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1、 电动自行车用磷酸铁锂电池的开发 采用磷酸铁锂作为正极材料研制圆柱锂离子电池应用于电动自行车，评价磷酸铁锂电池及电池组在电动自行车等应用的可行性。采用IFR26650单体电池(标称容量3.2Ah)4并12串组成容量12Ah及电压38.4V（标称36V）的电池组；并配备BMS系统，对电池组采用均衡板来有效的对充电进行均衡控制。实验室及路试结果显示，此电池组循环寿命可以达到1000次以上；用于电动自行车，单次行使里程最大60公里，平均时速22公里/小时，路试行驶190次，累计行驶9900公里，电池的容量未见明显衰减，模拟测试600次（折合行驶里程28000公里），容量保持82以上。1、前言电动自行
2、车具有环保、耗能低和成本低等特点，在日常交通中应用越来越多，前期的电动自行车电源以铅酸电池为主，环保和重量成为其应用的最大障碍，前段时间曾有公司大力开发镍氢电池组应用于电动自行车，去年有为数不多的公司开发了钴酸锂和锰酸锂锂离子电池组，由于价格和安全性的问题都没有得到市场的充分认可，同时行会和地方性的政策从多方面的考虑限制了电动车的重量和速度等指标。开发轻便、可靠、环保安全的电源成为市场的迫切需求，磷酸铁锂电池具有良好的安全性能和长的循环寿命，材料环保，具有相对高的能量密度，所以我们开发了以磷酸铁锂为正极材料的锂离子电池，并且组装成了电池组，进行了充电和放电循环测试，并且实际组装在电动自行车上，
3、并得到了良好的结果。2、实验部分使用PHOSTEC的磷酸铁锂（LFP）为正极材料，人造石墨为负极材料，使用LiPF6的EC/DMC/EMC溶液为电解液，使用UP3085隔膜制作IFR26650电池，容量3.2Ah，单体支持最高放电倍率4C，电池不使用PTC，使用CID安全阀（防爆压力20公斤力）。单体电池可以达到如表1所示的性能。表1 单体IFR26650电池性能表推荐精选为了能够支持电动自行车使用，对电池进行倍率放电性能测试和循环寿命测试，见图1和图2。测试的依据是以300W左右的电机进行设计，在其最大功率输出时，需要的电流为：300W/36V=8A，电池2C放电时候的输出功率为可以满足电动
4、自行车的功率需求，电动自行车正常行驶时的输出功率约180W，即电池组的一般工作电流为5A，单个电池的负载电流约为0.5C，电池和电池组的0.5C循环寿命见图1和图5。测试显示单体电池的循环寿命1000次可以保持80。电池和电池组基本数据见表2。表2 电池和电池组基本数据推荐精选图1 单体IFR26650电池0.5C循环寿命选取容量3200/20mAh，内阻22/2m的26650电池，先充电30，搁置30天后选择电压偏差在+/-3mV以内的电池进行4并12串组合，制作两组电池组。电池组使用串联充电方式，控制电池组端电压上限为45V。电池组使用直流45V2A充电器充电，一组使用电子负载放电，并进行
5、这样的循环测试；另外一组使用相同的充电器充电后安装在电动自行车上进行道路行驶测试。测试过程中记录每次的放电容量，放电后电池组内每一个并联组合的电压、充电后电池组内每一个并联组合的电压和每次电动自行车的行驶里程、平均速度。图2 单体IFR26650电池放电倍率曲线推荐精选对电池组的电路部分进行了设计，目的是提高循环过程中电池不被过充电和过放电，设计了一款均衡板，采用电阻均衡的原理(1)，即给每一个并联组合加装一个放电电阻，通过IC进行控制，当某并联组电池的电压超出设定值，对其进行部分放电，使得其电压和整组电池保持一致，设计的优点是成本低，原理简单容易实现。以上1电池组进行了600次充电和放电循环
6、，容量由11.7Ah到9.6Ah，容量保持率82，2电池组进行路试，路试200次，累计行驶9900公里，单次行驶里程从55公里衰减到45公里，平均时速22公里/小时。3、结果分析与讨论3.1 电池充电电压的变化电池组使用直流充电器充电，控制端电压，在每次充电结束后30分钟测试每个并联组的电压。根据图3所示，电池组组内的每串联电池的电压在一开始就出现了发散现象，提示我们可能采用其他的初始状态进行一致性分选可能得到更好的结果，例如，全部不带电组合或者全部电池满电组合。电压的分散程度在循环的进行到大约200次的时候，发散变得严重，其中第二个串联组出现了电压偏低，第三个串联电池组电压偏高现象，于是在第
7、223次充电前为电池组加装了均衡线路板，电池组的电压差得到了有效的收敛，从前期的最大390mV、平均197mV收敛到70mV，收敛后的电池组容量没有发生明显的变化，是因为电池组的容量不受带电最多的一组电池影响，而是受最低的影响，此处也体现了此均衡板的缺点，即无法给没有充满电的电池组补充电；这样循环5周后，再次将均衡板取消，电池组的电压再次变得发散，说明，均衡板的作用只是把表现的电压值收敛的更一致而没有从本质上改变电池组的均匀性，电池组的放电容量和循环寿命并没有明显的衰减，继续循环到接近600次，电池组依然是第二个串联组电压偏低、第三个串联电池组电压偏高，组间差异最大达到390mV，平均180m
8、V。结合电池组的放电容量曲线，充电电压控制在单体3.7V以内，采用串联充电的方式，控制电池组端电压在合理的电压范围内，可以保证磷酸铁锂电池组的循环寿命和不被过充电。推荐精选图3 充电完成30分钟后电池组的电压分布图图4 放电结束5分钟电池组电压分布图3.2 电池放电截止电压的变化电池组的放电电压在放电结束以后的5分钟测量，放电电压有逐渐降低又逐渐升高的趋势，经过数据分析主要受环境温度的季节性变化影响。电池组的电压发散程度大于充电电压的发散程度，平均258mV，最大801 mV,其中第二组和第三组分别是电压最低和最高的电池组，由于电池组的放电后恢复电压最低出现了2.10V，实际放电过程中的电压低
9、于此电压值，测试发现最低值达到0.3V，说明此电池组可以耐受0.3V的过放电。表3 充电和放电电压数据分布推荐精选对电池组的充电和放电结束后最高和最低电压出现的几率进行数据分析，见表3，数据显示，个别组的电池并不是最佳状态，如第一并电池容量偏低，其容量可能决定了电池组的充电容量，第二串组合时带电量少（充电电压低，放电电压低）这组电池组出现被过放电的几率最大，影响电池组的放电容量 ，第三、四、电池组的容量是比较高的，特别是第三串并没有发挥100的容量第十二组组合时电电量高，其出现被过充电的几率最大。在循环过程中各个电池的电压分布一直保持相同的出现规律，所以是否可以以此进行设计？如，电池组内分别设
10、置一组带电多的和带电少的，把过充电的检测和过放电的检测电路只加在这两组电池上，从而实现对电池组的保护，可以节约成本和减少组装的难度。3.3 电池的容量保持状况电池的单体容量为3.2Ah（0.2C），经过前述的匹配分选方式，电池组的放电容量可以达到11.7Ah（0.5C），即可以发挥电池0.2C容量的91。经过574次循环剩余容量9.6Ah，保持率为82，预计1000次循环剩余容量60以上，此寿命结果明显好于铅酸电池组和锰酸锂电池组，见图5。图中还显示，在第223到228次充电过程中的均衡并没有改变电池组的放电容量。电池组的循环寿命明显低于单个电池的循环寿命，在测试过程中并没有出现明显的破坏行为
11、和破坏现象，这样的差异需要进行系统的分析并验证，至少一点是必须注意的，以目前的组合方式和加工测试过程，电池组的寿命只能发挥到单个电池寿命的80。推荐精选图5 循环寿命和电压差异曲线图3.4 均衡板的作用设计均衡板主要为了防止串联充电（区别于分充合放）过程中出现某一组电池的过充电现象，使之很好的适应目前广泛使用的铅酸电动自行车充电器，结果显示，一般不会出现电池组的过充电现象，这是由于磷酸铁锂电池在充满阶段的电压上升快，会使整个电池组的端电压迅速升高从而充电终止，此均衡板对于发生以外的状况可能会起到作用，如某一串联组电池容量明显下降后。图6显示，均衡电路均衡充电电压以后，放电电压的发散程度也得到了
12、明显的收敛，对于个别电池组出现过放电可能会有积极的贡献，可以减少出现某组电池过放电的几率，作用的原理是充电时将电压高的电池（可能容量少，也可能是初始电量多不匹配）进行了放电，使其带电量减少，多个电池组同时达到放电终止，从而显示的电压差值比较接近，如果充电结束后电压差异大是用于个别组电池容量低造成的，那么均衡的结果将导致下次放电电池组的容量更低，如果是由于某组电池带电量多造成的，那么均衡的结果将会有可能使电池组的放电容量略有增加。推荐精选图6 均衡板对电池组电压影响曲线图均衡板的原理是采用电阻放电的方式进行，其放电过程受IC和MOSFET控制，其出现故障可能导致均衡失效甚至电池组被深度过放电，所
13、以加工和选材上要严格控制，需要谨慎使用。3.5 路试数据分析将另外一组电池安装在一款市售的电动自行车上，对其BMS系统进行了改装，使其可以适合使用磷酸铁锂电池组，主要改装了放电截止电压和短路保护。由于条件的限制，在接近一年的测试中累计户外行驶了接近200次，每一次均为100放电，单次形式的里程为最大64公里，平均52公里，累计行驶9916公里电池组无维护、维修，其过程中进行了载人、爬坡等测试，环境温度最低5度，最高39度。见图7和图8。推荐精选图7 路试行驶平均速度和单次里程图在路试进行到第150次时，电动自行车的电机烧毁，更换电机后其单次行驶里程由55公里下降为45公里，平均时速增加2公里，
14、此现象说明电机的差异（输出功率）将明显影响电动自行车的行驶里程，所以进行电动自行车设计时应充分考虑电机的选择，使其更安全、行驶里程更远，电池组的总能量为：3.2*4*3.2*12490瓦时，每千瓦时行驶里程为：52/0.490106公里/KWh，此参数是评价电池组和电动自行车的重要参数，这个数值属于优秀的数值。因为电机更换，导致路试的数据的分析失去了基准，从前150次的数据看，电池组的容量没有明显衰减，甚至好于实验室循环的结果。推荐精选图8 累计行驶里程图4、结论1） 使用磷酸铁锂电池组可以为电动自行车提供电源，电池组的性能能够满足需求，尤其是良好的循环寿命可以得到发挥。2） 通过对循环过程中电池组的电池单元的电压的检测可以有效的判断电池的状况，并对电池的老化提供分析数据。3） 均衡板可以使电池组的各个串联单元有效的保持一致，各种均衡原理的电路板有着各自的特点，需要进一步开发完善，对于磷酸铁锂电池组可以考虑不使用放电均衡的电路板。4） 电池组和单体电池的循环寿命存在明显的差异，设计电池组时应充分考虑这种差异的存在，并试图分析其中的原因。 （注：可编辑下载，若有不当之处，请指正，谢谢!） 推荐精选
