一种防爆高比能低温锂电池的特性分析

胡鹏

(中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西太原030006)

一种防爆高比能低温锂电池的特性分析

胡鹏

(中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西太原030006)

针对在低温矿井下锂电池使用的适应性问题，分析了一种自主研发的高比能低温磷酸铁锂电池特性，并进行了实际工况检测，验证了锂电池在井下使用的安全可靠性，证明了－20℃环境下基本可以释放出98%以上的电能，可通过理论推算出电池工作持续时间及行车里程等，与实际应用误差不大于5%，促进了矿井下锂电池动力技术应用的进一步发展。

低温；高比能；电池特性；安全可靠性

为了降低传统防爆柴油机车对矿井下造成的环境污染，磷酸铁锂电池因体积小、比能量高及安全性高等优点，已经开始在矿井下大量使用。然而大多数矿井下的温度较低，导致传统磷酸铁锂电池在使用时的比能量释放较低，影响电池寿命及车辆行驶里程，因此低温锂电池的开发应用将成为煤矿能源的新趋势。

新型运输设备装备的电池量较大，需对电池组的参数进行监测管理[1]。本文针对自主研发的低温锂电池的重要参数进行分析，验证该电池在矿井下使用的安全可靠性，同时为车辆电池安全管理系统提供数据指导。

1 常规锂电池比能量释放分析

煤矿井下使用的锂电池电能释放比例应不小于90%，否则会导致电池亏电严重、行车里程过短等情况，从而影响井下的正常工作。选取一种已投入井下使用的锂电池(60 Ah)，通过电池实验，测定电池常温、低温情况下的放电曲线，如图1所示。

图1 单体锂电池电压检测

通过对电池电压放电信息的完整记录和加权积分计算[2]，计算出常温时释放出的电能比例在95%，而低温时释放的电能比例小于80%，可以判断常规锂电池在低温环境下工作状态不理想，所以应研制一种适合低温环境下的锂电池，提高井下车辆工作时的效率及安全性。

2 低温锂电池关键因素的分析

选取一种质量比能量达到110 Wh/kg的锂电池，在制造过程中对正负极材料、电解质与隔膜优选改善，并与相关技术企业及高校合作开发了100 Ah容量、功率密度660 W/kg、循环寿命大于2 000次的新型单体低温磷酸铁锂电池，如图2所示，并以该电池作为分析对象。

图2 低温磷酸铁锂电池

井下运输设备装备锂电池数量较大，实际应用中会存在过充、过放、过热等情况，会影响电池寿命，严重会发生着火、爆炸等事故，所以应对低温锂电池的重要参数进行测试分析，验证在井下工作时的安全可靠性，以便对电池组进行统一管理。

锂电池在井下使用过程中，主要因素有电池充放电统一性、可燃气体排放浓度、低温环境下锂电池工作电压及释放的比能量等。

2.1 充放电统一性及电能释放比例检验

新型低温锂电池组充放电统一性与车辆供电电压相关，若充放电时电池统一性较差，会导致车辆动力不足而且影响部分电池寿命，同时电池电能释放比例要求不小于90%，若要投入到井下使用，充放电统一性与电能释放比例的检验至关重要。

2.1.1 常温环境下锂电池检验

选取锂电池样品6只为一组，在常温环境下进行充放电实验。首先电池组以9.5 A电流进行充电，完整记录电池电压值，电压曲线如图3所示。

电池电量饱和后，外接电阻箱并以33.3 A电流进行放电(图4)。

锂电池组在充电过程中，电压在3.3～3.4 V时，充电较慢，电压变化不明显，且6只电池充电时的电压误差不大于0.05 V，电压基本一致；放电过程中，电池电压之间最大误差不大于于0.07 V，可以说明电池组充放电统一性较好。

通过对锂电池的实时电压值与时刻进行积分计算，单体锂电池的平均安时容量约为：96.88 Ah；平均安时输出功率为：75.56 Wh；平均功率为：243.1 W，电压稳定值约在3～3.2 V。

图3 充电过程

图4 放电过程

2.1.2 －20℃环境下锂电池检验

将电量饱和的锂电池组放入－20℃的恒温箱内保存20 h，如图5(a)所示。待电池电压稳定后，外接电阻箱并以33.3 A的电流开始放电，完整记录电压值与放电时刻。

图5 低温放电过程

图5(b)为电池组放电时电压与时刻的关系。通过计算得出电池组的安时容量约为：98.13 Ah；输出功率为：1 544.88 W，电压稳定值约在2.8～3 V。

低温放电深度按照最高电池电压放电到2.5 V为终止条件，所以相对常温时的电池安时容量较大。常温下电池组以I3倍率能够释放出95%以上电能，－20℃下释放出98%以上电能，证明该电池释放的电能比例符合要求，可以适用于低温环境的矿井下。

2.2 可燃性气体浓度检验

锂电池工作时会排放可燃性气体，如果可燃性气体浓度较高，可能导致着火、爆炸等严重事故，会对矿井下的设备材料及工作人员带来危险，因此锂电池排放可燃性气体的检验对煤矿安全管理至关重要。

在锂电池组工作时，采集一定量气体并分析气体种类，得出该电池排放的可燃性气体以乙烯为主。国家安全指标说明乙烯的爆炸限浓度在3.1%～32%。将电池组放入封闭环境内，内接可燃性气体浓度检测仪(图6)。电池组充放电循环进行3次，并记录可燃性气体浓度数值大小。

图6 可燃性气体浓度检测

根据表1数据可知，可燃气体乙烯浓度值不在爆炸限范围内，证明了该电池在井下使用时的安全性较好。

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本节对低温锂电池的可燃气体分析，为井下复杂工况的安全系数分析提供可靠数据，比如当锂电池组封装在电控箱内在通风较差的井下使用时，电池排放的乙烯可能会与井下存在的甲烷气体混合，其浓度值需要更进一步的验证来提高煤矿安全。

3 低温锂电池样品实验

初步对低温磷酸铁锂电池性能进行分析后，为了进一步证明其优越性，需要在实际情况下检测。选择冬季寒冷天气下进行实验，实验过程包括长方形电源箱、电压监测管理系统以及车载测试。

3.1 电池系统实验

实验过程中将低温锂电池组(80)装入电池箱内，通过无线通讯模块连接电池管理监测系统(图7)。

主控单元能够监控电池的总体电压和单体电池电压，图中监测画面显示充放电时电池电压值基本一致，快速充电时间不大于90 min，正常充电时间不大于240 min，体现了该电池工作时高效率、高安全的特点。

图7 电池系统实验

3.2 车载实验

整车(3.5 t)在无轨胶轮车实验台及厂内水泥干硬路面测试，分别计算锂电池组工作时间及车辆里程情况(图8)。

图8 电池充放电电压检测

80块锂电池(256 V)供能，通过实际测试，车辆最高车速达到28 km/h，最大车速时电流60 A，最长行驶时间约120 min，最大行驶里程为50 km。通过车载实验充分证明了该电池具有在低温环境下比能量高、工作状态稳定等优点。

4 结束语

目前国内煤矿对防爆电动车辆需求非常迫切，尤其针对低温矿井下使用的车辆。本文就低温磷酸铁锂电池的参数进行分析，验证了电池在低温环境下使用的安全可靠性，对于矿井安全具有重要意义；同时证明了该电池在－20℃环境下基本可以释放出98%以上的电能，符合国家安全管理标准，对防爆电动车行业的电池技术具有积极的意义。

该低温锂电池的高安全性、高比能量的优点，可应用到防爆胶轮车、防爆蓄电池电机车、生产安全监控系统等多种设备上。大量应用后可以替代现有的传统锂电池及铅酸电池[3]，让矿井更加安全、可靠、节能、环保，必将促进整个辅助运输产业的发展。

[1]袁晓明．煤矿电动无轨运输车辆的关键技术研究[J]．煤炭科学技术，2011(5)：80-82.

[2]胡银全．电动汽车用磷酸铁锂电池充电特性的分析[J]．汽车工程，2013(4)：292-297.

[3]徐小明．磷酸铁锂电池在纯电动汽车推广中的应用[J]．新材料产业，2012(9)：79-82.

Characteristic analysis of explosion-proof high specific energy low temperature lithium battery

HU Peng
(Taiyuan Institute Co.,Ltd.,China Coal Technology&Engineering Group,Taiyuan Shanxi 030006,China)

For the use adaptability of lithium-ion batteries under low temperatures mine,the battery characteristics of a kind of independent research and development high specific energy low temperature lithium iron phosphate was analyzed,and the actual working condition was tested to verify the reliability of lithium-ion batteries used under mine,proving that more than 98%of the electricity can be released under－20℃environment,working duration and mileage can be calculated by theory,and the error is not more than 5%compared with practical application,promoting further development of lithium battery power technology application.

low temperature;high specific energy;battery characteristics;safe reliability

TM 912

A

1002-087 X(2016)08-1558-03

2016-01-17

国家高技术研究发展计划(“863”计划)项目(2013AA06A409)；中国煤炭科工集团有限公司科技创新项目(2012MS018)

胡鹏(1986—)，男，山西省人，助理工程师，主要研究方向为防爆无轨运输车检测技术。