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電池研究院:12V電瓶還能再戰半世紀?

2022-02-10 00:10:11 作者:黃恒樂

電池研究院:12V電瓶還能再戰半世紀?

 
鉛酸電池的發明

  在月球背面南半部,有一座大約形成在39億年前的大型隕石撞擊坑,1970年被命名為“普朗特隕石坑”,也叫“普朗特環形山”。

  這座隕石坑的命名來自法國物理學家雷蒙德-路易斯·加斯頓·普朗特(Raymond-Louis Gaston Planté,1834-1889),對現代汽車工業作出杰出貢獻的鉛酸電池發明者。

  加斯頓·普朗特出生在比利牛斯-大西洋省,就是現代法蘭西版圖最左下角的那塊地,隸屬于阿基坦大區,歷史中曾經跟著阿基坦的埃莉諾歸入英國版圖,后回歸法蘭西。

  加斯頓·普朗特是個天才,本科就讀于索邦大學,16歲就獲文學學士學位,19歲再獲得理學學士學位,21歲就拿到理學碩士學位,26歲成為巴黎國立工藝美術學院的物理學教授。

  26歲成為物理學教授很神嗎?不算,因為加斯頓·普朗特在25歲就發明了鉛酸蓄電池(Lead-acid battery),他發明的商用化可充電蓄電池在日后由卡爾·本茨先生發明的汽車之上,得到了全球范圍內的推廣。

  比天高的功績,刻在月球上也是正常的。

 
鉛酸電池的推廣

  鉛酸電池是“一種”二次電池,也是“第一種”二次電池,因為在鉛酸配方之前的二次電池都沒正式量產,而鉛酸配方經過法國化學家卡米爾·阿爾方斯·福爾Camille Alphonse Faure(1840–1898)的改良之后實現了量產,大規模量產的企業來自盧森堡工程師、發明家、企業家亨利·都鐸(Henri Owen Tudor,1859-1928),都鐸先生(這個姓氏也可以翻譯成“帝舵”)改良的鉛酸電池居然用了5年2個月才報廢,解決了二次電池的壽命過短問題。

  鉛酸電池量產之后的第一件事就是為??炕疖囌九_的列車廂體提供臨時照明電源,與此同時也有相當一部分用來制造電動汽車,圖為使用都鐸鉛酸電池驅動的純電動轎車。

  下圖為俄羅斯都鐸電池廠所造電池上的標簽,那時候的東歐西歐不是割裂的,歐洲各王各皇都是親戚關系,直至1917年11月阿芙樂爾號巡洋艦一聲炮響,革命來了。

  在二次電池量產之前,所有電動汽車都是試驗品而已,因為它們所使用的一次電池是用完就報廢的。鉛酸電池的到來,宣告了動力電池的誕生,因為它真的可以驅動一輛汽車行走數十公里,是牛馬的替代動力。

  早期的內燃機汽車產品并沒有電氣系統,啟動用搖柄解決(就是現在的手扶拖拉機“鑰匙”),喇叭用鈴鐺解決,大燈則由內燃機直接供電。

  1918年,AMC的前身,也即是哈德遜汽車公司(Hudson Motor Car Company),將6V電壓帶進量產車裝配序列,并逐步催生了車載電燈和車載啟動機的裝配,鉛酸電池的產量開始提升。進入50年代之后,動輒6-8L排量的美式大V8發動機讓6V電壓系統腰腿酸痛,預算工程師串聯兩個6V鉛酸電池,就成了12V鉛酸電池,一直沿用至今。

  當然,12V不是鉛酸電池的唯一電壓,一些載重車輛的柴油發動機很大很重,你可以串聯兩個12V變成24V電池,也可以串聯三個變成36V。

 
鉛酸電池的原理

  為什么鉛酸電池只能用來驅動高爾夫車,不能用作乘用車的動力總成呢?

  也不是不行,下圖的日產Tama(1947年)就用了鉛酸電池來驅動,但最高時速只有34km/h,續航65km,車底下的鉛酸電池組下方有滑輪組,可以相對輕松地把用光電的電池搬出來,插上滿電的。

  原因是鉛酸電池的能量密度非常低,即使過了一個半世紀,當前鉛酸電池也只能做到35-40Wh/kg左右(80-90Wh/L左右),太重了,電量太少了。

  就拿我們常用的12V鉛酸電池來說,容量僅有0.6-1.2kWh(一般豪華品牌中大型車才用到1kWh以上),輸出功率也不過5kW(當然也有超過10kW的冷啟動功率),啟動汽油機是夠用的,在車里聽歌也能聽大半小時,但空調只能撐幾十秒就讓壓縮機停擺了,因為這不是深循環電池。

  鉛酸電池的產業鏈極為成熟,結構也非常簡單。在充滿電的狀態下,鉛酸電池的負極板是鉛,正極板是二氧化鉛,電解質溶液具有較高濃度的硫酸水溶液,其中儲存了大部分化學能。

  如果過度充電,就會把部分水電解成氧氣和氫氣,這時候就要用純凈水重新加滿才能補足電解液。

  放電時,正負極板都會變成硫酸鉛(II)(PbSO4),電解液失去硫酸得到水,電能釋放。

  鉛酸電池里面滿是液體,密度高,重量大,能量密度捉急,但它的穩定性特別好,循環次數也多,全球產業鏈成熟,成本相對比較低,所以在很多行業都有運用,比如:

  1、啟動電池:用在汽車啟動機部分,比想同尺寸的深循環電池更輕,使用壽命更長,一般能挺個3-5年。

  2、動力電池:兩輪與三輪電動車比較喜歡用,新國標規定四輪電動車要用鋰電池,此外還有高爾夫球車、電動叉車等等用途。動力電池一定是深循環電池,必須挖掘儲能潛力。

  3、儲能電池:用在房車和船舶上的儲能電池,設計得比啟動電池更大容量,但又不如深循環電池充放那么深,壽命/儲能介于兩者之間。

  4、備用電源:不間斷電源UPS、通訊基站、報警器也用鉛酸電池作為儲能,目前逐漸被鋰離子電池替代。這種電池很看重循環次數,壽命越長越好。

  此節最后放一個很逗比的視頻。在只實現了工業化0.5的國家,大叔們居然會徒手翻新鉛酸電池,果真是猛人。

  老八古法翻新自卸車電瓶,材料從頭到尾自己把關。手工植前灌硫酸

 
EFB與AGM技術流派之爭

  往時的汽車內部只有磁帶機和收音機,即使如此你也經常要帶一條“過江龍”來防止孱弱的車載電池掉鏈子。進入21世紀之后,新車上的電氣設備(包含影音娛樂系統、主動安全系統、座椅加熱按摩等等)急劇增加,發動機自啟停系統逐漸成為主流乘用車標配項,車載12V電瓶也必須同步升級才能適應這個時代。

  當然,12V鉛酸電池從上世紀90年代開始到現在已經有了一些改變。以前的車載電池只需要在啟動熱機之后就沒有出大力的活兒干了,現在的12V電池要經常發力應對城市擁堵環境下的自啟停工況。適時關閉發動機,比如在紅燈前排隊時關閉,或者有滑行功能的車輛在到達紅燈位之前提前關閉,可以一定程度上提升熱機的熱效率,節省燃油,減少排放。

  僅僅在德國,溫室氣體排放在2020年已經減少了40%。碳排放目標對汽車工業產生了巨大的沖擊,汽車排放被認為是重大污染排放源,即使汽車業界并不認同這種指責。對于普羅大眾而言,無排放的電動汽車依然有點點距離(暫時不是銷量主體),如今可行性最佳的節能減排方案是發動機自啟停技術,對應的是新型12V鉛酸電池——EFB電池(Enhanced Flooded Battery)和AGM電池(Absorbent Glass Mat Battery)。

  我們先從便宜的EFB開始聊。EFB是增強型富液鉛酸電池,結構與舊款鉛酸電池并無本質區別。這里說的舊款電池,指的是SLI電池(Start Lighting Igniton)和AMG電池(Alternator Management System),這兩種都不兼容自啟停系統。

  EFB的“Enhanced”指的是電池針對充電極限和循環壽命進行了優化,以此應對頻繁自啟停隨之而來的高頻率高電流充放電,因為發動機的每個自啟停動作都會對應有高電流浪涌。

  當發動機熄火,剛剛提到的所有車載電氣系統就要單靠12V鉛酸電池供電了。如果你安裝了一組90年代的舊款鉛酸電池,它會抽搐至死,因為功率和容量都達不到現代車型的電力需求。這種舊款電池不是不能裝,而是裝了就等著被車載電氣系統折騰報廢吧,它的老化速度超出你想象,所以當前乘用車最低配也得上一塊EFB電池。

  當你購買中大型車輛、豪華品牌車型、性能車型等等產品時,會發現艙內放置了一塊AGM電池。AGM意思是“吸附式玻璃纖維隔板技術”(Absorbent Glass Mat),用了一種玻璃纖維隔板(Glass Mat Separator),可以吸收酸性溶劑進而防漏。

  AGM與EFB的第二個不同在于鉛極板的壓緊程度。正因為AGM鉛極板被更加緊密地壓實壓緊,因此電池更加抗震,也有助于促進電化學反應,因此AGM電池的循環壽命比EFB更高,可以更長時間地正常充放電。

  EFB和AGM是啟動用濕電池的兩種不同工藝下的產物,原理倒是一樣的。充滿電時一般開路電壓在12.8V左右,如果降低至12.4V以下就會自動充電。

  剛剛我們提到SLI系列電池是不支持自啟停的,所以下圖左側SLI的充電曲線是“啟動消耗能量 - 充電 - 平緩”,而下圖右側的自啟停電池(EFB和AGM)的充電曲線在不斷循環“啟動消耗能量 – 充電 – 平緩 – 動能回收充電”這幾個步驟。

  相比EFB電池,AGM的化學特性更加活躍,經受得住更高頻率的自啟停和動能回收系統的高浪涌電流。

   

  可以給標配EFB的車換AGM嗎?

  答案是:可以臨時用下,但老化得比較快。

  我們先來了解一下EFB和AGM鉛酸電池的不同之處:

  1、AGM是當前最強的民用12V電瓶技術,價格是EFB電瓶的1.5倍左右。

  2、AGM理論壽命4-6年,EFB理論壽命3-5年,如果鉛酸電池設計在后艙(前置發動機方案),因為沒有發動機日以繼夜高溫烘烤,壽命會更長。

  3、AGM無酸液滲漏,冷啟動功能更強, 高電流浪涌耐受能力更強。

  可見,EFB和AGM在功能上是基本一致的,性能上有差別,性價比毫無疑問是EFB更高,但標配AGM的車型不可以長時間向下兼容EFB,而標配EFB的車型可以向上兼容AMG。

  此外,如果你們也像我這樣,上次第一件事綁安全帶,第二件事點火,第三件事一定是關掉自啟停系統,那么可以把用廢的EFB/AGM自啟停鉛酸電池更換成更低成本的SLI電池嗎?

  答案:不可以,因為現代汽車產品的車載電氣系統電力需求(負載)很高,即使不使用自啟停系統會減少瞬間大電流的需求,其他用車載電氣系統也是很消耗電能的,舊款鉛酸電池撐不起這大任。

 
一些常見問題
A
 
12V電瓶一般停放多久會沒電?

  這個指標考驗鉛酸電池的自放電率,也就是荷電保持能力。

  理論上鉛酸電池的自放電率在20-30%之間,也就是一個月掉20-30%之間,但實際用起來遠不止這個比例。

  一般情況下,狀態健康的12V鉛酸電池,靜置30天之后勉強還能啟動,超過30天就有點懸了。如果一臺車靜置不開只有15天甚至10天就打不著火了,那還是趕緊換12V鉛酸電池吧。

B
 
鉛酸電池快撲街的征兆有哪些?

  1、發動機點火無力,甚至要點幾次才點著。

  2、在未啟動發動機的前提下按喇叭,聲音無力。

  3、有些儀表有蓄電池報警燈,有些顯示的是蓄電池電壓。

  4、去保養的時候,有些經銷商后廠工人會幫你用電表量一下電壓,然后寫在報告里面。

  5、循環壽命用完之后,電池就完犢子了,這時候我們會說電池壽命EOL(End Of Life)。有的案例是在行車過程中蓄電池沒電的,也就是開著開著的時候,機艙內部高溫成為了電池充不進去電的最后一根壓死駱駝的稻草,這時候儀表盤和大燈會時亮時暗。

C
 
48V輕混動車還需要12V鉛酸電池嗎?

  1、需要,當前所有48V輕混車都需要12V鉛酸電池。

  2、48V電池一般采用鋰離子電池組,為發動機自啟停、空調、電子防傾桿、空氣懸架等高負載部件服務。

  3、12V鉛酸電池用來給門鎖、防盜器、音響等等低負載部件供電。

  4、48V輕混車的12V鉛酸電池依然是損耗品,使用數年之后需要更換。

D
 
新能源汽車還需要12V鉛酸電池嗎?

  1、需要,連純電動車也同樣需要12V鉛酸電池。

  2、當12V鉛酸電池電量不足時,新能源車的高壓動力電池會為它充電,但根據不同廠家設定的邏輯不同,有些新能源車居然會因為12V電池沒電而開不了門鎖的,這事情我們遇到過。

  3、像汽車防盜系統、門鎖這些低負載電氣總成,根本不需要用到200V-400V的動力電池高壓電,因此新能源車停駛期間都會讓高壓電“下電”來節省電量損耗,只使用12V進行車輛監控。

  4、與48V輕混車一樣,新能源車的12V鉛酸電池依然是損耗品。

E
 
古老的鉛酸電池還有未來嗎?

  1、此前有賽化車輛使用12V鋰電池替代沉重的鉛酸電池,如今也有民用車輛開始使用鋰電池替代了,比如比亞迪DM-i混動就使用自產的12V磷酸鐵鋰電池,重量僅有2.2±0.2kg。

  2、傳統12V鉛酸電池的產業鏈非常完備,性價比較高,即使在車輛上逐漸退役,也可以在非移動平臺上繼續使用下去,其產業規模處在衰退期。

  3、鉛酸電池的減重任務是極難實現的了,這顆科技樹能點的技能已經全點滿,接下來要做的就是用鋰離子電池去替代鉛酸。

  4、鉛酸配方的優勢在于熱失控改了非常低,極少車輛是因為鉛酸電池熱失控而自燃的。此外,鉛酸電池的工作溫度寬達-20℃-60℃,這是當前絕大多數鋰電池無法比擬的。

(文:黃恒樂)

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