磷酸铁锂电池及其新能源汽车启动电源性能研究*

饶睦敏，汪佐龙，陈柯宇，钱 龙，李 晶

（深圳市沃特玛电池有限公司，广东 深圳 518118）

磷酸铁锂电池及其新能源汽车启动电源性能研究*

饶睦敏†，汪佐龙，陈柯宇，钱 龙，李 晶

（深圳市沃特玛电池有限公司，广东 深圳 518118）

鉴于汽车启动电源铅酸电池存在严重环境污染隐患，本文采用环保型32650圆柱磷酸铁锂电池组装成25.6 V/65 A·h电池组代替铅酸电池应用于汽车启动电源，并分别对磷酸铁锂电池组的常温和低温启动能力、倍率性能和低温放电性能等进行测试。实验结果表明，电池组0.33 C放电容量为67.028 A·h，3 C放电容量为0.33 C放电容量的98.24%，电池组具有较好的倍率性能；电池组在−30℃放电容量为额定容量的84.7%，具有良好的低温性能；电池组在25℃和−20℃下以600 A电流放电，单串电池电压均高于放电保护电压；电池组在25℃搁置28 d之后，容量恢复率为99.37%；磷酸铁锂电池组性能均满足汽车启动电源性能要求，可以代替铅酸电池作为汽车启动电源。

磷酸铁锂电池组；启动电源；性能研究

0 引 言

21世纪以来，汽车工业迅猛发展，截至2014年4月中国机动车保有量超过2.5亿辆，铅酸蓄电池由于具有较好的倍率性能长期以来都作为机动车启动电源被广泛使用[1-7]。但是，铅酸电池由于存在严重的环境污染隐患使其在新能源汽车的应用发展空间受到限制，因此人们正在努力寻找环保型和节能型的可以代替铅酸电池的新型电池。锂离子电池由于具有比铅酸电池更高的能量密度，使其作为动力电池具有明显的性能优势[8]。其中，磷酸铁锂电池具有比能量高、循环寿命长、安全性能好、成本低廉、环境友好性等特点，使其成为动力电池的首选，并且其具有巨大的潜力成为新能源汽车的启动电源[9-13]。

本文参考铅酸蓄电池启动电源测量标准[14,15]，以磷酸铁锂32650/5 000 mA·h圆柱型电芯为基础，运用纵向过流横向保护的技术工艺组装成矩阵式为8串13并、容量为25.6 V/65 A·h、外形尺寸为230 mm×135 mm×215 mm的电池模块，并研究电池组的常温启动能力、低温启动能力、容量恢复能力和倍率性能等。

1 实验部分

1.1 单体电芯选配、组装

选用以磷酸铁锂为正极的32650/5 000 mA·h圆柱型单体电芯，对已预充老化完成的电芯以1 C倍率进行分容（恒流恒压充电至3.65 V，截止电流为0.03 C，静置10 min，恒流放电至2.00 V，充放电循环3次），挑选容量为5 200～5 250 mA·h电芯放入高温45℃环境搁置10 d，出高温后在常温静置6 h，挑选开路电压为2.90～3.00 V、内阻为7～8 mΩ的电芯。将所选单体电芯组装成8串13并、25.6 V/65 A·h电池模块，将电池模块装箱并安装好保护板、连接线。

1.2 电池组的性能测试

采用NBT60 V-600 A电池测试系统（宁波拜特产）对电池组的容量、常温启动能力、低温启动能力、容量恢复能力、倍率性能和低温性能进行测试。

电池组容量测试。在25℃下，以1 C倍率恒流恒压充电至30.8 V，单串电压保护上限为3.9 V；搁置20 min；以1 C倍率恒流放电至16 V，单串保护为2.0 V；搁置25 min；循环3次。

电池组常温启动能力测试。在25℃下，以1 C倍率恒流恒压充电至30.8 V，单串电压保护上限为3.9 V；再以600 A的电流放电120 s，记录10 s、120 s时的电压，总压保护16 V、单串保护电压2.0 V。

电池组低温启动能力测试。在25℃下，以1 C倍率恒流恒压充电至30.8 V，单串电压保护上限为3.9 V；将电池组置于−20℃ SW-250 L恒温恒湿箱（盛世威）内24 h；再以600 A的电流放电54 s，记录10 s、54 s时的电压，总压保护16 V、单串保护电压1.5 V。

电池组容量恢复能力测试。在25℃下，以1 C倍率恒流充电至30.8 V，单串电压保护上限为3.9 V；搁置20 min；以1 C倍率恒流放电至16 V，单串保护为2.0 V；搁置25 min；循环3次。记录第三次放电容量。在25℃下搁置28 d。重复搁置前充放电工步，记录第三次放电容量。

电池组倍率性能测试。在常温25℃下，以0.33 C恒流恒压充电至29.2 V，单串保护3.8 V，截止电流0.03 C；分别以0.33 C、1 C、2 C、3 C倍率放电至20 V，单串保护2.0 V。

电池组低温性能测试。在25℃下，先以0.33 C倍率对电池组进行恒流恒压充电至29.2 V，单串保护3.8 V；搁置20 min；以0.33 C放电至20 V，单串保护2.0 V；搁置25 min；循环3次。然后以0.33 C恒流恒压充充电至29.2 V，单串保护3.8 V，分别在−10℃、−20℃、−30℃条件下搁置24 h后，以0.33 C放电至20 V，单串保护2.0 V，测试放电容量。

2 结果与讨论

2.1 常温容量测试

图1为电池组在1 C充放电电流下的充放电特征曲线。由图1可以看出，电池组充放电电压平台平稳，符合25.6 V的设计要求。表1为电池组各次循环的充放电容量，由表1可知，电池组第3次循环的放电容量为67.301 A·h，符合容量设计要求，满足该外型尺寸下启动电源对容量的要求[14,15]。

图1 电池组在室温及1 C倍率条件下的充放电曲线Fig. 1 The charge-discharge curves of the battery pack at 1 C under room temperature

表1 电池组在室温1 C倍率下前3次循环充放电容量Table 1 The charge-discharge capacity of the battery pack at 1 C in the first three cycles under room temperature

2.2 常温启动能力

图2 电池组在室温及600 A启动电流条件下的时间−总压曲线Fig. 2 The time-total voltage curves of the battery pack started at a current of 600 A under room temperature

图3 电池组在室温及600 A启动电流下的时间−单串电压曲线Fig. 3 The time-branch voltage curves of the battery pack started at a current of 600 A under room temperature

表2 电池组室温启动条件下的各支路电压Tabel 2 The branch voltages of the battery pack started at room temperature

图2、图3分别为常温启动时电池组的总压和各单串电池分压随时间变化的曲线。结合图2、图3以及表2可以看出，在常温条件下，电池组在600 A 电流下放电，电压瞬间降至24.48 V；在放电10 s时，总压为22.951 V；最高单串电压为2.884 V，最低单串电压为2.845 V，单串最大动态压差为39 mV，各串电压均高于单串保护电压2.0 V。在120 s时，总 压为22.54 V，高于国家标准中所提出的以600 A电流对电池组放电30 s，端电压不小于7.2 V的要求[14,15]；最高单串电压为2.830 V，最低单串电压为2.795 V，单串最大动态压差为35 mV，各串电压均高于单串保护电压2.0 V。在放电过程中，总压及单串电压均有较为明显的电压平台。因此，常温条件下在保证单体电池正常工作的同时，电池组常温启动能力满足启动电源要求。

2.3 低温启动能力

图4 电池组在−20℃及600 A启动条件下的时间−总压曲线Fig. 4 The time-total voltage curves of the battery pack started at a current of 600 A under−20oC

图5 电池组在−20℃及600 A启动条件下的时间−单串电压曲线Fig. 5 The time-branch voltage curves of the battery pack started at a current of 600 A under−20oC

图4、图5分别为低温−20℃启动时电池组的总压和各单串电池分压随时间变化的曲线。结合图4、图5及表3可以看出，在−20℃低温条件下，电池组以600 A电流放电10 s时，总压为13.600 V，高于国家标准中所提出的电池组在−18℃以600 A电流放电10 s，端电压不小于7.5 V的要求[14-15]；最高单串电压为1.816 V，最低单串电压为1.748 V，单串最大动态压差为68 mV，各串电压均高于单串保护电压1.5 V。54 s时，总压为16.525 V，高于国家标准中所提出的在−18℃，以600 A电流对电池组放电30 s，端电压不小于7.2 V的要求[14-15]；最高单串电压为2.188 V，最低单串电压为2.131 V，单串最大动态压差为57 mV，各串电压均高于单串保护电压1.5 V。在低温放电过程中，总压及单串电压均有较为明显的回升，其原因是在低温条件下以大电流放电，电芯内部发热引起电压回升。因此，低温条件下在保证单体电池正常工作的同时，电池组低温启动能力满足启动电源要求。

表3 电池组在−20℃启动条件下的各支路电压Table 3 The branch voltages of the battery pack started at−20oC

2.4 容量恢复能力测试

表4为电池组常温搁置28 d前后的容量变化结果。由表4可以看出，常温储存前电池组容量为68.783 A·h，储存28天后电池组容量为68.349 A·h，容量恢复率为99.37%。电池组长期搁置之后能保持高容量恢复率，说明电池组长期保存仍能满足启动电源的要求。

表4 电池组常温搁置28 d前后容量对比Table 4 Comparison between the capacity of the battery pack with that of the battery pack after placed for 28 days

2.5 倍率放电性能

图6为电池组不同倍率下的放电曲线，由图可知，电池组以0.33 C放电67.028 A·h，以1 C、2 C、3 C分别放电66.379 A·h、66.421 A·h、65.851 A·h，其容量分别为0.33 C容量的99.03%、99.09%和98.24%，不同倍率下的放电平台平稳，说明电池组具有良好的倍率放电性能，可持续大电流放电。

图6 电池组在室温条件下不同倍率放电曲线Fig. 6 The discharge curves of the battery pack at different rates under room temperature

2.6 低温放电性能

图7为不同温度下电池组的放电曲线。由图7可以看出，电池组在−10℃、−20℃、−30℃温度下放电容量分别为56.924 A·h、56.455 A·h、55.037 A·h，分别为额定容量的87.6%、86.9%、84.7%。低温条件下，随着放电过程的进行，电池组温度升高，放电电压平台上升。低温条件下电池仍然具有较高的容量保持率，说明电池组具有良好的低温放电性能，可在低温环境持续使用。

图7 电池组在0.33 C倍率、不同温度下的放电曲线Fig. 7 The discharge curves of the battery pack at 0.33 C under different temperatures

3 结 论

本文采用25.6 V/65 A·h磷酸铁锂电池组作为启动电源，分别对电池组的容量、常温启动能力、低温启动能力、容量恢复能力、倍率性能、低温放电性能进行了测试。电池组放电容量为67.301 A·h；在常温启动模拟中，电池组以600 A电流放电，放电瞬间总压为24.48 V，10 s后电池组总压为22.951 V，120 s后电池组总压为22.54 V；在低温−20℃下，电池组以600 A电流放电，放电瞬间总压为14.56 V，10 s后电池组总压为13.600 V，54 s后电池组总压为16.525 V；在常温条件下和低温条件下分别以 600 A电流对电池组进行放电，单串电池电压均高于放电保护电压，电池组表现出良好的容量恢复能力、倍率性能、低温放电性能，满足国家标准中对汽车启动电源性能的要求，可以取代铅酸蓄电池作为汽车启动电源。

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Performance Study on Lithium Iron Phosphate Battery as Starting Power for New Energy Automobile

RAO Mu-min,WANG Zuo-long,CHEN Ke-yu,QIAN Long,LI Jing
(Shenzhen Optimum Nano Energy Co.,Ltd,Guangdong Shenzhen 518118,China)

In view of the serious environmental pollution of lead-acid battery of Starting Power for New Energy Automobile,a 25.6 V/65 A·h lithium iron phosphate battery pack was assembled with 32650 type of cylindrical lithium iron phosphate cell to replace the lead-acid battery for starting power for new energy automobile. The room temperature and low-temperature starting capability,rate capability and low-temperature discharge performance were investigated. The battery pack provided a capacity of 67.03 A·h at 0.33 C and retained 98.24% capacity at 3 C. The battery pack obtained 84.7% of capacity at−30oC. The voltage of every single battery was higher than the discharge protection voltage when the battery pack was discharged at 600 A under 25oC and−20oC,respectively. The battery pack retained 99.37% of capacity after storage at 25oC for 28 days. All these data can meet the requirements of the starting power,indicating that the lithium iron phosphate battery pack can replace the lead-acid battery as starting power for new energy automobile.

lithium iron phosphate battery pack；starting power；performance research

TK-9；TQ152

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2015.01.011

2095-560X（2015）01-0070-05

饶睦敏（1984-），男，博士后，主要从事锂离子动力电池关键材料与技术研究。

汪佐龙（1989-），男，硕士，主要从事锂离子电池成组优化技术研究。

陈柯宇（1986-），男，学士，主要从事锂离子电池成组优化技术研究。

钱 龙（1986-），男，学士，主要从事锂离子电池制作工艺优化与材料研究。

李 晶（1989-），男，硕士，主要从事动力电池研发。

2014-11-29

2014-12-11

† 通信作者：饶睦敏，E-mail：rmm@optimumchina.com