鋰電池模塊在高寒地區(qū)車輛中的應用

孟 成，吳放明，陳夢醒，鄭艷剛

（北京汽車研究總院有限公司電子電器與空調部，北京 101300）

鋰電池模塊在高寒地區(qū)車輛中的應用

孟 成，吳放明，陳夢醒，鄭艷剛

（北京汽車研究總院有限公司電子電器與空調部，北京 101300）

車輛在高寒地區(qū)使用時，為了在寒冷環(huán)境下更為有效地起動發(fā)動機，常規(guī)做法是車輛裝備大容量的耐低溫鉛酸蓄電池，在傳統(tǒng)車輛輕量化設計的基礎上，對現(xiàn)裝備的鉛酸蓄電池進行對比，通過對鈦酸鋰電池和超級電容器進行充放電分析、判斷，采用鈦酸鋰電池和超級電容器組合模塊替代普通鉛酸電池的方案可行。

鈦酸鋰電池；超級電容器；低溫；冷起動

在環(huán)境污染逐漸嚴重、能源消耗逐漸加劇的今天，追求更加環(huán)保的產品已經是各個行業(yè)生產者的共識。隨著汽車技術的不斷發(fā)展，車輛輕量化技術越來越受到大家的重視，車輛輕量化水平直接決定了車輛的油耗水平。鉛酸蓄電池在整車質量中所占比例約為0.8%～1.5%左右，所以研發(fā)輕量化程度更高、產品品質更好的蓄電池是汽車從業(yè)者的共識，同時也是整車制造水平的體現(xiàn)。

1 車輛蓄電池的主要功能

車輛的蓄電池是一種將化學能轉變成電能的裝置，為整車用電器提供電能，同時將發(fā)電機產生多余的電能以化學能的形式儲存在蓄電池中。蓄電池作為汽車用電器的供電源，需要滿足以下條件：①質量輕，滿足整車輕量化設計理念，降低車輛油耗；②提供足夠的電能，滿足低溫狀態(tài)下車輛起動需求；③溫度范圍廣，能夠在-40～60℃可以正常使用；④電池壽命長，充放電電循環(huán)次數(shù)高；⑤對環(huán)境污染小，滿足綠色出行的理念等。

2 車輛蓄電池的發(fā)展

1）普通鉛酸蓄電池 20世紀30年代，BOSCH公司開發(fā)出汽車用起動型鉛酸蓄電池，至此，鉛酸蓄電池作為車輛起動的重要元器件開始普遍在汽車上使用?，F(xiàn)在車輛的蓄電池仍以鉛酸蓄電池為主。鉛酸蓄電池因為工藝成熟、售價低廉的特點被廣泛使用。但是鉛酸蓄電池也存在著充放電倍率低、比能量低、充放電循環(huán)次數(shù)差、質量和體積大、鉛酸蓄電池生產過程和廢棄處理過程中會對環(huán)境造成一定污染的弊端。

2）鋰離子電池 隨著科技進步，在通訊、航空領域對電池有了更高的要求，迫使工程人員尋找更為高效的電池方案。鋰具有很高的電化學還原電位（3.045 V）和很低的原子質量數(shù)（6.94）。金屬鋰高的電極電勢和“最輕的金屬”這一特點確定了鋰電池的應用前景，順理成章成為電池設計者的首選。中國在20世紀90年代初完成對鋰電池的設計攻關。相比于鉛酸電池，鋰電池具有高比能量、高能量效率、工作溫度范圍廣、低自放電率的特點。經過對電池的進入研究，逐漸開發(fā)出以錳酸鋰、三元聚合物和磷酸鐵鋰為正極、碳元素為負極的鋰電池。

3）鈦酸鋰電池 以碳元素為負極的鋰電池在長期循環(huán)、高倍率使用后電池性能會下降，并且在低溫情況下，鋰離子的嵌入和脫出能力都比較差。導致的問題就是電池在低溫狀態(tài)下，放電能力和充電能力較差，因此在高寒地區(qū)，這類鋰電池并不適用，不符合汽車用起動型電池的要求。為了解決這一問題，通過對負極材料進行深入研究，開發(fā)出以尖晶石結構鈦酸鋰（Li4Ti5O12）為負極的鈦酸鋰電池。Li4Ti5O12是一種由金屬鋰和低電位過渡金屬鈦的復合氧化物，屬于AB2X4系列，其空間點群為Fd3m空間群，Li4Ti5O12最大的特點就是其“零應變性”。所謂“零應變性”是指其晶體在嵌入或脫出鋰離子時晶格常數(shù)和體積變化都很小，小于1%。在充放電循環(huán)中，這種“零應變性”能夠避免由于電極材料的來回伸縮而導致結構的破壞，從而提高電極的循環(huán)性能和使用壽命，減少循環(huán)帶來的比容量衰減，電池充放電循環(huán)性能優(yōu)越。與碳負極材料相比，鈦酸鋰具有較高的鋰離子擴散系數(shù)（2×10-8cm2/s），可以實現(xiàn)高倍率充放電。所以在汽車上可以考慮用以正極采用錳酸鋰、負極采用鈦酸鋰材料的鋰電池來替代鉛酸電池。

4）超級電容器 超級電容器是通過電極與電解質之間形成的界面雙層來儲存能量的新型元件。超級電容具有快速存儲釋放能量、使用溫度范圍寬、壽命長的優(yōu)點。和其他能源器件組成總成模塊共同工作，可以使系統(tǒng)滿足動力性、經濟性的要求。

3 鈦酸鋰電池和超級電容組合電池模塊的設計思路

以鈦酸鋰電芯單體電壓為設計基礎，通過電芯單體之間串聯(lián)的方式組成12 V系統(tǒng)用蓄電池。同時根據(jù)所需起動電流匹配合適的超級電容器，與鈦酸鋰電池并聯(lián)組成電池混合模塊組。鈦酸鋰和超級電容都有著優(yōu)越的低溫放電性能，并且在質量和體積上有很大的提升空間。所以在輕量化設計中，鈦酸鋰電池和超級電容器組成的電池模塊替換鉛酸電池是有效可行的解決方案。

4 鈦酸鋰電池和超級電容器的性能參數(shù)

4.1 鈦酸鋰電池基本參數(shù)

1）正極錳酸鋰-負極鈦酸鋰型電池的性能參數(shù)：額定容量（1C放電至1.5 V）18 Ah；額定電壓 2.5 V；最大充電截止電壓3.0 V；最小放電終止電壓1.2 V；內阻≤1 m Ω；最大充電電流20C；最大放電電流30C；充電溫度-40～60℃；放電溫度-40～60℃；自放電率＜2% （25℃）；循環(huán)壽命1C循環(huán) ＞30 000次，3C循環(huán)＞10 000次，5C＞6 000次。

2）超級電容器的性能參數(shù)：額定容量3 000 F；容量公差+20%/0%；額定/峰值電壓2.7 V /2.85 V；持續(xù)電流（15℃）140 A；工作溫度范圍-40～65℃。

4.2 鈦酸鋰電池常溫狀態(tài)充放電循環(huán)性能

圖1 常溫下鈦酸鋰電池的放電循環(huán)特性

試驗方法：電池在常溫下，①以恒流3C（5C）充電到2.8 V，在2.8 V以0.05C充電，保持20 min；②以恒流3C（5C）放電到1.5 V，保持20 min。測試曲線見圖1。試驗結果：該電池在3C循環(huán)2 000次后，剩余容量是初始容量98%，5C循環(huán)2 000次后，剩余容量達到初始容量的95.5%，體現(xiàn)了該電池良好的循環(huán)性能，在大電流下，依然保持了良好的循環(huán)壽命。其中原因跟鈦酸鋰材料本身的結構特性有關，鈦酸鋰離子擴散系數(shù)高，鈦酸鋰是零應變材料，具有尖晶石結構，在充放電過程中，鋰離子的嵌入、脫出對于鈦酸鋰的結構影響很小，因此其循環(huán)性能優(yōu)越。在使用情況下，可以比鉛酸電池的使用壽命多出幾倍。

4.3 鈦酸鋰電池常溫倍率充電性能

常溫狀態(tài)下，不同充電倍率的鋰電池充電效率也各不相同，如圖2所示。電池采用1C電流完全放電后，采用不同的充電電流給鈦酸鋰電池充電，見表1。由表1可知，大電流充電后，充電效率無法達到100%，需要以0.05C繼續(xù)小電流充電。

圖2 常溫下鈦酸鋰電池在不同倍率下的充電特性

表1 鈦酸鋰電池采用不同的充電電流時的充電效率對比表

4.4 鈦酸鋰電池的高溫放電性能

電池在60℃的情況下，以5C放電，電池端電壓從2.8 V下降至1.5 V，放電曲線恒定、平穩(wěn)，如圖3所示。鈦酸鋰電池在高溫狀態(tài)下，可以以5C放電。

圖3 60℃鈦酸鋰電池5C放電曲線

圖4 25℃時不同倍率下的放電特性

常溫狀態(tài)時，不同放電倍率下的鈦酸鋰電池放電特性如圖4所示，電池在常溫下恒流放電，電池單體放電截止電壓為1.2 V。分別以1C電流對電池充電，之后以不同電流進行放電，可以看出鈦酸鋰電池有著優(yōu)異的放電性能，即使以30C倍率放電，放電容量仍然可以達到3C放電容量的89%，如表2所示。鈦酸鋰電池可以達到快速放電的使用要求。

表2 放電性能對比表

4.5 鈦酸鋰電池自放電率

鈦酸鋰電池自放電率性能曲線見圖5。通過不同溫度下的靜止實驗數(shù)據(jù)可以看出，與普通鉛酸蓄電池相比，鈦酸鋰電池的自放電率極低。

圖5 不同溫度下的自放電率

4.6 鈦酸鋰電池的低溫放電性能

鈦酸鋰電池的低溫放電性能見圖6。常溫狀態(tài)下以1C電流充滿電之后放置于恒溫箱8 h，之后以不同倍率電流進行測試，電池在-30℃時，電池大電流放電極化較大，以10C電流可以正常放電，更大的放電電流使電池電壓快速下降到1.2 V以下，難以有效放電。

圖6 -30℃放電曲線

4.7 鈦酸鋰電池的低溫充電性能

鈦酸鋰電池的低溫充電性能見圖7。-40℃的極低溫狀態(tài)下，電池無法實現(xiàn)大電流充電，在不需要加熱的情況下可以實現(xiàn)以1C電流進行充電，這是其他類型鋰電池以及鉛酸電池無法達到的。

圖7 -40℃鈦酸鋰電池單體充電曲線

5 將鈦酸鋰電池和超級電容組合電池模塊替代鉛酸電池方案

以某款高寒地區(qū)軍用越野車為例：該車輛裝備大容量12 V鉛酸低溫蓄電池以滿足低溫起動需求。在-40℃情況下 ，蓄電池放電電流需要達到500 A，放電時間3 s，蓄電池端電壓在7.7 V以上，才可以保證車輛起動。起動曲線見圖8。

以此條件選擇的普通蓄電池在容量為120 Ah；質量約為30 kg；體積約為410×180×215 mm3。選取鈦酸鋰電池加超級電容器的方案，見表3。

圖9以-40℃環(huán)境溫度進行試驗分析，用500 A放電電流對電池進行放電試驗，該類型電池可以在-40℃環(huán)境溫度下，持續(xù)以500 A電流進行放電，蓄電池端電壓從13.5 V下降到7.8 V，放電時間為7.3 s，體現(xiàn)了良好的低溫放電性能。與性能相當?shù)你U酸蓄電池相比，體積減小1/3，質量可以減小一半，完美地體現(xiàn)了輕量化設計。

圖8 -40℃裝備2.8T發(fā)動機某車型低溫起動曲線

表3 鈦酸鋰電池加超級電容器的選取方案

6 結束語

圖9 -40℃鈦酸鋰電池組合模型以500 A恒流放電曲線

通過以上分析和測試結果可知，與鉛酸電池相比，鈦酸鋰電池和超級電容混合模塊電池組，在質量和性能上都有顯著優(yōu)勢，將鈦酸鋰電池和超級電容混合模塊替換鉛酸電池是可行的。

［1］ 魏春源.BOSCH汽車電器與電子［M］.北京：北京理工大學出版社，2008：126-127.

［2］ GB/T 12535-2007，汽車起動性能試驗方法［S］.

［3］ 柯河清，李曉蓮，魯寶全，等.商用柴油車冷起動系統(tǒng)研究［J］.汽車電器，2015（7）：12-14.

［4］ 唐堃，金虹，潘廣宏，等.鈦酸鋰電池技術及其產業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀［J］.新材料產業(yè)，2015（9）：12-17.

（編輯 凌 波）

Application of Lithium Battery Combination in the Alpine Area

MENG Cheng，WU Fang-ming，CHEN Meng-xing，ZHENG Yan-gang
（Electronic Electric & Air Condition Dept，Beijing Automotive Technology Center，Beijing 101300，China）

In order to improve the engine cold start performance in alpine area，the traditional way is to use a large capacity low-temperature-resistant lead acid battery.On the basis of lightweight design of conventional vehicles，we are going to analyze the charge and discharge performance of the combination of Lithium Titanate battery and super-capacitor，and estimate the feasibility of replacing the common lead acid battery.

Lithium Titanate battery；super-capacitor；low temperature；cold start

U463.633

A

1003-8639（2017）09-0029-04

2016-12-13；

2017-06-20

孟成（1985-），男，吉林長春人，工程師，主要從事汽車電器設計工作。