铅酸电池和锂离子电池并联的复合电池电流分布研究

2021-05-08邓成智刘玉李桂发李叶李丹田庆山庞明朵余乐郭志刚

蓄电池 2021年2期

邓成智，刘玉，李桂发，李叶，李丹，田庆山，庞明朵，余乐，郭志刚*

（1. 天能电池集团股份有限公司，浙江长兴 313100；2. 浙江天能新材料有限公司，浙江长兴 313100；3. 湖州协成检测科技有限公司，浙江长兴 313100）

0 引言

现如今，电动自行车已经成为日常短途出行的重要交通工具[2]。快递和外卖等行业的发展，使电动自行车需求量快速增长[3]。市场上的电动自行车采用的动力电池以铅酸蓄电池为主[4]，但是 2019 年4 月 15 日国家标准《电动自行车安全技术规范》实施以来，采用锂离子电池的电动自行车猛增。

电动自行车用铅酸蓄电池的主要优势有成本低，使用温度范围广，安全性高等，但是能量密度低和电池重量大的缺点限制了其在轻量化电动自行车中的应用。锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长等优点，而且成本下降推动了锂离子电池在电动自行车领域的增长。综合铅酸蓄电池和锂离子电池的优点的复合电源也是一个热门的研究方向[6-7]。本文中，笔者从电动自行车的使用工况出发，研究复合电池中铅酸蓄电池和锂离子电池的电流分布。

1 实验

1.1 复合电池制作

6-DZF-12 铅酸蓄电池的额定电压为 12 V，额定容量为 12 Ah。正极材料采用磷酸铁锂的锂离子电池的额定电压为 3.2 V，额定容量为 3000 mAh。4 个锂离子电池串联，再与 1 个 50 A 75 mV 的分流器串联作为一个回路。1 只铅酸蓄电池与 1 个50 A 75 mV 的分流器串联作为另一个回路。两个回路并联组成额定容量为 15 Ah 的复合电池，接入 μc-XCF08 循环充放电测试仪进行测试。

1.2 测试方法

复合电池的测试方法参考标准 GB/T 22199—2008 和 GB/T 22199—2017《电动助力车用阀控式铅酸蓄电池》。

1.3 2 小时率容量测试

在温度为（25±2）℃ 的环境中，以 7.5 A 电流（放电倍率为 0.5C2）连续放电至端电压达到10.5 V 时终止，静置 30 min，再以 3.75 A 电流恒压14.8 V 充电 8 h，静置 30 min。如此循环放电—静置—充电—静置 3 次。复合电池 2 小时率容量测试的 3 次放电容量分别为 16.15、16.87、16.84 Ah，2 小时率容量测试的 3 次充电容量分别为 16.75、17.39、17.36 Ah，三次恒压充电结束时的电流值分别为 0.04、0.05、0.05 A。以第 2 次放电—静置—充电—静置为例，电流与时间的关系见图 1 和图 3。

从图 1 可知，放电前 1 h 锂离子电池的放电电流为 2.0～3.0 A，铅酸蓄电池的放电电流为 4.5～5.5 A。放电 1.0～1.5 h 期间锂离子电池的放电电流下降至 0.1 A 左右，铅酸蓄电池的放电电流上升到7.35 A。放电 1.5 h 以后，锂离子电池的放电电流约0.1 A，铅酸蓄电池的放电电流约 7.35 A。整个放电过程中，铅酸蓄电池的平均放电电流为 6.09 A，锂离子电池的平均放电电流为 1.39 A。锂离子电池与铅酸蓄电池的放电曲线呈镜像关系。锂离子电池放电速度快，在前 1.5 h 几乎放完电。其总放电量为 3.13 Ah，占复合电池放电量的 18.6 %。铅酸蓄电池则维持了 2 h 以上的放电时间，而且总放电量为 13.69 Ah，占复合电池放电量的 81.4 %。铅酸蓄电池和锂离子电池的放电量均达到了额定容量。放电终止后，在静置过程中，铅酸蓄电池继续放电约10 min（见图 2），为锂离子电池充电 0.03 Ah。

图1 复合电池 2 小时率容量测试放电电流曲线

图2 复合电池 2 小时率容量测试放电结束静置过程电流曲线

从图 3 充电电流曲线来看，在充电前 4 h，锂离子电池与铅酸蓄电池的充电曲线也呈镜像关系。锂离子电池的充电电流在前 10 min 内有一个快速从0.9 A 下降至 0.1 A 的阶段，随后在第 10～200 min 里缓慢上升到 1.75 A，第 200～240 min 内再快速下降到电流为 0。铅酸蓄电池的充电电流在前 10 min 内快速上升至 3.6 A，随后在第 10～200 min 里缓慢下降到 2.0 A，第 200～240 min 内再快速上升到电流为 3.6A ，第 240 min 后进入恒压充电阶段。在恒流充电阶段，时间约 4 h 内，锂离子电池完成充电，在 4 h 以后是铅酸蓄电池的恒压充电阶段。充电结束后，在静置过程中，锂离子电池以低于 0.05 A 的电流放电，给铅酸蓄电池充电。

图3 复合电池 2 小时率容量测试充电电流曲线

图4 复合电池 2 小时率容量测试充电结束静置过程电流曲线

1.4 倍率放电测试

在温度为（25±2）℃ 的环境中，以 15.0 A 电流进行 1.0C2放电（见图 5），连续放电至端电压达到 10.5 V 时终止，静置 30 min，再以 3.75 A 电流恒压 14.8 V 充电 8 h，静置 30 min。以 22.5 A 电流进行 1.5C2放电（见图 6），连续放电至端电压达到 10.5 V 时终止，静置 30 min，再以 3.75 A 电流恒压 14.8 V 充电 8 h，静置 30 min。

图5 复合电池 1.0C2 倍率放电测试放电电流曲线

图6 复合电池 1.5C2 倍率放电测试放电电流曲线

复合电池不同倍率放电时，铅酸蓄电池和锂离子电池的放电量见表 1 所示。在 1.0C2倍率放电中，铅酸蓄电池的平均放电电流为 11.95 A，锂离子电池的平均放电电流为 3.05 A。与 0.5C2倍率放电（2 小时率容量测试）相比，铅酸蓄电池的平均放电电流提高到 1.96 倍，锂离子电池平均放电电流提高到 2.20 倍。在 1.5C2倍率放电中，铅酸蓄电池的平均放电电流为 17.67 A，锂离子电池的平均放电电流为 4.93 A。与 0.5C2倍率放电相比，铅酸蓄电池平均放电电流提高到 2.90 倍，锂离子电池平均放电电流提高到 3.55 倍。

表1 复合电池倍率放电数据

放电倍率从 0.5C2增大到 1.0C2和 1.5C2，铅酸蓄电池在总放电量中的占比从 81.4 % 降低到 79.7 % 和78.2 %，锂离子电池在总放电量中的占比从 18.6 %提高到 20.3 % 和 21.8 %。随着放电倍率的增大，铅酸蓄电池和锂离子电池的放电量均降低。与0.5C2放电倍率相比，铅酸蓄电池放电量在放电倍率为 1.0C2和 1.5C2时降低了 13.3 % 和 21.8 %，而锂离子电池放电量下降了 3.0 % 和 4.3 %。可见，锂离子电池的倍率放电性能优于铅酸蓄电池，而且放电倍率越大，锂离子电池的倍率放电性能优势越明显。

1.5 低温容量测试

将复合电池放入低温箱中，在（-18±1）℃ 环境中静置 12 h，然后在以 7.5 A 电流连续放电至端电压达到 10.5 V 时终止。铅酸蓄电池和锂离子电池的放电电流和放电量分别见图 7 和表 2。在 -18 ℃ 低温放电过程中，复合电池的放电量达到额定容量的77.8 %，其中铅酸蓄电池的放电量为 9.99 Ah，占复合电池放电量的 85.6 %，平均放电电流为 6.26 A，锂离子电池的放电量为 1.68 Ah，占复合电池放电量的 14.4 %，平均放电电流为 1.05 A。与 25 ℃ 时放电（2 小时率容量）相比，铅酸蓄电池的放电量降低了 27.1 %，锂离子电池的放电量降低 46.3 %，铅酸蓄电池的平均放电电流提升 2.8 %，而锂离子电池的平均放电电流下降 24.3 %。在 -18 ℃ 低温环境中，锂离子电池放电量下降幅度是铅酸蓄电池的 1.7 倍，与锂离子电池复合，提升了铅酸蓄电池在低温环境中的放电电流。

表2 复合电池放电数据

图7 复合电池低温容量测试放电电流曲线

1.6 充电接受能力测试

在温度为（25±2）℃ 的环境中，以 3.75 A 电流恒压 14.8 V 充电 8 h ，静置 30 min，以I0电流放电 5 h（见图 8）。放电结束后，立即将复合电池放入温度为（0±1）℃ 的低温箱中静置 24 h，然后在（0±1）℃ 环境中以 10.0 A 电流恒压 14.4 V 充电10 min（见图 9），记录充电电流值ICa。

图8 复合电池充电接受能力测试放电电流曲线

图9 复合电池充电接受能力测试充电电流曲线

复合电池以 1.687 A 电流放电 5 h 的放电过程中，锂离子电池的放电电流在前 3 min 快速上升至 1.4 A，随后逐渐降低到 0 A，平均放电电流为 0.6 A，总放电量为 2.88 Ah。铅酸蓄电池的放电电流在前 3 min快速下降至 0.3 A，随后逐渐上升到 1.69 A，平均放电电流为 1.1 A，总放电量为 5.60 Ah。

复合电池以 10.0 A 电流恒压 14.4 V 充电 10 min，铅酸蓄电池充电量为 0.30 Ah，平均充电电流为1.81 A，锂离子电池充电量为 0.91 Ah，平均充电电流为 5.46 A。在充电接受能力测试过程中，锂离子电池的充电量和平均充电电流都是铅酸蓄电池的 3倍。第 10 min 充电结束时，铅酸蓄电池充电电流值ICa为 1.71 A，锂离子电池充电电流值ICa为 5.82 A，复合电池充电电流值ICa为 7.53 A。以充电结束时计算，复合电池中锂离子电池对充电电流值的贡献率为 77.3 %。