挖掘铅酸寿命潜力，正确处理铅锂关系

    1.前言
    铅酸蓄电池是已有100多年历史的产品。因其性能合适、价格便宜、材料来源丰富、技术和制造工艺较成熟、安全可靠、铅回收技术成熟且回收率高等综合因素，经市场检验、考核已成为电动车等多种应用领域主要采用的电池。但目前铅酸蓄电池生存环境严峻。铅酸蓄电池的主要缺点是：比能量较低、笨重、寿命不够长、环境友好度差。因此，有些人认为铅酸蓄电池是落后、过时的产品；甚至有些不负责任的官员将其作为垃圾技术，认为其应用发展的前途不大，生命期不长，在电动车上最后要用锂离子电池取代铅酸蓄电池。我们认为这种观点不一定正确。实际上，铅酸蓄电池在100多年的历史中一直不断地在改进提高，有的是革命性的飞跃式提高。近年来我国电动自行车用阀控铅酸蓄电池的水平有很大提高就是不断改进提高的好例子。另一方面，我们应该重视对铅酸蓄电池的进一步研究和改进提高，吸取和采纳锂离子电池的部分优点。为此，本文宗旨是“挖掘铅酸蓄电池的寿命潜力，正确处理好铅酸蓄电池和锂离子电池的关系”。
    2.挖掘阀控铅酸蓄电池寿命潜力的依据
    要挖掘铅酸蓄电池的寿命潜力，首先要知道铅酸蓄电池的寿命还有多少潜力？电动车用阀控铅酸蓄电池最大的寿命可达到多少？回答此问题根据文献和报道有各种说法：有的说800次；有的说1000次；更有的说5000~6000次。可见各种说法相差很大，这里有不同的应用场合、不同的电池结构和形式，不同的使用条件，还有对寿命次数的不同定义范畴等因素。为此，我们明确讨论的对象是纯电动车用的阀控铅酸蓄电池，引入了“放出总容量”的概念来衡量蓄电池的寿命。
    众所周知，阀控铅酸蓄电池的循环寿命与放电深度（DOD）有关，我们从资料[1，2]得到电动自行车和电动道路车用两种阀控铅酸蓄电池的相似的循环寿命与放电深度关系图（见图1的黑线）。从图可见，循环寿命次数与放电深度关系是随放电深度降低寿命次数单边上升的曲线。100%放电深度时循环寿命约400次，15%放电深度时循环寿命约4300次。这样，似乎放电深度越浅，循环寿命越长。实际情况不完全如此。早在2002年，中国矿业大学电动车电池超长寿命研究中心（徐州）就有人发现：放电深度太浅就充电，结果蓄电池的实际使用寿命并不长[3]。这一结果得到许多有经验的电动自行车阀控铅酸蓄电池生产和使用的技术人员确认。
    根据一定放电深度下每次放电得到的放出容量，乘以相应放电深度下的循环寿命次数，可以得到寿命期间的放出总容量。据此，将循环寿命与放电深度关系图（见图1的黑线）转化为放出总容量与放电深度关系曲线（见图1的红线）。从放出总容量与放电深度关系曲线可见：
    1）放出总容量与放电深度关系不同于循环寿命次数与放电深度关系，是在一定放电深度下有最大放出总容量的曲线。
    2）我们将最大放出总容量的放电深度称为经济放电深度；在经济放电深度下得到的循环寿命称为经济寿命，即可得到最大放出总容量。
    3）阀控铅酸蓄电池经济放电深度约40~50%；经济寿命约2000次；最大放出总容量约800C（C为蓄电池的额定容量，单位为Ah），如果考虑到电动车用阀控铅酸蓄电池实际设计容量和实际初放电容量约为额定容量125%，故实际最大放出总容量有可能达到约1000C。
    4）明显大于或小于经济放电深度下工作、运行都不能得到最大放出总容量，因此即使放电深度浅时循环寿命次数较大，但不是最经济的循环寿命次数。

    图1中放出总容量与放电深度关系的曲线形状的理论解释可参见文献[3]和[4]。

图1 电动车用阀控铅酸蓄电池的循环寿命和放出总容量与放电深度关系图

    3.挖掘寿命潜力可以实现
    图1为我们指明充分挖掘阀控铅酸蓄电寿命潜力的方向和提供的近似参考数据，我们据此进行了摸索和验证性的研究、试验。
    3.1  电池的选择
    试验电池先后采用了电动自行车用DZM16和DZM12型电池。两种电池初期实际放电容量都约为额定容量的125%。
    3.2  试验结果
    经过4年左右的验证性试验得到的结果为：
    1） DZM16进行了循环寿命约1900次，放出总容量约15200Ah（约950C），达到和接近了最大放出总容量和经济寿命。电池平均累计失水量只有50g。电池组没有出现热失控症状。
    2） DZM12进行了循环寿命约1650次，放出总容量约12500Ah（约1040C），达到和接近了最大放出总容量和经济寿命。电池平均累计失水量只有35g。电池组没有出现热失控症状。
    3.3 合适的运行和维护制度
    我们研究、试验的经验和结果表明：虽然图1为我们充分挖掘阀控铅酸蓄电池寿命潜力指明了方向并提供了近似参考数据，但不是简单地将阀控铅酸蓄电池在经济放电深度（约40~50%）下工作、运行就能得到最大放出总容量和经济寿命。要实现最大放出总容量和得到经济寿命，不但要使阀控铅酸蓄电池在经济的放电深度下运行、工作，而且要使阀控铅酸蓄电池在合适的运行和维护制度下工作、运行。否则，就不能放出最大总容量和得到经济寿命。合适的运行和维护制度主要要点：
    1）每次放电的放电深度约为40~50%。
    2）不要在每次循环都将阀控铅酸蓄电池充电至“完全充电”状态，让其在部分荷电状态下运行、工作。这点是突破了传统的充电观念。这样还可效降低了失水率，延缓了热失控的出现。将阀控铅酸蓄电池与锂离子电池串联混合使用是自然控制充电状态的好方法。 
    3）定期（约半年）对阀控铅酸蓄电池进行维护。通过这些研究试验工作，我们更加理解了潜艇铅酸蓄电池按照国外引进的规范操作其艇上实际寿命都明显超过规格书中寿命的原因。在艇上按照国外引进的规范操作，一般每次放电的放电深度约为40~50%，最大不超过70%；充电采用随机充电原则，一般不充到“完全充电” ，处于部分荷电状态；定期进行周期治疗。而规格书中的寿命一般是放完充足的台架试验的循环寿命。
    4  锂铅混合，优势互补
锂离子电池的优点是比能量高、重量轻，寿命长，环境友好，但是价格太贵，安全性风险较大。因此我们就想能否把锂离子电池和阀控铅酸蓄电池串联混合使用，取长补短，优势互补，形成一个寿命长、比能量和价格适中、性价比高、安全性好的混合电池系统。
    4.1 两种电池能否混合使用
    首先人们要问：锂离子蓄电池与铅酸蓄电池是两种不同类型的电池，能否混合使用？
经过“查新”，证明确有将这两种蓄电池混合使用的设想和研究工作，但都是并联混合使用，一般是为了功率特性的互补或降低电池系统的价格，没有采用串联混合使用和形成长寿命电池系统的实例[5]。
    一般讲，对同种类型电池，不同的容量或不同新旧（老化）程度的电池不能串联混合使用。锂离子蓄电池与铅酸蓄电池是不同类型的电池，按传统观念是不能串联混合使用的，是犯大忌的。而我们设想的特点是：将不同类型、不同容量的电池串联混合使用，形成一个寿命长、比能量和价格适中、性价比高、安全性好的混合电池系统。
为此，我们进行了摸索和验证性的研究、试验。现在，经过研究试验证明，只要合理配置、控制合适的负荷程度和适当的维护管理，不同容量的锂离子蓄电池与铅酸蓄电池可以串联混合使用，而且较充分地发挥了两种电池的潜能，使两种电池优势互补，互相克服存在的缺点。形成一个寿命在1500~2000次、重量或比能量和价格适中、安全性好的混合电池系统，而且提高了性价比。
    4.2优势互补
    我们研究、试验的经验和结果表明：锂离子蓄电池与铅酸蓄电池不但可以串联混合使用，而且可以优势互补。
    1）锂离子电池有寿命长的优点，只要合理配置，构成一个既发挥锂离子电池寿命长的优点，又挖掘了阀控铅酸蓄电池寿命潜力，使两种蓄电池寿命相当，形成一个寿命1500~2000次，最大放出总容量800~1000C的长寿命混合电池系统。
    2）锂离子电池有比能量高、重量轻的优点，与阀控铅酸蓄电池构成的混合电池系统重量可比全用铅酸蓄电池轻约30~40%，从而提高混合电池系统的比能量达65Wh/kg以上。这样混合电池系统就可能满足新颁布的乘用型电动汽车国标对电池组重量不超过整车重量30%的要求，而全用铅酸蓄电池是不能满足这条要求。
    3）充放电特性的互补。图2是混合电池系统和两种蓄电池的充电曲线。锂离子电池充电接受能力优于阀控铅酸蓄电池，而且充电末期电流很小。这样在两种蓄电池构成的串联混合电池系统中，锂离子电池自然成了使阀控铅酸蓄电池基本充满而处于部分菏电状态的设施。图3是混合电池系统和两种蓄电池的放电曲线。从图可见：初期阀控铅酸蓄电池的电压高于锂离子电池；后期离子电池的电压高于阀控铅酸蓄电池；混合电池系统的放电电压介于两者之间，两者起到互补作用。

图2 混合电池系统和两种蓄电池的充电曲线

图3  混合电池系统和两种蓄电池的放电曲线

    4）性价比明显提高。锂离子蓄电池的缺点是价格太贵。混合电池系统的价格虽比全锂离子蓄电池组大幅降低，但还比全用铅酸蓄电池的高约40%。不过，由于混合电池系统充分发挥了锂离子电池寿命长的优点，又挖掘了阀控铅酸蓄电池寿命潜力，其寿命长，故性价比高（每元人民币可得到的放出总容量（Ah）），它不仅远高于全用锂离子蓄电池的，而且还高于全用铅酸蓄电池的约20~30%，达到约15 Ah/元，这就可弥补锂离子蓄电池价格太贵的缺点。
    5）安全性提高。锂离子蓄电池缺点之一是安全性风险较大。混合电池系统中锂离子蓄电池只占整个系统的一半，加上对此小部分锂离子蓄电池安装在电动车的更安全部位的可能性增加，因此混合电池系统的安全性风险降低。
    6）阀控铅酸蓄电池的失效模式之一是失水以及失水导致的充电时热失控，严重的导致电池胀肚、损坏。混合电池系统中锂离子蓄电池有效控制了充电时的末期电流，使阀控铅酸蓄电池处于部分菏电状态，因此失水少，图4 是不同运行方案的失水量随循环变化曲线。混合电池系统中阀控铅酸蓄电池处于部分菏电状态，失水量明显低于每次处于“完全充当”状态的电池。从而推迟或避免了热失控的出现，加上采取防止热失控导致电池胀肚的设施，可完全避免阀控铅酸蓄电池胀肚、损坏。

图4  不同运行方案的失水量随循环变化的曲线

    5  正确处理铅锂关系，共同发展
    阀控铅酸蓄电池和锂离子电池各自存在优缺点，正确处理好铅锂关系有利于两种电池发展。
    5.1  “淘汰”和“挤出去”的观点都不全面和客观，取长补短、优势互补，共同发展比较合适
    铅酸蓄电池有其缺点，如比能量较低、笨重，寿命不够长，环境友好度差等。对此，有的业内人士抓住铅酸蓄电池的缺点，极力主张在电动车上采用锂离子电池取代阀控铅酸蓄电池，要淘汰“落后”的铅酸蓄电池。在制订纯电动乘用车国标时，特别加上蓄电池组重量不能超过整车重量的30%的条款，以此来排斥铅酸蓄电池。尤其是在2011年的对铅酸蓄电池的环保整顿风暴中“取代”和“淘汰”的呼声达到高潮。
    锂离子电池也有其缺点，如价格贵，安全性风险大等。有的业内人士撰文列举锂离子电池各项不如阀控铅酸蓄电池的性能，要把锂离子电池“挤出去”。
    我们认为上述两种观点都存在片面性。从哲学观点看，任何事物都各自存在优缺点，拿一个事物的优点与另一个事物的缺点比较，从而肯定一个事物，否定另一个事物，是不全面和不客观的。
    我们曾经提出过优势互补，取长补短，不是“取代”，而是“互补”的观点[6]。后来，有机会以此观点对混合电池系统进行了研究试验。经过近三、四年的试验、研究，发现两者确实可以取长补短、优势互补，形成一个寿命长、比能量和价格适中、性价比高、安全性好的混合电池系统。
    5.2  混合电池系统是解决电动车领域电池问题的现实、有效、可行的方案
    锂离子电池的价格贵，广泛的推广应用乏力。在电动自行车领域，虽经6~7年的极力推广，在经历了对铅酸蓄电池的环保整顿风暴后的今天，所占分额还只有5~10%，而且主要是出口市场。在纯电动汽车领域，虽有国家高额补贴和免费牌照等优惠条件，购买者还是寥寥。锂离子电池生产厂家大部分处于亏损状态，靠大集团的资金苦苦支撑着。
    铅酸蓄电池的生存、发展环境也很严峻。在2011年的环保整顿风暴后准入条件和环保要求提高，提高了生产成本。一些不负责任的官员的不当言论和标准条款的压制影响了应用领域。研究和发展工作更难得到支持。
    现在，混合电池系统将阀控铅酸蓄电池和锂离子电池取长补短、优势互补，其寿命可达到锂离子电池的水平1500~2000次，远超过现在阀控铅酸蓄电池的循环寿命；系统重量可比阀控铅酸蓄电池组降低约40%；性价比高于锂离子电池，还高于铅酸蓄电池；另外还可克服阀控铅酸蓄电池和锂离子电池的某些缺点。因此，我们认为：将阀控铅酸蓄电池和锂离子电池串联的混合电池系统是解决目前电动车领域电池问题的现实、有效、可行的方案。
    5.3  锂铅共同发展，推动电动车事业等发展
    锂离子电池将在混合电池系统的推广应用中扩大应用的市场、增大产量，在扩大市场和产量的推动下可进一步降低价格，趋向成熟，摆脱困境，得到发展；阀控铅酸蓄电池也将会在混合电池系统发挥了寿命潜力，从而巩固和增强其在电动车领域的地位，在此基础上适应混合电池系统新要求中得到新的发展。两种电池得到共同发展，从而一起推动电动车事业向前发展。
    我们分析，混合电池系统除在电动车领域使用，还可用于电信、牵引、储能电池系统领域。
    6  结语
    1/放出总容量与放电深度关系图是挖掘铅蓄电池寿命潜力依据。经济放电深度40~50%；经济寿命1500~2000次；最大放出总容量800~1000C(100%，400~500C)。
    2/在经济放电深度下工作，加上合适运行和维护制度，可实现经济寿命和最大总容量。
    3/铅锂串联混合使用是挖掘铅蓄电池寿命潜力的好方法。不同类型、不同容量的电池串联混合使用是可行的。这对传统的电池使用方法是一种突破。
    4/混合电池系统取长补短、优势互补。寿命长（1500~2000次，最大放出总容量约800~1000C ）；重量轻、比能量适中；价格适中性价比高；安全性好；充放电性能互补；铅蓄电池失水率小，延缓热失控，避免胀肚。 
    5/铅蓄电池和锂离子电池各有优缺点。“取代”、“淘汰”铅蓄电池和把锂离子电池“挤出去”的观点都不全面和不客观。将两者取长补短、优势互补，共同发展，是合适观点。
    6/铅蓄电池和锂离子电池都因各自缺点应用和发展受到制约，纯电动车用电池处于“高不就，低不成”或“青黄不接”的状态，混合电池系统是解决目前电动车领域电池问题的现实、有效、可行的方案。两种电池将会得到共同发展，从而一起推动电动车事业向前发展。

    参考文献
    [1]朱明海，周寿斌，“电动自行车用铅酸蓄电池的工艺改进”《中国自行车》No.6, p.48,2012年。
    [2]《电动车电池样本》法阿姆工业电池有限公司，2014年
    [3]乐军等，“电动自行车电池的随机性PCL现象的研究”《蓄电池》2002年第4期p.163。
    [4]朱松然，《铅蓄电池技术》机械工业出版社，2002年，p.77。
    [5]《动力电池混合技术研究与应用查新报告》江西省科学技术情报研究所，2011.9.14
    [6]郭自强，“改取代为互补”《电动自行车》2009年9月；《中国自行车》2009年10月。

    （郭自强）
    （中国电工技术学会电动车辆专业委员会）