王 洪，林雄武，袁永明，毕根平，薛占钰

(1.国网冀北电力有限公司张家口供电公司，河北张家口075000；2.保定钰鑫电气科技有限公司，河北保定071000)

对未来铅酸蓄电池的需求分析及预期

王 洪1，林雄武1，袁永明1，毕根平2，薛占钰2

(1.国网冀北电力有限公司张家口供电公司，河北张家口075000；2.保定钰鑫电气科技有限公司，河北保定071000)

分析了铅酸蓄电池发展史以及当前铅酸蓄电池的发展空间；从产品应用需求角度分析并预期未来铅酸蓄电池产品的发展趋势；结合铅酸蓄电池的应用及维护技术的发展趋势，论证铅酸蓄电池技术，发展下一代产品形式；分析未来铅酸蓄电池的技术依托及智能化的具体表现，结合技术的发展趋势，预测蓄电池市场的下一代商业模式。

铅酸蓄电池；阀控式；蓄电池维护；发展前景；需求分析

铅酸蓄电池作为后备电源在各行业应用广泛，几乎所有重要用电场合都离不开铅酸蓄电池，为继电保护、信号控制、自动化装置提供可靠电源，是保护自动控制装置的心脏。而电源系统故障中，由其引起的事故占比大，其在应用方面存在诸多问题，例如寿命远达不到预期，运维困难，对电源系统无疑是极大的隐患。

人工巡视很难及时发现系统故障，人工维护存在数据测量和维护人员差异，不利于对系统状态作综合判断。应用计算机、网络光纤通信等技术将分散的直流电源信息由人工巡检变为在线实时监测，集中采集、自动分析诊断，实现直流电源系统状态检修(CBM)的管理模式，是电力系统的重要发展方向和关键技术之一，也是实现智能化电网的技术之一，可有效提高电网的安全运行水平，降低运维成本、提高工作效率[1]。本文分析未来铅酸蓄电池的技术依托及智能化的具体表现，结合技术的发展趋势，预测蓄电池市场的下一代商业模式。

1 铅酸蓄电池发展史

1746年，马森布罗克发明了收集电荷的“莱顿瓶”；1800年，伏打制造了伏打电池，为铅酸蓄电池的产生打下基础；1860年，普朗泰发明用铅做电极的电池，可在电压下降后通以反向电流，使电压回升，被称为“铅酸蓄电池”，是世界上第一个可充电电池。

19世纪末，产生铅酸蓄电池的栅架，1905年第一个铅酸蓄电池用于汽车，此后一段时间，人们对铅酸蓄电池加以改造，能量密度增加，塑料代替了早期的隔板与木材外壳，20世纪初，铅酸蓄电池应用逐渐增多。

阀控式密封铅酸蓄电池的问世是其技术上的重大变革，克服了开口式电池酸液和酸雾易于外溢的弊病，可与电子设备共同使用，顺应产品发展方向，扩大应用领域，以安装简便、安全可靠、不溢酸雾、无腐蚀、维护量小等特点被广泛应用，逐步取代了传统蓄电池。

2 铅酸蓄电池现状及发展趋势

阀控式铅酸蓄电池的出现无疑改变了铅酸蓄电池运行的历史，但随着数量的增加，其发展也遇到了瓶颈，曾一度被称为“免维护”的铅酸蓄电池在应用过程中逐渐显现各种弊病，而现有的解决方案又不是很合理，如表1所示。

近年电池生产工艺改进，淘汰铅铬合金采用无镉、无砷生产工艺，使用铅钙合金等环保材料；铅钙合金及铸板过程加入铅减渣剂，减少铅渣的产生；电池化成逐步淘汰了极板槽化成工艺，采用内化成工艺；熔铅炉采用密封、自动温控等措施；铅粉制造采用智能型全自动生产工艺，环保方面有很大改观。

铅酸电池从发明至今，历经一百五十多年的技术改造与优化，有着得天独厚的优势，规模化生产使其成为最具价格竞争力的电池；其本身包含了60%～80%的塑料和铅，可循环利用，铅回收率在国外达99%以上，在我国约为95%左右；国家相继五次颁布政策规范铅酸蓄电池行业发展，调整产业结构，提高行业的准入门槛，加强行业对行业污染的整治力度；超级电池的研发已经启动并广受关注[2-4]，所以铅酸电池还有很大的发展前景和改良空间，并将在国民经济各个领域发挥作用[5]。

未来蓄电池将保持成本低、安全性高等优势，并具备参数测量与分析功能，将监测功能与电池本身充放电特性合二为一，对外安装简便合理；未来蓄电池产品必然安全可靠、寿命长、成本低、智能化自检、可远程操控，尤其是智能化和远程操作，已成为电力系统行业设备和保护设备的共同发展目标，铅酸电池作为直流系统能源供应的主力，也要朝着智能方向发展。

表1 常见问题及现有解决方案

3 运维技术

传统电池开口方式决定了其维护过程依赖人工操作，需要人工增添酸液和水，操作困难，耗费人工成本大，易操作失当，造成损失。阀控式电池广泛应用后，其监测技术也迅速发展，并以多种形式呈现[6-7]，但受其本身复杂的化学反应限制，加上参数种类多、可靠度低，监测产品不论从原理设计还是实现方法上均不能最佳地满足需求[8]，一些监测产品寿命甚至不及电池本身的运行寿命。市场上的监测产品多数存在夸大成分，经不起长时间运行考验，部分只在某方面例如测量精度、稳定性等占有突出优势，综合能力无法满足需求。产品高精度、高稳定性、准确分析结果、对设备影响小、在线实时监测[9]等成为研发人员共同追求的目标。

监测技术发展历经了从依赖人工操作到逐渐减少人为检修，从人为判断故障到自动分析判断，从低精度到高准确度，从断电操作到在线监测的过程，且越来越稳定。随着各方面技术的突破，未来铅酸电池的维护技术必将到达一个新高度，发展成一种简单、便于管理的智能化系统，且伴随着铅酸蓄电池本身的技术发展和改进，最终二者合二为一，将监测技术集于一身的铅酸电池更能满足应用需求。

4 产品雏形、实现途径及意义

4.1 产品雏形

4.1.1 高标准生产过程

铅酸电池安全性能高，理论寿命约15年，而目前大部分电池远达不到预期寿命，所以铅酸蓄电池发展首先要解决使用寿命问题，且不能牺牲制造成本。

4.1.2 监测一体化

铅酸电池要具备一定的自检能力，最大程度地实现自动化、智能化、无人化，并以监测电路与蓄电池体一体化的形式存在。单体电池智能化主要表现在“自知”自身各参数，“自识别”各参数的异常状态并作相应告警处理；自动可靠判断漏酸、溢水现象并告知远方运维人员。电池组智能化表现为“自知”整组电池的总电压、总电流、纹波系数等参数，“自判别”整组电池健康状况，尤其能知晓落后电池情况，及时将其信息以可靠的方式告知维护人员。

4.1.3 系统化

不依赖人工维护，各项监测功能不是相互独立，而能综合成系统，内部组网，对外可通信，实现对内高精度测量，对外安装简便，接线简洁，对电池影响小，安全系数高，运维人员无需繁杂的培训，无需高标准的技术要求等。

4.2 铅酸蓄电池实现途径

4.2.1 监测电路的小型化

现有监测产品众多，差异性大，难以构成系统，进行统一安装测试，需要对线路板改造，将性能好的监测电路集成到一个线路板上，缩减面积与体积，监测电路尽可能小型化，便于与蓄电池体相结合。

4.2.2 端子的引入

对铅酸蓄电池的监测与管理，实时监测各参数，必然要附加测量电路于蓄电池的正负极柱之间，将电池极柱引入到监测电路中，而现有的接线方式安全性差、线路繁杂、安装不便，需要优化。所以要解决线路板与极柱良好接触的办法，最关键的是在对电池不产生影响，并且安全性、可靠性都有保障的情况下，将线路板稳定、可靠地与极柱相接触。

4.2.3 电路投入与退出开关

蓄电池不投运时，缓慢自放电会导致电压下降，在有监测电路的情况下，必然要加入控制电路投入与退出的开关，相当于电池与外界沟通的桥梁，而开关的选用和安装方式极其重要，考虑到电解液的腐蚀性、电池的密封性，开关不能置于内部电解液中，而应设计于电池体外，介于电池极柱与线路板之间。

4.2.4 监测电路放置

将监测电路与蓄电池合为一体又不将其置于电池内部，需以合理的方式将其固定于电池表面，考虑到线路板要与电池极柱可靠接触，最好的办法是在蓄电池表面设计一个隔板，存放开关及线路板，并将线路板的对外接口露出。这就要求线路板与电池体结构兼容，不仅需要合理设计线路结构，更需要厂家之间的合作。

4.2.5 监测量与传感器

蓄电池参数多，对其进行全面监测会用到各种传感器，例如电压型和电流型传感器、温度传感器等，均应具备安装简便、精度高、干扰小等特点。尤其温度传感器的安装最好能贴于极柱表面并能引到线路板上进行温度的采集，这样最能反映电池内部温度。

4.3 经济效益

未来铅酸电池智能化的实现将带来一系列经济利好，其中最直接的效益是改变蓄电池淘汰速率：串联电池组内性能下降电池的出现将直接导致性能良好的电池淘汰，造成浪费，及时发现并更换性能下降的电池而不影响组内其他电池将解决这一问题，提高蓄电池使用率。

据报道，中国每年废旧铅酸电池超过5 000万只，并以每年30%速率增长，而保守估计2 V 200 Ah蓄电池(约400元)每年废弃电池成本约200亿，以浪费率20%计算，浪费电池成本约40亿，实际浪费的蓄电池成本远不止这些。

4.4 商业模式

未来铅酸电池大量应用，物联网技术飞速发展，将推动蓄电池的大规模集中管理，运维成本降低，时效性加强，自然催生一种新的商业模式：用户购置符合需求的服务而非电池组本身，省去运维队伍成本；而蓄电池制造厂商也乐于连同运维服务打包出售，以服务质量赢得市场，最终实现专业人干更专业的事。此模式有利于厂商获取电池运行数据，帮助其对制造品质、工艺、材料及时改进，形成及时反馈和改进的良性循环。

未来铅酸电池的产业革新将促使电池的交易转变为服务的交易，用户更加节省精力与成本，而这一产业模式的实现就要求其技术人员负责蓄电池的运维，铅酸电池的智能化、网络化以及远程监控是必然的结果。

5 结论

铅酸蓄电池的发展，尤其是其在电力系统中的应用与发展前景依然很大，未来铅酸蓄电池必将发展成集各种高新技术于一身，智能化、无人操作化、免维护、无污染的超级铅酸蓄电池。当然，其实现需要各方面的技术突破与革新，也需要不同领域的技术相互结合，共同发展，相信未来铅酸蓄电池必将更好地服务于各行各业。

[1]王洪，张广辉，梁志强，等.电力直流电源系统的网络化管理及状态检修[J].电网技术，2001，34(2)：185-189.

[2]王志文，应珺，张家新.超级铅酸电池容量研究[J].电源技术，2014 (11)：2075-2077.

[3]陈旭杰.超级铅酸电池负极用碳材料的改性及电化学性能研究[D].湖南：中南大学，2011

[4]胡梅，王百应，应珺.超级铅酸电池负极炭材料的改性技术研究[J].广东化学，2013(11)：53-54.

[5]王宏亮，崔胜民.基于试验的铅酸电池充放电特性模型的建立[J].交流与探索，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]陈杰.智能铅酸蓄电池组性能的监控系统[J].机电工程，1999(6)：22-24.

[9]裴峰，黄向东，罗玉涛，等.电动汽车动力电池变流放电特性与荷电状态实时估计[J].中国电机工程学报，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，高级工程师，主要研究方向为电网变电设备运维检修。