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电动车核心：动力电池市场定位的剖析

2010年10月14日14:25

来源：《新能源汽车》 作者：桂长清

　任何一种产品要想得到市场的认可,它必须做到“价廉物美”，或者说它的“性能/价格比”必须尽可能高。这里的“性能”指的是产品可以满足广大消费者的需要；这里的“价格”应当包括产品及其辅件的售价和使用维护费用。

另一方面，任何电池都有其固有的优点和不足之处，使用电池的场合也是千变万化的。在选用电池时只有做到扬长避短，使所选用的电池具有最佳的“性能/价格比”，这样才会得到市场的认可。目前动力型密封铅酸蓄电池、MH/Ni电池、锂离子电池、燃料电池的市场格局就是受到这一规律制约的。

　　铅酸蓄电池称雄电动助力车市场

　　目前我国电动自行车已进入千家万户，年产量超过2000万辆，有人说其保有量达到了1.2亿辆以上。所用的电池可以说是清一色的阀控密封铅酸蓄电池。各种游览车、高尔夫车、叉车和许多短途运输车也都使用铅酸蓄电池。为什么铅酸蓄电池能称雄于电动助力车电池市场呢？

　　电池性能满足了用户市场需求

　　电动自行车取代的是人力自行车。目前采用阀控密封铅蓄电池的电动自行车，一次充电可以行驶35~40公里。所行的路程比一个人连续骑自行车要长得多。完全满足了人们上下班和上街购物的需要。由于规定电动自行车的速度不超过20 km/h，这正好避开了铅蓄电池的重量比能量不高的短处；同时充分发挥了这种电池安全性好、易维护、耐过充电和过放电性能好、高低温性能好、自放电速度小、使用过程对环境友好等方面的长处。

　　阀控密封铅蓄电池的价格低

　　目前市场上采用阀控密封铅蓄电池的普通电动自行车，每台售价1200~1300元，其中包括一组三块6DZM10电池。三块新电池的售价约300元，厂家保用寿命是1.5年。三块旧电池可以卖100元。那么电池实际使用费用是每组200元，平均每年不到170元。加上电费，总共每年大约200元。

　　普通电动自行车消费对象是谁呢？老板和高薪阶层的人关心的是各种轿车，他们绝不会光顾电动自行车。只有月收入在1000~2000元附近的人群才会对电动自行车感兴趣。这种人群当前在我国是为数很大的人群。他们经过半年的省吃俭用，可以花1200~1300元买一辆电动自行车。既方便了出门或上下班，经济上也不感到很吃紧。

　　MH-Ni电池和锂离子电池不占优势

　　十多年前金属氢化物／镍电池（即MH-Ni电池）在小型移动式家用电器中大出风头，接着开始试图进军电动助力车市场。经过5年多的搏斗，由于其“性能/价格比”不具有优势，最后只有收兵。当今锂离子电池已在小型移动式家用电器市场独占鳌头，接着也开始试图进军电动助力车市场。现已跟阀控密封铅蓄电池搏斗了3年，但现在除了在电动车展览会上看到装有锂离子电池的电动助力车外，马路上却见不到它的踪影。

　　混合型电动汽车市场MH-Ni电池独领风骚

　　混合型电动汽车市场动态

　　目前已进入商品化阶段的有日本丰田公司的Prius车和本田公司的Insight混合型电动轿车。到2005年底，丰田公司已销售各种混合型电动车51.3万辆，占全世界混合型电动车销售额的约90%, 1999年本田公司开始在日本销售家用混合型电动车 Insight，到2005年底，本田生产销售的混合型电动车超过10万辆。近年来在我国的汽车市场上也开始有普锐斯(Prius)车出现。现在进入市场的Insight HEV和Prius HEV都采用 MH-Ni 电池。

　　目前使用锂离子电池的混合型电动汽车HEV还没有正式进入市场，只有个别样车在使用。德国戴姆勒公司2008年2月29日宣布，在2008年将推出使用锂离子电池的混合型电动汽车，型号为S400 BLUE HYBRID奔驰车。功率300马力，6缸，加速到100Km/h只要7.3s，每100Km耗油量7.9L，CO2排放量是190g，明显优于S系列奔驰车，但车价未定。

　　混合型电动车用MH-Ni电池的性能要求

　　不同的车型，其工作模式不同，所用电池的容量也就差别很大，其能量规格在0.9～5kwh之间。所用电池最小为6.5Ah D型MH-Ni电池，最大为60Ah的MH-Ni电池。例如，本田公司的Insight HEV采用的MH-Ni电池组为900wh，电压为144v，由6.5Ah D型电池组成；丰田公司的Prius HEV采用的电池组为1.8kwh，电压288v，同样由6.5Ah D型电池组成；美国通用公司的Precept HEV采用总能量为4.2kwh的MH-Ni电池组，它由28个12V的电池模块组成，单电池容量为12Ah。

　　在HEV中使用的电池组应当满足：体积比功率＞1000w/L；质量比功率＞500w/kg；质量比能量＞50wh/kg；再生制动充电比功率＞500w/kg；充放电循环效率＞85％；寿命长，成本低。

　　混合型电动车用MH/Ni电池的实际水平

　　表1列出了有代表性的由Ovcnic公司制造的HEV用MH-Ni电池模块性能。

　　由表1可以看出, MH-Ni电池组的性能参数完全满足了混合型电动车的需求，但阀控密封铅酸蓄电池的比能量和比功率却差得很多，在混合型电动汽车市场无力跟MH-Ni电池竞争。此外，MH-Ni电池组在高电压条件下使用时的安全性、对环境友好、长使用寿命和适中的价格，这些因素决定了当前上市的混合型电动车上MH-Ni电池名列前茅。

　　国内MH-Ni单电池技术指标跟国外差距不大，但一致性和循环寿命比国外有段差距，特别是集成后各项指标相差更大。其主要原因就是动力型MH-Ni电池尚没有形成产业化，生产工艺大部分还是手工作业。近来国内多家汽车厂家打算联手开发混合型电动汽车，加上我国具有丰富的稀土元素资源（这是MH-Ni电池的主要原料），可望我国动力型MH-Ni电池水平会有大幅度提高。

　　纯电动汽车盼望锂离子电池

　　目前使用锂离子电池的电动汽车EV和混合型电动汽车HEV，虽然在国内外电动汽车展览会上和各种新闻媒体上有各式各样的样品出现，但还没有正式进入市场。

　　我国生产并进入市场的锂离子电池大部分是手机和小型家用电器用电池，动力型锂离子电池也有少量产品展出，没有达到批量生产，有的还处于试制阶段。展出电池的性能也较国外的同类产品要低。有的厂家生产的使用锂离子电池的电动汽车目前也没有被市场所接受。其根本原因就在于电池组性能不能满足要求，加之价格太贵。一组小车使用的锂离子电池成本要8万元，真正的使用寿命有多长呢？

　　动力电池性能被过度夸张

　　在能量方面，有商家称锂离子动力电池的比能量达到140wh/kg以上。对于采用LiCoO2为正极材料的锂离子电池芯并且充电电压达到4.2V而言，这一指标是可能的；但对于采用其他材料为正极材料的锂离子电池组而言，这一指标是夸张了。例如电动助力车用的密封铅酸蓄电池和一些相应的锂离子动力电池性能对比如表2所示：

　　从表2可以看出，实际上锂离子动力电池组的重量比能量只有70 ~ 80wh/kg，比密封铅酸蓄电池大1.0~1.33倍；两种电池的体积比能量可以认为相近，锂离子动力电池组不占优势。

　　在循环寿命方面，市场上有商家说锂离子动力电池组的循环寿命可以达到1000次，有的甚至说达到2000次。现以7Ah的INCP160/61/78锂离子电池为例。

　　可以看出，锂离子动力电池组的循环寿命远小于1000次。电池组的电压越高，串联的单电池数就越多，使用寿命越短。锂离子动力电池组的实际使用寿命，尚未见到可靠的数据报道。

　　电池内阻被过分夸大

　　许多文献资料把锂离子电池说成可以用10C、20C甚至30C大电流放电。这是把高功率输出电池和正常使用的动力电池有意或无意地混为一谈。由于电池的内阻是制约电池输出功率的决定性因素，这是因为电池大电流起动放电时的电压降主要是由电池的欧姆内阻引起的。要想使电池可以高功率输出，就必须千方百计降低电池内阻。为此，就要减薄电池极板厚度，增加极板片数。这样虽然满足了电池高功率输出的要求，但电池寿命却大幅度缩短。各种蓄电池的使用和试验结果都表明，高功率输出电池和正常使用的动力电池其寿命会相差数倍甚至于十数倍。高功率输出电池是不能用作动力电池的。

　　锂离子电池使用的是有机电解质，导电性能很差；阀控密封铅酸蓄电池使用的是硫酸水溶液，MH-Ni电池使用的是KOH水溶液，它们的导电性能很好。许多厂家测试结果表明，同容量的单格锂离子电池的内阻是阀控密封铅酸蓄电池的4~5倍。这就在本质上决定了锂离子电池在高功率输出时，其比能量会大幅度下降，电池温升很高，寿命缩短。今年7月在北京的电动汽车展览会上展出的电动汽车样品中，锂离子电池组既要有冷却装置又要有保温装置（因为锂离子电池的低温性能很差），同时还要加装一块铅酸蓄电池帮助锂离子电池组一同起动车子。

　　燃料电池汽车离市场要求有较大差距

　　从国内外燃料电池汽车的研发过程可以看出，虽然H2/O2质子交换膜燃料电池已经在各种电动车上和其它领域内做过了许多演示性试验，并且取得了很大进步，但是除了德国潜艇AIP系统中使用的燃料电池系统取得了市场认可以外，其他试验汽车均没有正式进入市场。其主要原因是燃料电池汽车的实际性价比跟市场的要求相差太远。

　　车用燃料电池系统寿命短

　　巴拉德公司在试验室内用纯氢做电池寿命试验，经过9000h的考验，电池电压下降速度只有4mv/1000h，因而预测电池寿命可以达到20000h，但实际上的电池使用寿命也只有2200h，将近1/10。荷兰设计的PEMFC可以连续工作40000h，但在汽车上试用, 使用寿命只有3000h，不到电池堆运行时间的1/10。我国燃料电池使用寿命只有1500h，我国某公司开发的城市大巴发动机中用的燃料电池堆模块已经通过2000h的稳定可靠性试验，性能下降不超过10%，但实际运行却只有200h。

　　造成燃料电池系统使用寿命有近10倍的差距，根本原因就在于试验室寿命试验是在严格的条件下进行的：电池的输出是恒定的；电池本体的温度、湿度、排热、排水是稳定的；氢源和氧源是纯净的、稳定的；它们之间的相互配合是最佳的。但在电动汽车运行过程中，这些条件就得不到保证了。例如，电池的输出瞬间多变；燃料电池排水会受到汽车震动频率和方向的影响；燃料电池的输出能力会受到进气纯度和压力的影响。在日本曾经出现过燃料电池汽车经过温泉附近，电池性能出现突然下降，其原因是火山附近空气中的硫化氢气体引起电池催化剂中毒所致。这就要求燃料电池系统提高对湿度、温度和杂质气体的适应能力。

　　能效和比功率有待提高

　　电池的输出功率和能量转换效率存在着密切的关系。有文献报道了40Kw质子交换膜燃料电池系统的燃料转化效率跟电池输出功率之间的关系。当电池在额定输出功率40Kw条件下工作时,其燃料转换效率只有35% ~ 40%。不仅如此，如果考虑到燃料电池系统中的辅机消耗的能量，以及配套系统的重量和体积，则整个系统的能量转换效率和比能量、比功率会进一步下降。这就部分抵消了燃料电池具有能量转换效率高的优点。例如，虽然燃料电池堆的功率密度可以做到1kw/L，但整个燃料电池发动机系统的比功率只有75-100W/L。

　　可靠性有待深入研究

　　燃料电池动力系统是由燃料电池堆（或称燃料电池本体）、氢源系统、氧源系统和控制系统组成的。每一个系统又包括数个子系统。例如氢源系统就包含燃料储存、输送；氢气制造、净化、压力调解和控制；氢气输送、安全防护等子系统。燃料电池堆也包含电池排热、排水、保温、保湿、冷却等子系统。因此燃料电池动力系统的研制和运行过程是一个复杂的系统工程。在燃料电池系统中，任何一个子系统、组件、元件出了故障或失效，都会给整个燃料电池系统带来影响，甚至引起电池失效。

　　燃料电池汽车价格太高

　　一辆装有燃料电池的自行车样车要卖几万元，国外也有人估计目前每台燃料电池轿车需要100万～200万美元，但普通轿车只要1.8～2万美元，相差50～100倍。这么大的差距市场是不会认可的。那么燃料电池贵在哪里呢？

　　目前双极板约占整个质子交换膜燃料电池总重量的70%-80%，成本约占整个质子交换膜燃料电池总成本的40%~50%。要降低质子交换膜燃料电池总成本，那么寻求和设计价廉物美的双极板，就成为至关重要的事了。

　　再者，燃料电池电极中使用的贵金属催化剂，也是引起电池价格高扬的重要因素。到目前为止，还没有找到一个价廉物美的非贵金属催化剂。

　　车载氢源也是难题

　　已经试验过的车载氢源有：高压气态氢、金属氢化物储存氢、甲醇重整造氢、氢硼化钠制氢等，但都没有得到令人满意的结果。有的因为价格太高，有的因应答性满足不了汽车使用要求。

　　燃料电池汽车展望

　　任何一种产品要想占领市场，它必须在“性能／价格比”或“费／效比”指标上能够被广大消费者所接受。燃料电池汽车也必然遵循这一市场规律。燃料电池汽车要取代的是普通汽车，但它的“性能／价格比”指标跟市场的要求相差太远，这才使开发燃料电池电动汽车的人们认识到：燃料电池汽车要得到市场的认可，还有一段说不清楚的漫长的路要走。

　　对发展电动汽车的看法和建议

　　注重实用性

　　节能减排是开发新能源汽车的目的。HEV可以起到节能减排的效果，但纯电动汽车不论使用哪一种电池，都没有起到节能的效果。国内外开发电动汽车目的就在于减小城市污染。既然如此，就应当按照城市内汽车使用的情况来开发电动汽车，不要跟现有的燃油汽车相攀比。要想使电动汽车的性能全面达到燃油汽车，现有的各种动力电池都是做不到的。

　　城市内汽车的平均速度不高，有人说在中国是20km/h，在美国是40km/h。看来电动汽车的速度达到60km/h 是完全可以满足城市使用要求的。再看，如果不跑长途，汽车在城市内每天的行程不会超过150km。如果按照这一目标去开发电动汽车，那么现有的动力电池基本上都可以满足这一要求，完全解决了汽车对城市大气的污染问题。

　　加大电池开发力度

　　既然动力电池是制约电动汽车发展的瓶颈因素，那么就应当加大对动力电池的开发力度。要知道，每一种新型电池的诞生到完全满足市场要求，不是三天两天可以做到的。如果完全从经济效益出发，汽车厂家为抢占市场而对动力电池提出越来越高的要求，那么电池厂家就免不了在电池于试验室考核还没有过关的情况下，匆忙上市。最后组装成的电动汽车，只能参加展览会而不能被市场认可。

　　切忌一拥而上

　　任何一个产品上市都要经过三个阶段：实验室研发阶段，技术人员要亲自动手，要使产品在实验室的考核结果达到使用指标要求，在这一阶段只有投入没有产出；试生产阶段，产品量不要多，要由工人去生产，投放市场试销，然后根据市场的反应改进产品；市场认可阶段，即大批量生产阶段。在当前动力电池性能还没有完全满足要求的情况下，最好不要一拥而上大批量生产，免得造成巨大浪费。

　　确保电池最佳性价比

　　任何电池都有其固有的优点和不足之处，使用电池的场合也是千变万化的。我们在选择电池时，应当尽可能做到扬长避短，使所选用的电池具有最佳的“性能/价格比”，这样才会得到市场的认可。科学是不断发展的，动力电池的市场格局也可能会随之而变，但应使所选用的电池具有最佳的“性能/价格比”这一规律是不会因人因事而改变的。

　　电池型号 13HEV-60 7HEV-28 12HEV-20

　　标称电压（v） 13.2 7.2 12

　　额定容量（Ah） 60 28 20

　　质量（kg） 12.2 4.3 5.2

　　体积（L） 5.1 2.0 2.3

　　质量比能量（wh/kg） 68 50 48

　　体积比能量（wh/L） 160 102 110

　　质量比功率（w/kg） 600 550 550

　　体积比功率（w/L） 1400 1200 1300

　　电池组类型铅酸6DZM20 锂离子（101MP18/66/133） 121FP20/66/133

　　外形尺寸(mm) 181×76×170 345×87×95 345×155×87

　　体积 (L) 2.34 2.85 4.65