鉛酸電池和鋰離子電池并聯(lián)的復(fù)合電池電流分布研究

鄧成智，劉玉，李桂發(fā)，李葉，李丹，田慶山，龐明朵，余樂，郭志剛*

（1. 天能電池集團(tuán)股份有限公司，浙江 長(zhǎng)興 313100；2. 浙江天能新材料有限公司，浙江 長(zhǎng)興 313100；3. 湖州協(xié)成檢測(cè)科技有限公司，浙江 長(zhǎng)興 313100）

0 引言

現(xiàn)如今，電動(dòng)自行車已經(jīng)成為日常短途出行的重要交通工具[2]。快遞和外賣等行業(yè)的發(fā)展，使電動(dòng)自行車需求量快速增長(zhǎng)[3]。市場(chǎng)上的電動(dòng)自行車采用的動(dòng)力電池以鉛酸蓄電池為主[4]，但是 2019 年4 月 15 日國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《電動(dòng)自行車安全技術(shù)規(guī)范》實(shí)施以來，采用鋰離子電池的電動(dòng)自行車猛增。

電動(dòng)自行車用鉛酸蓄電池的主要優(yōu)勢(shì)有成本低，使用溫度范圍廣，安全性高等，但是能量密度低和電池重量大的缺點(diǎn)限制了其在輕量化電動(dòng)自行車中的應(yīng)用。鋰離子電池具有能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，而且成本下降推動(dòng)了鋰離子電池在電動(dòng)自行車領(lǐng)域的增長(zhǎng)。綜合鉛酸蓄電池和鋰離子電池的優(yōu)點(diǎn)的復(fù)合電源也是一個(gè)熱門的研究方向[6-7]。本文中，筆者從電動(dòng)自行車的使用工況出發(fā)，研究復(fù)合電池中鉛酸蓄電池和鋰離子電池的電流分布。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 復(fù)合電池制作

6-DZF-12 鉛酸蓄電池的額定電壓為 12 V，額定容量為 12 Ah。正極材料采用磷酸鐵鋰的鋰離子電池的額定電壓為 3.2 V，額定容量為 3000 mAh。4 個(gè)鋰離子電池串聯(lián)，再與 1 個(gè) 50 A 75 mV 的分流器串聯(lián)作為一個(gè)回路。1 只鉛酸蓄電池與 1 個(gè)50 A 75 mV 的分流器串聯(lián)作為另一個(gè)回路。兩個(gè)回路并聯(lián)組成額定容量為 15 Ah 的復(fù)合電池，接入 μc-XCF08 循環(huán)充放電測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試。

1.2 測(cè)試方法

復(fù)合電池的測(cè)試方法參考標(biāo)準(zhǔn) GB/T 22199—2008 和 GB/T 22199—2017《電動(dòng)助力車用閥控式鉛酸蓄電池》。

1.3 2 小時(shí)率容量測(cè)試

在溫度為（25±2）℃ 的環(huán)境中，以 7.5 A 電流（放電倍率為 0.5C2）連續(xù)放電至端電壓達(dá)到10.5 V 時(shí)終止，靜置 30 min，再以 3.75 A 電流恒壓14.8 V 充電 8 h，靜置 30 min。如此循環(huán)放電—靜置—充電—靜置 3 次。復(fù)合電池 2 小時(shí)率容量測(cè)試的 3 次放電容量分別為 16.15、16.87、16.84 Ah，2 小時(shí)率容量測(cè)試的 3 次充電容量分別為 16.75、17.39、17.36 Ah，三次恒壓充電結(jié)束時(shí)的電流值分別為 0.04、0.05、0.05 A。以第 2 次放電—靜置—充電—靜置為例，電流與時(shí)間的關(guān)系見圖 1 和圖 3。

從圖 1 可知，放電前 1 h 鋰離子電池的放電電流為 2.0～3.0 A，鉛酸蓄電池的放電電流為 4.5～5.5 A。放電 1.0～1.5 h 期間鋰離子電池的放電電流下降至 0.1 A 左右，鉛酸蓄電池的放電電流上升到7.35 A。放電 1.5 h 以后，鋰離子電池的放電電流約0.1 A，鉛酸蓄電池的放電電流約 7.35 A。整個(gè)放電過程中，鉛酸蓄電池的平均放電電流為 6.09 A，鋰離子電池的平均放電電流為 1.39 A。鋰離子電池與鉛酸蓄電池的放電曲線呈鏡像關(guān)系。鋰離子電池放電速度快，在前 1.5 h 幾乎放完電。其總放電量為 3.13 Ah，占復(fù)合電池放電量的 18.6 %。鉛酸蓄電池則維持了 2 h 以上的放電時(shí)間，而且總放電量為 13.69 Ah，占復(fù)合電池放電量的 81.4 %。鉛酸蓄電池和鋰離子電池的放電量均達(dá)到了額定容量。放電終止后，在靜置過程中，鉛酸蓄電池繼續(xù)放電約10 min（見圖 2），為鋰離子電池充電 0.03 Ah。

圖1 復(fù)合電池 2 小時(shí)率容量測(cè)試放電電流曲線

圖2 復(fù)合電池 2 小時(shí)率容量測(cè)試放電結(jié)束靜置過程電流曲線

從圖 3 充電電流曲線來看，在充電前 4 h，鋰離子電池與鉛酸蓄電池的充電曲線也呈鏡像關(guān)系。鋰離子電池的充電電流在前 10 min 內(nèi)有一個(gè)快速?gòu)?.9 A 下降至 0.1 A 的階段，隨后在第 10～200 min 里緩慢上升到 1.75 A，第 200～240 min 內(nèi)再快速下降到電流為 0。鉛酸蓄電池的充電電流在前 10 min 內(nèi)快速上升至 3.6 A，隨后在第 10～200 min 里緩慢下降到 2.0 A，第 200～240 min 內(nèi)再快速上升到電流為 3.6A ，第 240 min 后進(jìn)入恒壓充電階段。在恒流充電階段，時(shí)間約 4 h 內(nèi)，鋰離子電池完成充電，在 4 h 以后是鉛酸蓄電池的恒壓充電階段。充電結(jié)束后，在靜置過程中，鋰離子電池以低于 0.05 A 的電流放電，給鉛酸蓄電池充電。

圖3 復(fù)合電池 2 小時(shí)率容量測(cè)試充電電流曲線

圖4 復(fù)合電池 2 小時(shí)率容量測(cè)試充電結(jié)束靜置過程電流曲線

1.4 倍率放電測(cè)試

在溫度為（25±2）℃ 的環(huán)境中，以 15.0 A 電流進(jìn)行 1.0C2放電（見圖 5），連續(xù)放電至端電壓達(dá)到 10.5 V 時(shí)終止，靜置 30 min，再以 3.75 A 電流恒壓 14.8 V 充電 8 h，靜置 30 min。以 22.5 A 電流進(jìn)行 1.5C2放電（見圖 6），連續(xù)放電至端電壓達(dá)到 10.5 V 時(shí)終止，靜置 30 min，再以 3.75 A 電流恒壓 14.8 V 充電 8 h，靜置 30 min。

圖5 復(fù)合電池 1.0C2 倍率放電測(cè)試放電電流曲線

圖6 復(fù)合電池 1.5C2 倍率放電測(cè)試放電電流曲線

復(fù)合電池不同倍率放電時(shí)，鉛酸蓄電池和鋰離子電池的放電量見表 1 所示。在 1.0C2倍率放電中，鉛酸蓄電池的平均放電電流為 11.95 A，鋰離子電池的平均放電電流為 3.05 A。與 0.5C2倍率放電（2 小時(shí)率容量測(cè)試）相比，鉛酸蓄電池的平均放電電流提高到 1.96 倍，鋰離子電池平均放電電流提高到 2.20 倍。在 1.5C2倍率放電中，鉛酸蓄電池的平均放電電流為 17.67 A，鋰離子電池的平均放電電流為 4.93 A。與 0.5C2倍率放電相比，鉛酸蓄電池平均放電電流提高到 2.90 倍，鋰離子電池平均放電電流提高到 3.55 倍。

表1 復(fù)合電池倍率放電數(shù)據(jù)

放電倍率從 0.5C2增大到 1.0C2和 1.5C2，鉛酸蓄電池在總放電量中的占比從 81.4 % 降低到 79.7 % 和78.2 %，鋰離子電池在總放電量中的占比從 18.6 %提高到 20.3 % 和 21.8 %。隨著放電倍率的增大，鉛酸蓄電池和鋰離子電池的放電量均降低。與0.5C2放電倍率相比，鉛酸蓄電池放電量在放電倍率為 1.0C2和 1.5C2時(shí)降低了 13.3 % 和 21.8 %，而鋰離子電池放電量下降了 3.0 % 和 4.3 %?？梢姡囯x子電池的倍率放電性能優(yōu)于鉛酸蓄電池，而且放電倍率越大，鋰離子電池的倍率放電性能優(yōu)勢(shì)越明顯。

1.5 低溫容量測(cè)試

將復(fù)合電池放入低溫箱中，在（-18±1）℃ 環(huán)境中靜置 12 h，然后在以 7.5 A 電流連續(xù)放電至端電壓達(dá)到 10.5 V 時(shí)終止。鉛酸蓄電池和鋰離子電池的放電電流和放電量分別見圖 7 和表 2。在 -18 ℃ 低溫放電過程中，復(fù)合電池的放電量達(dá)到額定容量的77.8 %，其中鉛酸蓄電池的放電量為 9.99 Ah，占復(fù)合電池放電量的 85.6 %，平均放電電流為 6.26 A，鋰離子電池的放電量為 1.68 Ah，占復(fù)合電池放電量的 14.4 %，平均放電電流為 1.05 A。與 25 ℃ 時(shí)放電（2 小時(shí)率容量）相比，鉛酸蓄電池的放電量降低了 27.1 %，鋰離子電池的放電量降低 46.3 %，鉛酸蓄電池的平均放電電流提升 2.8 %，而鋰離子電池的平均放電電流下降 24.3 %。在 -18 ℃ 低溫環(huán)境中，鋰離子電池放電量下降幅度是鉛酸蓄電池的 1.7 倍，與鋰離子電池復(fù)合，提升了鉛酸蓄電池在低溫環(huán)境中的放電電流。

表2 復(fù)合電池放電數(shù)據(jù)

圖7 復(fù)合電池低溫容量測(cè)試放電電流曲線

1.6 充電接受能力測(cè)試

在溫度為（25±2）℃ 的環(huán)境中，以 3.75 A 電流恒壓 14.8 V 充電 8 h ，靜置 30 min，以I0電流放電 5 h（見圖 8）。放電結(jié)束后，立即將復(fù)合電池放入溫度為（0±1）℃ 的低溫箱中靜置 24 h，然后在（0±1）℃ 環(huán)境中以 10.0 A 電流恒壓 14.4 V 充電10 min（見圖 9），記錄充電電流值ICa。

圖8 復(fù)合電池充電接受能力測(cè)試放電電流曲線

圖9 復(fù)合電池充電接受能力測(cè)試充電電流曲線

復(fù)合電池以 1.687 A 電流放電 5 h 的放電過程中，鋰離子電池的放電電流在前 3 min 快速上升至 1.4 A，隨后逐漸降低到 0 A，平均放電電流為 0.6 A，總放電量為 2.88 Ah。鉛酸蓄電池的放電電流在前 3 min快速下降至 0.3 A，隨后逐漸上升到 1.69 A，平均放電電流為 1.1 A，總放電量為 5.60 Ah。

復(fù)合電池以 10.0 A 電流恒壓 14.4 V 充電 10 min，鉛酸蓄電池充電量為 0.30 Ah，平均充電電流為1.81 A，鋰離子電池充電量為 0.91 Ah，平均充電電流為 5.46 A。在充電接受能力測(cè)試過程中，鋰離子電池的充電量和平均充電電流都是鉛酸蓄電池的 3倍。第 10 min 充電結(jié)束時(shí)，鉛酸蓄電池充電電流值ICa為 1.71 A，鋰離子電池充電電流值ICa為 5.82 A，復(fù)合電池充電電流值ICa為 7.53 A。以充電結(jié)束時(shí)計(jì)算，復(fù)合電池中鋰離子電池對(duì)充電電流值的貢獻(xiàn)率為 77.3 %。

2 結(jié)論

4 個(gè)串聯(lián)的鋰離子電池與 1 個(gè)鉛酸蓄電池并聯(lián)組成的復(fù)合電池，在電動(dòng)自行車的使用工況下，能突出鉛酸蓄電池的低溫放電性能優(yōu)勢(shì)，還凸顯了鋰離子電池的倍率放電性能和充電接受能力優(yōu)勢(shì)。