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1、 混合动力巴士用高功率纳米磷酸铁锂电池的开发深圳市博德能科技有限公司 金旭东摘要 湖南业翔晶科新能源有限公司联合深圳市德方纳米科技有限公司共同开发了可用于混合动力巴士的20Ah高功率纳米磷酸铁锂电池，并参考FreedomCAR电池测试标准对电池进行了一系列检测。结果表明，单体电池具有良好的安全性能及倍率充放电、循环、高低温充放电和搁置性能。 在室温 (25) 下的15C倍率放电容量占1C放电容量的85%以上，50DOD时的10s脉冲输出功率密度为2400W/kg，输入功率密度为1200W/kg，能够满足混合动力巴士的使用需要。 近年来，随着石油资源的日益枯竭，随着环境污染问题的日益严重，工业发
2、达国家都在加速寻找替代能源。而作为储能装置的各种电池、电容器也随之受到人们的热切关注，以美国、日本 、德国、韩国为首的工业发达国家纷纷投入巨资进行新型储能装置的研究与开发，各种新型材料、各种新型电池电容器不断涌现，其中尤以磷酸铁锂动力电池以其高安全性、高功率密度、高能量密度、良好的高低温特性、极长的日历寿命及循环寿命引起人们的高度关注。为了配合国家十城万辆电动汽车计划，湖南业翔晶科新能源有限公司承担了08年度国家科技支撑计划超级电容电池材料及器件的研究与开发项目。为了加快完成国家的科研任务，尽快生产出符合混合电动巴士用的高功率纳米磷酸铁锂超级电容电池，公司联合深圳市德方纳米科技有限公司、中南大
3、学冶金材料与科学工程学院，从电池正极材料、负极材料、电解液、电池结构设计、电池工艺设计、电池制造设备、电源管理系统及电源箱体等方面展开了全面系统的研究与开发。经过关联公司及公司研发团队的共同努力，该项目目前已经取得阶段性的成果。研发成功了能够用于混合动力巴士的20安时高功率纳米磷酸铁锂电池。 本文详细介绍了湖南业翔晶科新能源有限公司开发的高功率纳米磷酸铁锂电池，电池规格3470160，额定容量20安时，结构为具有高功率特性的叠片结构，外壳为耐腐蚀耐冲击的不锈钢壳。通过优化体系和制程工艺，提高了电池的安全性能、功率性能、温度特性，延长了电池的循环寿命，电池性能完全可满足混合电动巴士的使用要求。1
4、 、 产品试制3470160高功率纳米磷酸铁锂电池系采用深圳市德方纳米科技有限公司自主研发的新型纳米磷酸铁锂（NANO-LiFePO4）为正极材料，人造石墨为负极材料，电解液为磷酸铁锂专用电解液。为了保证电池工作时散热良好，外壳采用耐腐蚀抗冲击的304不锈钢，同时为了减少电池内阻，电池极柱采用了晶科自主开发的连接结构。为了提高电池的功率性能，我们采用等流原理对电池的结构进行了科学的设计：1、采用叠片式电池结构，2、尽量减少电流通路的连接界面，3、采用耐久可靠的连接方式，4、尽量采用机械和自动化设备，减少人为因素对电池一致性的影响。为了获得最佳的电池性能，我们采用自主开发的高速分散设备进行浆料制
5、备，使纳米材料得到了良好的分散。本次开发的3470160纳米磷酸铁锂电池，。单体电池的照片如图1所示， 尺寸为3470160(mm)， 电池重量约850 g， 额定容量为20 Ah， 内阻小于1.5 m。 图1、3470160纳米磷酸铁锂电池 2、 结果与讨论2.1、 1C充放电特性 对上述电池以20安培的电流进行充放电，其特征曲线如图2所示。从中可以看出，采用20A的电流充电，电池大约62分钟即可充满，其中电池1C放电的平均电压为3.2 V，2.2V以上的放电容量达到20.6ah，显示了良好的1C充放电性能。同时从放电曲线可以看出，电池电压随放电时间平稳下降，放电曲线十分平坦，这表明电池的有
6、效工作时间长，在平台电压范围内，电池的运行十分平稳。图2、20安时电池1C充放特征曲线2.2、 循环性能为了检测电池是否能够满足混合电动巴士的要求，在进行循环寿命测试时，我们按照20 Ah的额定容量让电池在常温下进行长期的1C充5C放的循环性能测试，其循环曲线如图3所示，150次循环后容量保持仍在100以上，显示了研制的电池具有非常出色的循环性能。图3 、20安时电池1C充5C放循环曲线2.3、 倍率放电混合动力巴士对电池最重要的要求就是电池倍率充电性能和倍率放电性能，为此，我们按照20 Ah的额定容量对电池进行了0.5C、5C、10C、15C连续放电性能测试，进行了1C 、5C和10C的倍率
7、充电实验，同时测试了10C以上大倍率放电的电池表面温度。图4-a为不同放电倍率下电池的放电曲线，从中可以看出，10C的放电容量为1C容量的95.2%，放电平台为2.8 V，15C的放电容量与1C容量的90%，放电平台为2.6V ，最高放电温度仅为40 ，温升为10。并且与1C的放电平均电压相比，12C的放电平均电压仅降低了0.4 V，显示了电池具有非常优异的放电倍率性能。图4-b为1C、5C、10C充电倍率下电池的充电曲线，从中可以看出，5C的充电容量是1C容量的92% ，8C的充电容量是1C容量的85.2%，显示电池具有良好的充电倍率性能。优良的倍率性能对于混合电动巴士来说十分重要，优良的充
8、电倍率性能意味着在巴士下坡、刹车时能够有效回收能量，提高混合动力巴士的燃油效率，减少二氧化碳气体的排放，提高混合动力巴士的运营效益。(a)(b)图4、20安时电池的倍率充放电曲线2.4 、 温度特性磷酸铁锂电池的弱点之一是低温性能不佳，为此许多电池厂家采用低温电解液来改善电池的低温特性，但是效果很不明显，通常，在常温下充满电的一般磷酸铁锂电池在零下20度温度下冷冻24小时后以0.5C放电，放电效率仅20-30%，零下30度几乎无法放电，无法满足混合电动巴士在各种不同气候条件下的工作要求。但是，本项目开发的高功率纳米磷酸铁锂电池在满电状态下于零下30度的温度下冷冻24小时，然后以0.5C的倍率进
9、行放电测试，放电曲线如图5所示。从图5 可以看出，30的放电容量为常温放电的56%，电压平台为2.6V，如果配合低温电解液，放电效率还可以进一步提高。由于磷酸铁锂的高温性能优良，在高温下的放电能力优于常温，所以本次试验没有进行高温充放电性能的测试。图5 、20安时电池30温度下的放电曲线2.5 、 不同DOD下脉冲充放电能力为检测电池在不同DOD下的脉冲充放电功率能力，根据FreedomCAR标准，对电池进行了脉冲放电电流为5C(以电池实际容量为准)的HPPC测试。实验通过1C的充放达到电池的不同放电深度，测试该DOD下的10 s大电流脉冲充放电功率。表2为不同DOD下脉冲充放电功率密度的数据
10、。表2 不同DOD下20安时电池的脉冲充放电功率密度DOD()1030507090脉冲放电时的功率密度(W/kg)26302598246423242232脉冲充电时的功率密度(W/kg)9801099 1231 13501386从表中的数据可以看出， 电池的脉冲放电功率能力随DOD的升高而降低，但降幅平缓; 脉冲充电功率能力随DOD的升高而升高，这说明电池在满电状态下也具有良好的脉冲充电性能。而混合动力巴士的电源使用范围一般在30-70SOC，对应DOD为7030，测试结果表明电池在1070的广泛DOD范围内其脉冲放电功率密度均在2300 W/kg以上，脉冲充电功率在1200W/kg以上，其中
11、50%DOD下的特征放电功率密度为2400W/kg，充电功率密度为1231W/kg，显示该电池具有优良的脉冲充放电能力，特别适合混合电动巴士的应用。2.6、 搁置性能由于HEV电池在使用时大部分时间处于搁置状态，所以搁置性能是HEV电池非常重要的一个性能。我们用20安时的纳米磷酸铁锂电池测试了电池在常温及高温下的搁置状况。常温搁置试验是将电池1C充电至所需SOC，搁置一段时间后以1C的倍率放出残余容量，再次1C循环获得恢复容量数据。表1为电池的常温和高温搁置数据。由表1可知，满电状态电池在55 下搁置7天，其1C放电容量相比于搁置前保持在97.6%，容量恢复甚至达到99.3%。表明电池具有优良
12、的常温及高温搁置性能。表1、 20安时电池的搁置性能储存条件剩余容量 (%)容量恢复率(%)25，50%SOC，30天99.010025，100%SOC，30天98.599.555 ，100%SOC，7天97.699.32.7 、 安全性能测试 锂离子动力电池的安全性能历来是用户最为关注的问题，为了验证3470160规格20安时纳米磷酸铁锂电池的安全性能，我们进行了电池的过充、短路、挤压、针刺及热箱加热试验。1、 过充实验：以60A的电流对电池进行充电，充电电压达到10V时，电池防爆膜没有破裂，电池没有无冒烟、起火和爆炸。2、 短路试验：在常温下将电池充满电，然后用电阻小于5毫欧的导线进行外部
13、短接，时间持续10min,电池没有起火和爆炸。3、 挤压试验：在垂直于电池极片的方向对电池进行挤压，直到电池壳体破裂，电池电压降到0V，电池没有起火和发上爆炸。4、 针刺实验：用直径3mm的不锈钢耐热钢针在垂直于电池极片的方向，将电池刺穿，并将钢针停留在电池内，电池轻度冒烟，没有起火和爆炸。5、 热箱实验：将电池充满电，置于电热恒温箱里，在85度温度下保温120min,电池没有起火和爆炸。以上实验表明，纳米磷酸铁锂由于具有极佳的热稳定性，同时其内阻低，离子扩散能力强，功率性能好，所以具有极佳的安全性，完全能够满足国家863计划关于汽车动力用锂离子电池的安全要求。3 、 结论由湖南业翔晶科新能源有限公司采用深圳市德方纳米科技有限公司生产的纳米磷酸铁锂生产的20安时高功率电池，在进行充放电特性测试、倍率充放电性能测试、1C充5C放的循环寿命测试、高低温测试、脉冲充放电测试、常温和高温搁置性能测试以及全面的安全性能测试后，测试结果表明：该电池完全能够满足混合电动巴士对动力锂离子电池的要求，其各项性能指标达到和超过了国家863计划关于锂离子动力电池的标准要求。
