磷酸鐵鋰電池及其新能源汽車啟動(dòng)電源性能研究*

饒睦敏，汪佐龍，陳柯宇，錢 龍，李 晶

（深圳市沃特瑪電池有限公司，廣東 深圳 518118）

磷酸鐵鋰電池及其新能源汽車啟動(dòng)電源性能研究*

饒睦敏?，汪佐龍，陳柯宇，錢 龍，李 晶

（深圳市沃特瑪電池有限公司，廣東 深圳 518118）

鑒于汽車啟動(dòng)電源鉛酸電池存在嚴(yán)重環(huán)境污染隱患，本文采用環(huán)保型32650圓柱磷酸鐵鋰電池組裝成25.6 V/65 A·h電池組代替鉛酸電池應(yīng)用于汽車啟動(dòng)電源，并分別對(duì)磷酸鐵鋰電池組的常溫和低溫啟動(dòng)能力、倍率性能和低溫放電性能等進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電池組0.33 C放電容量為67.028 A·h，3 C放電容量為0.33 C放電容量的98.24%，電池組具有較好的倍率性能；電池組在?30℃放電容量為額定容量的84.7%，具有良好的低溫性能；電池組在25℃和?20℃下以600 A電流放電，單串電池電壓均高于放電保護(hù)電壓；電池組在25℃擱置28 d之后，容量恢復(fù)率為99.37%；磷酸鐵鋰電池組性能均滿足汽車啟動(dòng)電源性能要求，可以代替鉛酸電池作為汽車啟動(dòng)電源。

磷酸鐵鋰電池組；啟動(dòng)電源；性能研究

0 引 言

21世紀(jì)以來，汽車工業(yè)迅猛發(fā)展，截至2014年4月中國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量超過2.5億輛，鉛酸蓄電池由于具有較好的倍率性能長(zhǎng)期以來都作為機(jī)動(dòng)車啟動(dòng)電源被廣泛使用[1-7]。但是，鉛酸電池由于存在嚴(yán)重的環(huán)境污染隱患使其在新能源汽車的應(yīng)用發(fā)展空間受到限制，因此人們正在努力尋找環(huán)保型和節(jié)能型的可以代替鉛酸電池的新型電池。鋰離子電池由于具有比鉛酸電池更高的能量密度，使其作為動(dòng)力電池具有明顯的性能優(yōu)勢(shì)[8]。其中，磷酸鐵鋰電池具有比能量高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、安全性能好、成本低廉、環(huán)境友好性等特點(diǎn)，使其成為動(dòng)力電池的首選，并且其具有巨大的潛力成為新能源汽車的啟動(dòng)電源[9-13]。

本文參考鉛酸蓄電池啟動(dòng)電源測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)[14,15]，以磷酸鐵鋰32650/5 000 mA·h圓柱型電芯為基礎(chǔ)，運(yùn)用縱向過流橫向保護(hù)的技術(shù)工藝組裝成矩陣式為8串13并、容量為25.6 V/65 A·h、外形尺寸為230 mm×135 mm×215 mm的電池模塊，并研究電池組的常溫啟動(dòng)能力、低溫啟動(dòng)能力、容量恢復(fù)能力和倍率性能等。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 單體電芯選配、組裝

選用以磷酸鐵鋰為正極的32650/5 000 mA·h圓柱型單體電芯，對(duì)已預(yù)充老化完成的電芯以1 C倍率進(jìn)行分容（恒流恒壓充電至3.65 V，截止電流為0.03 C，靜置10 min，恒流放電至2.00 V，充放電循環(huán)3次），挑選容量為5 200～5 250 mA·h電芯放入高溫45℃環(huán)境擱置10 d，出高溫后在常溫靜置6 h，挑選開路電壓為2.90～3.00 V、內(nèi)阻為7～8 m?的電芯。將所選單體電芯組裝成8串13并、25.6 V/65 A·h電池模塊，將電池模塊裝箱并安裝好保護(hù)板、連接線。

1.2 電池組的性能測(cè)試

采用NBT60 V-600 A電池測(cè)試系統(tǒng)（寧波拜特產(chǎn)）對(duì)電池組的容量、常溫啟動(dòng)能力、低溫啟動(dòng)能力、容量恢復(fù)能力、倍率性能和低溫性能進(jìn)行測(cè)試。

電池組容量測(cè)試。在25℃下，以1 C倍率恒流恒壓充電至30.8 V，單串電壓保護(hù)上限為3.9 V；擱置20 min；以1 C倍率恒流放電至16 V，單串保護(hù)為2.0 V；擱置25 min；循環(huán)3次。

電池組常溫啟動(dòng)能力測(cè)試。在25℃下，以1 C倍率恒流恒壓充電至30.8 V，單串電壓保護(hù)上限為3.9 V；再以600 A的電流放電120 s，記錄10 s、120 s時(shí)的電壓，總壓保護(hù)16 V、單串保護(hù)電壓2.0 V。

電池組低溫啟動(dòng)能力測(cè)試。在25℃下，以1 C倍率恒流恒壓充電至30.8 V，單串電壓保護(hù)上限為3.9 V；將電池組置于?20℃ SW-250 L恒溫恒濕箱（盛世威）內(nèi)24 h；再以600 A的電流放電54 s，記錄10 s、54 s時(shí)的電壓，總壓保護(hù)16 V、單串保護(hù)電壓1.5 V。

電池組容量恢復(fù)能力測(cè)試。在25℃下，以1 C倍率恒流充電至30.8 V，單串電壓保護(hù)上限為3.9 V；擱置20 min；以1 C倍率恒流放電至16 V，單串保護(hù)為2.0 V；擱置25 min；循環(huán)3次。記錄第三次放電容量。在25℃下擱置28 d。重復(fù)擱置前充放電工步，記錄第三次放電容量。

電池組倍率性能測(cè)試。在常溫25℃下，以0.33 C恒流恒壓充電至29.2 V，單串保護(hù)3.8 V，截止電流0.03 C；分別以0.33 C、1 C、2 C、3 C倍率放電至20 V，單串保護(hù)2.0 V。

電池組低溫性能測(cè)試。在25℃下，先以0.33 C倍率對(duì)電池組進(jìn)行恒流恒壓充電至29.2 V，單串保護(hù)3.8 V；擱置20 min；以0.33 C放電至20 V，單串保護(hù)2.0 V；擱置25 min；循環(huán)3次。然后以0.33 C恒流恒壓充充電至29.2 V，單串保護(hù)3.8 V，分別在?10℃、?20℃、?30℃條件下擱置24 h后，以0.33 C放電至20 V，單串保護(hù)2.0 V，測(cè)試放電容量。

2 結(jié)果與討論

2.1 常溫容量測(cè)試

圖1為電池組在1 C充放電電流下的充放電特征曲線。由圖1可以看出，電池組充放電電壓平臺(tái)平穩(wěn)，符合25.6 V的設(shè)計(jì)要求。表1為電池組各次循環(huán)的充放電容量，由表1可知，電池組第3次循環(huán)的放電容量為67.301 A·h，符合容量設(shè)計(jì)要求，滿足該外型尺寸下啟動(dòng)電源對(duì)容量的要求[14,15]。

圖1 電池組在室溫及1 C倍率條件下的充放電曲線Fig. 1 The charge-discharge curves of the battery pack at 1 C under room temperature

表1 電池組在室溫1 C倍率下前3次循環(huán)充放電容量Table 1 The charge-discharge capacity of the battery pack at 1 C in the first three cycles under room temperature

2.2 常溫啟動(dòng)能力

圖2 電池組在室溫及600 A啟動(dòng)電流條件下的時(shí)間?總壓曲線Fig. 2 The time-total voltage curves of the battery pack started at a current of 600 A under room temperature

圖3 電池組在室溫及600 A啟動(dòng)電流下的時(shí)間?單串電壓曲線Fig. 3 The time-branch voltage curves of the battery pack started at a current of 600 A under room temperature

表2 電池組室溫啟動(dòng)條件下的各支路電壓Tabel 2 The branch voltages of the battery pack started at room temperature

圖2、圖3分別為常溫啟動(dòng)時(shí)電池組的總壓和各單串電池分壓隨時(shí)間變化的曲線。結(jié)合圖2、圖3以及表2可以看出，在常溫條件下，電池組在600 A 電流下放電，電壓瞬間降至24.48 V；在放電10 s時(shí)，總壓為22.951 V；最高單串電壓為2.884 V，最低單串電壓為2.845 V，單串最大動(dòng)態(tài)壓差為39 mV，各串電壓均高于單串保護(hù)電壓2.0 V。在120 s時(shí)，總 壓為22.54 V，高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中所提出的以600 A電流對(duì)電池組放電30 s，端電壓不小于7.2 V的要求[14,15]；最高單串電壓為2.830 V，最低單串電壓為2.795 V，單串最大動(dòng)態(tài)壓差為35 mV，各串電壓均高于單串保護(hù)電壓2.0 V。在放電過程中，總壓及單串電壓均有較為明顯的電壓平臺(tái)。因此，常溫條件下在保證單體電池正常工作的同時(shí)，電池組常溫啟動(dòng)能力滿足啟動(dòng)電源要求。

2.3 低溫啟動(dòng)能力

圖4 電池組在?20℃及600 A啟動(dòng)條件下的時(shí)間?總壓曲線Fig. 4 The time-total voltage curves of the battery pack started at a current of 600 A under?20oC

圖5 電池組在?20℃及600 A啟動(dòng)條件下的時(shí)間?單串電壓曲線Fig. 5 The time-branch voltage curves of the battery pack started at a current of 600 A under?20oC

圖4、圖5分別為低溫?20℃啟動(dòng)時(shí)電池組的總壓和各單串電池分壓隨時(shí)間變化的曲線。結(jié)合圖4、圖5及表3可以看出，在?20℃低溫條件下，電池組以600 A電流放電10 s時(shí)，總壓為13.600 V，高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中所提出的電池組在?18℃以600 A電流放電10 s，端電壓不小于7.5 V的要求[14-15]；最高單串電壓為1.816 V，最低單串電壓為1.748 V，單串最大動(dòng)態(tài)壓差為68 mV，各串電壓均高于單串保護(hù)電壓1.5 V。54 s時(shí)，總壓為16.525 V，高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中所提出的在?18℃，以600 A電流對(duì)電池組放電30 s，端電壓不小于7.2 V的要求[14-15]；最高單串電壓為2.188 V，最低單串電壓為2.131 V，單串最大動(dòng)態(tài)壓差為57 mV，各串電壓均高于單串保護(hù)電壓1.5 V。在低溫放電過程中，總壓及單串電壓均有較為明顯的回升，其原因是在低溫條件下以大電流放電，電芯內(nèi)部發(fā)熱引起電壓回升。因此，低溫條件下在保證單體電池正常工作的同時(shí)，電池組低溫啟動(dòng)能力滿足啟動(dòng)電源要求。

表3 電池組在?20℃啟動(dòng)條件下的各支路電壓Table 3 The branch voltages of the battery pack started at?20oC

2.4 容量恢復(fù)能力測(cè)試

表4為電池組常溫?cái)R置28 d前后的容量變化結(jié)果。由表4可以看出，常溫儲(chǔ)存前電池組容量為68.783 A·h，儲(chǔ)存28天后電池組容量為68.349 A·h，容量恢復(fù)率為99.37%。電池組長(zhǎng)期擱置之后能保持高容量恢復(fù)率，說明電池組長(zhǎng)期保存仍能滿足啟動(dòng)電源的要求。

表4 電池組常溫?cái)R置28 d前后容量對(duì)比Table 4 Comparison between the capacity of the battery pack with that of the battery pack after placed for 28 days

2.5 倍率放電性能

圖6為電池組不同倍率下的放電曲線，由圖可知，電池組以0.33 C放電67.028 A·h，以1 C、2 C、3 C分別放電66.379 A·h、66.421 A·h、65.851 A·h，其容量分別為0.33 C容量的99.03%、99.09%和98.24%，不同倍率下的放電平臺(tái)平穩(wěn)，說明電池組具有良好的倍率放電性能，可持續(xù)大電流放電。

圖6 電池組在室溫條件下不同倍率放電曲線Fig. 6 The discharge curves of the battery pack at different rates under room temperature

2.6 低溫放電性能

圖7為不同溫度下電池組的放電曲線。由圖7可以看出，電池組在?10℃、?20℃、?30℃溫度下放電容量分別為56.924 A·h、56.455 A·h、55.037 A·h，分別為額定容量的87.6%、86.9%、84.7%。低溫條件下，隨著放電過程的進(jìn)行，電池組溫度升高，放電電壓平臺(tái)上升。低溫條件下電池仍然具有較高的容量保持率，說明電池組具有良好的低溫放電性能，可在低溫環(huán)境持續(xù)使用。

圖7 電池組在0.33 C倍率、不同溫度下的放電曲線Fig. 7 The discharge curves of the battery pack at 0.33 C under different temperatures

3 結(jié) 論

本文采用25.6 V/65 A·h磷酸鐵鋰電池組作為啟動(dòng)電源，分別對(duì)電池組的容量、常溫啟動(dòng)能力、低溫啟動(dòng)能力、容量恢復(fù)能力、倍率性能、低溫放電性能進(jìn)行了測(cè)試。電池組放電容量為67.301 A·h；在常溫啟動(dòng)模擬中，電池組以600 A電流放電，放電瞬間總壓為24.48 V，10 s后電池組總壓為22.951 V，120 s后電池組總壓為22.54 V；在低溫?20℃下，電池組以600 A電流放電，放電瞬間總壓為14.56 V，10 s后電池組總壓為13.600 V，54 s后電池組總壓為16.525 V；在常溫條件下和低溫條件下分別以 600 A電流對(duì)電池組進(jìn)行放電，單串電池電壓均高于放電保護(hù)電壓，電池組表現(xiàn)出良好的容量恢復(fù)能力、倍率性能、低溫放電性能，滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)汽車啟動(dòng)電源性能的要求，可以取代鉛酸蓄電池作為汽車啟動(dòng)電源。

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Performance Study on Lithium Iron Phosphate Battery as Starting Power for New Energy Automobile

RAO Mu-min,WANG Zuo-long,CHEN Ke-yu,QIAN Long,LI Jing
(Shenzhen Optimum Nano Energy Co.,Ltd,Guangdong Shenzhen 518118,China)

In view of the serious environmental pollution of lead-acid battery of Starting Power for New Energy Automobile,a 25.6 V/65 A·h lithium iron phosphate battery pack was assembled with 32650 type of cylindrical lithium iron phosphate cell to replace the lead-acid battery for starting power for new energy automobile. The room temperature and low-temperature starting capability,rate capability and low-temperature discharge performance were investigated. The battery pack provided a capacity of 67.03 A·h at 0.33 C and retained 98.24% capacity at 3 C. The battery pack obtained 84.7% of capacity at?30oC. The voltage of every single battery was higher than the discharge protection voltage when the battery pack was discharged at 600 A under 25oC and?20oC,respectively. The battery pack retained 99.37% of capacity after storage at 25oC for 28 days. All these data can meet the requirements of the starting power,indicating that the lithium iron phosphate battery pack can replace the lead-acid battery as starting power for new energy automobile.

lithium iron phosphate battery pack；starting power；performance research

TK-9；TQ152

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2015.01.011

2095-560X（2015）01-0070-05

饒睦敏（1984-），男，博士后，主要從事鋰離子動(dòng)力電池關(guān)鍵材料與技術(shù)研究。

汪佐龍（1989-），男，碩士，主要從事鋰離子電池成組優(yōu)化技術(shù)研究。

陳柯宇（1986-），男，學(xué)士，主要從事鋰離子電池成組優(yōu)化技術(shù)研究。

錢 龍（1986-），男，學(xué)士，主要從事鋰離子電池制作工藝優(yōu)化與材料研究。

李 晶（1989-），男，碩士，主要從事動(dòng)力電池研發(fā)。

2014-11-29

2014-12-11

? 通信作者：饒睦敏，E-mail：rmm@optimumchina.com