铅酸蓄电池在混合电动汽车中的应用现状与研究进展
孙晓娟;杨家宽;张伟;胡雨辰;朱新锋;袁喜庆
【摘 要】随着汽车消费量的增加,传统汽车导致的石油资源消耗和环境污染等问题日益严重.较传统汽车,以车载电源作为全部或部分动力驱动的电动汽车,具有清洁节能的优势.混合电动汽车(HEV)性价比高,成为国内外汽车领域研究的热点.较其他动力电池,铅酸蓄电池成本较低,性能稳定,依然是混合电动汽车的重要选择.铅酸蓄电池在HEV中已经得到初步的应用,提高铅酸蓄电池的能量密度,成为制约铅酸蓄电池在HEV中进一步应用的瓶颈.国内外学者通过开发合适的添加剂、改进板栅材料、优化电池制备和装配技术,以及制备超细铅粉活性材料等手段来提高铅酸蓄电池的能量密度.本文对HEV用铅酸蓄电池的充放电机制和电池管理系统也进行了一定的探讨.
玉手镯鉴定
【期刊名称】合数表口诀《蓄电池》
【年(卷),期】2013(050)005
【总页数】8页(P201-208)九死还魂草
哺乳期十大禁忌水果
【关键词】混合电动汽车;铅酸蓄电池;能量密度;动力电池;充电机制
【作 者】孙晓娟;杨家宽;张伟;胡雨辰;朱新锋;袁喜庆
【作者单位】华中科技大学环境科学与工程学院,湖北武汉430074;华中科技大学环境科学与工程学院,湖北武汉430074;华中科技大学环境科学与工程学院,湖北武汉430074;华中科技大学环境科学与工程学院,湖北武汉430074;华中科技大学环境科学与工程学院,湖北武汉430074;河南城建学院市政与环境工程系,河南平顶山467023;华中科技大学环境科学与工程学院,湖北武汉430074
【正文语种】中 文
双鱼座什么性格【中图分类】TM912.1
近些年以来，中国城市空气质量不断恶化，灰霾现象持续出现。部分城市大型重工企业较少，因此，汽车尾气是导致灰霾天气的主要原因，巨大的汽车尾气排放量导致 PM2.5 持续升高。而越来越大的汽车生产和消费量，将加剧大中城市大气污染的问题[1-3]。同时，随着石油资源消耗量的日益加剧，传统汽车所带来的环境污染和资源浪费问题更是对当今社
会的发展提出了严峻的挑战。
在当前资源和环境问题备受关注的国际大环境下，对传统汽车工业的变革势在必行，其改革方向应该为清洁化和动力电气化。因而，以车载电源作为全部或部分动力驱动的电动汽车（EV），因其具有清洁节能、尾气排放较低或零排放的优势[4]，成为目前国际节能环保发展的主攻方向。越来越多的国家和地区投入大量资金对电动汽车进行研究和开发，极大地促进了电动汽车领域的发展[5]。
根据电池及其能耗情况，电动汽车主要分为纯电动汽车（BEV）、混合电动汽车（HEV）以及燃料电池车[6]。纯电动汽车（BEV）完全由动力电池提供能源，以电池代替传统石油等燃料。为了保证行驶距离、使用功率等指标，对动力汽车能量等指标提出了极为严格的要求，受目前动力电池技术的限制，由纯电动汽车（BEV）取代传统燃油汽车还需要一定的时间。以燃料电池为主、二次电池为辅给出驱动能量的汽车，称为燃料电池车[7]。其电池的能量是来源于氢气和氮气发生化学作用产生的化学能，因而需要足够的氢源供给[8]。目前，燃料电池车要实现商业化还有许多问题需要解决，如价格昂贵 (采用贵金属铂和铑作为催化剂)、氢的储存运输和电池寿命等问题[9]。
琐忆
混合电动汽车是指交替混合使用汽油和电力两种驱动方式的汽车，它是一种新型节能环保型汽车[10]。HEV 具有油、电互补的工作模式，从而具有省油、节能的优势。HEV 运行时，车辆需要大功率输出而汽油驱动不足时，则可由动力电池来补充；当运行负荷较少时则可利用富余的功率给动力电池进行充电。由于内燃机可持续工作，电池又可以不断得到充电，故其行程可以得到保证。有了电池，汽车可以十分方便地回收制动时、下坡时、怠速时的能量。据研究，传统汽车消耗的能量中接近22.5 %浪费在汽车的起停过程（如图1）[11]。HEV的发动机一直保持在最佳工作状态，性能好，排放量较低。混合动力汽车可以大幅度地提高燃油的能效并降低污染，与燃油车相比 CO2 排放量可以降低50 %，NOx 等排放量可以降低 90 %，并且成本远低于纯电动车。HEV 可以实现制动能量回收、怠速停止、发动机高负荷运转，低速行驶时其燃料经济性可提高 2 倍左右[12]。
ugly是什么意思
按照电力驱动方式所占的比例，混动电动汽车（HEV）主要分为微混合电动汽车、中混合电动汽车和全混合电动汽车等。微混电动汽车中电池主要用于起停，对能量要求较低；中混合电动汽车中电池的能量主要用于汽车起停、制动能量回收和加速助力等；而全混合电动汽车则要求电池提供的能量不仅达到中混合电动汽车的要求，还要求电池能够驱动汽车全程行驶。从两种驱动的联结形式来区分，混合电动汽车主要分为串联式混合电动汽车和
并联式混合电动汽车[13]。串联式混合电动汽车提供汽车在起停过程中的能量，使内燃机在运行过程中保持较高的效率，电力驱动所占比例较小。而并联式混合电动汽车则可以保证汽车整个运行过程中都保持较低的内耗损失[14]。
与一般电池相比较，HEV 用电池的性能要求较高。评价 HEV 用动力电池的性能指标主要有质量比能量、体积比能量、质量比功率、成本和循环寿命等[15]。为保证 HEV 能够正常运行，对动力电池有如下要求：质量（体积）能量密度较高，确保HEV 可以达到理想的行驶距离；寿命较长，且能免维护；成本价格较低；效率高，以提高车辆的使用效率和有效运行距离；体积或质量较小；安全性能好；具有较强的耐高低温性能等[16]。满足HEV用电池要求的主要有镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池以及铅酸蓄电池等[17]。其主要性能特点比较如表1所示[18]。
镍氢电池能量密度较高，技术较为成熟，循环次数较多，在 HEV 中已经有一定的应用，但其对材料要求较高，储氢合金成为发展镍氢电池的主要瓶颈，成本稍高。镍镉电池具有一定的能量密度，且具有较好的充放电倍率特性，在 HEV 中有了一定的发展，但其具有记忆效应、所含重金属镉会造成环境污染，限制了其进一步的应用。锂离子电池能量密度
较高，循环次数多，重量较小，自放电率低，目前，国家加大了锂离子电池应用的研究力度，其在 HEV 应用前景较好。但其价格较贵，抗滥用能力较差，铅酸蓄电池成本较低，抗滥用能力比较强，且其工艺比较成熟，性能比较可靠，仍为HEV 用动力电池的重要选择[19]。
情人朋友
目前，铅酸蓄电池在国内的一些客车上已经有一定应用，如五洲龙汽车、安源客车、安凯汽车和厦门金旅等公司的 HEV 客车上使用的便是铅酸蓄电池[20-21]。铅酸蓄电池能量密度较低，主要应用于微混合电动汽车，同时在低速纯电动车中也得到了一定的应用。铅酸蓄电池应用于微混合电动汽车和低速纯电动汽车中，与锂离子电池、镍氢电池等相比，具有性价比更高的优势。
针对普通铅酸蓄电池存在的能量密度低、充放电功率低的问题，国内外学者通过一定的手段，如改进板栅材料、选择合适添加剂、改进电池制备工艺或电池构型、开发新型铅酸蓄电池的活性物质等，以提高铅酸蓄电池的能量密度。
板栅材料是蓄电池重要的基本物质之一，它在铅酸蓄电池中主要有 3 个作用：一是支撑活性物质；二是传导电流；三是作为极板的均流体起着使电流均匀分布到活性物质中的作用[
22]。板栅约占蓄电池总重量的 20 %～30 %，所占比例较大，因而其材料的选择是提高铅酸蓄电池密度的重要途径。
部分学者通过改进铅酸蓄电池板栅材料来提高铅酸蓄电池能量密度及充放电功率等。中南大学郭学益等通过电沉积法制备高性能铅酸电池板栅材料用泡沫铅，具有质量较小、孔隙率高、比表面积大的优势，电池的能量密度明显提高[23]。E.Gyenge 等以网状玻璃碳（RVC）为基体制备泡沫铅，主要用于负极和正极板栅的制备，孔隙较多[24]。邹智敏等以泡沫碳化硅为基体制备泡沫铅集流体，作为铅酸电池的正极，使极板的表观密度降低，提高了大电流放电的能力[25]。戴长松等以泡沫铜为基体，采用电沉积铅制备泡沫铅板栅，并将其作为铅酸蓄电池的负极集流体，泡沫铅电池与铸造板栅电池相比，能量密度得到较大程度的提高[26]。董为毅等以多孔的泡沫铜为基体，在表面电镀一层 Pb-Sn 合金，并经电镀 Pb 后制成多孔泡沫 Pb 板栅，制成电池后能量密度得到较大程度的提高[27]。徐强等以铝合金作为板栅基体材料，通过一定手段制备出铝基轻型板栅，可以在一定程度上提高铅酸蓄电池的能量密度、高倍率放电性能和低温放电性能等[28]。
为提高铅酸蓄电池的能量密度，可在电解液中添加某种固体或液体添加剂，对提高电池能量密度，延长蓄电池使用寿命是有效的[29]。
Katsuichi Komoda 研究在电解质溶液中添加适量金属硫酸盐和盐的混合物，以提高电池的起动性能[30]；Guo-Lin Wei 研究在硫酸溶液中添加柠檬酸来提高铅酸蓄电池的能量密度[31]；朱松然研究了PAB 电解液添加剂对电池性能的影响，结果表明添加剂可以提高约 8 % 的初始容量[32]；司凤荣等研究将具有特殊性能的纳米材料添加到阀控式铅酸蓄电池的电解液中，其加入可以较大幅度地提高蓄电池的容量和使用寿命，并可以一定程度地减少蓄电池的内阻[33]。赵秉英等通过实验研究常温下铅酸蓄电池正极活性物质中添加高纯石墨对电极活性的影响，在正极活性物质中加入高纯石墨，可以在一定范围内提高正极的孔隙率与润湿性能，从而增加电池的初始放电容量和活性物质利用率[34]。陈红雨等研究表明，在铅粉中掺加 0.02 % 的 Bi2O3 后制成的极板装成汽车用铅酸蓄电池，性能检测结果表明，蓄电池的能量密度和充放电能力有较为明显的提高[35]。张平安研究将纳米材料 SiO2 和其他化工材料组合成的添加剂，并将其加入铅酸蓄电池的铅膏中，用此铅膏制成的极板可以较大幅度地提高蓄电池的性能，在电池能量密度以及循环寿命等方面均有显著提高[36]。李建华归纳了提高铅酸蓄电池利用率的几种主要添加剂，其中包括导电性添加剂、用以提高酸量供应的添加剂和具有掺杂作用的添加剂等[37]。
部分公司研究改进电池构型来提高铅酸蓄电池的能量密度。美国 GATES 公司和瑞典 OPTI
MA公司于上世纪 60年代末开始研究卷绕式铅酸蓄电池，产品采用软铅合金，极板较薄，电池的比功率较高，能够满足部分混合电动汽车的需要[38-39]。美国 BOLDER 公司开发的卷绕式铅酸蓄电池较薄，通过增加极板面积，减小极板厚度和极板之间的距离，增加了电池能量密度[40]。西班牙 EXIDE 公司推出了采用螺旋卷状电极的圆筒式汽车起动用新型VRLA 蓄电池，具有很大的比表面积，活性物质采用机械挤压到薄板栅上，电池厚度较小，具有极大的能量密度，同时具有深放电特性[40]。Hawker 公司研制的双边极耳设计卷绕式结构电池，在绕卷式电池的基础上，采用改进的双边极耳设计，以满足大电流荷载的要求，这种电池已经在本田的混合电动汽车上使用了[41]。日本 GS 汤浅电池公司开发研制了适用于怠速停行车用的改良型铅酸蓄电池，其基本性能和寿命性能较普通铅酸蓄电池有较大的提高[19]。在国内，江苏双登电池国际有限公司也进行了这种卷绕式铅酸蓄电池的研发[40]。部分学者进行了超级电池的研究，它是铅酸蓄电池和超级电容器的混合储能装置[20]，其能量密度较普通铅酸蓄电池有较大程度的提高。超级铅酸蓄电池引起了欧美等发达国家的高度重视，在 2009年 8月，美国总统奥巴马宣布的“下一代电池和电动车计划”中，将超级铅酸蓄电池列入到“下一代电池”计划中[20]。L.T. Lam 等研究认为超级蓄电池的充放电功率与传统蓄电池相比提高接近 50 %，同时循环寿命也会提高 3 倍，它的开
发会大幅度地提高铅酸蓄电池在HEV的应用[42]。孔德龙等研究通过在铅酸蓄电池的负极群中并入活性炭极板，从而制成超级电池，其性能较普通蓄电池有明显改善[43]。陈飞等通过研究不同炭材料对负极的影响，优化制备出具有较高放电容量的铅炭超级电池[44]。郎笑石等对 Pb-C 超级电池中的负极部分进行了研究，并对炭材料进行了改性[45]。
