磷酸鐵鋰電池與鉛酸蓄電池混合系統(tǒng)研究*

袁　好,　衣守忠,　王先友*

(1. 湘潭大學(xué) 化學(xué)學(xué)院，電化學(xué)能源儲(chǔ)存與轉(zhuǎn)換湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411105；2. 深圳市雄韜電源科技股份有限公司，廣東 深圳 518120)

?

磷酸鐵鋰電池與鉛酸蓄電池混合系統(tǒng)研究*

袁好1,衣守忠2,王先友1*

(1. 湘潭大學(xué) 化學(xué)學(xué)院，電化學(xué)能源儲(chǔ)存與轉(zhuǎn)換湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411105；2. 深圳市雄韜電源科技股份有限公司，廣東 深圳 518120)

利用磷酸鐵鋰電池與鉛酸蓄電池不同的充放電特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了基于磷酸鐵鋰電池與鉛酸蓄電池并聯(lián)的混合動(dòng)力電源系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了新型充放電制度.充電時(shí)鉛酸蓄電池優(yōu)先充電，使其免于欠充電；放電時(shí)磷酸鐵鋰電池電優(yōu)先放電，鉛酸蓄電池后放電，使鉛酸蓄電池處于淺循環(huán).這種充放電制度可以明顯延長(zhǎng)混合系統(tǒng)中鉛酸蓄電池使用壽命，并且混合動(dòng)力電源系統(tǒng)同時(shí)具有磷酸鐵鋰電池倍率性能優(yōu)、循環(huán)壽命長(zhǎng)及鉛酸蓄電池價(jià)格低廉等特點(diǎn)，在動(dòng)力電池領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用前景.

磷酸鐵鋰電池；鉛酸蓄電池；混合電池；并聯(lián)組合；動(dòng)力電池

隨著石油資源日益枯竭，傳統(tǒng)依賴石油產(chǎn)品作為動(dòng)力來(lái)源的汽車產(chǎn)業(yè)面臨成本上升、無(wú)以為繼的境況.發(fā)展電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的呼聲日益高漲，我國(guó)已經(jīng)制定了2012-2020年電動(dòng)車發(fā)展規(guī)劃，與之配套的動(dòng)力電池也納入國(guó)家扶持項(xiàng)目清單，目前國(guó)內(nèi)電動(dòng)車市場(chǎng)一般選擇磷酸鐵鋰電池或鉛酸蓄電池作為動(dòng)力電源.然而在小型電動(dòng)車領(lǐng)域，由于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，對(duì)成本要求較高，廉價(jià)的鉛酸蓄電池占有相當(dāng)大的比例，但由于鉛酸蓄電池體積比能量與重量比能量低，循環(huán)壽命差，其在高端電動(dòng)汽車領(lǐng)域應(yīng)用仍受到限制.目前國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車廠家主要選擇磷酸鐵鋰電池作為汽車首選動(dòng)力電源，磷酸鐵鋰電池與鉛酸蓄電池相比存在以下優(yōu)點(diǎn)[1～14]：

a.循環(huán)壽命：磷酸鐵鋰動(dòng)力電池的循環(huán)壽命幾乎是鉛酸電池的6 倍以上，100% DOD循環(huán)，磷酸鐵鋰電池能夠達(dá)到1 200次，鉛酸蓄電池200 次左右.

b.充放電性能：磷酸鐵鋰電池能夠在短時(shí)間內(nèi)快速的大電流充放電，電池性能不受影響，鉛酸電池目前最大充電電流為0.25 C，高于0.1 C電流放電容量就會(huì)出現(xiàn)明顯衰減.

c.能量密度：磷酸鐵鋰電池的質(zhì)量比能量約為110 Wh/kg，遠(yuǎn)高于鉛酸蓄電池30～40 Wh/kg.

盡管磷酸鐵鋰電池有諸多優(yōu)點(diǎn)，但與鉛酸蓄電池相比成本過(guò)高，是相同容量鉛酸蓄電池價(jià)格的6～8倍，電池占到整車成本的60%，這成為制約其在動(dòng)力市場(chǎng)推廣應(yīng)用的關(guān)鍵.因此開(kāi)發(fā)成本低，性能優(yōu)的電動(dòng)乘用車新能源系統(tǒng)勢(shì)在必行.本文結(jié)合磷酸鐵鋰電池性能優(yōu)勢(shì)及鉛酸蓄電池價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)，提出一種新型混合動(dòng)力電池系統(tǒng)方案，為動(dòng)力電池研發(fā)及在電動(dòng)車領(lǐng)域的推廣應(yīng)用提供新的方向.

1　鋰離子電池/鉛酸蓄電池混合動(dòng)力電池系統(tǒng)組合方案

1.1方案模型

混合電池動(dòng)力電池系統(tǒng)由磷酸鐵鋰電池與閥控密封鉛酸蓄電池并聯(lián)，再外接保護(hù)系統(tǒng)(BMS)構(gòu)成，如圖1所示[15～17].

1.2理論依據(jù)及建模

當(dāng)蓄電池并聯(lián)時(shí)，影響充放電電流的主要因素有電池實(shí)際容量Q，電池歐姆內(nèi)阻R，內(nèi)電壓UOCV，極化電壓UP，即

I=f(Q,R,UOCV,UP).

(1)

并聯(lián)電池的外電壓Ut與開(kāi)路電壓UOCV之差，表示為UΔ，反映了單體電池內(nèi)電壓的差異程度，并隨著并聯(lián)支路不平衡電流引起的歐姆壓降UR的變化和極化電壓UP的變化而變化[18～20]：

(2)

通常說(shuō)來(lái)，2 V鉛酸蓄電池滿荷電情況下內(nèi)阻為0.1～1 mΩ，3.2 V磷酸鐵鋰電池單體電芯內(nèi)阻在30～80 mΩ之間，磷酸鐵鋰電池內(nèi)阻遠(yuǎn)高于鉛酸蓄電池.由公式(2)可知，并聯(lián)的磷酸鐵鋰電池與鉛酸蓄電池混合系統(tǒng)中其各支路充電電流差異主要取決于內(nèi)阻，因此充電時(shí)鉛酸蓄電池支路可優(yōu)先充電，避免欠充電引起負(fù)極板硫化從而延長(zhǎng)其使用壽命.在放電過(guò)程中，由于外接負(fù)載，內(nèi)阻是可以忽略的因素，磷酸鐵鋰電池的極化電壓小于同規(guī)格鉛酸蓄電池，故磷酸鐵鋰電池支路優(yōu)先放電，鉛酸蓄電池支路后放電，鉛酸蓄電池處于淺循環(huán)狀態(tài).眾所周知,鉛酸蓄電池放電深度對(duì)循環(huán)壽命影響較大，淺循環(huán)應(yīng)用可以提高鉛酸蓄電池使用壽命.因此，這樣的組合就能有效地使磷酸鐵鋰電池與鉛酸蓄電池各自的優(yōu)勢(shì)最大化，既利用了鉛酸蓄電池成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，又能改善其循環(huán)壽命差的不足.

1.3混合動(dòng)力電池系統(tǒng)充放電性能研究

圖2為12 V 50 Ah混合動(dòng)力電池系統(tǒng)充電過(guò)程中各支路充電深度變化圖，該系統(tǒng)中磷酸鐵鋰電池與鉛酸蓄電池容量都為25 Ah.

由圖2可知，混合動(dòng)力電池系統(tǒng)充電深度在額定容量88% 以下時(shí)，鉛酸蓄電池支路都處于優(yōu)先充電的狀態(tài)，混合動(dòng)力電池系統(tǒng)充電到額定容量60% 時(shí)，鉛酸蓄電池支路充電已經(jīng)接近其額定容量80%，由于鉛酸蓄電池耐過(guò)充電能力較差，一般實(shí)際應(yīng)用鉛酸蓄電池充電電流限定在0.25 C以下，在混合動(dòng)力電池系統(tǒng)中，可將總充電電流值限定在0.3 C左右，即為15 A，這樣相比鉛酸蓄電池既提高了充電電流，提高了充電效率，又避免了混合動(dòng)力電池系統(tǒng)中鉛酸蓄電池支路過(guò)充電.

磷酸鐵鋰電池支路由4個(gè)3.2 V磷酸鐵鋰電芯串聯(lián)組成，磷酸鐵鋰電池單體電芯理論充電電壓為3.65 V，12 V 磷酸鐵鋰電池充電電壓為14.6 V，高于12 V鉛酸蓄電池均充電壓14.1 V.為避免鉛酸蓄電池支路過(guò)充電，混合動(dòng)力電池系統(tǒng)的充電電壓按照鉛酸蓄電池均充電壓14.1 V設(shè)定.在混合動(dòng)力電池系統(tǒng)中，磷酸鐵鋰電池支路充電電壓偏低，可能存在欠充電的情況，但是鋰離子電池在一定PSoC 狀態(tài)下使用壽命更長(zhǎng)，有研究表明鋰離子電池充放電容量保持在40%～80% 時(shí)，對(duì)鋰離子電池壽命最為有利[21]，這是因?yàn)槌潆婋妷哼^(guò)高或過(guò)充電時(shí)，正極材料鋰離子過(guò)度脫嵌會(huì)導(dǎo)致正極材料結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變或破壞，所以混合動(dòng)力電池系統(tǒng)中磷酸鐵鋰電池支路充電電壓偏低不影響其使用壽命.

從上述分析可知，混合動(dòng)力電池系統(tǒng)充電過(guò)程保證了鉛酸蓄電池支路優(yōu)先，可有效避免鉛酸蓄電池由于欠充電導(dǎo)致的負(fù)極板硫化等問(wèn)題，提高了鉛酸蓄電池支路以及混合動(dòng)力電池系統(tǒng)的使用壽命.但由于并聯(lián)混合動(dòng)力電池系統(tǒng)中磷酸鐵鋰電池與鉛酸蓄電池充電電壓及充電限流值有差異，為了避免混合系統(tǒng)過(guò)充電應(yīng)對(duì)混合動(dòng)力電池系統(tǒng)的充電電流及充電電壓做出合理設(shè)置.

圖3為12 V 50 Ah混合動(dòng)力電池系統(tǒng)放電過(guò)程中各支路充電深度變化圖.

由圖3可知，放電時(shí)磷酸鐵鋰電池支路始終優(yōu)先放電，鉛酸蓄電池是補(bǔ)充.混合動(dòng)力電池系統(tǒng)放電深度較深時(shí)，如額定容量80%，對(duì)應(yīng)的鉛酸蓄電池支路放電深度僅為額定容量60%，由于鉛酸蓄電池在深放電應(yīng)用狀態(tài)下壽命較短，這種放電模式能大大提高鉛酸蓄電池支路及混合動(dòng)力電池系統(tǒng)的使用壽命.在放電截止時(shí)，由于鉛酸蓄電池極化高于鋰離子電池，電壓回升較快會(huì)對(duì)鋰離子電池支路產(chǎn)生回充，可能對(duì)鉛酸蓄電池支路造成過(guò)放電，為了避免這種情況，應(yīng)將混合動(dòng)力電池系統(tǒng)放電截止電壓適當(dāng)提高.

1.4混合動(dòng)力電池系統(tǒng)性能研究

圖4 是12 V 50 Ah混合動(dòng)力電池系統(tǒng)在不同倍率時(shí)的放電性能比較.從圖4可以看出，磷酸鐵鋰電池與鉛酸蓄電池混合動(dòng)力電池系統(tǒng)大電流放電性能優(yōu)異，1 C放電到10.5 V，可以放出100% 的容量，這明顯優(yōu)于鉛酸蓄電池，通常的鉛酸蓄電池1 C放電容量?jī)H為55% 左右.

圖5是12 V 50 Ah混合動(dòng)力電池系統(tǒng)在不同放電深度時(shí)的循環(huán)性能比較.從圖5可見(jiàn)，即使在100% DOD深度充放電循環(huán)，其壽命仍能達(dá)到750次，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)的12 V鉛酸蓄電池，通常鉛酸蓄電池100% DOD的循環(huán)壽命是100～200次.

2　結(jié)　論

磷酸鐵鋰電池與鉛酸蓄電池并聯(lián)組成的混合動(dòng)力電源系統(tǒng)，利用了放電時(shí)磷酸鐵鋰電池優(yōu)先，充電時(shí)鉛酸蓄電池優(yōu)先的特點(diǎn)，使鉛酸蓄電池避免欠充電與過(guò)放電，有效地延長(zhǎng)了鉛酸蓄電池的循環(huán)壽命，整個(gè)混合動(dòng)力電源系統(tǒng)循環(huán)壽命得以提高，同時(shí)保留了磷酸鐵鋰電池大電流放電性能好及鉛酸蓄電池價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)，使得混合動(dòng)力電源系統(tǒng)在動(dòng)力電池領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景.

[1]TARASON J M, ARMAND M. Issues and challenges facing rechargeable lithium batteries[J]. Nature，2001：359.

[2]PROSINI P P, CENTO C, RUFOLONIC A, RONDINO F,et al. A lithium-ion battery based on LiFePO4and silicon nanowires [J]. Solid State Ionics,2015，269：93-97.

[3]THACKERAY M M,WOVERTON C,ISAACS E D. Electrical energy storage for transportation-approaching the limits of, and going beyond, lithium-ion batteries [J], Energy Environ Sci, 2012(5): 7 854-7 863.

[4]SULAIMAN M A,HASAN H. Development of lithium-ion battery as energy storage for mobile power sources applications[J]. AIP Conf Proc, 2009,1 169: 38-47.

[5]GOODENOUGH J B, KIM Y. Challenges for rechargeable lithium batteries[J]. Chem Mater, 2010, 22(3): 587-603.

[6]ETACHERI V, MAROM R,ELAZARI R, et al. Challenges in the development of advanced Li-ion batteries: a review[J]. Energy Environ Sci, 2011,4(9)：3 243-3 262.

[7]SUNG W, SHIN C B. Electrochemical model of a lithium-ion battery implemented into an automotive battery management system [J]. Computers and Chemical Engineering,2015，76：87-97.

[8]PARVINI Y, VAHIDI A. Maximizing charging efficiency of lithium-ion and lead-acid batteries using optimal control theory [J]. American Control Conference (ACC),2015，7：317-322.

[9]ARMAND M, TARASCON J M. Building better batteries[J]. Nature, 2008,451(7 179): 652-657.

[10]楊萍，余隨淅，蔣峰，等. Gd3+摻雜納米SnO2鋰離子電池負(fù)極材料的制備與電化學(xué)性能研究[J].湘潭大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào)，2014,36(1):26-32.

[11]王先友，吳強(qiáng)，舒洪波，等.陽(yáng)離子Fe位摻雜對(duì)LiFePO4正極材料電化學(xué)性能的影響[J].湘潭大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào)，2012，34(2):61-65.

[12]王先友， 魏思偉， 舒洪波，等．礦山機(jī)車用中等功率型鋰離子電池制備技術(shù)[J] ．湘潭大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào)，2011,33(1) :53-58.

[13]WU F ,WANG Z , SU Y F ,et al. Li[Li0.2Mn0.54Ni0.13Co0.13]O2-MoO3 comosite cathodes with low irreversible capacity loss for lithium ion batteries [J]. Journal of Power Sources,2014,247:20-25.

[14]舒洪波.高導(dǎo)電性微球形LiFePO4正極材料的制備及改性研究[D].湘潭:湘潭大學(xué), 2013：18-22.

[15]具備自調(diào)節(jié)能力的混合電池電源系統(tǒng): 深圳市雄韜電源科技股份有限公司:中國(guó)，ZL 2011 20572787.0[P]2011.

[16]具有自調(diào)節(jié)功能的鉛酸蓄電池與磷酸鐵鋰電池的混合電池: 深圳市雄韜電源科技股份有限公司:中國(guó)，ZL 2009 10258734.9[P]2009.

[17]深圳市雄韜電源科技股份有限公司.一種復(fù)合電池：ZL 2011 10046337.2[P]2011.

[18]時(shí)瑋，姜久春，張維戈. 磷酸鐵鋰電池并聯(lián)充放電特性研究[J].高技術(shù)通訊,2012,22(2): 205-210.

[19]郭宏榆，姜久春，文峰. 基于能量最大化的磷酸亞鐵鋰電池組均衡策略研究[J].高技術(shù)通訊，2011,21(11)：1 201-1 205.

[20]溫家鵬，姜久春，張維戈.電池更換模式下電池管理系統(tǒng)的研究[J].高技術(shù)通訊，2010,20(4):415-421.

[21]曙光博客.鋰電池的保養(yǎng)法則：不要充滿、不要用完[EB/OL].[2015-03-19].http://www.eztoo.com/2015/03/battery.html.

責(zé)任編輯：朱美香

Studies of Hybrid Energy System of Lithium Iron Phosphate Battery and Lead-acid Battery

YUANHao1,YIShou-zhong2,WANGXian-you1*

(1. Hunan Province Key Laboratory of Electrochemical Energy Storage and Conversion,College of Chemistry,Xiangtan University, Xiangtan 411105;2.Vision Group, Shenzhen 518120 China)

By utilizing the differences of the charging and discharging characteristics between lithium iron phosphate batteries and lead-acid batteries, a new parallel hybrid power battery system with lithium iron phosphate batteries and lead-acid batteries and new charge/discharge system are developed. When charging, the lead-acid batteries attain the priority, so that lead-acid batteries can avoid to be charged less. When discharging, lithium iron phosphate batteries discharge with priority, while the lead-acid batteries are on the contrary, so lead-acid batteries can work in a state of shallow cycle, which can prolong the service life of the lead-acid batteries in the hybrid system. The hybrid battery system can effectively combine the advantages of both lithium iron phosphate batteries and lead-acid batteries, such as excellent discharge rate performance, long cycle life and low cost et al, which make the system suitable for the application in the field of power batteries.

lithium iron phosphate batteries; lead-acid batteries; hybrid battery; parallel connection; power batteries

2016-11-15

湖南省重大科技成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目(2012CK1006)；湖南省教育廳科技成果產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目(1SCY004)

王先友(1962-)，男，湖南 湘鄉(xiāng)人，博士，教授，博士生導(dǎo)師.E-mail:wxianyou@yahoo.com

TQ152

A

1000-5900(2016)01-0068-05