32650磷酸鐵鋰電池在公交車上的應(yīng)用分析

馮健常

（珠海公交巴士有限公司，廣東 珠海 519000）

新能源汽車

32650磷酸鐵鋰電池在公交車上的應(yīng)用分析

馮健常

（珠海公交巴士有限公司，廣東 珠海 519000）

為加快新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展，推進(jìn)節(jié)能減排，促進(jìn)大氣污染治理，國家自2013年起實(shí)施新能源車相關(guān)補(bǔ)貼政策，純電動客車產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，市場保有量大幅提升。但相對于傳統(tǒng)能源，純電動客車技術(shù)的穩(wěn)定性、可靠性、適用性尚待市場檢驗(yàn)。文章通過分析磷酸鐵鋰電池在公交車上的實(shí)際應(yīng)用情況，提出純電動客車存在的不足，旨在加快新能汽車技術(shù)優(yōu)化改善，促進(jìn)新能汽車產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。

公交車；純電動汽車；磷酸鐵鋰電池

CLC NO.:U469.7 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)15-83-03

1 磷酸鐵鋰電池的工作原理

LiFePO4作為電池的正極，由鋁箔與電池正極連接，中間是聚合物的隔膜，它把正極與負(fù)極隔開，但鋰離子Li可以通過而電子e-不能通過，另一端是由碳(石墨)組成的電池負(fù)極，由銅箔與電池的負(fù)極連接。電池的上下端之間是電池的電解質(zhì)，電池由金屬外殼密閉封裝。LiFePO4電池在充電時，正極材料中的鋰離子Li脫嵌出來，通過聚合物隔膜向負(fù)極遷移；在放電過程中，負(fù)極中的鋰離子Li通過隔膜向正極遷移。鋰離子電池就是因鋰離子在充放電時來回遷移而命名的。

2 磷酸鐵鋰電池的優(yōu)勢

2.1 安全性能的改善

磷酸鐵鋰晶體中的P-O鍵穩(wěn)固，難以分解，即便在高溫（400℃～500℃）或過充時也不會像鈷酸鋰一樣結(jié)構(gòu)崩塌發(fā)熱或是形成強(qiáng)氧化性物質(zhì)，因此擁有良好的安全性。

2.2 壽命的改善

磷酸鐵鋰動力電池，循環(huán)使用次數(shù)高，在室溫下1C充放電循環(huán)可達(dá)到2000次以上，容量保持率80%以上。循環(huán)壽命是其他類型的電池的3～8倍。

2.3 高溫性能好

磷酸鐵鋰材料熱解溫度高達(dá)350℃-500℃而錳酸鋰和鈷酸鋰只在200℃左右。工作溫度范圍寬廣(-20C-- 65C)。

2.4 重量輕，體積小

磷酸鐵鋰電池質(zhì)量比能量約為120（Wh/kg），體積比能力約為280（Wh/L）同等規(guī)格容量的磷酸鐵鋰電池的體積是鉛酸電池體積的2/3，重量是鉛酸電池的1/3。

3 動力電池及純電動公交車相關(guān)技術(shù)參數(shù)

2014年12月，珠海公交投入運(yùn)營350輛珠海廣通牌GTQ6105BEVB2型10.5米磷酸鐵鋰純電動公交車。具體技術(shù)參數(shù)如下：

3.1 動力電池技術(shù)參數(shù)

珠海廣通牌GTQ6105BEVB2型10.5米純電動公交車配置由珠海銀隆新能源有限公司生產(chǎn)的103.68Kw·h磷酸鐵鋰動力電池組。

3.1.1 單體電池性能

圓柱形YL32650-5Ah單體電池直徑32.2±0.5mm，高69.8±0.2mm。額定電壓3.2V、額定容量5Ah，內(nèi)阻（最大頻率，1000Hz）＜10mΩ。根據(jù)GB/T 31484-2015《電動汽車用動力蓄電池循環(huán)壽命要求及實(shí)驗(yàn)方法》要求，對該單體電池進(jìn)行測試電池性能測試。

放電容量與環(huán)境溫度的關(guān)系：低溫0℃時放電容量約為室溫（25℃）下的94%。-10℃時放電容量急劇下滑至約70%；相反，高溫至65℃時放電容量與室溫相比基本不變。同時可以看到，環(huán)境溫度越低，放電初期電壓下降越大，導(dǎo)致綜合放電容量與放電電壓兩項(xiàng)性能的放電能量隨溫度下降衰減更加明顯。

充電容量與充電倍率的關(guān)系：1C倍率下恒流恒壓充電至截止充電電壓3.65V時，其充電容量為標(biāo)準(zhǔn)倍率（0.2C）時的93%。

循環(huán)壽命與使用溫度的關(guān)系：隨著使用溫度的增大，循環(huán)壽命呈下降趨勢。60℃時循環(huán)壽命僅為約1000次，比室溫下循環(huán)壽命1400次下降約30%。這是因?yàn)楫?dāng)使用溫度太高時，會是電池內(nèi)部化學(xué)平衡破壞，副反應(yīng)增加。

3.1.2 電池組成組技術(shù)

圓柱形YL32650-5Ah單體電池以36并18串形式成組裝配。單體電池正負(fù)極焊接螺紋銅柱，用螺母緊固連接，保證導(dǎo)電性可靠；每串電池以PCB板作為骨架連接，電池箱周邊以環(huán)氧板及硅膠片間隔絕緣，保證防塵防水等級達(dá)到IP56；單體電池間隙分布均勻，PCB板間設(shè)計(jì)散熱通風(fēng)孔，確保散熱效果良好。

3.1.3 電池管理系統(tǒng)

電池管理系統(tǒng)（Baterry Management System，簡稱BMS）,主要由一個主控模塊，一個多路CAN盒，一個GPS遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊，一個顯示模塊和多個采集模塊和附件（線束、霍爾傳感器、直流繼電器）組成。BMS系統(tǒng)可監(jiān)控磷酸鐵鋰電池的單體電壓、溫度、總電壓和總電流的狀態(tài)，BMS系統(tǒng)與整車進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊并執(zhí)行相應(yīng)控制策略，預(yù)測磷酸鐵鋰電池的荷電狀態(tài)（State Of Charge，簡稱SOC），完成充電檢測與充電機(jī)通訊并對充電狀態(tài)進(jìn)行控制，電池系統(tǒng)熱量恒定管理，直流系統(tǒng)正負(fù)極對地絕緣電阻實(shí)時在線監(jiān)測，存儲電池單體電壓等運(yùn)行數(shù)據(jù)、故障報(bào)警和繼電器控制記錄，對電池出現(xiàn)的故障進(jìn)行診斷和報(bào)警，同時通過GPRS將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)中心。

3.2 純電動公交車相關(guān)技術(shù)參數(shù)

珠海廣通牌GTQ6105BEVB2總長10.48米，總高3.15米，整備質(zhì)量10800kg，滿載質(zhì)量16500kg，最高車速69km/h。配置珠海銀隆新能源有限公司生產(chǎn)的YTP-MP120-W永磁同步驅(qū)動電機(jī)，額定功率100kW，峰值功率200kW，最大扭矩2500（N·m）。車輛配置廣州精益牌KRBPH3型30Kw冷熱直流電動空調(diào)。

4 實(shí)際應(yīng)用中存在的不足

GTQ6105BEVB2型純電動車輛自2014年12月開始投入珠海公交某線路運(yùn)營，線路單程長度約25公里，日均行駛里程250公里，以首末站“快充”（約2C倍率充電）形式運(yùn)營使用。統(tǒng)計(jì)分析車輛運(yùn)營使用數(shù)據(jù)，百公里能耗約為0.9kW·h～1.2kW·h，首末站單程充電時間約8min～12min。磷酸鐵鋰電池基本滿足公交使用工況需求，但存在以下幾點(diǎn)不足：

4.1 大倍率充電下動力電池升溫過快

為保證公交車輛正常發(fā)班，將充電時間控制在15min以內(nèi)，須以2C倍率（標(biāo)準(zhǔn)充電倍率0.2C）“快充”模式進(jìn)行充電，充電電流控制在350A以上，充電電壓640V以上。由于高于標(biāo)準(zhǔn)充電倍率10倍，每趟充電時間10min后，測量動力電池箱內(nèi)各串電池組溫度，發(fā)現(xiàn)電池組溫度升高約為6℃至8℃。珠海夏季炎熱天氣室外溫度達(dá)到38℃，行駛中的純電動車輛動力電池溫度約為48℃至50℃。大功率快充模式下，電池升溫過高，超出電池最高工作溫度55℃的保護(hù)范圍。為保證電池安全工作，要求充電樁停機(jī)保護(hù)，待恢復(fù)正常工作溫度后再繼續(xù)充電。對公交運(yùn)營造成較大影響。

4.2 電池箱內(nèi)序號6、7、12、13串電池充電壓差較大

銀隆牌576V180AH型電池箱以“3行6串”形式布局18個電池串， 為將強(qiáng)電池串剛度，提高蓄電池維修性，第6串、第7串與第12串、第13串以銅板銅條連接，其余電池串均以PCB板連接。在大倍率充電下，銅板容易出現(xiàn)過流，導(dǎo)致上述電池串更快達(dá)到充電截止電壓。長期往復(fù)充放電操作后，電池壓差累計(jì)，影響電池系統(tǒng)均衡性能。

4.3 風(fēng)冷散熱不良，電池箱絕緣值過低

銀隆牌576V180AH型電池箱以風(fēng)冷形式散熱，電池箱前后共安裝設(shè)置了4個24V散熱風(fēng)扇。珠海純電動公交車輛運(yùn)營線路覆蓋城市道路及城郊道路，行駛路況復(fù)雜多樣，且城市建設(shè)帶來大量塵土。電池箱散熱風(fēng)扇位于車輛底部，大量塵土導(dǎo)致散熱風(fēng)險(xiǎn)濾網(wǎng)堵塞，箱體通風(fēng)量下降，引起電池散熱不良。同時，濾網(wǎng)過濾能力不足，大量塵土進(jìn)入箱體，覆蓋單體電池，在夏季高溫高濕天氣導(dǎo)致電池絕緣值下降，存在安全隱患。

5 結(jié)束語

32650磷酸鐵鋰純電動公交車在尾氣排放、行駛噪音、單位能耗、乘坐舒適性、動力性以及勞動操作強(qiáng)度上優(yōu)勢明顯，自投入運(yùn)營以來，廣受市民乘客、駕駛?cè)藛T好評。在加強(qiáng)動力電池散熱系統(tǒng)管理，提高電池箱體防水防塵IP等級，優(yōu)化電池串連接方式后，方可批量推廣，實(shí)現(xiàn)中國汽車工業(yè)“彎道超車”。

[1] 梁波.鋰離子電池安全性能研究［M］.中南大學(xué)出版社2012.

[2] 吳宇平等.鋰離子電池：應(yīng)用與實(shí)踐［M］,化學(xué)工業(yè)出版社,2012.

[3] 李哲,韓雪冰.盧蘭光等.動力型磷酸鐵鋰電池的溫度特性［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào) 2011（18）,115-120.

[4] 劉冬生,陳寶林.磷酸鐵鋰電池特性的研究［J］.河南科技學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版) 2012（1）65-68.

Applicationanalysis of LiFePO4 battery in public transportation

Feng Jianchang
( Zhuhai bus bus co. LTD, Guangdong Zhuhai 519000 )

In order to accelerate the development of new energy vehicle industry, promote energy saving and emission reduction, promote air pollution control, the state has implemented the subsidy policy of new energy vehicles since 2013, the pure electric bus industry has developed rapidly, and the market has increased greatly. But compared with the traditional energy, the stability, reliability and applicability of pure electric bus technology are still to be tested in the market. By analyzing the actual application of LiFePO4 battery in the bus, the paper puts forward the deficiency of pure electric bus, aiming to speed up the improvement of the new energy technology and promote the healthy development of the new automobile industry.

bus; Electric vehicle; LiFePO4 battery

U469.7

A

1671-7988 (2017)15-83-03

馮健常（1985-），男，汽車工程師，就職于珠海公交巴士有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.15.030