金赞娱乐网站:电池研究院:12V电瓶还能再战半世纪?

2022-02-10 00:10:11 作者:黄恒乐

太阳城官方棋牌 www.cpzx8.com 电池研究院:12V电瓶还能再战半世纪?

 
铅酸电池的发明

  在月球背面南半部,有一座大约形成在39亿年前的大型陨石撞击坑,1970年被命名为“普朗特陨石坑”,也叫“普朗特环形山”。

  这座陨石坑的命名来自法国物理学家雷蒙德-路易斯·加斯顿·普朗特(Raymond-Louis Gaston Planté,1834-1889),对现代汽车工业作出杰出贡献的铅酸电池发明者。

  加斯顿·普朗特出生在比利牛斯-大西洋省,就是现代法兰西版图最左下角的那块地,隶属于阿基坦大区,历史中曾经跟着阿基坦的埃莉诺归入英国版图,后回归法兰西。

  加斯顿·普朗特是个天才,本科就读于索邦大学,16岁就获文学学士学位,19岁再获得理学学士学位,21岁就拿到理学硕士学位,26岁成为巴黎国立工艺美术学院的物理学教授。

  26岁成为物理学教授很神吗?不算,因为加斯顿·普朗特在25岁就发明了铅酸蓄电池(Lead-acid battery),他发明的商用化可充电蓄电池在日后由卡尔·本茨先生发明的汽车之上,得到了全球范围内的推广。

  比天高的功绩,刻在月球上也是正常的。

 
铅酸电池的推广

  铅酸电池是“一种”二次电池,也是“第一种”二次电池,因为在铅酸配方之前的二次电池都没正式量产,而铅酸配方经过法国化学家卡米尔·阿尔方斯·福尔Camille Alphonse Faure(1840–1898)的改良之后实现了量产,大规模量产的企业来自卢森堡工程师、发明家、企业家亨利·都铎(Henri Owen Tudor,1859-1928),都铎先生(这个姓氏也可以翻译成“帝舵”)改良的铅酸电池居然用了5年2个月才报废,解决了二次电池的寿命过短问题。

  铅酸电池量产之后的第一件事就是为??炕鸪嫡咎ǖ牧谐迪崽逄峁┝偈闭彰鞯缭?,与此同时也有相当一部分用来制造电动汽车,图为使用都铎铅酸电池驱动的纯电动轿车。

  下图为俄罗斯都铎电池厂所造电池上的标签,那时候的东欧西欧不是割裂的,欧洲各王各皇都是亲戚关系,直至1917年11月阿芙乐尔号巡洋舰一声炮响,革命来了。

  在二次电池量产之前,所有电动汽车都是试验品而已,因为它们所使用的一次电池是用完就报废的。铅酸电池的到来,宣告了动力电池的诞生,因为它真的可以驱动一辆汽车行走数十公里,是牛马的替代动力。

  早期的内燃机汽车产品并没有电气系统,启动用摇柄解决(就是现在的手扶拖拉机“钥匙”),喇叭用铃铛解决,大灯则由内燃机直接供电。

  1918年,AMC的前身,也即是哈德逊汽车公司(Hudson Motor Car Company),将6V电压带进量产车装配序列,并逐步催生了车载电灯和车载启动机的装配,铅酸电池的产量开始提升。进入50年代之后,动辄6-8L排量的美式大V8发动机让6V电压系统腰腿酸痛,预算工程师串联两个6V铅酸电池,就成了12V铅酸电池,一直沿用至今。

  当然,12V不是铅酸电池的唯一电压,一些载重车辆的柴油发动机很大很重,你可以串联两个12V变成24V电池,也可以串联三个变成36V。

 
铅酸电池的原理

  为什么铅酸电池只能用来驱动高尔夫车,不能用作乘用车的动力总成呢?

  也不是不行,下图的日产Tama(1947年)就用了铅酸电池来驱动,但最高时速只有34km/h,续航65km,车底下的铅酸电池组下方有滑轮组,可以相对轻松地把用光电的电池搬出来,插上满电的。

  原因是铅酸电池的能量密度非常低,即使过了一个半世纪,当前铅酸电池也只能做到35-40Wh/kg左右(80-90Wh/L左右),太重了,电量太少了。

  就拿我们常用的12V铅酸电池来说,容量仅有0.6-1.2kWh(一般豪华品牌中大型车才用到1kWh以上),输出功率也不过5kW(当然也有超过10kW的冷启动功率),启动汽油机是够用的,在车里听歌也能听大半小时,但空调只能撑几十秒就让压缩机停摆了,因为这不是深循环电池。

  铅酸电池的产业链极为成熟,结构也非常简单。在充满电的状态下,铅酸电池的负极板是铅,正极板是二氧化铅,电解质溶液具有较高浓度的硫酸水溶液,其中储存了大部分化学能。

  如果过度充电,就会把部分水电解成氧气和氢气,这时候就要用纯净水重新加满才能补足电解液。

  放电时,正负极板都会变成硫酸铅(II)(PbSO4),电解液失去硫酸得到水,电能释放。

  铅酸电池里面满是液体,密度高,重量大,能量密度捉急,但它的稳定性特别好,循环次数也多,全球产业链成熟,成本相对比较低,所以在很多行业都有运用,比如:

  1、启动电池:用在汽车启动机部分,比想同尺寸的深循环电池更轻,使用寿命更长,一般能挺个3-5年。

  2、动力电池:两轮与三轮电动车比较喜欢用,新国标规定四轮电动车要用锂电池,此外还有高尔夫球车、电动叉车等等用途。动力电池一定是深循环电池,必须挖掘储能潜力。

  3、储能电池:用在房车和船舶上的储能电池,设计得比启动电池更大容量,但又不如深循环电池充放那么深,寿命/储能介于两者之间。

  4、备用电源:不间断电源UPS、通讯基站、报警器也用铅酸电池作为储能,目前逐渐被锂离子电池替代。这种电池很看重循环次数,寿命越长越好。

  此节最后放一个很逗比的视频。在只实现了工业化0.5的国家,大叔们居然会徒手翻新铅酸电池,果真是猛人。

  老八古法翻新自卸车电瓶,材料从头到尾自己把关。手工植前灌硫酸

 
EFB与AGM技术流派之争

  往时的汽车内部只有磁带机和收音机,即使如此你也经常要带一条“过江龙”来防止孱弱的车载电池掉链子。进入21世纪之后,新车上的电气设备(包含影音娱乐系统、主动安全系统、座椅加热按摩等等)急剧增加,发动机自启停系统逐渐成为主流乘用车标配项,车载12V电瓶也必须同步升级才能适应这个时代。

  当然,12V铅酸电池从上世纪90年代开始到现在已经有了一些改变。以前的车载电池只需要在启动热机之后就没有出大力的活儿干了,现在的12V电池要经常发力应对城市拥堵环境下的自启停工况。适时关闭发动机,比如在红灯前排队时关闭,或者有滑行功能的车辆在到达红灯位之前提前关闭,可以一定程度上提升热机的热效率,节省燃油,减少排放。

  仅仅在德国,温室气体排放在2020年已经减少了40%。碳排放目标对汽车工业产生了巨大的冲击,汽车排放被认为是重大污染排放源,即使汽车业界并不认同这种指责。对于普罗大众而言,无排放的电动汽车依然有点点距离(暂时不是销量主体),如今可行性最佳的节能减排方案是发动机自启停技术,对应的是新型12V铅酸电池——EFB电池(Enhanced Flooded Battery)和AGM电池(Absorbent Glass Mat Battery)。

  我们先从便宜的EFB开始聊。EFB是增强型富液铅酸电池,结构与旧款铅酸电池并无本质区别。这里说的旧款电池,指的是SLI电池(Start Lighting Igniton)和AMG电池(Alternator Management System),这两种都不兼容自启停系统。

  EFB的“Enhanced”指的是电池针对充电极限和循环寿命进行了优化,以此应对频繁自启停随之而来的高频率高电流充放电,因为发动机的每个自启停动作都会对应有高电流浪涌。

  当发动机熄火,刚刚提到的所有车载电气系统就要单靠12V铅酸电池供电了。如果你安装了一组90年代的旧款铅酸电池,它会抽搐至死,因为功率和容量都达不到现代车型的电力需求。这种旧款电池不是不能装,而是装了就等着被车载电气系统折腾报废吧,它的老化速度超出你想象,所以当前乘用车最低配也得上一块EFB电池。

  当你购买中大型车辆、豪华品牌车型、性能车型等等产品时,会发现舱内放置了一块AGM电池。AGM意思是“吸附式玻璃纤维隔板技术”(Absorbent Glass Mat),用了一种玻璃纤维隔板(Glass Mat Separator),可以吸收酸性溶剂进而防漏。

  AGM与EFB的第二个不同在于铅极板的压紧程度。正因为AGM铅极板被更加紧密地压实压紧,因此电池更加抗震,也有助于促进电化学反应,因此AGM电池的循环寿命比EFB更高,可以更长时间地正常充放电。

  EFB和AGM是启动用湿电池的两种不同工艺下的产物,原理倒是一样的。充满电时一般开路电压在12.8V左右,如果降低至12.4V以下就会自动充电。

  刚刚我们提到SLI系列电池是不支持自启停的,所以下图左侧SLI的充电曲线是“启动消耗能量 - 充电 - 平缓”,而下图右侧的自启停电池(EFB和AGM)的充电曲线在不断循环“启动消耗能量 – 充电 – 平缓 – 动能回收充电”这几个步骤。

  相比EFB电池,AGM的化学特性更加活跃,经受得住更高频率的自启停和动能回收系统的高浪涌电流。

   

  可以给标配EFB的车换AGM吗?

  答案是:可以临时用下,但老化得比较快。

  我们先来了解一下EFB和AGM铅酸电池的不同之处:

  1、AGM是当前最强的民用12V电瓶技术,价格是EFB电瓶的1.5倍左右。

  2、AGM理论寿命4-6年,EFB理论寿命3-5年,如果铅酸电池设计在后舱(前置发动机方案),因为没有发动机日以继夜高温烘烤,寿命会更长。

  3、AGM无酸液渗漏,冷启动功能更强, 高电流浪涌耐受能力更强。

  可见,EFB和AGM在功能上是基本一致的,性能上有差别,性价比毫无疑问是EFB更高,但标配AGM的车型不可以长时间向下兼容EFB,而标配EFB的车型可以向上兼容AMG。

  此外,如果你们也像我这样,上次第一件事绑安全带,第二件事点火,第三件事一定是关掉自启停系统,那么可以把用废的EFB/AGM自启停铅酸电池更换成更低成本的SLI电池吗?

  答案:不可以,因为现代汽车产品的车载电气系统电力需求(负载)很高,即使不使用自启停系统会减少瞬间大电流的需求,其他用车载电气系统也是很消耗电能的,旧款铅酸电池撑不起这大任。

 
一些常见问题
A
 
12V电瓶一般停放多久会没电?

  这个指标考验铅酸电池的自放电率,也就是荷电保持能力。

  理论上铅酸电池的自放电率在20-30%之间,也就是一个月掉20-30%之间,但实际用起来远不止这个比例。

  一般情况下,状态健康的12V铅酸电池,静置30天之后勉强还能启动,超过30天就有点悬了。如果一台车静置不开只有15天甚至10天就打不着火了,那还是赶紧换12V铅酸电池吧。

B
 
铅酸电池快扑街的征兆有哪些?

  1、发动机点火无力,甚至要点几次才点着。

  2、在未启动发动机的前提下按喇叭,声音无力。

  3、有些仪表有蓄电池报警灯,有些显示的是蓄电池电压。

  4、去保养的时候,有些经销商后厂工人会帮你用电表量一下电压,然后写在报告里面。

  5、循环寿命用完之后,电池就完犊子了,这时候我们会说电池寿命EOL(End Of Life)。有的案例是在行车过程中蓄电池没电的,也就是开着开着的时候,机舱内部高温成为了电池充不进去电的最后一根压死骆驼的稻草,这时候仪表盘和大灯会时亮时暗。

C
 
48V轻混动车还需要12V铅酸电池吗?

  1、需要,当前所有48V轻混车都需要12V铅酸电池。

  2、48V电池一般采用锂离子电池组,为发动机自启停、空调、电子防倾杆、空气悬架等高负载部件服务。

  3、12V铅酸电池用来给门锁、防盗器、音响等等低负载部件供电。

  4、48V轻混车的12V铅酸电池依然是损耗品,使用数年之后需要更换。

D
 
新能源汽车还需要12V铅酸电池吗?

  1、需要,连纯电动车也同样需要12V铅酸电池。

  2、当12V铅酸电池电量不足时,新能源车的高压动力电池会为它充电,但根据不同厂家设定的逻辑不同,有些新能源车居然会因为12V电池没电而开不了门锁的,这事情我们遇到过。

  3、像汽车防盗系统、门锁这些低负载电气总成,根本不需要用到200V-400V的动力电池高压电,因此新能源车停驶期间都会让高压电“下电”来节省电量损耗,只使用12V进行车辆监控。

  4、与48V轻混车一样,新能源车的12V铅酸电池依然是损耗品。

E
 
古老的铅酸电池还有未来吗?

  1、此前有赛化车辆使用12V锂电池替代沉重的铅酸电池,如今也有民用车辆开始使用锂电池替代了,比如比亚迪DM-i混动就使用自产的12V磷酸铁锂电池,重量仅有2.2±0.2kg。

  2、传统12V铅酸电池的产业链非常完备,性价比较高,即使在车辆上逐渐退役,也可以在非移动平台上继续使用下去,其产业规模处在衰退期。

  3、铅酸电池的减重任务是极难实现的了,这颗科技树能点的技能已经全点满,接下来要做的就是用锂离子电池去替代铅酸。

  4、铅酸配方的优势在于热失控改了非常低,极少车辆是因为铅酸电池热失控而自燃的。此外,铅酸电池的工作温度宽达-20℃-60℃,这是当前绝大多数锂电池无法比拟的。

(文:黄恒乐)

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