让锂电池电动车大行其道

2009第 3 期 LECTRIC 电动自行车 ICYCLEB □ 黄学杰 （中国科学院物理所研究员，苏州星恒电源有限公司首席科学家） 让锂电池电动车大行其道 摘要：锂离子动力电池是电动自行车的绿色电池，锂电池首先要保证安全，锂电池的安全性涉 及材料、电池 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 、制造、应用等诸多方面。电池的功率特性、循环寿命和一致性是动力锂电 池的重要指标，经过努力，现已趋于成熟。锂电池的正极材料方面，锰酸锂是现阶段最佳选择， 同时铁锂电池受到强烈关注。 关键词：锂电池；电动自行车；锰酸锂 据统计，至今我国电动自行车保有量超过 1 亿辆，小小的电动自行车为解决我国的城镇交 通问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 做出了重大贡献，这是当初根本没有预 计到的。目前电动自行车所用电池绝大多数采 用铅蓄电池，铅蓄电池生产和回收过程中的污 染问题是目前一些城市禁止电动自行车上牌的 原因之一。行业的可持续发展寄希望于绿色电 池产业，锂离子动力电池将对电动自行车行业 进一步的发展起决定作用。随着休闲、运动及 环保等趋势，欧洲电动自行车市场也进入了快 速发展期，也为高性能绿色电池提供了很好的 市场机会。电动自行车产业的快速发展，使锂 离子动力电池技术快速走向成熟。锂电池电动 车大行其道的时机已经来临。 1 锂电池首先要保证安全 动力和储能锂离子电池无论是单体电芯还是 电池组容量都远大于手机电池，对安全性有更高 的要求。一部手机用的锂离子蓄电池的重量约 20 g ，发生安全事故的概率小于千万分之一， 可为社会公众所接受。锂离子电池的安全性是和 储存的总能量成反比的，电动自行车所用锂离子 电池组的重量为 3～4 kg，比手机大了 100 多 倍，纯电动小轿车将用到 300～400 kg 的蓄电 池，至于电动大巴或电动大货车的电池用量将是 1 500～2 000 kg，更是手机电池的 7.5万～10.0万 倍。为保障安全性，动力电池一般采用锰酸锂和 磷酸铁锂正极材料，但单纯变更正极材料并不能 完全保障电池的安全性，电池的安全性涉及材料、 电池设计、制造、应用诸多方面。除正极材料选 择锰酸锂和磷酸铁锂外，还需要慎重选择负极材 料，采用可耐更高温度的新型隔膜和加阻燃剂的 电解液也是提高锂离子电池安全性的技术手段。 2 电池的一致性和电池组的管理是关键 要素 电池组中单体电池的性能和电池组性能是完 全不同的概念，在实际应用过程中，受到很多方 面的影响，电池的一致性和电池组管理是影响电 动车行驶里程和电池组使用寿命的关键因素。 电动自行车电池一般为 36 V，由 10 只单体 电池串连组合使用，对电池的一致性要求很高。 一致性差的电池不仅一次充电行驶里程短，而且 电池组的寿命也不长。因此，动力电池的生产不 研究与开发 2009第 3 期 LECTRIC 电动自行车 ICYCLEB 23 2009 第 3 期 LECTRIC 电动自行车 ICYCLEB 电动自行车 仅需要保持高精度，电池在进行组合时还必须进 行严格的分选，挑选性能一致的电池进行组装。 锂电池的配组目前一般按容量、内阻、电压 平台、自放电压降等性能参数的差别进行配组， 最适宜的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 是在接近工况条件下按充放电曲线 进行分选。 星恒电动自行车 10 Ah 能量型电池采用表 面包覆 LiAlO2锰酸锂正极材料和配套的电解液 添加剂技术，解决了锰酸锂电池的循环稳定性， 采用金属壳体（不锈钢、铝）和结构独特的铆 接技术，提高密封的可靠性并降低极柱和集流 体接触电阻。研制生产的 10 Ah 单体锂离子动 力电池安全性通过 UL认证，比能量大于 110 Wh/kg，内阻小于 2 mΩ，2 C 放电容量大于 1/3 C放电容量 90％，－20 ℃下 1 C放电容量 大于初始容量的 85％，1 C 循环寿命大于 500 次。按容量、内阻、电压平台、自放电压降等 性能参数的差别进行分选，较好地保障了电池 组电压地一致性。从图 1 的 10 串电池组 1 C放 电曲线可看出，组内单体电池电压具有较好的 一致性，为采用通用电池保护芯片对电池组进 行保护和管理提供了条件。 星恒电池组保护和采用 1414 或 8254 芯片 组合控制MOS 管 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，通过外部电容设定延时 时间以保证电压采样的准确性。过充电发生后， 电压检测模块检测到电芯电压下跌到 4 V或者更 低，再接通开关管，过放电发生后，电压检测模 块检测到电芯电压上升到 3 V或者更高，再接通 开关管。过流保护功能是通过在电池组使用过程 中，通过外部 电路 模拟电路李宁答案12数字电路仿真实验电路与电子学第1章单片机复位电路图组合逻辑电路课后答案 来检测线路中的工作电流，当 充放电的工作电流大于电池组允许的充放电工作 电流上限时，关断充放电回路；同时检测外部负 载是否断开，当检测到外部负载断开时，接通充 放电回路；另外在充放电线路上放置自恢复过流 保险丝，当电流超过自恢复保险丝工作的上限， 自恢复保险丝发热，电阻急剧增大，达到减小回 路电流保护电池组，当保险丝温度回复正常，电 阻变小，接通回路。 过热保护功能采用 PTC来实现，在电池组 使用的过程中，当电池组温度高于 70 ℃时，关 断充放电回路。电池组平衡功能通过芯片检测单 体电池电压，通过MOS 开关控制旁路电流来实 现。平衡调节放电时，可以几节同时放电，比如 10 节中有 1 节的电压特低，其它各节与该节的 压差都超过了要求的精度，其它电池可以同时放 电实现均衡。 我们选择任意 1组电池，对其中几节进行放 电，第 2 天的 49 mV差在第 3 天进入±10 mV， 实验数据见表 1所示。实验表明该电池完全满足 了设计指标。 2008 年，星恒通过数百次的技术测试，对 产品品质进行了较大程度的提升。针对电动自行 车输出电流增大的市场趋势，我们通过材料和技 术上的变动，使得电池本身不仅适合电动自行车 的大电流冲击，而且循环寿命得到了提高。 3 正极材料：锰酸锂是现阶段最佳选择， 铁锂受到强烈关注 日本在锂离子电池领域具有垄断地位，索 图 1 10串电池组单体电压曲线 1 7 13 19 25 31 37 43 49 55 61 67 73 79 85 91 97 103 4 3 2 1 2009 第 3 期 LECTRIC 电动自行车 ICYCLEB 电动自行车 24 2009第 3 期 LECTRIC 电动自行车 ICYCLEB 第一天 第二天 第三天 8:40 12:00 4:00 8:00 12:00 16:00 8:40 第一节 3.990 3.975 3.951 3.910 3.893 3.881 3.870 第二节 3.849 3.843 3.952 3.854 3.858 3.867 3.867 第三节 4.012 3.989 3.953 3.915 3.900 3.880 3.872 第四节 3.984 3.946 3.942 3.912 3.875 3.868 3.875 第五节 3.866 3.866 3.866 3.865 3.865 3.864 3.865 第六节 4.001 3.975 3.953 3.914 3.902 3.887 3.879 第七节 4.000 3.982 3.952 3.914 3.907 3.872 3.872 第八节 3.944 3.945 3.917 3.893 3.890 3.952 3.875 尼、三洋电机、松下电池、NEC等著名公司都 建有大规模锂离子电池生产线，而且大多数制造 商除了保持和扩大原有品牌的产量外，都在利用 各自的优势开拓锂离子动力电池新产品。早在 2002 年，Yamaha 就推出了锂离子电池电动自 行车。目前日立、三菱等公司生产的锂离子电池 批量应用于电动汽车和混合电动汽车。富士重工 为东京电力设计的使用锂离子电池电动汽车 “R1e”，快速充电模式下，15 min 可充满 80％， 充电 1 次可行驶约 80 km。最大速度为 100 km/h。目前在日本已经产业化的 HEV电池均基 于锰酸锂锂材料或三元正极材料（包括钴镍锰酸 锂和铝掺杂的镍钴酸锂），EV和 PHEV动力型锂 离子电池的正极材料主要为尖晶石锰酸锂，如富 士重工的“R1e”和三菱的“MiEV”。锰酸锂 LiMn2O4为立方尖晶石结构，作为锂离子电池正 极材料，理论容量为 148 mAh/g，实际容量一 般为 100～120 mAh/g。LiMn2O4价格低廉，对 环境友好，电池安全性高，功率特性好，制备工 艺过程易于控制，产品品质稳定，是现阶段锂离 子动力电池的首选。 近年来磷酸铁锂的发展得到强烈关注， LiFePO4理论容量为 170 mAh/g，相对于金属锂 电势为 3.5 V，做成材料实际的可逆容量在 130～ 160 mAh/g。该材料充电态的热稳定性高，对电 解液的氧化能力低，使电池具有更好的安全性， 可以用来做更大的电池。美国德克萨斯州大学 J . B. Goodenough 及其合作者申请的专利（US 5910382）是关于充电橄榄石结构磷酸铁锂正极 材料的的第一个明确的核心专利。但与其他材料 相比，锂离子在 LiFePO4 中的化学扩散系数较 低，室温下的电子电导也远低于其他正极材料。 为解决该材料的应用问题，M. Armand 等想到 了给磷酸铁锂包碳。据相关资料显示，使用 1％ 的碳对磷酸铁锂进行包覆，材料即具有较好的导 电性能，其在 80 ℃和 1 C倍率的测试条件下， 材料的容量达到 160 mAh/g，因此，第二个磷 酸铁锂的关键专利就是磷酸铁锂包碳技术。Ar- mand 等人的专利也在中国获得了批准，国际上 的围绕磷酸铁锂的专利大战也因这两个专利而 起。目前的研究热点是发展新的合成方法和对材 料进行改性来提高其综合性能。国内多数企业仍 采用两个专利中描述的固相反应法合成磷酸铁 锂。该方法简单方便，容易操作，缺点是合成的 周期较长，产物的批次稳定性难以控制，如何在 表 1 锂电池组单体电池放电电压数据 （V） （下转第 29页） 研究与开发 2009第 3 期 LECTRIC 电动自行车 ICYCLEB 25 2009第 3 期 LECTRIC 电动自行车 ICYCLEB 热处理及粉体加工的过程中防止二价铁的氧化是 合成的关键控制点。目前也有不少研发团队开发 出的碳热还原法、共沉淀法、水热法、喷雾热分 解法，产品的品质稳定性和应用适应性在未来几 年将得到逐步提高。值得各电池生产厂家和用户 进行跟踪。 安全性、功率特性、循环寿命和一致性是电 动自行车锂电池的关键指标，经过多年的努力， 电动自行车锂离子电池技术已趋于成熟稳定，随 着整车和电驱动系统厂家更多地投入锂电车整车 和关键零部件的开发，锂电池必将快速成为电动 自行车的主流电池，也必将带动电动自行车产业 新一轮的增长。 5 其他方面 关于电动车电池的硬件设计，许多业内人士 都有文章报道，在有效的空间里要达到这么多的 容量，必须在设计中尽量利用空间，使活性物质 质量尽量多一些，适量提高电解液浓度及加入有 效的电解液添加剂是必要的。我们曾作过加入 1％Na2SO4 和不加的对比试验，其容量可增加 3％～5％左右，而循环寿命也相应延长不少 （据有关资料报道，另外两种电解液添加剂效果 更为明显，目前我们正在试验中）。安全阀的选 择也是很重要的，从目前看来使用“三元乙丙” 橡胶制作安全阀皮帽是比较好的。万万不能因为 省成本而用普通再生胶等材质制作。曾见过因 材质不好而在热天发生安全阀老化发粘而“咬 死”现象，所以采用优质橡胶在安全阀座上抹 些硅油是必要的。安全阀的开、闭压力各厂都 有不同的数值，开启压过低，则电池排气频繁， 造成失水多；开启压过高，将增加蓄电池的不 安全因素。经实践以 25～30 kPa 开启，15 kPa 左右关闭为好。 经验证明：充电方法对密封电池的寿命影响 很大。天能公司正开发这种适用于电动自行车电 池的充电器。 6 产品测试 天能牌电动助力车用蓄电池 (12 V12 Ah) 3 只经南京天地集团测试，结果如下： 6. 1 容量试验 设备：定电阻电路放电绕线电阻 0.5 级电压 表、电流表。 方法：将电池完全充电，用 5 A放电，终止 电压 10.5 V，测量放电时间。 送样直接试验结果见表 1。 6. 2 寿命试验 设备：自制自动循环充放电试验台。 放电方式：在电池完全充电后，以 9～10 A 的电流放电，直至终止电压 21 V。当按 6.1 试 验，记录放电时间少于 72 min时寿命试验结果。 试验结果：总循环次数 348次。 经上述试验后，充电再试验结果见表 2。 7 结论 综上所述，我们根据以上工艺的原则，制造 了“天能”牌优质电动车用铅酸蓄电池，经 2 年多的市场实践证明是行之有效的。 电池编号 1# 2# 3# 开路电压 (V) 13.42 13.45 13.45 放电时间 (min) 132.00 131.00 133.00 表 1 电池直接试验结果 电池编号 1# 2# 3# 开路电压 (V) 13.50 13.50 13.50 放电时间 (min) 134.00 135.00 135.00 表 2 电池再试验结果 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! （上接第 25页） 研究与开发 2009第 3 期 LECTRIC 电动自行车 ICYCLEB 29