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工业和信息化职业技能培训教材

蓄电池储能电源系统

蓄电池储能电源系统培训教材编写组

2011 年 06 月 北京

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目 录

序 言..........................................................................................................................................................................5

第 1 章 、概 述..........................................................................................................................................................9

1.1、机械储能技术..........................................................................................................................................10

1.1.1 抽水储能电站............................................................................................................................... 10

1.1.2 飞轮储能技术................................................................................................................................ 10

1.1.3 压缩空气储能技术....................................................................................................................... 10

1.2 电磁储能技术.............................................................................................................................................11

1.2.1 电感储能技术.................................................................................................................................11

1.2.2 超导储能技术............................................................................................................................11

1.2.3 电容储能技术.................................................................................................................................11

1.2.4 超级电容储能技术....................................................................................................................11

1.3 电化学储能技术........................................................................................................................................12

1.3.1 铅蓄电池........................................................................................................................................12

1.3.2 阀控铅蓄电池............................................................................................................................... 12

1.3.3 镉镍蓄电池....................................................................................................................................13

1.3.5 锂离子蓄电池............................................................................................................................... 13

1.3.6 钠硫电池.........................................................................................................................................14

1.3.7 液流电池.........................................................................................................................................14

1.3.8 蓄电池储能技术现状和发展趋势展望.......................................................................................15

第 2 章、蓄电池应用技术和蓄电池成组应用技术.............................................................................................17

2.1 概述........................................................................................................................................................17

2.1.2 蓄电池应用技术........................................................................................................................... 18

2.1.3 蓄电池成组应用技术................................................................................................................... 18

2.1.3 蓄电池成组应用技术研究的目的............................................................................................... 20

2.1.4 蓄电池成组应用技术研究的方法............................................................................................... 21

2.1.5 成组应用技术研究的内容........................................................................................................... 21

2.1.6 蓄电池成组应用技术研究的目标............................................................................................... 21

2.2 蓄电池的充电特性和分类................................................................................................................... 22

2.2.1 恒压型充电特性曲线................................................................................................................... 22

2.2.2 负电压增量（-V△）型充电特征曲线.......................................................................................23

2.2.3 正电压增量（+V△）型充电特性曲线.......................................................................................24

2.3 铅蓄电池对充电和放电的基本要求..................................................................................................... 24

2.3.1 铅蓄电池对充电的要求............................................................................................................... 25

2.3.2 铅蓄电池对放电的基本要求....................................................................................................... 29

2.4 阀控铅蓄电池对充电和放电的基本要求............................................................................................... 31

2.4.2 贫液技术........................................................................................................................................33

2.4.3 影响氧复合的主要因素................................................................................................................ 34

2.4.4 阀控铅蓄电池的寿命和失效模式............................................................................................... 36

2.4.5 阀控铅蓄电池对充电的基本要求............................................................................................... 43

2

2.5 金属氢化物-镍蓄电池对充电和放电的基本要求..................................................................................44

2.5.1 充电特性曲线................................................................................................................................ 44

2.5.2 记忆效应........................................................................................................................................45

2.5.3 对充电和放电的要求................................................................................................................... 45

2.6 锂离子蓄电池对充电和放电的基本要求............................................................................................... 46

2.6.1 充电特性........................................................................................................................................46

2.6.2 放电特性........................................................................................................................................47

2.6.3 温度特性........................................................................................................................................48

2.6.4 锂离子蓄电池对充放电的要求................................................................................................... 49

2.7 蓄电池的充电方法................................................................................................................................... 50

2.7.1 充电特性曲线的分类................................................................................................................... 50

2.7.2 蓄电池充电特性的分类............................................................................................................... 50

2.7.3 基于单体蓄电池充电技术........................................................................................................... 51

2.7.4 基于端电压的充电技术及适用范围............................................................................................52

2.7.5 基于极端单体电池充电方法及适用范围...................................................................................58

2.7.6 基于极端单体电池充电设备....................................................................................................... 62

2.8 蓄电池放电控制技术............................................................................................................................... 64

2.8.1 基于单体蓄电池放电方法........................................................................................................... 66

2.8.2 基于端电压放电控制方法........................................................................................................... 66

2.8.3 基于极端单体电池放电控制方法............................................................................................... 67

2.9 蓄电池的运行模式................................................................................................................................... 68

2.9.1 循环充放运行模式....................................................................................................................... 69

2.9.2 连续浮充电运行模式................................................................................................................... 69

2.9.3 非连续浮充电运行模式............................................................................................................... 70

2.10 蓄电池的成组技术—串联和并联......................................................................................................... 70

2.10.1 蓄电池的串联.............................................................................................................................. 73

2.10.2 蓄电池的并联............................................................................................................................. 74

第 3 章 、蓄电池储能电源系统............................................................................................................................. 76

3.1 蓄电池储能电源系统的组成................................................................................................................... 77

3.2 蓄电池管理系统（BMS）......................................................................................................................... 78

3.2.1 蓄电池管理系统研究目的............................................................................................................ 82

3.2.2 蓄电池管理研究的目标................................................................................................................ 82

3.2.3 蓄电池管理系统的组成............................................................................................................... 83

3.2.4 蓄电池工作状态的监测................................................................................................................ 85

3.3 充电控制电路及对充电设备的基本要求................................................................................................ 87

3.4 放电控制电路和对用电设备的要求....................................................................................................... 88

3.5 阀控铅蓄电池储能电源系统对充电设备的要求。...............................................................................89

3.6 金属氢化物-镍蓄电池储能电源系统对充电设备的要求.....................................................................90

3.7 锂离子蓄电池储能电源系统对充电设备的要求...................................................................................92

第四章 蓄电池储能电源系统行业基础标准....................................................................................................... 96

4.1 概述............................................................................................................................................................96

4.1.1 蓄电池储能电源系统标准化工作的现状...................................................................................96

3

4.1.2 实践是验证标准的唯一标准....................................................................................................... 98

4.1.3 关键技术......................................................................................................................................101

4.1.4 欧洲标准关于电动汽车充电的规定.........................................................................................102

4.1.5 美国标准关于电动汽车充电的规定.........................................................................................102

4.1.6 日本标准中关于充电方法的规定.............................................................................................. 103

4.1.7 我国蓄电池储能电源系统标准化研究情况.............................................................................103

4.2 《行业基础标准》的组成..................................................................................................................... 105

4.3 现有相关标准的相互关系..................................................................................................................... 106

4.4 相关标准关键技术和通讯协议............................................................................................................. 108

4.5 《行业基础标准》的主要内容............................................................................................................. 109

4.6 主要技术特点..........................................................................................................................................110

4.6.1 规范了蓄电池主要术语............................................................................................................. 110

4.6.2 采用了基于极端单体电池充放电技术...................................................................................... 111

4.6.3 解决了与现有标准兼容的技术问题......................................................................................... 112

4.6.4 采用能量（Wh）为蓄电池模块和总成的主要性能指标.........................................................115

4.6.5 实现了不同体系蓄电池的兼容问题.......................................................................................... 115

4.6.6 重新定义了蓄电池管理系统..................................................................................................... 116

4.6.7 采用了数字和模拟互为安全冗余充放电控制方案..................................................................117

4.6.8 满足不同需求的多种系统组成方案......................................................................................... 117

4.7 行业基础标准的作用和意义......................................................................................................... 127

第 5 章、锂离子等新型蓄电池储能电源系统接口和通讯协议；.....................................................................128

5.1、通信接口和通讯协议........................................................................................................................... 128

5.1.1 概述..............................................................................................................................................128

5.1.2 蓄电池总成内部接口和通讯协议............................................................................................. 132

5.1.3 充放电接口和通讯协议............................................................................................................. 134

5.1.4 用户接口和通讯协议................................................................................................................. 141

5.1.5 蓄电池总成监控接口和通讯协议............................................................................................. 142

5.1.6 充电机(站)监控接口和通讯协议............................................................................................. 142

5.2 电路接口和电路接口协议..................................................................................................................... 142

5.2.1 概述..............................................................................................................................................142

5.2.2 充放电控制接口电路和接口协议............................................................................................. 143

5.3.3 充电导引接口电路和接口协议................................................................................................. 147

5.3.4 I/O 接口电路协议...................................................................................................................... 149

5.3.4 I/O 电路接口.............................................................................................................................. 150

第 6 章 蓄电池储能电源系统的典型应用........................................................................................................... 152

6.1 蓄电池储能电源系统评价的主要指标................................................................................................. 152

6.2 铅蓄电池储能电源系统......................................................................................................................... 153

6.3 阀控铅蓄电池储能电源.......................................................................................................................... 154

6.4 锂离子蓄电池在电动自行车上的应用................................................................................................. 155

6.5 锂离子蓄电池在通信电源上的应用..................................................................................................... 159

6.5.1 通信电源推广应用锂离子蓄电池的优势..................................................................................159

6.5.2 锂离子蓄电池性能和产业基础.................................................................................................. 161

4

6.5.3 锂离子蓄电池成组应用技术和标准化工作进展......................................................................161

6.6 锂离子蓄电池在低速电动车上的应用................................................................................................. 161

6.6.1 阀控铅蓄电池储能电源系统方案.............................................................................................. 162

6.6.2 锂离子蓄电池储能电源系统方案............................................................................................. 163

6.6.3 与电动汽车公共能源供给体系共享方安.................................................................................164

6.7 锂离子蓄电池在电动汽车上的应用..................................................................................................... 164

6.7.1．概述............................................................................................................................................164

6.7.2 主要问题......................................................................................................................................172

6.7.3 电动汽车用蓄电池储能电源系统的基本要求.........................................................................176

6.9 兆瓦级储能系统用蓄电池储能系统..................................................................................................... 180

6.9.1 概述..............................................................................................................................................180

6.9.2 我国当前的大规模储能技术发展方向和研究重点是：.......................................................182

6.9.3 各种储能技术的特点和应用场合：..........................................................................................184

6.9.4 锂离子蓄电池应用于兆瓦级储能电源的技术关键.................................................................186

6.9.5 兆瓦级储能系统分类................................................................................................................. 189

6.9.6 监控系统......................................................................................................................................192

附录 1:..................................................................................................................................................................... 195

中华人民共和国工业和信息化部公告 (2011J 13 号................................................................................ 195

附录 2 .......................................................................................................................................................................197

电驱动道路车辆道路操纵特性测量方法第 1 部分：纯电动汽车 EN 1821-1 1996................................197

附录 3:..................................................................................................................................................................... 199

美国电动运输协会试验规程 电池充电................................................................................................... 199

附录 4:..................................................................................................................................................................... 201

电动汽车车载电池能源管理系统( BEMS)评估 ETA-HTP012 2001.......................................................201

附录 5 .......................................................................................................................................................................202

电驱动道路车辆术语 EN 13447 2001 ................................................................................................... 202

附录 6 .......................................................................................................................................................................203

电动汽车用密闭型镍氢电池的容量试验方法 JEVS D 705 1999..............................................................203

附录 7 .......................................................................................................................................................................204

《国家电网公司风电场接入电网技术规定》（修定版）......................................................................... 204

附录 8 .......................................................................................................................................................................205

《国家电网公司光伏电站接入电网技术规定》(试行) ............................................................................. 205

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序 言

储能设备在能源、交通、通讯、军工等产业领域有广泛的应用。

蓄电池是应用范围最泛的储能产品。新型蓄电池主要包括锂离子蓄电池、阀控铅蓄电池

和金属氢化物-镍蓄电池等（简称新型蓄电池）

节能环保产业、新能源产业和节能与新能汽车产业已经列入国家产业结构调整重点发展

的七大战略性新兴产业。风能发展、核能发展和水能发电己列为低碳新能源产业的战略重点。

蓄电池储能技术，是智能电网、光伏发电、风能发电、节能与新能源汽车等低碳产业共

性关键技术和基础产业。

新型蓄电池储能产业是节能与新能源产业的关键性基础产业之一。促进新型蓄电池储能

技术和产业发展，对实施国家节能与新能源战略具有重大意义。

我国是铅酸体系蓄电池的生产大国。其中，阀控铅蓄电池产量最大，在国民经济各领域

乃有广泛应用。

随智能电网、光伏发电、风能发电等新能源产业和节能与新能源汽车等低碳产业的快速

发展，促进了新一代绿色、高效、高性能新型蓄电池（包括锂离子蓄电池、金属氢化物-镍蓄

电池、钠硫电池、液流电池）的快速发展。

在国家产业政策和科技项目的重点支持下，我国大容量锂离子蓄电池产业发展已经处于

国际领先地位。大容量能量型锂离子蓄电池的性能已经基本能够满足电动汽车等产业的要求。

虽然制造成本仍高于阀控铅酸蓄电池，但从全生命周期内的经济性考虑，已经显著优于阀控

铅酸蓄电池。锂离子蓄电池在便携储能、移动储能和固定储能领域已有广泛应用。

从技术性能和经济性考虑，磷酸亚铁锂蓄电池和锰酸锂蓄电池规模化推广应用和产业化

的条件已经基本成熟。

锂离子蓄电池对成组技术、成组应用技术和设备的要求，与铅蓄电池完全不同。适用于

总体铅蓄电池等传统充放电技术和设备，已不能满足锂离子等新型蓄电池组对充放电技术和

设备的要求。

由于锂离子蓄电池成组应用技术、系统集成关键技术和设备研究落后于蓄电池产业的发

展，成组后安全性大幅下降、使用寿命大幅缩短，甚至发生蓄电池燃烧、爆炸等恶性事故，

已经成为制约锂离子等新型蓄电池及蓄电池储能电源产业发展的技术关键。

蓄电池储能电源系统主要由蓄电池系统、充电系统和放电系统组成，是涉及多个技术领

域和产业领域的技术密集型集成系统产品。

虽然蓄电池成组应用相关技术研究已经初步形成了一支具有一定研究能力的科技人才队

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伍，蓄电池储能电源系统技术人员严重缺乏的局面仍未得到根本改变。培养蓄电池储能电源

系统工程技术人员，是当前推动锂离子等新型蓄电池储能产业发展迫切需要解决的课题。

为了加快培养蓄电池储能电源系统专业技术人才，促进我国新型蓄电池储能电源产业发

展，具体落实节能与新能源国家战略，中国电源工业协会、中国通信工业协会、中华环保联

合会新能源与电动汽车储能系统行业委员会、中国电子商会电源专业委员会、北京电源行业

协会，依据国家人力资源和社会保障部、工业和信息化部共同组织实施的“全国信息专业技

术人才知识更新工程”（即 653 工程）的安排，在“全国信息专业技术人才知识更新工程办

公室”领导和具体指导下，成立了工业和信息化部储能技术培训中心，开展全国蓄电池储能

电源系统工程师培训。

培训工作的基本任务是，为促进蓄电池储能电源产出发展，培养高素质蓄电池储能电源

系统设计师。

培训课程分两部分：

第一部分为蓄电池储能电源系统基础知识，主要包括：

（1） 电化学基础知识；

（2） 电化学电源基础知识；

（3） 蓄电池基础知识；

（4） 电工和电子技术基础；

这分为培训课程的准备课程（非培训课程）。

为了满足部分学员需要，该部分课程采用函授方式指导自学，并组织专家和教授接受学

员咨询。

第二部分是培训的重点内容。主要是蓄电池应用技术和蓄电池成组应用技术方面的基本

知识。

《蓄电池储能电源系统》是用于第二部分培训课程的培训教材。

蓄电池应用技术和蓄电池成组应用技术是蓄电池储能电源系统标准化研究的技术基础。

目前，对蓄电池储能电源系统关键技术和产品研究涉及的一些重大技术问题仍存在分歧。其

中，混淆“单体蓄电池”与“蓄电池组”，“蓄电池应用技术”与“蓄电池成组应用技术”

的概念，是普遍存在的问题。

对“蓄电池应用技术”和“蓄电池成组应用技术”的区别缺乏基本的理解。将单体蓄电

池的充放电技术和设备，应用到蓄电池组的充放电中，是目前国内外普遍存在的问题。

随阀控铅蓄电池技术发展和产业发展而发展起来的”基于端电压"的恒压充放电技术和恒

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流限压充放电技术及设备，仅适用于单体阀控铅等蓄电池。但是，半个世纪以来，将仅适用

于阀控铅等单体蓄电池充放电技术和设备，应用于蓄电池组。忽略了上述充放电技术和设备，

不仅不能满足阀控铅等新型蓄电池组对充放电的基本要求，也不能满足铅蓄电池组对充放电

的基本要求。第二章，将从蓄电池充放电特性入手，系统介绍铅蓄电池、阀控铅蓄电池、金

属氢化物-镍蓄电池、锂离子蓄电池等充放电特性，及对充放电设备的基本要求。

锂离子蓄电池储能储能电源系统标准化进展，是从事蓄电池储能电源系统产业的相关人

员关注的热点之一。在相关企业和行业介入以标准为重点的蓄电池储能电源系统产业竞争的

背景下，我国蓄电池储能电源系统标准化工作处于混乱无序的状态。

经国家发展和改革委员会《发改工业办(1242)专》安排，由中国电子商会电源专业委员

会组织，机械科学研究总院技术规口，联合三十余家大专院校、科研院所和相关企业制定的

包括 JB/T 11137-2011 《锂离子蓄电池总成通用要求》、JB/T 11138-2011 《锂离子蓄电池

总成接口和通讯协议》、JB/T 11139-2011 《锰酸锂蓄电池模块通用要求》、JB/T 11140-2011

《磷酸亚铁锂蓄电池模块通用要求》、JB/T 11141-2011 《锂离子蓄电池模块箱通用要求》、

JB/T 11142-2011 《锂离子蓄电池充电设备通用要求》和 JB/T 11143-2011 《锂离子蓄电池

充电设备接口和通讯协议》七项标准组成的锂离子蓄电池行业基础标准体系（简称《行业基

础标准》”，已经在 2011 年 5 月 18 日正式发布。2011 年 8 月 1 日正式实施（见附录 1 中华

人民共和国工业和信息化部公告 (2011J 13 号)。

第五章对《行业基础标准》的组成、主要内容和特点进行了详细介绍。

《行业基础标准》是目前首个包括充电系统、蓄电池系统和放电系统的蓄电池储能电源

系统行业基础标准。其意义在于在蓄电池成组应用技术、新型充放技术、与现有标准兼容性、

蓄电池管理系统、蓄电池储能电源系统等当前迫切需要解决的多项关键技术问题上取得了重

大突破。

为了便于理解《行业基础标准》，《蓄电池储能电源系统》铅蓄电池、阀控铅蓄电池、

金属氢化物一镍蓄电池和锂缡子蓄电池的充放电特性、对充放电和设备的基本要求、蓄电池

应用技术、蓄电池成组应用技术、蓄电池储能电源系统等相关问题进行了系统介绍。

本教材将系统讨论蓄电池储能电源系统的地位和产业定位、铅蓄电池、阀控铅蓄电池、

金属氢化物-镍蓄电池、磷酸亚铁锂蓄电池和锰酸锂离子蓄电池应用技术及、成组应用技术和

蓄电池储能电源系统的基本知识。《行业基础标准》进行系统介绍。结合风能发电、光伏发

电、智能电网、通信电源、电动自行车、低速电动车、电动汽车等对蓄电池储能电源系统的

具体要求，系统介绍锂离子等新型蓄电池系统、充电设备及充电系统、放电系统、蓄电池储

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能电源系统及其组成、基本要求、接口和通讯协议等。

在学习中应重点关注以下问题:

(1) 单体蓄电池和蓄电池应用技术与蓄电池组和蓄电池成组应用技术的区别;

(2) 蓄电池管理系统的定义，及蓄电池监测系统与蓄电池管理系统的区别;

(3) 各种蓄电池的元放电特性及对充放电技术和设备的基本要求;

(4) 各种充放电技术的适用范围。现有基于端电压的充放电技术仅不能满足所有蓄电池

组对对放电的基本要求。

(5) 蓄电池储能电源系统的组成及产品开发中系统整体统筹开发的必要性。

电化学基本知识和化学电源基本知识相关内容,主要引用于朱松然教授著《蓄电池手册》。

在完成第三期培训后，根据反馈意见进行了修订和补充。

由于编写人员水平和资料的局限，难免存在问题。蓄电池储能技术领域一些重大技术问

题仍有待研究，认识仍需要在技术和产业的发展中逐步统一。对本教材提出的一些技术观点，

恳请提出宝贵的意见，以便不断修改、补充和完善。

编写组

二〇一一年六月

北京

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工业和信息化职业技能培训教材

蓄电池储能电源系统

第 1 章、概 述

—储能技术与节能与新能源产业

储能技术，是通过机械、电磁或电化学电极过程等方法，将能量存储起来，在需要的时

候，再通过机械的、电磁的、电化学的方法转变为电能，为用电设备提供电能的技术。

本文讨论的储能技术和储能设备，特指采用蓄电池为储能媒体的储能技术和储能设备。

储能设备在能源、交通、通讯、工业、军工等国民经济各领域具有广泛的应用。

储能技术和储能产业，是涉及国民经济相关领域的共性关键技术和基础产业。

储能设备随用途不同，在功能要求、技

术要求、功率和能量大小、能量密度等方面

存在很大区别。最小的储能装置仅几毫瓦，

最大的储能系统可达到数百，甚至数百兆瓦。

简单的储能装置仅由一只蓄电池组成

毫瓦级蓄电池储能设备，最复杂的储能系统

可达由几十万只蓄电池电池组成兆瓦级蓄电

池储能系统。

按用途和功能分类如图 1-1，可分为便携

式储能设备、移动式储能设备和固定式储能设备。

不同应用对能量和功率的要求见表 1－1。

表 1－1 不同用途对能量和功率的要求

功率等级 能量等级 设备类型 用户举例

≤1W MWh 便携式储能设备

电子表、手机

1W～100W Wh 电子设备、电动工具

≤500W ≤500Wh

移动储能设备

电动自行车

10kW～200kW 2kWh～200kWH 节能与新能源汽车

100kW～500kW ～500kWh 铁路机车、城市轨道交通车

1kW 5kWh

固定储能设备

家用储能设备

10kW～100kW 30kWh 小型工业和商业设施

MW 1MW～200MWh 电力配电设备

MW 千兆瓦时 储能电站

图 1-1 储能设备分类（按用途和功率）

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依据电能存储形式和转换形式，储能技术的分类如图 1-2，可分为机械储能技术、电磁

储能技术和电化学储能技术。

1.1、机械储能技术

机械储能技术是指将电能通过转换为

机械能的形态储存起来，在需要是，再由机

械能转换为电能为用电设备提供电能的技

术。抽水储能电站、飞轮储能、压缩空气储

能、压缩弹簧储能等都属于机械储能技术。

1.1.1 抽水储能电站

抽水储能电站由高度不同的两个储水

库、电动抽水设备、水轮发电设备、输变电设备组成。

当需要储能时，利用电动抽水设备将下方水库的水抽到上方水库储存起来，实现将电能

转换为机械能实现储能的过程。

当需要释放电能时，将上方水库的水通过水轮发电设备排泻到下方水库，驱动水轮发电

设备发电，实现从机械能转变为电能的过程。

抽水储能技术可以实现从几小时到几天的储能，储能效率在 70%～85%之间。储能量仅与

水库容量和落差有关，可提供最大能量和最长时间的储能。抽水储能电站技术成熟，已经得

到广泛应用，一般工业国家抽水储能电站可达发电设备总装机容量的 10%左右；主要用于移

峰填谷、调频、调相、紧急事故备用、备用容量和黑启动等。

其缺点是，只能建在符合条件的山区，距主要用电高峰的人口稠密的平原地区和城区距

离远，输变电成本高。但对于大规模大功(如移峰填谷)储能具有显著优势。随风能发电和光

伏发电大规模应用，采用抽水储能，是减少弃风弃光的有效手段。发展抽水储能在发展节能

与新能源产业中乃具有重要意义。

1.1.2 飞轮储能技术

飞轮储能技术是利用电动机或其它设备带动飞轮高速旋转，将电能转换为机械能存储起

来，需要时，由高速旋转的飞轮带动发电机发电，实现机械轮转换为电能的技术。

飞轮储能主要用于不间断电源、电网调峰和调频等。其优点是储能效率高达 90%，使用

寿命长，绿色无污染，可连续运行，使用维护简单。缺点是能量密度低，在小功率场合性价

比差,只能用于蓄电池储能的补充设备。

1.1.3 压缩空气储能技术

图 1-2 按存储技术储能技术的分类

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压缩空气储能（compressed air energy storage ，CAES）是一种类似燃气轮发电设备。

需要储能时，采用电动空气压缩设备，将空气压缩到大型储气设备中实现储能。

需要释放能量时，利用压缩空气驱动气轮发电机组发电，实现机械能与电能的转换。

美国在 2009 年将压缩空气储能列为未来十大技术。德国在亨托夫建了一个 290MW 空气储

能试验发电设备，美国电力研究协会（EPRI）建有 220MW 压缩空气试验站。

压缩空气储能技术尚处于研究阶段，其经济性和实用性仍有待研究。

1.2 电磁储能技术

电磁储能技术主要有超导储能技术、电感储能技术、电容储能技术和超级电容储能技术。

1.2.1 电感储能技术

电感储能技术是用线圈将流过线圈的电能通过磁能储存起来，能量传递不需要能量形态

的转换，具有响应速度极快，能量转换效率高、比容量大的等显著优点，在电力、电子设备

中有广泛应用。

1.2.2 超导储能技术

超导储能（SMES）技术是利用超导体制成的线圈储能。其储能原理与电感储能完全相同，

比电磁储能损耗更小，效率、功率和能量密度更高。可以实现与电力系统大容量快速能量交

换和功率补偿。可以很好满足输配电网的功率补偿、频率调整、提高系统稳定性、电压支撑

和提高功率输送能力的要求。

超导储能已经在美国、日本和欧洲一些国家的电力部门得到初步应用，在维持电网稳定、

提高输电能力和电能质量方面的作用已经得到初步体现。我国在超导储能技术关键技术研究

方面也取得了重要过展。

1.2.3 电容储能技术

电容器储能技术是根据电化学双电层理论制成的储能产品。充电时，处于理想极化状态

的电极表面电荷，将吸引周围电解质溶液中的异性离子，使其附于电极表面，构成双电层电

容，利于提供强大的脉冲功率。储能电容器种类繁多，在电力电子设备中应用十分广泛。

1.2.4 超级电容储能技术

超级电容储能技术是根据电化学双电层理论研制成的电容家族中一种新型储能产品。超

级电容器仍遵循电化学双电层储能理论。与电容器比，具有更大的功率密度和能量密度。在

微功率电子设备中已经广泛采用超级电容替代蓄电池。在电力系统中，可用于提供短时大功

率的峰功率和短时大功率负载平滑，抑制短时脉冲功率等，如大功率直流电机的启动功率补

偿、瞬态电压恢复、抑制瞬态电压跌落等。

12

我国在超级电容关键技术、产品和应用研究方面都取得了重要进展。在规模化推广应用方

面，乃面临比能量低、制造成本高等挑战。

1.3 电化学储能技术

电化学储能技术的应用已有 160 年的应用历史。在能源、交通、通讯、国防等国民经济

各领域具有广泛的应用。目前已经发展成包括铅酸体系蓄电池、镍系蓄电池、锂离子蓄电池、

液流电池、钠硫电池、锌空气电池等众多产品。

我国已经成为蓄电池的生产大国。对国民经济发展发挥了重要作用。同时也应看到，以

铅酸体系蓄电池为主的蓄电池储能产业，不仅对我国的环境造成了巨大污染，而且具有性能

落后、储能效率低、储能成本高等问题。发展绿色、高性能高效蓄电池储能产业,是节能与新

能源产生发展的必然趋势。

1.3.1 铅蓄电池

铅蓄电池，即普通非密封富液铅蓄电池，已经有 160 年以上的应用历史。1970 年以前是

大功率蓄电池储能设备的主要蓄电池类型。对蓄电池储能产业发展发挥过重要作用。

其缺点是:存在严重的酸液污染和铅污染、功率密度和能量密度低、使用寿命短、储能效

率一般只有 60%～80%。若采用两阶段恒流充电方法，后期充电效率不到 10%。随阀控密封蓄

电池技术的发展,铅蓄电池应用范围迅速萎缩。除特殊应用外，目前大多应用领域已经被阀控

铅蓄电池替代。

1.3.2 阀控铅蓄电池

阀控铅蓄电池虽然仍同属于铅酸体系蓄电池,但已是一种结构和工作原理与铅蓄电池有

显著区别的新型铅酸蓄电池。

其特点是:采用氧循环技术和贫液技术、实现了蓄电池的阀控密封、大幅度降低了酸污染、

储能效率显提高、实现了少维护和使用寿命大幅度延长。

阀控铅蓄电池的充放电特性与铅蓄电池完全不同，对充电技术和设备的要求也完全不同

（见第 2 章 2.4 节）。

铅已被列入电子产品污染物限制范围。阀控铅蓄电池仍存在铅污染和酸雾污染(只是程度

低于铅蓄电池)。

从防止重金属污染角度考虑，铅蓄电池和阀控铅蓄电池将逐步被绿色、高效新型蓄电池

替代。随绿色、高性能新型蓄电池的发展，包括阀控铅蓄电池在内的铅酸体系蓄电池最终退

出市场将是技术和产业发展的必然趋势。当然，这个过程需要很长的时间。在较长的一段时

间内，阀控铅蓄电池仍将保持在蓄电池储能领域的主导地位。

13

1.3.3 镉镍蓄电池

镉镍蓄电池也是具有悠久发展史的蓄电池。由于存在严重的重金属污染、标称电压低、

能量密度低、有记忆效应、有碱液污染等问题，已经基本被金属氢化物-镍蓄电池替代。

1.3.4 金属氢化物-镍蓄电池

金属氢化物-镍蓄电池是镍系家族中一种高性能绿色新型蓄电池。能量密度比铅蓄电池

提高一倍左右，重量只有铅蓄电池一半左右。功率密度较高，使用寿命长，绿色无污染，使

其技术和产业得到快速发展。由于仍有标称电压低、能量密度只有锂离子蓄电池的一半左右、

当放电电压高于 1.10V 时仍有明显的记忆效应、原材料价格持续走高使制造成本不断上升等

原因，在锂离子蓄电池技术和产业快速发展背景下，大多数应用已经被锂离子蓄电池替代，

应用和产业已经表现出持续下降的态势。

虽在小容量高功率应用领域与锰酸锂和磷酸亚铁锂蓄电池比，当前仍具有一定的优势，

随高功率锂离子蓄电池(如钛酸锂蓄电池)技术的成熟和产业快速发展，也将逐步被替代。

1.3.5 锂离子蓄电池

锂离子蓄电池的优势是绿色无污染、高性能、高功率密度、高能量密度、长寿命、储能

效率高等特点，当前，已经成为新型蓄电池技术和产业发展的热点。

依据正负极材料不同，锂离子蓄电池可分为多种体系。当前技术相对比较成熟的是锰酸

锂蓄电池、磷酸亚铁锂蓄电池、钴酸锂蓄电池等。

镍锰酸锂和钛酸锂等新体系心锂离子蓄电池技术发展也很快。锂离子蓄电池将是一个体

系最多的新型蓄电池家族。

当前,锂离子蓄电池的能量密度是阀控铅蓄电池的 3～4 倍，比金属氢化物-镍蓄电池高一

倍以上，使用寿命是铅蓄电池的 4～6 倍。虽然当前制造成本仍高于阀控铅蓄电池，但从全生

命周期内经济性考虑，锂离子蓄电池的经济性已经显著优于阀控铅蓄电池和金属氢化物-镍蓄

电池。

锂离子蓄电池按能量密度可分为能量型、功率型和高功率型三种。

能量型锂离子蓄电池，对比功率要求相对比较低，一般最大放电电流等于或大于 12I3 。 适用于纯电动汽车、低速电动车、电动自行车、用于平抑风能发电和光伏发电间隙性和波动

性的大功率蓄电池储能系统等。因储能成本乃难以满足能化应用的要求，在以储能成本为主

要指标的应用领域还难以实现规模化推广应用。

高功率型锂离子蓄电池，一般最大放电电流应超过 30CA，主要用于如混合动力汽车等对

比功率要求很高的应用领域。

14

功率型锂离子蓄电池，比功率比能量型蓄电池大，但小于高功率型电池。最大放电电流

大于 4CA，小于 20CA。主要用于如 Plug-IN HEV、增程式电动汽车等。

我国大容量能量型锂离子蓄电池（包括锰酸锂蓄电池和磷酸亚铁锂蓄电池）产业发展已

经处于国际领先地位。虽发制造成本乃高于阀控铅蓄电池，但全生命周期内经济性己经显著

优于阀控铅蓄电池。从技术性能和经济性方面考虑，大容量能量型锂离子蓄电池已经基本具

备了规模化推广应用和产业化的条件。

由于锂离子蓄电池成组技术、成组

应用技术、系统集成技术和产品研究仍

不能满足使用要求，锂离子蓄电池成组

后，安全性大幅下降，使用寿命大幅缩

短，甚至频繁在发生蓄电池燃烧、爆炸

等恶性事故的危险(下图是 2011 年 4 月

12 日发生在杭州的电动汽车燃烧事件)。

锂离子蓄电池成组应用技术已经成

为制约锂离子蓄电池相关产业（如电动

汽车和兆瓦级蓄电池储能系统）发展的技术瓶颈。

1.3.6 钠硫电池

钠硫电池是以钠作为阳极，硫作为阴极,Beta－氧化钼陶瓷为隔膜和电解质双重作用制成

的电池。

其特点是比能量高、可大电流充放电、比功率高、使用寿命可达到 10～15 年；理论比能

量高达 760Wh/kg，没有自放电现象，可以完全放电。

钠硫电池第一个发明专利是美国福特特公司于 1967 年公布的。

日本在 2002 年已经形成商品化，2007 年产量已经超过 100MW（车锂离子蓄电池比，乃是

一个很小的产量）。钠硫电池关键技术和产品研究，日本处于国际领先地位。

我国钠硫电池关键技术和产品研究也取得了初步进展。国家电网公司与中科院上海硅酸

盐研究所合作，到 2009 年底，在百千瓦级储能设备研究方面取得了一些初步进展。有可能在

大功率电力储能设备领域得到应用。

但在我国，钠硫电池当前仍处于研究初期。一些重大技术问题还有待研究，距规模化推

广应用仍存在较大差距。产业化的条件仍不成熟。

1.3.7 液流电池

2011 年 4 月 11 日发生在杭州的纯电动出租车燃烧事

件

15

液流电池（electrochemical flow cell）是一种结构与传统蓄电池完全不同的电化学储

能装置。其特点是，在质子交换膜两边液流腔内循环流动的电解液为正极和负极组成的电池。

按正极和负极使用的电解液不同，分为全钒液流电池、钒溴液流电池、多硫化钠/溴液流

电池等多个体系。

液流电池的特点是额定功率与额定能量没有关系，额定能量仅与作为正极和负极的电解

液储存量的多少及浓度有关。可以通过增加电解液的储存量和提高电解液的浓度，增加电池

的能量，便于制造超大能量蓄电池储能电源系统。

液流电池具有电化学极化小，可 100%深度放电、储存寿命长等特点。

液流电池研究在国内外已有二十几年的历史。我国早在八五期间，北京大学化学与分子

工程学院在地矿部门的支持下，已经开始了全钒液流电池技术的研究，并取得了初步进展。

二十世纪 90 年代，英国 Innogy 即研制成功多硫化钠/溴液流储能装置，并在 UPS 和电站

调峰方面进行了试验。

日本也进行了 250kW 和 520kW 全钒液流电池储能装置的试验运行。

随风能发电、光伏发电产业的快速发展和分布式电网技术快速发展，及其对超大能量蓄

电池储能设备需求，液流电池重新被关注。欧美日都开展了液流电池及储能装置的研究。中

科院大化所在 100kW 级全钒电池储能装置研究方面，已经取得实质进展。北京普能通过购买

加拿大 VRB Power 的技术专利，开展夜流电池关键技术和产生化研究。

液流电池仍处于研究阶段。诸多技术问题还有待研究，规模化推广应用和产业化的前景

仍有待研究。规模化推广应用和产业化的条件仍不成熟，距产业化的条件仍有较大差距。

1.3.8 蓄电池储能技术现状和发展趋势展望

蓄电池储能技术和产业发展的现状如图 1-2。

产业化前景 良好 市场萎缩 仍不明朗 仍不明朗 逐步被替代

产业化和规模化应用阶段

试验/示范运行阶段

成组应用技术研究阶段

蓄电池应用技术研究阶段

蓄电池产品研究阶段

关键技术、关键材料研究阶段

蓄电池类型 锂离子蓄电池 金属氢化物-镍 钠硫电池 液流电池 铅酸蓄电池

图 1-2 蓄电池储能技术发展现状与发展趋势的展望

16

锂离子等新型蓄电池全面替代铅系蓄电池的条件仍不成熟。铅系蓄电池在一定时期内仍

将是非新能源领域蓄电池储能电源用蓄电池的主流产品。由于存在严重的铅和酸污染，必将

随高性能绿色新型蓄电池的技术和产业发展，逐步被替代。

当前，除高功率应用领域仍具有一定的优势外，金属氢化物-镍蓄电池，已经处于明显萎

缩态势。

钠硫电池、液流电池和锂离子蓄电池，是当前新型蓄电池储能技术和产业观注的热点。

从技术成熟度考虑，钠硫电池、液流电池仍处于发展初期，规模化示范性应用的条件仍不成

熟，产业化的前景仍有待研究。

与钠硫电池、液流电池比，锂离子蓄电池的技术成熟程度和产业化基础处于明显优势地

位。锂离子蓄电池是最有可能首先实现商业化推广应用和产业化的新型高性能绿色蓄电池。

在国家产业政策和科技项目的重点支持下，我国锂离子蓄电池关键技术、关键材料和产

品研究都取得了重大进展。大容量能量型锂离子蓄电池的性能己经能够满足电动汽车等设计

要求。虽然制造成本乃高于阀挖铅蓄电池，但从全生命周期内经济性考虑，手阀控铅蓄电池

比，己统具有显著优势。我国大容量锂离子蓄电池产业发展己经处于国际领先地位。

从性能和经济性考虑，我国大容量能量现单体锂离子蓄电池规模化推广应用和产业化的

条件己经基本成熟。

当前的主要问题是，锂离子等新型蓄电池成组应用技术、系统集成技术和产品研究严重

滞后于锂离子蓄电池产业发展。蓄电池线组后，安全性大幅下降、使用寿命大幅缩短，甚致

发生蓄电池燃烧、爆炸等恶性事故。

蓄电池成组应用技术已经成为制约锂离子蓄电池产业发展的关键，也是制约节能与新能

源汽车、新能源和智能电网用大功率(兆瓦级)蓄电池储能系统产业发展的技术瓶颈。

锂离子等新型蓄电池成组应用技术、系统集成关键技术和产品研究，是当前推动节能与

新能源产业发展迫切需要解决的重大课题。

17

第 2 章、蓄电池应用技术和蓄电池成组应用技术

2.1 概述

蓄电池的应用技术包括单体蓄电池应用技术和蓄电池成组应用技术。

单体蓄电池应用技术是伴随蓄电池技术发展而发展的。仍将随蓄电池技术发而不断发展。

蓄电池应用技术一般由蓄电池供应商随蓄电池产品一同提供的。

蓄电池成组应用技术是相关应用领域实现蓄电池应用技术的方法和技术措施。蓄电池成

组应用技术一般由蓄电池用户依据蓄电池应用技术和应用需求研究。

目前，蓄电池成组后安全性下降、使用寿命缩短的主要原因是蓄电池成组应用技术不能

满足蓄电池的基本要求。

虽然国家从产生政策和科技项目方面都进行了重点支持，但锂离子等新型蓄电池成组后

的安全性等关键技术长期没有取得有效突破。蓄电池成组技术研究是目前迫切需要解决的重

大课题。

蓄电池成组问题，有技术方面的因责,也有非技术方面的因素。下面主要对技术方面的因

素进行讨论。

从技术方面考虑，原因之一是混淆了“单体蓄电池”和“单体蓄电池应用技术”与“蓄

电池组”和“蓄电池成组应用技术”的区别。下面将对“单体蓄电池应用技术”和“蓄电池

成组应用技术”进行讨论。

(1) 混淆了“单体蓄电池”与“蓄电池组”的概念。采用小容量单体蓄电池并联台封装

在一个机械容器内替代对大容量蓄电池的需求，是当前普遍存在的问题。

(2) 混淆了“单体蓄电池应用技术”与“蓄电池成组应用技术”的区别。将单体蓄电池

充放电技术用于蓄电池组的充电和放电，也是普遍存在的问题。

(3) 混淆了“蓄电池监测电路”与“蓄电池管理系统”的概念。当前，普通将蓄电池管

理系统中的“蓄电池监测电路”定义为“蓄电池管理系统”。蓄电池管理系统并无基本的管

理功能。

2.l.1 “单体蓄电池”和“蓄电池组”

“单体蓄电池”，特指由正极、负极和电解质组成的“一个其本电化学储能电源”。

其特征是:单体蓄电池是“一个基本的电化学储能电源”，即一个基本电化学偶。

其特点是:单体蓄电池你标称电压等于“电化学偶”的电动势。其电化学特性具有唯一性。

蓄电池组特指由两个以上单体蓄电池组成。

其特征是:蓄电池组是若干个“基本电化学储能电源”的组合。

18

其特点是:不同的单体蓄电池(基本电化学储能电源)具有不同的电化学特性，即组成蓄电

池组的各单体蓄电池性能存在差异，具有不均衡性。

即便将若干个单体蓄电池并联封装在一个机械容器内，不具备单体蓄电池的特性，仍属

于“蓄电池组”。

当前，将若干个小容量单体蓄电池封装在一个机械容器内，作为单体蓄电池提供给用户，

是普遍存在的现象。这种作法是混淆了“单体蓄电池”与“蓄电池组”的概念的典型表现。

将蓄电池组当单体蓄电池使用，容易发生部份单体蓄电池充放电电流超过允许些，对蓄电池

组的安全运行(特别是使用寿命)产生不利影响。

在充放电过程中，部份单体蓄电池容易发生充放电电流超过允许范围，即发生过电流问

题,加速蓄电池性能衰。

2.1.2 蓄电池应用技术

蓄电池应用技术特指“单体蓄电池”的应用技术。蓄电池的主要性能包括额定容量、额

定能量、比功率、比容量、额定充电电流、最大充电电流、额定放电电流、最大放电电流、

额定使用寿命等。

蓄电池的性能与使用环境和使用条件相关。

蓄电池应用技术，是能够使单体蓄电池电化学性能最优化，或满足设计性能要求的应用

技术条件和技术要求。主要包括环境条件要求、安全条件要求、充电条件要求、放电条件要

求等。

环境条件主要包括环境温度、湿度、大

气压、电磁兼容和振动等。

技术条件主要己括充电电压、放电电

压、充电电流和放电电流、电池工作温度、

充放电循环深度、充放电制度等。

充放电电流大小，会对蓄电池使用寿命

产生重要影向。如图 2.1，蓄电池的使用寿

命，随充电电流和放电电流增大而缩短。

蓄电池应用技术研究主要应由蓄电池

研究和制造商进行，并以产品技术文件的形式随产品一同提供给用户。

2.1.3 蓄电池成组应用技术

蓄电池使用寿命

充

放

电

电

流

图 2.1 蓄电池充放电电流与使用寿命的关系

0

19

蓄电池成组应用技术的研究目标、研究目的和研究内容与单体蓄电池应用技术不同。

蓄电池成组的主要特点是，组成蓄电池组的各单体蓄电池具有不同的特性，即蓄电池存

在不均衡性，导致充放电过程中各蓄电池的充放电电流和电压的不均衡，部份蓄电池充电电

压、放电电压和充放电电流可能超过允许范围，导致蓄电池组安全性下降、使用寿命缩短、

甚致发生蓄电池燃烧、爆炸等恶性事故。

蓄电池成组应用技术，就是在组成蓄电池组的单体蓄电池性能存在差异的状况下，防止

发生单体蓄电池使用条件超过允许范围的技术措施和技术方法。

单体蓄电池应用技术是蓄电池成组应用技术研究的技术依据。在蓄电池成组应用时，防

止发生单体蓄电池工作状态超过其环境要求和技术要求范围，是蓄电池成组应用技术研究的

基本目的和目标。

当前,蓄电池成组应用技术研究方面存在的普遍问题是，忽视了“单体蓄电池应用技术”

和“蓄电池成组应用技术”的实质区别,混淆了“蓄电池应用技术”和“蓄电池成组应用技术”。

特别是从事蓄电池管理系统研究和蓄电池储能电源系统研究的研究人员，不熟悉，甚至不了

解相关蓄电池的基本特性，不了解相关蓄电池充放电特性及对充放电的基本要求。将适用于

“单体蓄电池”的充放电方法和充放电设备，用于“蓄电池组”。由此造成你恶性事故频繁

发生。

蓄电池成组应用技术伴随蓄电池及相关技术的发展而发展。

如表 2-1 是铅系蓄电池的发展史：铅蓄电池已经有 160 年的发展历史。用了 75 年，才证

实了双硫酸化反应理论。经过 110 年，才使氧循环技术和贫液技术成功应用于铅酸体系蓄电

池，研究成功阀控铅蓄电池。

表 2-1 铅系蓄电池发展史

时间 技 术 发 展 进 程

1860 年 首次采用铅箔腐蚀形成活性物质制成了具有实用价值的铅蓄电池

1881 年 发明了铅锑合金板栅和氧化铅和硫酸制成的膏作为正极，大幅度增加了容量

1882 年 提出了双硫酸化反应理论：PbO2+Pb+2H2PbSO4←→2PbSQ4+2H2O（用了 82 年）

1935 年 证实双硫酸化反应理论（用了 75 年）

1960 年 弄清α-PbO2 和β-PbO2两种结晶体的性质 （用了 100 年）

1970 年 研制成功阀控铅蓄电池（用了 110 年）

自 1970 年研制成功阀控铅蓄电池以来，由于其性能比铅蓄电池有了很大提高，迅速得到

推广应用，促进了铅酸体系蓄电池技术和产业的发展，也促进了充电技术和充电设备的快速

20

发展。

伴随阀控铅蓄电池发展而不断出现的，采用现代技术研制的各种具有智能化、自动化功

能的“先进”的充放电设备，虽经 40 年的发展，究其实质，都属于“基于端电压充电控制技

术”。遗憾的是，至今仍被认为是“经典”的“基于端电压”的充放电控制技术(如恒压限流

及其衍生充电方法和设备），不能满足包括铅蓄电池、阀控铅蓄电池、金金属氢化物一镍蓄

电池和锂离子等蓄电池对充放电的基本要求。

随锂离子等新型蓄电池产业的快速发展，落后的蓄电池成组应用技术研究己突显出来。

蓄电池成组应用技术己成为节能与新能源产业观注的热点。希望参与节能与新能源产生竞争

的大专院校、科研院所和相关企业，大多还不具备蓄电池和蓄电池成组应用技术基础的情况

下，介入了蓄电池管理系统和蓄电池储能电源系统的研发中，至使蓄电池成组应用技术研究

处于混乱和无序的状态，终端用户面对众多“世界领先”产品面前盲然无措。

以蓄电池的充放电特性及对充放电要求入手，争取在蓄电池成组应用技术主要方面基本

达成能共识，以利于推动锂离子等新型蓄电池成组应用技术研究步入相对健康的轨道，是当

前迫切需要解决的重大课题。

当前，下面几个问题基本达成共识的：

(1) 阀控铅蓄电池虽然仍属于铅酸体系蓄电池，但其充电特性已与铅蓄电池完全不同。

(2) 适用于铅蓄电池的“基于单体电池”的充电方法、放电方法、维护管理技术和设备，

不适用于锂离子等新型蓄电池（包括锰酸锂蓄电池、磷酸亚铁锂蓄电池、属氢化物-镍蓄电池

和阀控铅蓄电池等）。

（3）锂离子蓄电池的性能(包括安全性)已经基本能够满足设计要求，即己经基本符合“第

一代产品“的特征。即是安全性相对较差的钴酸锂蓄电池也已成功应用于手机等电子设备。

(4) 锂离子蓄电池成组后，安全性大幅下降，使

用寿命大幅缩短，甚至发生蓄电池燃烧、爆炸等恶性

事故，问题虽然表现在蓄电池上，其根本原因在于成

组应用技术、系统集成技术还不能满足锂离子等新型

蓄电池的要求。

2.1.3 蓄电池成组应用技术研究的目的

蓄电池成组应用技术研究的基本目的是：

根据实际工况和具体要求，使组成蓄电池组的

所有单体蓄电池在充电和放电过程中的环境要求和

图 2-1 蓄电池成组应用技术研究方法

蓄电池储能电源系统关键零部件

研究和系统集成产品研究

熟悉蓄电池应用环境要求、技

术要求和安全要求

实现蓄电池应用技术要求环境要求

和安全要求的技术方法和技术措施

21

技术要求，符合单体蓄电池应用基本要求，从保证蓄电池系统安全、高效运行。

2.1.4 蓄电池成组应用技术研究的方法

蓄电池成组应用技术研究的的方法如图 2-1：

（1）首先，应了解并熟悉相关蓄电池的技术性能、充电和放电特性、及安全应用的环

境要求和技术要求。

（2）依据蓄电池安全应用的环境要求和技术要求，研究在实际应用环境钟和技术条件

下，实现所有单体蓄电池的工作环境和工作技术条件不超过允许条件和范围的技术措施和技

术方法，即完的蓄电池成组应用技术研究。

（3）研究符合蓄电池成组应用技术要求的蓄电池储能电源系统关键技术、关键设备和

产品。

2.1.5 成组应用技术研究的内容

成组应用技术研究的主要内容如图

2-2，在蓄电池应用技术的基础上，重点

是研究蓄电池成组后的特殊性，和在具体

应用环境条件下，实现蓄电池应用技术要

求的技术措施。具体包括：

（1）用户系统对蓄电池储能电源系

统的具体要求，包括安全要求、技术要求、

和性能要求。

（2）根据用户设备对蓄电池储能电

源系统的要求，确定蓄电池储能电源系统

具体指标和要求。优据技术和经济性最优化原则制定蓄电池储能电源系统总体技术方案和具

体技术要求。

（3）依据总体技术方案和具体技术要求，从技术要求和经济性要求两个方面遴选最优

蓄电池，并理解蓄电池应用的环境要求和技术要求。

（4）进行充电方法、充电系统和设备，放电方法、放电控制系统，维护管理技术和设

备技术方案研究。

（5）蓄电池成组技和成组方案研究。

（6）蓄电池储能电源系统产品研究和性能试验。

2.1.6 蓄电池成组应用技术研究的目标

图 2-2 蓄电池成组应用技术研究方法

22

蓄电池成组应用技术研究的基本目标是

(1) 研究满足应用环境要求、安全要求和技术要求的蓄电池储能电源产品。

(2) 蓄电池储能电源产品在工作过程中不会发生单体蓄电池过充电、过放电、过电流和

超温问题。

2.2 蓄电池的充电特性和分类

发生蓄电池的安全性下降，使用寿命缩短，特别是发生蓄电池燃烧、爆炸等恶性事故，

主要原因是单体蓄电池发生了过充电、过放电、过电流和温度超过了允许范围。蓄电池燃烧、

爆炸等恶性事故，主要发生在充电过程中。充电技术研究,是蓄电池应用技术研究的重点之一。

蓄电池的充电方法，主要是依据蓄电池的充电特性。了解蓄电池充电特性，是研究蓄电

池充电技术的基础和前提。

按蓄电池的充电特性曲线可以分为以下三种类型：

（1）恒压型充电特性曲线；

（2）负电压增量（-V△）型充电特征曲线；

（3）正电压增量（+V△）型充电

特性曲线。

2.2.1 恒压型充电特性曲线

恒压型充电特性曲线如图 2-4，其

典型产品是铅蓄电池。

具备这类蓄电池充电特性的蓄电

池，在充电开始阶段，由于极化的原因

（维持正常充电必须的超电势），蓄电

池电压快速上升；之后，主要因是电极

反应使蓄电池的充电电压继续缓慢上

升。当充电电量超过 70%以后，由于极化加剧，电压

开始快速上升，当电压上升到 A 点后，蓄电池电压将

基本稳定在一个恒定值不再升高。

这类充电特性曲线等效电路可以可以简化为如

图 2-5：

当充电电流通过电阻 R1 向电容器 C 充电时，电

容器 C 上的电压将缓慢上升。

R1

R2

+

- 图 2-5 铅蓄电池等效电路

C

RD

V

D

图 2-4 稳压型充电特性蓄电池充电等效电路的特性

23

当电压上升到压敏电阻 R2 的额定电压后，通过 R2 的电流会随电压的上升而逐渐增加，并

减缓电容器 C 上电压上升速度，但仍会继续上升。

当电压上升到稳压管 D 的稳压值后，电压被稳定在稳压管 D 的稳压值，不再继续升高。

正常充电电流（I）将在电阻 R1 上产生功率损耗，其功率损耗值（PS）为：

PS = I

2 R 式 2-1

容断器 RD 等效蓄电池最大允许充放电电流。若充放电流超过了(熔断器 RD 的)最大允许电

流，(RD 将被过电流而熔断)蓄电池将受到伤害，甚至因过电流而完全失效。

2.2.2 负电压增量（-V△）型充电特征曲线

负电压增量（-V△）型充电特

征曲线如图 2-6。其典型代表产品

如金属氢化物-镍蓄电池。

具备这类蓄电池充电特性的

蓄电池，在开始阶段蓄电池的充电

电压逐渐上升，当充电基本完成（A

点）后，若继续充电，蓄电池电压

将随之下降，即出现蓄电池充电电

压负增量（-△V）特性。若不及时

减小充电电流或停止充电，将随蓄

电池电压的下降，充电电流寄居增大，使温度进一步升高，蓄电池充电电压加速下降的恶性循

环，即发生热失控。

这类蓄电池充电特性等效电路可以简化为如图 2-7。与图 2-5 比，多了一个具有负温度系

数的温敏电阻 R3。当温度上升到阀值后，

其电阻会迅速减小，即如图 2-6 中的 A 点，

蓄电池充电电压出现负曾量特性（-△V）。

若充电电压不变，通过熔断器 RD 的电

流将急剧增加。若电流超过 RD 的最大允许

值，RD 将被熔断，造成电路失效。

这类蓄电池充电终结后出现因负电压

增量（-△V）。通过检测蓄电池充电过程中

的负电压增量（-△V）始点，可以准确确定

+

- C

RD

间 时 电 充

电

压

/

电

流

电 阻 R 2电压

温敏 电 阻电 压 特性

蓄 电 池温 度

电容 器电 压

充 电电 流

图 2-6 负电压增量型蓄电池充电等效电路特性曲线

R1

R2 R1

RD

T

C

+

- 图 2-7 -V△充电特征曲线简化等效电路

24

充电终结点。

2.2.3 正电压增量（+V△）型充电特性曲线

具有电压增量（+V△）型充电特征曲线如图 2-8，其典型产品如锂离子蓄电池、阀控铅蓄

电池等。

具备这类充电特性的蓄电池，在开始阶段蓄电池的充电电压逐渐上升，当充电达到 100%

（A 点）后，若继续充电，蓄电池电压

将继续上升。若不能限制充电电压继续

上升，当蓄电池充电电压若超过最高允

许电压后，蓄电池将受到伤害，如性能

加速衰退，使用寿命缩短。

这类蓄电池充电特性等效电路可

以简化为如图 2-9。与图 2-7 比，少了

热敏电阻 R3。

在充电过程中，电容器 C 两端的电

压将缓慢上升。

当充电结束后，若继续充电，蓄电

池电压将快速上升。

当电压上升到电容器 C 的最高允许

电压后，电容器 C 将因过电压而击穿，

电流将超过熔断器 RD 的最大允许电流，

使 RD 被熔断，电路完全失效。

2.3 铅蓄电池对充电和放电的基

本要求

铅蓄电池即是普通非密封富液铅酸

蓄电池。

这类蓄电池由于性能落后，酸污染严重，使用寿命短，维护管理工作量大，应用范围已经

大幅萎缩，已经被蓄电池应用技术研究关注。

为了全面理解蓄电池成组应用技术和设备的现状，首先对铅蓄电池充电特性进行讨论。

铅蓄电池主要包括启动型铅蓄电池、动力型铅蓄电池、船用铅蓄电池、固定型铅蓄电池

和电动车辆用铅蓄电池等品种。铅蓄电池索然具有污染严重，性能落后的问题，但其优良的

R1

R2

RD

C

+

- 图 2-9 +V△充电特征曲线简化等效电路

图 2-8 具有电压增量型蓄电池充电等效电路曲线

25

自动均衡特性，当前在电动车辆（电动叉车、电动物料搬运车）仍有应用。在潜艇和舰船应

用上，其他蓄电池仍难以被替代。

2.3.1 铅蓄电池对充电的要求

如图 2-10，充电初期，充电电流基本都用于充电电

极反应，超电势相对低 H2O 的电解电位，H2O 分解较弱。

随充电过程的继续，当充电电流大于充电电极反应需求

电流后，多于的电流将以电解 H2O 的形式被吸收，超电

势将迅速升高。当充电电极反应已经结束（充电已经完

成）后，充电电流将全部用于电解水，超电势将维持在

电解水所需的超电势范围内，稳定在一个相对恒定的电

压值不再继续上升。

铅蓄电池的充电电压特性曲线如图 2-4（见 2.2.1），属于恒压型充电特性曲线。当完全

充电后，蓄电池电压基本保持在一个基本稳定的恒定值不再明显升高。

铅蓄电池充电特性可以简化等效电路见图 2-5(见 2.2.1)：

其中,蓄电池电极充电反应过程等效为电流经电阻 R1 向电容器 C 进行充电。当充电电流

通

过电阻 R1 向电容器 C 充电时，电容器 C 上的电压将缓慢上升。当采用恒流充电时，充当电

压随充电过程的进行，充电电压上升将逐步加快，即近似于指数曲线。

由于铅的平衡电势比氢负 350mV，充电过程中，即有氢的析出。随超电势的升高，析氢的

数量也随之增加。这部分能耗等效为电阻 R2。

当充电基本结束后，超

电势将急剧升高。当超电势升

高到水的分解电势后，当电压

上升到电水电解电位后，充电

电流将全部用于电解水，超电

势基本稳定，蓄电池充电电压

基本稳定，等效稳压管 D 的稳

定电压值。

铅蓄电池的上述充电特

性，使其具有很好的自动均衡

图 2-10 铅蓄电池充电反应特性曲线

图 2-11 恒流/两阶段恒流和恒压限流充

电曲线

26

特性；简单的恒流充电和两阶段恒流充电，即可满足铅蓄电池对充电的要求。（如图 2-11）。

具有恒压充电电压特性曲线的蓄电池，应采用恒流充电模式，或两（/多）阶段恒流充电模

式。

蓄电池使用寿命缩短的原因十分复杂，主要的有以下两个方面的原因：

（1）蓄电池容量提前下降到最低允许值后造成蓄电池寿命即终止。引起蓄电池容量衰退

的因素主要有：

·活性物质晶型改变；

·表面积收缩；

·活性物质膨胀、脱落；

·电极腐蚀；

·有记忆效应的蓄电池，没有实现完全充放电循环；

·电解液减少或硫酸量减少。

其中，活性物质膨胀和脱落、电极腐蚀、电解液减少等，主要与过充电过程密切有关。

合理的充电电流，生成的活性物质细密、结合牢固，过大的充电电流，生成的火性物质粗

大、松软、连接不牢固，容易脱落。充电电流大小对活性物质性能有决定性的影响。

（2）由于内部短路使寿命终止，主要原因有：

·由于隔膜物质降解老化而穿孔造成内部短路；

·因活性物质脱落沉淀聚集，造成正负极板通过活性物质沉淀物短路；

·正负极板变形，使正负极板连接造成短路；

·不正常充电和放电导致产生枝晶刺穿隔膜引起短路。

·制造工艺不正常或安装不正常，电池受过度挤压、

变形。

其中，隔膜物质降解老化、活性物质脱落沉淀聚集、

正负极板变形等也与过充电电流和电压直接相关。

过充电对蓄电池的使用寿命由重要影响（如图 2-12。

过充电会使蓄电池温度升高。蓄电池温度升高，对蓄

电池的使用寿命也有重要影响。温度过高或过低，使用寿

命都将大幅减少（见表 2-1）。当温度为 50℃左右时，蓄

电池使用寿命最长。当铅蓄电池温度上升到 60 ℃左右时，

使用寿命下降 35%。

图 2-12 过充电系数与放电深度对

循环寿命的影响

过充电系数 X：1-0；2-0.076 ;3-0.107

27

充电后期的电解水过程产生的热将使蓄电池内部温快速升高。

综上所述，铅蓄电池对充电的基本要求是：

（1）对充电电压的要求

铅蓄电池具有良好的自动均衡功能（如图

2-12），充电完成后，蓄电池的充电电压将自动

稳定在一个基本恒定的电压值。为了使所有蓄电

池可以实现完全充电，充电设备的额定充电电压

应大于蓄电池组最高端电压，设计充电设备时，

额定输出直流电压应等于或大于 2.8V 与串联蓄

电池数量的乘积。如用于蓄电池组额定电压为 200V 的充电设备的额定输出直流电压应等于或

大于 280V（2.8V×200÷2）。蓄电池组充电过程中的端电压，等于各串联单体蓄电池之和，并

受各单体蓄电池自动限制在基本稳定的恒定值。

若充电设备输出直流电压过低，或被限制在一个较低的值，部分单体蓄电池将不能实现完

全充电。

（2）对充电模式的要求

适用于铅蓄电池的充电模式是恒流充电模式和两阶段（或多阶段）恒流充电模式。当前普

遍采用的基于端电压的恒压限流类充电技术和充电设备，将使部分蓄电池不能完全充电，不适

用于单体铅蓄电池和铅蓄电池组的充电。

（3）对充电电流的要求

充电电流对蓄电池使用寿命和性能有重要影响。应根据蓄电池供应商对充电电流的要求，

合理选择充电电流。应防经常使用超过蓄电池供应商规定的充电电流充电。过小的充电电流，

可能造成蓄电池钝化，在充电开始阶段，应防止采用过小的充电电流。充电电流一般应控制在

（6～7）I20范左右为宜。

（4）对温度的要求

蓄电池温度过高和过低，对蓄电池性能和使用寿命都有较大影响。充电过程中，也应防止

温度超过蓄电池供应商允许最高允许温度。

2.3.1.1 恒流充电模式

恒流充电模式是铅蓄电池基本充电方法。具体方法是，采用一个恒定的电流对蓄电池充电

（图 2-11 的 0-3 区间），当蓄电池进入“沸腾状态”，使且连续两小时所有电池电压基本不

再上升时（图 2-11 的 3-4 区间），充电结束。

表 2-1 温度对蓄电池使用寿命的影响

28

这种充电方法是充分利用了蓄电池的自动均衡功能（如图 2-12）。充电前期,充电电流

几乎全部用于充电电极反应，随充电过程的进行，用于充电电极反应的能量逐渐减少，多余的

能量将全部以电解水的形式被吸收，以保持输入能量与消耗能量保持平衡。

这种充电方法简单，能够将所有蓄电池完全充电。主要缺点是，充电效率很低，后期大量

电能用于电解水，电极的腐蚀十分严重，电池寿命短。

2.3.1.2 两阶段恒流充电模式

为了克服上述缺点，之后改为两阶段恒流充电（见图 2-11），一直延用到 20 世纪 90 年代

初。

两阶段恒流充电方法是，先以恒流的方法进行充电（图 2-7 的 1-2 区间），当蓄电池进入

“沸腾状态”后（图 2-7 的 2 时刻），将充电电流减小到初始充电电流的一半继续进行充电。

当再次进入“沸腾状态”，且连续两小时所有蓄电池电池充电电压不再升高时（图 2-7 的 2-6

区间），充电结束。

这种充电方法能量平衡原理与

图 2-13 相同. 这种充电方法与恒流充电比，

充电效率、蓄电池腐蚀问题得到有

效改善，但只是程度减轻而已。在

汞整流器、硒整流器和硅二极管技

术时代，在只能采用可变电阻器或

抽头变压器、磁放大器调整电流的技术

条件下，已是最先进的充电技术和充电

设备了。

上述两种充电方法的充电终结条

件，都是以所有蓄电池单体均处于“沸

腾状态”，且充电电压连续两小时不再

升高为充电结束条件，即充分利用其足

够大的“自动均衡能力”，使全部蓄电

池完全充电。

随电子技术和自动控制技术的发

展，特别是可控硅新型大功率电力电子器件的出现和大规模推广使用，充电设备的控制技术得

图 2-14 恒流限压充电模式

充

电

电

流

充电时间

电解水吸收的能量

充电电极反应吸收的能量

图 2-13 铅蓄电池充电过程能量平衡示意图

29

到快速发展，为连续自动调整电压和电流成为可能，随之出现了控制技术更先进的多阶段自动

恒压充电方法和充电设备，自动恒流限压充电方法和充电设备，实现了自动调节电压和电流。

2.3.1.3 恒流压限流自动充电模式（如图 2-14）：

充电电流基本恒定，最高允许充电电压限制在蓄电池额定充电电压与串联蓄电池个数的乘

积范围内。充电初期，充电电压缓慢上升，充电电流基本恒定，当充电电压等于最高允许充电

电压时，充电电流开始自动减小，以维持充电电压不再升高。

采用这种充电方法，充电效率得到显著提高，蓄电池的腐蚀大幅减小，同时也产生以下问

题（如图-15）：

由于蓄电池存在不均衡性，虽然充电电

压等于额定充电电压，即平均电压等于蓄电

池额定充电压值时，其中一部分蓄电池充电

电压等于或高于平均值，基本能够实现完全

充电。另一部分蓄电池充电电压将低于平均

电压而不能实现完全充电，由此产生了落后

电池。

恒流限压充电模式，不保证蓄电池组中

所有蓄电池实现完全充电，不能满足铅蓄电

池对充电的要求。

恒流充电方法、分阶段恒流充电方法的主要问题是存在严重的过充电。

过充电,对铅蓄电池使用寿命有很大影响（如图 2-15）。当放电深度为 50%时，若不发生

过充电，蓄电池使用寿命超过 430 个充放电循环。当过充电系数为 7.6%时，蓄电池循环使用寿

命下降到 230 左右，下降 47%左右。

2.3.2 铅蓄电池对放电的基本要求

对铅蓄电池的寿命影响最大的是放电

电流大小、放电深度和蓄电池温度。

（1） 放电深度对寿命的影响

铅蓄电池放电深度对寿命影响很大，

随放电深度的增加，适用寿命随之减小。

正常使用的铅蓄电池，额定放电深度为

80%。

图 2-15 恒流限压充电模式蓄电池的电压

图 2-16 铅蓄电池放电深度对循环寿命的影响

30

图 2-16，是铅蓄电池放电深度与寿命的关系曲线。

从图中可以看出，放电深度对铅蓄电池循环寿命影响很大。当放电深度从 100%下降到 50%，

使用寿命将缩短 70%左右。

（2） 放电电流对容量和寿命的影响

放电电流对铅蓄电池寿命也有重要

影响。

放电电流密度对 PbSO4 在正极分布

的 影 响 如 图 2-17 。 在 电 流 小 于 4I20 时,PbSO4在整个电极厚度内均匀分布。

随放电电流增加，PbSO4在电极厚度

内的分布不均匀度增大，在靠近电解溶液

两边的 PbSO4浓度较大，而电极厚度的中

部 PbSO4含量降低。其主要原因是由于越

靠近中心部位，电解液中 H2SO4越不能及时补

充，反应速率下降，电化学产物减少。放电

电流密度越大，反应越趋于电极表面。

当放电电流较小时（≤4I20，图中曲线 1

和 2），活性物质结晶细小、致密、分布均匀、

结合牢固，能较好地展现蓄电池的各项性能。

随放电电流增大，活性物质结晶颗粒增

大、疏松、容易脱落、在电极内分布不均匀

度增大，使用寿命缩短。

不同放电率对容量的影响如表 2-2。放

电电流对蓄电池性能影响是很大。当放电电流为 1I20时，可放出额定容量，当放电电流为 20I20 时，只能放出 57%的容量。放电电流对铅蓄电池容量的影响远大于锂离子蓄电池。

（3）温度对寿命的影响

温度对铅蓄电池寿命的影响如表 2-1。用于电动车辆的牵引型铅蓄电池，温度对寿命的影

响如图 2-18。

图 2-17 电流密度对 PbSO4 在正极分布的影响

1: 1.4A/m2 1I20 2: 60A/m2 4 I20

3: 300A/m2 20I20 4: 1800A/m2 120I20

表 2-2 放电电流大小对容量的影响

31

铅蓄电池对放电的基本要求：

2.3.2.1 对放电深度的要求：

放电深度对蓄电池寿命有重大影

响。应根据用户设备对蓄电池系统的性

能要求合理确定放电深度。一般应用

时，放电深度应控制在 80%以内。若对

蓄电池使用寿命有更高的要求，应适当

降低放电深度。

2.3.2.2 对放电电流的要求

放电电流大小，对蓄电池性能和寿

命都有重大影响。对于铅蓄电池，随放

电电流的增大，实际容量将随之减小（如表 2-2），使用寿命也将缩短。应用中应根据用户设

备对蓄电池系统的具体要求，综合性能要求与寿命要求，选择合理的放电电流。放电电流一般

不宜超过蓄电池产品技术文件的规定。除特殊需要外，一般不应经常采用超过蓄电池产品技术

文件规定的放电电流。

2.3.2.3 对使用寿命的要求

蓄电池的使用寿命与工作环境条件、技术条件密切相关。根据使用寿命要求，为蓄电池提

供最佳的环境条件、技术条件，防止工作电压、电流、温度和放电深度超过允许范围，是蓄电

池储能电源系统研究需要解决的主要问题。

2.3.2.4 对放电温度的要求

蓄电池放电过程中的温度，对蓄电池性能和使用寿命都有较大影响，在充电过程中，温

度度应控制在产品技术文件规定的范围内。

2.3.2.5 及时补充充电

较大放电深度后，应尽快补充充电，若超过 24 小没有补充充电，电极可能产生不可逆硫

酸盐化。

2.4 阀控铅蓄电池对充电和放电的基本要求

铅酸蓄电池自 1860 年研究成功以来，经过 150 年左右的不断发展，至尽仍是应用最广泛

的蓄电池产品。

铅蓄电池存在两个主要缺点：

图 2-18 温度对牵引铅蓄电池寿命的影响

32

（1）充电过程中存在电解水过程，虽然其基于电解水的自动均衡作用有效降低了对充电

技术和充电设备的要求，但同时使充电效率大幅降低（充电后期，超过 90%的充电电能用于电

解水，充电效率不到 10%），不仅产生大量氢气和氧气，造成不安全问题，而且水消耗量很大，

需要经常补充水，电解液调整困难。

（2）排出的酸雾和溢漏的电解液造成的酸液腐蚀和污染十分严重。

1912 年 Thomas Edison 提出第一个在蓄电池上部安装铂丝或海棉状物,使充电过程电解水

产生的氢和氧再化合成水返回电解液中。到 1971 年美国盖茨公司研制出第一个园柱型密封铅

蓄电池，其后 20 年间，阀控蓄电池技术得到快速发展。

阀控铅蓄电池不仅克服了铅蓄电池上述两个主要缺点，性能也得到很大提高：

（1） 储能效率得到很大提高（已经可以提高到 60%～80%）；

（2） 基本实现了密封，酸污染和铅污染大幅减小；

（3） 电极腐蚀大幅减小，超细钎维隔膜的应用，和较大的隔膜压缩率要求，有效减轻了

活性物质的脱落，使用寿命大幅延长；

（4） 具有少维护的显著特点；

（5） 比功率和比能量得到显著提高。

阀控铅蓄电池虽然仍属于铅酸体系蓄电池，充电和放电电极反应机理仍与铅蓄电池相同，

其特点是，采用了氧循环技术、贫液技术和阀控密封技术，结构和工作机理发生了重大改变，

具有与铅蓄电池不同的特性，对蓄电池应用技术也有完全不同的要求。

了解阀控铅蓄电池与铅蓄电池的主要不同特性，对掌握其正确应用技术具有重要意义。

阀控铅蓄电池与铅蓄电池的主要区别是采用了氧循环技术和贫液技术，实现了阀控密封。

2.4.1 氧循环基本原理

氧循环的基本原理如表 2-3。

表 2-3 阀控蓄电池氧循环原理

33

一般认为，在密封蓄电池中，负极起着双重作用，即在充电末期或过充时，负极一方面与

正极传输过来的 O2 起反应而被氧化，另一方面又接受外来电路传输来的电子进行还原。这一

反应在铅酸体系蓄电池和碱性蓄电池中是一致的。

从表中反应式看出，在碱性蓄电池中析 O2消耗的 OH

-与在铅蓄电池中析 O2消耗的 H2O，均在

负极中获得再生。

上述氧循环的机理称为化学机理，即负极活性物质与氧进行化学反应的中间步骤。但也有

认为是电化学机理，即如表中最后净反应那样，氧直接在负极活性物质上进行还原。

铅酸体系蓄电池和碱性蓄电池虽然氧还原机理相同，但密封方式是有区别的。

在碱性蓄电池中，由于镉的平衡电势比氢正约 100mV，所以不会析出氢气。而铅的平衡电

势比氢负 350mV，充电态超过 90%就有氢气析出的可能。为了安全，不能让氢气在电池中积聚，

此外还考虑到有机物在正极氧化产生 CO2，所以铅蓄电池采用阀控结构，而碱性蓄电池一般采

用密封结构。

认识氧循环机理，对研究阀控铅蓄电池成组应用技术具有十分重要意义。

2.4.2 贫液技术

若要使氧的复合反应能顺利进行,必须使氧能够从正极移动到负极。氧的移动越容易,越顺

畅,氧的复合就越容易。单位时间内氧从正极向负极迁移的数量越多，允许充电的电流就越大。

氧的迁移有液相通道和气相通道。液相通道受液体扩散速度和隔板孔隙率及孔隙通道的限

制，迁移数量十分有限。传统富液电池只能在液相中进行氧迁移，只能在很低的电流水平下进

行氧的复合。

阀控铅蓄电池采用孔隙率达到

94%，由大小不同孔径的超细硅硼钎维

制成的隔膜。其中小孔充满电解液，

较大的孔留做气体通道，使氧可以在

气相状态迁移，可以实现很大的电流

充电。

电解液的饱和度与复合电流的关

系如图 2-19。为了保持足够的气体通

道，必须严格限制电解液的加注量，

通常控制在 60%～90%之间的贫液状

态。

图 2-19 隔膜不同侵透率时的复合电流

34

采用氧复合技术实现阀控密封，采用贫液技术使氧在气相态下迁移，以满足最大充电电流

下仍能完全氧循环，是阀控铅蓄电池的特点。

2.4.3 影响氧复合的主要因素

了解影响氧复合的主要因素，是研究阀控铅蓄电池充电技术，正确使用阀控蓄电池的基

础。

影响阀控铅蓄电池氧复合的主要因素有:

2.4.3.1 超细玻璃钎维隔膜被电解液饱和的程度。

电解液饱和程度决定了复合电流的大小。过度饱和变成了富液电池，氧只能在液相态下迁

移，氧复合能力很差，实现完全氧复合

的充电电流很小，对蓄电池的性有很大

影响。

电解液饱和度过低，电解质和 H2SO4 的溶解量过少，不能达到额定容量。图

2-20 给出了电解液加注量与容量和氧复

合度的关系。从图中可以看出，当饱和

度为 80%，充电电流为 1I20时，产生的氧

可全部被复合，可提供总容量的 75%。

2.4.3.2 氧分压的影响

从图 2-21 可以看出，氧分压与氧复合电流大小有直接关系。提高氧分压，可以提高氧复

合效率。但为了安全，氧分压不能过高。

国家标准对氧分压有明确规定，在修改

铁路用阀控铅蓄电池时，为了提高氧复

合效率，提高了氧分压。

表 2-4 是铁路机车用阀控铅蓄电

池在不同温度下，用不同浮充电电压时，

氧分压数值。

应用过程中，检查阀控装置是否正

常，及时维护开阀压力过小的阀，对防

止电池早期失效有重要作用。

图 2-20 阀控铅蓄电池电解液体积

对氧复合和容量的影响

图 2-21 氧分压对氧复合能力的影响

电解液密度 1.310g/cm3，隔膜饱和度 93%，负极面积

0.218m2

,充电电压 2.34V

35

表 2-4 不同温度时不同浮充电电压时的氧分压 kPa

厂名 A 厂 B 厂

温度 27 35 45 55 27 35 45 55

氧

分

压

kpa

2.30V 0.7463 1.2553 2.5106

2.35V 0.4704 0.9807 0.2746 0.4315 2.3929 3.6482 10.003

2.40V 0.8826 0.1177 1.0395 4.0209 0.7453 3.2167 2.5106

2.45V 2.0399 0.4315 1.8241 4.1189 0.9219 3.7855 3.9228

2.50V 1.0592 2.5106 2.7480 6.5903

2.4.3.3 隔膜的压缩率

超细玻璃钎维隔膜必须与电极紧密接触,使电极与隔膜的孔隙小于超细玻璃钎维隔膜中的

大孔。若隔膜与电极间隙过大，正极产生的氧将由该空隙向上排泻到电池顶部空腔内，而不能

迁移到负极进行氧复合。一般压缩率在 15%～20%

最好，10%～30%还能保证性能。若电池变形，使隔

膜压缩率降低，将严重影响氧符合。防止电池变形

造成隔膜的压缩率减小，对防止阀控铅蓄电池早期

失效有重要作用。

2.4.3.4 充电电流对氧复合的影响

在充电时，正极上的析氧速率与施加的充电

电流成正比（如图 2-22），即充电电流越大、单

位时间内析出的氧越多。受氧由正极传输到负极，

并在负极表面液膜中进行还原的速度的限制，即氧

复合的速度慢于氧析出的速度，充电电流必须限制的合理水平。若充电电流大于可接受充电电

流，氧复合效率会显著降低。

充电初始可接受充电电流一般不大于 6I20。不同蓄电池和同一蓄电池在充电过程中的不同

时刻的可接受充电电流是不同的。蓄电池产品技术文件中规定的充电电流值，仅是参考值。实

际应用中，确定蓄电池组实际可接受充电电流是一个十分复杂的技术问题。对于应用中的蓄电

池，实际可接受充电电流只能根据蓄电池在充电过程中的实际状态确定。

确定实际可接受充电电流值的依据是充电电流必须等于或小于氧复合可接受的最大电流。

若充电电流过大，将破坏蓄电池在充电过程中正常氧循环过程。其表观特征是蓄电池密封阀频

繁开启。

图 2-22 充电电流与复合率的关系

36

为维持阀控铅蓄电池充电过程中保持氧循环的平衡，应防止发生充电电流超过实际可接受

充电电流。较大的充电电流只能用于应急需求。除应急需要外，不应采用快速充电（即充电电

流大于可接受充电电流）。从蓄电池应用技术研究考虑，“快速充电”改称“应急充电”更利

于蓄电池正确应用。

在 1987 年，第二炮兵充电技术研究研究成功了一种根据蓄电池充电过程中超电势大小判

定充电电流大小充电控制方法。在实际应用中取得了良好的控制效果效果。该充电控制方法的

原理是，充电过程中，依据蓄电池超电势大小控制充电电流，即若超电势过大，说明氧复合能

力不能接受过大的充电电流，应减小充电电流。相反，若超电势过小，说明充电电流过小，没

有充分发挥氧复合的能力，可增大充电电流。上述方法当时定义为智能充电方法。

2.4.3.5 充电电压对氧复合率的影响

充电电压对氧复合影响很大。氧复

合率与充电电压和电流的关系如图2-23。

从图中可以看到，当充电电流小于 1I20，

充电电压低于 2.40V,产生的氧可以 100%

被复合。

蓄电池的实际性能状态合充电过程

中的环境条件对蓄电池充电电压值有冲

要影响。蓄电池充电过程中合理的充电电

压值，应以蓄电池氧复合保持平衡为原

则。若充电电压过高，将破坏氧循环平衡，蓄电池内部由于过剩的氢和氧积聚，使压力增大，

造成密封阀频繁开启，失水量增加。

认识充电电压对氧复合率的重要影响，对研究阀控铅蓄电池成组应用技术至关重要。

2.4.3.6 板栅合金对氧复合的影响

为满足对蓄电池性能的不同应用需求，阀控铅蓄电池的板栅采用不同合金。板栅合金对氧

复合虽然没有显著的直接影响，但不同合金板栅的超电势具有显著差别，具可接受最高充电电

压具有显著差别。若忽视不同的蓄电池可接受充电电压的差异，可能造成充电电压超过氧循环

平衡允许充电电压值。氧分压对氧复合的影响见图 2-21（见 2.4.3.2）。在应用中,应重视不

同板栅合金对氧复合的影响问题。低锑合金赖过放电能力比铅钙合金水解反应电压也要低很

多。电解液浓度、负极组方，正负极活性物质比例等对氧符合影响也较大。

2.4.4 阀控铅蓄电池的寿命和失效模式

图 2-23 氧复合效率与充电电压、电流的关系

37

图 2-24 充放电深度对阀控铅蓄电池寿命的影响

阀控铅蓄电池运行方式不同，影响使用寿命的主要因素也不同。

阀控铅蓄电池循环使用时,影响寿命的主要因素是：

（1） 充电电流放电电流的大小；

充电电流的对阀控铅蓄电池寿命的影响，最主要是对氧复合效率的影响见图 2-23(见

2.3.4.5)。过低的氧复合效率，将使蓄电池使用寿命大幅缩短。

充放电电流对电极反应生成的活性物质有很大影响:

充放电电流较小，生成的活性物质颗粒细小，致密，联结牢固紧密。

放放电电流大，生成的活性物质颗粒粗大、松软、连接不牢固，容易脱落。

与铅蓄电池不同，阀控铅蓄电池由于采用了超细玻璃铅维隔膜和紧装配技术，不容易产生

因活性物质松软而脱落的问题。

当充电电流超过氧复合允许的最大充电电流，充电过程产生的氧将不能被完全复合，将造

成氧分压过高，阀频繁开启，造成失水率过大

而使蓄电池过早失效。

基于上述原因，阀控铅蓄电池是不应频繁

采用“快速充电（实质是提高充电电流）”。

为了满足特殊情况下的特殊需要，采用超

过正常充放电电流对蓄电池进行充电是难以

避免的。

作者认为采用“应急充电”替代“快

速充电”更贴切。

“应急充电”字面理解是可在特殊情

况下应用，但正常情况下不应采用的充电

模式； 而“快速充电”字面理解为可正

常使用的充电模式。

（2） 充放电深度；

充放电深度对循环应用的蓄电池寿

命有很大影响（如图 2-24）。当充放电深

度为 80%使，使用寿命若为 100%，当循环

深度为 100%时，循环寿命下降到 70%左右，

当充放电循环深度减小到 60%时，充放电

图 2-24 放电深度和充电电压

对阀控铅蓄电池寿命的影响（25℃时）

放电深度：1-25%；2-60%；3-80%；4-100%

38

循环寿命增加到 170%左右。当充放电循环深度下降到 25%时，充放电循环寿命增加到 375%左右。

（3） 充电电压

充电电压对阀控铅蓄电池寿命的影响也很大。见图 2-25，充放电循环深度为 80%时，当充

电电压不超过 2.44V 时若使用寿命为 100%,当充电电压升高到 2.50V 时，使用寿命下降到 65%

左右。当充电电压低于 2.35V, 使用寿命下降到 10%左右。应根据具体情况确定合理的充电电

压，对阀控铅蓄电池的寿命非常重要。

值得注意的是，从图 2-24 课题看出,阀控铅蓄电池的电电压过高和过低都会严重影响蓄电

池的寿命。

阀控铅蓄电池连续浮充电使用时,影响寿命的主要因素是：

（1）充电电压

阀控铅蓄电池浮充电使用时,浮充电电压对蓄电池使用寿命的影响最大。铅在 H2SO4中的阳

极氧化反应如图 2-26。

充电时正极电势高于 1.655V,放电态的 PbSO4 将氧化为 PbO2。

按铅的阳极氧化按产物不同，相对于 Hg│

HgSO4电极可分为 4 个电势区：

第 1 电势区：-700mV～-200mV 电势区，形成物

为 PbSO4。

第 2 电势区：-200mV～695mV 电势区。在这个

电势区，最初形成的 PbSO4层的下面或孔中生成四

方体 PbO 的厚层或碱式硫酸铅。碱式硫酸铅具有限

制 H2SO4 扩散的特性。在高电势区，可以看到α

-PbO2。一般认为，在这个电势区，铅是钝化的。

第 3 电势区：695mV～1100mV 之间，由 PbO

直接生成α-PbO2膜，电极处于钝化。

第 4 电势区：高 1165mV，PbSO4和碱式硫酸

铅氧化成β-PbO2，达到超钝化，这时有氧析出，

并且腐蚀速度随电势增大而迅速增大。

第 3 电势区与第 4 电势区之间，内有一个腐

蚀速度最小的电势区，在实际应用中具有十分重

要的意义：对于工作于浮充电状态的蓄电池，若

高于该电势区，正极腐蚀速度迅速增加，但低于

该电势区，容易生成，α-PbO2。 阀控铅蓄电池主要失效方式有：

图 2-26 铅在 H2SO4中的阳极氧化

695mV

1100m

VV

-200mV

1165mV

图 2-27 浮充电压对阀控铅蓄电池寿命的影响

39

(1) 失水;

(2) 早期容量损失;

(3) 热失控;

(4) 单体电池不平衡;

(5) 负极不可逆硫酸化;

(6) 板栅腐蚀。

2.4.4.1 失水

是失水的主要途径是,阀控密封阀频繁开启，从中排出氢气、氧气、水蒸汽、酸雾。

蓄电池失水后，电解液和硫酸含量减少，造成蓄电池容量减小，甚至造成蓄电池干沽而失

效。

氧复合效率与充电电压关系很大。

充电电压过低，虽然充电电流减小，氧析出少，利于氧复合，但个别电池由于长期处于充

电不足的状态造成电极钝

化而失效。

充电电压选择过高，

充电电流过大，气体析出

量增加，若氧不能完全复

合，氧分压会增高，造成

安全阀开启频繁，失水量

急剧增加，正极腐蚀也加

快。

一般认为失水量超过 15%，电池寿命即终结。

浮充电电压对阀控铅蓄电池寿命的影响如图 2-27。

蓄电池壳气体和液体渗透率对于长寿命蓄电池是不可忽视的，壳体材料的选择十分重要。

表 2-5 是部分壳体材料的性能。目前，多数小型阀控铅蓄电池使用的是 ABS 材料，也有使用 PP

材料的。

由于温度对水分解电压有

影响，对于长期处于浮充电的电

池，应根据温度变化，对浮充电

电 压 进 行 适 当 调 整 （ 参 见 表

2-6），温度每升高 1℃，浮充电

电压应减小 3mV 左右。

温度(℃) 单体电池电压 V 温度(℃) 单体电池电压 V

5 2.36 30 2.23

10 2.34 35 2.21

20 2.27 40 2.19

25 2.25

表 2-6 工作温度对充电电压的影响

性能

材料 数 值

水蒸气相对渗

透率

%

相对渗透

率

%

机械强度

抗拉强度

MPa

抗冲击强度

MPa

ABS 16.6 0.35 16.56～64.97 70～120

PP 1.00 1 22.74～33.03 10～70

PVC 4.22 4.41 20.68～34.50 3～10

表 2-5 部分蓄电池壳体材料性能

40

板栅腐蚀反应过程为：

Pb+2H2O→PbO2+4H

++4e。

从反应式中说明，板栅腐蚀会消耗大量水分。减小腐蚀，对降低水分消耗也很重要。

正极自放电析出的氧，可以在负极再化合而不会造成失水，但负极析出的氢在正极被氧化

的速度很小，会在在蓄电池内积聚，并从安全阀排除而失水，尤其在高温下存储，自放电加速。

例如：一只 100A·h 的蓄电池在 40℃存放 3 个月，容量损失为 40%（即 40A·h），氢气析

出量为：

16.7升

2 26.8

40 22.4

2 









F

C V

折合成水为 13.4 克/单体。虽然可以再充电恢复容量，但水的损失是不可恢复的。

2.4.4.2 早期容量失效 （PCL/RIMU）

为了降低最高充电压，降低析气率，阀控铅蓄电池一般采用低锑合金或甚低锑合金，发生

容量早期丧失的几率大大增加。在铅钙合金中加入锡后，容量早期丧失的问题有所改善，但也

不能完全杜绝。

容量早期损失 PCL（Prcmature Capacity Loss），也有称为可松弛的非充分物质利用 RIMU

（Relaxabe Infafficient Mass Utilization）：

采用低锑合金、甚低锑合金（锑含量小于 2%）和铅钙合金板栅的阀控铅蓄电池，若充电和

放电不正确，循环寿命明显缩短。

对发生 PCL 的蓄电池检查发现，没有正极活性物质软化脱落、板栅明显腐蚀等现象，电池

开路电压正常，只是放电时容量明显下降。严重时，每个充放电循环容量损失可达到 5%左右。

其主要原因是活性物质容量衰退。

发生容量早期丧失问题与蓄电池应用有关的主要原因有：

（1）连续高速率（过大的电流）放电。

（2）连续深放电；

（3）充电开始时过低的电流密度；

（4）低速率放电时高的活性物质利用率，电解液中 H2SO4量过多，没有起到限制容量的作

用；

（5）活性物质松软（密度过低）装配压力过低。

PCL 与活性物质的钝化的区别在于：

41

活性物质的钝化表现：在充电和放电的初期。蓄电池放电初期开始电压就严重下降，恒流

充电时蓄电池电压上升很快，恒压充电开始充电时电流很小。

而 PCL 在充电初期和放电初期没有明显变化，只是放电容量很快下降。

4.4.4.3 热失控

热失控在大多数电池体系中都存在。

阀控铅蓄电池发生热失控的可能性大大增加，这是由于：氧符合过程使电池内产生更多热；

排除气体比铅蓄电池少很多，由气体排放散热功能大幅减小，比铅蓄电池比能量高，散热面积

减小很多；采用贫液技术，蓄电解液饱和度等于或小于 80%，通过电解液热扩散的能力减小。

因蓄电池内部热量增加使温度升高，导致内阻下降；内阻的下降导致充电电流的进一步增

加；反过来使温度进一步升

高，内阻进一步下降，电流

增大；如此恶性循环，使蓄

电池热失控，造成严重失

水、电池变形、开裂等问题。

2.4.4.4 落后电池

阀控铅蓄电池充电电

压有严格限制，循环充放电

时 充电 电 压一 般 规定 为

2.40V,浮充电时,充电电压

更 低 （ 一 般 为 2.25V ～

2.27V）,图 2-4 所示的充电特性

曲线,和图 2-5 所示的铅蓄电池

充电特性等效电路，已不适用于

阀控铅蓄电池。

铅蓄电池充电超过 80%左

右，超电势已经开始达到水分解

电位，为了防止发生水分解，必

须将超电势限制在水分解电压

以下，如图 2-28，当蓄电池基

本完成充电（约额定容量的 75%

图 2-28 阀控铅蓄电池充电电流曲线

图 2-29 阀控铅蓄电池组单体电池电压状态

42

左右），电解质开始发挥限制容量的功能，若继续充电，电压将按铅蓄电池的充电特性继续快

速上升，进入电解水的电位阶段。这种状态在阀控铅蓄电池中是不允许的，必须将电压限制在

水分解电压以下（不能超过 2.4V）。由此，阀控铅蓄电池没有铅蓄电池的自动均衡特性。了解

上述特性，对研究阀控铅蓄电池成组应用技术十分重要。

由于阀控铅蓄电池不具备自动均衡功能，当若干个蓄电池串联时应用时，充电和放电过程

中将出现单体蓄电池的不一致（不均衡）问题（如图 2-29）。

图中等于平均电压的电池仅 4%,高于平均电压的电池占 54%,低于平均电压的电池占 42%。

与锂离子蓄电池不同，阀控铅蓄电池充电电压过高，过低，过充电、欠充电，都会造成蓄电池

早期失效。

充电过程中，会发生部分电池过充电，部分电池欠充电。铅酸体系蓄电池过充电和欠充电，

都会伤害蓄电池。

放电过程中，会造成个别蓄电池过放电。铅酸体系蓄电池过放电，也会严重伤害蓄电池。

2.4.4.5 负极不可逆硫酸盐化

若负极充电不足，可能发生不可逆硫酸盐化，造成蓄电池容量下降，甚至失效。

发生负极不可逆硫酸盐化的主要原因有：

① 充电电压过低,或浮充电电压过低，蓄电池在欠充电条件下长时间处于浮充电状态，造

成部分电池充电不足；

② 析氢超电势下降，而氧还原效率又高，这时在负极上进行 3 个反应：

PbSO4+2e+2H

+→Pb+H2SO4 2H++2e→H2 O2 2e 2H H2O

2

1

 

 

由于后两个反应进行顺利，造成第一个反应，即 PbSO4的还原反应减慢而造成充电不足。

③ 由于阀控铅蓄电池采用了贫液技术，析气对电解液的搅拌作用基本没有，电解液的分

层问题依然存在，下部硫酸浓度高，造成硫化。

2.4.4.6 板栅腐蚀

大型固定蓄电池主要是按板栅腐蚀速度进行使用寿命设计的。例如低锑合金在 25℃时，年

腐蚀率约为 0.05mm，板栅截面内接半径为 1.52mm，设计使用寿命为 20 年。

若浮充电电压过高，温度过高，都会加速板栅的腐蚀，缩短蓄电池使用寿命。

作者曾参加对运行于京广线上的客车阀控铅蓄电池进行了分解检查，分解的所有蓄电池全

部失效的原因都是正极板栅腐蚀造成的。

43

从上面分析知道，阀控铅蓄电池对充电电压、充电电流、温度、充放电深度有严格要求。

循环使用时，充放电深度对使用寿命影响最大。浮充电应用时，温度、充电电压对寿命影响最

大。

阀控铅蓄电池充电电压过高、过低、过充电、欠充电，对寿命影响都很大。阀控铅蓄电池

对充放电和环境温度的要求，比锂离子蓄电池要求还要高，管理比锂离子蓄电池还要困难。

2.4.5 阀控铅蓄电池对充电的基本要求

2.4.5.1 充电电压

阀控铅蓄电池对充电电压的要求比锂离子蓄电池对充电电压的要求高很多。充电电压不能

过高，也不能过低,而且与温度密切相关（见 2.4.4.1 节表 2-6）。

循环充放电应用时，在室温（25℃±5℃）下，一般规定充电电压不宜超过 2.40V；从降

低腐蚀角度考虑,浮充电应用时，浮充电压一般要求为 2.25V～2.27V。

蓄电池产品技术文件中推荐充电电压在实际应用中不一定符合蓄电池的实际情况,仅为参

考数值。

实际应用中，若蓄电池的充电电压没有超过推荐电压，但密封阀频繁开启，则说明充电电

压仍偏高，应适当降低。

正确的充电电压值，应蓄电池的充电电压在推荐值左右，且密封阀未发现频繁开启为宜。

值得注意的是，阀控铅蓄电池的板栅和电极材料不同，充电电压是不同的，如采用低锑合

金板栅的阀控铅蓄电池的充电电压，低于采用铅钙合金板栅的蓄电池。

2.4.5.2 充电电流

阀控铅蓄电池对充电电流的要求也是各种蓄电池中最严格的。充电电流主要受氧复合能力

的限制，若充电电流超过可接受充电电流（即氧复合的最大能力），蓄电池将加速失水。

产品技术文件中一般对充电电流有具体规定。

蓄电池的可接受充电电流与蓄电池的性能和环境状态密切相关.实际应用中,应以维持氧

循环的平衡为确定充电电流为基本原则。

充电过程中，若充电电压在没有达到 2.40V，密封阀已经频繁开启，则说明充电电流大于

可接受充电电流，应及时减小充电电流。

2.4.5.3 防止欠充电

阀控铅蓄电池的欠充电，会造成电极不可逆硫酸盐结晶,使蓄电池失效。应防止发生过欠

电问题。

44

即是一致性符合要求的蓄电池，串联的阀控铅蓄电池，虽然充电电流是相等的，但由于存

在充电效率的差异，使用过程中发生欠充电的可能性大大增加。定期进行均衡化充电，对阀控

铅蓄电池具有重要意义。对于工作在连续浮充电状态的阀控铅蓄电池,安装自动均衡装置对维

护蓄电池正常工作状态具有适用意义.

2.4.5.4 防止温度超过最高允许值

温度对蓄电池的性能和寿命有很大影响（见 2.4.4.1 节表 2-6），特别是应用于浮充电模

式的阀控铅蓄电池，应防止温度超过允许范围。根据蓄电池的工作温度适时调整浮充电电压, 对防止发生过充电和欠充电十分重要.

2.5 金属氢化物-镍蓄电池对充电

和放电的基本要求

以具有吸、脱氢能力的金属氢化

物为活性物质的电池金属氢化物-镍

蓄电池（MH-Ni）是一种绿色无污染高

性能蓄电池。

将氢作为蓄电池负极活性物质，

是实现水-氢循环能量体系的重要方

法。水-氢循环可达到 100%，可以实现

全密封，一度得到快速发展。

金属氢化物-镍蓄电池与铅系蓄

电池和锂系蓄电池都不同，其充电

特性曲线具有典型负电压增量（－

△V）特性(见 2.2.1 节图 2-6，图

2-7)，且对温度最敏感，当放电中

止电压高于 1.1V 时，仍具有记忆效

应。。

2.5.1 充电特性曲线

镍系蓄电池充电曲线如图

2-30，具有明显的负电压增量（－

△V）特性，即充电后期电压将(随

温度的快速升高)急剧上升，当充电

图 2-30 镍系蓄电池充电电压曲线

图 2-31 金属氢化物-镍蓄电池不完全充电试验

45

完成后，温度升高到一定的值后,蓄电池电压将开始快速下降,即负电压增量（－△V）特性。

认识和了解这种负电压增量特性，对研究具有该类充电特性曲线蓄电池的充电控制技术具

有重要意义。

2.5.2 记忆效应

一度认为金属氢化物-镍蓄电池没有记忆效应。根据大量试验证明，当金属氢化物-镍蓄电

池放电电压高于 1.10V 时,表现出明显的记忆效应(如图 2-31)。

从第 2 个充放循环开始到 18 次充放电循环,放电终止电压为 1.15V，容量减小了 20%，表

现出了明显的记忆效应。

然后，经 3 次完全充电后，容量又基本得到恢复。

2.5.3 对充电和放电的要求

在讨论金属氢化物-镍蓄电池对充放电的要求前，应重点把握以下几点：

（1）金属氢化物-镍蓄电池电压对温度很敏感。

（2）金属氢化物-镍蓄电池充电曲线具有典型的负电压增量（－△V）特性；

（3）金属氢化物-镍蓄电池的上述两个特性，使其在充电过程中最容发生温度失控。

（4）虽然金属氢化物-镍蓄电池记忆效应不如镉镍蓄电池明显，但当放电电压高于 1.1V

时,仍表现出记忆效应。

2.5.3.1 充电电流和放电电流

由于镉的平衡电势比氢正约 100mV，所以在充电过程中不会析出氢气。金属氢化物-镍蓄

电池可以实现大电流充电和放电,是其显著优势之一。充电电流和放电电流只要不超过蓄电池

供应商在产品使用说明书中规定的值即可。与阀控铅蓄电池比，对充电电流和放电电流的要求

相对较低。

2.5.3.2 充电电压

氢化物-镍蓄电池的充电电压与温度关系密切，充电特性曲线具有典型的负电压增量（－

△V）特性，充电过程中，一般不适用于依据规定充电电压终止结电，而应依据发生负电压增

量（－△V）的拐点或负电压增量（－△V）值控制充电终止时间。这一点明显有别于其它蓄电

池。

2.5.3.3 放电电压

氢化物-镍蓄电池可以完全放电而不会伤害蓄电池，对放电电压的最低值没有严格的要求，

一般根据用电设备对电压下限的要求决定放电终止时刻。但应防止发生蓄电池电压反极性，即

蓄电池电压低于零。

46

2.5.3.4 温度

氢化物-镍蓄电池对温度十分敏感。若温度超过最高允许值，可能发生电解质的分解，产

生大量氢、氧，造成电池变形、炸裂、爆炸、燃烧等问题。

蓄电池供应商在产品技术文件中，对最高允许温度有具体要求，使用中，应防止发生蓄电

池超过规定的最高允许温度。

值得注意的是，在高功率应用时，过大的温度上述率和很大的温度采样滞后时间，容易造

成电池实际温度远大于采样值的问题。有效的解决办法是严密监视蓄电池充电电压变化，一旦

出现负电压增量（－△V）的拐点或负电压增量，即应立即停止充电过程。否则，将可能发生

温度失控。

2.6 锂离子蓄电池对充电和放电的基本要求

锂离子蓄电池实质上是一种离子浓差型蓄电池，即锂离子在正极和负极的离子在充电态和

放电时处于不同的浓差状态。

锂离子蓄电池的正极和负极采用两种不同的锂离子可嵌入化合物组成。

充电时，理离子(Li

+)从正极化合物中脱出，经过电解质迁移并嵌入负极化合物中。正极

化合物中的锂离子处于低浓度状态，负极化合物中的锂离子处于高浓度状态。

放电时相反，锂离子(Li

+)从负极化合物中脱出，经过电解质迁移并嵌入正极化合物中。

负极化合物中的度锂离子处于低浓度状态，正极化合

物中的锂离子处于高浓度状态。

与其它电化学电源不同，锂离子蓄电池在正常充

放电过程中，锂离子在正极和负极化合物的孔隙中迁

移，不会破坏化合物的晶体结构，其化学结构基本不

发生变化。从上述特性看，锂离子蓄电池充放电过程

是一种近于理想的可逆反应过程。

锂离子蓄电池具有性能最好、使用寿命长、比能量和比功率高、绿色无污染的特点。是当

前节能与新能源产业和蓄电池储能电源产业关注的热点。

当前技术比较成熟，应用最广的有钴酸锂蓄电池、锰酸锂蓄电池、磷酸亚铁锂蓄电池和三

元聚合物蓄电池等。新体系的锂离子蓄电池将不断出现。锂离子蓄电池将形成一个是体系最多

的蓄电池家族。

2.6.1 充电特性

图 2-32 锰酸锂蓄电池充放电曲线

47

锰酸锂蓄电池典型充放电曲线如图 2-32，磷酸亚铁锂蓄电池充电和放电曲线如图 2-33。

充电开始阶段，蓄电池电压将快速上升,然

后,随充电的进行,蓄电池电压缓慢上升。当电

蓄池充电完成后,蓄电池充电电压将快速上升。

从图中看到，当蓄电池电压超过 4.20V 后, 采用恒流充电继续进行充电,蓄电池电压会继

续上升。

磷酸亚铁锂蓄电池充电曲线如图 2-33 是。当充电电压超过 3.6V 后,蓄电池电压会快速上

升。上升的速率远大于锰酸锂蓄电池。即，对充电设备控制的响应速度是最高的。

图 2-34 是锰酸锂蓄电池过充电曲线。当电压超过 6 伏后,电压很快上升到 10V 以上，蓄电

池内部压力将急剧升高，电池壳可能发生爆裂。

虽然充电电压超过值只要限制在一定的范

围，短时间内看不出蓄电池性能有明显衰退，但

根据根据 USA Popypore 理事会主席 张正铭博

士研究成果，当充电电压超过允许充电电压 85mV

后，对锂离子蓄电池的性能即有伤害。锰酸锂蓄

电池额定充电电压一般不应超过 4.20V，磷酸亚

铁锂蓄电池充电电压不应超过 3.90V。

与铅蓄电池、阀控铅蓄电池和金属氢化物- 镍蓄电池不同，锂离子蓄电池允许充电电流大很多，一般推荐用 1I3 以下的电流充电,可获得最

佳性能和使用寿命。充电电压低于规定值和欠充电时，除容量会有所降低外，对蓄电池性能没

有其他不良影响，反而会显著延长蓄电池寿命会。

2.6.2 放电特性

锂离子蓄电池的独特优势是具有很大的功率密

度，在较大的放电电流下仍可提供较大的能量。能量

型锂离子蓄电池在 9I3的电流放电时，仍能放出 81%

的能量（如表 2-7）。而铅酸蓄电池以同样倍率电流

放电，只能放出 30%以下的能量。

锂离子蓄电池充电电压超过允许值对电池的伤

害比铅蓄电池大得多，主要表现为性能加速衰变，使

图 2-34 锂离子蓄电池过充电电压曲线

图 2-33 磷酸亚铁锂蓄电池充电曲线

图-35 电动车燃烧

48

用寿命缩短，甚至发生蓄电池燃烧，炸裂（或爆炸）等恶性事故。

一般认为，蓄电池燃烧、爆炸主要发生在充电过程中。2011 年 4 月 11 日杭州纯电动出租

车燃烧事件是发生在正常行驶过程中。近几年发生的电动汽车燃烧案例证明，锂离子蓄电池在

放电过程中同样存在发生燃烧、爆炸的危险。图 2-35 是行驶中发生燃烧的电动车。

表 2-7 是 150Ah 磷酸亚铁锂蓄电池不同放电电流时的容量。

序

号

放电电流 实际容量

实际能量

W.h

比能量

Wh/kg

放电能量为实际容量的

比率（%）

1 50A 148.56Ah 4770W.h 88.99Wh/kg 100

2 100A 143.21Ah 4580W.h 85.47Wh/kg 96

3 150A 145.44Ah 4560W.h 85.07Wh/kg 96

4 300A 143.95Ah 4340W.h 81.89Wh/kg 91

5 450A 148.14Ah 3870W.h 72.20Wh/kg 81

防止单体蓄电池发生充放电电流超过允许值，是蓄电池的安全运行的重条件。

2.6.3 温度特性

锂离子蓄电池工作温度显著优于阀控铅蓄电池。在允许工作温度之内，锂离子蓄电池充电

电压和放电电压对温度的敏感较

低。充电电压和放电电压不需要随

锂离子在充电和放电电过程中你

工作温度调整。

虽然如磷酸亚铁锂蓄电池的

功率特性与温度有密切关系，随蓄

电池工作温度降低，比功率准随之

降低，但是，只要注意充放电电流

不要超过实际允许充放电电流值，

对性能衰变和使用寿命不会产生

明显影响。

应注意的是，蓄电池的实际允许充电电流值包括实际额定充放电电流和最大允许充放电电

流，在工作状态中存在很大差别。

温度对锂离子蓄电池的影响如图 2-36，主要是对安全性的影响。

（1）锂离子蓄电池在初始充电过程中，在负极上与电解质反应，形成一层固体电解质界

面膜（SEI 膜）。SEI 膜在 90℃～120 ℃的较低温度下可能发生分解并释放出热量，使蓄电池

的温度升高，但 SEI 膜分解产生的热量较少。

间 时 电 充

温

度 负 极 粘 接 剂 与 电 解 液 反 应

电 解 液 分 解 / 电 解 液 与 正 极 反 应

SE I 膜 发 生 分 解

≥ 3 0 0 ℃

≥ 2 0 0 ℃

≥ 9 0 ℃

蓄 电 池 工 作 温 度 应 低 于 6 0 ℃

60 ℃

图 2-36 温度对锂离子蓄电池的影响