AGV車用鋰離子動力電池的研制

張俊英，張 娜，鄒玉峰，劉 萍， 袁樹明

(天津力神電池股份有限公司，天津300384)

AGV車用鋰離子動力電池的研制

張俊英，張 娜，鄒玉峰，劉 萍， 袁樹明

(天津力神電池股份有限公司，天津300384)

報道了自動導引運輸車(AGV)用鋰離子動力電池的研制。通過優(yōu)化電池結構設計，優(yōu)選正負極配方，降低了電池內阻，提高了電池倍率充電性能，使電池5 C恒流充電容量達到總充電容量的92%以上。按照AGV電源使用方式進行2.5C大電流充電3 min、0.12C小電流放電60 min不間斷循環(huán)測試，測試循環(huán)過程中的溫度變化，循環(huán)測試1 000次，電池溫升只有不到2℃，循環(huán)1 000次后測試電池1C容量幾乎沒有衰減。

自動導引運輸車(AGV)；鋰離子動力電池；大電流充電性能

從20世紀80年代以來，自動導引運輸車(automatic guided vehicle，AGV)系統(tǒng)已經發(fā)展成為生產物流系統(tǒng)中最大的專業(yè)分支之一，并出現產業(yè)化發(fā)展的趨勢，成為現代化企業(yè)自動化裝備不可缺少的重要組成部分。AGV在歐美發(fā)達國家發(fā)展最為迅速，應用最為廣泛；在亞洲的日本和韓國也得到迅猛的發(fā)展，尤其是在日本，AGV的產品規(guī)格、品種、技術水平、裝備數量及自動化程度等方面較為豐富，已經達到標準化、系列化、流水線生產的程度。在我國，隨著物流系統(tǒng)的迅速發(fā)展，AGV的應用范圍也在不斷擴展，如汽車、煙草、化工、印刷、航空等行業(yè)[1]。

AGV一般以電池為動力，主要采用鉛酸電池和鎘鎳電池。但AGV對電池的要求比較高，要求電池具有較大容量，同時必須具備頻繁高倍率充電接受能力[1]，而且電池連續(xù)24 h使用，這些都會造成鉛酸電池使用壽命短，要頻繁更換電池；鎘鎳電池維護間隔縮短，一般2個月就需要維護一次，同時由于環(huán)保原因，也開始在限制使用鎘鎳電池。

由于各國新能源汽車的發(fā)展，鋰離子動力電池技術也得到了較大的提高，磷酸鐵鋰(LFP)動力電池以其比能量高、比功率高、循環(huán)壽命好、對環(huán)境無污染等優(yōu)點，成為電動汽車的首選電源。盡管其他用途的鋰離子動力電池技術已經比較成熟，但AGV電池要求大電流充電以及長期連續(xù)使用，所以目前鋰離子動力電池在AGV上的應用還不是很普遍。本文針對AGV鋰離子動力電池的應用特點進行研究。

1 電池設計

(1)AGV應用主要是大電流充電24 h連續(xù)不間斷，所以該系列鋰離子動力電池與常規(guī)動力電池的不同點在于，電池首先要滿足大電流充電的要求，同時還要滿足長壽命的要求。在設計時首先考慮降低電池內阻，影響鋰離子電池內阻的因素有結構設計、極片電阻、電解液、電池殼、極耳、匯流體等，我們主要從結構設計、電極配方、電解液等幾方面進行降低內阻設計。其中極片電阻是重要的影響因素之一，所以我們通過優(yōu)化采用復合導電劑[2]以及對正極集流體箔材進行處理降低極片電阻，從而降低電池內阻，提高電池大電流充電效率，提高壽命[3]。

(2)優(yōu)化結構設計，改進正負集流體與匯流片的連接方式，減少連接電阻，這樣整體降低電池內阻，降低大電流充、放電的極化，提高電池大電流充電效率，提高壽命。

(3)電池設計容量為80 Ah；為了保證電池確能滿足AGV的24 h連續(xù)使用以及長壽命的要求，采用盡可能薄的正負極片，較厚的銅鋁箔基體，提高極片孔隙率，對正極集流體鋁箔進行處理，提高極片粘結力，降低極片電阻，保證盡可能大的反應面積，從而降低單位面積反應電流密度；大電流充電對正負極活性材料的影響較大，隨著頻繁的大電流充電，電池內阻增加[4]，從而很難保證電池在大電流充電時有較高的充電效率。通過改進正負極活性材料及配方[5]，提高了電池的大電流充電效率，使經過頻繁大電流充電的電池內阻緩慢增加，提高電池壽命。

(4)優(yōu)化電解液配方，提高電解液離子電導率[6]；同時優(yōu)化電池化成工藝[7]，使電極表面形成穩(wěn)定良好的SEI膜，良好穩(wěn)定的SEI膜可以避免其在循環(huán)過程中結構重組，從而降低鋰離子電池的不可逆容量，改善循環(huán)性能[8]。

(5)為了保證電池的安全性，電池蓋上設計有專門的防爆閥。防爆閥采用鋁膜與電池蓋焊接結構，防爆閥的爆破壓力設計為0.3～0.6 MPa，此結構能夠很好地保證鋰離子動力電池的安全性。

2 電池性能

本文根據AGV應用要求對電池進行性能測試，主要是高倍率放電性能、大電流充電效率及溫升，連續(xù)大電流充放的可靠性、循環(huán)壽命測試等。

電池不同倍率放電性能見表1，電池不同倍率充電效率見表2。

表1 電池不同倍率放電性能

表2 電池不同倍率充電效率

圖1為不同倍率放電曲線，圖2為不同倍率充電曲線。由于我們在電池結構設計、正極材料配方以及集流體處理、電解液組成等方面進行優(yōu)化改進，電池的大電流充電效率得到了很大的提高，電池在常溫下以5C充電，恒流充電容量占總充電容量的92.3%，間隔0.5 h，1C放電容量為81.8 Ah，計算充電效率達到99.8%。

圖1 AGV電池倍率放電曲線

圖2 AGV電池倍率充電曲線

圖3為電池按照AGV使用方法連續(xù)充放測試，通過該測試看到電池在大電流快充、小電流放電循環(huán)中的溫升很小，連續(xù)測試50次循環(huán)，電池溫升不到1℃。

圖3 80 Ah電池快充循環(huán)電壓和溫度曲線

鋰離子動力電池的使用壽命是其在AGV中是否能夠廣泛推廣應用的一個關鍵因素，我們按照兩種不同方式進行測試：(1)如圖3所示，按照AGV使用方式，2.5C充電3 min、0.12C放電60 min連續(xù)大電流充放電循環(huán)，測試連續(xù)進行100次，電池溫升只有不到1℃，從圖中曲線也可以看出在以AGV使用方式測試電池時，每個充放周期電池溫度變化很??；按此方式循環(huán)1 000次后測試電池1C容量為初始容量的99.2%，如圖4。(2)在常溫25℃以1C/1C充放制度對研制的電池進行壽命測試，測試中每50次循環(huán)后測試電池的放電態(tài)交流阻抗，循環(huán)充放容量和內阻曲線如圖5所示；在測試前及完成1 000、2 000次循環(huán)充放后對電池進行混合脈沖功率性能(HPPC)測試，評估電池的大電流充放電性能，常溫25℃不同循環(huán)次數的HPPC曲線如圖6所示，按照此測試數據可以計算循環(huán)后電池的50%SOC充放電功率衰減很少，循環(huán)充放2 000次后50%SOC HPPC充放電功率能力還能達到循環(huán)前的90%。

圖4 AGV電池快充循環(huán)1 000次前后1C放電

圖5 AGV電池常溫1C/1C循環(huán)

圖6 AGV電池不同循環(huán)充放功率能力測試

根據電動汽車用鋰離子蓄電池標準，對電池進行安全性能測試，包括短路、過充、針刺、擠壓以及熱箱測試，測試要求及結果見表3。從表3可以看出，電池安全性能良好，可以滿足電動汽車用鋰離子蓄電池標準的要求。

表3 AGV-80 Ah鋰離子動力電池安全性能測試

3 結論

通過調整、改進電池設計，增大電池反應面積；優(yōu)化正極復合導電添加劑，對正極鋁箔進行處理，增加極片粘結力、降低極片電阻以降低電池內阻，電池表現出極佳的倍率充放電性能，6C連續(xù)放電容量能夠達到1C容量的99%，4C恒流充電容量比例達到96%、5C恒流充電容量比例達到92%。

通過優(yōu)化電池結構設計，優(yōu)化工藝，研制開發(fā)出適應AGV用80 Ah鋰離子動力電池，其按照AGV使用條件進行2.5C充電3 min、0.12C放電60 min連續(xù)大電流充電循環(huán)，循環(huán)1 000次，電池溫升不到2℃，1 000次后測試1C放電容量幾乎沒有衰減，達到初始1C容量的99.2%；1C充放循環(huán)2 500次，達到初始容量的85.7%，循環(huán)充放2 000次后50%SOC HPPC充放電功率能力還能達到循環(huán)前的90%。說明此電池完全能夠滿足AGV應用要求。

[1]田華亭.AGV用超級電容與蓄電池電電混合的實驗研究[D].昆明：昆明理工大學，2010.

[2]張慶堂，瞿美臻.鋰離子電池導電劑研究進展[J].化學通報，2006，69：81.

[3]管道安，劉強.20 Ah鋰離子動力電池倍率放電容量衰減的研究[J].廣州化工，2008，36(3)：1-4.

[4]NING G，HARAN B，POPOV B N，et al.Capacity fade study of lithium-ion batteries cycled at high discharge rates[J].J Power Sources，2003，117(1/2)：160-169.

[5]宋懷河，楊樹斌.影響鋰離子電池高倍率充放電性能的因素[J].電源技術，2009，33：443-447.

[6]LEWANDOWSKI A,S'WIDERSKA-MOCEK A.Ionic liquids as electrolytes for Li-ion batteries-an overview of electrochemical studies[J].Journal of Power sources,2009,194:601-609.

[7]ZHANG S S,XU K,JOW T R.Optimization of the forming conditions of the solid-state interface in the Li-ion batteries[J].Journal of Power Sources,2004,130:281-285.

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Research of lithium-ion power battery for AGV

ZHANG Jun-ying,ZHANG Na,ZOU Yu-feng,LIU Ping,YUAN Shu-ming
(TianJin Lishen Battery Joint-Stock Co.,Ltd.,Tianjin 300384,China)

The research of lithium-ion power battery for automatic guided vehicle(AGV)was introduced.The internal resistance was reduced and the characteristic of rate charging was improved by selecting the compounding of negative and positive electrode:CC(constant charge capacity)/CT(total charge capacity)reaches more than 92%at 5C.The battery was charged for 3 min at 2.5Cand discharged for 60 min at 0.12Caccording to the AGV using way,and continuous charge and discharge test was conducted in this way. After 1 000 cycles in this way, the temperature rise of the battery is less than 2℃,and the discharge capacity at 1Cdoesn't almost decrease.

automatic guided vehicle;lithium-ion power battery;high current charging performance

TM 912

A

1002-087 X(2015)08-1639-02

2015-01-20

張俊英(1968—)，女，天津市人，高級工程師，主要研究方向為鋰離子動力電池研發(fā)。