混合动力汽车用锂离子电池的研究

作者简介:

余章华(1968-),男,湖北人,武汉大学化学与分子科学学院博士生,研究方向:电化学;

汪　莉(1978-),女,湖北人,武汉力兴电源股份有限公司工程师,研究方向:化学电源;

周运鸿(1940-),男,湖北人,武汉大学化学与分子科学学院教授,博士生导师,研究方向:电化学。・科研论文・

混合动力汽车用锂离子电池的研究

余章华1,2,汪　莉2,周运鸿1

(11武汉大学化学与分子科学学院,湖北武汉　430072;　21武汉力兴电源股份有限公司,湖北武汉　430074)

摘要:混合动力汽车电池主要特点之一是能以15C 以上的大电流放电。用扣式电池测试极片厚度、材料粒度和导电剂含量对电池放电倍率的影响;运用优化的实验参数,做成8Ah 动力电池,并测试电池性能;对8Ah 电池的功率特性进行了讨论。关键词:锂离子电池;　混合动力汽车;　高倍率

中图分类号:TM91219 文献标识码:A 文章编号:1001-1579(2005)04-0248-02

Study on Li 2ion battery for HEV

YU Zhang 2hua 1,2,WAN G Li 2,ZHOU Yun 2hong 1

(11College of Chemist ry and Molecular Sciences ,W uhan U niversity ,W uhan ,Hubei 430072,China ;

21W uhan L ixing Power Sources Co 1,L td 1,W uhan ,Hubei 430074,China )

Abstract :HEV battery should be discharged at above 15C high current 1The effects of the thickness of the electrode ,the parti 2

cle sizes of the materials and the amount of the conductive carbon on the dischar ge rate were studied with the coin cell 1The 8Ah power battery was manufactured with optimized experimental parameters 1The performance of the battery was tested 1The power characteristic of the 8Ah power battery was discussed 1

K ey w ords :Li 2ion battery ;　hybrid electric vehicles (HEV );　high rate

混合动力汽车主要动力源是内燃机,在启动加速和爬坡时用电池辅助,减速时通过电池回收能量,从而可以使内燃机始终在其最佳负载下工作,因此可以提高燃油的燃烧效率,同时降低油耗和减少污染气体的排放。这样,对电池的容量要求大幅度降低,但功率要求却相应提高[1]。

一般锂离子电池的最大放电倍率为3～5C ,而目前要将放电倍率提高到15C 以上,难免会有发热的问题。为了研究方便,本文作者首先采用扣式电池来研究配方和工艺对大幅减少电池发热的影响,待各方面条件优化后,再测试8Ah 电池。

1　实验

将LiCoO 2、碳黑、PVDF 按质量比93∶3∶4均匀混合,根据不同的涂覆量涂在厚度为0102mm 的铝箔上,正、反面涂覆厚度相同。将负极材料石墨、SBR (丁苯橡胶)、CMC 按质量比95∶3∶

2混合均匀,涂覆在厚度为0102mm 的铜箔上,正、反面涂覆厚

度相同。将涂好的正、负极片放在真空干燥箱内120℃干燥8

h 。将正、负极片以卷绕方式组装成L IR2430扣式电池,注液后

封口。单体8Ah 电池壳为方形不锈钢,正、负极片按叠片方式装配。采用程控测试仪(武汉产)进行测试,环境温度为20～25℃。2　结果与讨论

211　极片厚度、导电剂和粒径的影响

将用不同厚度的极片做成的扣式电池,用20C 电流进行放电,放电曲线如图1a 。由图1a 看出:以20C 放电时,正极厚度为0106mm 的电池可放出额定容量(25mAh )的76%;正极厚度为0112mm 的电池可放出额定容量的6%;而正极厚度为0116mm 的电池基本放不出电。由此可知:极片的厚度对电池在大倍率放电时的容量有很大影响。减小极片厚度,可改善电池高倍率放电的性能。

在正极中加入不同量的导电剂(石墨)后,做成电池进行放电,放电曲线如图1b 。由此可知:在正极粉中加大导电剂的量,对大电流放电影响不大。

用不同粒径的正极材料按相同的配方和极片厚度做成扣式电池,进行放电,其放电曲线如图1c 。由图1c 可以看出:正极材料LiCoO 2的粒径为11μm 和6μm 时,电池放电容量基本相同。6μm 的放电平台稍高。212　8Ah 电池的性能

选择粒径为6μm 的LiCoO 2,导电剂含量为3%,做成厚度为0106mm 的正极片;负极采用人造石墨,电极厚度也为0106mm ,用叠片方法做成8Ah 的电池;分别用715C 和15C 倍率放电,放电结果如图2a 。电池表面温度变化如图2b 。

第35卷　第4期2005年 8月电 池

BA TTER Y BIMON THL Y Vol 135,No 14

Aug 1,2005

图1　不同正极片厚度、导电剂含量和正极材料粒径的扣式电池20C 放电曲线

Fig 11　The 20C discharge curves of the coin cells with different anode electrode thickness ,the amount of the conductive carbon andparti 2

cle sizes of anode

materials

图2　8Ah 电池不同放电电流的放电曲线和电池表面温度Fig 12　Discharge curves and the surface tem peratures of the 8Ah

batteries with different discharge currents

由图2可以看出:8Ah 的电池可以用15C 的放电电流放电,放出的容量可以达到额定容量,但电池发热比较严重。放电完成后,电池表面温度可以达到60℃,在切断外部电流后,短时间可以上升到65℃,随后逐步降低。在扣式电池中,同样的极片可以在20C 以上的电流下放电,但8Ah 电池的热效应是不可忽视的问题。213　电池功率曲线

混合动力汽车电池在使用中,充放电都需要电池具有较大的脉冲功率;而电池的脉冲功率与电池的SOC 状态有关,因此本文作者参照PN GV 的有关标准[2]测试了电池功率。测试电池功率采用两个相反的脉冲电流。第1个是18s/40A 的放电电流,用来检测电池脉冲放电时的直流内阻R dis :

R dis =(U t =0-U t =18)/I t =18=(U t =0-U t =18)/40(1)第2个是10s/30A 的充电电流,用来检测电池脉冲充电时

的直流内阻R ch :

R ch =(U t =50-U t =52)/I t =52=(U t =50-U t =52)/30(2)显然,直流内阻与脉冲电流的大小和时间有很大关系,在

这里,本文作者均按照PN GV 的规定进行测试[2]。

本实验要测试的电池功率,事实上是指电池所能放出的最大功率或输出能力。锂电池在放电时的电压不能低于215V (U min ),当电池负载电压正好为215V 时的功率即为电池所具备的最大放电功率。此时P dis =U min I =U min (OCV -U min )/R dis =215×(OCV -215)/R dis 。同样,锂电池在充电时的电压不能超过412V (U max ),其最大充电功率:P ch =U max I =U max (U max -OCV )/R ch =412×(412-OCV )/R ch

由此看出:充放电功率与OCV 和直流内阻有关,而这两者都与SOC 有关系。不同的SOC 状态,具有不同的OCV 和直流内阻,因此首先需要测量OCV 与SOC 的关系,测量结果如图3。

为了测量不同SOC 状态下的功率,将电池从100%荷电态分别放电到90%、80%……0%等状态,并按上述方法测量充电和放电功率。其测试方法:充满电的电池静置1h 后,用1C (8A )放电6min ,使SOC 在90%的状态,再静置1h 后(使电池处于稳态状态);进行脉冲放电和充电测试,然后再用8A 放电6min ,使SOC 在80%的状态进行脉冲测试。依此类推,直到SOC 为0%时完成。测试的结果见图4

。

图3　电池OCV 与荷电状态的关系

Fig 13　The relation of OCV and SOC of battery

图4是数据汇总后得到的曲线。为了与PN GV 的最低要求作比较,图4中的功率值放大了100倍,因为实验中测试的是单体电池,电压是PN GV 规定的电池组电压值的1/100

。

图4　功率与SOC 的关系

Fig 14　The relation of the power and SOC

在图4中,虚线代表PN GV 的最低要求。锂离子电池在混合动力车中适合于在30%～70%的SOC 状态下工作,SOC 越高,放电功率越大,而充电功率越小。另外,充电功率在30%～70%的SOC 区间内,比最低要求的富余量相差无几,这是锂离子电池需要改进的地方[3]。214　比能量和比功率

8Ah 单体动力电池的比能量和比功率分别为72Wh/kg 和1500W/kg 。比能量低是由于极片薄,导致铜箔、铝箔等占了更多的体积。比功率是按最大的脉冲放电功率计算的。如果组合成电池组,比能量和比功率还会有较大的降低。

3　结论

通过减小正、负极片厚度等措施,可以显著提高电池的充放电功率,在此基础上做成8Ah 动力汽车电池,其放电电流可达15C ;通过测试电池的功率曲线可以看出:锂离子电池可以达到混合动力汽车的功率要求。参考文献:

[1]　YAN G Y i 2fu (杨毅夫)1中倍率方形动力电池研制[J ]1Battery

Bimonthly (电池),2003,33(4):218-2201[2]　Hunt G 1PN GV Battery Test Manual[S]120011

[3]　TIAN Chun 2xia (田春霞)1电动汽车用先进电池的现状及发展[J ]1

Battery Bimonthly (电池),2000,30(2):83-851

收稿日期:2005-01-02

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42　第4期　

余章华,等:混合动力汽车用锂离子电池的研究