【導讀】概述了各類汽車蓄電池的工作原理及發(fā)展現以及廢舊蓄電池對人類環(huán)境的。危害，通過與美日等發(fā)達國家鉛蓄電池產業(yè)的對比分析了我國鉛蓄電池產業(yè)。發(fā)展存在的主要問題展望和分析了國內鉛蓄電池產業(yè)的發(fā)展前景和趨勢,國。內外處理廢舊蓄電池的方式，以及國內外一些蓄電池的新技術，如：環(huán)境友。好型蓄電池、燃料電池。電池；未來蓄電池。黃石理工學院畢業(yè)設計（論文）

　　

【正文】 害垃圾填埋場 ，但這種做法不僅花費太大而且還造成浪費， 因為其中尚有不少可作原料的有用物質。 ． 2回收利用 （ 1）熱處理 瑞士有兩家專門加工利用舊電池的工廠，巴特列克公司采取的方法是將舊電池磨碎后送往爐內加熱，這時可提取揮發(fā)出的汞，溫度更高時鋅也蒸發(fā)，它同樣是貴重金屬。鐵和錳熔合后成為煉鋼所需的錳鐵合金。該工廠一年可加工 20xx噸廢電池，可獲得 780噸錳鐵合金， 400噸鋅合金及 3噸汞。另一家工廠則是直接從電池中提取鐵元素，并將氧化錳、氧化鋅、氧化銅和氧化鎳等金屬混合物作為金屬廢料直接出售。不過，熱處理的 方法花費較高，瑞士還規(guī)定向每位電池購買者收取少量廢電池加工專用費。 （ 2）“濕處理” 馬格德堡近郊區(qū)正在興建一個“濕處理”裝置，在這里除鉛蓄電池外，各類電池均溶解于硫酸，然后借助離子樹脂從溶液中提取各種金屬，用這種方式獲得的原料比熱處理方法純凈，因此在市場上售價更高，而且電池中包含的各種物質有 95%都能提取出來。濕處理可省去分揀環(huán)節(jié)（因為分揀是手工操作，會增加成本）。馬格德堡這套裝置年加工能力可達 7500噸，其成本雖然比填埋方法略高，但貴重原料不致丟棄，也不會污染環(huán)境。 黃石理 工學院 畢業(yè)設計（論文） 21 （ 3）真空熱處理法 德國阿 爾特公司研制的真空熱處理法還要便宜，不過這首先需要在廢電池中分揀出鎳鎘電池，廢電池在真空中加熱，其中汞迅速蒸發(fā)，即可將其回收，然后將剩余原料磨碎，用磁體提取金屬鐵，再從余下粉末中提取鎳和錳。這種加工一噸廢電池的成本不到 1500馬克（按匯率為 ，約合7072元人民幣）！ 未來的汽車用鉛酸蓄電池 燃料經濟、生態(tài)、性能、安全和舒適等特性將促使許多新型電系統(tǒng)產生。因此 ,對汽車用蓄電池的要求也將顯著提高 ,例如有關可靠性、淺循環(huán)壽命、充電接受和在部分充電狀態(tài)下高倍率放電 (HRPSOC)運行的要求。人 們期望鉛酸蓄電池技術繼續(xù)在這種應用中起主要作用。 與傳統(tǒng)的起動 — 照明 — 點火 (SLI)蓄電池相比 ,在改善性能和使用壽命兩方面已經取得或即將取得顯著的技術進步 ,開發(fā)設計出許多新型蓄電池。車內儲能裝置的系統(tǒng)集成化將變得越來越重要。超級電容器可延長鉛酸電池的壽命 ,保護負極板免于高倍率放電和充電。蓄電池監(jiān)測、蓄電池管理等系統(tǒng)會為更主動的蓄電池運行策略創(chuàng)造條件 ,同時改善供電系統(tǒng)的可靠性。在一只鉛酸蓄電池無法單獨滿足不斷提高的要求的情況下 ,雙儲能系統(tǒng)有可能提供車輛所需的功率。 汽車蓄電池 是汽車上的儲能裝置。傳統(tǒng)的汽車蓄電池是 SLI 蓄電池 ,它具有起動 (S)、照明 (L)和點火 (I)三項基本功能。未來車輛電力系統(tǒng)的耗電裝置越來越多 ,需要蓄電池的功率也越來越大。隨著人們對節(jié)油和降低有害物排放的關注 ,開發(fā)設計出許多混合動力系統(tǒng) ,引入停車 — 起步、助推、再生制動等功能。 黃石理 工學院 畢業(yè)設計（論文） 22 （ 1） “SLI” 和封裝 汽車蓄電池還要具有 傳統(tǒng) 的起動 照明 點火 (SLI)功能 ,同時還要考慮封裝。不管是被放在發(fā)動機室中、座椅下、還是車輛的后部 ,蓄電池的外形尺寸都要求有足夠的工作容積。隨著車輛流線性和行 人碰撞保護要求的增加 ,蓄電池的外形已成為一個大問題。一方面要求減小外形尺寸 ,而另一方面又要保持性能不變。如果蓄電池被安裝在發(fā)動機室內 ,蓄電池就得耐高溫 ,一般溫度約為 70℃ 或更高。迄今為止 ,AGM 蓄電池的一個主要缺點就是它們的耐熱能力不如今天的富液式蓄電池。把蓄電池移到溫度較低的位置將使額外費用大幅增 加 。 （ 2） 淺循環(huán)壽命 有兩個因素促使汽車用蓄電池的循環(huán)耐久能力提高。 (1)數量越來越多的電子控制元件 (ECO)要在切斷期間利用電流 ,一般在現代的高級轎車里有60個以上的 ECO,由于零部件缺陷、軟件試驗不充分或意 想不到的相互作用等緣故有可能會增加所用的電流。結果 ,在切斷期間蓄電池會過度消耗。 (2)不連續(xù)地用交流發(fā)電機的輸出匹配舒適性負載的功率消耗。例如在怠速期間 ,蓄電池可能得供應全部的負載電流達到一個相當大的百分數。在上述兩種情況下 ,充放電循環(huán)一般非常淺 (放電深度 (DOD)10%),但是在幾年內累積的Ah 轉換量可能是相當大的。因此 ,有些汽車制造商已經將一些有助于淺循環(huán)壽命的要求納入其標準蓄電池的規(guī)范中。一般要求富液式 SLI 蓄電池在其使用壽命終止之前得經得起累積 Ah 轉換量等于標稱容量 150倍的淺循環(huán)。對代替 SLL 蓄電池的 AGM 的淺循環(huán)壽命要求一般是富式蓄電池的 3倍。 （ 3） 充電接受 充電接受 ,特別是在低溫下 ,是一種確定電源系統(tǒng)充電均衡的蓄電池要求。蓄電池須向電負載提供的電力越多 ,能夠足夠快地給它再充電就越為重要。混合動力電動車內的蓄電池是在部分充電狀態(tài) (PSOC)下動行的 ,在再生制動過程中提供了重要的補充充電接受 (充電接受最好 ,而且在 20%～ 70%SOC 黃石理 工學院 畢業(yè)設計（論文） 23 之間最容易控制蓄電池 )。對比起來 ,傳統(tǒng)的 12V 汽車蓄電池是在交流發(fā)電機輸出電壓下連續(xù)充電的 ,從而在其補充充電接受為極限的高充電狀態(tài) (SOC)下運行。如果隨加速 /減速 情況而改變電壓設定值 ,且在 PSOC 下操作蓄電池 ,那么在 14V 系統(tǒng)內起動發(fā)電機或交流發(fā)電機或許能提供有限的再生功率。視車輛的傳動系和駕駛條件而定 ,燃耗和 CO2排放物能夠降低 %～ 4%。這需要蓄電池能夠經受住延長的 PSOC操作和額外的能量流量 ,及那些類似對輕度混合動力電動車用蓄電池要求的要求。已知典型的交流發(fā)電機和蓄電池大小及駕駛模式 ,蓄電池一般會限制再生階段能夠捕獲的功率。 （ 4） 儲備容量 未來汽車的耗油量將顯著下降 ,許多技術要求具有相當大的瞬態(tài)電流 ,如自動變速器控制 (VTC)或自動轉換齒輪 (ASG),頻 繁地使用渦輪增壓機、自動怠速停車等。這些都需要蓄電池具有更大的儲備容量。 （ 5） 耐久性和可靠性 未來的汽車系統(tǒng)要求蓄電池具有更高的耐久性和可靠性。在 42V 動力系統(tǒng)中 ,蓄電池必須以高倍率提供大量淺充放電循環(huán)。對于發(fā)動機起動高倍率放電是必需的 ,而高倍率充電與再生制動有關。因此在這樣的 “HRPSOC” 條件下 ,對于 VRLA蓄電池的極板 — — 特別是負極板 — — 有遭受 硬 硫酸鉛積累的傾向。這種效應會減損蓄電池的性能和壽命。在車輛的電系統(tǒng)中引入蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)會大大提高儲能系統(tǒng)的可靠性 :不僅可以通過避免使用不當情況的發(fā)生來延 長蓄電池的平均使用壽命 ,而且應該能夠基本上消除電池的早期失效和意外失效。蓄電池可靠性的另一方面也不應被忽視 :蓄電池的可靠度基本上是其各個單體可靠度的積。那就意味著高電壓蓄電池 (36V 更高 )必須在單體電池水平上滿足更加精確的可靠度 ,以便正好保持蓄電池的可靠度跟原來一只 12V 蓄電池的可靠度一樣高。因此 ,為了滿足高可靠度 ,將需要改進蓄電池的工藝過程控制。 人們預料鉛酸蓄電池技術會繼續(xù)在汽車應用領域保持重要的作用。與傳 黃石理 工學院 畢業(yè)設計（論文） 24 統(tǒng)的起動 照明 點火 (SLI)蓄電池相比 ,已經取得或即將取得顯著的技術進步 ,改善性能和使用壽命。 傳統(tǒng)的起動 照明 點火 (SLI)用液體電解質蓄電池是一種以成熟技術為基礎的商品 ,其零部件成本很低 ,約為 S35/kWh 或 S4/kW。一般在使用 3~7年后就得更換一次 SLI 蓄電池 ,然而 ,由于它們的成本很低 ,所以將會繼續(xù)用作電荷 (Ah)轉換量非臨界的汽車的主要儲能系統(tǒng)。蓄電池制造商將繼續(xù)面臨來自汽車制造商的巨大壓力 ,既要求改善質量又要求降低零部件成本。解決這些矛盾性目標的唯一機會就是引入高度自動化的、連續(xù)的、無缺陷的蓄電池制造工藝。因為未來的動力系統(tǒng)概念要求蓄電池 具有更高的電荷流量 ,鉛酸蓄電池應當被認為是并按一定尺寸制造成帶有消耗特性的可用系統(tǒng)。電荷轉換量相當于蓄電池的消耗量 ,但是由于一般按冷起動規(guī)范來確定 SLI 蓄電池的大小 ,所以在不犧牲使用壽命的情況下要有一些儲備容量來輸出更高的電荷轉換量。用比優(yōu)化 AGM 蓄電池的成本低的成本來進一步優(yōu)化富液式汽車蓄電池的淺循環(huán)壽命似乎是可能的。 閥控式鉛酸蓄電池 (VRLA)比傳統(tǒng) SLI 蓄電池更能經受高 Ah 轉換量。吸附性玻纖 (AGM)隔板使用了一種可浸潤在電解液中的玻璃纖維。矩形和螺旋卷繞式兩種極板的幾何 形狀被認為都適合汽車應用。與 SLI 蓄電池相比 ,在相等乃至更高的功率密度下這些蓄電池至少可增加 3倍的循環(huán)壽命 [5]。用于高倍率部分充電狀態(tài) (HRPSOC)運行的 AGM 技術正在研發(fā)之中 ,此項工作即將取得進一步的成果。這項技術的研發(fā)最初集中在 42V 輕度混合動力車上 ,但也能研制出性能顯著改進的 12V 蓄電池 ,例如 ,用于發(fā)動機停車 /起步應用和再生制動的蓄電池。 目前 ,小批量 AGM 蓄電池的零部件成本總計幾乎是 SLI 蓄電池成本的兩倍 ,從長期的潛力來看 ,大批量零部件的成本會下降 20%30%。由于在蓄電池 黃石理 工學院 畢業(yè)設計（論文） 25 的壽命期內每電荷 流量的成本勝過 SLI 蓄電池 ,AGM 蓄電池具有很好的潛力適合于需要高循環(huán)壽命的汽車。然而 ,耐高溫性大概是廣泛引入 AGM 蓄電池的一個瓶頸。 近年來 ,人們應車輛系統(tǒng)改進的要求 ,努設計和開發(fā)出很多新型蓄電池 ,一方面是使用進的蓄電池材料 ,例如薄金屬膜蓄電池、納米鉛酸蓄電池、石墨泡沫鉛酸蓄電池 ,另一方面改進蓄電池的結構 ,其中有多極耳矩形蓄電池雙極性蓄電池、準雙極性蓄電池、雙極耳螺旋繞式閥控鉛酸 (VRLA)蓄電池、薄極板純鉛 /錫術 (TPPL)VRLA 蓄電池。雙極性蓄電池具有以下優(yōu)點 ,為混合動力提 供了極好的潛力 [7].（如圖 ） 1)在雙極性結構中 ,由于電流垂直于表面 雙極性極板的一側傳導到另一側 ,所以原理上 無 需具有金屬板柵。 圖 雙極性（右）和傳統(tǒng)（左）單極性蓄電池 2)在雙極性結構中存在著均勻的電流密度 ,而在極高的倍率下 ,由于涂膏式極板的上部硫酸鹽化 ,單極性結構限制了循環(huán)壽命 (低于 50000次循環(huán) )。 3)雙極性蓄電池的內阻遠遠低于單極性設計的蓄電池。 4)雙極性設計提供了一種可能性 ,具有比單極性設計高得多的堆積壓力。當然 ,這需要使用專用可耐高壓的吸附性玻璃纖維隔板。 5)在一只蓄電 池或數量有限的串聯(lián)蓄電池組中 ,無外部電纜連接等就能達到 黃石理 工學院 畢業(yè)設計（論文） 26 要求的電壓。 雙極耳螺旋卷繞式閥控鉛酸 (VRLA)蓄電池能夠在部分充電狀態(tài) (PSOC)運行條件下輸出車輛所需的高倍率性能。螺旋卷繞式設計能夠很好地保持對正極活物質的壓縮。此外 ,圓形是一種理想的形狀 ,使電池之間有足夠空間供熱管理用。雙極耳設計可改善活物質的利用率、降低電池的溫度梯度、促進電池更有效地接受和輸出電流。美 Firefly 能源股份有限公司開發(fā)了一種創(chuàng)新的碳 — 石墨泡沫鉛酸蓄電池。這種電池技術使用了一種三維高表面積泡沫材料。該材料可使鉛酸電池釋放出很 高的電勢。這種蓄電池技術在性能上能夠與任何其它的先進化學電源相匹敵 ,而且更加關注環(huán)境問題 ,使鉛含量降低多達 2/3。 EnerSys 公司的薄極板純鉛 /錫技術 (TPPL)VRLA 蓄電池具有很多無與倫比的性能優(yōu)點 ,其中包括優(yōu)良的發(fā)動機起動能力、長期的擱置壽命、持久的循環(huán)壽命和儲備容量。此外 ,還有很好的深放電恢復能力、快速充電能力和耐振動能力。薄極板技術使得在標準尺寸內能夠裝下更多的極板 ,使蓄電池能夠提供很大的電流。 電解雙層電容器 (超級電容器 )具有極長的淺循環(huán)壽命 ,因為伴隨著其充放電 循環(huán)不發(fā)生電化學反應。因此為了延長鉛酸電池的壽命 ,應該保護負極板免于高倍率放電和充電。改善鉛酸電池壽命的傳統(tǒng)方法是把電池組與超級電容器并聯(lián)地連接在一起。眾所周知 ,超級電容器能夠輸出和接受很高的功率 ,但是可輸出和接受的能量很低 ,所以對于 HEV 應用 ,這種技術的最佳運用是從再生制動吸收高功率與為加速提供高功率。由一個電子控制器來控制電容器與電池組之間能量和功率的流量。原理上 ,在車輛制動和加速期間 ,控制器將首先調整進出超級電容器的功率 ,然后再調整進出電池組的功率。在發(fā)動機充電和常速行駛期間 ,控制器將主要調整進出電池 組的功率和能量。這種 系 統(tǒng) 已 于 20xx 年 由 澳 大