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摘要：燃料经济、生态、性能、安全和舒适等特性将促使许多新型电系统产生。因此，对汽车 用蓄电池的要求也将显著提高，例如有关可靠性、浅循环寿命、充电接受和在部分充电状态下 高倍率放电（HRPSOC)运行的要求。人们期望铅酸蓄电池技术继续在这种应用中起主要作 用。与传统的起动一照明一点火（SLI)蓄电池相比，在改善性能和使用寿命两方面已经取得或 即将取得显著的技术进步，开发设计出许多新型蓄电池。车内储能装置的系统集成化将变得越 来越重要。超级电容器可延长铅酸电池的寿命，保护负极板免于高倍率放电和充电。蓄电池监 测、蓄电池管理等系统会为更主动的蓄电池运行策略创造条件，同时改善供电系统的可靠性。 在一只铅酸蓄电池无法单独满足不断提高的要求的情况下，双储能系统有可能提供车辆所需的 功率。

 

关键词：汽车用蓄电池；高倍率部分充电状态（HRPSOC);超级电容器；超级电池；蓄电池 监测系统；双储能系统

 

中图分类号：TM912 文献标识码：A 文章编号：1006-0847(2008)03-0130-07

 

The future automotive lead- acid batteries

 

WANG Yan，ZHANG Li- hua，WU Xi- pan (Shenyang Storage Battery Institute，Shenyang Liaoning 110142，China)

 

Abstract： Introduction of fuel economy，ecology，performance， safety， and comfort features in future automobiles will bring up many new electrical systems. Consequently，demands on automotive batteries will grow considerably，e.g. regarding reliability，shallowcycle life，charge acceptance，and high- rate partial state of charge (HRPSOC) operation. The lead- acid battery technology is expected to keep playing a key role in this application. Compared with traditional SLI batteries，significant technological progress has been achieved or can be expected，and many newbatteries are being designed and developed. System integration ofthe storage device into the vehicles will become increasingly important. Super capacitor can extend the life oflead- acid battery，and protect the negative plates against high rate discharge/charge. Battery Monitoring Systems will allowfor more aggressive battery operating strategies，and improve the reliability of power system. Where a single lead- acid battery can't meet the increasing demands，dual- storage systems may do it.

 

Key words： automotive battery; high- rate partial state of charge (HRPSOC); super capacitor; ultrabattery; battery monitoring system (BMS); dual- storage system 前言

也是降低混合动力电动车上燃耗和CO2排放物的一 种选择方案。所有这些都在对汽车内所用的电化 学储能装置施加着新的要求[1]。

 

人们一方面期待在技术上有提高舒适性、安 全性和车辆驾驶性能的先进方法，另一方面又要 考虑节约燃油和降低C〇2排放物。首先，这些相互 冲突的目标必须得在现有14 V车辆电系统的基础

1

随着汽车的更新换代，有越来越多的电功能 进入车辆，例如增加安全性或舒适性，部分代替 机械或液压系统。并且，车辆推进系统的电气化

收稿日期：2008- 03-24

上加以实现。未来车辆需要智能型的能量管理系 统，就需要改进12 V储能系统。42 V动力网的引入 应有助于迎接很多挑战，但是由于价格太高，短 期内不能为大众所接受。

 

2汽车蓄电池的功能和处境

 

汽车蓄电池是汽车上的储能装置。传统的汽 车蓄电池是SLI蓄电池，它具有起动（S)、照明 (L)和点火（I)三项基本功能。未来车辆电力系 统的耗电装置越来越多， 需要蓄电池的功率也越 来越大。随着人们对节油和降低有害物排放的关 注，开发设计出许多混合动力系统，引入了停 车一起步、助推、再生制动等功能。

 

2.1车辆电源系统的要求

 

现在，电子ICE操纵器使怠速转数减少以降低 排放，而许多由电驱动的舒适性组件和机械装置 又需要电功率，交流发电机无法供应足够大的电 流。虽然交流发电机可提供约70 A的电流，但是 总电流负载介于80 A~ 100 A之间，所以蓄电池得提 供差额部分气

 

现代的用户要求迫使引入可提高性能、舒适性 和安全性的新型车辆技术。人们预料这种趋势会推 动更多电气化系统和元件的引入，如用于改善内燃 机（IEO)的瞬态响应及相应车辆活动能力的电驱 动充气压缩机（EDC)，以及用于提高车辆动态特 性的电子和电动液压助力转向（EPAS，EHPAS) 系统。在北美，像冰箱、微波炉、和110V交流电 源插座之类的应用也正在成为销售条款的内容。未 来的电系统必须得给先进的电气特性提供能量。这 种趋势会扩大对储能系统的要求，以在正常驾驶条 件下更频繁地支持电系统[3]。

 

此外，降低发动机空转速度来改善有害物排 放和节油的趋势给车辆的电源施加了更多的压力。 由各个高功率特性产生的动态峰值电流会对电压 的稳定性产生威胁，从而也对车辆的操作可靠性 产生威胁。发电机不能足够快地对像电力转向那 样的瞬变电负载的突然需求起反应，进一步加重 了储能系统的负担。

 

2.2 节约燃油和动力系混成的要求

 

现在，人们的环保意识不断地提高。在欧洲， 有多个国家都提出了有关匚〇2的规定。汽车设计者

协会(ACEA)期望汽车工业到2008年能够减少032排 放量达25%。此外，动力系的混成也将发挥重要 作用。根据混合的程度，混合动力电动车可分成 若干类型，即微混合、轻度混合、中度混合和完 全混合。对于微混合动力的车辆，需要电池从再 生制动收取能量，并且输出能量以起动车辆。对 于轻度和中度混合动力的车辆，除了再生制动和 发动机起动之外，需要电池为加速（例如电动机 加速）供应能量。对于完全混合动力的车辆，进 一步要求电池把能量供给短程纯电力驱动，特别 是在市区内。混合动力电动车的系统电压从微混 合动力系的12 V增至完全混合动力系的200 V以上， 而电池的容量从微混合动力系内的50—60 Ah降至 完全混合动力系内的仅仅6Ah。所有类型的混合 动力电动车都要求电池以高倍率进行充放电。高 倍率放电是发动机起动和加速所必需的， 而高倍 率充电与再生制动密切相关。

 

3对蓄电池的要求

 

3.1 “SLI”和封装

 

汽车蓄电池还要具有’ ’传统’ ’的起动-照明-点 火（SLI)功能，同时还要考虑封装。

 

不管是被放在发动机室中、座椅下、还是车辆 的后部，蓄电池的外形尺寸都要求有足够的工作容 积。随着车辆流线性和行人碰撞保护要求的增加， 蓄电池的外形已成为一个大问题。一方面要求减小 外形尺寸， 而另一方面又要保持性能不变。

 

如果蓄电池被安装在发动机室内，蓄电池就 得耐高温，一般温度约为70 °0或更高。迄今为止， AGM蓄电池的一个主要缺点就是它们的耐热能力 不如今天的富液式蓄电池。把蓄电池移到温度较 低的位置将使额外费用大幅增加。

 

3.2 浅循环寿命

 

有两个因素促使汽车用蓄电池的循环耐久能 力提高。

 

(1)数量越来越多的电子控制元件（ECO)要 在切断期间利用电流，一般在现代的高级轿车里有 60个以上的ECO，由于零部件缺陷、软件试验不充 分或意想不到的相互作用等缘故有可能会增加所用 的电流。结果，在切断期间蓄电池会过度消耗。

 

(2)不连续地用交流发电机的输出匹配舒适性

负载的功率消耗。例如在怠速期间，蓄电池可能得 供应全部的负载电流达到一个相当大的百分数。

 

在上述两种情况下，充放电循环一般非常浅 (放电深度（DOD) <<10 %)，但是在几年内累积 的Ah转换量可能是相当大的。因此，有些汽车制 造商已经将一些有助于浅循环寿命的要求纳入其 标准蓄电池的规范中。一般要求富液式SLI蓄电池 在其使用寿命终止之前得经得起累积Ah转换量等 于标称容量150倍的浅循环。对代替SLL蓄电池的 AGM的浅循环寿命要求一般是富式蓄电池的3倍。

 

3.3充电接受

 

充电接受，特别是在低温下，是一种确定电 源系统充电均衡的蓄电池要求。蓄电池须向电负 载提供的电力越多，能够足够快地给它再充电就 越为重要。

 

混合动力电动车内的蓄电池是在部分充电状 态（PSOC)下动行的，在再生制动过程中提供了 重要的补充充电接受（充电接受最好，而且在20 %~70 %SOC之间最容易控制蓄电池）。对比起来， 传统的12 V汽车蓄电池是在交流发电机输出电压 下连续充电的，从而在其补充充电接受为极限的 高充电状态（SOC)下运行。如果随加速/减速情 况而改变电压设定值，且在PSOC下操作蓄电池， 那么在14 V系统内起动发电机或交流发电机或许 能提供有限的再生功率。视车辆的传动系和驾驶 条件而定，燃耗和CO:排放物能够降低1.5 %4 %。这需要蓄电池能够经受住延长的PSOC操作和 额外的能量流量，及那些类似对轻度混合动力电 动车用蓄电池要求的要求。已知典型的交流发电 机和蓄电池大小及驾驶模式，蓄电池一般会限制 再生阶段能够捕获的功率[4]。

 

3.4储备容量

 

未来汽车的耗油量将显著下降，许多技术要 求具有相当大的瞬态电流，如自动变速器控制 (VTC)或自动转换齿轮（ASG)，频繁地使用涡轮 增压机、自动怠速停车等。这些都需要蓄电池具 有更大的储备容量。

 

3.5耐久性和可靠性

 

未来的汽车系统要求蓄电池具有更高的耐久 性和可靠性。在42 V动力系统中，蓄电池必须以 高倍率提供大量浅充放电循环。 对于发动机起动

高倍率放电是必需的，而高倍率充电与再生制动 有关。因此在这样的“HRPSOC”条件下，对于 VRLA蓄电池的极板——特别是负极板——有遭受 "硬"硫酸铅积累的倾向。这种效应会减损蓄电池的 性能和寿命。在车辆的电系统中引入蓄电池监测 系统会大大提高储能系统的可靠性：不仅可以通 过避免使用不当情况的发生来延长蓄电池的平均 使用寿命，而且应该能够基本上消除电池的早期 失效和意外失效。

 

蓄电池可靠性的另一方面也不应被忽视：蓄 电池的可靠度基本上是其各个单体可靠度的积。 那就意味着高电压蓄电池（36V更高）必须在单 体电池水平上满足更加精确的可靠度，以便正好 保持蓄电池的可靠度跟原来一只12 V蓄电池的可 靠度一样高。因此，为了满足高可靠度，将需要 改进蓄电池的工艺过程控制。

 

4蓄电池技术

 

人们预料铅酸蓄电池技术会继续在汽车应用 领域保持重要的作用。与传统的起动-照明-点火 (SLI)蓄电池相比，已经取得或即将取得显著的技 术进步，改善性能和使用寿命。

 

4.1富液式铅酸蓄电池

 

传统的起动-照明-点火（SLI)用液体电解质 蓄电池是一种以成熟技术为基础的商品，其零部 件成本很低，约为$35/kWh或$4/kW。一般在使 用3—7年后就得更换一次SLI蓄电池，然而，由于 它们的成本很低，所以将会继续用作电荷（Ah) 转换量非临界的汽车的主要储能系统。蓄电池制 造商将继续面临来自汽车制造商的巨大压力，既 要求改善质量又要求降低零部件成本。解决这些 矛盾性目标的唯一机会就是引入高度自动化的、 连续的、无缺陷的蓄电池制造工艺。

 

因为未来的动力系统概念要求蓄电池具有更 高的电荷流量，铅酸蓄电池应当被认为是并按一 定尺寸制造成带有消耗特性的可用系统。电荷转 换量相当于蓄电池的消耗量，但是由于一般按冷 起动规范来确定SLI蓄电池的大小，所以在不牺牲 使用寿命的情况下要有一些储备容量来输出更高 的电荷转换量。用比优化AGM蓄电池的成本低的 成本来进一步优化富液式汽车蓄电池的浅循环寿

命似乎是可能的。

 

4.2阀控式铅酸蓄电池

 

阀控式铅酸蓄电池（VRLA)比传统SLI蓄电池 更能经受高Ah转换量。吸附性玻纤（AGM)隔板使 用了一种可浸润在电解液中的玻璃纤维。矩形和螺 旋卷绕式两种极板的几何形状被认为都适合汽车应 用。与SLI蓄电池相比，在相等乃至更高的功率密度 下这些蓄电池至少可增加3倍的循环寿命曰。用于高 倍率部分充电状态（HRPSOC)运行的AGM技术正 在研发之中，此项工作即将取得进一步的成果。这 项技术的研发最初集中在42 V轻度混合动力车上， 但也能研制出性能显著改进的12V蓄电池，例如， 用于发动机停车/起步应用和再生制动的蓄电池[6]。

 

目前，小批量AGM蓄电池的零部件成本总计 几乎是SLI蓄电池成本的两倍，从长期的潜力来看， 大批量零部件的成本会下降20 %~30 %。由于在蓄 电池的寿命期内每电荷流量的成本胜过SLI蓄电池， AGM蓄电池具有很好的潜力适合于需要高循环寿 命的汽车。然而，耐高温性大概是广泛引入AGM 蓄电池的一个瓶颈。

 

4.3先进的蓄电池

 

近年来，人们应车辆系统改进的要求，努力 设计和开发出很多新型蓄电池，一方面是使用先 进的蓄电池材料，例如薄金属膜蓄电池、纳米碳 铅酸蓄电池、石墨泡沫铅酸蓄电池，另一方面是 改进蓄电池的结构，其中有多极耳矩形蓄电池、 双极性蓄电池、准双极性蓄电池、双极耳螺旋卷 绕式阀控铅酸（VRLA)蓄电池、薄极板纯铅/锡技 术（TPPL) VRLA蓄电池。

 

双极性蓄电池具有以下优点，为混合动力车 提供了极好的潜力[7](图1):

 

1)在双极性结构中，由于电流垂直于表面从 双极性极板的一侧传导到另一侧，所以原理上无 需具有金属板棚。

 

2)在双极性结构中存在着均匀的电流密度， 而在极高的倍率下，由于涂膏式极板的上部硫酸 盐化，单极性结构限制了循环寿命（低于50 000次 循环）。

 

3)双极性蓄电池的内阻远远低于单极性设计 的蓄电池。

 

4)双极性设计提供了一种可能性，具有比单

极性设计高得多的堆积压力。当然，这需要使用 专用可耐高压的吸附性玻璃纤维隔板。

 

5)在一只蓄电池或数量有限的串联蓄电池组 中，无外部电缆连接等就能达到要求的电压。

单极结构 双极结构

 

图1双极性（右）和传统：左)（单极性）蓄电池概念

双极耳螺旋卷绕式阀控铅酸（VRLA)蓄电池 能够在部分充电状态（PSOC)运行条件下输出车 辆所需的高倍率性能。螺旋卷绕式设计能够很好 地保持对正极活物质的压缩。此外，圆形是一种 理想的形状，使电池之间有足够空间供热管理用。 双极耳设计可改善活物质的利用率、降低电池的 温度梯度、促进电池更有效地接受和输出电流。

 

美Firefly能源股份有限公司开发了一种创新的 碳-石墨泡沫铅酸蓄电池。这种电池技术使用了一 种三维高表面积泡沫材料。该材料可使铅酸电池 释放出很高的电势。这种蓄电池技术在性能上能 够与任何其它的先进化学电源相匹敌，而且更加 关注环境问题，使铅含量降低多达2/3。

 

EnerSys公司的薄极板纯铅/锡技术（TPPL) VRLA蓄电池具有很多无与伦比的性能优点，其中 包括优良的发动机起动能力、长期的搁置寿命、 持久的循环寿命和储备容量。此外，还有很好的 深放电恢复能力、快速充电能力和耐振动能力。 薄极板技术使得在标准尺寸内能够装下更多的极 板，使蓄电池能够提供很大的电流。

 

4.4超级电容器和超级电池[8]

 

电解双层电容器（超级电容器）具有极长的 浅循环寿命，因为伴随着其充放电循环不发生电 化学反应。因此为了延长铅酸电池的寿命，应该 保护负极板免于高倍率放电和充电。改善铅酸电 池寿命的传统方法是把电池组与超级电容器并联 地连接在一起（图2)。众所周知，超级电容器能 够输出和接受很高的功率，但是可输出和接受的 能量很低，所以对于HEV应用，这种技术的最佳