锂电池模块在高寒地区车辆中的应用

孟 成，吴放明，陈梦醒，郑艳刚

（北京汽车研究总院有限公司电子电器与空调部，北京 101300）

锂电池模块在高寒地区车辆中的应用

孟 成，吴放明，陈梦醒，郑艳刚

（北京汽车研究总院有限公司电子电器与空调部，北京 101300）

车辆在高寒地区使用时，为了在寒冷环境下更为有效地起动发动机，常规做法是车辆装备大容量的耐低温铅酸蓄电池，在传统车辆轻量化设计的基础上，对现装备的铅酸蓄电池进行对比，通过对钛酸锂电池和超级电容器进行充放电分析、判断，采用钛酸锂电池和超级电容器组合模块替代普通铅酸电池的方案可行。

钛酸锂电池；超级电容器；低温；冷起动

在环境污染逐渐严重、能源消耗逐渐加剧的今天，追求更加环保的产品已经是各个行业生产者的共识。随着汽车技术的不断发展，车辆轻量化技术越来越受到大家的重视，车辆轻量化水平直接决定了车辆的油耗水平。铅酸蓄电池在整车质量中所占比例约为0.8%～1.5%左右，所以研发轻量化程度更高、产品品质更好的蓄电池是汽车从业者的共识，同时也是整车制造水平的体现。

1 车辆蓄电池的主要功能

车辆的蓄电池是一种将化学能转变成电能的装置，为整车用电器提供电能，同时将发电机产生多余的电能以化学能的形式储存在蓄电池中。蓄电池作为汽车用电器的供电源，需要满足以下条件：①质量轻，满足整车轻量化设计理念，降低车辆油耗；②提供足够的电能，满足低温状态下车辆起动需求；③温度范围广，能够在-40～60℃可以正常使用；④电池寿命长，充放电电循环次数高；⑤对环境污染小，满足绿色出行的理念等。

2 车辆蓄电池的发展

1）普通铅酸蓄电池 20世纪30年代，BOSCH公司开发出汽车用起动型铅酸蓄电池，至此，铅酸蓄电池作为车辆起动的重要元器件开始普遍在汽车上使用。现在车辆的蓄电池仍以铅酸蓄电池为主。铅酸蓄电池因为工艺成熟、售价低廉的特点被广泛使用。但是铅酸蓄电池也存在着充放电倍率低、比能量低、充放电循环次数差、质量和体积大、铅酸蓄电池生产过程和废弃处理过程中会对环境造成一定污染的弊端。

2）锂离子电池 随着科技进步，在通讯、航空领域对电池有了更高的要求，迫使工程人员寻找更为高效的电池方案。锂具有很高的电化学还原电位（3.045 V）和很低的原子质量数（6.94）。金属锂高的电极电势和“最轻的金属”这一特点确定了锂电池的应用前景，顺理成章成为电池设计者的首选。中国在20世纪90年代初完成对锂电池的设计攻关。相比于铅酸电池，锂电池具有高比能量、高能量效率、工作温度范围广、低自放电率的特点。经过对电池的进入研究，逐渐开发出以锰酸锂、三元聚合物和磷酸铁锂为正极、碳元素为负极的锂电池。

3）钛酸锂电池 以碳元素为负极的锂电池在长期循环、高倍率使用后电池性能会下降，并且在低温情况下，锂离子的嵌入和脱出能力都比较差。导致的问题就是电池在低温状态下，放电能力和充电能力较差，因此在高寒地区，这类锂电池并不适用，不符合汽车用起动型电池的要求。为了解决这一问题，通过对负极材料进行深入研究，开发出以尖晶石结构钛酸锂（Li4Ti5O12）为负极的钛酸锂电池。Li4Ti5O12是一种由金属锂和低电位过渡金属钛的复合氧化物，属于AB2X4系列，其空间点群为Fd3m空间群，Li4Ti5O12最大的特点就是其“零应变性”。所谓“零应变性”是指其晶体在嵌入或脱出锂离子时晶格常数和体积变化都很小，小于1%。在充放电循环中，这种“零应变性”能够避免由于电极材料的来回伸缩而导致结构的破坏，从而提高电极的循环性能和使用寿命，减少循环带来的比容量衰减，电池充放电循环性能优越。与碳负极材料相比，钛酸锂具有较高的锂离子扩散系数（2×10-8cm2/s），可以实现高倍率充放电。所以在汽车上可以考虑用以正极采用锰酸锂、负极采用钛酸锂材料的锂电池来替代铅酸电池。

4）超级电容器 超级电容器是通过电极与电解质之间形成的界面双层来储存能量的新型元件。超级电容具有快速存储释放能量、使用温度范围宽、寿命长的优点。和其他能源器件组成总成模块共同工作，可以使系统满足动力性、经济性的要求。

3 钛酸锂电池和超级电容组合电池模块的设计思路

以钛酸锂电芯单体电压为设计基础，通过电芯单体之间串联的方式组成12 V系统用蓄电池。同时根据所需起动电流匹配合适的超级电容器，与钛酸锂电池并联组成电池混合模块组。钛酸锂和超级电容都有着优越的低温放电性能，并且在质量和体积上有很大的提升空间。所以在轻量化设计中，钛酸锂电池和超级电容器组成的电池模块替换铅酸电池是有效可行的解决方案。

4 钛酸锂电池和超级电容器的性能参数

4.1 钛酸锂电池基本参数

1）正极锰酸锂-负极钛酸锂型电池的性能参数：额定容量（1C放电至1.5 V）18 Ah；额定电压 2.5 V；最大充电截止电压3.0 V；最小放电终止电压1.2 V；内阻≤1 m Ω；最大充电电流20C；最大放电电流30C；充电温度-40～60℃；放电温度-40～60℃；自放电率＜2% （25℃）；循环寿命1C循环 ＞30 000次，3C循环＞10 000次，5C＞6 000次。

2）超级电容器的性能参数：额定容量3 000 F；容量公差+20%/0%；额定/峰值电压2.7 V /2.85 V；持续电流（15℃）140 A；工作温度范围-40～65℃。

4.2 钛酸锂电池常温状态充放电循环性能

图1 常温下钛酸锂电池的放电循环特性

试验方法：电池在常温下，①以恒流3C（5C）充电到2.8 V，在2.8 V以0.05C充电，保持20 min；②以恒流3C（5C）放电到1.5 V，保持20 min。测试曲线见图1。试验结果：该电池在3C循环2 000次后，剩余容量是初始容量98%，5C循环2 000次后，剩余容量达到初始容量的95.5%，体现了该电池良好的循环性能，在大电流下，依然保持了良好的循环寿命。其中原因跟钛酸锂材料本身的结构特性有关，钛酸锂离子扩散系数高，钛酸锂是零应变材料，具有尖晶石结构，在充放电过程中，锂离子的嵌入、脱出对于钛酸锂的结构影响很小，因此其循环性能优越。在使用情况下，可以比铅酸电池的使用寿命多出几倍。

4.3 钛酸锂电池常温倍率充电性能

常温状态下，不同充电倍率的锂电池充电效率也各不相同，如图2所示。电池采用1C电流完全放电后，采用不同的充电电流给钛酸锂电池充电，见表1。由表1可知，大电流充电后，充电效率无法达到100%，需要以0.05C继续小电流充电。

图2 常温下钛酸锂电池在不同倍率下的充电特性

表1 钛酸锂电池采用不同的充电电流时的充电效率对比表

4.4 钛酸锂电池的高温放电性能

电池在60℃的情况下，以5C放电，电池端电压从2.8 V下降至1.5 V，放电曲线恒定、平稳，如图3所示。钛酸锂电池在高温状态下，可以以5C放电。

图3 60℃钛酸锂电池5C放电曲线

图4 25℃时不同倍率下的放电特性

常温状态时，不同放电倍率下的钛酸锂电池放电特性如图4所示，电池在常温下恒流放电，电池单体放电截止电压为1.2 V。分别以1C电流对电池充电，之后以不同电流进行放电，可以看出钛酸锂电池有着优异的放电性能，即使以30C倍率放电，放电容量仍然可以达到3C放电容量的89%，如表2所示。钛酸锂电池可以达到快速放电的使用要求。

表2 放电性能对比表

4.5 钛酸锂电池自放电率

钛酸锂电池自放电率性能曲线见图5。通过不同温度下的静止实验数据可以看出，与普通铅酸蓄电池相比，钛酸锂电池的自放电率极低。

图5 不同温度下的自放电率

4.6 钛酸锂电池的低温放电性能

钛酸锂电池的低温放电性能见图6。常温状态下以1C电流充满电之后放置于恒温箱8 h，之后以不同倍率电流进行测试，电池在-30℃时，电池大电流放电极化较大，以10C电流可以正常放电，更大的放电电流使电池电压快速下降到1.2 V以下，难以有效放电。

图6 -30℃放电曲线

4.7 钛酸锂电池的低温充电性能

钛酸锂电池的低温充电性能见图7。-40℃的极低温状态下，电池无法实现大电流充电，在不需要加热的情况下可以实现以1C电流进行充电，这是其他类型锂电池以及铅酸电池无法达到的。

图7 -40℃钛酸锂电池单体充电曲线

5 将钛酸锂电池和超级电容组合电池模块替代铅酸电池方案

以某款高寒地区军用越野车为例：该车辆装备大容量12 V铅酸低温蓄电池以满足低温起动需求。在-40℃情况下 ，蓄电池放电电流需要达到500 A，放电时间3 s，蓄电池端电压在7.7 V以上，才可以保证车辆起动。起动曲线见图8。

以此条件选择的普通蓄电池在容量为120 Ah；质量约为30 kg；体积约为410×180×215 mm3。选取钛酸锂电池加超级电容器的方案，见表3。

图9以-40℃环境温度进行试验分析，用500 A放电电流对电池进行放电试验，该类型电池可以在-40℃环境温度下，持续以500 A电流进行放电，蓄电池端电压从13.5 V下降到7.8 V，放电时间为7.3 s，体现了良好的低温放电性能。与性能相当的铅酸蓄电池相比，体积减小1/3，质量可以减小一半，完美地体现了轻量化设计。

图8 -40℃装备2.8T发动机某车型低温起动曲线

表3 钛酸锂电池加超级电容器的选取方案

6 结束语

图9 -40℃钛酸锂电池组合模型以500 A恒流放电曲线

通过以上分析和测试结果可知，与铅酸电池相比，钛酸锂电池和超级电容混合模块电池组，在质量和性能上都有显著优势，将钛酸锂电池和超级电容混合模块替换铅酸电池是可行的。

［1］ 魏春源.BOSCH汽车电器与电子［M］.北京：北京理工大学出版社，2008：126-127.

［2］ GB/T 12535-2007，汽车起动性能试验方法［S］.

［3］ 柯河清，李晓莲，鲁宝全，等.商用柴油车冷起动系统研究［J］.汽车电器，2015（7）：12-14.

［4］ 唐堃，金虹，潘广宏，等.钛酸锂电池技术及其产业发展现状［J］.新材料产业，2015（9）：12-17.

（编辑 凌 波）

Application of Lithium Battery Combination in the Alpine Area

MENG Cheng，WU Fang-ming，CHEN Meng-xing，ZHENG Yan-gang
（Electronic Electric & Air Condition Dept，Beijing Automotive Technology Center，Beijing 101300，China）

In order to improve the engine cold start performance in alpine area，the traditional way is to use a large capacity low-temperature-resistant lead acid battery.On the basis of lightweight design of conventional vehicles，we are going to analyze the charge and discharge performance of the combination of Lithium Titanate battery and super-capacitor，and estimate the feasibility of replacing the common lead acid battery.

Lithium Titanate battery；super-capacitor；low temperature；cold start

U463.633

A

1003-8639（2017）09-0029-04

2016-12-13；

2017-06-20

孟成（1985-），男，吉林长春人，工程师，主要从事汽车电器设计工作。