電池研究院：12V電瓶還能再戰(zhàn)半世紀(jì)？

　　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(huán)形山”。

　　這座隕石坑的命名來(lái)自法國(guó)物理學(xué)家雷蒙德-路易斯·加斯頓·普朗特（Raymond-Louis Gaston Planté，1834-1889），對(duì)現(xiàn)代汽車(chē)工業(yè)作出杰出貢獻(xiàn)的鉛酸電池發(fā)明者。

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

　　加斯頓·普朗特是個(gè)天才，本科就讀于索邦大學(xué)，16歲就獲文學(xué)學(xué)士學(xué)位，19歲再獲得理學(xué)學(xué)士學(xué)位，21歲就拿到理學(xué)碩士學(xué)位，26歲成為巴黎國(guó)立工藝美術(shù)學(xué)院的物理學(xué)教授。

　　26歲成為物理學(xué)教授很神嗎？不算，因?yàn)榧铀诡D·普朗特在25歲就發(fā)明了鉛酸蓄電池（Lead-acid battery），他發(fā)明的商用化可充電蓄電池在日后由卡爾·本茨先生發(fā)明的汽車(chē)之上，得到了全球范圍內(nèi)的推廣。

　　比天高的功績(jī)，刻在月球上也是正常的。

　　鉛酸電池是“一種”二次電池，也是“第一種”二次電池，因?yàn)樵阢U酸配方之前的二次電池都沒(méi)正式量產(chǎn)，而鉛酸配方經(jīng)過(guò)法國(guó)化學(xué)家卡米爾·阿爾方斯·福爾Camille Alphonse Faure（1840–1898）的改良之后實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)，大規(guī)模量產(chǎn)的企業(yè)來(lái)自盧森堡工程師、發(fā)明家、企業(yè)家亨利·都鐸（Henri Owen Tudor，1859-1928），都鐸先生（這個(gè)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(gè)月才報(bào)廢，解決了二次電池的壽命過(guò)短問(wèn)題。

　　鉛酸電池量產(chǎn)之后的第一件事就是為?？炕疖?chē)站臺(tái)的列車(chē)廂體提供臨時(shí)照明電源，與此同時(shí)也有相當(dāng)一部分用來(lái)制造電動(dòng)汽車(chē)，圖為使用都鐸鉛酸電池驅(qū)動(dòng)的純電動(dòng)轎車(chē)。

　　下圖為俄羅斯都鐸電池廠所造電池上的標(biāo)簽，那時(shí)候的東歐西歐不是割裂的，歐洲各王各皇都是親戚關(guān)系，直至1917年11月阿芙樂(lè)爾號(hào)巡洋艦一聲炮響，革命來(lái)了。

　　在二次電池量產(chǎn)之前，所有電動(dòng)汽車(chē)都是試驗(yàn)品而已，因?yàn)樗鼈兯褂玫囊淮坞姵厥怯猛昃蛨?bào)廢的。鉛酸電池的到來(lái)，宣告了動(dòng)力電池的誕生，因?yàn)樗娴目梢则?qū)動(dòng)一輛汽車(chē)行走數(shù)十公里，是牛馬的替代動(dòng)力。

　　早期的內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)產(chǎn)品并沒(méi)有電氣系統(tǒng)，啟動(dòng)用搖柄解決（就是現(xiàn)在的手扶拖拉機(jī)“鑰匙”），喇叭用鈴鐺解決，大燈則由內(nèi)燃機(jī)直接供電。

　　1918年，AMC的前身，也即是哈德遜汽車(chē)公司（Hudson Motor Car Company），將6V電壓帶進(jìn)量產(chǎn)車(chē)裝配序列，并逐步催生了車(chē)載電燈和車(chē)載啟動(dòng)機(jī)的裝配，鉛酸電池的產(chǎn)量開(kāi)始提升。進(jìn)入50年代之后，動(dòng)輒6-8L排量的美式大V8發(fā)動(dòng)機(jī)讓6V電壓系統(tǒng)腰腿酸痛，預(yù)算工程師串聯(lián)兩個(gè)6V鉛酸電池，就成了12V鉛酸電池，一直沿用至今。

　　當(dāng)然，12V不是鉛酸電池的唯一電壓，一些載重車(chē)輛的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)很大很重，你可以串聯(lián)兩個(gè)12V變成24V電池，也可以串聯(lián)三個(gè)變成36V。

　　為什么鉛酸電池只能用來(lái)驅(qū)動(dòng)高爾夫車(chē)，不能用作乘用車(chē)的動(dòng)力總成呢？

　　也不是不行，下圖的日產(chǎn)Tama（1947年）就用了鉛酸電池來(lái)驅(qū)動(dòng)，但最高時(shí)速只有34km/h，續(xù)航65km，車(chē)底下的鉛酸電池組下方有滑輪組，可以相對(duì)輕松地把用光電的電池搬出來(lái)，插上滿電的。

　　原因是鉛酸電池的能量密度非常低，即使過(guò)了一個(gè)半世紀(jì)，當(dāng)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(lái)說(shuō)，容量?jī)H有0.6-1.2kWh（一般豪華品牌中大型車(chē)才用到1kWh以上），輸出功率也不過(guò)5kW（當(dāng)然也有超過(guò)10kW的冷啟動(dòng)功率），啟動(dòng)汽油機(jī)是夠用的，在車(chē)?yán)锫?tīng)歌也能聽(tīng)大半小時(shí)，但空調(diào)只能撐幾十秒就讓壓縮機(jī)停擺了，因?yàn)檫@不是深循環(huán)電池。

　　鉛酸電池的產(chǎn)業(yè)鏈極為成熟，結(jié)構(gòu)也非常簡(jiǎn)單。在充滿電的狀態(tài)下，鉛酸電池的負(fù)極板是鉛，正極板是二氧化鉛，電解質(zhì)溶液具有較高濃度的硫酸水溶液，其中儲(chǔ)存了大部分化學(xué)能。

　　如果過(guò)度充電，就會(huì)把部分水電解成氧氣和氫氣，這時(shí)候就要用純凈水重新加滿才能補(bǔ)足電解液。

　　放電時(shí)，正負(fù)極板都會(huì)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(wěn)定性特別好，循環(huán)次數(shù)也多，全球產(chǎn)業(yè)鏈成熟，成本相對(duì)比較低，所以在很多行業(yè)都有運(yùn)用，比如：

　　1、啟動(dòng)電池：用在汽車(chē)啟動(dòng)機(jī)部分，比想同尺寸的深循環(huán)電池更輕，使用壽命更長(zhǎng)，一般能挺個(gè)3-5年。

　　2、動(dòng)力電池：兩輪與三輪電動(dòng)車(chē)比較喜歡用，新國(guó)標(biāo)規(guī)定四輪電動(dòng)車(chē)要用鋰電池，此外還有高爾夫球車(chē)、電動(dòng)叉車(chē)等等用途。動(dòng)力電池一定是深循環(huán)電池，必須挖掘儲(chǔ)能潛力。

　　3、儲(chǔ)能電池：用在房車(chē)和船舶上的儲(chǔ)能電池，設(shè)計(jì)得比啟動(dòng)電池更大容量，但又不如深循環(huán)電池充放那么深，壽命/儲(chǔ)能介于兩者之間。

　　4、備用電源：不間斷電源UPS、通訊基站、報(bào)警器也用鉛酸電池作為儲(chǔ)能，目前逐漸被鋰離子電池替代。這種電池很看重循環(huán)次數(shù)，壽命越長(zhǎng)越好。

　　此節(jié)最后放一個(gè)很逗比的視頻。在只實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化0.5的國(guó)家，大叔們居然會(huì)徒手翻新鉛酸電池，果真是猛人。

　　老八古法翻新自卸車(chē)電瓶，材料從頭到尾自己把關(guān)。手工植前灌硫酸

　　往時(shí)的汽車(chē)內(nèi)部只有磁帶機(jī)和收音機(jī)，即使如此你也經(jīng)常要帶一條“過(guò)江龍”來(lái)防止孱弱的車(chē)載電池掉鏈子。進(jìn)入21世紀(jì)之后，新車(chē)上的電氣設(shè)備（包含影音娛樂(lè)系統(tǒng)、主動(dòng)安全系統(tǒng)、座椅加熱按摩等等）急劇增加，發(fā)動(dòng)機(jī)自啟停系統(tǒng)逐漸成為主流乘用車(chē)標(biāo)配項(xiàng)，車(chē)載12V電瓶也必須同步升級(jí)才能適應(yīng)這個(gè)時(shí)代。

　　當(dāng)然，12V鉛酸電池從上世紀(jì)90年代開(kāi)始到現(xiàn)在已經(jīng)有了一些改變。以前的車(chē)載電池只需要在啟動(dòng)熱機(jī)之后就沒(méi)有出大力的活兒干了，現(xiàn)在的12V電池要經(jīng)常發(fā)力應(yīng)對(duì)城市擁堵環(huán)境下的自啟停工況。適時(shí)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，比如在紅燈前排隊(duì)時(shí)關(guān)閉，或者有滑行功能的車(chē)輛在到達(dá)紅燈位之前提前關(guān)閉，可以一定程度上提升熱機(jī)的熱效率，節(jié)省燃油，減少排放。

　　僅僅在德國(guó)，溫室氣體排放在2020年已經(jīng)減少了40%。碳排放目標(biāo)對(duì)汽車(chē)工業(yè)產(chǎn)生了巨大的沖擊，汽車(chē)排放被認(rèn)為是重大污染排放源，即使汽車(chē)業(yè)界并不認(rèn)同這種指責(zé)。對(duì)于普羅大眾而言，無(wú)排放的電動(dòng)汽車(chē)依然有點(diǎn)點(diǎn)距離（暫時(shí)不是銷(xiāo)量主體），如今可行性最佳的節(jié)能減排方案是發(fā)動(dòng)機(jī)自啟停技術(shù)，對(duì)應(yīng)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(kāi)始聊。EFB是增強(qiáng)型富液鉛酸電池，結(jié)構(gòu)與舊款鉛酸電池并無(wú)本質(zhì)區(qū)別。這里說(shuō)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(tǒng)。

　　EFB的“Enhanced”指的是電池針對(duì)充電極限和循環(huán)壽命進(jìn)行了優(yōu)化，以此應(yīng)對(duì)頻繁自啟停隨之而來(lái)的高頻率高電流充放電，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)的每個(gè)自啟停動(dòng)作都會(huì)對(duì)應(yīng)有高電流浪涌。

　　當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)熄火，剛剛提到的所有車(chē)載電氣系統(tǒng)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(huì)抽搐至死，因?yàn)楣β屎腿萘慷歼_(dá)不到現(xiàn)代車(chē)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(chē)載電氣系統(tǒng)折騰報(bào)廢吧，它的老化速度超出你想象，所以當(dāng)前乘用車(chē)最低配也得上一塊EFB電池。

　　當(dāng)你購(gòu)買(mǎi)中大型車(chē)輛、豪華品牌車(chē)型、性能車(chē)型等等產(chǎn)品時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)艙內(nèi)放置了一塊AGM電池。AGM意思是“吸附式玻璃纖維隔板技術(shù)”（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(jìn)而防漏。

　　AGM與EFB的第二個(gè)不同在于鉛極板的壓緊程度。正因?yàn)锳GM鉛極板被更加緊密地壓實(shí)壓緊，因此電池更加抗震，也有助于促進(jìn)電化學(xué)反應(yīng)，因此AGM電池的循環(huán)壽命比EFB更高，可以更長(zhǎng)時(shí)間地正常充放電。

　　EFB和AGM是啟動(dòng)用濕電池的兩種不同工藝下的產(chǎn)物，原理倒是一樣的。充滿電時(shí)一般開(kāi)路電壓在12.8V左右，如果降低至12.4V以下就會(huì)自動(dòng)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(cè)SLI的充電曲線是“啟動(dòng)消耗能量 - 充電 - 平緩”，而下圖右側(cè)的自啟停電池（EFB和AGM）的充電曲線在不斷循環(huán)“啟動(dòng)消耗能量 – 充電 – 平緩 – 動(dòng)能回收充電”這幾個(gè)步驟。

　　相比EFB電池，AGM的化學(xué)特性更加活躍，經(jīng)受得住更高頻率的自啟停和動(dòng)能回收系統(tǒng)的高浪涌電流。

　　可以給標(biāo)配EFB的車(chē)換AGM嗎？

　　答案是：可以臨時(shí)用下，但老化得比較快。

　　我們先來(lái)了解一下EFB和AGM鉛酸電池的不同之處：

　　1、AGM是當(dāng)前最強(qiáng)的民用12V電瓶技術(shù)，價(jià)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(shè)計(jì)在后艙（前置發(fā)動(dòng)機(jī)方案），因?yàn)闆](méi)有發(fā)動(dòng)機(jī)日以繼夜高溫烘烤，壽命會(huì)更長(zhǎng)。

　　3、AGM無(wú)酸液滲漏，冷啟動(dòng)功能更強(qiáng)， 高電流浪涌耐受能力更強(qiáng)。

　　可見(jiàn)，EFB和AGM在功能上是基本一致的，性能上有差別，性價(jià)比毫無(wú)疑問(wèn)是EFB更高，但標(biāo)配AGM的車(chē)型不可以長(zhǎng)時(shí)間向下兼容EFB，而標(biāo)配EFB的車(chē)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(diǎn)火，第三件事一定是關(guān)掉自啟停系統(tǒng)，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?yàn)楝F(xiàn)代汽車(chē)產(chǎn)品的車(chē)載電氣系統(tǒng)電力需求（負(fù)載）很高，即使不使用自啟停系統(tǒng)會(huì)減少瞬間大電流的需求，其他用車(chē)載電氣系統(tǒng)也是很消耗電能的，舊款鉛酸電池?fù)尾黄疬@大任。

　　這個(gè)指標(biāo)考驗(yàn)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(gè)月掉20-30%之間，但實(shí)際用起來(lái)遠(yuǎn)不止這個(gè)比例。

　　一般情況下，狀態(tài)健康的12V鉛酸電池，靜置30天之后勉強(qiáng)還能啟動(dòng)，超過(guò)30天就有點(diǎn)懸了。如果一臺(tái)車(chē)靜置不開(kāi)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。

　　1、發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火無(wú)力，甚至要點(diǎn)幾次才點(diǎn)著。

　　2、在未啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的前提下按喇叭，聲音無(wú)力。

　　3、有些儀表有蓄電池報(bào)警燈，有些顯示的是蓄電池電壓。

　　4、去保養(yǎng)的時(shí)候，有些經(jīng)銷(xiāo)商后廠工人會(huì)幫你用電表量一下電壓，然后寫(xiě)在報(bào)告里面。

　　5、循環(huán)壽命用完之后，電池就完?duì)僮恿?，這時(shí)候我們會(huì)說(shuō)電池壽命EOL（End Of Life）。有的案例是在行車(chē)過(guò)程中蓄電池沒(méi)電的，也就是開(kāi)著開(kāi)著的時(shí)候，機(jī)艙內(nèi)部高溫成為了電池充不進(jìn)去電的最后一根壓死駱駝的稻草，這時(shí)候儀表盤(pán)和大燈會(huì)時(shí)亮?xí)r暗。

　　1、需要，當(dāng)前所有48V輕混車(chē)都需要12V鉛酸電池。

　　2、48V電池一般采用鋰離子電池組，為發(fā)動(dòng)機(jī)自啟停、空調(diào)、電子防傾桿、空氣懸架等高負(fù)載部件服務(wù)。

　　3、12V鉛酸電池用來(lái)給門(mén)鎖、防盜器、音響等等低負(fù)載部件供電。

　　4、48V輕混車(chē)的12V鉛酸電池依然是損耗品，使用數(shù)年之后需要更換。

　　1、需要，連純電動(dòng)車(chē)也同樣需要12V鉛酸電池。

　　2、當(dāng)12V鉛酸電池電量不足時(shí)，新能源車(chē)的高壓動(dòng)力電池會(huì)為它充電，但根據(jù)不同廠家設(shè)定的邏輯不同，有些新能源車(chē)居然會(huì)因?yàn)?2V電池沒(méi)電而開(kāi)不了門(mén)鎖的，這事情我們遇到過(guò)。

　　3、像汽車(chē)防盜系統(tǒng)、門(mén)鎖這些低負(fù)載電氣總成，根本不需要用到200V-400V的動(dòng)力電池高壓電，因此新能源車(chē)停駛期間都會(huì)讓高壓電“下電”來(lái)節(jié)省電量損耗，只使用12V進(jìn)行車(chē)輛監(jiān)控。

　　4、與48V輕混車(chē)一樣，新能源車(chē)的12V鉛酸電池依然是損耗品。

　　1、此前有賽化車(chē)輛使用12V鋰電池替代沉重的鉛酸電池，如今也有民用車(chē)輛開(kāi)始使用鋰電池替代了，比如比亞迪DM-i混動(dòng)就使用自產(chǎn)的12V磷酸鐵鋰電池，重量?jī)H有2.2±0.2kg。

　　2、傳統(tǒng)12V鉛酸電池的產(chǎn)業(yè)鏈非常完備，性價(jià)比較高，即使在車(chē)輛上逐漸退役，也可以在非移動(dòng)平臺(tái)上繼續(xù)使用下去，其產(chǎn)業(yè)規(guī)模處在衰退期。

　　3、鉛酸電池的減重任務(wù)是極難實(shí)現(xiàn)的了，這顆科技樹(shù)能點(diǎn)的技能已經(jīng)全點(diǎn)滿，接下來(lái)要做的就是用鋰離子電池去替代鉛酸。

　　4、鉛酸配方的優(yōu)勢(shì)在于熱失控改了非常低，極少車(chē)輛是因?yàn)殂U酸電池?zé)崾Э囟匀嫉?。此外，鉛酸電池的工作溫度寬達(dá)-20℃-60℃，這是當(dāng)前絕大多數(shù)鋰電池?zé)o法比擬的。

（文：黃恒樂(lè)）