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汽車、摩托車起動用蓄電池

1.1汽車行業(yè)

汽車行業(yè)是國家列為重點發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)，隨著汽車產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，鉛酸蓄電池的用量也迅速增加，大約占整個鉛酸蓄電池用量的80%左右，到2010年汽車年產(chǎn)量將到750萬輛，社會保有量將達(dá)到6000萬輛，中國汽車的需求將僅次于美國、日本排世界第3位，假如起動用密封鉛酸蓄電池開發(fā)成功，將是一個相當(dāng)大的市場，要使汽車的電氣系統(tǒng)電壓由12V開至24V或36V，將給鉛酸蓄電池帶來新的機遇，無論使用何種電壓，都必須將電源分成兩部分，其中一部分是為大電放逐電負(fù)載服務(wù)的，如用于發(fā)動機起動，傳統(tǒng)的富液式鉛酸電池能適合這種要求，另一部分是用于低倍率深循環(huán)用途，閥控鉛酸蓄電池最適合這種用途。

1.2摩托車行業(yè)

中國事世界摩托車第一生產(chǎn)與銷售大國，1993年中國摩托車產(chǎn)量首次超過日本，中國摩托車市場仍處于需求高峰，電動摩托車是較大的潛伏市場，這一領(lǐng)域為鉛酸蓄電池開辟了新的巨大市場。目前摩托車行業(yè)使用的仍以開口電池為主，但密封電池取代開口電池已是必然的趨勢，目前我國摩托車擁有量只10~11輛/千人，而國際水平為20輛/千人，相差甚遠(yuǎn)，因此摩托車的產(chǎn)量會穩(wěn)定增長。

2、通訊用鉛酸蓄電池

中國的郵電通訊業(yè)目前正處于一個高速發(fā)展期，均勻每年的增長規(guī)模超過20%，固定資產(chǎn)投資已連續(xù)7年超過1000億元。實際上不久前據(jù)權(quán)威消息國內(nèi)電話用戶最多統(tǒng)計已達(dá)4.6億戶，其中固定電話及移動電話用戶各占一半，都超過了“十五目標(biāo)”的數(shù)字，預(yù)計在今后20年內(nèi)，中國將是世界上最大的通訊市場。

通訊行業(yè)是鉛酸蓄電池的主要用戶，特別是閥控式鉛酸蓄電池占目前市場需求總量的三分之二。中、小型密封電池在郵電系統(tǒng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域為用戶接進(jìn)網(wǎng)和通訊專網(wǎng)。用戶接進(jìn)網(wǎng)是信息產(chǎn)業(yè)部“十五”期間發(fā)展的一個重要方向，從2000年開始，這一領(lǐng)域的發(fā)展呈現(xiàn)出強勁的勢頭，特別是北京、上海、廣東、江蘇等經(jīng)濟發(fā)達(dá)地區(qū)和大、中城市，紛紛投進(jìn)到這一先進(jìn)的通訊網(wǎng)絡(luò)中，隨著信息經(jīng)濟的不斷發(fā)展，這一領(lǐng)域市場潛力巨大。

3、電力用鉛酸蓄電池

電力行業(yè)是我國重點發(fā)展的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，1998年至2002年裝機容量每年均勻在2000萬kW以上，多年來，由于城鄉(xiāng)電網(wǎng)建設(shè)與改造投進(jìn)不足，致使電網(wǎng)建設(shè)滯后于發(fā)電，限制了城市和農(nóng)村用電的需求和消費。為加大電力結(jié)構(gòu)調(diào)整力度，必須調(diào)整電力資金投向，加快城鄉(xiāng)電網(wǎng)建設(shè)與改造步伐。1998至2000年，國家電力公司投資3800億元進(jìn)行了城鄉(xiāng)電網(wǎng)改造，將建設(shè)重點從發(fā)電轉(zhuǎn)向電網(wǎng)建設(shè)。2000年至2005年每年用于西部城鄉(xiāng)電網(wǎng)改造和東部后續(xù)配套工程的投資也將達(dá)800億元。

4、鐵路內(nèi)燃機車及電力機車用鉛酸蓄電池

近幾年我國對基礎(chǔ)設(shè)施的投進(jìn)不斷加大，鐵路建設(shè)是基礎(chǔ)建設(shè)的重點之一。“十五”期間國家在鐵路系統(tǒng)的總投資將達(dá)到3600億元，電池的需求量很大，到2002年底，內(nèi)燃機車數(shù)目已超過12000輛，電力機車達(dá)4600輛。

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5、UPS電池（中小密）

UPS即不中斷電源系統(tǒng)，主要與計算機及精密儀器配套使用，蓄電池為其核心部分。近年來，隨著計算機在我國國內(nèi)的普及，UPS市場也相應(yīng)被帶動起來，UPS在中國市場發(fā)展較快。

6、電動汽車及電動自行車蓄電池

6.1 電動汽車

隨著中國經(jīng)濟的發(fā)展，燃油汽車擁有量劇增，汽車尾氣排放成為城市大氣污染的主要來源之一，為此中國政府將環(huán)境保護(hù)作為實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要內(nèi)容，國家于1996年啟動汽車重大科技產(chǎn)業(yè)化工程項目，包括概念車的研制，電動車關(guān)鍵部件攻關(guān)（電池、電池治理等）。作為電動車動力電池的研究種類很多，有鉛酸電池、鎘鎳電池、氫鎳電池、鈉-氯化鎳電池、鋰離子電池、燃料電池等。根據(jù)中國電動車發(fā)展計劃，期看將公交車、出租車作為電動車使用的首要地位，因此需要發(fā)展價格低廉的電動車電池，1991年國家將電動車鉛酸電池的研究開發(fā)列為重點項目，目前存在的最大題目是電池均勻一致性差。

6.2 電動自行車用電池

進(jìn)進(jìn)20世紀(jì)90年代以來，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們對生活質(zhì)量越來越重視。一方面從環(huán)保角度，另一方面從擁有輕便的私人交通工具出發(fā)，產(chǎn)生了對電動自行車的需求。目前電動自行車所配置的電池大部分是閥控密封鉛酸蓄電池（簡稱小密），這種鉛酸蓄電池是在密封鉛蓄電池的基礎(chǔ)上，經(jīng)過性能改進(jìn)的，特別是在比能量和循環(huán)壽命方面有所突破，國內(nèi)已有108家公司及研究所對電動自行車用閥控密封鉛蓄電池進(jìn)行開發(fā)，但目前為止都還存在著在中、高速率時比能量不夠高和深循環(huán)壽命不夠長等缺點，在很大程度上影響了電動自行車行業(yè)的高速成長。國內(nèi)自行車保有量為2億輛，每年銷售量在2500～3000萬輛，電動自行車目前的年銷售量為10萬輛左右，一旦技術(shù)成熟，將會有一個爆發(fā)性的增長，每年的需求至少可以達(dá)到200萬輛，以均勻配置24V12Ah，均勻壽命一年計，則年配套電池用量可看達(dá)到58萬kwh，社會零售量可達(dá)288萬kwh，從目前閥控鉛酸電池的技術(shù)開發(fā)情況來看，完全有可能滿足這一產(chǎn)品的需要。

7、新能源用鉛酸蓄電池

當(dāng)今世界能源的結(jié)構(gòu)正朝著綠色方向發(fā)展，綠色新能源中如風(fēng)能、太陽能正在得到開發(fā)和利用，并已成為電力產(chǎn)業(yè)重要的有機組成部分。

 國際鉛酸蓄電池發(fā)展概況
   
　　根據(jù)英國著名電池機構(gòu) BEST (Batteries and Energy Storage Technology) 2008年發(fā)表的研究報告,2007 年全球汽車用鉛酸蓄電池銷售 3.8 億只,價值 190 億美元,如果包括工業(yè)用途在內(nèi),全球鉛酸蓄電池總銷售 220 億美元。新增生產(chǎn)主要集中在巴西、俄羅斯和中國。實際上,在未來 5 年中國會取代美國,成為最大的汽車用鉛酸蓄電池市場。根據(jù)亞洲電池協(xié)會的統(tǒng)計,全球鉛蓄電池市場規(guī)模已經(jīng)從 2005年 34,570 萬 KVAH增長到 2009年的 37,290 萬 KVAH。在亞洲市場,尤其是中國市場快速發(fā)展的影響下,2012 年全球鉛蓄電池的市場規(guī)模將上升至41,370 萬KVAH,年均增長率超過 4%。
　　環(huán)境問題將是影響未來鉛酸蓄電池市場的關(guān)鍵因素,特別是減少車輛排放和改進(jìn)燃油效率,將導(dǎo)致汽車用鉛酸蓄電池市場的變化。包括“微混”(start-stop)技術(shù)在內(nèi)的汽車新技術(shù),將帶動 VRLA電池、鎳氫電池以及潛在的鋰離子電池在汽車上的應(yīng)用。先進(jìn)結(jié)構(gòu)的 VRLA電池的開發(fā),將使鉛酸蓄電池的市場份額在混合動力技術(shù)引起的汽車制造業(yè)變革中得以維持。
　　移動電話,無線互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,需要建設(shè)更多的數(shù)據(jù)中心,使得電信和UPS用途的鉛酸蓄電池用量增加。由于歐美制造業(yè)的不景氣,動力牽引蓄電池增長相對緩慢一些。

功能特點：

本設(shè)計方案采用是交流注入法，就是用激勵信號加到電池兩端，檢測電池的響應(yīng)電壓值、電流值及兩者的相位差，由阻抗公式R=U/I*cosθ計算出內(nèi)阻值。其主要的檢測對象是9V-12V、10Ah-70Ah的閥控式密封鉛酸蓄電池，檢測系統(tǒng)是檢測蓄電池在線狀態(tài)下的內(nèi)阻值、蓄電池當(dāng)前電壓值、充電電流值以及機房的環(huán)境溫度。具體如下：

檢測蓄電池內(nèi)阻值：分別檢測出蓄電池在三種狀態(tài)下的內(nèi)阻值：在線放電狀態(tài)、在線浮充狀態(tài)、離線狀態(tài), 測量范圍在1mΩ-500 mΩ。

檢測蓄電池當(dāng)前電壓值:實時檢測蓄電池于在線放電狀態(tài)、在線浮充狀態(tài)、離線狀態(tài)下的當(dāng)前電壓值，測量范圍是1V-45V。

檢測蓄電池充電電流值：分別檢測蓄電池的在線充電狀態(tài)和浮充狀態(tài)下的電流值。

檢測環(huán)境溫度值：檢測蓄電池在機房工作的環(huán)境溫度。

技術(shù)指標(biāo)：

在實現(xiàn)主要功能的情況下，各技術(shù)指標(biāo)達(dá)到如下要求：

實時顯示三種檢測狀態(tài)下的內(nèi)阻值，誤差<5 mΩ。

實時顯示三種檢測狀態(tài)下的電壓值，誤差<0.1V。

實時顯示在線充電和浮充狀態(tài)下的電流值，電流精度值達(dá)到毫安級。

實時顯示環(huán)境溫度值，誤差。

第三部分：可行性分析

設(shè)計思路：

電池的性能直接影響整個供電系統(tǒng)，而蓄電池內(nèi)阻決定了電池性能的好壞，所以，對蓄電池工作狀態(tài)在線檢測將是必要的措施。

蓄電池內(nèi)阻在線檢測系統(tǒng)能精確檢測電池的運行狀態(tài)參數(shù)和工作環(huán)境，然后把這些數(shù)據(jù)通過下位機的控制系統(tǒng)發(fā)送給PC 監(jiān)控系統(tǒng)，實行了智能化控制和管理，既保證了供電系統(tǒng)的可靠性又節(jié)省了一大筆費用。

應(yīng)用的技術(shù)分析：

蓄電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性的研究對本設(shè)計方案有著重要的促進(jìn)作用，其中阻抗分析是電化學(xué)研究中的常用方法，也是電池性能研究和產(chǎn)品設(shè)計的必要手段。圖1是典型的鉛酸電池阻抗圖，可見其包括以下幾部分：

100Hz后體現(xiàn)的電感部分;

高頻電阻RHF，即超過100Hz 后的實部;

在0.1Hz 和100Hz之間的第一個小容性環(huán)(半徑R1);

低于0.1Hz 后的第二個大容性環(huán)(半徑R2)。

圖1 蓄電池阻抗譜圖

關(guān)于蓄電池阻抗譜圖，一般的解釋為：

超過100Hz 部分呈現(xiàn)的感性是電池內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)和連接部件的影響;

歐姆電阻RHF包含連接件電阻、隔膜電阻、電解液電阻和電極與硫酸鉛晶體結(jié)合面電阻;

小容性環(huán)與電極的孔率有關(guān);

大容性環(huán)依賴于電極反應(yīng)，其速率受Pb2+離子傳質(zhì)速度限制。

通過以上的分析，可知內(nèi)阻是蓄電池的重要參數(shù)之一，為此設(shè)計內(nèi)阻檢測系統(tǒng)將是可行的。

本次設(shè)計團隊是一支優(yōu)秀的研究生團隊，其中指導(dǎo)老師早年獲得上海同濟大學(xué)博士學(xué)位，具有多年的項目開發(fā)經(jīng)驗;第一作者來自通信與信息系統(tǒng)專業(yè)，曾多次參加電子設(shè)計大賽，并在化學(xué)專業(yè)獲學(xué)士學(xué)位，對電化學(xué)很了解，具有很強地電路設(shè)計能力。第二作者早年電子信息專業(yè)本科畢業(yè)，有著四年的項目開發(fā)經(jīng)驗，現(xiàn)就讀于信號與信息處理專業(yè)，在電路檢測、信號處理方面有著豐富的開發(fā)經(jīng)驗;第三作者同樣來自通信與信息系統(tǒng)專業(yè)，有著扎實的電子理論基礎(chǔ)以及動手能力。所以，本團隊兼有該方案各方面人才，不僅具有電子設(shè)計方面的專業(yè)知識，而且在生化方面也有很深的理論基礎(chǔ)，不管在理論分析和實際操作方面都是很出色。

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