行驶约13公里，完全不排放废气，达到目的地或回家时，再以市电辅充高能量电池组电量，引擎之动力只在电池电量偏低、长程行驶或须全动力输出时启动，可使都会区之车辆大量减少废气排

21、放。 预估插电式油电混合车在市区行驶模式下，还可比纯油电混合车车种更节省5070%的燃油消耗量，且车辆在行驶同距离状况下，所耗之电费较油价便宜约四分之三，据说，丰田研发实验中之插电式油电混合车Prius油耗已达79.5MPG（Mile Per Gallon）。而美国通用汽车（GM）之插电式油电混合车2009 Saturn Vue Green Line，其锂离子充满电之电力，可以纯电动行驶16公里。瑞典车厂Volvo亦将与Saab车厂、瑞典ETC电池以及瑞典政府合作研发插电式油电混合车款。另外，通用汽车业推出了插入式串联油电混合车的概念车Chevrolet Volt Concept，此模式与丰田

22、的串、并联的插电式混合车不同。该款概念车采用锂离子电池，以电池电力作纯电动模式行驶，可以通过家用电源充电，或用引擎带动发电机，通过发电；来驱动马达行驶，引擎不直接驱动车辆，而是只作串联方式发电，换算油耗约为一公升可跑21公里。根据通用汽车所提供的资料显示，其锂离子电池在充满电力以后，不使用引擎发电状况下，约可以电动模式行驶约64公里。该引擎还可使用85%的乙醇和15%的汽油混合的燃料E85，并规划改用柴油引擎，以便使用生质柴油，更进一步将以燃料电池代替引擎。柴油油电混合车相同体积的柴油内含的能量高于汽油，加上柴油引擎效率亦高于汽油引擎，可比汽油引擎省油2540%，在现代科技把柴油引擎变干净后，

23、车厂开始在高油价时代开发柴油油电混合车来节能；法国雪铁龙汽车之C4即为柴油油电混合车。具备超级电容的油电混合车德国BMW则有油电混合车概念的Efficient Dynamiscs，该车配备用于回收能量与用于辅助蓄电的大容量电容器，其电容器能释放约10秒左右的能量，可提供缓慢起步时，先以电动马达驱动之电能，待车速上升至设定值，或大力踩油门时，引擎才开始启动，而在停车时，引擎则停止运转。油电混合车技术取决于国际大厂油电混合车需要非常好的引擎与马达技术配合，车身结构与电池系统也是关键，现阶段仍是以汽车大厂具备技术、产量优势，使得它比纯电动车更快普及到市场上。目前量产之油电混合车，以日本丰田之汽油与电

24、力油电混合车的技术与销量居世界领先地位，其以行星齿轮组为动力输出设备，可将一体式启动发电机、引擎以及驱动马达之输出结合在一起，具有串、并联运转之模式。所谓串联运转，简单来说就是引擎持续运转在高效率区，动力不传至车轮，纯粹只用来发电给驱动马达，由马达以电动模式驱动整车；而并联运转即是引擎动力驱动马达动力同时传到车轮驱动车辆，一体式启动发电机并依电池充电状况决定是否发电，以对电池发电。目前市面上的油电混合车，主要有丰田Prius、丰田Camry Hybrid、Lexus RX400h、本田Accord Hybrid Civic Hybrid、本田insight、福特Escape Hybrid等。在

25、洁净交通工具科技领域中，目前以油电混合车成效最为显着，近几年内，将可见到各车厂量产之油电混合车大量上市。太阳能电动车市场最先在日内瓦车展现身的Quant太阳能概念车，动力规格512匹马力，极速将达到每小时275公里，并号称有500公里的续航能力，能在20分钟内完成充电，开发出这台车的瑞典跑车公司Koenigsegg，采用瑞士公司NLV Solar提供的太阳能模组打造，最近正与美国车厂通用（GM）洽谈收购通用旗下亏损的瑞典SAAB汽车事业，打算用SABB的生产线生产太阳能车。另外，日本车厂丰田在2009年5月18日发布的第3代Prius则在车顶采用了太阳能模组，通过这个模组提供的电力进行换气，并

26、结合了空调的遥控操作，可在不启动引擎的情况下通过充电电池的电力运转，降低汽车停在大太阳底下时不断增高的车内温度，提高燃油效率与舒适性。2.7燃料电动车燃料电池类型，大致分为氢燃料电池、甲烷燃料电池、甲醇燃料电池和汽油燃料电池。也就是采用不同的燃料在电池内进行化学反应，产生电力，然后通过电力来带动马达，使车辆行走。燃料电池车是另一种被重视的环保车，其设计理念相当环保，如果是氢燃料电池的车辆，其行驶的过程能跟空气中的氧结合，只会排放出水蒸气，噪音非常低，且氢这个元素几乎取之不尽，用之不竭，而且除了通过电解水或分解甲烷取得外，很多任务业的衍生产物就有氢。但燃料电池车的缺点是需要很好的技术整合，而且生

27、产燃料电池需要的氢，要耗掉电来分解水才行，这些电能需要火力发电厂、核能电厂或水力电厂，成本和效益也是必须要考虑的地方，预期未来如果发电方式更为洁净与低廉，燃料电池的氢原料来源取得才不会是个环保问题。另外，氢燃料电池还有密度、储存、压力与安全性问题，特别是抗撞击、震动等等，这些都需要高成本来解决，即便是通过甲烷、汽油和乙醇为主的燃料电池来转换出氢来，仍旧需要石化燃料，不论是开采取得或生质能源均然，但好处是这种运用石化燃料的方式几乎不会产生空气污染，能量转换效率比单纯把燃料送到引擎去烧要高。全球各国投入资金发展燃料电池技术2008年欧洲议会通过“氢能源和燃料电池联合技术发展计划”，提供10亿欧元科

28、研经费，用于加速推进燃料电池的研发规模。至于美国，则有能源部制定“氢计划”，希望在未来五年内投入三十多亿美元开发氢燃料技术，打算提高燃料电池汽车的比重，未来期望在2020年能有25%的比例。 实际的市场上，以氢能为主的燃料电池汽车已经开始销售。2008年6月，全球第一款大规模生产氢燃料电池汽车由日本本田开始量产上市。2008年10月，美国通用汽车也开始销售氢燃料电池汽车。 印度著名的塔塔汽车则依靠购买全球最新技术，建立燃料电池汽车产业生产聚落，其中包括收购韩国大宇商用车及美国福特旗下的捷豹（Jaguar）、路宝（Rover）这两个知名品牌。中日美韩竞争专利技术新能源产业链核心主要是燃料电池技术

29、。在专利竞争方面，日本、美国、韩国处于领先地位，中国、加拿大、德国则紧追其后。世界化学品生产制造商塞拉尼斯、杜邦、巴斯夫、Methanex,燃料电池开发商Ballard 动力系统、国际燃料电池及汽车生产商MercedesBenz、福特汽车、现代汽车、福斯汽车等都纷纷联手开发燃料电池和燃料电池汽车。燃料电池巴士 目前由Mercedes-Benz生产的燃料电池巴士，已经陆续在欧洲、中国等地上路，这类型的车辆需要能够辅充氢的加氢设施，一般是设置在巴士总站与中继站。 燃料电池油电混合车 燃料电池（Fuel Cell）是由燃料与电池组合而成，包含甲醇、乙醇、天然气、以及汽油等，均可分解出氢作为电池燃料，

30、其以特殊催化剂使燃料与氧发生化学反应产生电能，只排放二氧化碳和水，无排放废气的污染。 美国通用汽车已经开发出全世界第一个以汽油为动力的燃料电池，宣称其电力效率可达80%。日本丰田之燃料电池油电混合车为全球首辆商业运转之燃料电池复合动力车，其利用氢吸藏合金箱作高压氢氧罐，提供燃料电池之氢氧来源，充填一次2公斤的氢氧可行驶250公里，且只排放水，是为清洁动力。 插电式燃料电池概念车 美国通用于2008年拉斯维加斯消费性电子展（CES）上，展示插电式燃料电池概念车Cadillac Provoq，目前先以小型马达代替燃料电池使发电机运转发电，以串联式油电混合车模式，同事充电至电池组并驱动马达行驶，待燃

31、料电池能商业量产时，即可取代专用之小型马达。 许多国家致力于降低都会区之汽车排放污染，因此有众多使用燃料电池之油电混合车巴士正在欧、美、日市区进行示范运行，累积测试资料，以作为未来产量之依据。 燃料电池车的未来展望 由于燃料电池车还不能算是成熟的产业，我们预估2010年所有的车辆中大约不到1%是燃料电池车。预估至2015年以后，燃料电池车的市占率才会有明显的增加。2.8电动车动力系统电动车是目前市面上可见的、有机会取代传统汽、机车的新型交通工具。传统车辆的动力来源是汽油或柴油引擎，除引擎本体外，还需要有油箱、油泵、滤油器、空气滤清器、化油器、喷嘴与点火装置等组件，同事排气管装有消音器与触媒转化器，而且水冷式引擎还需要冷却水系统。 相比较之下，电动车的动力系统显得较为单纯。目前市面上常见的电动车，其动力系统分为两种，一种是采用铅酸电池、镍氢电池、或锂电池等蓄电池系统的电动车、主要的动力组件是电池组、充电器、电力控制器与马达等，因此动力系统较为简单。另外还有以燃料电池（使用最广的是氢-空气或氢-氧气型燃料电池）为动力系统的电动车。蓄电电池系统蓄电池系统的电动车较为简单，虽然电池材料有许多种，目前常见的就有锂电池、铅酸、和镍氢等多种，由于汽车需要大电流来带动，所以锂电池的特性较为适合，不过由于锂电池在安全