1、280V/40Ah磁懸浮列車電池組蘇州星恒電源有限公司二OO 九年七月目 錄一、概述3二、鋰離子電池內部介紹31、鋰離子電池工作原理示意圖32、鋰離子電池正極材料簡介33、鋰離子電池負極材料簡介44、電解質45、隔膜56、其他材料及零部件57、鋰離子電池的優越性68、磷酸鐵鋰電芯放電倍率曲線圖79、磁懸浮列車用磷酸鐵鋰電池組主要指標7三、電氣方案介紹71、總本構思72、電池模塊83、電池模塊之間的連接104、主控功率板115、溫度保護116、電芯及電池組參數12四、結構方案介紹131、模塊結構132、整組電池內部布局圖18一、 概述目前磁懸浮列車組采用鎘鎳280V /40AH電池，眾所周知這種

2、電池不僅體積大、重量重而且存在嚴重的環境污染問題。為了可持續發展，推行綠色環保、輕便及節省空間等理念，星恒電源有限公司已開發出適用于磁懸浮列車組的大功率大容量磷酸鐵鋰電池。其中已經開發成功的一款應急電源電池是國內唯一通過天津十八所的測試和驗證的大功率大容量磷酸鐵鋰電池，在鄭州開青島的1566次車號YW25G 668597上試用，使用效果良好。鋰電池和鋰離子電池是20世紀開發成功的新型高能電池。鋰一次電池的研究始于20世紀50年代，70年代進入產業化，鋰離子電池的研究始于20世紀80年代，90年代進入產業化階段，并飛速發展，至今鋰離子電池的應用領域及產量等在整個電池產業中占絕對優勢。隨著技術進步

3、和新能源產業的發展，高功率大容量鋰離子電池技術和產業發展非常迅猛，已經成為國際上動力電池的主流。 二、 鋰離子電池內部介紹1、 鋰離子電池工作原理示意圖見圖1：圖1 鋰離子電池工作原理示意圖充電時：正極被氧化，所含的Li 離子脫出，電解液中的Li 離子向負極移動，并在負極表面得到電子，形成鋰碳（嵌鋰）化合物；放電時：鑲嵌在負極碳素材料中的Li 失去電子，被氧化成Li +，進入電解液，電解液內的Li +向正極移動，正極材料被還原，電解液中的鋰離子進入正極。2、 鋰離子電池正極材料簡介理論上具有層狀結構和尖晶石結構的材料，都能做鋰離子電池的正極材料，但由于制備工藝上存在困難，目前所用的正極材料仍然

4、是鈷、錳、磷酸鐵的氧化物LiCoO 2，LiFePO 4，LiMn2O 4 其中LiCoO 2理論容量為274mAh·g-1 ,實際容量為174 mAh·g-1。LiCoO2制備工藝簡單，開路電壓高，比能量大，循環壽命長，能快速充放電，電化學性能穩定，早已商品化。LiMn2O 4耐過充電，安全性好，但循環性能較差，高溫（55以上）容量衰減快，理論容量相對較低（148mAh·g-1），難以制得純凈得單相產物，而且充放電時尖晶石結構不穩定。中科院物理所經過近10年的研究開發，解決了LiMn 2O 4這幾方面的不足。與聯想投資有限公司合作成立了星恒電源有限公司，生產的高

5、容量電池及高功率電池均用的是經過改性的LiMn 2O 4正極材料，價格便宜，性能穩定，安全性高，循環壽命在800次以上。我公司現開發的LiFePO 4更適合做高容量大功率電池，具有安全性高、高環保、超長壽命等，而且適應浮充環境，循環壽命能達到2000次以上。3、 鋰離子電池負極材料簡介碳負極材料的發展：在鋰離子電池中，以金屬鋰為負極時，電解液與鋰反應，在金屬鋰表面形成鋰膜，導致鋰枝晶生長，易引起電池內部短路和電池爆炸。20世紀80年代，人們發現鋰在碳材料中的嵌入反應的電位接近鋰的電位，并不容易與有機溶劑反應，有很好的循環性能。發現碳材料可以嵌入金屬的研究始于1926年。當時，Fredeshag

6、en和Cadengach 合成了K,Pb,Cs 等堿金屬嵌入化合物（GICs）。20世紀50年代中期，Herold合成了Li-GICs。70年代，Besenhard等研究了石墨在芳香族溶劑堿金屬鹽中的還原性，發現金屬鋰可電化學嵌入到石墨中。1989年，Kahno 討論了高聚物熱分解產物及碳纖維的表面積與鋰容量的關系。1991年，日本sony 公司用聚糠醇樹脂熱解碳作為負極制成了鋰離子電池。目前，鋰離子電池所采用的負極材料一般都是碳素材料，如石墨、軟碳、硬碳。正在探索的負極材料有氮化物、PAS，錫基氧化物、錫合金，以及納米負極材料等。石墨：石墨材料導電性好，結晶度高，具有良好的層狀結構，適合鋰的

7、嵌入脫嵌，形成鋰石墨層間化合物，充放電容量可達300mAh·g -1以上，充放電效率在90以上，不可逆容量低于50 mAh·g-1。鋰在石墨中反應發生在00.25V左右，具有良好的充放電電位平臺，可與提供鋰源的正極材料LiCoO 2，LiNiO2，LiMn2O 4等匹配，組成的電池平均輸出電壓高，是目前鋰離子電池應用最多的負極材料。軟碳：即易石墨化碳，是指在2500以上的高溫下能石墨化的無定形碳。軟碳的結晶度低，晶粒尺寸小，晶面間距較大，與電解液的相溶性好，但首次充放電的不可逆容量較高，輸出電壓較低，無明顯的充放電平臺電位。常見的軟碳有：石油焦，針尖焦，纖維焦，碳微球等。硬

8、碳：是指難石墨化碳，是高分子聚合物的熱解碳。這類碳在2500以上的高溫也難以石墨化，常見的硬碳有樹脂碳（如酚醛樹脂，環氧樹脂，聚糠醇等），有機聚合物熱解碳，碳黑等。其中聚糠醇樹脂碳具有很好的充放電循環性能。我公司選用的負極材料是MCMB 即中間相碳微球，是負極材料中最穩定性能可靠的環保材料。4、 電解質電池的電解液是電池的一個重要組成部分，對電池的性能有很大的影響。在傳統電池中，電解液均采用以水為溶劑的電解液體系。但是由于水的理論分解電壓只有1.23V，即使考慮到氫和氧的過電位，以水為溶劑的電解液體系的電池的最高電壓也只有2V 左右。鋰離子電池電壓高達34V，傳統的水溶液體系顯然已不再適應鋰離

9、子電池的需要，而必須采用非水電解液體系作為鋰離子電池的電解液。鋰離子電解質分為液體、固體和熔鹽電解質三類： 鋰離子電池的電解液由鋰鹽和混合有機溶劑組成，在電池內部擔負著傳遞正負極之間電荷的作用，所以是一些具有高離子導電性的物質。星恒鋰電池所用的電解液是有機溶劑組成，由原中科院物理研究所專門開發具有高導電性、溫度特性穩定好且安全性高的特點。5、 隔膜隔膜的主要作用是使電池的正、負極分隔開來，防止兩極接觸而短路，此外還具有能使電解質離子通過的功能。隔膜的材質是不導電的，其物理化學性質對電池的性能有很大的影響。電池的種類不同采用的隔膜也不同。對于鋰離子電池系列，由于電解液為有機溶劑體系，因而需要耐有

10、機溶劑的隔膜材料，一般采用高強度薄膜化的聚烯烴多孔膜。隔膜能吸附電池中電化學反應所必須的電解液，確保高的離子導電率。基本特性可歸納如下：（1） 電絕緣性好（2） 對電解質離子有很好的透過性，電阻低（3） 對電解質具有化學穩定性和電化學穩定性（4） 對電解質潤濕性好（5） 具有一定的機械強度，厚度盡可能小隔膜的透氣性及厚度影響隔膜的電阻，直接影響電池的內阻，透氣性差厚度大會導致電池的內阻大，太薄又會影響電池的循環壽命。隔膜的電流切斷特性即高溫微孔關閉性能，當發生以外短路或特大電流通過電池時隔膜微孔會閉塞，切斷電流通過電池的回路。隔膜在大電流或外部短路時微孔閉塞，切斷電流回路的功能稱為隔膜的關閉特

11、性。我公司選用的隔膜是進口PP/PE/PP三層結構隔膜具有安全性好的特點。6、 其他材料及零部件粘結劑是一種高分子化合物，活性物質制漿時起到粘結活性物質顆粒的作用。粘結劑的作用及性能：（1） 保證活性物質制漿時的均勻性及安全性（2） 對活性物質顆粒間起到粘結作用（3） 將活性物質粘結在集流體上 （4） 保持活性物質間以及集流體間的粘結作用 （5） 有利于在碳材料（石墨）表面上形成SEI 膜對粘結劑的性能要求： （1） 在干燥和除水過程中加熱到130180情況下能保持熱穩定性 （2） 能被有機電解液所潤濕 （3） 具有良好的加工性能 （4） 不易燃燒 （5） 對電解液中的LiClO 4,LiPF

12、 6等以及副產物LiOH,Li 2CO 3等穩定 （6） 具有較高的離子導電性 （7） 用量少，價格低廉集電極又稱基材或集流體，鋰離子電池正極用鋁箔作為集流體，厚度為20微米左右，負極用銅箔作為集流體，厚度為10微米左右。其他零部件有外殼，是盛放極片，隔膜電解液等的容器；密封件保證電池的密封性能，不漏液；安全閥在電池發生意外時保證電池不發生爆炸起火等現象。我公司選用的電池材料都是選擇合格供應商后，再選擇有相關認證的部品，具有UL 、CCC 、CE 、ROHS 等認證的高環保高安全性的材料才能成為我們使用的材料。7、 鋰離子電池的優越性鋰離子電池是目前世界最新一代的充電電池，其負極是碳材料，正極

13、是含鋰的過渡金屬化合物錳酸鋰、磷酸鐵鋰等，電解質是鋰鹽的有機溶液或聚合物。與其他蓄電池比較，鋰離子電池具有電壓高、比能量高、充放電壽命長、無記憶效應、無污染、快速充放電、自放電率低、工作溫度范圍寬、免維護和安全可靠等優點。在相同的體積或重量下，它的平均比能量是鎳鎘電池的2.6倍，鋰離子蓄電池的工作電壓為3.6V ，是鎳鎘、氫鎳電池的3倍。鋰離子電池主要的優點如下：(1重量輕：鋰離子電池的質量比能量是鎳鎘電池的2倍到3倍。也就是說，在相同容量的情況下，鋰電池的重量只有鎳鎘電池的1/2及至1/3。這對載重負荷有重大意義。(2體積小：鋰離子電池的體積比能量也是鎳鎘電池的2倍。(3高功率：特殊定制的高

14、功率型鋰電池可以在1030倍率下放電，可以實現快速充電，完全可以滿足鐵路客車和地鐵列車應用的需要。(4無記憶效應，維護簡單：相對于傳統鐵路客車和地鐵列車中的鎳鎘電池，鋰離子電池完全沒有記憶效應，可以在任何狀態下充放電，這將大大降低電池的維護工作量。(5清潔環保對人體無害：鋰電池采用鋰氧化物為正極、碳為負極，整個材料體系中沒有重金屬和劇毒物質。鋰電池采用密封結構，在使用過程中不需要添加酸堿類液體，和外界無接觸，確保使用過程對人體無害。(6設計有精密管理系統：在鋰電池系統中，可以應用成熟的電子化管理系統，對電池的狀態進行實時監控。這個系統可以和維護系統或者載體的電子系統實現數據通訊，對電池的狀態實

15、現實時的監控以及免拆卸維修檢查。星恒電源推出的磷酸鐵鋰電池與磁懸浮列車上以前使用的Ni-Cd 電池的性能對比如表1：從表中我們可以看出，同樣一組磁懸浮列車用的280V/40Ah電池組，假設磷酸鐵鋰電池與鎳鎘電池價格相同，重量將減輕5070%。體積減少3050%。串聯節數少了約2/3，使可靠性極大提高。使用壽命增加2倍，充放電性能、高低溫性能、維護性能及自放電性能同樣會大大提高。特別是根據上述介紹的電池內的一系列組成物質不含有任何鎘、鉛等重金屬有毒物質。對于能源環保是一項重大突破。表1：280V/40Ah磁懸浮列車電池組性能比較序號 對比項目 鉛酸電池電池 磷酸鐵鋰電池 1 重量 500Kg 2

16、 體積 0.5 m3 0.5 m33 3 串數 144串串串 4 環境污染 嚴重 嚴重 無 5 輸出能力 內阻很大 內阻大 內阻很小 6 循環壽命 <300次（最多1<1000次（最2000次（可用5-10年）（免維護） 年） 1.5年） 自放電（室7 15%溫·月）-20條件下基-20條件下8 低溫性能 -20條件下約放電85%本無法放電 約放電60%9 充放電倍率 110C工作時有堿霧和硫化及漏液等爬堿，現象嚴重，須加堿性電解液，全壽命周期內無須維護 10 維護性很大的的日常定期進行拆卸和維護工作量。 維修檢查，的工作量。8、 磷酸鐵鋰電芯放電倍率曲線圖：當電芯在3C

17、/120A放電條件下，能放出40Ah 詳見圖2。 9、 磁懸浮列車用磷酸鐵鋰電池組主要指標：（1） 電池組標稱電壓/容量：280V /40Ah （2） 單體電芯尺寸：192*101*32（±1mm）； （3） 電池組重量：150 Kg； （4） 最高充電電壓：343V； （5） 電池組內阻：30m；（6） 正常工作環境：溫度-2055，最大相對濕度95% RH以下； （7） 最大工作電流：400A ； （8） 20放電容量：40Ah； （9） 55放電容量：40Ah（10） -20放電容量：35Ah。 圖2 單體電芯放電倍率曲線圖三、 電氣方案介紹：1、 總本構思（1） 將8串的電池

18、組成一個25.6V/40Ah電池模塊；（2） 將11個電池模塊串聯組成1個電池組，額定容量40Ah，最低電壓大于200V，最高電壓小于343V；2、 電池模塊（1） 8個40Ah 的磷酸鐵鋰電芯一字排開串聯起來；（2） 每個電池模塊電芯頂部放置電芯均衡電路，均衡原理見圖3； 芯電壓大于3.9V 輸出一個過壓控制信號，當任意一節電壓小于2.3V 輸出一個欠壓控制信號，然后通過通信板傳遞到主控板上去進行電池組過充過放保護。信號采集板原理見圖4。b 通信板是將信號采集板上過來的信號接收過來，通過光電隔離輸出可靠信號，將模塊與模塊之間的各通信板上光電隔離信號并聯，去控制主控板上的功率執行部分，其原理圖見圖5注：其中信號采集板及通信板上的信號線均使用二線并聯來增加可靠性。 之間連接原理見圖6 護功能當欠壓信號過來后，則可以讓欠壓保護的功率執行器件得電，原理如圖7。 （2） 功率執行部分的元件包括過壓保護繼電器、欠壓保護繼電器及二個防反隔離二極管。總的原理圖見圖85、 溫度保護：與磁懸浮列車上鎳鎘電池保護相同，溫度傳感器放在電池上，通過輸出接頭一同送出至充電機內。 （12） 電池組充電機最高電壓應不高于343V 。 圖8 總執行原理圖四、 結構方案介紹：1、 模塊結構：（1） 每個電池模塊內部是8串結構，每個模塊都有塑料外殼，電池模塊外