對未來鉛酸蓄電池的需求分析及預期

王 洪，林雄武，袁永明，畢根平，薛占鈺

(1.國網冀北電力有限公司張家口供電公司，河北張家口075000；2.保定鈺鑫電氣科技有限公司，河北保定071000)

對未來鉛酸蓄電池的需求分析及預期

王 洪1，林雄武1，袁永明1，畢根平2，薛占鈺2

(1.國網冀北電力有限公司張家口供電公司，河北張家口075000；2.保定鈺鑫電氣科技有限公司，河北保定071000)

分析了鉛酸蓄電池發展史以及當前鉛酸蓄電池的發展空間；從產品應用需求角度分析并預期未來鉛酸蓄電池產品的發展趨勢；結合鉛酸蓄電池的應用及維護技術的發展趨勢，論證鉛酸蓄電池技術，發展下一代產品形式；分析未來鉛酸蓄電池的技術依托及智能化的具體表現，結合技術的發展趨勢，預測蓄電池市場的下一代商業模式。

鉛酸蓄電池；閥控式；蓄電池維護；發展前景；需求分析

鉛酸蓄電池作為后備電源在各行業應用廣泛，幾乎所有重要用電場合都離不開鉛酸蓄電池，為繼電保護、信號控制、自動化裝置提供可靠電源，是保護自動控制裝置的心臟。而電源系統故障中，由其引起的事故占比大，其在應用方面存在諸多問題，例如壽命遠達不到預期，運維困難，對電源系統無疑是極大的隱患。

人工巡視很難及時發現系統故障，人工維護存在數據測量和維護人員差異，不利于對系統狀態作綜合判斷。應用計算機、網絡光纖通信等技術將分散的直流電源信息由人工巡檢變為在線實時監測，集中采集、自動分析診斷，實現直流電源系統狀態檢修(CBM)的管理模式，是電力系統的重要發展方向和關鍵技術之一，也是實現智能化電網的技術之一，可有效提高電網的安全運行水平，降低運維成本、提高工作效率[1]。本文分析未來鉛酸蓄電池的技術依托及智能化的具體表現，結合技術的發展趨勢，預測蓄電池市場的下一代商業模式。

1 鉛酸蓄電池發展史

1746年，馬森布羅克發明了收集電荷的“萊頓瓶”；1800年，伏打制造了伏打電池，為鉛酸蓄電池的產生打下基礎；1860年，普朗泰發明用鉛做電極的電池，可在電壓下降后通以反向電流，使電壓回升，被稱為“鉛酸蓄電池”，是世界上第一個可充電電池。

19世紀末，產生鉛酸蓄電池的柵架，1905年第一個鉛酸蓄電池用于汽車，此后一段時間，人們對鉛酸蓄電池加以改造，能量密度增加，塑料代替了早期的隔板與木材外殼，20世紀初，鉛酸蓄電池應用逐漸增多。

閥控式密封鉛酸蓄電池的問世是其技術上的重大變革，克服了開口式電池酸液和酸霧易于外溢的弊病，可與電子設備共同使用，順應產品發展方向，擴大應用領域，以安裝簡便、安全可靠、不溢酸霧、無腐蝕、維護量小等特點被廣泛應用，逐步取代了傳統蓄電池。

2 鉛酸蓄電池現狀及發展趨勢

閥控式鉛酸蓄電池的出現無疑改變了鉛酸蓄電池運行的歷史，但隨著數量的增加，其發展也遇到了瓶頸，曾一度被稱為“免維護”的鉛酸蓄電池在應用過程中逐漸顯現各種弊病，而現有的解決方案又不是很合理，如表1所示。

近年電池生產工藝改進，淘汰鉛鉻合金采用無鎘、無砷生產工藝，使用鉛鈣合金等環保材料；鉛鈣合金及鑄板過程加入鉛減渣劑，減少鉛渣的產生；電池化成逐步淘汰了極板槽化成工藝，采用內化成工藝；熔鉛爐采用密封、自動溫控等措施；鉛粉制造采用智能型全自動生產工藝，環保方面有很大改觀。

鉛酸電池從發明至今，歷經一百五十多年的技術改造與優化，有著得天獨厚的優勢，規模化生產使其成為最具價格競爭力的電池；其本身包含了60%～80%的塑料和鉛，可循環利用，鉛回收率在國外達99%以上，在我國約為95%左右；國家相繼五次頒布政策規范鉛酸蓄電池行業發展，調整產業結構，提高行業的準入門檻，加強行業對行業污染的整治力度；超級電池的研發已經啟動并廣受關注[2-4]，所以鉛酸電池還有很大的發展前景和改良空間，并將在國民經濟各個領域發揮作用[5]。

未來蓄電池將保持成本低、安全性高等優勢，并具備參數測量與分析功能，將監測功能與電池本身充放電特性合二為一，對外安裝簡便合理；未來蓄電池產品必然安全可靠、壽命長、成本低、智能化自檢、可遠程操控，尤其是智能化和遠程操作，已成為電力系統行業設備和保護設備的共同發展目標，鉛酸電池作為直流系統能源供應的主力，也要朝著智能方向發展。

表1 常見問題及現有解決方案

3 運維技術

傳統電池開口方式決定了其維護過程依賴人工操作，需要人工增添酸液和水，操作困難，耗費人工成本大，易操作失當，造成損失。閥控式電池廣泛應用后，其監測技術也迅速發展，并以多種形式呈現[6-7]，但受其本身復雜的化學反應限制，加上參數種類多、可靠度低，監測產品不論從原理設計還是實現方法上均不能最佳地滿足需求[8]，一些監測產品壽命甚至不及電池本身的運行壽命。市場上的監測產品多數存在夸大成分，經不起長時間運行考驗，部分只在某方面例如測量精度、穩定性等占有突出優勢，綜合能力無法滿足需求。產品高精度、高穩定性、準確分析結果、對設備影響小、在線實時監測[9]等成為研發人員共同追求的目標。

監測技術發展歷經了從依賴人工操作到逐漸減少人為檢修，從人為判斷故障到自動分析判斷，從低精度到高準確度，從斷電操作到在線監測的過程，且越來越穩定。隨著各方面技術的突破，未來鉛酸電池的維護技術必將到達一個新高度，發展成一種簡單、便于管理的智能化系統，且伴隨著鉛酸蓄電池本身的技術發展和改進，最終二者合二為一，將監測技術集于一身的鉛酸電池更能滿足應用需求。

4 產品雛形、實現途徑及意義

4.1 產品雛形

4.1.1 高標準生產過程

鉛酸電池安全性能高，理論壽命約15年，而目前大部分電池遠達不到預期壽命，所以鉛酸蓄電池發展首先要解決使用壽命問題，且不能犧牲制造成本。

4.1.2 監測一體化

鉛酸電池要具備一定的自檢能力，最大程度地實現自動化、智能化、無人化，并以監測電路與蓄電池體一體化的形式存在。單體電池智能化主要表現在“自知”自身各參數，“自識別”各參數的異常狀態并作相應告警處理；自動可靠判斷漏酸、溢水現象并告知遠方運維人員。電池組智能化表現為“自知”整組電池的總電壓、總電流、紋波系數等參數，“自判別”整組電池健康狀況，尤其能知曉落后電池情況，及時將其信息以可靠的方式告知維護人員。

4.1.3 系統化

不依賴人工維護，各項監測功能不是相互獨立，而能綜合成系統，內部組網，對外可通信，實現對內高精度測量，對外安裝簡便，接線簡潔，對電池影響小，安全系數高，運維人員無需繁雜的培訓，無需高標準的技術要求等。

4.2 鉛酸蓄電池實現途徑

4.2.1 監測電路的小型化

現有監測產品眾多，差異性大，難以構成系統，進行統一安裝測試，需要對線路板改造，將性能好的監測電路集成到一個線路板上，縮減面積與體積，監測電路盡可能小型化，便于與蓄電池體相結合。

4.2.2 端子的引入

對鉛酸蓄電池的監測與管理，實時監測各參數，必然要附加測量電路于蓄電池的正負極柱之間，將電池極柱引入到監測電路中，而現有的接線方式安全性差、線路繁雜、安裝不便，需要優化。所以要解決線路板與極柱良好接觸的辦法，最關鍵的是在對電池不產生影響，并且安全性、可靠性都有保障的情況下，將線路板穩定、可靠地與極柱相接觸。

4.2.3 電路投入與退出開關

蓄電池不投運時，緩慢自放電會導致電壓下降，在有監測電路的情況下，必然要加入控制電路投入與退出的開關，相當于電池與外界溝通的橋梁，而開關的選用和安裝方式極其重要，考慮到電解液的腐蝕性、電池的密封性，開關不能置于內部電解液中，而應設計于電池體外，介于電池極柱與線路板之間。

4.2.4 監測電路放置

將監測電路與蓄電池合為一體又不將其置于電池內部，需以合理的方式將其固定于電池表面，考慮到線路板要與電池極柱可靠接觸，最好的辦法是在蓄電池表面設計一個隔板，存放開關及線路板，并將線路板的對外接口露出。這就要求線路板與電池體結構兼容，不僅需要合理設計線路結構，更需要廠家之間的合作。

4.2.5 監測量與傳感器

蓄電池參數多，對其進行全面監測會用到各種傳感器，例如電壓型和電流型傳感器、溫度傳感器等，均應具備安裝簡便、精度高、干擾小等特點。尤其溫度傳感器的安裝最好能貼于極柱表面并能引到線路板上進行溫度的采集，這樣最能反映電池內部溫度。

4.3 經濟效益

未來鉛酸電池智能化的實現將帶來一系列經濟利好，其中最直接的效益是改變蓄電池淘汰速率：串聯電池組內性能下降電池的出現將直接導致性能良好的電池淘汰，造成浪費，及時發現并更換性能下降的電池而不影響組內其他電池將解決這一問題，提高蓄電池使用率。

據報道，中國每年廢舊鉛酸電池超過5 000萬只，并以每年30%速率增長，而保守估計2 V 200 Ah蓄電池(約400元)每年廢棄電池成本約200億，以浪費率20%計算，浪費電池成本約40億，實際浪費的蓄電池成本遠不止這些。

4.4 商業模式

未來鉛酸電池大量應用，物聯網技術飛速發展，將推動蓄電池的大規模集中管理，運維成本降低，時效性加強，自然催生一種新的商業模式：用戶購置符合需求的服務而非電池組本身，省去運維隊伍成本；而蓄電池制造廠商也樂于連同運維服務打包出售，以服務質量贏得市場，最終實現專業人干更專業的事。此模式有利于廠商獲取電池運行數據，幫助其對制造品質、工藝、材料及時改進，形成及時反饋和改進的良性循環。

未來鉛酸電池的產業革新將促使電池的交易轉變為服務的交易，用戶更加節省精力與成本，而這一產業模式的實現就要求其技術人員負責蓄電池的運維，鉛酸電池的智能化、網絡化以及遠程監控是必然的結果。

5 結論

鉛酸蓄電池的發展，尤其是其在電力系統中的應用與發展前景依然很大，未來鉛酸蓄電池必將發展成集各種高新技術于一身，智能化、無人操作化、免維護、無污染的超級鉛酸蓄電池。當然，其實現需要各方面的技術突破與革新，也需要不同領域的技術相互結合，共同發展，相信未來鉛酸蓄電池必將更好地服務于各行各業。

[1]王洪，張廣輝，梁志強，等.電力直流電源系統的網絡化管理及狀態檢修[J].電網技術，2001，34(2)：185-189.

[2]王志文，應珺，張家新.超級鉛酸電池容量研究[J].電源技術，2014 (11)：2075-2077.

[3]陳旭杰.超級鉛酸電池負極用碳材料的改性及電化學性能研究[D].湖南：中南大學，2011

[4]胡梅，王百應，應珺.超級鉛酸電池負極炭材料的改性技術研究[J].廣東化學，2013(11)：53-54.

[5]王宏亮，崔勝民.基于試驗的鉛酸電池充放電特性模型的建立[J].交流與探索，2005(1)：38-44.

[6]KARDEN E，MAURACHER P，LOHNER A.Battery management system for energy-efficient battery operation:strategy and practical experience[J].EVS，1996，2(13):91-95.

[7]GUO G Q，JIAN M L，HANG J.A new battery state of charge indicator for electric vehicles[J].EVS，1996，2(12):146-148.

[8]陳杰.智能鉛酸蓄電池組性能的監控系統[J].機電工程，1999(6)：22-24.

[9]裴峰，黃向東，羅玉濤，等.電動汽車動力電池變流放電特性與荷電狀態實時估計[J].中國電機工程學報，2005，25：164-168.

Demand analysis and forecast for future lead-acid battery

The history and current development space of lead-acid battery were analyzed.The development trend of the lead-acid battery products was analyzed and expected from the angle of application demand.Combined with the application and development trend of the maintenance technology of lead acid battery， the technology of lead acid battery was demonstrated to develop the next generation of product.The technology support and intelligence of the future battery was analyzed.According to the development trend of technology， the next generation of business model of battery market was forecasted.

lead-acid battery;valve control;battery maintenance;development prospects;demand analysis

TM 91

A

1002-087 X(2016)04-0935-03

2015-09-12

王洪(1965—)，男，河北省人，高級工程師，主要研究方向為電網變電設備運維檢修。