第1章 緒論

隨著汽車保有量的不斷增長，汽車工業在世界經濟發展中的地位越來越突出，已成為現代經濟支柱產業之一，并對世界經濟的發展和社會的進步產生巨大的作用和深遠的影響。隨著石油資源逐漸短缺，扭轉目前以石油為主的能源利用格局，實現能源多樣化成為未來汽車工業發展的趨勢。混合動力系統已從原來發動機與電機離散結構向發動機電機和變速器一體化結構發展，即集成化混合動力總成系統。混合動力汽車是傳統內燃機汽車與電動車輛相結合的產物，它繼承了電動車輛低排放的優點，又發揮了石油燃料高的比能量和比功率的優點，顯著改善了傳統內燃機汽車的排放和燃油經濟性，增加了電動車輛的續駛里程，在由內燃機汽車向電動車輛的轉變過程中扮演著重要的角色，如圖1-1所示。電池是混合動力和純電動車輛的關鍵部件之一。鋰電池目前尚處于研究改進和迅速發展階段，其主要優勢在于具有較高的比能量，可以使電池更小、更輕；具有較好的充放電效率和低的自放電率，可以提高電池的能量效率，具有較大的潛在降價空間。從技術上來看，電動車輛中許多類型已經成熟，完全可以進行大規模生產。但電動車輛產業化的最大難題通常是成本，由于傳統汽車經過長期發展，具有顯著的規模經濟和相關產業鏈支持，而電動車輛在其發展初期面臨著規模較小、上下游產業鏈不完整等因素，導致電動車輛的成本通常較高。特別是電池技術滯后于電動車輛總體技術的發展，電池的能量密度、功率密度、循環性能、安全性能與倍率性能都急需迅速提高。

圖1-1 混合動力車輛發動機結構示意圖，包括內燃機與電機及匹配系統

在人類社會可持續發展的進程中，我們的日常生活一直都在排放二氧化碳（CO₂）。隨著人類社會的發展，人口的增加與經濟的增長等必將使CO₂排放增加。工業與交通領域能源燃料燃燒也是產生CO₂排放的重要原因之一，特別值得關注的就是車輛領域，傳統內燃機車輛與電動車輛的CO₂排放對比示意圖如圖1-2a所示。科學家們認為CO₂過度排放已經并將繼續為地球和人類帶來災難，因此，控制和減少CO₂排放量是全球可持續發展共同面臨的嚴峻挑戰。隨著電動車輛技術的發展，如何通過新技術來節能減排，成為目前全球矚目的可持續發展能源技術新亮點。現代工業和電動車輛等對可持續能源的應用需求激增，目前電動車輛發展的重點是內燃機與電池共同作為動力源的混合動力汽車、純電動汽車和燃料電池汽車。技術研發將圍繞混合動力汽車、純電動汽車和燃料電池汽車展開。從發電結構來看，純電動汽車所需要的電能在短期內仍然主要由煤炭、水電轉化而來，二者之和占比超過90%，煤炭、水電相比其他發電方式仍具有明顯的成本優勢，因此短期內純電動汽車所需要的能源主要仍由煤電和水電來提供。現代工業、電力與電動車輛系統等能量轉換構架的設計模型示意圖如圖1-2b所示。可以看出，人們在拓寬可持續能源應用領域的進程中，越來越重視新技術對可持續能源系統的節能減排與多樣化設計。如何研發替代傳統能源的可持續發展新能源，對電動車輛等現代工業顯得尤為迫切，勢在必行。

圖1-2 電動車輛系統宏觀能量排放與傳輸示意圖

a）內燃機與電動車輛CO₂排放對比圖 b）電動車輛能量轉換構架的設計模型

中國電動車輛的快速發展引起了全球電動車輛產業的關注。根據中國電動車輛技術和市場的現狀、面臨的困難和發展的趨勢，得出電動車輛錳酸鋰與磷酸鐵鋰電池的綜合性能與效益，如圖1-3所示，有助于電動車輛的工程師、銷售經理以及供應商抓住目前中國電動車輛發展的機遇，推動電動車輛的迅速發展。隨著越來越多的消費者對電動車輛的認可及充電設備的普及，車輛充電不再是一個難題，未來中國的電動車輛銷量將進一步攀升。

圖1-3 錳酸鋰與磷酸鐵鋰電池的綜合性能與效益示意圖

從新能源電池材料的發展來看，電動車輛拉動作用巨大。從電池正極材料來看，幾乎所有的正極材料產能都是比較充裕的，中國正極材料出貨量占全球的50%，但是產品層次相對不高。以電動車輛為代表的電動交通工具市場對鋰離子電池的需求增長最快。