磷酸铁锂电池与铅酸蓄电池混合系统研究*

袁　好,　衣守忠,　王先友*

(1. 湘潭大学 化学学院，电化学能源储存与转换湖南省重点实验室，湖南 湘潭 411105；2. 深圳市雄韬电源科技股份有限公司，广东 深圳 518120)



磷酸铁锂电池与铅酸蓄电池混合系统研究*

袁好1,衣守忠2,王先友1*

(1. 湘潭大学 化学学院，电化学能源储存与转换湖南省重点实验室，湖南 湘潭 411105；2. 深圳市雄韬电源科技股份有限公司，广东 深圳 518120)

利用磷酸铁锂电池与铅酸蓄电池不同的充放电特点，开发了基于磷酸铁锂电池与铅酸蓄电池并联的混合动力电源系统，并设计了新型充放电制度.充电时铅酸蓄电池优先充电，使其免于欠充电；放电时磷酸铁锂电池电优先放电，铅酸蓄电池后放电，使铅酸蓄电池处于浅循环.这种充放电制度可以明显延长混合系统中铅酸蓄电池使用寿命，并且混合动力电源系统同时具有磷酸铁锂电池倍率性能优、循环寿命长及铅酸蓄电池价格低廉等特点，在动力电池领域有巨大的应用前景.

磷酸铁锂电池；铅酸蓄电池；混合电池；并联组合；动力电池

随着石油资源日益枯竭，传统依赖石油产品作为动力来源的汽车产业面临成本上升、无以为继的境况.发展电动汽车产业的呼声日益高涨，我国已经制定了2012-2020年电动车发展规划，与之配套的动力电池也纳入国家扶持项目清单，目前国内电动车市场一般选择磷酸铁锂电池或铅酸蓄电池作为动力电源.然而在小型电动车领域，由于市场竞争激烈，对成本要求较高，廉价的铅酸蓄电池占有相当大的比例，但由于铅酸蓄电池体积比能量与重量比能量低，循环寿命差，其在高端电动汽车领域应用仍受到限制.目前国内电动汽车厂家主要选择磷酸铁锂电池作为汽车首选动力电源，磷酸铁锂电池与铅酸蓄电池相比存在以下优点[1～14]：

a.循环寿命：磷酸铁锂动力电池的循环寿命几乎是铅酸电池的6 倍以上，100% DOD循环，磷酸铁锂电池能够达到1 200次，铅酸蓄电池200 次左右.

b.充放电性能：磷酸铁锂电池能够在短时间内快速的大电流充放电，电池性能不受影响，铅酸电池目前最大充电电流为0.25 C，高于0.1 C电流放电容量就会出现明显衰减.

c.能量密度：磷酸铁锂电池的质量比能量约为110 Wh/kg，远高于铅酸蓄电池30～40 Wh/kg.

尽管磷酸铁锂电池有诸多优点，但与铅酸蓄电池相比成本过高，是相同容量铅酸蓄电池价格的6～8倍，电池占到整车成本的60%，这成为制约其在动力市场推广应用的关键.因此开发成本低，性能优的电动乘用车新能源系统势在必行.本文结合磷酸铁锂电池性能优势及铅酸蓄电池价格低廉的优点，提出一种新型混合动力电池系统方案，为动力电池研发及在电动车领域的推广应用提供新的方向.

1　锂离子电池/铅酸蓄电池混合动力电池系统组合方案

1.1方案模型

混合电池动力电池系统由磷酸铁锂电池与阀控密封铅酸蓄电池并联，再外接保护系统(BMS)构成，如图1所示[15～17].

1.2理论依据及建模

当蓄电池并联时，影响充放电电流的主要因素有电池实际容量Q，电池欧姆内阻R，内电压UOCV，极化电压UP，即

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

(1)

并联电池的外电压Ut与开路电压UOCV之差，表示为UΔ，反映了单体电池内电压的差异程度，并随着并联支路不平衡电流引起的欧姆压降UR的变化和极化电压UP的变化而变化[18～20]：

(2)

通常说来，2 V铅酸蓄电池满荷电情况下内阻为0.1～1 mΩ，3.2 V磷酸铁锂电池单体电芯内阻在30～80 mΩ之间，磷酸铁锂电池内阻远高于铅酸蓄电池.由公式(2)可知，并联的磷酸铁锂电池与铅酸蓄电池混合系统中其各支路充电电流差异主要取决于内阻，因此充电时铅酸蓄电池支路可优先充电，避免欠充电引起负极板硫化从而延长其使用寿命.在放电过程中，由于外接负载，内阻是可以忽略的因素，磷酸铁锂电池的极化电压小于同规格铅酸蓄电池，故磷酸铁锂电池支路优先放电，铅酸蓄电池支路后放电，铅酸蓄电池处于浅循环状态.众所周知,铅酸蓄电池放电深度对循环寿命影响较大，浅循环应用可以提高铅酸蓄电池使用寿命.因此，这样的组合就能有效地使磷酸铁锂电池与铅酸蓄电池各自的优势最大化，既利用了铅酸蓄电池成本低廉的优点，又能改善其循环寿命差的不足.

1.3混合动力电池系统充放电性能研究

图2为12 V 50 Ah混合动力电池系统充电过程中各支路充电深度变化图，该系统中磷酸铁锂电池与铅酸蓄电池容量都为25 Ah.

由图2可知，混合动力电池系统充电深度在额定容量88% 以下时，铅酸蓄电池支路都处于优先充电的状态，混合动力电池系统充电到额定容量60% 时，铅酸蓄电池支路充电已经接近其额定容量80%，由于铅酸蓄电池耐过充电能力较差，一般实际应用铅酸蓄电池充电电流限定在0.25 C以下，在混合动力电池系统中，可将总充电电流值限定在0.3 C左右，即为15 A，这样相比铅酸蓄电池既提高了充电电流，提高了充电效率，又避免了混合动力电池系统中铅酸蓄电池支路过充电.

磷酸铁锂电池支路由4个3.2 V磷酸铁锂电芯串联组成，磷酸铁锂电池单体电芯理论充电电压为3.65 V，12 V 磷酸铁锂电池充电电压为14.6 V，高于12 V铅酸蓄电池均充电压14.1 V.为避免铅酸蓄电池支路过充电，混合动力电池系统的充电电压按照铅酸蓄电池均充电压14.1 V设定.在混合动力电池系统中，磷酸铁锂电池支路充电电压偏低，可能存在欠充电的情况，但是锂离子电池在一定PSoC 状态下使用寿命更长，有研究表明锂离子电池充放电容量保持在40%～80% 时，对锂离子电池寿命最为有利[21]，这是因为充电电压过高或过充电时，正极材料锂离子过度脱嵌会导致正极材料结构发生畸变或破坏，所以混合动力电池系统中磷酸铁锂电池支路充电电压偏低不影响其使用寿命.

从上述分析可知，混合动力电池系统充电过程保证了铅酸蓄电池支路优先，可有效避免铅酸蓄电池由于欠充电导致的负极板硫化等问题，提高了铅酸蓄电池支路以及混合动力电池系统的使用寿命.但由于并联混合动力电池系统中磷酸铁锂电池与铅酸蓄电池充电电压及充电限流值有差异，为了避免混合系统过充电应对混合动力电池系统的充电电流及充电电压做出合理设置.

图3为12 V 50 Ah混合动力电池系统放电过程中各支路充电深度变化图.

由图3可知，放电时磷酸铁锂电池支路始终优先放电，铅酸蓄电池是补充.混合动力电池系统放电深度较深时，如额定容量80%，对应的铅酸蓄电池支路放电深度仅为额定容量60%，由于铅酸蓄电池在深放电应用状态下寿命较短，这种放电模式能大大提高铅酸蓄电池支路及混合动力电池系统的使用寿命.在放电截止时，由于铅酸蓄电池极化高于锂离子电池，电压回升较快会对锂离子电池支路产生回充，可能对铅酸蓄电池支路造成过放电，为了避免这种情况，应将混合动力电池系统放电截止电压适当提高.

1.4混合动力电池系统性能研究

图4 是12 V 50 Ah混合动力电池系统在不同倍率时的放电性能比较.从图4可以看出，磷酸铁锂电池与铅酸蓄电池混合动力电池系统大电流放电性能优异，1 C放电到10.5 V，可以放出100% 的容量，这明显优于铅酸蓄电池，通常的铅酸蓄电池1 C放电容量仅为55% 左右.

图5是12 V 50 Ah混合动力电池系统在不同放电深度时的循环性能比较.从图5可见，即使在100% DOD深度充放电循环，其寿命仍能达到750次，显著优于传统的12 V铅酸蓄电池，通常铅酸蓄电池100% DOD的循环寿命是100～200次.

2　结　论

磷酸铁锂电池与铅酸蓄电池并联组成的混合动力电源系统，利用了放电时磷酸铁锂电池优先，充电时铅酸蓄电池优先的特点，使铅酸蓄电池避免欠充电与过放电，有效地延长了铅酸蓄电池的循环寿命，整个混合动力电源系统循环寿命得以提高，同时保留了磷酸铁锂电池大电流放电性能好及铅酸蓄电池价格低廉的优点，使得混合动力电源系统在动力电池领域有着广阔的应用前景.

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[21]曙光博客.锂电池的保养法则：不要充满、不要用完[EB/OL].[2015-03-19].http://www.eztoo.com/2015/03/battery.html.

责任编辑：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转化项目(2012CK1006)；湖南省教育厅科技成果产业化项目(1SCY004)

王先友(1962-)，男，湖南 湘乡人，博士，教授，博士生导师.E-mail:wxianyou@yahoo.com

TQ152

A

1000-5900(2016)01-0068-05