镍氢电池的应用

第7章 镍氢二次电池的应用 第7章镍氢二次电池的应用 随着科技的进步，人们环保意识的提高和天然资源的减少，开发并使用清洁能源，研究如何储存能源，并且高效地使用能源，正成为当今世界一个至关重要的问。作为绿色能源的MH／Ni电池，由于其具有高能量密度、大功率、无污染等综合特性，可以满足电子备日益增长的便携性需求，如便携式打印机、医疗设备、远程通信设备、通讯仪器、激光器仪表、移动灯具、液晶电视机、电动玩具、仪器仪表、数码产品(数码照相机、数码摄像机数码音频播放机等)和空间卫星的电源等诸多方面。电动车辆(EV和HEV)领域也为MH／Ni动力电池展现出巨大的应用市场。可以说，MH／Ni电池的应用已深入到各个领域，前途广阔。 7．1 MH／Ni电池的现状 MH／Ni电池于1988年进入实用化阶段，l990年在日本开始规模生产，此后产量成倍增加，目前MH／Ni电池已是一种非常成熟的产品。日本MH／Ni电池产业和产量一直高居各国前列，美国和德国产业和产量仅次于日本。MH／Ni电池的能量密度为Cd／Ni电池的1．5～2．o倍，不污染环境，充放电速度快，记忆效应小，可以与cd／Ni电池互换等，加之各种便携式电器的日益小型、轻质化，要求小型高容量电池配套，以及人们环境保护意识的不断增加，从而使MH／Ni电池发展更加迅猛，MH／Ni电池在小型可充电池市场上的份额越来越 大。l997年，日本MH／Ni电池产量达5．7亿只，占包括Cd／Ni、锂离子电池在内的市场份额的40％，估计l997年日本将5000t稀土基储氢合金用于MH／Ni电池的生产，l998年生产了6．4亿只，增长11％，储氢合金使用量为5500t，混合稀土合金使用量为1700t，1999年生产了8．71亿只，2000年生产了l0．1亿只。全球l999年生产了小型二次电池(包括MH／Ni、Cd／Ni、Li离子电池)共29亿支，其中MH／Ni电池为11亿支，占小型二次电池的37．8％，2000年世界MH／Ni电池为13亿支。预计到2005年，世界市场将需求20亿只小型镍氢电池，要满足20亿只镍氢电池的生产，年需储氢合金2万吨、球形亚镍1200吨、泡沫镍100万平方米、多孔镍钢带200万平方米，隔膜400万平方米、电池壳帽等22亿套。镍氢电池产业的发展不但可以带动一系列传统产业的改造和发展，而且还可以推动附加价值更高的高新技术产业的发展。 MH／Ni电池的性能不断地发展，以AA型电池的容量而言，已经从l989年松下公司产业化时的每只1070mA?h发展到2003年三洋公司宣布的2300mA?h，提高了l倍以上；目前，AA型电池的容量已达2500mA?h[5|。但由于锂离子电池的高速发展，使MH／Ni电池受到极大影响，许多应用领域被其替代。表7～1概括了2000～2003年日本小型二次电池生产状况。 从表7-1可以看出，2000年日本MH／Ni电池产量最大，其后逐年减少。2003年上半年日本生产MH／Ni电池l．93亿只，比2002年同期减少30％。这是由于MH／Ni电池在用途上失去了移动电话市场，在电动工具和无绳电话方面的市场上也无竞争力的结果。但到2004年，由于过度价格竞争，使得多家笔记本大厂(包括DELL和HP)推出采用MH／Ni电的笔记本，这迫使其他笔记本电脑大厂跟进。DELL推出的Inspiron l000系列，搭配的主电池为8颗电池芯组成的MH／Ni电池，售价为699～749美元。虽然在使用时间上MH／Ni电池只有l．5h，远远要小于现在普通笔记本电脑锂离子电池的使用时间，然而采用MH／7Ni电池的笔记本电脑将可以在电池部分节省4～5美元的成本。由于价格的优势，使得MH／Ni电池在笔记本电脑市场中仍将拥有一席之地。 7．2 MH／Ni电池性能 MH／Ni电池受到Cd／Ni电池在价格方面的挑战，同时也受到锂离子电池性能上的挑战。因此，MH／Ni电池必须在性能一价格比上不断提高，才能在竞争中取得一定份额。MH／Ni电池的性能主要表现在3个方面：能量密度、高倍率放电性能和成本。图7-1为3种小型可充电池的体积能量密度和质量能量密度的比较。 从图7-1可以看出，MH／Ni电池的体积能量密度和质量能量密度均高于 Cd／Ni电池，体积能量密度与锂离子电池相当，但质量能量密度低于锂离子电池。MH／Ni电池的体积能量密度从l990年的180w?h?I。1增长到l997年的360w?h?L～，整整翻了一番，达到了锂离子电池的能量密度。MH／Ni电池的高能密度是通过改进材料质量和增加电池内充填密度达到的，从而使MH／Ni电池在便携式应用上，如笔记本电脑等领域内具有很大的竞争力。MH／Ni电池在质量密度上也有改善，从开始的55W?h?k91上升到70w?h?k9一，但电池的单位质量仍然是锂离子电池的1．5倍。目前轻型储氢合金如V-Ni基和M9-Ni基合金以及高比容量的正极活性物质正在开发研究之中，预计其质量密度会有较大的提高。 另外，MH／Ni电池在成本方面已大量降低，大约为最初价格的l／3，几乎达到了与镉镍电池相同，低于锂离子电池成本的1／2，这就为MH／Ni电池在价格竞争上创造了条件。 在高功率大电流方面，MH／Ni电池一直不如Cd／Ni电池，小型电动工具市场长期以来几乎为Cd／Ni电池所垄断。但由于MH／Ni电池放电性能的提高，目前高功率MH／Ni电池已进入电动工具市场。 7．3 MH／Ni动力电池 7．3．1 电动车用动力电池 7．3．1．1 发展背景 电动车的发明最早可追溯到l834年。l9世纪末叶，美国、英国、法国的一些公司开始生产电动车。由于受电池性能的限制，特别是内燃机汽车的迅猛发展，到20世纪30年代电动车已几乎绝迹。直到70年代初，由于能源危机，美国又重新开始了电动汽车的研发工作，然而极大地强化研发电动汽车的力度和速度的另一原因是环保问题。 20世纪以来，大量燃油、燃气汽车的使用给人类生存的环境造成了严重的污染。汽车尾气排放是城市大气污染的主要来源之一。例如，北京市机动车尾气排放对大气污染物中C0、CH、N晚的分担率分别为63．4％、73．5％和46％。 非采暖期这'分担率分别为80．3％、79．1％和54．8％。上海市更为严重，分别 为86％、96％和56％；广州、天津、重庆等许多大中型城市基本类似。据推算，今后50年全球人口将从60亿增至1Oo亿，汽车保有量将从7亿辆增至25亿辆，汽车尾气的排放将严重影响全球气候。 另外，随着地球资源的日益枯竭，石油和天然气开采越来越少，石油供应毛势严峻。据国务院发展研究中心预测，到2010年我国汽车保有量将达到5669万辆，202O年将达l?3亿辆，届时机动车的燃油需求分别是l．38亿吨和2．56亿吨，这个数字相当于全国石油需求的一半。当前国际油价一路飙升，造成汽车使用成本不断提高，快速增长的汽车需求与石油资源的紧张，为电动汽车的发展提供了前所未有的良好机遇与空问。人们需要寻找?种无污染的"绿色能源"--电动汽车来替代普通燃油汽车。电动汽车是零排放汽车，不存在大气污染问题，其噪声也比燃油汽车低。表7 2是电动汽车与燃油汽车在环境方面的有关指数的比较为了在2OO8年以前实现蓝天绿地计划，北京市已将零排放和超低排放的电动汽车作为 电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。以电动机代替内燃机的公路车辆，包括纯电池(驱动)电动车(BEV)、混合型电动车(HEV)与燃料电池电动车(FCEV)三大．它涉及动力推进、能源与汽车结构等核心，涵盖车体、传动、控制、电．动机、电池充电器等多个系统，是21世纪极具市场潜力的"绿色，，产电动汽车是电动车的'个主要类型。电动车的范围还有电动叉车、电动摩托、电动自行车、电动轮椅、电动搬运车、电动公共汽车、电动轿车、电动小型货车等。与传统的燃油汽车相比，电动汽车在节能和环保方面具有很大的优势，近年来呈现出加速发展的趋势。电池作为电动汽车的储能动力源，是电动汽车发展的关键，为了确保电动车合理的行驶性能，要求有高比能量(2h放电率时至少44w?h?k9 ，使电动葺：达到合理的行驶里程)、高比功率(满足加速与爬坡性能要求)、寿命长、免维护和高的充放电效率等。MH／Ni电池作为绿色环 保电池，其比功率为2cow?k9 ，比能量达65w?h?k9 1，具有能量密度高、环保、可快速充电以及放电曲线平坦等特点，是目前人们看好的第二代动力电池之一。丰田公司的RAV4和Prius就是采用MH／Ni电池作为储能动力源的典型代表L81J。 7．3．1．2发展现状 全球环保法规日趋严格的大环境，触发了全球电动汽车走向产业化的热潮。目前西方发达国家经过十几年的努力，在纯电动汽车与混合型电动汽车(同时使用内燃机)方面已实现和正在实现产业化，但影响电动汽车发展的瓶颈仍然是电池。因此，面临如何越过这个能源障碍、逐步扩大市场的问题。根据美国UsABC和日本公司对各种电动车用电池的性能以及发展力比较论证，综合考虑电池的可靠性、安全性，电池材料的资源与环境问题以及电池性能的发展趋势，确定MH／Ni电池是近期和中期电动车的首选动力电池。 20世纪90年代初，日、美、法、德等国纷纷制定了相应的电动汽车用动力电池发展计划，如美国能源部(DOE)、国家电源研究所与通用、克莱斯勒、福特三大汽车公司组成的先进电池联合体(USABC)于1991年底签订一项协议，计划在4年中投资262亿美元用于电动车电池的开发，现第一阶段的已完成，其中以MH／Ni动力电池为中期发展目标的DOE-USABC计划指标也已基本茯到。l997年底，GM-Ovonic公司已开始批量生产MH／Ni动力电池，并装备了30辆Chevy S一10电动汽车进行试车运行。1998年该公司又进一步扩大了MH／Ni动力电池的年产量。日本政府也有一个由ll家公司参加的投资近16亿美元的计划，开发电动车用蓄电池。 1997年，日本丰田公司首先在全球实现了HEV的批量生产。这种叫做Pri-us的HEv为超低排放车，最高时速144km，包括8年行驶10万英里(16.09万公里)的电池组(240个6．5A?h D型的MH／Ni电池，总质量44k9，提供20kw动力)、混合系统及附件在内，每辆售价19995美元，目前已在全球销售了20多万辆。随后日本的本田，美国的戴姆勒一克莱斯勒、通用汽车和福特汽车公司相继开发了混合型电动汽车并实现了不同程度的产业化。但是，电池的比能量或能量密度远低于汽油，因此大大加快了FcEV的开发。在电动汽车的开发方面，美国政府调整了研发方向，加大了扶持HEV与FCEV商品化的力度。 在欧洲，欧洲电动汽车联合体、欧洲电池研究与发展联合会主要研究MH／ Ni电池和锂离子电池。欧洲第一辆电动汽车于1997年10月在法国Potion-Chaentes地区进行测试，标致106是其中的一种。 我国传统汽车的开发水平与国外先进水平有很大的差距。但电动汽车国外开发年限短，关键零部件技术平台相同，我国电动汽车的研发几乎与发达国家站在同一起跑线上，最大差距不超过5年。因此，电动汽车将成为我国赶超世界先进水平的一个突破口。国家已把电动车作为高科技项目，列入了"863"计划，优先给予扶持[1l|。据统计，我国国内已有200家公司、企业从事小型电动车的开发、生产和应用。天津清源电动车辆有限公司承担国家"863计划"重点项目xL2纯电动轿车"的研发工作。在第一轮的开发基础上，该公司对天津一汽的3个车型进行了两种配置的系统集中模块化，降低了整车质量，大幅提高了节能度和安全可靠性。目前开发的Xl．2纯电动汽车各项技术指标达到了国际先进水乎。全车总质量1．6t，最高时速达到140km?h l。续驶里程超过250km，最大爬坡层不小于20％，时速从okm?h_1到50km?h l只需6．8s，被认为是国内水平最高又最接近产业化的电动车型。 7．3．1．3 电动车用MH／Ni电池进展 日本从事电动汽车用MH／Ni电池开发的代表性厂家为松下公司和丰田公司。美国的Ovonic公司和美国USABC(美国先进电池联合体)也正在积极开发研制MH／Ni电池Ll2 J。表7-3为国内外各个厂家MH／Ni电池组的主要技术指标Ll3J。从表中可以看出，中国的MH／Ni电池组技术处于国际先进水平。 (1)美国 美国GMOvonic公司是著名的MH／Ni电池研究和制造单位m。其电池采用2r Ti V Ni系储氢合金粉直接干压的负极，正极采用将球状氢氧化镍填涂在泡沫镍基底的涂膏电极，电极极耳与极柱焊接连接，电池壳采用不锈钢材料，电池带有安全阀，5～11个方形电池组成电池组。 GMOvonic公司将第一代研制成并已生产的电池称为(；M 01型，l3一EV一90k91。通过水套冷却每一块电池，达到在电池组中温度均匀分布的目的，使温度更好地得到控制。丘j 44个HEV一28组成的电池组，电压为317v，储能量9?9kW?h，外形尺寸]。208mm×1204mm×186．4mm，已进行了2c1000次充放电循环，相当于行驶80467．2km，比功率仍保持在550w?k9 ，充放电循环中安时效率为l00％，电压效率为85％。GMOvonic开发的HEV_20(20A．h)、HEV3O(3OA'h)、HEV一60(60A?h)型MH／7Ni电池，均为高能方形密封高功率型(吸氢合金为AB2系)，电池能量密度可达7O～90w?h?k9 ，已在电动助力车、摩托车、工具车和4座轿车上试用。 (2)法国SAFT公司 法国SAFT公司[16j自1 992年起就进行电动车用MH／Ni电池的研究，l992年2，月～1998年1月一直受到USAB(：的支持。该公司研制的是方形电池，负极采用ABs型合金，正极采用泡沫镍涂膏电极，两个电极都采用连续制造工艺，有全：过程在线检测控制，用人工将极板组装成极群。电池设计成免维护和在较低的工作压力下工作并可以进行液冷，采用塑料外壳。由单电池组成电池组，电池的组装(包括热封焊、灌电解液、化成)都采用设备来完成。现在正在进行产品性能攻进，使其具有更强的耐滥用能力，符合电动车用的质量要求和市场需要，降低电池成本。新建的电动车用方形MH／Ni电池制造厂1999年开始投入生产。 SAFT公司电动车用电池的主要性能列于表7-5，其产品主要供美国Chry。ler公司和其他欧美汽车制造公司使用。 (3)德国VARI、A公司 ARTA公司[17j自20世纪80年代末就研制电动车用MH／Ni电池，他们研制的是方形电池和混合电动车用电池，其主要性能列于表7 6中。vARTA公司预计新设计的电动车用电池性能将可能达到比能量80w．h．k9 1和220w．h?I。1，比功率200W?k9 1和550w?I (4)日本 ①日本Panasonic(松下)EV Energy公司。松下EV Energy公司m是丰田汽车公司和松下公司合资成立的研制和生产电动车用MH／Ni电池的著名单位。该公司1992年研制出6V、130A?h的电动车用MH／Ni电池组，l995年有电动车和混合电动车用MH／Ni电池3种产品，其性能如表7-7所示。 1998年通用公司的EV一1轿车和CheryS一10卡车，福特公司的Ranger轻便货车都装上GMOvonic电动车用MH／Ni电池，EV一1轿车续驶里程达256km。美国福特(Ford)的P2000混合电动车采用的是MH／Ni电池。一种是220个VARTA公司4A?h电池组成的1．1kW?h电池组，输出功率可达22kW；另一种是280个11A?h电池组成的4kw?h电池组，输出功率可达45kw。2003年福特汽车公司在纽约国际车展上展出了Escape混合动力型suV。Escape混合动力车属于一种"全"混合型，这意味它具有容量比较大的电池，有单靠电力行驶的能力。福特Escape混合动力车将成为道路上行驶的最先进的混合动力车。图7-3为2006福特Escape混合动力车及混合动力发动机，它采用MH／Ni电池组成的电池组，电压达330V。所采用的混合动力系统是福特专为Escape开发的。车上所采用的突破性技术包括一种可以延长MH／Ni电池寿命的先进热量管理系统，其他优点还包括：当汽车处在纯电动模式时表现出更好的加速性能，在公路上行驶时动力系统工作效率更高。 同时，福特公司还宣布全新的2006福特Futura中型汽车将是公司下一款混合动力汽车。Futura混合动力车与Escape混合动力车一样，装备2．3L直4汽油发动机配65kw电机，它将福特Escape suV的载货容量和越野能力与燃油经济性和排放方面的优势结合在一起。 GM Ovonic还提供了4～120A?h的MH／Ni电池，并在电动助力车上进行了试验。 (2)日本 1992年松下公司在研制出6V、130A?h的电动车用MH／Ni电池组后，用36个电池组组成质量为400k9的216V电池组，在车上进行了试验。电池组的能量密度为70W?h?k9 1，充一次电的行驶距离是140km，从。加速到40kmh叫的时间是7s。电池循环寿命为l500次，行驶总里程可达2×105km。 1993年日本古河电池公司和东北电力公司研制了两种电动车用MH／Ni电池，分别装在wAVE车上作纯动力车和混合动力车用。wAvE车外形尺寸为鉴1.0m=×1670mm×1350mm，4座，装有最大功率为24kw的电机。在纯电动车中，有l0个12V、125A?h的MH／Ni电池组。此车最高时速达到l0Okm．h叫．0～40kmhl的加速时间为3．9s，在40km?h l速度下的续驶里程为50km。在混合电动车中，有20个6V、90A?h电池组，车的总续驶里程(包 拈汽油发动机)为200km。 1996年日本丰田和本田推出了用MH／Ni电池的RAV一4和PLUS电动车。技些车都采用松下公司的Ev-95电池，用24个l2V电池组串联。丰田的RAv一4最高速度达l25kmh 。MH／Ni电池质量比能量64w．h．电压288v，审池容量lOOA?h，电池总质量450，l次充电行驶距离215km。电池寿命大于100O次，总行驶距离150000km，驱动性能几乎与汽油车一样，但价格比汽油车贵2倍。本田的PLuS电动车最高速度达l30km?h ，续驶里程达220km。 1999年在EV一16上，日本丰田和本田公司又推出了MH／，Ni电池的微型轿车E： Com和City-Pal。E-Com采用松下公司的EV一28型电池，采用24个12V电池组，l46k9，车的最高速度达l00km?h_。，续驶里程达100km。citv-Pal采用50A?h电池，用24个12V电池组，能量为15kw．h，250k9，车的最高速度达到1lokm。h～1，续驶里程达l30km。 日本丰田公司的Prius混合动力车(图7-4)采用松下的EV6．5型电池，以6个6?5A?h电池为一个单元，共40个单元，质量45k9，输出功率可达21kw．P。ius混合电动车除装有l．5L、42．6kW汽油发动机外，还装有40个7．2V、6?5A'h电池组，电压288V，能量6kw?h，输出功率可达20kw。该车在高速行驶时采用汽油机动力，低速、启动、爬坡时采用电池动力，最高时速为16ukm。h，l次加油(50L)可行驶1400km，是普通燃油汽车的2倍。与普通燃油汽车相比，其CO2排放量减少50％，C0、CH及N0。排放量减 松下电动车能源(Panasonic EV Energy)与丰田汽车和松下电器产业集团联合开发成功了油电混合车用新型方形MH／Ni电池(图7-5)，并已于2003年开始批量生产。 这种方形电池模板采用最新的电极材料及最新开发成功的电池间连接装置，降低了内部电阻，并且通过改进层叠电极组结构，提高了耐用性和可靠性。与原产品相比，容量仍为7．2V、6．5A?h，而其功率比原产品提高约30％，达到了1300W．k9一1。外形尺寸为宽19．6mm×高l06mm×长285mm，质量比原产品轻109，为l0409。由于每辆车所用的电池数量减少10个，只有28个，因此，相对过去的每辆车体积减少了15％，质量减轻了25％左右。该产品配备于丰田2003年上市的新款Prius车上。 日本松田汽车公司采用l6个三洋公司研制的l2V、95A?h电池组进行了装车试验，续驶里程达110km。 (3)法国 法国SAFT的电动车用MH／Ni电池在Chrysler的Epic小巴士上进行了试验。车上装30个12V单元和最大功率74kW的交流感应电机，该车的最高时速达到l25km?h l，续驶里程达l50km。 (4)韩国 1996年现代汽车公司将HM一90型电池装在Accent车上。该车按城市运行模式续驶里程可达到160km，在64km?h l恒速下运行续驶里程可达到21lkm；1998年又将HM一80型电池装在Atoz车上。 (5)中国 北京有色金属研究总院1993年成功运行由0．84kW?h(35A?h、24V)动力电池组带动的电动三轮车，车速可达18km?h～，l次充电行程60km。在此基础上相继开发出80～150A?h的矩形电池。80A?h、24V MH／Ni电池组驱动的电动三轮车，l次充电行驶120km；150A?h、6V电池组1996年3月通过清华大学汽车工程系国家重点实验室的测试，可以满足电动汽车使用。 1996年9月由北京有色金属研究总院研制出我国第一组电动汽车用100A?h、120V MH／Ni电池组，并装车运行成功。该车l次充电行驶121km(40km．hl)，最高时速ll2kmh，o～40km?h加速时间6．2s。2000年研制的looA．h、120V MH／Ni电池用于电动车上，1次充电行驶距离可达225km，完成了北京一天津往返、北京～天津一塘沽及北京二环路一三环路(城市实际路况)的实车运行实验(平均时速50～80km?h一1)，最高时速大于100km?l，电池性能表现优异。该所可根据用户需求设计开发各类高功率或超高功率型MH／Ni动力电池，赋予电动车高效的启动、爬坡与加速性能，或供混合动力电动车使用。 春兰公司生产了全球首辆应用高能动力MH／Ni电池的电动摩托车。此款车应用在当前最先进、最经济的动力型高能MH／Ni电池，循环充电可达600次，并具有充放电速度快、功率强、免维修、耐高低温等特点。一次充电驱动续行最多里程达l00km，比一次加满油的摩托车所跑里程还要多30％。 由北京理工大学、国家高技术绿色材料发展中心、中山新材料工程中心、星恒电源有限公司、有色金属研究总院、雷天绿色电源有限公司等完成的十五国家863计划的电动汽车重大专项在混合动力电动汽车用高功率镍氢电池研发方面，取得了可喜进展。北京理工大学与国家高技术绿色材料发展中心等单位合作研制的容量为8A?h的D型镍氢电池，进一步通过工程化设计对电极材料及其制备工艺进行了改进，提高了电池的大电流充放电及综合性能，降低了电池成本及电池箱的质量；在电池能量密度、安全性、循环寿命等性能达到合任务要求的同时，电池功率密度从2002年底863计划统一检测时的738w．k9 1提高到932W?k9～，达到日本丰田Prius(HEV)目前所用第二代镍氢电池的功率密度水平(第一代600w?k9 ，第二代800～1000w?kg)。 中山新材料工程中心为奇瑞公司研发的纯电动轿车用容量100A．h的高能量MH／Ni电池也取得了重要进展，在电池成本方面比以前降低了20％～25％；在轿车续驶里程方面，一次充电突破了300km。中辽三普电池(沈阳)有限公司、北京航空航天大学和重庆长安汽车集团股份有限公司研制的用于重庆长安IsG混合电动轿车和长春一汽集团红旗混合电动轿车使用的MH／Ni动力蓄电池组的单体蓄电池的能量密度达到55．24w?h?一1，150A连续放电到sOc 50％，最低输出功率可以达到726w?k9一1，预计电池组的工作寿命可以满足混合电动轿车运行l0万公里以上[2 01。图7-6为EQ 6110HEV混合动力城市公交大客车，目前已经完成第一轮样车，实现了基本功能，最高车速达到72km．h，减少尾气排放20％，车外噪声降低2dB，油耗降低20％。在第一轮样车研制的基础上，第二轮样车正在组装，它运用模块化设计，装有ABS系统，增加制动回馈，通讯方式由信号直通发展为cAN通讯，采用减振降噪等有效措施。该车将成为城市环保公交用车的主力车型。 2005年年初，合肥工业大学自主研制出第二代电动汽车。该电动车应用 MH／Ni电池充电代替传统的汽油燃烧，充一次电就能行驶l50km以上，不仅环保，而且每百公里成本比普通汽车要节省20元左右。该车无需变速器、离合器、发动机等一系列复杂的部件，使得车体轻便、噪声极低，特别是驾车人只需掌握好刹车，控制电流大小的阀门，就可以操控车子，整个驾驶学习过程只需几分钟。随着电动汽车性能的不断提高，电动轿车在不久的将来将会与城市传统小汽车一较高低。 综上所述，MH／Ni电池主要用于纯电动汽车和混合型电动汽车上，世界各国各大汽车公司所用电动车的主要性能归纳于表7-14中。 从以上介绍可以看出，MH／Ni电池在电动车上使用是成功的，作为城市环保型汽车的应用很有前途，但是，目前价格较贵，势必影响其普及推广。混合型电动车既可以降低价格，又有利于环保、节能，是近期内的发展方向，但它不能做到完全零排放。因此，今后应开发高容量、高功率和低成本、长寿命的MH／M电池，以满足电动汽车发展的需要。 7．3．2 电动自行车用动力电池 7．3．2．1 发展背景 业界人士普遍认为电动自行车是短距离的重要代步工具，前景乐观。电动自行车可在助动方式下工作，时速可达20km?h～，平均行驶里程在30km以上，已能满足城市代步需求且其质量较轻，价格也具竞争力；再者由于电动自行车时速并不高，操作简单，驾驶者不需考驾照；且其电力属于助动性质，即使半途没电，亦能像自行车一样骑回家。 根据Avicenne Development公司调查，2001年全球电动自行车的市场需求量约为100万台，预测每年将以20％左右的幅度持续成长；中国大陆为最大市场，需求量可达30万辆以上，日本约30万辆，欧美市场和其他地区各有25万辆的规模。以每辆电动自行车平均单价500美元计算，全球电动自行车市场潜藏着6亿美元的商机。 对电动自行车电池有下列要求： ①高的比能量和能量密度； ②高的比功率和功率密度； ③充电快，效率高，设备简单； ④使用寿命长，免维护； ⑤自放电率小； ⑥有一定的耐振动、冲击性能； ⑦原材料丰富，生产成本低； ⑧生产过程不产生污染物； ⑨使用过程中安全性好； ⑩对环境无危害，可回收性好。 图7-7为使用不同电池的电动自行车。图7-7(a)所示的电动自行车使用MH／Ni电池，电压达到36V，容量gA?h，电池质量5．5kg，包括电池整车质量24kg，充满电约3h，充满电后一次行驶里程约40～48km；图7-7(b)所示的电动自行车使用密封铅酸VRLA蓄电池，电压36V，容量12A?h，电池质量14k9，包括电池整车质量38k9。充满电约7h，充满电后一次行驶里程约32km。从中可以看出MH／Ni电池在质量、充电时问和行驶里程方面存在优势。 全球电动自行车用电池市场，多数仍停留在价格相对便宜的铅酸电池等传统产品上，铅酸电池模块质量为12k9左右，整车质量达50k9左右，行驶里程约在20km左右。质量大及行驶里程短是铅酸电池最大的缺点。随着技术突破和生 产成本有效控制，MH／Ni电池和锂电池因质轻、行驶里程长以及高能量密度和高输出功率的优势，在电动车产业中会获得有效发挥。MH／Ni电池模块质量约为3～5k9，续驶里程为30～40km，但高温时自放电率高，易造成电容量下降。单就电池性能而言，锂电池为首选，模块电池质量可控制在3k9以下，行驶里程预期将可达50km以上，然而现阶段价格偏高为其弱点。自2001年起，因欧盟陆续禁用铅酸和镍镉电池的规定，间接带动了MH／Ni电池和锂电池的兴起。先期具有价格优势的MH／Ni电池，可望迅速发展，年产值可达1．8亿美元，而铅酸电池将逐步退出电动自行车市场。 在我国采用电动助力自行车替代燃油助动车对改善城市的空气质量有重要的现实意义。由于我国是自行车生产大国，自行车的保有量上亿辆，若其中10％能成为电动自行车，对电池的需求量将十分可观，市场发展潜力巨大。近年来电动自行车发展迅速，据中国电池工业协会报道，2001年产量达到60多万辆，2002年达到160万辆。MH／Ni电池具有自重轻、容量大、寿命长、循环充电次数高、无污染等优点。日、美等国在20世纪90年代就把它作为未来动力电池的发展方向，投入巨资研制。我国从"八五"起开始研制MH／Ni电池，"十五"则列为重点攻关课题。近年来，动力较小的10A?h动力MH／Ni电池已研制和投产，并用于电动自行车，在长江三角洲的一些大中城市获得突破。电动自行车的价格不高，而近年来其电池性能有明显提高，预计在今后若干年内电动自行车会有进一步发展。随着具有完全自主知识产权的高能动力MH／Ni电池研制成功，国产电动自行车的"心脏"将告别铅酸电池，换上绿色"心脏"，从而步入加速发展的快车道。开发电动自行车用MH／Ni动力电池是我国近年来的研究开发热点。 7．3．2．2发展现状 电动自行车正处在高速发展期，它不仅可作为代步交通工具，同时还可作为休闲、健身的器具。电动自行车的发展得益于三大技术的突破，包括动力电池、无刷电机和智能控制系统。目前，动力电池主要采用阀控式铅酸电池，少量使用MH／Ni电池和锂离子电池，正在试用的还有锌镍电池、锌空气电池和燃料电池。由于价格和技术因素，目前仍以相对便宜和瞬间放电能力大的铅蓄电池为主，并逐渐向MH／Ni电池发展。 MH／Ni电池的额定电压为l．20V，由于单体电池的额定电压较小，为了减少电池组串联电池的数量，提高电池组的可靠性，它较适用于24v电源的电动自行车。MH／Ni电池用于电动自行车，已经有方形和圆柱形两种结构可供选择，下面将二者的优缺点进行对比。 ①圆柱形MH／Ni电池是目前技术相当成熟的产品，作为动力型电池，它的放电性能比方形好。如果电池组中有单体电池需要更换，同规格方形MH／Ni电池的更换成本比圆柱形MH／Ni电池要少些。 ②方形MH／Ni电池比功率已经达到250w?kg，动力型功率不低于铅酸电池，这在启动和正常运行状态都已经足够了，能保证加速和爬坡能力。从维护角度看，方形电池比圆柱形电池查找故障方便，测试简单。 虽然二者各有优缺点，但从目前发展看，选择方形MH／Ni电池较为有利。 在技术研发与生产方面，日本是全球最早开发电动自行车并将之商品化的国家。日本Yamaha、Honda等厂掌握着日本电动自行车的技术与市场，分别占2001年全球销售量的20％与l0％。欧洲的德国Mercedes BerIz和意大利Aprilia，虽然不是来自传统自行车产业，但也在当今的电动自行车市场占有一席之地。美国、日本、欧洲都在努力发展智能型电动自行车，其速度、功率均由电脑控制，采用位移传感器和力矩传感器来控制电机，助力车下坡时还能自动充电，即电池与充电器兼容。总体来说，国外将电动自行车作为交通工具者较少，大部分用于休闲、健身的工具，因此选择动力电池时经济考虑比较：少，故大部分选用MH／Ni电池和锂离子电池。 日本Yamaha公司的第2代PAS电动自行车采用7A．h的D型(乒32．3mm×58?4mm)MH／Ni电池，质量1709，比能量为49w?h．k9 1和448W．h．L～。在1?4A下的放电能量为同型Cd／Ni电池的130％，因此车的续驶里程也提高30％，循环寿命大于500次。l999年，三洋公司也将D型7A．h MH／Ni电．池用于电动助力自行车并投放市场。 我国属于发展中国家，人民的消费水平不高。在电动自行车配套用的各种电池中，阀控式铅酸电池性能虽一般，但它的每瓦时价格在各种电池中是最低的，它们占据着电动自行车电池市场的大部分。MH／Ni电池的价格虽高于阀控式铅蓄电池，但它是"绿色电池"，其质量比能量约为阀控铅酸电池的一倍，MH／Ni电池将会逐渐占有电动自行车电池市场。 7．3．3 电动工具用动力电池 MH／Ni电池在高功率、大电流方面一直不如cd／Ni电池，因此，小型电动工具市场长期以来几乎被Cd／Ni电池所垄断。绿色环保型MH／Ni电池与Cd／Ni电池具有互换性，且容量密度是其1．5倍以上。随着MH／Ni电池制备技术的日益成熟，其高功率特性得到很大提高。现在，MH／Ni电池通过采用多极耳集流体、端面焊和提高电极表面催化活性及导电性等技术，在保持高能量密度的前提下，放电性能已从5c倍率提高至20 c倍率。加之环境保护对Cd／Ni电池的限制也给MH／Ni电池进入这一领域提供了良好的机会。目前，高功率MH／Ni电池已进军电动工具市场并将逐步替代Cd／Ni电池。以DsC1300P型电池为例，电动工具用MH／Ni电池与镍镉电池的常温性能对比如表7一5所示。 目前，松下推出HHRsC 300P 3500mA?h MH／Ni电池将是镍镉电池电动 工具市场的取代品。美国发展了sc型电池，容量可以达到2?2～2?4A'h，且能在10～20c倍率放电，因此已进入电动工具市场，逐步取代高功率镉镍电池。永备公司的2．2A?h MH／Ni电池已实用化，它比镉镍电池在电动工具中的工作能力有显著提高，因此受到市场欢迎。德国Varta公司也开发了用于 电动工具的超高功率型(uHP)MH／Ni电池。我国的天津津川公司、江苏海四达、广东佳力等开发出电动工具用高倍率放电的MH／Ni电池，并已开始投放市场。我国电动工具生产量占世界总产量的30％，而且每年对欧美均有大量出口。2003年欧洲不再允许使用镍镉电池，这给镍氢电池提供了一个良好机会。目前世界各国SC、C、D型电池由于热平衡问题均未得到很好解决，因此生产规模均未形成。 由于电动工具市场庞大，国内外都在致力于开发电动工具用的MH／Ni电池。我国稀土金属资源丰富，因此必须抓住这个优势，大力开发生产绿色能源--电动车用MH／Ni动力电池及相关的正、负极材料，抓紧高功率MH／Ni．池的研制，抢占市场。 7．4 MH／Ni电池发展方向 MH／Ni电池是Cd／Ni电池的新发展方向，体积能量密度较高，对环境无污染，而且记忆效应很小，受到广大用户的欢迎。它具备较高的容量，可大电流放电，允许再充电次数高达500～1000次，价格日趋合理，并且可利用现行的镍镉蓄电池设施，．因而获得广泛应用。在MH／Ni电池商品化初期，主要在笔记本电脑、移动电话等领域代替一部分镍镉电池。但是从l990年高能量密度的锂离子电池商品化以来，特别是至2002年，锂离子电池已取代MH／Ni电池占领了便携式电子设备市场。在通讯领域，手机基本以锂离子电池为主，MH／Ni电池差不多完全退出。由于MH／Ni电池的价格低于锂离子电池，价格的激烈竞争使MH／Ni电池在2004年重新进入笔记本电脑市场[2引。同时MH／Ni电池用在电动工具、数码相机、电动自行车、移动电话中继基地用不间断电源和混合型汽车的市场将不断增大。对于电动汽车，现在全世界各国都在积极研究开发燃料电池车，虽然有实用化的可能，但目前成本很难接受。即使将来降低到现在的l／10，成本也在3～5万美元左右。从成本和安全性方面综合考虑，低污染的混合型汽车动力电源的主流为MH／Ni电池。随着应用市场的变动，MH／Ni电池研究开发的重点，由原来的高容量化转移到电池的高功率化和长寿命。为实现电池的高容量化和高功率化，开发新型材料的余地很小，目前主要集中在现有材料的改良 和电极集电体的开发上[25]。 MH／Ni电池可装配成多种电池组，用于满足电子设备日益增长的便携性需求。例如，MH／Ni电池非常适合于大电流放电需求，如便携式打印机、医疗设备、远程通信设备、通讯仪器、激光器仪表、移动工具、液晶电视机、电动玩具、仪器仪表、数码产品(数码相机、数码摄像机、数码音频播放机)和空间卫星的电源等诸多方面，可以说小型MH／Ni电池的应用已深入到各个领域，前途广阔。MH／Ni电池领域的主要技术发展趋势如下m。 ①研究低成本、高性能、高稳定性的储氢合金材料，使其对提高比能量和比功率有明显作用，如低钴廉价动力电池用储氢合金的研制，以及准快速冷凝储氢合金生产新工艺的研究； ②研究高表面导电性Ni(OH)2材料与集流体材料，进一步提高正极的利用率和高倍率放电性能； ③研究新型正负极制作工艺； ④电池壳薄形化和隔膜薄形化的技术途径； ⑤电池结构与电池组内部优化设计技术； ⑥电池内阻降低的各种技术途径； ⑦电池关键制备工艺技术研究； ⑧电池管理系统研究，电池组综合性能测试，电池工况仿真模拟系统研究； ⑨电池综合回收技术。 MH／Ni电池集材料、能源、信息技术于一身，被日本、美国等发达国家列为重点研究发展领域。MH／Ni电池产业的发展可获得城市环境的改善，使国民经济可持续发展，有助于便携式电子产品、无污染电动车等高新技术产业的发展，并将带动上游原材料工业的发展。随着市场的需求，新型绿色环保型MH／Ni电池正朝着低成本化、高容量化、轻量化、小型化、新品种化、长寿命化和更安全化等方向发展。MH／Ni电池产业将成为21世纪能源领域的重大产业之一。 参 考 文 献 1徐曼珍．薪型蓄电池原理与应用．北京：人民邮电出版社，2005 2胡子龙．储氢材料．北京：化学工业出版社，2002 3 Sakai T，Uehara l，Ishikawa H．R＆D on metal hydride materials and Ni-MH batteries in Japan．J Alloys Compd，1999，293～295：762～769 4 国家新材料行业生产力促进中心，国家新材料产业战略咨询委员会编．中国新材料发展(2004)．北京：化学工业出版社，2004 5 张清生．行业观察．BAR BATTERY，2004，16：26 6刘思德．日本小型二次电池生产情况．稀土信息，2004，4：18 7刘亚飞，白厚善．动力电池及其材料最新发展动向．新材料产业，2003，5：23～29 8陈清泉，孙逢春，祝嘉光．现代电动汽车技术．北京：北京理工大学出版社，2002 9万沛霖．电动汽车的关键技术．北京：北京理工大学出版社，1998 10邵海岳，钟志华，何莉萍等．电动汽车用Ni-MH电池建模及基于状态空间的S0c预测 方法．汽车工程，2004，26：534～548 11 陈立泉．混合电动车及其电池．电池，2000，3：98～100 12郭自强．电动车用金属氢化物一镍电池．电源技术，2001，25：235～241 13邱纲，陈勇，李东．电动汽车用动力电池的现状及发展趋势．辽宁工学院学报，2004， 24：41～44 14 Gifford P，Hellmenn V，Adams T．Development。f advanced Ovonic Ni MH batteries for EV and 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