第1章 绪论

随着汽车保有量的不断增长，汽车工业在世界经济发展中的地位越来越突出，已成为现代经济支柱产业之一，并对世界经济的发展和社会的进步产生巨大的作用和深远的影响。随着石油资源逐渐短缺，扭转目前以石油为主的能源利用格局，实现能源多样化成为未来汽车工业发展的趋势。混合动力系统已从原来发动机与电机离散结构向发动机电机和变速器一体化结构发展，即集成化混合动力总成系统。混合动力汽车是传统内燃机汽车与电动车辆相结合的产物，它继承了电动车辆低排放的优点，又发挥了石油燃料高的比能量和比功率的优点，显著改善了传统内燃机汽车的排放和燃油经济性，增加了电动车辆的续驶里程，在由内燃机汽车向电动车辆的转变过程中扮演着重要的角色，如图1-1所示。电池是混合动力和纯电动车辆的关键部件之一。锂电池目前尚处于研究改进和迅速发展阶段，其主要优势在于具有较高的比能量，可以使电池更小、更轻；具有较好的充放电效率和低的自放电率，可以提高电池的能量效率，具有较大的潜在降价空间。从技术上来看，电动车辆中许多类型已经成熟，完全可以进行大规模生产。但电动车辆产业化的最大难题通常是成本，由于传统汽车经过长期发展，具有显著的规模经济和相关产业链支持，而电动车辆在其发展初期面临着规模较小、上下游产业链不完整等因素，导致电动车辆的成本通常较高。特别是电池技术滞后于电动车辆总体技术的发展，电池的能量密度、功率密度、循环性能、安全性能与倍率性能都急需迅速提高。

图1-1 混合动力车辆发动机结构示意图，包括内燃机与电动机及匹配系统

图1-2 电动车辆系统宏观能量排放与传输示意图

a）内燃机与电动车辆CO₂排放对比图 b）电动车辆能量传输构架的设计模型

在人类社会可持续发展的进程中，我们的日常生活一直都在排放二氧化碳（CO₂）。随着人类社会的发展，人口的增加与经济的增长等必将使CO₂排放增加。工业与交通领域能源燃料燃烧也是产生CO₂排放的重要原因之一，特别值得关注的就是车辆领域，传统内燃机车辆与电动车辆的CO₂排放对比示意图如图1-2a所示。科学家们认为CO₂过度排放已经并将继续为地球和人类带来灾难，因此，控制和减少CO₂排放量是全球可持续发展共同面临的严峻挑战。随着电动车辆技术的发展，如何通过新技术来节能减排，成为目前全球瞩目的可持续发展能源技术新亮点。现代工业和电动车辆等对可持续能源的应用需求激增，目前电动车辆发展的重点是内燃机与电池共同作为动力源的混合动力汽车、纯电动车辆和燃料电池汽车。技术研发将围绕混合动力汽车、纯电动车辆和燃料电池汽车展开。从发电结构来看，纯电动汽车所需要的电能在短期内仍然主要由煤炭、水电转化而来，二者之和所占的比重超过90%，煤炭、水电相比其他发电方式仍具有明显的成本优势，因此短期内纯电动车辆所需要的能源主要仍由煤电和水电来提供。现代工业、电力与电动车辆系统等能量传输构架的设计模型示意图如图1-2b所示。可以看出，人们在拓宽可持续能源应用领域的进程中，越来越重视新技术对可持续能源系统的节能减排与多样化设计。如何研发替代传统能源的可持续发展新能源，对电动车辆等现代工业显得尤为迫切，势在必行。

图1-3 电池综合效益与电动车辆销量示意图

a）锰酸锂与磷酸铁锂电池的综合性能与效益示意图

2015年，世界电动车辆产量增长约3%，其中80%增量来自中国。中国电动车辆的快速发展引起了全球电动车辆产业的关注。根据中国电动车辆技术和市场的现状、面临的困难和发展的趋势，得出电动车辆锰酸锂与磷酸铁锂电池的综合性能与效益，如图1-3a所示，有助于电动车辆的工程师、销售经理以及供应商抓住目前中国电动车辆发展的机遇，推动电动车辆的迅速发展。2014年我国汽车销量为7.46万辆，同比上升424%。其中纯电动车销量为4.5万辆，同比上升321%，如图1-3b所示。随着越来越多消费者对电动车辆的认可及充电设备的普及，车辆充电不再是一个难题，未来中国的电动车辆销量将进一步攀升。从新能源电池材料的发展来看，电动车辆拉动作用巨大。从电池正极材料来看，几乎所有的正极材料产能都是比较充裕的，中国正极材料出货量占了全球的50%，但是产品层次相对不高。以电动车辆为代表的电动交通工具市场对锂离子电池的需求增长最快，占比从2013年的22%增长到2015年的35%。2014年该市场锂离子电池需求量590.77万kW·h，其中电动车辆325.20万kW·h，占比55.05%。2015年该市场锂离子电池需求量1144.34万kW·h，其中电动车辆642.16万kW·h，占比56.12%。2015年各种材料成本占比：正极材料58.80%，负极材料10.16%，电解液7.49%，隔膜14.98%，其他材料8.58%。

图1-3 电池综合效益与电动车辆销量示意图（续）

b）目前电动车辆的销量