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新能源汽车电池最终归宿：锂电池、燃料电池还是超级电容电池
　来源：前瞻产业研究院　E7245
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&自全球面临能源危机、环境污染等问题以来，就担当了解决上述问题的大任。但从全球各国的推广情况来看，不尽理想。除了基础设施建设满足不了市场的需求外，新能源汽车电池技术是制约发展的主要因素。
对于消费者而言，新能源汽车的续航里程是重要的考量因素。从目前来看，在实际应用中，续航里程最长的就是特斯拉Model S，最大续航里程502公里，换算能耗为169瓦时/公里。虽然北京鸿远蓝翔技术公司对改装的夏利N7进行试验，一次充电持续行驶了682公里，国产车换算能耗为101瓦时/公里，大大低于特斯拉，但是只是试验数据，还没有商业化量产。其他新能源汽车的续航里程远低于特斯拉的水平。
而电池又是制约续航里程的重要因素。目前，新能源电池的发展方向有三个：、还是超级电容。前瞻产业研究院发布的《》研究显示：从目前的应用情况来看，应用最广泛的就是锂电池，其次是燃料电池，超级电容电池还处于理想化阶段。
图表：新能源电池优缺点对比表
资料来源：前瞻产业研究院整理
对于锂电池而言，根据材料的不同又分为锂电池、钴酸锂电池与三元。
多数电动汽车应用的是磷酸铁锂电池，如雪佛兰Volt、日产Leaf、比亚迪E6等。这种电池技术成熟、，但缺点是能量密度，导致电动汽车的续航里程短，难以满足消费者的要求。除此之外，磷酸铁锂电池合成反应复杂，造成电池一致性问题难以解决，另外，磷酸铁锂电池制造过程需要有还原气体，导致其材料的制造稳定性和精确性很难控制;零度气温以下磷酸铁锂电池有放不出电的现象，影响车辆的使用。
应用钴酸锂电池与三元聚合物锂电池的主要是特斯拉电动车，其Roadster电动车采用钴酸锂电池，Model S采用的是三元聚合物锂电池。对于钴酸锂电池而言，虽然能量密度大，但安全性较低，且成本高。以特斯拉为例，其电池成本占到整车的一半。因而，特斯拉采用了能量密度高但成本更低的三元聚合物锂电池。
除此之外，燃料电池也是各大汽车制造商重点投资的领域。氢燃料作为能源的突出特点是无污染、效率高、可循环利用。而氢是一种无色的气体，燃烧一克氢能释放出142千焦尔的热量，是汽油发热量的3倍。它燃烧的产物是水，没有灰渣和废气，不会污染环境，因此氢作为燃料被认为将会成为21世纪最理想的能源。
近几年，欧美日等地在政府大力扶持下，在氢燃料汽车研发方面均取得了一定成就，包括奔驰、通用、丰田等巨头企业更是纷纷布局。政府正在本国内大力推进氢燃料电池车的发展。根据《新成长战略》规划，日本政府提出以下目标：包括氢燃料电池车在内的下一代环保车市场份额，将从2013年的约23%提升至2030年的50%～70%。同时，为氢燃料电池车提供补贴，2025年使其售价与混动车持平，统一标准与国际接轨以促进其海外销售等举措被列为重点实施项目。
2014年7月，在东京召开氢燃料电池车(FCV)开发状况的说明会上，丰田公司加藤光久副社长表示在2014年内将向市场推出轿车型的氢燃料汽车。6月，现代氢燃料电池车日前首次在美国南加州出售，意味着量产氢燃料电池车开始在美进入商业发布阶段。本田公司也将在2015年推出燃料电池车。
但是氢燃料电池也存在一定的劣势。燃料电池生产成本很高，而加氢站的建设甚至比锂电池电动汽车的充电站更难。除此之外，氢气有爆炸的隐患且氢气来源渠道有限。上述原因都制约了氢燃料在市场中的应用。
而对于市场前景更广的超级电容而言，理论上较锂电池与燃料电池更优异。有人预测，传统电动汽车的电池已经过时，未来以超级电容器为动力系统的新型汽车将取而代之。其优点首先是充电速度超快，别管多大容量，只要电流够，一两秒就能充满；其次是耐充，几十万次没问题，而且能量不衰减；第三是放电速度极快，或者说能够承载的功率高，这也是电池所不能比的；第四，效率高。由于是物理变化，它的能量转换效率远非化学变化的电池可比。
但超级电容也有自身的缺陷：一个是安全性，过快的放电速度和过低的内阻，如果设计不好的话，本身就蕴含着&能量突然大爆发&所隐藏的风险。二是较低的工作电压，制约了它在驱动汽车上的应用。
前瞻网分析认为，从上述三种电池的对比来看，在短期内仍然以锂电池为主，并将呈现锂电池与燃料电池并驾齐驱的现象。而对于超级电容，在短期内很难替代锂电池，从技术上看，超级电容与锂电池各有其性能特点，未来将锂电池与超级电容组合的技术将成为市场主流。
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新能源之燃料电池汽车
2.3 燃料电池电动汽车?2.3.1 燃料电池电动汽车的类型?? ?2.3.2 燃料电池电动汽车的结构原理2.3.3 燃料电池电动汽车的特点2.3.4 燃料电池电动汽车车型实例2.3.1 燃料电池电动汽车的类型?1．纯燃料电池驱动的FCEV?纯燃料电池电动汽车只有燃料电池一个动力源，汽 车的所有功率负荷都由燃料电池承担。2.3.1 燃料电池电动汽车的类型?2．燃料电池与辅助蓄电池联合驱动(FC+B)的FCEV2.3.1 燃料电池电动汽车的类型?3．燃料电池与超级电容联合驱动(FC+C)的FCEV?这种结构形式与燃料电池+蓄电池结构相似，只是把 蓄电池换成超级电容。相对于蓄电池，超级电容充 放电效率高，能量损失小，比蓄电池功率密度大， 在回收制动能量方面比蓄电池有优势，循环寿命长， 但是超级电容的能量密度较小。随着超级电容技术 的不断进步，这种结构将成为一种新的重要研究方 向。2.3.1 燃料电池电动汽车的类型?4．燃料电池与辅助蓄电池和超级电容联合驱动 (FC+B+C)的FCEV2.3.2 燃料电池电动汽车的结构原理2.3.2 燃料电池电动汽车的结构原理?燃料电池电动汽车的动力系统主要由燃料电池发动 机、辅助动力源、DC/DC变换器、DC/AC逆变器、 电动机和动力电控系统等组成。 1. 燃料电池发动机 在FCEV所采用的燃料电池发动机中，为保证 PEMFC组的正常工作，除以PEMFC组为核心外， 还装有氢气供给系统、氧气供给系统、气体加湿系 统、反应生成物的处理系统、冷却系统和电能转换 系统等。只有这些辅助系统匹配恰当和正常运转， 才能保证燃料电池发动机正常运转。? ?2.3.2 燃料电池电动汽车的结构原理?以氢为燃料的燃料电池发动机系统2.3.2 燃料电池电动汽车的结构原理?以氢气为燃料的FCEV的总布置基本结构模型2.3.2 燃料电池电动汽车的结构原理?2. 辅助动力源?在FCEV上燃料电池发动机是主要电源，另外还配备 有辅助动力源。根据FCEV的设计方案不同，其所采 用的辅助动力源也有所不同，可以用蓄电池组、飞 轮储能器或超大容量电容器等共同组成双电源系统。3. DC/DC变换器??FCEV的燃料电池需要装置单向DC/DC变换器，蓄电池和超级电容器需要装置双向DC/DC变换器。2.3.2 燃料电池电动汽车的结构原理?4. 驱动电动机?燃料电池电动汽车用的驱动电动机主要有直流电动 机、交流电动机、永磁电动机和开关磁阻电动机等。 燃料电池汽车驱动电机的选型必须结合整车开发目 标，综合考虑电动机的特点。驱动电动机的详细内 容见第4章。 5. 动力电控系统燃料电池汽车的动力电控系统主要由燃料电池发动 机管理系统( FCE-ECU) 、蓄电池管理系统(BMS)、? ?2.3.3 燃料电池电动汽车的特点?(1) 效率高。燃料电池的工作过程是化学能转化为 电能的过程，不受卡诺循环的限制，能量转换效率 较高，可以达到30%以上。 (2) 续驶里程长。采用燃料电池系统作为能量源， 克服了纯电动汽车续驶里程短的缺点，其长途行驶 能力及动力性已经接近于传统汽车。??(3) 绿色环保。燃料电池没有燃烧过程，以纯氢作 燃料，生成物只有水，属于零排放。采用其它富氢 有机化合物用车载重整器制氢作为燃料电池的燃料， 生产物除水之外还可能有少量的CO2，接近零排放。2.3.3 燃料电池电动汽车的特点?(4) 过载能力强。燃料电池除了在较宽的工作范围 内具有较高的工作效率外，其短时过载能力可达额 定功率的200％或更大。 (5) 低噪音。燃料电池属于静态能量转换装置，除 了空气压缩机和冷却系统以外无其它运动部件，因 此与内燃机汽车相比，运行过程中噪音和振动都较 小。 (6) 设计方便灵活。燃料电池汽车可以按照X－By －Wire的思路进行汽车设计，改变传统的汽车设 计概念，可以在空间和重量等问题上进行灵活的配??2.3.3 燃料电池电动汽车的特点?燃料电池电动汽车的主要缺点有：?? ?(1) 燃料电池汽车的制造成本和使用成本过高。(2) 辅助设备复杂，且质量和体积较大。(3) 起动时间长，系统抗振能力有待进一步提高。2.3.4 燃料电池电动汽车车型实例?1. 雪佛兰Equinox氢燃料电池电动汽车2.3.4 燃料电池电动汽车车型实例?2.奔驰燃料电池B级F-Cell电动汽车2.3.4 燃料电池电动汽车车型实例?3. “上海牌”燃料电池电动汽车2.3.4 燃料电池电动汽车车型实例?4. 帕萨特领驭氢燃料电池电动汽车2.3.4 燃料电池电动汽车车型实例?5.奇瑞燃料电池电动汽车2.3.4 燃料电池电动汽车车型实例?6．长安志翔燃料电池电动汽车
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新能源汽车是指采用非常规的车用燃料作为动力来源（或使用常规的车用燃料、采用新型车载动力装置），综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术，形成的技术原理先进、具有新技术、新结构的汽车。
新能源汽车包括纯电动汽车、增程式电动汽车、混合动力汽车、燃料电池电动汽车、氢发动机汽车、其他新能源汽车等。
纯电动汽车
纯电动汽车(Blade Electric Vehicles，BEV)是一种采用单一蓄电池作为储能动力源的汽车，它利用蓄电池作为储能动力源，通过电池向电动机提供电能，驱动电动机运转，从而推动汽车行驶。
混合动力汽车
混合动力汽车(Hybrid Electric Vehicle，HEV)是指驱动系统由两个或多个能同时运转的单个驱动系联合组成的车辆，车辆的行驶功率依据实际的车辆行驶状态由单个驱动系单独或多个驱动系共同提供。因各个组成部件、布置方式和控制策略的不同，混合动力汽车有多种形式。
燃料电池电动汽车
燃料电池电动汽车(Fuel Cell Electric Vehicle，FCEV)是利用氢气和空气中的氧在催化剂的作用下．在燃料电池中经电化学反应产生的电能作为主要动力源驱动的汽车。燃料电池电动汽车实质上是纯电动汽车的一种，主要区别在于动力电池的工作原理不同。
一般来说，燃料电池是通过电化学反应将化学能转化为电能，电化学反应所需的还原剂一般采用氢气，氧化剂则采用氧气，因此最早开发的燃料电池电动汽车多是直接采用氢燃料，氢气的储存可采用液化氢、压缩氢气或金属氢化物储氢等形式。
氢发动机汽车
氢发动机汽车是以氢发动机为动力源的汽车。一般发动机使用的燃料是柴油或汽油，氢发动机使用的燃料是气体氢。氢发动机汽车是一种真正实现零排放的交通工具，排放出的是纯净水，其具有无污染、零排放、储量丰富等优势。
其他新能源汽车
其他新能源汽车包括使用超级电容器、飞轮等高效储能器的汽车。目前在我国，新能源汽车主要是指纯电动汽车、增程式电动汽车、插电式混合动力汽车和燃料电池电动汽车，常规混合动力汽车被划分为节能汽车。
混合动力汽车
1、采用混合动力后可按平均需用的功率来确定内燃机的最大功率，发动机相对较小（downsize），此时处于油耗低、污染少的最优工况下工作。由于内燃机可持续工作，电池又可以不断得到充电，故其行程和普通汽车一样。
2、因为有了电池， 可以十分方便地回收下坡时的动能。
3、在繁华市区，可关停内燃机，由电池单独驱动，实现“零”排放。
4、有了内燃机可以十分方便地解决耗能大的空调、取暖、除霜等纯电动汽车遇到的难题。
5、可以利用现有的加油站加油，不必再投资。
6、可让电池保持在良好的工作状态，不发生过充、过放，延长其使用寿命，降低成本。
7、整车由于多个动力源，可同时工作，整车的动力性优良。
缺点：系统结构相对复杂；长距离高速行驶省油效果不明显。
纯电动汽车
优点：技术相对简单成熟，只要有电力供应的地方都能够充电。
缺点：蓄电池单位重量储存的能量太少，还因电动车的电池较贵，又没形成经济规模，故购买价格较贵；至于使用成本，有些试用结果比汽车贵，有些结果仅为汽车的1/7~1/3，这主要取决于电池的寿命及当地的油、电价格。
燃料电池汽车
与传统汽车相比，燃料电池汽车具有以下优点：
1、零排放或近似零排放。
2、减少了机油泄露带来的水污染。
3、降低了温室气体的排放。
4、燃油电池的转化效率高（60%左右），整车燃油经济性良好。
5、运行平稳、无噪声。
缺点：燃料电池成本高昂，同时使用成本（氢）也昂贵。
氢动力汽车
优点：排放物是纯水，行驶时不产生任何污染物。
缺点：氢燃料成本过高，而且氢燃料的存储和运输按照技术条件来说非常困难，因为氢分子非常小，极易透过储藏装置的外壳逃逸。另外最致命的问题，氢气的提取需要通过电解水或者利用天然气，如此一来同样需要消耗大量能源，除非使用核电来提取，否则无法从根本上降低二氧化碳排放。
超级电容汽车
优点：充电时间短、功率密度大、容量大、使用寿命长、免维护、经济环保等。
缺点：能量密度低，很难满足整车需求，故一般作为辅助蓄能器；功率输出随着行驶里程加长而衰减等。
从全球新能源汽车的发展来看，其动力电源主要包括锂离子电池、镍氢电池、燃料电池、铅酸电池、超级电容器，其中超级电容器大多以辅助动力源的形式出现。主要原因是这些电池技术还不完全成熟或缺点明显，与传统汽车相比不管是从成本上、动力还是续航里程上都有不少差距，这也是制约新能源汽车的发展的重要原因。
铅酸蓄电池
铅酸蓄电池已有100多年的历史，广泛用作内燃机汽车的起动动力源。它也是成熟的电动汽车蓄电池，它可靠性好、原材料易得、价格便宜；比功率也基本上能满足电动汽车的动力性要求。但它有两大缺点；一是比能量低，所占的质量和体积太大，因此一次充电行驶里程较短；另一个是使用寿命短，使用成本过高。
镍氢蓄电池
镍氢蓄电池属于碱性电池，镍氢蓄电池循环使用寿命较长，能量密度高，但价格较高，存在记忆效应。国外生产电动汽车镍氢蓄电池的公司主要是Ovonie、丰田和松下的一个合资公司。Ovonie现有80A·h和130A·h两种单元电池，其比能量达75－80W·h/kg，循环使用寿命超过600次。这种蓄电池装在几种电动汽车上使用，其中一类车一次充电可行驶345km，有一辆车一年中行驶了8万多公里。国内已开发出55A·h和100A·h 单元电池，比能量达65 W·h/kg，功率密度大于800W/kg的镍氢蓄电池。
锂离子电池
锂离子二次电池作为新型高电压、高能量密度的可充电电池，其独特的物理和电化学性能，具有广泛的民用和国防应用的前景。其突出的特点是：重量轻、储能大（能量密度高）、无污染、无记忆效应、使用寿命长。在同体积重量情况下，锂电池的蓄电能力是镍氢电池的1.6倍，是镍镉电池的4倍，并且人类只开发利用了其理论电量的20%～30%，开发前景非常光明。同时它是一种真正的绿色环保电池，不会对环境造成污染，是目前最佳的能应用到电动车上的电池。我国从二十世纪九十年代开始开发和利用锂离子电池，至今已取得突破性进展，研制出了完全拥有自主知识产权的锂离子电池。
镍镉电池的应用广泛程度仅次于铅酸蓄电池，其比能量可达55W·h/kg，比功率超过190W/kg。可快速充电，循环使用寿命较长，是铅酸蓄电池的两倍多，可达到2000多次，但价格为铅酸蓄电池的4～5倍。它的初期购置成本虽高，但由于其在能量和使用寿命方面的优势，因此其长期的实际使用成本并不高。缺点是有“记忆效应”，容易因为充放电不良而导致电池可用容量减小。须在使用十次左右后，作一次完全充放电，如果已经有了“记忆效应”，应连续作3～5次完全充放电，以释放记忆。另外镉有毒，使用中要注意做好回收工作，以免镉造成环境污染。
钠硫蓄电池
钠硫电池的优点：一个是比能量高。其理论比能量为760W·h/kg，实际已大于100W·h/kg，是铅酸电池的3～4倍；另一个是可大电流、高功率放电。其放电电流密度一般可达200～300mA/mm2，并瞬时间可放出其3倍的固有能量；再一个是充放电效率高。由于采用固体电解质，所以没有通常采用液体电解质二次电池的那种自放电及副反应，充放电电流效率几乎100%。钠硫电池缺点，主要其工作温度在300～350℃，所以，电池工作时需要一定的加热保温。而高温腐蚀严重，电池寿命较短。已有采用高性能的真空绝热保温技术，可有效地解决这一问题。也有性能稳定性及使用安全性不太理想等问题。
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新能源汽车锂电池/氢燃料/超级电容PK
电池作为一种将化学能转化为电能的装置，被大类区分近20种。近年来，得到市场关注的新型电池更是层出不穷。而锂电池、氢燃料电池与超级电容便是其中的佼佼者。
　　电池作为一种将化学能转化为电能的装置，从1746年的&莱顿瓶&发展至今，被大类区分近20种。近年来，得到市场关注的新型电池更是层出不穷。　　例如氢燃料电池，通过分离氢气中的电子，产生电流，就可以在接近零碳排放的状态下发电。众多政府以及汽车企业也十分支持氢燃料电池的发展和应用。　　今年初，美国氢燃料电池巨头Plug能源一度遭到追捧，其股价也因此跌宕起伏。&虽然氢燃料电池给予市场绿色环保的美好期待，但从实际发展的速度和推广角度来看，近几年仍属于概念阶段。&一位电池行业资深专家告诉记者。　　无独有偶，这种画饼式的想象同样存在于超级电容。　　作为一种介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的电源，超级电容具有充放电速度快，循环使用次数超长等优点。同样是因为环保原因，装有超级电容的公交车辆、无辫有轨电车正计划在多个城市大规模推广。有不少观点认为，随着技术的进步，超级电容将能取代电池。　　超级电容专家却对记者说，外界对于超级电容的能力存在误读。以新能源汽车为例，通常超级电容能够在汽车启动和加速环节，补偿峰值功率。但决定续航里程的关键还是。在目前的情况下，超级电容和池存在的是互补关系，谁也不能取代谁。而在未来相当长的一段时间，超级电容能量密度也无法与锂电池相提并论。　　长江证券研究报告认为，燃料电池与超级电容产业化程度不高，而传统干电池、铅酸蓄电池、镍铬镍氢电池又存在较重的环境污染以及使用寿命不高等问题。因此，在未来相当一段时间内，各方面表现相对平衡的锂电池仍将未来电池领域的最佳选择。　　而全球电动汽车的快速发展，将进一步引爆锂电池的需求。仅以[微博]MODEL S一种车型为例，2013年销量为22400辆，以平均每辆车电量70kWh计算，2013年其总电量就达到了150万kWh，而全球智能手机锂电池年需求量的总电量为909万kWh，仅特斯拉一个车型的电量就占到了智能16%的份额。　　Navigant 研究公司上个月发布的报告显示，锂电池稳定且可靠的表现使它们被越来越多地用于电池动力和插件混合动力汽车。未来十年，全球对锂电池的需求将激增，每年的市场价值都将增长，到2023年将增长到260亿美元。　　而根据我国的《节能与新能源汽车产业发展规划(年)》，至2015年，纯电动汽车和插电式混合动力汽车累计产销量力争达到50万辆，据此计算届时需要能量型动力电池模块则将达到150亿瓦时/年、功率型30亿瓦时/年。2012年，中国锂电池产业规模达556.8亿元人民币，预计2015年将达到1251.5亿元人民币，将继续呈高速发展的态势。　　尽管，锂电池未来发展趋势总体向上。目前也出现了结构性的产能过剩。尤其是国产低端锂电池厮杀激烈。另一方面，高品质科技含量高的锂电池则供不应求。这种两极分化意味着，看似技术成熟的锂电池仍具有较大技术进步空间。　　对于锂电池原料生产企业而言，除了正负极材料的突破创新，锂电池电解液或将成为另一个突破的关键点。
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