动力锂离子电池研制

研 究 与 设 计２０１１． ６ Ｖ ｏｌ ． ３５ Ｎ ｏ． ６收稿日期： ２０１０－１２－２６作者简介： 路宗利 （１９７０ — ） ， 男， 河北省人， 高工， 主要研究方向为化学电源 。６６０动力锂离子电池研制路宗利， 石治国， 唐德庆， 张 辉， 赵 磊， 郭 昊(中国电子科技集团公司 第十八研究所， 天津 300381)摘要： 伴随着锂离子电池的发展， 动力锂离子电池的应用在不断扩大， 尤其是在电动汽车 、 电力 、 通讯等领域， 其自身的特质得到了充分体现 、 认可 。 主要介绍 ８ Ａ ｈ 和 ５０ Ａ ｈ 两款动力电池研制情况， 这两款电池已经实现了批量生产， 通过长期的使用， 其安全性 、 可靠性等方面得到不断提高和完善 。关键词： 锂离子电池； 动力电池； 安全性中图分类号： ＴＭ ９１１ 文献标识码： Ａ 文章编号： １００２－０８７ Ｘ （ ２０１１） ０６－０６６０－０２Development of lithium-ion power batteryLU Zong-li, SHI Zhi-guo, TANG De-qing, ZHANG Hui, ZHAO Lei, GUO Hao(Tianjin Institute of Power Sources,Tianjin 300381,China)Ａ ｂｓｔ ｒ ａｃｔ ：Ｗ ｉ ｔ ｈ ｔ ｈｅ ｄｅｖｅｌ ｏｐｍ ｅｎｔｏｆＬｉ －ｉ ｏｎ ｂａｔ ｔ ｅｒ ｙ，ｔ ｈｅ ａｐｐｌ ｉ ｃａｔ ｉ ｏｎ ｏｆｐｏｗ ｅｒ ｂａｔ ｔ ｅｒ ｙ ｉ ｓ ｅｘｔ ｅｎｄｉ ｎｇ ｍ ｕｃｈ ｍ ｏｒ ｅ，ｅｓｐｅｃｉ ａｌ ｌ ｙｉ ｎ ｔ ｈｅ ｆ ｉ ｅｌ ｄｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｔ ｈｅ ｅｌ ｅｃｔ ｒ ｉ ｃ ｖｅｈｉ ｃｌ ｅ， ｅｌ ｅｃｔ ｒ ｉ ｃ ｐｏｗ ｅｒ ａｎｄ ｃｏｍ ｍ ｕｎｉ ｃａｔ ｉ ｏｎ． Ｉ ｎ ｔ ｈｉ ｓ ｐａｐｅｒ ， ｔ ｈｅ ８ Ａ ｈ ａｎｄ ５０ Ａ ｈ Ｌｉ －ｉ ｏｎｂａｔ ｔ ｅｒ ｙ ｗ ａｓ ｉ ｎｔ ｒ ｏｄｕｃｅｄ， ｗ ｈｉ ｃｈ ｈａｖｅ ａｃｈｉ ｅｖｅｄ ｍ ａｓｓ ｐｒ ｏｄｕｃｔ ｉ ｏｎ． Ａ ｆ ｔ ｅｒ ｔ ｈｅ ｌ ｏｎｇ ｔ ｅｒ ｍ ａｐｐｌ ｉ ｃａｔ ｉ ｏｎ， ｉ ｔ ｓ ｓｅｃｕｒ ｉ ｔ ｙ ａｎｄｒ ｅｌ ｉａｂｉ ｌ ｉ ｔ ｙ ｗ ａｓ ａｄｖａｎｃｅｄ．Ｋ ｅｙ ｗ ｏｒ ｄｓ：ｌ ｉ ｔ ｈｉ ｕｍ ｉ ｏｎ ｂａｔ ｔ ｅｒ ｙ；ｐｏｗ ｅｒ ｂａｔ ｔ ｅｒ ｙ；ｓｅｃｕｒ ｉ ｔ ｙ１ ８ Ａ ｈ 锂离子电池性能该电池采用钴锂化学体系 。 通过优化电极材料配比， 完善极芯结构， 降低了电池内阻， 温度分布与散热能力大幅提高，保证了电池倍率放电水平 。 通过调整电解液组分， 提高极片涂覆工艺， 电池的循环寿命 、 高低温性能等方面也得以提高 。电池能以 10 倍率进行全容量放电， 且放电平台高， 保持在 3.5 V 左右， 容量衰降少， 见图 1。电池可以满足高温环境工作要求， 在 60 ℃ 环境下供电输出稳定可靠， 见图 2。电池在低温 － 20 ℃ 环境下，全容量放电保持在 85％ 以上， 见图 3， 图 4。该电池可以以最大 15 倍率进行持续脉冲放电， 满足高功率动力需求， 见图 5。小组合电池进行充放电循环后，单体电池一致性保持良 好， 确保了动力电池组的稳定可靠， 见图 6。２ ８ Ａ ｈ 单体电池安全性该高功率电池通过了北方汽车质量监督检验鉴定实验所的安全性检测， 见图 7。2.02.53.03.54.04.50.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0/AhV/V图 １ １０ 倍率放电曲线2.02.53.03.54.04.50.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0/AhV/V图 ２ 高温 ６０ ℃ 放电曲线2.03.04.05.00 1 2 3 4 5 6 7 8/AhV/V图 ３ 低温－２０ ℃ 放电曲线2.03.04.05.00.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5/mAhV/V图 ４ ６０ Ａ 脉动放电曲线２０１１． ６ Ｖ ｏｌ ． ３５ Ｎ ｏ． ６研 究 与 设 计６６１单体电池过充电 5 V ， 电池温度升为 110 ℃ ， 单体电池泻放， 未起火 、 爆炸， 见图 8。满电态电池针刺后， 泄放， 未起火 、 爆炸， 温升不超过 200℃ ， 见图 9。满电态电池进行挤压， 泄放， 不起火 、 未爆炸， 最高温度仅为 37 ℃ ， 见图 10。３ ５０ Ａ ｈ 电池性能该电池采用钴锂体系， 属于大容量电池， 通过对电解液 、电芯结构 、 散热方式 、 安全防护等方面研究， 在保证容量满足要求前提下， 安全性得到了有效提高 。３． １ 倍率特性50 Ah 电池的常温倍率放电特性见表 1。该大容量电池具备 2 倍率放电能力，且全容量放电保持在 88%， 见图 11。３． ２ 温度特性50 Ah 电池在不同温度下的放电容量情况见表 2。该电池具备较好的高低温特性，满足了在不同环境下对动力电源的使用要求， 见图 12。３． ３ 安全性单体电池过充电 5 V ， 电池温度不超过 60 ℃ ， 单体电池2.03.04.05.00.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5/mAhV/V0123450 4 000 8 000 12 000251007550125200175150V/Vt /s- 100 0 100 200 300 400 500 600 700 8000 100 200 300 400 ááá0 2 4 t /sI/A V/V图 ５ １２０ Ａ 脉动放电曲线图 ６ 循环寿命图 ７ 短路实验12:14.220:34.228:54.237: 14.245:34.253:54.202:14.2 --20 40 60 80 100 120 áá3.03.54.04.55.05.56.0á V/Vt /s图 ８ 过充电实验0 200 300 400 500 600 700024 áá050100150200á100- 100V/Vt /s图 ９ 针刺实验- 100 0 100 200 300 400 500 600 700 800024 áá1214161820222426283032343638áV/Vt /s图 １０ 挤压实验/A /Ah /% 0.5 C 27.5 58.33 100.0 1 C 55 55.33 94.9 2 C 110 51.36 88.1 0.01.02.03.04.05.00 10 20 30 40 50 60 70 1.0 C2.0 C0.5 C2.0 C 1.0 C0.5 C/AhV/V图 １１ 倍率放电曲线t/ 20 25 55 /Ah 56.45 60.31 61.75 / 93.6 100.0 102.0 (下转第 722 页 )研 究 与 设 计２０１１． ６ Ｖ ｏｌ ． ３５ Ｎ ｏ． ６ ７２２补偿， 这样 6 脚输出的脉冲高电平时间变短， 减小斩波的占空比， 从而减小输出电压 。 另外， 电路还设计了输入过流保护， 这是利用 UC3842 的 3 脚完成的 。 电源电流经电流互感器 (CT)通过一定的变比成为取样电流， 经过取样电阻 R3 后输入到 3脚，当取样电阻上的电压大于 1 V 时， UC3842 将停止输出触发脉冲， 使开关管截止， 从而保护开关管， 这样就达到了过流保护的功能 。 电路中， 4 脚的输出端接了一个三极管， 这是用来进行斜率补偿的，被缓存的振荡器斜升可以与电压反馈或电流取样输入阻性相加， 以提供斜率补偿 。３ 设计总结在电源变换器的设计中，由 UC3842 组成的反激式开关电源是整个变换器的关键部分， 核心部分为 PWM 控制单元 。利用现有的飞机发电机输出电压作为开关电源的输入，得到PWM 控制单元的直流工作电压， 同时利用 UC3842 良好的控制特性实现对场效应管通断的控制， 另外结合其工作特性， 设计了过流 、 过压等保护电路， 保证了电源变换器的正常工作 。为了实际需要，电路设计的某些具体参数并未给出 。 经过实验， 发现在输入电压 33～ 155 V 范围内， 变换器的输出电压稳定在 32 V 左右， 满足设计要求 。 UC3842 在整个电源变换器的设计中起着重要作用， 其工作频率最高可达 500 kHz， 启动电流 小 于 1 mA, 电 压 调 整 率 可 达 0.01% /V， 最 大 占 空 比 达100%， 且外围电路简单 ,性能优越， 成本低， 在现代电力电子应用中越来越广泛， 在开关电源中有着良好的应用前景 。参考文献：[1] 沙占友 .新型开关电源的设计与应用 [M]. 北京 : 电子工业出版社 ,2001.[2] 惠恩宣 .采用 UC3842 构成的开关电源 [J]. 电子与自动化 ,2000(4)： 45-46.[3] 胡君臣 . 用 UC3842 芯 片 设 计 开 关 电 源 [J]. 仪 表 技 术 ,2005 (3):79-80.[4] 王兆安， 黄俊 .电力电子技术 [M]. 北京： 机械工业出版社 ,2000.[5] 周志敏 ,周纪海 , 纪爱华 . 现代开关电源控制电路设计及应用 [M].北京： 人民邮电出版社 ,2005.未泻放， 未起火 、 爆炸， 图 13 和图 14。对满电态电池进行挤压， 泄放不起火 、 未爆炸， 图 15。４ 应用情况2005 年至今， 以 50 Ah 电池构建的动力电源系统， 应用于纯电动轿车中， 使用寿命已超过五年， 运行里程超过 8 万公里，电源系统整体性能稳定，一次充电续时里程保持在120~150 km， 充满电时间不超过 5 h， 五年内单体故障率约为1.29 %。５ 总结这两款锂离子动力电池在电池的安全性 、 可靠性等方面，取得了可喜的进展， 同时， 其他系列产品也相继研制成功， 并具备批量生产能力， 能够满足用户对动力电池需求 [1-2]。参考文献：[1] 郭炳琨， 李新海， 杨松青 .化学电源 [M]. 中南工业大学出版社 ,2000.[2] 郭炳琨 ,徐徽 ,王先友 ,等 .锂离子电池 [M]. 中南大学出版社， 2002.2.03.04.05.00 10 20 30 40 50 60 702131 23/AhV/V图 １２ 温度放电曲线4728-03 - 200 0 200 400 600 800 1 000 1 200 1 4000 50 100 150 200 250 300 ááá024t /sV/VI/A图 １３ 短路实验4728-07 5 V- 500 500 1 500 2 500 3 50026283032343638404244464850525456áá4.24.44.64.85.0t /sV/V图 １４ 过充电实验4717-01=507.3á ? ?0 100 200 300 400 500 600 700 800- 1000 100 200 300 400 500 600 700 800 áá0 2 4 - 100t /sV/V图 １５ 挤压实验(上接第 661 页 ) !!!!!!!!!!!!