鉛酸蓄電池是已有100多年歷史的產(chǎn)品。因其性能合適、價格便宜、材料來源豐富、技術(shù)和制造工藝較成熟、安全可靠、鉛回收技術(shù)成熟且回收率高等綜合因素，經(jīng)市場檢驗、考核已成為電動車等多種應(yīng)用領(lǐng)域主要采用的電池。但目前鉛酸蓄電池生存環(huán)境嚴(yán)峻。鉛酸蓄電池的主要缺點是：比能量較低、笨重、壽命不夠長、環(huán)境友好度差。因此，有些人認(rèn)為鉛酸蓄電池是落后、過時的產(chǎn)品；甚至有些不負(fù)責(zé)任的官員將其作為垃圾技術(shù)，認(rèn)為其應(yīng)用發(fā)展的前途不大，生命期不長，在電動車上最后要用鋰離子電池取代鉛酸蓄電池。我們認(rèn)為這種觀點不一定正確。實際上，鉛酸蓄電池在100多年的歷史中一直不斷地在改進(jìn)提高，有的是革命性的飛躍式提高。近年來我國電動自行車用閥控鉛酸蓄電池的水平有很大提高就是不斷改進(jìn)提高的好例子。另一方面，我們應(yīng)該重視對鉛酸蓄電池的進(jìn)一步研究和改進(jìn)提高，吸取和采納鋰離子電池的部分優(yōu)點。為此，本文宗旨是“挖掘鉛酸蓄電池的壽命潛力，正確處理好鉛酸蓄電池和鋰離子電池的關(guān)系”。
2.挖掘閥控鉛酸蓄電池壽命潛力的依據(jù)
要挖掘鉛酸蓄電池的壽命潛力，首先要知道鉛酸蓄電池的壽命還有多少潛力？電動車用閥控鉛酸蓄電池最大的壽命可達(dá)到多少？回答此問題根據(jù)文獻(xiàn)和報道有各種說法：有的說800次；有的說1000次；更有的說5000~6000次。可見各種說法相差很大，這里有不同的應(yīng)用場合、不同的電池結(jié)構(gòu)和形式，不同的使用條件，還有對壽命次數(shù)的不同定義范疇等因素。為此，我們明確討論的對象是純電動車用的閥控鉛酸蓄電池，引入了“放出總?cè)萘俊钡母拍顏砗饬啃铍姵氐膲勖?br> 眾所周知，閥控鉛酸蓄電池的循環(huán)壽命與放電深度（DOD）有關(guān)，我們從資料[1，2]得到電動自行車和電動道路車用兩種閥控鉛酸蓄電池的相似的循環(huán)壽命與放電深度關(guān)系圖（見圖1的黑線）。從圖可見，循環(huán)壽命次數(shù)與放電深度關(guān)系是隨放電深度降低壽命次數(shù)單邊上升的曲線。100%放電深度時循環(huán)壽命約400次，15%放電深度時循環(huán)壽命約4300次。這樣，似乎放電深度越淺，循環(huán)壽命越長。實際情況不完全如此。早在2002年，中國礦業(yè)大學(xué)電動車電池超長壽命研究中心（徐州）就有人發(fā)現(xiàn)：放電深度太淺就充電，結(jié)果蓄電池的實際使用壽命并不長[3]。這一結(jié)果得到許多有經(jīng)驗的電動自行車閥控鉛酸蓄電池生產(chǎn)和使用的技術(shù)人員確認(rèn)。
根據(jù)一定放電深度下每次放電得到的放出容量，乘以相應(yīng)放電深度下的循環(huán)壽命次數(shù)，可以得到壽命期間的放出總?cè)萘俊?jù)此，將循環(huán)壽命與放電深度關(guān)系圖（見圖1的黑線）轉(zhuǎn)化為放出總?cè)萘颗c放電深度關(guān)系曲線（見圖1的紅線）。從放出總?cè)萘颗c放電深度關(guān)系曲線可見：
1）放出總?cè)萘颗c放電深度關(guān)系不同于循環(huán)壽命次數(shù)與放電深度關(guān)系，是在一定放電深度下有最大放出總?cè)萘康那€。
2）我們將最大放出總?cè)萘康姆烹娚疃确Q為經(jīng)濟放電深度；在經(jīng)濟放電深度下得到的循環(huán)壽命稱為經(jīng)濟壽命，即可得到最大放出總?cè)萘俊?br> 3）閥控鉛酸蓄電池經(jīng)濟放電深度約40~50%；經(jīng)濟壽命約2000次；最大放出總?cè)萘考s800C（C為蓄電池的額定容量，單位為Ah），如果考慮到電動車用閥控鉛酸蓄電池實際設(shè)計容量和實際初放電容量約為額定容量125%，故實際最大放出總?cè)萘坑锌赡苓_(dá)到約1000C。
4）明顯大于或小于經(jīng)濟放電深度下工作、運行都不能得到最大放出總?cè)萘浚虼思词狗烹娚疃葴\時循環(huán)壽命次數(shù)較大，但不是最經(jīng)濟的循環(huán)壽命次數(shù)。
圖1中放出總?cè)萘颗c放電深度關(guān)系的曲線形狀的理論解釋可參見文獻(xiàn)[3]和[4]。
圖1 電動車用閥控鉛酸蓄電池的循環(huán)壽命和放出總?cè)萘颗c放電深度關(guān)系圖
3.挖掘壽命潛力可以實現(xiàn)
圖1為我們指明充分挖掘閥控鉛酸蓄電壽命潛力的方向和提供的近似參考數(shù)據(jù)，我們據(jù)此進(jìn)行了摸索和驗證性的研究、試驗。
3.1 電池的選擇
試驗電池先后采用了電動自行車用DZM16和DZM12型電池。兩種電池初期實際放電容量都約為額定容量的125%。
3.2 試驗結(jié)果
經(jīng)過4年左右的驗證性試驗得到的結(jié)果為：
1） DZM16進(jìn)行了循環(huán)壽命約1900次，放出總?cè)萘考s15200Ah（約950C），達(dá)到和接近了最大放出總?cè)萘亢徒?jīng)濟壽命。電池平均累計失水量只有50g。電池組沒有出現(xiàn)熱失控癥狀。
2） DZM12進(jìn)行了循環(huán)壽命約1650次，放出總?cè)萘考s12500Ah（約1040C），達(dá)到和接近了最大放出總?cè)萘亢徒?jīng)濟壽命。電池平均累計失水量只有35g。電池組沒有出現(xiàn)熱失控癥狀。
3.3 合適的運行和維護(hù)制度
我們研究、試驗的經(jīng)驗和結(jié)果表明：雖然圖1為我們充分挖掘閥控鉛酸蓄電池壽命潛力指明了方向并提供了近似參考數(shù)據(jù)，但不是簡單地將閥控鉛酸蓄電池在經(jīng)濟放電深度（約40~50%）下工作、運行就能得到最大放出總?cè)萘亢徒?jīng)濟壽命。要實現(xiàn)最大放出總?cè)萘亢偷玫浇?jīng)濟壽命，不但要使閥控鉛酸蓄電池在經(jīng)濟的放電深度下運行、工作，而且要使閥控鉛酸蓄電池在合適的運行和維護(hù)制度下工作、運行。否則，就不能放出最大總?cè)萘亢偷玫浇?jīng)濟壽命。合適的運行和維護(hù)制度主要要點：
1）每次放電的放電深度約為40~50%。
2）不要在每次循環(huán)都將閥控鉛酸蓄電池充電至“完全充電”狀態(tài)，讓其在部分荷電狀態(tài)下運行、工作。這點是突破了傳統(tǒng)的充電觀念。這樣還可效降低了失水率，延緩了熱失控的出現(xiàn)。將閥控鉛酸蓄電池與鋰離子電池串聯(lián)混合使用是自然控制充電狀態(tài)的好方法。
3）定期（約半年）對閥控鉛酸蓄電池進(jìn)行維護(hù)。通過這些研究試驗工作，我們更加理解了潛艇鉛酸蓄電池按照國外引進(jìn)的規(guī)范操作其艇上實際壽命都明顯超過規(guī)格書中壽命的原因。在艇上按照國外引進(jìn)的規(guī)范操作，一般每次放電的放電深度約為40~50%，最大不超過70%；充電采用隨機充電原則，一般不充到“完全充電” ，處于部分荷電狀態(tài)；定期進(jìn)行周期治療。而規(guī)格書中的壽命一般是放完充足的臺架試驗的循環(huán)壽命。
4 鋰鉛混合，優(yōu)勢互補
鋰離子電池的優(yōu)點是比能量高、重量輕，壽命長，環(huán)境友好，但是價格太貴，安全性風(fēng)險較大。因此我們就想能否把鋰離子電池和閥控鉛酸蓄電池串聯(lián)混合使用，取長補短，優(yōu)勢互補，形成一個壽命長、比能量和價格適中、性價比高、安全性好的混合電池系統(tǒng)。
4.1 兩種電池能否混合使用
首先人們要問：鋰離子蓄電池與鉛酸蓄電池是兩種不同類型的電池，能否混合使用？
經(jīng)過“查新”，證明確有將這兩種蓄電池混合使用的設(shè)想和研究工作，但都是并聯(lián)混合使用，一般是為了功率特性的互補或降低電池系統(tǒng)的價格，沒有采用串聯(lián)混合使用和形成長壽命電池系統(tǒng)的實例[5]。
一般講，對同種類型電池，不同的容量或不同新舊（老化）程度的電池不能串聯(lián)混合使用。鋰離子蓄電池與鉛酸蓄電池是不同類型的電池，按傳統(tǒng)觀念是不能串聯(lián)混合使用的，是犯大忌的。而我們設(shè)想的特點是：將不同類型、不同容量的電池串聯(lián)混合使用，形成一個壽命長、比能量和價格適中、性價比高、安全性好的混合電池系統(tǒng)。
為此，我們進(jìn)行了摸索和驗證性的研究、試驗。現(xiàn)在，經(jīng)過研究試驗證明，只要合理配置、控制合適的負(fù)荷程度和適當(dāng)?shù)木S護(hù)管理，不同容量的鋰離子蓄電池與鉛酸蓄電池可以串聯(lián)混合使用，而且較充分地發(fā)揮了兩種電池的潛能，使兩種電池優(yōu)勢互補，互相克服存在的缺點。形成一個壽命在1500~2000次、重量或比能量和價格適中、安全性好的混合電池系統(tǒng)，而且提高了性價比。
4.2優(yōu)勢互補
我們研究、試驗的經(jīng)驗和結(jié)果表明：鋰離子蓄電池與鉛酸蓄電池不但可以串聯(lián)混合使用，而且可以優(yōu)勢互補。
1）鋰離子電池有壽命長的優(yōu)點，只要合理配置，構(gòu)成一個既發(fā)揮鋰離子電池壽命長的優(yōu)點，又挖掘了閥控鉛酸蓄電池壽命潛力，使兩種蓄電池壽命相當(dāng)，形成一個壽命1500~2000次，最大放出總?cè)萘?00~1000C的長壽命混合電池系統(tǒng)。
2）鋰離子電池有比能量高、重量輕的優(yōu)點，與閥控鉛酸蓄電池構(gòu)成的混合電池系統(tǒng)重量可比全用鉛酸蓄電池輕約30~40%，從而提高混合電池系統(tǒng)的比能量達(dá)65Wh/kg以上。這樣混合電池系統(tǒng)就可能滿足新頒布的乘用型電動汽車國標(biāo)對電池組重量不超過整車重量30%的要求，而全用鉛酸蓄電池是不能滿足這條要求。
3）充放電特性的互補。圖2是混合電池系統(tǒng)和兩種蓄電池的充電曲線。鋰離子電池充電接受能力優(yōu)于閥控鉛酸蓄電池，而且充電末期電流很小。這樣在兩種蓄電池構(gòu)成的串聯(lián)混合電池系統(tǒng)中，鋰離子電池自然成了使閥控鉛酸蓄電池基本充滿而處于部分菏電狀態(tài)的設(shè)施。圖3是混合電池系統(tǒng)和兩種蓄電池的放電曲線。從圖可見：初期閥控鉛酸蓄電池的電壓高于鋰離子電池；后期離子電池的電壓高于閥控鉛酸蓄電池；混合電池系統(tǒng)的放電電壓介于兩者之間，兩者起到互補作用。
圖2 混合電池系統(tǒng)和兩種蓄電池的充電曲線
圖3 混合電池系統(tǒng)和兩種蓄電池的放電曲線
4）性價比明顯提高。鋰離子蓄電池的缺點是價格太貴。混合電池系統(tǒng)的價格雖比全鋰離子蓄電池組大幅降低，但還比全用鉛酸蓄電池的高約40%。不過，由于混合電池系統(tǒng)充分發(fā)揮了鋰離子電池壽命長的優(yōu)點，又挖掘了閥控鉛酸蓄電池壽命潛力，其壽命長，故性價比高（每元人民幣可得到的放出總?cè)萘浚ˋh）），它不僅遠(yuǎn)高于全用鋰離子蓄電池的，而且還高于全用鉛酸蓄電池的約20~30%，達(dá)到約15 Ah/元，這就可彌補鋰離子蓄電池價格太貴的缺點。
5）安全性提高。鋰離子蓄電池缺點之一是安全性風(fēng)險較大。混合電池系統(tǒng)中鋰離子蓄電池只占整個系統(tǒng)的一半，加上對此小部分鋰離子蓄電池安裝在電動車的更安全部位的可能性增加，因此混合電池系統(tǒng)的安全性風(fēng)險降低。
6）閥控鉛酸蓄電池的失效模式之一是失水以及失水導(dǎo)致的充電時熱失控，嚴(yán)重的導(dǎo)致電池脹肚、損壞。混合電池系統(tǒng)中鋰離子蓄電池有效控制了充電時的末期電流，使閥控鉛酸蓄電池處于部分菏電狀態(tài)，因此失水少，圖4 是不同運行方案的失水量隨循環(huán)變化曲線。混合電池系統(tǒng)中閥控鉛酸蓄電池處于部分菏電狀態(tài)，失水量明顯低于每次處于“完全充當(dāng)”狀態(tài)的電池。從而推遲或避免了熱失控的出現(xiàn)，加上采取防止熱失控導(dǎo)致電池脹肚的設(shè)施，可完全避免閥控鉛酸蓄電池脹肚、損壞。
圖4 不同運行方案的失水量隨循環(huán)變化的曲線
5 正確處理鉛鋰關(guān)系，共同發(fā)展
閥控鉛酸蓄電池和鋰離子電池各自存在優(yōu)缺點，正確處理好鉛鋰關(guān)系有利于兩種電池發(fā)展。
5.1 “淘汰”和“擠出去”的觀點都不全面和客觀，取長補短、優(yōu)勢互補，共同發(fā)展比較合適
鉛酸蓄電池有其缺點，如比能量較低、笨重，壽命不夠長，環(huán)境友好度差等。對此，有的業(yè)內(nèi)人士抓住鉛酸蓄電池的缺點，極力主張在電動車上采用鋰離子電池取代閥控鉛酸蓄電池，要淘汰“落后”的鉛酸蓄電池。在制訂純電動乘用車國標(biāo)時，特別加上蓄電池組重量不能超過整車重量的30%的條款，以此來排斥鉛酸蓄電池。尤其是在2011年的對鉛酸蓄電池的環(huán)保整頓風(fēng)暴中“取代”和“淘汰”的呼聲達(dá)到高潮。
鋰離子電池也有其缺點，如價格貴，安全性風(fēng)險大等。有的業(yè)內(nèi)人士撰文列舉鋰離子電池各項不如閥控鉛酸蓄電池的性能，要把鋰離子電池“擠出去”。
我們認(rèn)為上述兩種觀點都存在片面性。從哲學(xué)觀點看，任何事物都各自存在優(yōu)缺點，拿一個事物的優(yōu)點與另一個事物的缺點比較，從而肯定一個事物，否定另一個事物，是不全面和不客觀的。
我們曾經(jīng)提出過優(yōu)勢互補，取長補短，不是“取代”，而是“互補”的觀點[6]。后來，有機會以此觀點對混合電池系統(tǒng)進(jìn)行了研究試驗。經(jīng)過近三、四年的試驗、研究，發(fā)現(xiàn)兩者確實可以取長補短、優(yōu)勢互補，形成一個壽命長、比能量和價格適中、性價比高、安全性好的混合電池系統(tǒng)。
5.2 混合電池系統(tǒng)是解決電動車領(lǐng)域電池問題的現(xiàn)實、有效、可行的方案
鋰離子電池的價格貴，廣泛的推廣應(yīng)用乏力。在電動自行車領(lǐng)域，雖經(jīng)6~7年的極力推廣，在經(jīng)歷了對鉛酸蓄電池的環(huán)保整頓風(fēng)暴后的今天，所占分額還只有5~10%，而且主要是出口市場。在純電動汽車領(lǐng)域，雖有國家高額補貼和免費牌照等優(yōu)惠條件，購買者還是寥寥。鋰離子電池生產(chǎn)廠家大部分處于虧損狀態(tài)，靠大集團(tuán)的資金苦苦支撐著。
鉛酸蓄電池的生存、發(fā)展環(huán)境也很嚴(yán)峻。在2011年的環(huán)保整頓風(fēng)暴后準(zhǔn)入條件和環(huán)保要求提高，提高了生產(chǎn)成本。一些不負(fù)責(zé)任的官員的不當(dāng)言論和標(biāo)準(zhǔn)條款的壓制影響了應(yīng)用領(lǐng)域。研究和發(fā)展工作更難得到支持。
現(xiàn)在，混合電池系統(tǒng)將閥控鉛酸蓄電池和鋰離子電池取長補短、優(yōu)勢互補，其壽命可達(dá)到鋰離子電池的水平1500~2000次，遠(yuǎn)超過現(xiàn)在閥控鉛酸蓄電池的循環(huán)壽命；系統(tǒng)重量可比閥控鉛酸蓄電池組降低約40%；性價比高于鋰離子電池，還高于鉛酸蓄電池；另外還可克服閥控鉛酸蓄電池和鋰離子電池的某些缺點。因此，我們認(rèn)為：將閥控鉛酸蓄電池和鋰離子電池串聯(lián)的混合電池系統(tǒng)是解決目前電動車領(lǐng)域電池問題的現(xiàn)實、有效、可行的方案。
5.3 鋰鉛共同發(fā)展，推動電動車事業(yè)等發(fā)展
鋰離子電池將在混合電池系統(tǒng)的推廣應(yīng)用中擴大應(yīng)用的市場、增大產(chǎn)量，在擴大市場和產(chǎn)量的推動下可進(jìn)一步降低價格，趨向成熟，擺脫困境，得到發(fā)展；閥控鉛酸蓄電池也將會在混合電池系統(tǒng)發(fā)揮了壽命潛力，從而鞏固和增強其在電動車領(lǐng)域的地位，在此基礎(chǔ)上適應(yīng)混合電池系統(tǒng)新要求中得到新的發(fā)展。兩種電池得到共同發(fā)展，從而一起推動電動車事業(yè)向前發(fā)展。
我們分析，混合電池系統(tǒng)除在電動車領(lǐng)域使用，還可用于電信、牽引、儲能電池系統(tǒng)領(lǐng)域。
6 結(jié)語
1/放出總?cè)萘颗c放電深度關(guān)系圖是挖掘鉛蓄電池壽命潛力依據(jù)。經(jīng)濟放電深度40~50%；經(jīng)濟壽命1500~2000次；最大放出總?cè)萘?00~1000C(100%，400~500C)。
2/在經(jīng)濟放電深度下工作，加上合適運行和維護(hù)制度，可實現(xiàn)經(jīng)濟壽命和最大總?cè)萘俊?br>
3/鉛鋰串聯(lián)混合使用是挖掘鉛蓄電池壽命潛力的好方法。不同類型、不同容量的電池串聯(lián)混合使用是可行的。這對傳統(tǒng)的電池使用方法是一種突破。
4/混合電池系統(tǒng)取長補短、優(yōu)勢互補。壽命長（1500~2000次，最大放出總?cè)萘考s800~1000C ）；重量輕、比能量適中；價格適中性價比高；安全性好；充放電性能互補；鉛蓄電池失水率小，延緩熱失控，避免脹肚。
5/鉛蓄電池和鋰離子電池各有優(yōu)缺點。“取代”、“淘汰”鉛蓄電池和把鋰離子電池“擠出去”的觀點都不全面和不客觀。將兩者取長補短、優(yōu)勢互補，共同發(fā)展，是合適觀點。
6/鉛蓄電池和鋰離子電池都因各自缺點應(yīng)用和發(fā)展受到制約，純電動車用電池處于“高不就，低不成”或“青黃不接”的狀態(tài)，混合電池系統(tǒng)是解決目前電動車領(lǐng)域電池問題的現(xiàn)實、有效、可行的方案。兩種電池將會得到共同發(fā)展，從而一起推動電動車事業(yè)向前發(fā)展。
參考文獻(xiàn)
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[3]樂軍等，“電動自行車電池的隨機性PCL現(xiàn)象的研究”《蓄電池》2002年第4期p.163。
[4]朱松然，《鉛蓄電池技術(shù)》機械工業(yè)出版社，2002年，p.77。
[5]《動力電池混合技術(shù)研究與應(yīng)用查新報告》江西省科學(xué)技術(shù)情報研究所，2011.9.14
[6]郭自強，“改取代為互補”《電動自行車》2009年9月；《中國自行車》2009年10月。
（郭自強）
（中國電工技術(shù)學(xué)會電動車輛專業(yè)委員會）