王 洪，林雄武，袁永明，畢根平，薛占鈺

(1.國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司張家口供電公司，河北張家口075000；2.保定鈺鑫電氣科技有限公司，河北保定071000)

對(duì)未來(lái)鉛酸蓄電池的需求分析及預(yù)期

王 洪1，林雄武1，袁永明1，畢根平2，薛占鈺2

(1.國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司張家口供電公司，河北張家口075000；2.保定鈺鑫電氣科技有限公司，河北保定071000)

分析了鉛酸蓄電池發(fā)展史以及當(dāng)前鉛酸蓄電池的發(fā)展空間；從產(chǎn)品應(yīng)用需求角度分析并預(yù)期未來(lái)鉛酸蓄電池產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)；結(jié)合鉛酸蓄電池的應(yīng)用及維護(hù)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，論證鉛酸蓄電池技術(shù)，發(fā)展下一代產(chǎn)品形式；分析未來(lái)鉛酸蓄電池的技術(shù)依托及智能化的具體表現(xiàn)，結(jié)合技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，預(yù)測(cè)蓄電池市場(chǎng)的下一代商業(yè)模式。

鉛酸蓄電池；閥控式；蓄電池維護(hù)；發(fā)展前景；需求分析

鉛酸蓄電池作為后備電源在各行業(yè)應(yīng)用廣泛，幾乎所有重要用電場(chǎng)合都離不開(kāi)鉛酸蓄電池，為繼電保護(hù)、信號(hào)控制、自動(dòng)化裝置提供可靠電源，是保護(hù)自動(dòng)控制裝置的心臟。而電源系統(tǒng)故障中，由其引起的事故占比大，其在應(yīng)用方面存在諸多問(wèn)題，例如壽命遠(yuǎn)達(dá)不到預(yù)期，運(yùn)維困難，對(duì)電源系統(tǒng)無(wú)疑是極大的隱患。

人工巡視很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障，人工維護(hù)存在數(shù)據(jù)測(cè)量和維護(hù)人員差異，不利于對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)作綜合判斷。應(yīng)用計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)光纖通信等技術(shù)將分散的直流電源信息由人工巡檢變?yōu)樵诰€實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，集中采集、自動(dòng)分析診斷，實(shí)現(xiàn)直流電源系統(tǒng)狀態(tài)檢修(CBM)的管理模式，是電力系統(tǒng)的重要發(fā)展方向和關(guān)鍵技術(shù)之一，也是實(shí)現(xiàn)智能化電網(wǎng)的技術(shù)之一，可有效提高電網(wǎng)的安全運(yùn)行水平，降低運(yùn)維成本、提高工作效率[1]。本文分析未來(lái)鉛酸蓄電池的技術(shù)依托及智能化的具體表現(xiàn)，結(jié)合技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，預(yù)測(cè)蓄電池市場(chǎng)的下一代商業(yè)模式。

1 鉛酸蓄電池發(fā)展史

1746年，馬森布羅克發(fā)明了收集電荷的“萊頓瓶”；1800年，伏打制造了伏打電池，為鉛酸蓄電池的產(chǎn)生打下基礎(chǔ)；1860年，普朗泰發(fā)明用鉛做電極的電池，可在電壓下降后通以反向電流，使電壓回升，被稱為“鉛酸蓄電池”，是世界上第一個(gè)可充電電池。

19世紀(jì)末，產(chǎn)生鉛酸蓄電池的柵架，1905年第一個(gè)鉛酸蓄電池用于汽車，此后一段時(shí)間，人們對(duì)鉛酸蓄電池加以改造，能量密度增加，塑料代替了早期的隔板與木材外殼，20世紀(jì)初，鉛酸蓄電池應(yīng)用逐漸增多。

閥控式密封鉛酸蓄電池的問(wèn)世是其技術(shù)上的重大變革，克服了開(kāi)口式電池酸液和酸霧易于外溢的弊病，可與電子設(shè)備共同使用，順應(yīng)產(chǎn)品發(fā)展方向，擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域，以安裝簡(jiǎn)便、安全可靠、不溢酸霧、無(wú)腐蝕、維護(hù)量小等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用，逐步取代了傳統(tǒng)蓄電池。

2 鉛酸蓄電池現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

閥控式鉛酸蓄電池的出現(xiàn)無(wú)疑改變了鉛酸蓄電池運(yùn)行的歷史，但隨著數(shù)量的增加，其發(fā)展也遇到了瓶頸，曾一度被稱為“免維護(hù)”的鉛酸蓄電池在應(yīng)用過(guò)程中逐漸顯現(xiàn)各種弊病，而現(xiàn)有的解決方案又不是很合理，如表1所示。

近年電池生產(chǎn)工藝改進(jìn)，淘汰鉛鉻合金采用無(wú)鎘、無(wú)砷生產(chǎn)工藝，使用鉛鈣合金等環(huán)保材料；鉛鈣合金及鑄板過(guò)程加入鉛減渣劑，減少鉛渣的產(chǎn)生；電池化成逐步淘汰了極板槽化成工藝，采用內(nèi)化成工藝；熔鉛爐采用密封、自動(dòng)溫控等措施；鉛粉制造采用智能型全自動(dòng)生產(chǎn)工藝，環(huán)保方面有很大改觀。

鉛酸電池從發(fā)明至今，歷經(jīng)一百五十多年的技術(shù)改造與優(yōu)化，有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，規(guī)?；a(chǎn)使其成為最具價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力的電池；其本身包含了60%～80%的塑料和鉛，可循環(huán)利用，鉛回收率在國(guó)外達(dá)99%以上，在我國(guó)約為95%左右；國(guó)家相繼五次頒布政策規(guī)范鉛酸蓄電池行業(yè)發(fā)展，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，提高行業(yè)的準(zhǔn)入門檻，加強(qiáng)行業(yè)對(duì)行業(yè)污染的整治力度；超級(jí)電池的研發(fā)已經(jīng)啟動(dòng)并廣受關(guān)注[2-4]，所以鉛酸電池還有很大的發(fā)展前景和改良空間，并將在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮作用[5]。

未來(lái)蓄電池將保持成本低、安全性高等優(yōu)勢(shì)，并具備參數(shù)測(cè)量與分析功能，將監(jiān)測(cè)功能與電池本身充放電特性合二為一，對(duì)外安裝簡(jiǎn)便合理；未來(lái)蓄電池產(chǎn)品必然安全可靠、壽命長(zhǎng)、成本低、智能化自檢、可遠(yuǎn)程操控，尤其是智能化和遠(yuǎn)程操作，已成為電力系統(tǒng)行業(yè)設(shè)備和保護(hù)設(shè)備的共同發(fā)展目標(biāo)，鉛酸電池作為直流系統(tǒng)能源供應(yīng)的主力，也要朝著智能方向發(fā)展。

表1 常見(jiàn)問(wèn)題及現(xiàn)有解決方案

3 運(yùn)維技術(shù)

傳統(tǒng)電池開(kāi)口方式?jīng)Q定了其維護(hù)過(guò)程依賴人工操作，需要人工增添酸液和水，操作困難，耗費(fèi)人工成本大，易操作失當(dāng)，造成損失。閥控式電池廣泛應(yīng)用后，其監(jiān)測(cè)技術(shù)也迅速發(fā)展，并以多種形式呈現(xiàn)[6-7]，但受其本身復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)限制，加上參數(shù)種類多、可靠度低，監(jiān)測(cè)產(chǎn)品不論從原理設(shè)計(jì)還是實(shí)現(xiàn)方法上均不能最佳地滿足需求[8]，一些監(jiān)測(cè)產(chǎn)品壽命甚至不及電池本身的運(yùn)行壽命。市場(chǎng)上的監(jiān)測(cè)產(chǎn)品多數(shù)存在夸大成分，經(jīng)不起長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行考驗(yàn)，部分只在某方面例如測(cè)量精度、穩(wěn)定性等占有突出優(yōu)勢(shì)，綜合能力無(wú)法滿足需求。產(chǎn)品高精度、高穩(wěn)定性、準(zhǔn)確分析結(jié)果、對(duì)設(shè)備影響小、在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[9]等成為研發(fā)人員共同追求的目標(biāo)。

監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展歷經(jīng)了從依賴人工操作到逐漸減少人為檢修，從人為判斷故障到自動(dòng)分析判斷，從低精度到高準(zhǔn)確度，從斷電操作到在線監(jiān)測(cè)的過(guò)程，且越來(lái)越穩(wěn)定。隨著各方面技術(shù)的突破，未來(lái)鉛酸電池的維護(hù)技術(shù)必將到達(dá)一個(gè)新高度，發(fā)展成一種簡(jiǎn)單、便于管理的智能化系統(tǒng)，且伴隨著鉛酸蓄電池本身的技術(shù)發(fā)展和改進(jìn)，最終二者合二為一，將監(jiān)測(cè)技術(shù)集于一身的鉛酸電池更能滿足應(yīng)用需求。

4 產(chǎn)品雛形、實(shí)現(xiàn)途徑及意義

4.1 產(chǎn)品雛形

4.1.1 高標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)過(guò)程

鉛酸電池安全性能高，理論壽命約15年，而目前大部分電池遠(yuǎn)達(dá)不到預(yù)期壽命，所以鉛酸蓄電池發(fā)展首先要解決使用壽命問(wèn)題，且不能犧牲制造成本。

4.1.2 監(jiān)測(cè)一體化

鉛酸電池要具備一定的自檢能力，最大程度地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化、無(wú)人化，并以監(jiān)測(cè)電路與蓄電池體一體化的形式存在。單體電池智能化主要表現(xiàn)在“自知”自身各參數(shù)，“自識(shí)別”各參數(shù)的異常狀態(tài)并作相應(yīng)告警處理；自動(dòng)可靠判斷漏酸、溢水現(xiàn)象并告知遠(yuǎn)方運(yùn)維人員。電池組智能化表現(xiàn)為“自知”整組電池的總電壓、總電流、紋波系數(shù)等參數(shù)，“自判別”整組電池健康狀況，尤其能知曉落后電池情況，及時(shí)將其信息以可靠的方式告知維護(hù)人員。

4.1.3 系統(tǒng)化

不依賴人工維護(hù)，各項(xiàng)監(jiān)測(cè)功能不是相互獨(dú)立，而能綜合成系統(tǒng)，內(nèi)部組網(wǎng)，對(duì)外可通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)高精度測(cè)量，對(duì)外安裝簡(jiǎn)便，接線簡(jiǎn)潔，對(duì)電池影響小，安全系數(shù)高，運(yùn)維人員無(wú)需繁雜的培訓(xùn)，無(wú)需高標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求等。

4.2 鉛酸蓄電池實(shí)現(xiàn)途徑

4.2.1 監(jiān)測(cè)電路的小型化

現(xiàn)有監(jiān)測(cè)產(chǎn)品眾多，差異性大，難以構(gòu)成系統(tǒng)，進(jìn)行統(tǒng)一安裝測(cè)試，需要對(duì)線路板改造，將性能好的監(jiān)測(cè)電路集成到一個(gè)線路板上，縮減面積與體積，監(jiān)測(cè)電路盡可能小型化，便于與蓄電池體相結(jié)合。

4.2.2 端子的引入

對(duì)鉛酸蓄電池的監(jiān)測(cè)與管理，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各參數(shù)，必然要附加測(cè)量電路于蓄電池的正負(fù)極柱之間，將電池極柱引入到監(jiān)測(cè)電路中，而現(xiàn)有的接線方式安全性差、線路繁雜、安裝不便，需要優(yōu)化。所以要解決線路板與極柱良好接觸的辦法，最關(guān)鍵的是在對(duì)電池不產(chǎn)生影響，并且安全性、可靠性都有保障的情況下，將線路板穩(wěn)定、可靠地與極柱相接觸。

4.2.3 電路投入與退出開(kāi)關(guān)

蓄電池不投運(yùn)時(shí)，緩慢自放電會(huì)導(dǎo)致電壓下降，在有監(jiān)測(cè)電路的情況下，必然要加入控制電路投入與退出的開(kāi)關(guān)，相當(dāng)于電池與外界溝通的橋梁，而開(kāi)關(guān)的選用和安裝方式極其重要，考慮到電解液的腐蝕性、電池的密封性，開(kāi)關(guān)不能置于內(nèi)部電解液中，而應(yīng)設(shè)計(jì)于電池體外，介于電池極柱與線路板之間。

4.2.4 監(jiān)測(cè)電路放置

將監(jiān)測(cè)電路與蓄電池合為一體又不將其置于電池內(nèi)部，需以合理的方式將其固定于電池表面，考慮到線路板要與電池極柱可靠接觸，最好的辦法是在蓄電池表面設(shè)計(jì)一個(gè)隔板，存放開(kāi)關(guān)及線路板，并將線路板的對(duì)外接口露出。這就要求線路板與電池體結(jié)構(gòu)兼容，不僅需要合理設(shè)計(jì)線路結(jié)構(gòu)，更需要廠家之間的合作。

4.2.5 監(jiān)測(cè)量與傳感器

蓄電池參數(shù)多，對(duì)其進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)會(huì)用到各種傳感器，例如電壓型和電流型傳感器、溫度傳感器等，均應(yīng)具備安裝簡(jiǎn)便、精度高、干擾小等特點(diǎn)。尤其溫度傳感器的安裝最好能貼于極柱表面并能引到線路板上進(jìn)行溫度的采集，這樣最能反映電池內(nèi)部溫度。

4.3 經(jīng)濟(jì)效益

未來(lái)鉛酸電池智能化的實(shí)現(xiàn)將帶來(lái)一系列經(jīng)濟(jì)利好，其中最直接的效益是改變蓄電池淘汰速率：串聯(lián)電池組內(nèi)性能下降電池的出現(xiàn)將直接導(dǎo)致性能良好的電池淘汰，造成浪費(fèi)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并更換性能下降的電池而不影響組內(nèi)其他電池將解決這一問(wèn)題，提高蓄電池使用率。

據(jù)報(bào)道，中國(guó)每年廢舊鉛酸電池超過(guò)5 000萬(wàn)只，并以每年30%速率增長(zhǎng)，而保守估計(jì)2 V 200 Ah蓄電池(約400元)每年廢棄電池成本約200億，以浪費(fèi)率20%計(jì)算，浪費(fèi)電池成本約40億，實(shí)際浪費(fèi)的蓄電池成本遠(yuǎn)不止這些。

4.4 商業(yè)模式

未來(lái)鉛酸電池大量應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展，將推動(dòng)蓄電池的大規(guī)模集中管理，運(yùn)維成本降低，時(shí)效性加強(qiáng)，自然催生一種新的商業(yè)模式：用戶購(gòu)置符合需求的服務(wù)而非電池組本身，省去運(yùn)維隊(duì)伍成本；而蓄電池制造廠商也樂(lè)于連同運(yùn)維服務(wù)打包出售，以服務(wù)質(zhì)量贏得市場(chǎng)，最終實(shí)現(xiàn)專業(yè)人干更專業(yè)的事。此模式有利于廠商獲取電池運(yùn)行數(shù)據(jù)，幫助其對(duì)制造品質(zhì)、工藝、材料及時(shí)改進(jìn)，形成及時(shí)反饋和改進(jìn)的良性循環(huán)。

未來(lái)鉛酸電池的產(chǎn)業(yè)革新將促使電池的交易轉(zhuǎn)變?yōu)榉?wù)的交易，用戶更加節(jié)省精力與成本，而這一產(chǎn)業(yè)模式的實(shí)現(xiàn)就要求其技術(shù)人員負(fù)責(zé)蓄電池的運(yùn)維，鉛酸電池的智能化、網(wǎng)絡(luò)化以及遠(yuǎn)程監(jiān)控是必然的結(jié)果。

5 結(jié)論

鉛酸蓄電池的發(fā)展，尤其是其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用與發(fā)展前景依然很大，未來(lái)鉛酸蓄電池必將發(fā)展成集各種高新技術(shù)于一身，智能化、無(wú)人操作化、免維護(hù)、無(wú)污染的超級(jí)鉛酸蓄電池。當(dāng)然，其實(shí)現(xiàn)需要各方面的技術(shù)突破與革新，也需要不同領(lǐng)域的技術(shù)相互結(jié)合，共同發(fā)展，相信未來(lái)鉛酸蓄電池必將更好地服務(wù)于各行各業(yè)。

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Demand analysis and forecast for future lead-acid battery

The history and current development space of lead-acid battery were analyzed.The development trend of the lead-acid battery products was analyzed and expected from the angle of application demand.Combined with the application and development trend of the maintenance technology of lead acid battery， the technology of lead acid battery was demonstrated to develop the next generation of product.The technology support and intelligence of the future battery was analyzed.According to the development trend of technology， the next generation of business model of battery market was forecasted.

lead-acid battery;valve control;battery maintenance;development prospects;demand analysis

TM 91

A

1002-087 X(2016)04-0935-03

2015-09-12

王洪(1965—)，男，河北省人，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殡娋W(wǎng)變電設(shè)備運(yùn)維檢修。