动力蓄电池的性能比较研究

魏东涛，李 鹏，刘慎阳，魏东法，谷燕林

(1.空军勤务学院航空四站系，江苏徐州221000；2.辰欣药业，山东济宁272000)

动力蓄电池的性能比较研究

魏东涛1，李 鹏1，刘慎阳1，魏东法2，谷燕林2

(1.空军勤务学院航空四站系，江苏徐州221000；2.辰欣药业，山东济宁272000)

蓄电池作为电动设备的动力提供者，是电动设备的重要元器件，介绍了目前在用的各类动力蓄电池结构特性，分析比较了优缺点、应用现状和适用场合。

蓄电池；比能量；比功率；商业化

蓄电池也称二次电池，是将所获得的电能以化学能的形式贮存并可将化学能转化为电能的一种电学装置[1]。蓄电池的作用是存储电能，蓄电池在充电过程中，电能能够通过蓄电池内的“活性物质”的化学变化转变为化学能存储在蓄电池中。蓄电池在放电过程中，通过蓄电池内的“活性物质”逆转，将化学能转变为电能由蓄电池输出。动力蓄电池是指具有较大电能容量和输出功率，可用作电动汽车、电动设备及工具驱动电源的电池，通常也可以用作储能电池设备、通信指挥系统的常备电源等。

1 动力蓄电池的特点

与普通蓄电池相比，动力蓄电池具有以下特点：

(1)高比能量

比能量包括质量比能量和体积比能量。对动力蓄电池而言，希望其具有高比能量，因为用电器体积和质量往往都有着严格的限制。

(2)高比功率

电池的比功率与电池的大电流放电性能密切相关，标志着电池能够提供多大的马力，动力蓄电池同其它电池相比具有高比功率。电动汽车的加速性能和最高车速都是由动力蓄电池的比功率决定。电动汽车在启动、爬坡、超车加速时都需要很高的功率。

(3)安全可靠性

动力蓄电池由于体积很大，储存了较高的能量，其安全性问题更加突出，因为汽车在行驶中难免出事故，要求动力蓄电池的防爆性能要好，避免引起严重的后果。

(4)价格较高

通常用单位瓦时的价格表示电池的价格，它标志着动力蓄电池使用的经济性，代表按单位里程计算的动力蓄电池的使用成本。

2 动力蓄电池的分类

国内外动力蓄电池的研发历史大致如下[2]：第一代动力蓄电池：铅酸蓄电池，主要是阀控式(VRLA)铅蓄电池；第二代动力蓄电池：碱性蓄电池，如镉镍(Ni-Cd)电池、氢镍(Ni-MH)电池；第三代动力蓄电池：锂离子电池、锂聚合物电池；第四代动力蓄电池：飞轮储能器、超级电容器和太阳电池、燃料电池等，如碱性燃料电池(AFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)。

每种动力蓄电池都各自有各自的性能及其特点：质量比能量，Wh/kg；体积比能量，Wh/L；比功率，W/kg，它标志着蓄电池的最大使用功率；体积比功率，W/L，它标志着提供一定功率的电池所占据的车内空间；使用寿命，从第一次使用到彻底报废的充放电循环次数；快速充电性能，该效率高就节能，低就浪费能源。用充满50%，80%或100%能量所需的时间表示；成本价格；环保性；环境适应性。

3 各类动力蓄电池介绍

3.1 铅酸蓄电池

阀控密封铅酸蓄电池是最新一代的产品，具有体积小、质量轻、自放电小、少维护、寿命长、使用方便、无记忆效应、对环境无腐蚀等优良特性，与传统铅酸蓄电池相比，在使用、维护和管理上有着明显的优势。这种电池以铅作负极，二氧化铅作正极，用硫酸做电解液。比能量已经超过30 Wh/kg，体积比能量超过了80 Wh/L，并可以实现快速充电。

铅酸蓄电池广泛用作内燃机汽车的起动电源，目前己经实现了大批量的生产，其产品回收较为容易。缺点是：一是比能量低，电池自放电较强，所占的质量和体积太大，且一次充电行驶里程较短；二是使用寿命短，使用成本过高。同时由于铅是重金属，因此，铅酸电池存在污染问题。目前，人们正在对其实施各种改良，以使其能满足电动汽车用蓄电池的标准。其发展趋势是提高它的比能量、循环使用寿命及快速充电性能等。

3.2 镉镍蓄电池

镉镍蓄电池的负极是由重金属镉组成的，而正极则是由氢氧化镍组成的。其电解液与普通的碱性蓄电池一样，是由氢氧化钾溶液组成的。由于镉镍蓄电池采用了独特的结构设计，能够保证电池内部产生的气体重新参与化学反应而不必排到外面。镉镍电池比能量已超过40 Wh/kg，体积比能量110 Wh/L，比功率225 W/kg。正常情况下，镉镍电池的可重复充放电次数达到2 000次以上。由于镉镍电池在比能量、体积比能量和使用寿命上超过铅酸电池，且它的快速充电性能也比较好，是一种性价比很高的二次电池。但镉镍电池也有一些缺点，首先是生产成本太高，是同等容量铅酸蓄电池的3～4倍；其次，镉镍电池单体电压较低；而且重金属镉镍是一种致癌物质，蓄电池失效后对环境有极大的污染，限制了其广泛应用。

3.3 氢镍电池

氢镍电池正极的活性物质是氢氧化镍，负极板的活性物质是储氢合金，电解质是氢氧化钾溶液，是一种碱性电池。其比能量已超过50 Wh/kg，体积比能量240 Wh/L，比功率200 W/kg。优点是高于任何其他镍基电池的比能量和比能量、环保特性有利于回收利用、具有比较平坦的放电曲线，需要指出的是氢镍电池具有较好的低温放电特性，即使在－20℃环境温度下采用大电流，即1C放电速率放电时，也可放出电池容量标称值的85%以上。但是，氢镍电池在高温时，即40℃以上时的蓄电池容量将下降5%～10%。其缺点是成本过高，且具有记忆效应和充电发热等问题。这些缺点使得其大规模的产品化受到了极大的影响。降低制造成本，提高产品的一致性、贮存性能和高倍率循环性能，是该系列动力电池需要深入研究的课题。

3.4 锌镍蓄电池

正极为氢氧化镍，负极为锌，电解液为氢氧化钾水溶液，比能量高达50～85 Wh/kg，比功率可以达到200 W/kg，电池工作温度的范围很广[3]，在－20～65℃之间，原材料来源广泛，价格低，并且还不污染环境，目前看来锌镍电池技术的研究是成熟的，在动力电源方面比较稳定，被认为是应提倡的电动车用蓄电池。锌镍蓄电池在商业化的电动车上使用还很少，这主要是由于锌镍蓄电池的价格贵 (2.5～4元/Wh，为铅蓄电池的4～6倍)；循环过程中，初期容量衰减率大，限制了蓄电池组实际使用寿命；综合性能不如氢镍蓄电池。

3.5 钠硫蓄电池

钠硫蓄电池也是近期普遍看好的电动汽车用电池，钠硫电池中包含了多种无机材料，这些材料有电解质陶瓷隔膜、正负极之间的绝缘陶瓷、封接用玻璃、金属焊料、导电碳、集流用金属电极及活性物质钠与硫等。钠硫电池的性能好坏在很大程度上由这些材料的特性所决定，高性能的材料及部件是保证钠硫电池性能和可靠性的基础。钠硫电池用于储能具有独到的优势，主要体现在容量大、能量储存和转换效率高、寿命长等方面。钠硫电池已经成功地用于削峰填谷、应急电源、风力发电等可再生能源的稳定输出以及提高电力质量等方面，是各种先进二次电池中最为成熟的一种，也是最具有潜力的一种先进储能电池。但是目前在陶瓷粉体、陶瓷管的生产加工、硫极容器的防腐蚀性能提升，及电池结构设计等方面还存在一些问题。

3.6 锂离子电池

锂离子电池负极是由一种二氧化锰、碳黑和粘合剂的混合物制成，正极则是由条带状的锂金属制成，所使用的电解液是一种以碳酸丙稀作为溶剂的高氯酸锂溶液。锂是金属中具有最负的标准电极电位(－3.045 V)，及最小的电化当量0.259 g/Ah，因而与适当的正极材料匹配构成的锂蓄电池，具有比能量高、电压高的特点。加之锂负极制作简单，工作温度范围较宽(－40～70℃，目前二次锂电池工艺技术水平已经达到比能量50～300 Wh/kg，体积比能量约250～300 Wh/L)，质量轻、能量大、使用寿命长、工作电压高、低自放电，能够连续、平稳的放电，是目前世界上比能量最高、循环寿命最长的可充电电池之一。因为锂离子电池有以上优势，锂离子动力电池的研究也逐渐受到人们的重视。但是，目前大容量的锂离子电池技术还没有真正突破，存在的主要缺点是:不能快速充电，可靠性、安全性差，成本高，技术不成熟，高温性能差。

3.7 锂聚合物电池

锂聚合物电池按电解质可分为凝胶聚合物电解质锂离子电池，固体聚合物电解质锂离子电池，复合凝胶聚合物正极材料的锂离子电池。锂聚合物电池跟锂离子电池的最大区别就在于前者采用聚合物胶体电解质膜取代了传统的多孔性隔膜[4]。这种电池的比能量跟锂离子电池相近，也属于高能电池系列；但由于其内阻比锂离子电池稍高，因而其输出比功率也小一些，该电池的最大特点是电池可以做得很薄。锂聚合物电池解决了锂电池的安全性问题，生产成本低于锂离子电池。锂锰氧化物及其它复合氧化物等新型电极材料的开发成功，为锂离子电池安全性问题的解决找到了路径，产业化步伐正在加快。不过由于开发的时间不长，工艺也不成熟，实际投入市场的产品性能跟预计的性能尚有一定的距离，尤其是对中大容量、中高功率的锂离子电池的充电保护电路并不成熟，尚有待于进一步开发研究。

3.8 燃料电池

燃料电池是一种电化学的发电装置，它是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能通过电极反应直接转化为电能的发电装置。如氢氧燃料电池。氢氧燃料电池按电解质大致划分为五类：碱性燃料电池(AFC)，磷酸型燃料电池(PAFC)，固体燃料电池(SOFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和质子交换膜燃料电池(PEMFC)。其中PEMFC具有热效率高、比功率高、反应温度低、起动快的优点，可用作电动汽车动力源，由于质子交换膜燃料电池能在常温下工作，所以成为研究最为活跃，进展也最快的燃料电池。目前各种研究机构在甲醇改质氢燃料电池、甲烷改质氢燃料电池、汽油改质氢燃料电池、锌空电池等方面也作了大量的研究工作。但是，燃料电池从现在发展的水平看仍处在试验阶段，到达产业化、商品化还需要克服很多困难。

3.9 锌空气电池

锌空气电池又称锌氧电池，是金属空气电池的一种。锌空气电池负极采用了锌合金，正极材料则是空气中的氧[5]。在储存时一般保持密封，所以基本上没有自放电。电池外表面为镍金属外壳，是具有良好的防腐性的导体。该电池体系的优点在于理论比能量可达1 350 Wh/kg，实际比能量约为180～230 Wh/kg，是传统铅酸电池的5倍以上。锌空气电池具有良好的一致性，允许深度放电，电池的容量不受放电强度的影响，且适用温度范围宽泛(－20～80℃)，并且具有较高的安全性，可有效防止因短路、泄漏造成的起火或爆炸,是真正意义上可循环使用的清洁无污染化学电源。但是目前还存在着一些不足之处，存在寿命短、比功率小、不能输出大电流及难以充电等缺点。并制约着其大规模的商业化应用。

3.10 铝空气电池

铝/空气电池是以铝或铝合金为负极，以空气为正极，以中性或碱性水溶液为电解液而构成的一种空气电池[6]。该电池负极铝的电化学当量很高，为2 980 Ah/kg，电极电位较负，是除金属锂以外质量比能量最高的轻金属电池材料。铝空气电池的质量比能量实际可以达到450 Wk/kg，比功率达到50～200 W/kg。铝是一种高强度的能量载体，是开发电池的理想电极材料。作为备用电源的铝空气电池性能稳定、维护成本低廉，颇具吸引力，外加其运行时低噪音、低消耗、无污染、无废气产生等特点，铝空气电池的研究对于可持续发展有重要意义。但是目前该电池还面临着一些需要解决的间题，第一，金属铝表面由于存在着一层钝化膜，会抑制铝的失电子氧化反应，导致了铝电极电位的升高，电池电压下降；第二，铝表面的氧化膜遭到破坏又会导致大量析氢，并难以使其溶解停止，导致电池自腐蚀放电严重；第三，空气电极面临着与锌空气电池中相同的问题。

3.11 飞轮电池

飞轮电池是90年代才提出的新概念电池，它突破了化学电池的局限，用物理方法实现储能。当飞轮以一定角速度旋转时，它就具有一定的动能。飞轮电池正是以其动能转换成电能的[7]。飞轮电池中有一个电机，充电时该电机以电动机形式运转，在外电源的驱动下，电机带动飞轮速旋转，即用电给飞轮电池“充电”增加了飞轮的转速从而增大其动能;放电时，电机则以发电机状态运转，在飞轮的带动下对外输出电能，完成机械能(动能)到电能的转换。当飞轮电池供出电能的时候，飞轮转速逐渐下降。飞轮是在真空环境下运转的，转速极高(高达200 000 r/min)，使用的轴承为非接触式磁轴承。据称，飞轮电池比能量可达150 Wh/kg，比功率达5 000～10 000 W/kg。美国飞轮系统公司己用最新研制的飞轮电池成功地把一辆克莱斯勒LHS轿车改成电动轿车，一次充电可行驶600 km。

3.12 超级电容

超级电容是为了满足混合电动汽车能量和功率实时变化要求而提出的一种能量存储装置，它是一种电化学电容，兼具电池和传统物理电容的优点。其特点是寿命长、效率高、比能量低、放电时间短。超级电容往往和其它蓄电池联合应用作为电动汽车的动力电源，可以满足电动汽车对功率的要求而不降低蓄电池的性能，达到减少蓄电池体积和延长蓄电池寿命的目的。开发高比能量、高比功率、长寿命、高效率和低成本的超级电容可以提高商业化电动汽车的动力性 (特别是加速能力)、经济性和续驶里程。

3.13 太阳电池

太阳电池在工作原理方面主要是基于半导体产生伏特效应，然后将太阳能辐射能直接的转化为电能[8]。单晶硅、多晶硅、非晶硅和多元化合物太阳电池是当今的四种太阳电池，近些年的太阳电池利用在技术上不断的得到突破，目前应用领域更广泛。

各种不同电池的特性如表1所示。

表1 现有动力电池的主要性能指标

4 结语

从以上分析可以得出，虽然铅酸蓄电池在比能量、体积比能量和寿命都比其他电池差，但是铅蓄电池作为动力型电池由于技术成熟、价格便宜，短期内仍不会退出电动车电池市场；氢镍电池技术已趋于成熟逐步进入商品化阶段；锂离子电池技术己取得突破，正在开发电动车领域的应用；燃料电池等新型电池仍处于试验阶段，商业化条件尚未成熟。

[1]胡恒生.航空蓄电池[M].徐州：空军勤务学院，2014：9.

[2]卢汉辉.蓄电池充电管理系统关键技术的研究[D].上海：上海交通大学，2007.

[3]王建海.镍锌超级电池的研究[J].上海交通大学学报，2014(10)：89-92.

[4]钱伯章.聚合物锂离子电池发展现状与展望[J].国外塑料，2010，912(12)：28.

[5]刘春娜.锌空气电池技术进展[J].电源技术，2012(6)：782-783.

[6]朱明骏.金属/空气电池的研究进展[J].电源技术，2012(12)：1952-1954.

[7]王飞.动力电池运行状况测控技术的研究[D].武汉：武汉理工大学，2008.

[8]刘海清.太阳电池简析[J].大学物理实验，2015(2)：22-23.

图5 CAN总线等效电路

3.3 10 km CAN总线通信实验及实际工程应用

选用仿真导线作为通信电缆进行模拟通信。以1 km的通信电缆为单元，按图6示电路元器件制作仿真电缆。若测试大于1 km的通信距离，可将多条1 km的仿真导线串联。

图6 130 Ω/1 km双绞线缆的等效电路

不同的通信终端电阻的最大传输速率也有所不同，当通信距离超过9 km时，若通信速率不低于5 kbps，须加设CAN中继设备。实验结果详见表2。

表2 CAN 总线通信中的终端电阻

CAN1通信速率设定为10 kbps，根据实验结果可知，最高通信距离为3 km，若要达到10 km的通信距离，则至少增设3台CAN中继设备，分别设置在CAN1的2.5、5和7.5 km处。选用160 Ω作为终端电阻，分别匹配在CAN1总线首端、末端和各中继设备的进线和出线处。

4 结束语

通过对用于矿山物联网的双CAN通信系统进行实验研究，分析并验证系统通信的可靠性。同时分析了CAN总线传输距离的特点，并通过仿真导线进行通信距离实验，得出CAN总线通信电缆各终端节点处的终端电阻的匹配值，实现了系统的节能设计与推广性应用。但在多节点、复杂网络环境中还需进一步研究系统性能。

参考文献：

[1]祁宇明，邓三鹏，王仲民，等.基于物联网的煤矿带式输送机综合自动化监控系统研究[J].煤矿机械，2013，34(6)：262-264.

[2]韩兵，于飞.现场总线控制系统应用实例[M].北京：化学工业出版社，2006：7-14.

[3]张银河.基于STM32的双CAN总线在矿山物联网的应用研究[D].天津：天津大学，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

魏东涛(1985—)，男，甘肃省人，硕士，助教，主要研究方向为装备技术与勤务。