1.2　鉛碳電池的市場

1.2.1　混合電動汽車市場

近十年來全球新能源汽車發展迅速，遵循循序漸進的規律，從發展混合動力汽車開始，沿著HEV—PHEV—EV的路線前進，取得了卓有成效的進展，如圖1-21所示，2004～2013年，主要增長是HEV市場，到2013年增長了10倍，達到了年銷售160萬輛以上，1997年開始進入市場的PRIUS混合動力汽車，已經累計在全球銷售近400萬輛，所以HEV用電池是一個巨大的市場。

2013年中國純電動汽車銷量只有1.46萬輛，雖然國家在政策上支持力度很大，但是市場反應比較冷淡，主要原因是動力鋰離子電池的比能量、安全性和續航里程等性能還不盡如人意，充電等配套實施沒有建立起來，綜合這兩年全球銷量數據，在國外多個市場中，油電混合車和插電式混合動力車都超過了純電動車。因此，近期國內也有不少專家呼吁國家要加大對油電混合汽車的支持力度。針對我國城市空氣污染、交通擁堵日益嚴重的現狀，也有專家呼吁應該加大推進汽車起停系統實施的力度，建議將起停系統作為燃油汽車的標配，從而加快我國微混車的市場化。

在全球發展HEV中，微混合動力汽車也稱為起停電動汽車(start/stop engine)，由于技術成熟，對電池要求沒有全混合電動汽車高，目前的先進鉛酸電池和鉛碳電池可以完全滿足要求，在城市道路行駛可以節省油耗10%左右，因而成為歐美汽車的標準配置。歐盟計劃到2017年生產起停電動汽車(ISS)的占有率達到80%，僅此一項對鉛碳電池的需求就達到50億美元/年。

2013年國內微型純電動汽車(MEV)的產銷量達到17.5萬輛，動力電池需求量約20億瓦時，市值15億元人民幣，而且年增長率50%以上。2015年MEV對動力鉛酸電池的需求量將達到50億瓦時，實現銷售額30億元人民幣，到2020年達到100億元人民幣，為100萬輛MEV提供性價比高的動力電池，在微型電動汽車應用中，鉛碳電池的優勢要高于目前使用的普通鉛酸電池，因此鉛碳電池在微混合電池汽車和微電動汽車中應用有很大市場。圖1-22為天能集團的時風微電動汽車和應用的鉛碳電池。

由于鉛碳電池具有超級電容器和鉛酸電池的雙重功能，具備在高倍率部分荷電狀態下循環使用的特點，可以滿足HEV的要求。因此，需要模擬HEV工作模式測試鉛碳電池的循環性能。有一種測試電池在微混制度下循環壽命的簡便方法，如圖1-23所示，該方法已經得到了ALABC的認可。這種方法模擬HEV的微混工作模式，在50%～53%的荷電狀態之間用2C電流對電池進行充放電微循環測試，具體的測試過程為：對充滿電的電池先用 1C電流放電到50% SoC，然后進行單個微循環測試。微循環測試制度為：2C電流充電60s后靜置10s，再用2C電流放電60s，靜置10s后進行下一個微循環；在每一個微循環充電和放電的末期測量電池的電壓，對于單體鉛酸超級電池設定的電壓上限為2.83V，下限為1.83V，當放電電壓低于 1.83V或當充電電壓超過2.83V時停止電池測試，這樣構成一個單元的充放電循環測試。完成一個單元的循環充放電測試后，將蓄電池充電到100%荷電狀態，這時要測試一次20小時率放電容量，然后充滿電并用1C電流放電到50% SoC，進行下一個單元的充放電循環測試。

澳大利亞 CSIRO研發的超級電池和傳統鉛酸電池同步按上述循環制度測試，充放電末期電壓變化如圖1-24 所示，普通鉛酸電池微循環4300次放電電壓達到了最低值，而超級電池可循環約1.9萬次。此研究結果表明，超級電池在HRPSoC下的循環壽命至少是普通鉛酸電池的4倍。圖1-25 是12V 6.7Ah(1小時率)超級電池不同放電深度時的充電功率和放電功率，隨著放電深度的增加，放電功率下降，充電功率增加。

圖1-26所示為EUCAR(歐洲汽車研究與技術發展委員會)功率輔助循環壽命測試制度(EUCAR ECE 15L)，用于模擬中混HEV行駛狀態下的運行壽命測試，其測試步驟包括放電、靜置和再充電三個階段，模擬引擎啟動和電池的充電。電池最初以C2倍率放電到SoC 60%，然后在40℃下用圖示的方法進行重復測試，規定每個單體電池的充電終止電壓為2.45V，放電終止電壓為1.67V。

超級電池、VRLA電池和鎳氫電池的EUCAR循環測試結果如圖1-27所示。VRLA電池的電壓隨著循環的進行下降很快，循環32500圈后，每個電池達到了1.67V的終止電壓。鉛酸超級電池循環至18萬次仍處于良好的狀態，比VRLA電池提高了5倍以上，而且優于并排進行測試的鎳氫電池，但成本遠低于鎳氫電池。

澳大利亞CSIRO承擔了ALBAC的超級電池研發項目，與日本古河電池公司合作，生產出12V 6.7Ah 的超級電池，并將12只超級電池組成144V電池組(見圖1-28)，電池組配備了冷卻風扇和一個完整的電池管理和數據記錄系統。該超級電池組應用于Honda Insight HEV上，在英國倫敦附近的 Millbrook 試驗場進行實車測試，已通過了10萬英里(約16萬千米)的路試(見圖1-29)，達到了美國“FREEDOMCAR”的目標值，電池組塊仍性能良好。超級電池的下一個研究目標，是提升電池的比容量。

表1-1所列為超級電池組與鎳氫電池組在Honda Insight HEV行駛試驗期間的油耗、二氧化碳排放和成本比較，也有另外一組數據：混合動力汽車(HEV)在城市道路和高速公路上行駛，超級電池百公里耗油分別為3.8L和3.93L，而鎳氫電池的百公里耗油為4.4L和3.85L。這些數據都說明兩種電池的百公里油耗可以說是相差不多，超級電池在城市道路上略有優勢，但是鎳氫電池的價格是超級電池的3倍。

注：數據取自Mark Stevenson2007年4月BCI會議綜述“新汽車領域鉛與鎳的任務”。

再來看看超級電池的每千瓦時和每千瓦的價格(美元/kW·h，美元/kW)，如圖1-30所示，和鉛酸電池相當，但是遠遠低于鋰離子電池等其他電池。

1.2.2　風光電儲能市場

全球在化石能源上的爭奪愈演愈烈，因為地球上的石油資源已經有限，有資料顯示只能再使用40年左右，更主要的是汽車燃油排放的二氧化碳等溫室氣體嚴重污染環境，太陽能發電和風能發電成為各國發展新能源的主要目標。但是太陽能和風能發出來的電不能被直接使用，有人稱為垃圾電，因為峰谷波動非常大，沒有太陽或沒有風的時候發不出電來，因此必須先儲能，沒有儲能裝置，太陽能和風能發電等于零。

儲能技術有如下類型。

① 靜電技術：如電容器，儲能超級電容器等。

② 電動力學技術：如超導磁體——SMES。

③ 機電技術：如壓縮氣體，水力泵，飛輪。

④ 電化學技術：鉛酸電池，鎳氫電池，燃料電池，液流電池等。

⑤ 熱電技術：如石墨。

在上述儲能技術中，電化學儲能技術被廣泛采用，技術相對成熟。電化學儲能的原理如圖1-31所示。從圖1-31可以看出，電化學儲能的原理是將風能和太陽能發的電輸入電化學裝置，將電能轉變為化學能儲存起來，需要時，再將化學能轉變為電能。電化學儲能的作用，不僅僅是儲能，還對太陽能、風能發的電起到削峰填谷的作用(見圖1-32)，提高電網的安全性和平穩程度。可以對電網有補充作用，當電網供電處于用電高峰時，儲能電池向電網送電。而當供電低谷時，可以將電網多余的電儲存起來。提高了電網的效率，降低了火力發電的二氧化碳排放。

儲能電池技術是制約目前新能源儲能產業發展的關鍵技術之一。光伏電站儲能、風電儲能和電網調峰等儲能領域，要求電池具有功率密度較大、循環壽命長和價格較低等特點。鉛碳電池、鋰離子電池和液流電池是新能源儲能電池的三大發展方向。其中，鋰電成本相對較高，一致性問題也仍然存在；液流電池成本也很高，從各類儲能技術的商業化成熟程度進行比較來看，鉛碳電池是技術最成熟，相對實際可行的儲能技術路線見圖1-33和圖1-34。

普通鉛酸電池具有低成本優勢，但其循環壽命短，導致單位次數儲能成本較高。鉛碳電池由于加入了活性炭，阻止了負極硫酸鹽化現象，延長了電池壽命，同時也降低了單位次數使用成本，在新能源儲能領域發展潛力很大。因此鉛碳電池在高倍率部分荷電狀態下工作具有優異的性能，除在混合電動車領域應用，在固定式儲能領域也能使用，特別是太陽能、風能等間歇式能源，需要電池在部分荷電狀態下工作，此外，傳統鉛酸電池還容易出現硫酸鹽化問題。超級電池用于太陽能、風能儲能，具有比傳統鉛酸電池壽命長，比鎳氫電池、鋰離子電池價格低的優點，綜合成本優勢明顯。Ecoult與澳大利亞CSIRO合作，將長壽命的2V 1000Ah(10小時率)超級電池應用于新南威爾士州紐卡斯爾能源中心的風能儲能和平穩供電，調節風場的輸入和輸出功率。超級電池的風力發電儲能應用如圖1-35所示。

鉛碳電池和超級電池在儲能領域的應用已經有大量成功實例，如圖1-36所示為澳大利亞在NEWCASTLE能源中心，用超級電池組作為風能發電的儲能裝置。