摘要：介紹了以LiFePO4作為正極材料的鋰離子電池組合而成的48V/60Ah鋰蓄電池組的研發(fā)。蓄電池組主要包括鋰離子電池組合電芯、外殼、控制保護(hù)電路板、接口等部件，具有容量高、重量輕、體積小、使用壽命長(zhǎng)、安全、綠色環(huán)保、替換方便等突出優(yōu)點(diǎn)，可直接與現(xiàn)用客車蓄電池進(jìn)行互換。

Research on 48V/60Ah Li-ion battery pack for rail vehicles

SHA Yong-xiang, HUANG Bing, SHEN Xiao-wei, HUANG Zhong-qi, SHI Wei-bing

(Jiangsu highstar battery manufacturing Co. Ltd., Qidong Jiangsu 226200, China)

Abstract: The research on 48V/60Ah Li-ion battery pack based on LiFePO4 positive materials were introduced. The battery pack include Li-ion cells, pack shell, control-protect circuit board and binding interface etc., which has high capacity, low weight, small volume, long cycle life, safety, friendly environment and conveniently replacement. It can directly replace the secondary battery used for rail vehicles.

Key words: rail vehicles; lithium iron phosphate; Li-ion battery; battery pack

1 引言

目前鐵路客車用蓄電池主要有兩大類：一類是鉛酸電池，另一類為堿性鎳鎘電池，主要用于列車停運(yùn)時(shí)供電。鐵路客車現(xiàn)有蓄電池已經(jīng)使用多年，未作大的技術(shù)革新，各方面已經(jīng)不適應(yīng)現(xiàn)代客車技術(shù)的要求，尤其在環(huán)保方面，現(xiàn)有的車載蓄電池含有的重金屬會(huì)給環(huán)境帶來巨大的危害。車載蓄電池的生產(chǎn)、使用和銷毀過程中都會(huì)產(chǎn)生大量重金屬鉛、鎘等離子，重金屬離子不僅嚴(yán)重破壞生態(tài)環(huán)境，而且能通過水、空氣和食物進(jìn)入人體內(nèi)，導(dǎo)致人的健康狀況嚴(yán)重惡化。為了從根本上改變這一局面，鐵路必切需要引進(jìn)新型綠色蓄電池。

與鎳鎘電池和鎳氫電池相比較，鋰離子電池在重量比容量指標(biāo)和體積比容量指標(biāo)方面優(yōu)勢(shì)尤其明顯，而列車上使用鋰離子電池與傳統(tǒng)的鋰離子電池使用領(lǐng)城有較大的不同。安全可靠性是首先確保的基本要求，同時(shí)，結(jié)合電池組在客車上實(shí)際使用的持點(diǎn)，需要在蓄電池組上具備一些特殊功能能滿足使用要求。

2 研發(fā)目標(biāo)

目前客車用蓄電池主要技術(shù)指標(biāo)：

（1）電池容量：60Ah；

（2）標(biāo)稱電壓：48V；

（3）工作溫度范圍：-25～55℃；

（4）最大放電電流：10A；

（5）輸入電壓波動(dòng)：50～65V。

研發(fā)的蓄電組在達(dá)到上述基本性能指標(biāo)的同時(shí)，與車上原有電路聯(lián)成一體，能承受客車電源的電壓波動(dòng)并能長(zhǎng)期浮充、不間斷供電?？膳c現(xiàn)有的其它型號(hào)蓄電池組進(jìn)行直接替換。

鋰離子電池的安全性能一直制約著大型鋰離子蓄電池應(yīng)用的發(fā)展。作為電池研究和生產(chǎn)企業(yè)，我們近年來投入了非常大的技術(shù)力量，進(jìn)行了重點(diǎn)研究。鋰離子電池與酸性電池和堿性電池最大的差別在于其電解液是有機(jī)溶劑，加上其充電態(tài)是零價(jià)鋰的存在，易形成可燃、可爆的條件。如何避免這種條件的形成，這是廣大鋰電技術(shù)人員研究的重點(diǎn)。提高鋰離子蓄電池的本質(zhì)安全度是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

3 研究?jī)?nèi)容

3.1 單體電池的設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化

為了提高鋰蓄電池組的安全性能，我們對(duì)鋰電池正極材料體系進(jìn)行了分析選擇。傳統(tǒng)的以鈷酸鋰作為正極材料的大容量鋰離子電池的安全性得不到保障，為改善鋰離子電池的安全性，一些新的正極材料陸續(xù)出現(xiàn)，主要包括錳酸鋰(LiMn2O4)、三元材料(LiNixCoyMn1-x-yO2)以及磷酸鐵鋰（LiFePO4）等。

磷酸鐵鋰作為鋰離子電池正極材料具有與LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4和釩系材料相競(jìng)爭(zhēng)的優(yōu)勢(shì)。Fe資源儲(chǔ)量比Co、Ni、Mn、V等豐富，價(jià)格低廉，且鐵系化合物無毒，與環(huán)境相容性好。自1997年首次報(bào)導(dǎo)LiFePO4的電化學(xué)性能以來，將其用作鋰離子電池正極材料的研究已成為熱點(diǎn)[1, 2]。LiFePO4的充、放電電位為3.4V(vs.Li+/Li)，低于大多數(shù)電解液的分解電壓，具有良好的安全性和較高的能量密度；其循環(huán)性能和熱穩(wěn)定性良好，特別是在高溫時(shí)循環(huán)性能更佳[3]。目前已有的研究成果表明，磷酸鐵鋰作為正極材料制成的鋰離子電池在現(xiàn)有已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)鋰電產(chǎn)品中安全性能最高。因此本文選用LiFePO4作為單體鋰離子電池的正極材料。單體電池設(shè)計(jì)成26650圓柱型結(jié)構(gòu)。單體電池容量3Ah，電池直徑26mm，高度650mm。這種結(jié)構(gòu)電池便于機(jī)械自動(dòng)化生產(chǎn)、性能穩(wěn)定可靠、電池內(nèi)外散熱均勻，外殼堅(jiān)固可靠，電池配對(duì)組合方便。

由于鐵路客車用鋰離子電池要求容量較高，放電電流只有5A。因此，我們將本公司原有動(dòng)力型電池的生產(chǎn)工藝進(jìn)行了優(yōu)化和調(diào)整，使電池的性能更符合客車使用要求。

優(yōu)化和調(diào)整主要在如下幾個(gè)方面：

（1）配方作適當(dāng)調(diào)整，縮短極片長(zhǎng)度，增加極片厚度，適當(dāng)增加粘結(jié)劑的量，增加了活性材料與基帶的粘結(jié)性能，提高了單體電池的容量和使用壽命。

（2）調(diào)整正負(fù)極片的制作和裝配工藝

選用φ800的碾壓機(jī)對(duì)極片進(jìn)行碾壓，增加了接觸面積，降低了在碾壓時(shí)極片的延展，使活性物質(zhì)與導(dǎo)電劑接觸更加緊密，降低了極片電阻。

在極片與極耳的焊接上采用超聲焊接的方式，增加了焊點(diǎn)面積。極耳與蓋帽間用激光焊接，將傳統(tǒng)的四點(diǎn)改成圓環(huán)，降低了內(nèi)阻。

（3）優(yōu)選電解液

由于本鋰離子電池長(zhǎng)期處于浮充電狀態(tài)，存在過充隱患較多，因此必須注意它的耐過充性能。結(jié)合電池的使用特性，選用的電解液更突出耐過充性能，經(jīng)篩選我們選用適合磷酸亞鐵鋰使用的耐過充電解液，在其中添加了功能添加劑，增加了電解液的耐過充電性能，使用以后電池在耐過充性能方面發(fā)揮出理想的狀態(tài)，表現(xiàn)出良好的耐過充特性。

（4）對(duì)組合蓋帽結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)

磷酸亞鐵鋰的分解電壓比其它材料高，其耐過充性能明顯好于其它材料，在此基礎(chǔ)上我們?cè)俑倪M(jìn)了組合蓋帽結(jié)構(gòu)，保留原有蓋帽的防爆安全功能，采用PTC環(huán)，將鋁極耳用激光焊焊接在匯流片上，使組合蓋帽具有拉斷、過電流保護(hù)、防爆三項(xiàng)安全保護(hù)功能，提高了單體電池的安全性。

3.2 鋰離子蓄電池組內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

蓄電池組采用模塊組合形式構(gòu)成，每個(gè)模塊具有相對(duì)獨(dú)立的所有功能，各模塊間通過數(shù)據(jù)通信線能進(jìn)行數(shù)據(jù)交換、協(xié)調(diào)控制，多個(gè)模塊可以串聯(lián)使用。各模塊有組合電芯、電子線路板、外殼、接線端口組成，組合電芯數(shù)量由模塊的電壓和容量確定，48V/60Ah蓄電池電芯由20并16串組合而成。電子線路板主要功能是對(duì)電芯進(jìn)行保護(hù)和控制，采用MCU實(shí)現(xiàn)故障診斷和智能化控制。外殼設(shè)計(jì)著重注意內(nèi)部器件能相對(duì)隔離和與外界密封，同時(shí)考慮維護(hù)檢查方便；顯示器件位置適當(dāng)，不易損壞；整體結(jié)構(gòu)緊湊牢固、重量輕，耐振動(dòng)、易散熱等因素。

3.3 控制保護(hù)板的設(shè)計(jì)與功能

3.3.1 控制保護(hù)板所具有的功能

為了能實(shí)現(xiàn)鋰離子蓄電池組能與客車原有蓄電池實(shí)現(xiàn)直接替換，蓄電池組保護(hù)板除需有的過充、過放、過流、短路等保護(hù)功能外，還增加了其它幾項(xiàng)特殊功能，確保蓄電池組能處于長(zhǎng)期浮充狀態(tài)；同時(shí)能適應(yīng)外電路上電壓的波動(dòng)，在外電路出現(xiàn)故障時(shí)還能確保蓄電池電路的安全。

使了便于維護(hù)檢查，蓄電池組設(shè)有電量顯示和故障報(bào)警指示。對(duì)于多級(jí)串聯(lián)使用的模塊通過通迅口信號(hào)傳遞各級(jí)電池間統(tǒng)一管理和控制，確保整組電池使用狀態(tài)一致，能全面得到控制和保護(hù)。

3.3.2蓄電池組的均衡

48V/60Ah的蓄電池組，電池容量大，電壓高，整組電池在各種不同環(huán)境中可能出現(xiàn)充放電性能的差異，為了提高電池組整體的耐過充能力和確保電池組內(nèi)單體電池工作狀態(tài)的一致，我們?cè)诒Ｗo(hù)板設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)均衡功能進(jìn)行強(qiáng)化設(shè)計(jì)，當(dāng)電池組充電時(shí)，能有效地防止電池組中單體電池的過充。

3.3.3 電路的PCB和防電磁干擾設(shè)計(jì)

蓄電池組使用環(huán)境復(fù)雜、電磁干攏源較多，為了確保電子線路的正常工作，需要對(duì)PCB布線設(shè)地等加以注意。減小因線路板尺寸過大，印制線條長(zhǎng)，阻抗增加而引起的抗噪聲能力下降而產(chǎn)生的影響。在PCB設(shè)計(jì)時(shí)先科學(xué)地確定特殊元件的位置，然后，根據(jù)電路的功能單元，對(duì)電路的全部元器件進(jìn)行布局。

表1 鋰離子蓄電池組與鐵路現(xiàn)用鉛酸電池主要性能比較

Table 1 Comparison of main specifications between Li-ion battery and Lead-acid battery used for rail vehicles

通過以上幾個(gè)方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在電路設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)了鋰離子蓄電池組與鐵路現(xiàn)用鉛酸蓄電池直接替換，提高了蓄電池組的使用壽命，使鋰離子蓄電池組具有容量高、重量輕、體積小、使用壽命長(zhǎng)、綠色環(huán)保等突出優(yōu)點(diǎn)。表1是鋰離子蓄電池組與鐵路現(xiàn)用鉛酸電池主要性能比較表。

4．性能測(cè)試與應(yīng)用

4.1 額定容量

單體電池以0.2ItA電流恒流放電至終止電壓2.0V，電池組以0.1ItA電流恒流放電至終止電壓或保護(hù)板起動(dòng)作。要求放電時(shí)間單體電池不低于5.0h；電池組不低于9.5h。實(shí)測(cè)單體電池放電時(shí)間為5.23～5.47h，電池組放電時(shí)間為10.5h。

4.2 荷電保持能力

單體電池充電后在室溫下擱置28天，以0.2ItA電流恒流放電至終止電壓，要求其容量損失率不應(yīng)大于10%。實(shí)測(cè)其容量損失率為8.9%。

4.3 循環(huán)壽命

單體電池以0.2ItA電流充放循環(huán)，直至連續(xù)兩次放電時(shí)間低于3h，電池循環(huán)次數(shù)不低于600次。實(shí)測(cè)第600次時(shí)放電時(shí)間為4.01h。IFR26650-3000鋰離子電池循環(huán)曲線如圖1所示。

圖1 IFR26650-3000鋰離子電池循環(huán)曲線

Fig. 1 Cycle performance for IFR26650-3000 Li-ion battery

4.4  環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)

4.4.1 低溫放電

單體電池在溫度為-25℃±2℃的低溫下以0.1ItA電流恒流放電至終止電壓2.0V，要求放電時(shí)間不低于4h。實(shí)測(cè)放電時(shí)間為4h59min。

4.4.2 高溫放電

單體電池在溫度為55℃±2℃的高溫下以0.2ItA電流恒流放電至終止電壓2.0V，要求放電時(shí)間應(yīng)不低于4.5h。實(shí)測(cè)放電時(shí)間為5h14min。

蓄電池組在不同溫度下的放電曲線如圖2所示。

圖2 蓄電池組不同溫度放電曲線

Fig. 2 Discharge curves of battery pack at different temperatures

4.4.3 熱沖擊試驗(yàn)

將充滿電的單體電池放在重力對(duì)流或循環(huán)空氣的烘箱中進(jìn)行加熱，烘箱的溫度以每分5±2℃的速率上升到130±2℃后保溫30分鐘。試驗(yàn)結(jié)果，電池不爆炸、不起火。

4.4.4 沖擊：

將蓄電池組直接安裝或通過夾具安裝在沖擊臺(tái)面上進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)條件為頻率50Hz，加速度29.4 m/s2，縱向方向沖擊時(shí)間3分鐘，試驗(yàn)結(jié)果電池組不起火、不爆炸。

4.4.5 振動(dòng)

將蓄電池組直接安裝或通過夾具安裝在振動(dòng)臺(tái)面上進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)。試驗(yàn)條件為頻率10Hz加速度9.8 m/s2，X、Y、Z每個(gè)方向振動(dòng)各2小時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果電池組不起火、不爆炸。

4.4.6. 跌落

將單體電池由高度（最低點(diǎn)高度）為1m的位置自由跌落到水泥板面上，從X、Y、Z三個(gè)方向各一次。試驗(yàn)結(jié)果電池不起火、不爆炸。

4.5  電池安全性能測(cè)試

4.5.1 擠壓

將單體電池放置在兩個(gè)擠壓平面中間，逐漸增加壓力至13kN±1kN，圓柱形電池?cái)D壓方向垂直于圓柱軸的縱軸，方形電池?cái)D壓電池的寬面和窄面，每只電池只能接受一次擠壓。一旦壓力達(dá)到最大或單體電池電壓銳降至初始電壓的1/3時(shí)，停止擠壓。試驗(yàn)結(jié)果，電池不爆炸、不起火。

4.5.2  針刺

將單體電池放在一鋼制的夾具中，用φ3mm～φ8mm的鋼針以10mm/s～40mm/s的速度從垂直于電池極板的方向貫穿（鋼針停留在電池中），保持90min，或電池表面溫度穩(wěn)定（45min內(nèi)溫差≤2℃）時(shí)停止試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果，電池不爆炸、不起火。

圖3 IFR26650-3000鋰離子電池?cái)D壓后照片

Fig. 3 Extrusion for IFR26650-3000 Li-ion battery

圖4 IFR26650-3000鋰離子電池針刺后照片

Fig. 4 Penetration for IFR26650-3000 Li-ion battery

4.5.3 短路

將單體電池經(jīng)外部短路90min，或電池表面溫度穩(wěn)定（45min內(nèi)溫差≤2℃）時(shí)停止短路，外部線路電阻應(yīng)小于50mΩ。試驗(yàn)結(jié)果，電池不爆炸、不起火。

4.5.4 過充

將單體電池用恒流穩(wěn)壓源以3ItA恒流、限壓10V充電，直到單體電池爆炸、起火，或充電時(shí)間為90min，或單體電池表面溫度穩(wěn)定（45min內(nèi)溫差≤2℃），三個(gè)條件滿足其中一個(gè)時(shí)可停止試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果，電池不爆炸、起火。

4.5.5 強(qiáng)制放電

將單體電池先以0.2ItA恒流放電至終止電壓，然后以1ItA電流對(duì)電池進(jìn)行反向充電，要求充電時(shí)間不低于90min。試驗(yàn)結(jié)果，電池不爆炸、不起火。

4.5.6 持續(xù)充電

將電池組以0.1ItA恒流充電，當(dāng)電池組端電壓達(dá)到充電限制電壓時(shí)，改為恒壓，持續(xù)對(duì)電池組供電24小時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束后，電池組不泄漏、不起火、不爆炸。

4.5.7 過充電保護(hù)

電池組按規(guī)定充電后，電池組接恒壓恒流源，電壓設(shè)為1.1倍的充電限制電壓，電流設(shè)定為6A，用電源持續(xù)給電池組供電，最長(zhǎng)時(shí)間24小時(shí)，當(dāng)保護(hù)板動(dòng)作，可停止試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后，保護(hù)裝置工作正常，電池組不泄漏、不泄氣、不破裂、不起火、不爆炸。

4.5.8 過放電保護(hù)

將電池組先0.2ItA持續(xù)放電至保護(hù)板起動(dòng)作時(shí)停止試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后，保護(hù)裝置工作正常，電池組不泄漏、不泄氣、不破裂、不起火、不爆炸。

4.5.9 短路保護(hù)

電池組按規(guī)定充電后，分別用不大于100mΩ外線路短路其充、放電端正負(fù)極0.5h，然后將外線路斷開，用電壓表測(cè)量電池組充放電端的電壓。試驗(yàn)結(jié)束后，保護(hù)裝置工作正常，電池組不泄漏、不泄氣、不破裂、不起火、不爆炸。

4.5.10 放電過流保護(hù)

電池組按規(guī)定充電后，用35A電流進(jìn)行放電至保護(hù)裝置動(dòng)作。試驗(yàn)結(jié)束后，保護(hù)裝置工作正常，電池組不泄漏、不泄氣、不破裂、不起火、不爆炸。

4.6 產(chǎn)品的應(yīng)用

本研究產(chǎn)品已在上海鐵路局某客車上實(shí)際試用半年多，從裝車到試行考核期結(jié)束，按試驗(yàn)計(jì)劃進(jìn)行了幾次檢查，蓄電池工作一切正常，實(shí)踐證明鋰離子蓄電池組在客車上應(yīng)用安全可靠。不僅可以大大簡(jiǎn)化平日對(duì)蓄電池的維護(hù)，還對(duì)減小環(huán)境的污染具有明顯的效果。

5 小結(jié)

本文研究的產(chǎn)品主要是替代鉛酸蓄電池作為動(dòng)力電源使用于鐵路客車，能與現(xiàn)用客車蓄電池直接進(jìn)行互換。具有安全可靠、容量高、重量輕、體積小、使用壽命長(zhǎng)、綠色環(huán)保等突出優(yōu)點(diǎn)。產(chǎn)品符合國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策，是國(guó)家鼓勵(lì)發(fā)展的高新技術(shù)項(xiàng)目，對(duì)節(jié)能減排具有較好的示范意義，對(duì)促進(jìn)鐵路用蓄電池的技術(shù)進(jìn)步具有積極作用。

注：本項(xiàng)目開發(fā)與上海鐵路局科學(xué)技術(shù)研究所等單位共同完成。向?yàn)楸卷?xiàng)目作過貢獻(xiàn)的相關(guān)人員致謝。

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