電動車用4812型LFP模組開發(fā)

朱明海，黃 毅，周壽斌

（江蘇華富儲能新技術股份有限公司，江蘇 揚州 225600）

1.引言

中國是全球電動自行車生產(chǎn)和銷售第一大國，目前社會保有量約2億輛，年產(chǎn)量3 000多萬輛，已成為老百姓中短途出行的重要交通工具。

隨著對日常消費品環(huán)保和輕便的精神需求，老百姓越來越青睞配有鋰電池組的電動自行車。磷酸鐵鋰電池（LiFePo4，LFP）不含任何重金屬與有害元素，無論在生產(chǎn)和使用過程中都和環(huán)境友好，避免了傳統(tǒng)鉛酸電池對環(huán)境的污染問題[1]；相同容量的48 V12 Ah電池組，鋰電池組重量僅4．5 kg，約占鉛酸蓄電池重量的27%，質(zhì)量輕便的特點受到了中老年、婦女群體以及學生一族的廣泛喜愛。

設計開發(fā)的48 V12 Ah磷酸鐵鋰電池組在保證安全的前提下，相對于同型號鉛酸電池組，續(xù)行里程更遠，充電速度更快，使用壽命更長。

2.實驗

（1）設計方案

電動自行車用鋰電池模組開發(fā)，優(yōu)先考慮民用產(chǎn)品的安全性問題。

第一，主要原材料采用進口品牌和國內(nèi)一線生產(chǎn)廠家，最大程度保障電芯在濫用狀態(tài)下的安全性能。

第二，通過對DSC的數(shù)據(jù)對比，磷酸鐵鋰電極允許的過充電電壓達到了0．7 V，遠大于其它3種鋰正極材料，所以磷酸鐵鋰電極是目前為止所有開發(fā)出來的產(chǎn)業(yè)化正極材料中最穩(wěn)定和安全的[2]。

第三，電芯封裝采用鋁塑膜軟包結構，萬一發(fā)生短路隱患，軟包電池會鼓氣膨脹，破壞熱失控條件，而不像鋼殼或鋁殼電芯那樣發(fā)生燃燒或爆炸。

第四，保護板由國內(nèi)品牌電動汽車用BMS供應商設計研發(fā)，按照車用鋰電池模組的控制級別和保護策略定制。

（2）實驗材料

磷酸鐵鋰粉末：Li，F(xiàn)e，P的質(zhì)量含量分別在4．2%～4．9%，32%～35%和18%～21%范圍，D90=15 um，振實密度≥0．8 g/ml，比表面積在（15±2） m2/g；人造石墨：灰分≤ 0．03%，D90=18 um，振實密度≥ 1．04 g/ml，比表面積在（1．4±0．1） m2/g，電化學性能≥ 340m Ah/g；電解液：TJ-0907CHF高溫低阻型凝膠態(tài)聚合物電解質(zhì)，密 度（1．23±0．02） g/ml， 電 導 率（9．1±0．5） mS/cm，HF≤15 ppm，F(xiàn)e≤1 ppm，Cl≤1 ppm；隔膜采用20 um濕法拉伸隔膜配合4 u三氧化二鋁陶瓷涂層。

涉及的其它材料為江蘇華富儲能新技術股份有限公司正常采購目錄產(chǎn)品。

（3）電池制作

電芯由公司自產(chǎn)，磷酸鐵鋰正極配合電動汽車級別人造石墨負極，采用雙油性工藝，經(jīng)涂布、高溫熱壓、裁切裝配、注液化成等工序制作軟包結構HF1866133LFP12．5 Ah單體鋰電芯。每只電芯進行鋁層和極耳之間的耐壓測試，確保電芯長期使用壽命。

電池制作按照16串串聯(lián)方案，可以保持和市場上電動車用48 V12 Ah鉛酸電池組的互換性及充電器的通用性；采用PCB電路板、無鉛焊錫工藝先焊接主電路，再接插保護板控制電路。

電池組完成電路連接后，放入環(huán)氧或塑料殼子進行封膠，把電池底部和極耳部分用硅膠灌封，最大程度保護電池，防止電池在強振動環(huán)境中損壞，另外也可以徹底隔絕水汽，防止凝水，保障電池在冷熱交替環(huán)境中正常使用。

電池模組三視圖及尺寸如圖1所示，針對具體車型，可以定制塑料或者鈑金形式永久支撐結構。

（4）儀器與測試

檢測儀器采用高精度BTS-xcf08（10 A/12 V-48 V）型動力電池組綜合測試系統(tǒng)（湖北德普電氣股份有限公司）。

容量測試：25 ℃±5 ℃條件下，充滿電的鋰電池組用6 A放電至終止電壓42 V，記錄放電時間。

充電測試：25 ℃±5 ℃條件下，按設定電流充電至鋰電池組電壓上升到58．8 V，再恒壓58．8 V充電至電流下降到0．4 A停止。

100%DOD循環(huán)測試：①放電測試，按容量測試方法進行；②充電方法，25 ℃±5 ℃條件下，按設定電流充電至鋰電池組電壓上升到58．8 V，再恒壓58．8 V充電至電流下降到0．4 A或續(xù)充3 h停止，靜置1 h；③重復步驟①②，直至放電時間連續(xù)3次低于96 min停止。

3.結果與討論

（1）安全性

第一，單體電芯按QC/T 743--2006《電動汽車用鋰離子蓄電池》 6．2．12．4,6．2．12．6,6．2．12．7 的試驗方法，滿足5．1．11跌落、抗擠壓、抗穿刺的技術要求。

第二，磷酸鐵鋰電池組經(jīng)過充電、過放電、高溫充電、外部短路等極端條件試驗，保護板能動作自動切斷電路，未發(fā)生漏液、起火和爆炸等現(xiàn)象；鋰電池組故障排除后能自動恢復正常工作。

（2）放電特性

挑選容量相當?shù)?8 V12 Ah鉛酸和鋰電池各1組，做6 A放電容量測試，時間-電壓曲線如圖2所示。放電過程中，經(jīng)過相同放電時間對應的電壓，鋰電池組比鉛酸電池組高6%以上，即使相同放電Ah容量，鋰電池組比鉛酸電池組能多輸出6%以上的Wh能量，對應行駛多6%以上的續(xù)行里程。電動自行車用電機的電磁力矩M與蓄電池輸入電壓U的平方成正比，在相同的負載狀態(tài)下運行時，鋰電池組輸入電源電壓高，則電磁轉(zhuǎn)矩更大，電動自行車啟動、爬坡顯得“有勁”[3]；同時轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速也快，蓄電池組放電后期，配套鋰電池組的電動自行車速度明顯快得多。

（3）充電特性

表1是48 V12 Ah鉛酸電池組和鐵鋰電池組分別用普通充電器充電的測試參數(shù)，鐵鋰電池組的充放電效率能達到98．01%，比鉛酸電池組高出2．4個百分點，具有節(jié)能降耗優(yōu)勢。

鐵鋰電池組的恒流充電比95．02%，鉛酸電池組的恒流充電比僅85．71%，一個全充電過程，鐵鋰電池組比鉛酸電池組快了1．3 h左右，對于快遞物流、外賣小哥等需要中途快充補電延長續(xù)行里程的群體再適合不過了。當然如果采用高功率充電器，在不影響實際使用壽命的前提下，鐵鋰電池組充電電流最大支持1 C充電，鉛酸電池組僅0．25 C，對于一個放完電的全充電過程，鐵鋰電池組1 h基本充滿了，而鉛酸電池組最少5 h以上才能充滿[4]。

圖1 電池模組三視圖

48 V12 Ah鉛酸電池組循環(huán)485次剩余容量9．66 Ah，占初始容量的72．80%；磷酸鐵鋰電池組循環(huán)510次剩余容量12．27 Ah，占初始容量的93．52%，磷酸鐵鋰電池組循環(huán)壽命比鉛酸電池組優(yōu)勢明顯，48 V12 Ah鉛酸電池組與鐵鋰電池組2hr 100%DOD循環(huán)壽命曲線如圖3所示。按照剩余容量/初始容量=70%作為循環(huán)壽命終止條件，根據(jù)循環(huán)壽命曲線走向趨勢分析，鉛酸電池組循環(huán)壽命實驗已基本結束，而磷酸鐵鋰電池組預計循環(huán)壽命在1 500次以上。

圖2 鉛酸與鐵鋰電池組放電特性曲線

表1 鉛酸與鐵鋰電池組充電參數(shù)表

圖3 鉛酸與鐵鋰電池組2hr 100%DOD循環(huán)壽命曲線

通過建模和SEM分析法，在正常充、放電過程中，正極鋰離子在層狀結構的負極碳材料和層狀結構氧化物的層間來回嵌入和脫出，完成對負載的供電[5]。整個電化學反應過程，化學結構基本不變，正極磷酸根化學鍵的結合力比傳統(tǒng)的過渡金屬氧化物化學鍵強，結構更加穩(wěn)固；負極只引起材料的層面間距變化，不破壞晶體結構。

磷酸鐵鋰晶體中的P-O鍵穩(wěn)固，難以分解，即便在高溫或過充時也不會發(fā)生結構崩塌發(fā)熱或是形成強氧化性物質(zhì)，擁有較好的循環(huán)使用壽命[6]。

（5）其它特性

磷酸鐵鋰電池組對高溫的容忍性比鉛酸電池要好，可長時間在70℃以內(nèi)的高溫狀態(tài)下工作而不影響電池使用壽命[7]，特別適合南方高溫環(huán)境使用，表現(xiàn)的循環(huán)壽命等電性能優(yōu)勢更加明顯。

如果需要更長的續(xù)行里程，通過合理排布和布局，現(xiàn)行48 V12 Ah鉛酸電池盒可裝下48 V20 Ah磷酸鐵鋰電池組，一次充電續(xù)行里程可增加80%左右，重量不到48 V12 Ah鉛酸電池組的一半。

4.結論

早在2014年，中華人民共和國工業(yè)和信息化部就印發(fā)了推動電動自行車用鋰離子電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的綜合標準化技術體系，經(jīng)過幾年的發(fā)展，磷酸鐵鋰電池解決了在安全性、性價比、互換性和回收處理等方面的問題，促進了我國鋰電池電動自行車呈現(xiàn)快速增長態(tài)勢，特別是在經(jīng)濟發(fā)達的東部地區(qū)和大城市，它以輕便、環(huán)保、時尚、高科技成為最大賣點。電動車行業(yè)正逐步向“鋰電化”“輕量化”“智能化”和“環(huán)保型”的方向上發(fā)展。

磷酸鐵鋰電池特有的電化學穩(wěn)定性，平穩(wěn)放電電壓平臺，快速充電接收能力，穩(wěn)固的P-O化學鍵晶體結構，具有優(yōu)良的安全性和特別長的循環(huán)使用壽命，同時，所使用的原輔材料具有無毒、無污染、可在高溫環(huán)境下使用等優(yōu)點，在電動車領域具有較為廣闊的應用前景。