1、電動(dòng)自行車用磷酸鐵鋰電池的開發(fā)采用磷酸鐵鋰作為正極材料研制圓柱鋰離子電池應(yīng)用于電動(dòng)自行車，評價(jià)磷酸鐵鋰電池及電池組在電動(dòng)自行車等應(yīng)用的可行性。采用IFR26650單體電池（標(biāo)稱容量3.2Ah）4并12串組成容量12Ah及電壓38.4V標(biāo)稱36V的電池組；并配備BMS系統(tǒng)，對電池組采用均衡板來 有效的對充電進(jìn)展均衡控制。實(shí)驗(yàn)室及路試結(jié)果顯示，此電池組循環(huán)壽命可以到達(dá)1000次以上；用于電動(dòng)自行車， 單次行使里程最大 60公里，平均時(shí)速22公里/小時(shí)，路試行駛190 次，累計(jì)行駛9900公里，電池的容量未見明顯衰減，模擬測試600次折合行駛里程 28000公里，容量保持82%以上。1、前言電動(dòng)自行

2、車具有環(huán)保、 耗能低和本錢低等特點(diǎn)，在日常交通中應(yīng)用越來越多，前期的電動(dòng)自行車電源以鉛酸電池為主，環(huán)保和重量成為其應(yīng)用的最大障礙，前段時(shí)間曾有公司大力開發(fā)鎳氫電池組應(yīng)用于電動(dòng)自行車，去年有為數(shù)不多的公司開發(fā)了鈷酸鋰和錳酸鋰鋰離子電池組，由于價(jià)格和平安性的問題都沒有得到市場的充分認(rèn)可，同時(shí)行會和地方性的政策從多方面的考慮限制了電動(dòng)車的重量和速度等指標(biāo)。開發(fā)輕便、可靠、環(huán)保平安的電源成為市場的迫切需求，磷酸鐵鋰電池具有良好的平安性能和長的循環(huán)壽命，材料環(huán)保，具有相對高的能量密度，所以我們開發(fā)了以磷酸鐵鋰為正極材料的鋰離子電池，并且組裝成了電池組， 進(jìn)展了充電和放電循環(huán)測試，并且實(shí)際組裝在電動(dòng)自行車

3、上，并得到了良好的結(jié)果。2、實(shí)驗(yàn)局部使用PHOSTEC勺磷酸鐵鋰LFP為正極材料，人造石墨為負(fù)極材料，使用LiPF6的EC/DMC/EM（溶液為電解液，使用 UP3085隔膜制作IFR26650電池，容量3.2Ah，單體支持最 高放電倍率4C,電池不使用 PTC使用CID平安閥防爆壓力20公斤力。單體電池可以到 達(dá)如表1所示的性能。表1單體IFR26650電池性能表暉號項(xiàng)目測試標(biāo)淮測試結(jié)果判定15 25 Ah2低最40%60%395101%合格4過充電3C10V, 不燧炸、不起火5過放電詞放龜?shù)?V不爆烽、不起火舍格6不爆炸.不起火不揮炸.不圮火7不甥炸、不起蟲不蜒炸.不起火舍搐3重物沖擊不爆

4、炸、不起火不澤炸*不起火舍格9擠壓不爆炸.不總火不爆炸*不起火10不犀庫不起火不堆炸I不起火為了能夠支持電動(dòng)自行車使用，對電池進(jìn)展倍率放電性能測試和循環(huán)壽命測試，見圖1和圖2。測試的依據(jù)是以300W左右的電機(jī)進(jìn)展設(shè)計(jì)，在其最大功率輸出時(shí)，需要的電流為： 300W/36V=8A電池2C放電時(shí)候的輸出功率為可以滿足電動(dòng)自行車的功率需求，電動(dòng)自行車 正常行駛時(shí)的輸出功率約180W即電池組的一般工作電流為5A,單個(gè)電池的負(fù)載電流約為0.5C，電池和電池組的0.5C循環(huán)壽命見圖1和圖5。測試顯示單體電池的循環(huán)壽命 1000次可以 保持80 %。電池和電池組根本數(shù)據(jù)見表2。表2電池和電池組根本數(shù)據(jù)項(xiàng)目IF

5、R26650-JP12S電池組容量3.2AK2Ah尺寸26.2*<&5nunJ20*112M85nmi重量4200a內(nèi)狙22mQ105 inQ電壓3,2V36V重量匕幅潼120WlvK?lOdWli/Kg體積比能量2MW1?L110W11ZL35009000 加。 zooo1500LQOO500 n*-一1= -PK0&l?3(J(C32H)， PKO&l 230(C32(M9)1 1 0 200400tOO題坪吹徹即ul* Ndejolooo圖1單體IFR26650電池0.5C循環(huán)壽命選取容量3200+ / 20mAh阻22 + / 2mQ的26650電池，先充

6、電30%,擱置30天后選擇電壓 偏差在+/-3mV以的電池進(jìn)展4并12串組合，制作兩組電池組。電池組使用串聯(lián)充電方式，控 制電池組端電壓上限為 45V。電池組使用直流45V2A充電器充電，一組使用電子負(fù)載放電，并進(jìn)展這樣的循環(huán)測試；另外一組使用一樣的充電器充電后安裝在電動(dòng)自行車上進(jìn)展道路行駛 測試。測試過程中記錄每次的放電容量，放電后電池組每一個(gè)并聯(lián)組合的電壓、充電后電池O- ImA)組每一個(gè)并聯(lián)組合的電壓和每次電動(dòng)自行車的行駛里程、平均速度。圖2單體IFR26650電池放電倍率曲線對電池組的電路局部進(jìn)展了設(shè)計(jì)，目的是提高循環(huán)過程中電池不被過充電和過放電，設(shè)計(jì)了一款均衡板，采用電阻均衡的原理

7、，即給每一個(gè)并聯(lián)組合加裝一個(gè)放電電阻，通過IC進(jìn)展控制，當(dāng)某并聯(lián)組電池的電壓超出設(shè)定值，對其進(jìn)展局部放電， 使得其電壓和整組電池保持一致，設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是本錢低，原理簡單容易實(shí)現(xiàn)。以上1#電池組進(jìn)展了 600次充電和放電循環(huán)，容量由11.7Ah到9.6Ah，容量保持率82%, 2 #電池組進(jìn)展路試，路試 200次，累計(jì) 行駛9900公里，單次行駛里程從 55公里衰減到45公里，平均時(shí)速22公里/小時(shí)。3、結(jié)果分析與討論3.1電池充電電壓的變化電池組使用直流充電器充電，控制端電壓，在每次充電完畢后30分鐘測試每個(gè)并聯(lián)組的電壓。根據(jù)圖3所示，電池組組的每串聯(lián)電池的電壓在一開場就出現(xiàn)了發(fā)散現(xiàn)象，提示我們

8、可能采用其他的初始狀態(tài)進(jìn)展一致性分選可能得到更好的結(jié)果，例如，全部不帶電組合或者全部電池滿電組合。電壓的分散程度在循環(huán)的進(jìn)展到大約200次的時(shí)候，發(fā)散變得嚴(yán)重，其中第二個(gè)串聯(lián)組出現(xiàn)了電壓偏低， 第三個(gè)串聯(lián)電池組電壓偏高現(xiàn)象，于是在第223次充電前為電池組加裝了均衡線路板，電池組的電壓差得到了有效的收斂，從前期的最大390mV平均197mV收斂到70mV收斂后的電池組容量沒有發(fā)生明顯的變化，是因?yàn)殡姵亟M的容量不受帶電最多的一組電池影響，而是受最低的影響，此處也表達(dá)了此均衡板的缺點(diǎn)，即無法給沒有充滿電的電池組補(bǔ)充電；這樣循環(huán) 5周后，再次將均衡板取消，電池組的電壓再次變得發(fā)散，說明， 均衡板的作用

9、只是把表現(xiàn)的電壓值收斂的更一致而沒有從本質(zhì)上改變電池組的均勻性，電池組的放電容量和循環(huán)壽命并沒有明顯的衰減，繼續(xù)循環(huán)到接近600次，電池組依然是第二個(gè)串聯(lián)組電壓偏低、第三個(gè)串聯(lián)電池組電壓偏高，組間差異最大到達(dá)390mV平均180mU結(jié)合電池組的放電容量曲線， 充電電壓控制在單體3.7V以，采用串聯(lián)充電的方式， 控制電池組端電 壓在合理的電壓圍，可以保證磷酸鐵鋰電池組的循環(huán)壽命和不被過充電。e審啟0 124. aoc3. 9003. 5003. 7003. 6-003. 5003. 4003. 3003. 2003. 1003. 0&0a iao汕& wo sacso a圖3充電

10、完成30分鐘后電池組的電壓分布圖a. ooa2. 9002. eao2. 7002. GOOJ. 5D02.4002- 3002. 2002. 100ooa100200300400300弓 up舌 旨呂 占E弓 芻 nr nr tit UH1 2 3 4 5 _& 7 8 9串串串500放電次對圖4放電完畢5分鐘電池組電壓分布圖3.2電池放電截止電壓的變化電池組的放電電壓在放電完畢以后的5分鐘測量，放電電壓有逐漸降低又逐漸升高的趨勢，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析主要受環(huán)境溫度的季節(jié)性變化影響。電池組的電壓發(fā)散程度大于充電電壓的發(fā)散程度，平均258mV最大801 mV,其中第二組和第三組分別是電壓最低和

11、最高的電池組， 由于電池組的放電后恢復(fù)電壓最低出現(xiàn)了2.10V，實(shí)際放電過程中的電壓低于此電壓值，測試發(fā)現(xiàn)最低值到達(dá)0.3V，說明此電池組可以耐受 0.3V的過放電。表3充電和放電電壓數(shù)據(jù)分布L#14J#S#1&#2鼻蕙電覲電壓1337319茁1260anIISCM)20«XII 43019M辛733»31727»*DD邛23n悝充電電辰4747 548<«434J43ST制咒1799LQp爲(wèi)tsuLri冇 r wj10 4it1 41 40.P1 ?t sN械悅皚電尼3144£443a£1111壓找電取岳 出或Jt尊1

12、妳】ttaD701#5172?】41 43213電電菩爛口廝尋好的唸R對電池組的充電和放電完畢后最高和最低電壓出現(xiàn)的幾率進(jìn)展數(shù)據(jù)分析，見表3，數(shù)據(jù)顯示，個(gè)別組的電池并不是最正確狀態(tài)， 如第一并電池容量偏低， 其容量可能決定了電池組的充電容量，第二串組合時(shí)帶電量少充電電壓低，放電電壓低這組電池組出現(xiàn)被過放電的幾率最大，影響電池組的放電容量，第三、四、電池組的容量是比擬高的，特別是第三串并 沒有發(fā)揮100%的容量第十二組組合時(shí)電電量高，其出現(xiàn)被過充電的幾率最大。在循環(huán)過程中各個(gè)電池的電壓分布一直保持一樣的出現(xiàn)規(guī)律，所以是否可以以此進(jìn)展設(shè)計(jì)？如，電池組分別設(shè)置一組帶電多的和帶電少的，把過充電的檢測和

13、過放電的檢測電路只加在這兩組電池上，從而實(shí)現(xiàn)對電池組的保護(hù)，可以節(jié)約本錢和減少組裝的難度。3.3電池的容量保持狀況 電池的單體容量為3.2Ah 0.2C，經(jīng)過前述的匹配分選方式，電池組的放電容量可以到達(dá)11.7Ah 0.5C，即可以發(fā)揮電池0.2C容量的91 %。經(jīng)過574次循環(huán)剩余容量9.6Ah，保持 率為82%,預(yù)計(jì)1000次循環(huán)剩余容量60%以上，此壽命結(jié)果明顯好于鉛酸電池組和錳酸鋰電 池組，見圖5。圖中還顯示，在第223到228次充電過程中的均衡并沒有改變電池組的放電容量。 電池組的循環(huán)壽命明顯低于單個(gè)電池的循環(huán)壽命，在測試過程中并沒有出現(xiàn)明顯的破壞行為和破壞現(xiàn)象，這樣的差異需要進(jìn)展系

14、統(tǒng)的分析并驗(yàn)證，至少一點(diǎn)是必須注意的，以目前的組合方式和加工測試過程，電池組的壽命只能發(fā)揮到單個(gè)電池壽命的80%。01002003»0400500MO狷環(huán)次數(shù)圖5循環(huán)壽命和電壓差異曲線圖3.4均衡板的作用設(shè)計(jì)均衡板主要為了防止串聯(lián)充電區(qū)別于分充合放 過程中出現(xiàn)某一組電池的過充電現(xiàn)象，使之很好的適應(yīng)目前廣泛使用的鉛酸電動(dòng)自行車充電器，結(jié)果顯示，一般不會出現(xiàn)電池組的過充電現(xiàn)象， 這是由于磷酸鐵鋰電池在充滿階段的電壓上升快，會使整個(gè)電池組的端電壓迅速升高從而充電終止，此均衡板對于發(fā)生以外的狀況可能會起到作用，如某一串聯(lián)組電池容量明顯下降后。圖6顯示，均衡電路均衡充電電壓以后，放電電壓的發(fā)散

15、程度也得到了明顯的收斂，對于個(gè)別電池組出現(xiàn)過放電可能會有積極的奉獻(xiàn)，可以減少出現(xiàn)某組電池過放電的幾率，作用的原理是充電時(shí)將電壓高的電池可能容量少，也可能是初始電量多不匹配進(jìn)展了放電，使其帶電量減少，多個(gè)電池組同時(shí)到達(dá)放電終止，從而顯示的電壓差值比擬接近，如果充電完畢后電壓差異大是用于個(gè)別組電池容量低造成的，那么均衡的結(jié)果將導(dǎo)致下次放電電池組的容量更低， 如果是由于某組電池帶電量多造成的，那么均衡的結(jié)果將會有可能使電池組的放電容量略有增加。充電比數(shù)一瓷電總成電壓鑒+般電殼成電壓差三ItIH田即>卻圖6均衡板對電池組電壓影響曲線圖均衡板的原理是采用電阻放電的方式進(jìn)展，其放電過程受IC和MOS

16、FE控制，其出現(xiàn)故障可能導(dǎo)致均衡失效甚至電池組被深度過放電，所以加工和選材上要嚴(yán)格控制，需要慎重使用。3.5路試數(shù)據(jù)分析將另外一組電池安裝在一款市售的電動(dòng)自行車上，對其BMS系統(tǒng)進(jìn)展了改裝，使其可以適合使用磷酸鐵鋰電池組， 主要改裝了放電截止電壓和短路保護(hù)。 由于條件的限制，在接近 一年的測試中累計(jì)戶外行駛了接近 200次，每一次均為100%放電，單次形式的里程為最大 64 公里，平均52公里，累計(jì)行駛9916公里電池組無維護(hù)、維修，其過程中進(jìn)展了載人、爬坡等測試，環(huán)境溫度最低5度，最高39度。見圖7和圖8。TO0 11'11030100190200£50行駛次數(shù)和2010圖7路試行駛平均速度和單次里程圖在路試進(jìn)展到第150次時(shí)，電動(dòng)自行車的電機(jī)燒毀，更換電機(jī)后其單次行駛里程由55公里下降為45公里，平均時(shí)速增加2公里，此現(xiàn)象說明電機(jī)的差異輸出功率將明顯影響電動(dòng) 自行車的行駛里程，所以進(jìn)展電動(dòng)自行車設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮電機(jī)的選擇，使其更平安、行駛里程更遠(yuǎn)，電池組的總能量為：3.2*4*3.2*12 = 490瓦時(shí)，每千瓦時(shí)行駛里程為：52/0.490=106公里/KWh,此參數(shù)是評價(jià)電池組和電動(dòng)自行車的重要參數(shù)，這個(gè)數(shù)值屬于優(yōu)秀的數(shù)值。因?yàn)殡姍C(jī)更換，導(dǎo)致路試的數(shù)據(jù)的分析失去了基準(zhǔn)，從前150次的數(shù)據(jù)看，電池組的容量