動力蓄電池的性能比較研究

魏東濤，李 鵬，劉慎陽，魏東法，谷燕林

(1.空軍勤務學院航空四站系，江蘇徐州221000；2.辰欣藥業，山東濟寧272000)

動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.空軍勤務學院航空四站系，江蘇徐州221000；2.辰欣藥業，山東濟寧272000)

蓄電池作為電動設備的動力提供者，是電動設備的重要元器件，介紹了目前在用的各類動力蓄電池結構特性，分析比較了優缺點、應用現狀和適用場合。

蓄電池；比能量；比功率；商業化

蓄電池也稱二次電池，是將所獲得的電能以化學能的形式貯存并可將化學能轉化為電能的一種電學裝置[1]。蓄電池的作用是存儲電能，蓄電池在充電過程中，電能能夠通過蓄電池內的“活性物質”的化學變化轉變為化學能存儲在蓄電池中。蓄電池在放電過程中，通過蓄電池內的“活性物質”逆轉，將化學能轉變為電能由蓄電池輸出。動力蓄電池是指具有較大電能容量和輸出功率，可用作電動汽車、電動設備及工具驅動電源的電池，通常也可以用作儲能電池設備、通信指揮系統的常備電源等。

1 動力蓄電池的特點

與普通蓄電池相比，動力蓄電池具有以下特點：

(1)高比能量

比能量包括質量比能量和體積比能量。對動力蓄電池而言，希望其具有高比能量，因為用電器體積和質量往往都有著嚴格的限制。

(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，標志著電池能夠提供多大的馬力，動力蓄電池同其它電池相比具有高比功率。電動汽車的加速性能和最高車速都是由動力蓄電池的比功率決定。電動汽車在啟動、爬坡、超車加速時都需要很高的功率。

(3)安全可靠性

動力蓄電池由于體積很大，儲存了較高的能量，其安全性問題更加突出，因為汽車在行駛中難免出事故，要求動力蓄電池的防爆性能要好，避免引起嚴重的后果。

(4)價格較高

通常用單位瓦時的價格表示電池的價格，它標志著動力蓄電池使用的經濟性，代表按單位里程計算的動力蓄電池的使用成本。

2 動力蓄電池的分類

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

每種動力蓄電池都各自有各自的性能及其特點：質量比能量，Wh/kg；體積比能量，Wh/L；比功率，W/kg，它標志著蓄電池的最大使用功率；體積比功率，W/L，它標志著提供一定功率的電池所占據的車內空間；使用壽命，從第一次使用到徹底報廢的充放電循環次數；快速充電性能，該效率高就節能，低就浪費能源。用充滿50%，80%或100%能量所需的時間表示；成本價格；環保性；環境適應性。

3 各類動力蓄電池介紹

3.1 鉛酸蓄電池

閥控密封鉛酸蓄電池是最新一代的產品，具有體積小、質量輕、自放電小、少維護、壽命長、使用方便、無記憶效應、對環境無腐蝕等優良特性，與傳統鉛酸蓄電池相比，在使用、維護和管理上有著明顯的優勢。這種電池以鉛作負極，二氧化鉛作正極，用硫酸做電解液。比能量已經超過30 Wh/kg，體積比能量超過了80 Wh/L，并可以實現快速充電。

鉛酸蓄電池廣泛用作內燃機汽車的起動電源，目前己經實現了大批量的生產，其產品回收較為容易。缺點是：一是比能量低，電池自放電較強，所占的質量和體積太大，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，人們正在對其實施各種改良，以使其能滿足電動汽車用蓄電池的標準。其發展趨勢是提高它的比能量、循環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特的結構設計，能夠保證電池內部產生的氣體重新參與化學反應而不必排到外面。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，鎘鎳電池的可重復充放電次數達到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，是一種性價比很高的二次電池。但鎘鎳電池也有一些缺點，首先是生產成本太高，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，蓄電池失效后對環境有極大的污染，限制了其廣泛應用。

3.3 氫鎳電池

氫鎳電池正極的活性物質是氫氧化鎳，負極板的活性物質是儲氫合金，電解質是氫氧化鉀溶液，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。優點是高于任何其他鎳基電池的比能量和比能量、環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℃環境溫度下采用大電流，即1C放電速率放電時，也可放出電池容量標稱值的85%以上。但是，氫鎳電池在高溫時，即40℃以上時的蓄電池容量將下降5%～10%。其缺點是成本過高，且具有記憶效應和充電發熱等問題。這些缺點使得其大規模的產品化受到了極大的影響。降低制造成本，提高產品的一致性、貯存性能和高倍率循環性能，是該系列動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，負極為鋅，電解液為氫氧化鉀水溶液，比能量高達50～85 Wh/kg，比功率可以達到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，價格低，并且還不污染環境，目前看來鋅鎳電池技術的研究是成熟的，在動力電源方面比較穩定，被認為是應提倡的電動車用蓄電池。鋅鎳蓄電池在商業化的電動車上使用還很少，這主要是由于鋅鎳蓄電池的價格貴 (2.5～4元/Wh，為鉛蓄電池的4～6倍)；循環過程中，初期容量衰減率大，限制了蓄電池組實際使用壽命；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汽車用電池，鈉硫電池中包含了多種無機材料，這些材料有電解質陶瓷隔膜、正負極之間的絕緣陶瓷、封接用玻璃、金屬焊料、導電碳、集流用金屬電極及活性物質鈉與硫等。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。鈉硫電池用于儲能具有獨到的優勢，主要體現在容量大、能量儲存和轉換效率高、壽命長等方面。鈉硫電池已經成功地用于削峰填谷、應急電源、風力發電等可再生能源的穩定輸出以及提高電力質量等方面，是各種先進二次電池中最為成熟的一種，也是最具有潛力的一種先進儲能電池。但是目前在陶瓷粉體、陶瓷管的生產加工、硫極容器的防腐蝕性能提升，及電池結構設計等方面還存在一些問題。

3.6 鋰離子電池

鋰離子電池負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的標準電極電位(－3.045 V)，及最小的電化當量0.259 g/Ah，因而與適當的正極材料匹配構成的鋰蓄電池，具有比能量高、電壓高的特點。加之鋰負極制作簡單，工作溫度范圍較寬(－40～70℃，目前二次鋰電池工藝技術水平已經達到比能量50～300 Wh/kg，體積比能量約250～300 Wh/L)，質量輕、能量大、使用壽命長、工作電壓高、低自放電，能夠連續、平穩的放電，是目前世界上比能量最高、循環壽命最長的可充電電池之一。因為鋰離子電池有以上優勢，鋰離子動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還沒有真正突破，存在的主要缺點是:不能快速充電，可靠性、安全性差，成本高，技術不成熟，高溫性能差。

3.7 鋰聚合物電池

鋰聚合物電池按電解質可分為凝膠聚合物電解質鋰離子電池，固體聚合物電解質鋰離子電池，復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別就在于前者采用聚合物膠體電解質膜取代了傳統的多孔性隔膜[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，生產成本低于鋰離子電池。鋰錳氧化物及其它復合氧化物等新型電極材料的開發成功，為鋰離子電池安全性問題的解決找到了路徑，產業化步伐正在加快。不過由于開發的時間不長，工藝也不成熟，實際投入市場的產品性能跟預計的性能尚有一定的距離，尤其是對中大容量、中高功率的鋰離子電池的充電保護電路并不成熟，尚有待于進一步開發研究。

3.8 燃料電池

燃料電池是一種電化學的發電裝置，它是一種將儲存在燃料和氧化劑中的化學能通過電極反應直接轉化為電能的發電裝置。如氫氧燃料電池。氫氧燃料電池按電解質大致劃分為五類：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)和質子交換膜燃料電池(PEMFC)。其中PEMFC具有熱效率高、比功率高、反應溫度低、起動快的優點，可用作電動汽車動力源，由于質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，進展也最快的燃料電池。目前各種研究機構在甲醇改質氫燃料電池、甲烷改質氫燃料電池、汽油改質氫燃料電池、鋅空電池等方面也作了大量的研究工作。但是，燃料電池從現在發展的水平看仍處在試驗階段，到達產業化、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。鋅空氣電池負極采用了鋅合金，正極材料則是空氣中的氧[5]。在儲存時一般保持密封，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體。該電池體系的優點在于理論比能量可達1 350 Wh/kg，實際比能量約為180～230 Wh/kg，是傳統鉛酸電池的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使用的清潔無污染化學電源。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。并制約著其大規模的商業化應用。

3.10 鋁空氣電池

鋁/空氣電池是以鋁或鋁合金為負極，以空氣為正極，以中性或堿性水溶液為電解液而構成的一種空氣電池[6]。該電池負極鋁的電化學當量很高，為2 980 Ah/kg，電極電位較負，是除金屬鋰以外質量比能量最高的輕金屬電池材料。鋁空氣電池的質量比能量實際可以達到450 Wk/kg，比功率達到50～200 W/kg。鋁是一種高強度的能量載體，是開發電池的理想電極材料。作為備用電源的鋁空氣電池性能穩定、維護成本低廉，頗具吸引力，外加其運行時低噪音、低消耗、無污染、無廢氣產生等特點，鋁空氣電池的研究對于可持續發展有重要意義。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，會抑制鋁的失電子氧化反應，導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導致大量析氫，并難以使其溶解停止，導致電池自腐蝕放電嚴重；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，它突破了化學電池的局限，用物理方法實現儲能。當飛輪以一定角速度旋轉時，它就具有一定的動能。飛輪電池正是以其動能轉換成電能的[7]。飛輪電池中有一個電機，充電時該電機以電動機形式運轉，在外電源的驅動下，電機帶動飛輪速旋轉，即用電給飛輪電池“充電”增加了飛輪的轉速從而增大其動能;放電時，電機則以發電機狀態運轉，在飛輪的帶動下對外輸出電能，完成機械能(動能)到電能的轉換。當飛輪電池供出電能的時候，飛輪轉速逐漸下降。飛輪是在真空環境下運轉的，轉速極高(高達200 000 r/min)，使用的軸承為非接觸式磁軸承。據稱，飛輪電池比能量可達150 Wh/kg，比功率達5 000～10 000 W/kg。美國飛輪系統公司己用最新研制的飛輪電池成功地把一輛克萊斯勒LHS轎車改成電動轎車，一次充電可行駛600 km。

3.12 超級電容

超級電容是為了滿足混合電動汽車能量和功率實時變化要求而提出的一種能量存儲裝置，它是一種電化學電容，兼具電池和傳統物理電容的優點。其特點是壽命長、效率高、比能量低、放電時間短。超級電容往往和其它蓄電池聯合應用作為電動汽車的動力電源，可以滿足電動汽車對功率的要求而不降低蓄電池的性能，達到減少蓄電池體積和延長蓄電池壽命的目的。開發高比能量、高比功率、長壽命、高效率和低成本的超級電容可以提高商業化電動汽車的動力性 (特別是加速能力)、經濟性和續駛里程。

3.13 太陽電池

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

各種不同電池的特性如表1所示。

表1 現有動力電池的主要性能指標

4 結語

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力型電池由于技術成熟、價格便宜，短期內仍不會退出電動車電池市場；氫鎳電池技術已趨于成熟逐步進入商品化階段；鋰離子電池技術己取得突破，正在開發電動車領域的應用；燃料電池等新型電池仍處于試驗階段，商業化條件尚未成熟。

[1]胡恒生.航空蓄電池[M].徐州：空軍勤務學院，2014：9.

[2]盧漢輝.蓄電池充電管理系統關鍵技術的研究[D].上海：上海交通大學，2007.

[3]王建海.鎳鋅超級電池的研究[J].上海交通大學學報，2014(10)：89-92.

[4]錢伯章.聚合物鋰離子電池發展現狀與展望[J].國外塑料，2010，912(12)：28.

[5]劉春娜.鋅空氣電池技術進展[J].電源技術，2012(6)：782-783.

[6]朱明駿.金屬/空氣電池的研究進展[J].電源技術，2012(12)：1952-1954.

[7]王飛.動力電池運行狀況測控技術的研究[D].武漢：武漢理工大學，2008.

[8]劉海清.太陽電池簡析[J].大學物理實驗，2015(2)：22-23.

圖5 CAN總線等效電路

3.3 10 km CAN總線通信實驗及實際工程應用

選用仿真導線作為通信電纜進行模擬通信。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。若測試大于1 km的通信距離，可將多條1 km的仿真導線串聯。

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，當通信距離超過9 km時，若通信速率不低于5 kbps，須加設CAN中繼設備。實驗結果詳見表2。

表2 CAN 總線通信中的終端電阻

CAN1通信速率設定為10 kbps，根據實驗結果可知，最高通信距離為3 km，若要達到10 km的通信距離，則至少增設3臺CAN中繼設備，分別設置在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、末端和各中繼設備的進線和出線處。

4 結束語

通過對用于礦山物聯網的雙CAN通信系統進行實驗研究，分析并驗證系統通信的可靠性。同時分析了CAN總線傳輸距離的特點，并通過仿真導線進行通信距離實驗，得出CAN總線通信電纜各終端節點處的終端電阻的匹配值，實現了系統的節能設計與推廣性應用。但在多節點、復雜網絡環境中還需進一步研究系統性能。

參考文獻：

[1]祁宇明，鄧三鵬，王仲民，等.基于物聯網的煤礦帶式輸送機綜合自動化監控系統研究[J].煤礦機械，2013，34(6)：262-264.

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[3]張銀河.基于STM32的雙CAN總線在礦山物聯網的應用研究[D].天津：天津大學，2013：46-50.

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，主要研究方向為裝備技術與勤務。