魏東濤，李 鵬，劉慎陽，魏東法，谷燕林

(1.空軍勤務(wù)學(xué)院航空四站系，江蘇徐州221000；2.辰欣藥業(yè)，山東濟(jì)寧272000)

動(dòng)力蓄電池的性能比較研究

魏東濤1，李 鵬1，劉慎陽1，魏東法2，谷燕林2

(1.空軍勤務(wù)學(xué)院航空四站系，江蘇徐州221000；2.辰欣藥業(yè)，山東濟(jì)寧272000)

蓄電池作為電動(dòng)設(shè)備的動(dòng)力提供者，是電動(dòng)設(shè)備的重要元器件，介紹了目前在用的各類動(dòng)力蓄電池結(jié)構(gòu)特性，分析比較了優(yōu)缺點(diǎn)、應(yīng)用現(xiàn)狀和適用場(chǎng)合。

蓄電池；比能量；比功率；商業(yè)化

蓄電池也稱二次電池，是將所獲得的電能以化學(xué)能的形式貯存并可將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的一種電學(xué)裝置[1]。蓄電池的作用是存儲(chǔ)電能，蓄電池在充電過程中，電能能夠通過蓄電池內(nèi)的“活性物質(zhì)”的化學(xué)變化轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能存儲(chǔ)在蓄電池中。蓄電池在放電過程中，通過蓄電池內(nèi)的“活性物質(zhì)”逆轉(zhuǎn)，將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔苡尚铍姵剌敵觥?dòng)力蓄電池是指具有較大電能容量和輸出功率，可用作電動(dòng)汽車、電動(dòng)設(shè)備及工具驅(qū)動(dòng)電源的電池，通常也可以用作儲(chǔ)能電池設(shè)備、通信指揮系統(tǒng)的常備電源等。

1 動(dòng)力蓄電池的特點(diǎn)

與普通蓄電池相比，動(dòng)力蓄電池具有以下特點(diǎn)：

(1)高比能量

比能量包括質(zhì)量比能量和體積比能量。對(duì)動(dòng)力蓄電池而言，希望其具有高比能量，因?yàn)橛秒娖黧w積和質(zhì)量往往都有著嚴(yán)格的限制。

(2)高比功率

電池的比功率與電池的大電流放電性能密切相關(guān)，標(biāo)志著電池能夠提供多大的馬力，動(dòng)力蓄電池同其它電池相比具有高比功率。電動(dòng)汽車的加速性能和最高車速都是由動(dòng)力蓄電池的比功率決定。電動(dòng)汽車在啟動(dòng)、爬坡、超車加速時(shí)都需要很高的功率。

(3)安全可靠性

動(dòng)力蓄電池由于體積很大，儲(chǔ)存了較高的能量，其安全性問題更加突出，因?yàn)槠囋谛旭傊须y免出事故，要求動(dòng)力蓄電池的防爆性能要好，避免引起嚴(yán)重的后果。

(4)價(jià)格較高

通常用單位瓦時(shí)的價(jià)格表示電池的價(jià)格，它標(biāo)志著動(dòng)力蓄電池使用的經(jīng)濟(jì)性，代表按單位里程計(jì)算的動(dòng)力蓄電池的使用成本。

2 動(dòng)力蓄電池的分類

國(guó)內(nèi)外動(dòng)力蓄電池的研發(fā)歷史大致如下[2]：第一代動(dòng)力蓄電池：鉛酸蓄電池，主要是閥控式(VRLA)鉛蓄電池；第二代動(dòng)力蓄電池：堿性蓄電池，如鎘鎳(Ni-Cd)電池、氫鎳(Ni-MH)電池；第三代動(dòng)力蓄電池：鋰離子電池、鋰聚合物電池；第四代動(dòng)力蓄電池：飛輪儲(chǔ)能器、超級(jí)電容器和太陽電池、燃料電池等，如堿性燃料電池(AFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)、質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)。

每種動(dòng)力蓄電池都各自有各自的性能及其特點(diǎn)：質(zhì)量比能量，Wh/kg；體積比能量，Wh/L；比功率，W/kg，它標(biāo)志著蓄電池的最大使用功率；體積比功率，W/L，它標(biāo)志著提供一定功率的電池所占據(jù)的車內(nèi)空間；使用壽命，從第一次使用到徹底報(bào)廢的充放電循環(huán)次數(shù)；快速充電性能，該效率高就節(jié)能，低就浪費(fèi)能源。用充滿50%，80%或100%能量所需的時(shí)間表示；成本價(jià)格；環(huán)保性；環(huán)境適應(yīng)性。

3 各類動(dòng)力蓄電池介紹

3.1 鉛酸蓄電池

閥控密封鉛酸蓄電池是最新一代的產(chǎn)品，具有體積小、質(zhì)量輕、自放電小、少維護(hù)、壽命長(zhǎng)、使用方便、無記憶效應(yīng)、對(duì)環(huán)境無腐蝕等優(yōu)良特性，與傳統(tǒng)鉛酸蓄電池相比，在使用、維護(hù)和管理上有著明顯的優(yōu)勢(shì)。這種電池以鉛作負(fù)極，二氧化鉛作正極，用硫酸做電解液。比能量已經(jīng)超過30 Wh/kg，體積比能量超過了80 Wh/L，并可以實(shí)現(xiàn)快速充電。

鉛酸蓄電池廣泛用作內(nèi)燃機(jī)汽車的起動(dòng)電源，目前己經(jīng)實(shí)現(xiàn)了大批量的生產(chǎn)，其產(chǎn)品回收較為容易。缺點(diǎn)是：一是比能量低，電池自放電較強(qiáng)，所占的質(zhì)量和體積太大，且一次充電行駛里程較短；二是使用壽命短，使用成本過高。同時(shí)由于鉛是重金屬，因此，鉛酸電池存在污染問題。目前，人們正在對(duì)其實(shí)施各種改良，以使其能滿足電動(dòng)汽車用蓄電池的標(biāo)準(zhǔn)。其發(fā)展趨勢(shì)是提高它的比能量、循環(huán)使用壽命及快速充電性能等。

3.2 鎘鎳蓄電池

鎘鎳蓄電池的負(fù)極是由重金屬鎘組成的，而正極則是由氫氧化鎳組成的。其電解液與普通的堿性蓄電池一樣，是由氫氧化鉀溶液組成的。由于鎘鎳蓄電池采用了獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠保證電池內(nèi)部產(chǎn)生的氣體重新參與化學(xué)反應(yīng)而不必排到外面。鎘鎳電池比能量已超過40 Wh/kg，體積比能量110 Wh/L，比功率225 W/kg。正常情況下，鎘鎳電池的可重復(fù)充放電次數(shù)達(dá)到2 000次以上。由于鎘鎳電池在比能量、體積比能量和使用壽命上超過鉛酸電池，且它的快速充電性能也比較好，是一種性價(jià)比很高的二次電池。但鎘鎳電池也有一些缺點(diǎn)，首先是生產(chǎn)成本太高，是同等容量鉛酸蓄電池的3～4倍；其次，鎘鎳電池單體電壓較低；而且重金屬鎘鎳是一種致癌物質(zhì)，蓄電池失效后對(duì)環(huán)境有極大的污染，限制了其廣泛應(yīng)用。

3.3 氫鎳電池

氫鎳電池正極的活性物質(zhì)是氫氧化鎳，負(fù)極板的活性物質(zhì)是儲(chǔ)氫合金，電解質(zhì)是氫氧化鉀溶液，是一種堿性電池。其比能量已超過50 Wh/kg，體積比能量240 Wh/L，比功率200 W/kg。優(yōu)點(diǎn)是高于任何其他鎳基電池的比能量和比能量、環(huán)保特性有利于回收利用、具有比較平坦的放電曲線，需要指出的是氫鎳電池具有較好的低溫放電特性，即使在－20℃環(huán)境溫度下采用大電流，即1C放電速率放電時(shí)，也可放出電池容量標(biāo)稱值的85%以上。但是，氫鎳電池在高溫時(shí)，即40℃以上時(shí)的蓄電池容量將下降5%～10%。其缺點(diǎn)是成本過高，且具有記憶效應(yīng)和充電發(fā)熱等問題。這些缺點(diǎn)使得其大規(guī)模的產(chǎn)品化受到了極大的影響。降低制造成本，提高產(chǎn)品的一致性、貯存性能和高倍率循環(huán)性能，是該系列動(dòng)力電池需要深入研究的課題。

3.4 鋅鎳蓄電池

正極為氫氧化鎳，負(fù)極為鋅，電解液為氫氧化鉀水溶液，比能量高達(dá)50～85 Wh/kg，比功率可以達(dá)到200 W/kg，電池工作溫度的范圍很廣[3]，在－20～65℃之間，原材料來源廣泛，價(jià)格低，并且還不污染環(huán)境，目前看來鋅鎳電池技術(shù)的研究是成熟的，在動(dòng)力電源方面比較穩(wěn)定，被認(rèn)為是應(yīng)提倡的電動(dòng)車用蓄電池。鋅鎳蓄電池在商業(yè)化的電動(dòng)車上使用還很少，這主要是由于鋅鎳蓄電池的價(jià)格貴 (2.5～4元/Wh，為鉛蓄電池的4～6倍)；循環(huán)過程中，初期容量衰減率大，限制了蓄電池組實(shí)際使用壽命；綜合性能不如氫鎳蓄電池。

3.5 鈉硫蓄電池

鈉硫蓄電池也是近期普遍看好的電動(dòng)汽車用電池，鈉硫電池中包含了多種無機(jī)材料，這些材料有電解質(zhì)陶瓷隔膜、正負(fù)極之間的絕緣陶瓷、封接用玻璃、金屬焊料、導(dǎo)電碳、集流用金屬電極及活性物質(zhì)鈉與硫等。鈉硫電池的性能好壞在很大程度上由這些材料的特性所決定，高性能的材料及部件是保證鈉硫電池性能和可靠性的基礎(chǔ)。鈉硫電池用于儲(chǔ)能具有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在容量大、能量?jī)?chǔ)存和轉(zhuǎn)換效率高、壽命長(zhǎng)等方面。鈉硫電池已經(jīng)成功地用于削峰填谷、應(yīng)急電源、風(fēng)力發(fā)電等可再生能源的穩(wěn)定輸出以及提高電力質(zhì)量等方面，是各種先進(jìn)二次電池中最為成熟的一種，也是最具有潛力的一種先進(jìn)儲(chǔ)能電池。但是目前在陶瓷粉體、陶瓷管的生產(chǎn)加工、硫極容器的防腐蝕性能提升，及電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面還存在一些問題。

3.6 鋰離子電池

鋰離子電池負(fù)極是由一種二氧化錳、碳黑和粘合劑的混合物制成，正極則是由條帶狀的鋰金屬制成，所使用的電解液是一種以碳酸丙稀作為溶劑的高氯酸鋰溶液。鋰是金屬中具有最負(fù)的標(biāo)準(zhǔn)電極電位(－3.045 V)，及最小的電化當(dāng)量0.259 g/Ah，因而與適當(dāng)?shù)恼龢O材料匹配構(gòu)成的鋰蓄電池，具有比能量高、電壓高的特點(diǎn)。加之鋰負(fù)極制作簡(jiǎn)單，工作溫度范圍較寬(－40～70℃，目前二次鋰電池工藝技術(shù)水平已經(jīng)達(dá)到比能量50～300 Wh/kg，體積比能量約250～300 Wh/L)，質(zhì)量輕、能量大、使用壽命長(zhǎng)、工作電壓高、低自放電，能夠連續(xù)、平穩(wěn)的放電，是目前世界上比能量最高、循環(huán)壽命最長(zhǎng)的可充電電池之一。因?yàn)殇囯x子電池有以上優(yōu)勢(shì)，鋰離子動(dòng)力電池的研究也逐漸受到人們的重視。但是，目前大容量的鋰離子電池技術(shù)還沒有真正突破，存在的主要缺點(diǎn)是:不能快速充電，可靠性、安全性差，成本高，技術(shù)不成熟，高溫性能差。

3.7 鋰聚合物電池

鋰聚合物電池按電解質(zhì)可分為凝膠聚合物電解質(zhì)鋰離子電池，固體聚合物電解質(zhì)鋰離子電池，復(fù)合凝膠聚合物正極材料的鋰離子電池。鋰聚合物電池跟鋰離子電池的最大區(qū)別就在于前者采用聚合物膠體電解質(zhì)膜取代了傳統(tǒng)的多孔性隔膜[4]。這種電池的比能量跟鋰離子電池相近，也屬于高能電池系列；但由于其內(nèi)阻比鋰離子電池稍高，因而其輸出比功率也小一些，該電池的最大特點(diǎn)是電池可以做得很薄。鋰聚合物電池解決了鋰電池的安全性問題，生產(chǎn)成本低于鋰離子電池。鋰錳氧化物及其它復(fù)合氧化物等新型電極材料的開發(fā)成功，為鋰離子電池安全性問題的解決找到了路徑，產(chǎn)業(yè)化步伐正在加快。不過由于開發(fā)的時(shí)間不長(zhǎng)，工藝也不成熟，實(shí)際投入市場(chǎng)的產(chǎn)品性能跟預(yù)計(jì)的性能尚有一定的距離，尤其是對(duì)中大容量、中高功率的鋰離子電池的充電保護(hù)電路并不成熟，尚有待于進(jìn)一步開發(fā)研究。

3.8 燃料電池

燃料電池是一種電化學(xué)的發(fā)電裝置，它是一種將儲(chǔ)存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能通過電極反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。如氫氧燃料電池。氫氧燃料電池按電解質(zhì)大致劃分為五類：堿性燃料電池(AFC)，磷酸型燃料電池(PAFC)，固體燃料電池(SOFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)和質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)。其中PEMFC具有熱效率高、比功率高、反應(yīng)溫度低、起動(dòng)快的優(yōu)點(diǎn)，可用作電動(dòng)汽車動(dòng)力源，由于質(zhì)子交換膜燃料電池能在常溫下工作，所以成為研究最為活躍，進(jìn)展也最快的燃料電池。目前各種研究機(jī)構(gòu)在甲醇改質(zhì)氫燃料電池、甲烷改質(zhì)氫燃料電池、汽油改質(zhì)氫燃料電池、鋅空電池等方面也作了大量的研究工作。但是，燃料電池從現(xiàn)在發(fā)展的水平看仍處在試驗(yàn)階段，到達(dá)產(chǎn)業(yè)化、商品化還需要克服很多困難。

3.9 鋅空氣電池

鋅空氣電池又稱鋅氧電池，是金屬空氣電池的一種。鋅空氣電池負(fù)極采用了鋅合金，正極材料則是空氣中的氧[5]。在儲(chǔ)存時(shí)一般保持密封，所以基本上沒有自放電。電池外表面為鎳金屬外殼，是具有良好的防腐性的導(dǎo)體。該電池體系的優(yōu)點(diǎn)在于理論比能量可達(dá)1 350 Wh/kg，實(shí)際比能量約為180～230 Wh/kg，是傳統(tǒng)鉛酸電池的5倍以上。鋅空氣電池具有良好的一致性，允許深度放電，電池的容量不受放電強(qiáng)度的影響，且適用溫度范圍寬泛(－20～80℃)，并且具有較高的安全性，可有效防止因短路、泄漏造成的起火或爆炸,是真正意義上可循環(huán)使用的清潔無污染化學(xué)電源。但是目前還存在著一些不足之處，存在壽命短、比功率小、不能輸出大電流及難以充電等缺點(diǎn)。并制約著其大規(guī)模的商業(yè)化應(yīng)用。

3.10 鋁空氣電池

鋁/空氣電池是以鋁或鋁合金為負(fù)極，以空氣為正極，以中性或堿性水溶液為電解液而構(gòu)成的一種空氣電池[6]。該電池負(fù)極鋁的電化學(xué)當(dāng)量很高，為2 980 Ah/kg，電極電位較負(fù)，是除金屬鋰以外質(zhì)量比能量最高的輕金屬電池材料。鋁空氣電池的質(zhì)量比能量實(shí)際可以達(dá)到450 Wk/kg，比功率達(dá)到50～200 W/kg。鋁是一種高強(qiáng)度的能量載體，是開發(fā)電池的理想電極材料。作為備用電源的鋁空氣電池性能穩(wěn)定、維護(hù)成本低廉，頗具吸引力，外加其運(yùn)行時(shí)低噪音、低消耗、無污染、無廢氣產(chǎn)生等特點(diǎn)，鋁空氣電池的研究對(duì)于可持續(xù)發(fā)展有重要意義。但是目前該電池還面臨著一些需要解決的間題，第一，金屬鋁表面由于存在著一層鈍化膜，會(huì)抑制鋁的失電子氧化反應(yīng)，導(dǎo)致了鋁電極電位的升高，電池電壓下降；第二，鋁表面的氧化膜遭到破壞又會(huì)導(dǎo)致大量析氫，并難以使其溶解停止，導(dǎo)致電池自腐蝕放電嚴(yán)重；第三，空氣電極面臨著與鋅空氣電池中相同的問題。

3.11 飛輪電池

飛輪電池是90年代才提出的新概念電池，它突破了化學(xué)電池的局限，用物理方法實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能。當(dāng)飛輪以一定角速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，它就具有一定的動(dòng)能。飛輪電池正是以其動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能的[7]。飛輪電池中有一個(gè)電機(jī)，充電時(shí)該電機(jī)以電動(dòng)機(jī)形式運(yùn)轉(zhuǎn)，在外電源的驅(qū)動(dòng)下，電機(jī)帶動(dòng)飛輪速旋轉(zhuǎn)，即用電給飛輪電池“充電”增加了飛輪的轉(zhuǎn)速?gòu)亩龃笃鋭?dòng)能;放電時(shí)，電機(jī)則以發(fā)電機(jī)狀態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)，在飛輪的帶動(dòng)下對(duì)外輸出電能，完成機(jī)械能(動(dòng)能)到電能的轉(zhuǎn)換。當(dāng)飛輪電池供出電能的時(shí)候，飛輪轉(zhuǎn)速逐漸下降。飛輪是在真空環(huán)境下運(yùn)轉(zhuǎn)的，轉(zhuǎn)速極高(高達(dá)200 000 r/min)，使用的軸承為非接觸式磁軸承。據(jù)稱，飛輪電池比能量可達(dá)150 Wh/kg，比功率達(dá)5 000～10 000 W/kg。美國(guó)飛輪系統(tǒng)公司己用最新研制的飛輪電池成功地把一輛克萊斯勒LHS轎車改成電動(dòng)轎車，一次充電可行駛600 km。

3.12 超級(jí)電容

超級(jí)電容是為了滿足混合電動(dòng)汽車能量和功率實(shí)時(shí)變化要求而提出的一種能量存儲(chǔ)裝置，它是一種電化學(xué)電容，兼具電池和傳統(tǒng)物理電容的優(yōu)點(diǎn)。其特點(diǎn)是壽命長(zhǎng)、效率高、比能量低、放電時(shí)間短。超級(jí)電容往往和其它蓄電池聯(lián)合應(yīng)用作為電動(dòng)汽車的動(dòng)力電源，可以滿足電動(dòng)汽車對(duì)功率的要求而不降低蓄電池的性能，達(dá)到減少蓄電池體積和延長(zhǎng)蓄電池壽命的目的。開發(fā)高比能量、高比功率、長(zhǎng)壽命、高效率和低成本的超級(jí)電容可以提高商業(yè)化電動(dòng)汽車的動(dòng)力性 (特別是加速能力)、經(jīng)濟(jì)性和續(xù)駛里程。

3.13 太陽電池

太陽電池在工作原理方面主要是基于半導(dǎo)體產(chǎn)生伏特效應(yīng)，然后將太陽能輻射能直接的轉(zhuǎn)化為電能[8]。單晶硅、多晶硅、非晶硅和多元化合物太陽電池是當(dāng)今的四種太陽電池，近些年的太陽電池利用在技術(shù)上不斷的得到突破，目前應(yīng)用領(lǐng)域更廣泛。

各種不同電池的特性如表1所示。

表1 現(xiàn)有動(dòng)力電池的主要性能指標(biāo)

4 結(jié)語

從以上分析可以得出，雖然鉛酸蓄電池在比能量、體積比能量和壽命都比其他電池差，但是鉛蓄電池作為動(dòng)力型電池由于技術(shù)成熟、價(jià)格便宜，短期內(nèi)仍不會(huì)退出電動(dòng)車電池市場(chǎng)；氫鎳電池技術(shù)已趨于成熟逐步進(jìn)入商品化階段；鋰離子電池技術(shù)己取得突破，正在開發(fā)電動(dòng)車領(lǐng)域的應(yīng)用；燃料電池等新型電池仍處于試驗(yàn)階段，商業(yè)化條件尚未成熟。

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圖5 CAN總線等效電路

3.3 10 km CAN總線通信實(shí)驗(yàn)及實(shí)際工程應(yīng)用

選用仿真導(dǎo)線作為通信電纜進(jìn)行模擬通信。以1 km的通信電纜為單元，按圖6示電路元器件制作仿真電纜。若測(cè)試大于1 km的通信距離，可將多條1 km的仿真導(dǎo)線串聯(lián)。

圖6 130 Ω/1 km雙絞線纜的等效電路

不同的通信終端電阻的最大傳輸速率也有所不同，當(dāng)通信距離超過9 km時(shí)，若通信速率不低于5 kbps，須加設(shè)CAN中繼設(shè)備。實(shí)驗(yàn)結(jié)果詳見表2。

表2 CAN 總線通信中的終端電阻

CAN1通信速率設(shè)定為10 kbps，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，最高通信距離為3 km，若要達(dá)到10 km的通信距離，則至少增設(shè)3臺(tái)CAN中繼設(shè)備，分別設(shè)置在CAN1的2.5、5和7.5 km處。選用160 Ω作為終端電阻，分別匹配在CAN1總線首端、末端和各中繼設(shè)備的進(jìn)線和出線處。

4 結(jié)束語

通過對(duì)用于礦山物聯(lián)網(wǎng)的雙CAN通信系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，分析并驗(yàn)證系統(tǒng)通信的可靠性。同時(shí)分析了CAN總線傳輸距離的特點(diǎn)，并通過仿真導(dǎo)線進(jìn)行通信距離實(shí)驗(yàn)，得出CAN總線通信電纜各終端節(jié)點(diǎn)處的終端電阻的匹配值，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)與推廣性應(yīng)用。但在多節(jié)點(diǎn)、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中還需進(jìn)一步研究系統(tǒng)性能。

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Comparative study on performance of power battery

Battery,as the power supplier of electric equipment,was the heart components of electric equipment.The structure characteristics of various types of power batteries used in the present were introduced,and the advantages and disadvantages,application status and application occasions were analyzed and compared.

battery;energy ratio;power ratio;commercialization

TM912

A

1002-087X(2016)12-2479-04

2016-05-12

魏東濤(1985—)，男，甘肅省人，碩士，助教，主要研究方向?yàn)檠b備技術(shù)與勤務(wù)。