一種防爆高比能低溫鋰電池的特性分析

胡鵬

(中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西太原030006)

一種防爆高比能低溫鋰電池的特性分析

胡鵬

(中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西太原030006)

針對在低溫礦井下鋰電池使用的適應(yīng)性問題，分析了一種自主研發(fā)的高比能低溫磷酸鐵鋰電池特性，并進(jìn)行了實際工況檢測，驗證了鋰電池在井下使用的安全可靠性，證明了－20℃環(huán)境下基本可以釋放出98%以上的電能，可通過理論推算出電池工作持續(xù)時間及行車?yán)锍痰龋c實際應(yīng)用誤差不大于5%，促進(jìn)了礦井下鋰電池動力技術(shù)應(yīng)用的進(jìn)一步發(fā)展。

低溫；高比能；電池特性；安全可靠性

為了降低傳統(tǒng)防爆柴油機(jī)車對礦井下造成的環(huán)境污染，磷酸鐵鋰電池因體積小、比能量高及安全性高等優(yōu)點，已經(jīng)開始在礦井下大量使用。然而大多數(shù)礦井下的溫度較低，導(dǎo)致傳統(tǒng)磷酸鐵鋰電池在使用時的比能量釋放較低，影響電池壽命及車輛行駛里程，因此低溫鋰電池的開發(fā)應(yīng)用將成為煤礦能源的新趨勢。

新型運(yùn)輸設(shè)備裝備的電池量較大，需對電池組的參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測管理[1]。本文針對自主研發(fā)的低溫鋰電池的重要參數(shù)進(jìn)行分析，驗證該電池在礦井下使用的安全可靠性，同時為車輛電池安全管理系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)指導(dǎo)。

1 常規(guī)鋰電池比能量釋放分析

煤礦井下使用的鋰電池電能釋放比例應(yīng)不小于90%，否則會導(dǎo)致電池虧電嚴(yán)重、行車?yán)锍踢^短等情況，從而影響井下的正常工作。選取一種已投入井下使用的鋰電池(60 Ah)，通過電池實驗，測定電池常溫、低溫情況下的放電曲線，如圖1所示。

圖1 單體鋰電池電壓檢測

通過對電池電壓放電信息的完整記錄和加權(quán)積分計算[2]，計算出常溫時釋放出的電能比例在95%，而低溫時釋放的電能比例小于80%，可以判斷常規(guī)鋰電池在低溫環(huán)境下工作狀態(tài)不理想，所以應(yīng)研制一種適合低溫環(huán)境下的鋰電池，提高井下車輛工作時的效率及安全性。

2 低溫鋰電池關(guān)鍵因素的分析

選取一種質(zhì)量比能量達(dá)到110 Wh/kg的鋰電池，在制造過程中對正負(fù)極材料、電解質(zhì)與隔膜優(yōu)選改善，并與相關(guān)技術(shù)企業(yè)及高校合作開發(fā)了100 Ah容量、功率密度660 W/kg、循環(huán)壽命大于2 000次的新型單體低溫磷酸鐵鋰電池，如圖2所示，并以該電池作為分析對象。

圖2 低溫磷酸鐵鋰電池

井下運(yùn)輸設(shè)備裝備鋰電池數(shù)量較大，實際應(yīng)用中會存在過充、過放、過熱等情況，會影響電池壽命，嚴(yán)重會發(fā)生著火、爆炸等事故，所以應(yīng)對低溫鋰電池的重要參數(shù)進(jìn)行測試分析，驗證在井下工作時的安全可靠性，以便對電池組進(jìn)行統(tǒng)一管理。

鋰電池在井下使用過程中，主要因素有電池充放電統(tǒng)一性、可燃?xì)怏w排放濃度、低溫環(huán)境下鋰電池工作電壓及釋放的比能量等。

2.1 充放電統(tǒng)一性及電能釋放比例檢驗

新型低溫鋰電池組充放電統(tǒng)一性與車輛供電電壓相關(guān)，若充放電時電池統(tǒng)一性較差，會導(dǎo)致車輛動力不足而且影響部分電池壽命，同時電池電能釋放比例要求不小于90%，若要投入到井下使用，充放電統(tǒng)一性與電能釋放比例的檢驗至關(guān)重要。

2.1.1 常溫環(huán)境下鋰電池檢驗

選取鋰電池樣品6只為一組，在常溫環(huán)境下進(jìn)行充放電實驗。首先電池組以9.5 A電流進(jìn)行充電，完整記錄電池電壓值，電壓曲線如圖3所示。

電池電量飽和后，外接電阻箱并以33.3 A電流進(jìn)行放電(圖4)。

鋰電池組在充電過程中，電壓在3.3～3.4 V時，充電較慢，電壓變化不明顯，且6只電池充電時的電壓誤差不大于0.05 V，電壓基本一致；放電過程中，電池電壓之間最大誤差不大于于0.07 V，可以說明電池組充放電統(tǒng)一性較好。

通過對鋰電池的實時電壓值與時刻進(jìn)行積分計算，單體鋰電池的平均安時容量約為：96.88 Ah；平均安時輸出功率為：75.56 Wh；平均功率為：243.1 W，電壓穩(wěn)定值約在3～3.2 V。

圖3 充電過程

圖4 放電過程

2.1.2 －20℃環(huán)境下鋰電池檢驗

將電量飽和的鋰電池組放入－20℃的恒溫箱內(nèi)保存20 h，如圖5(a)所示。待電池電壓穩(wěn)定后，外接電阻箱并以33.3 A的電流開始放電，完整記錄電壓值與放電時刻。

圖5 低溫放電過程

圖5(b)為電池組放電時電壓與時刻的關(guān)系。通過計算得出電池組的安時容量約為：98.13 Ah；輸出功率為：1 544.88 W，電壓穩(wěn)定值約在2.8～3 V。

低溫放電深度按照最高電池電壓放電到2.5 V為終止條件，所以相對常溫時的電池安時容量較大。常溫下電池組以I3倍率能夠釋放出95%以上電能，－20℃下釋放出98%以上電能，證明該電池釋放的電能比例符合要求，可以適用于低溫環(huán)境的礦井下。

2.2 可燃性氣體濃度檢驗

鋰電池工作時會排放可燃性氣體，如果可燃性氣體濃度較高，可能導(dǎo)致著火、爆炸等嚴(yán)重事故，會對礦井下的設(shè)備材料及工作人員帶來危險，因此鋰電池排放可燃性氣體的檢驗對煤礦安全管理至關(guān)重要。

在鋰電池組工作時，采集一定量氣體并分析氣體種類，得出該電池排放的可燃性氣體以乙烯為主。國家安全指標(biāo)說明乙烯的爆炸限濃度在3.1%～32%。將電池組放入封閉環(huán)境內(nèi)，內(nèi)接可燃性氣體濃度檢測儀(圖6)。電池組充放電循環(huán)進(jìn)行3次，并記錄可燃性氣體濃度數(shù)值大小。

圖6 可燃性氣體濃度檢測

根據(jù)表1數(shù)據(jù)可知，可燃?xì)怏w乙烯濃度值不在爆炸限范圍內(nèi)，證明了該電池在井下使用時的安全性較好。

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本節(jié)對低溫鋰電池的可燃?xì)怏w分析，為井下復(fù)雜工況的安全系數(shù)分析提供可靠數(shù)據(jù)，比如當(dāng)鋰電池組封裝在電控箱內(nèi)在通風(fēng)較差的井下使用時，電池排放的乙烯可能會與井下存在的甲烷氣體混合，其濃度值需要更進(jìn)一步的驗證來提高煤礦安全。

3 低溫鋰電池樣品實驗

初步對低溫磷酸鐵鋰電池性能進(jìn)行分析后，為了進(jìn)一步證明其優(yōu)越性，需要在實際情況下檢測。選擇冬季寒冷天氣下進(jìn)行實驗，實驗過程包括長方形電源箱、電壓監(jiān)測管理系統(tǒng)以及車載測試。

3.1 電池系統(tǒng)實驗

實驗過程中將低溫鋰電池組(80)裝入電池箱內(nèi)，通過無線通訊模塊連接電池管理監(jiān)測系統(tǒng)(圖7)。

主控單元能夠監(jiān)控電池的總體電壓和單體電池電壓，圖中監(jiān)測畫面顯示充放電時電池電壓值基本一致，快速充電時間不大于90 min，正常充電時間不大于240 min，體現(xiàn)了該電池工作時高效率、高安全的特點。

圖7 電池系統(tǒng)實驗

3.2 車載實驗

整車(3.5 t)在無軌膠輪車實驗臺及廠內(nèi)水泥干硬路面測試，分別計算鋰電池組工作時間及車輛里程情況(圖8)。

圖8 電池充放電電壓檢測

80塊鋰電池(256 V)供能，通過實際測試，車輛最高車速達(dá)到28 km/h，最大車速時電流60 A，最長行駛時間約120 min，最大行駛里程為50 km。通過車載實驗充分證明了該電池具有在低溫環(huán)境下比能量高、工作狀態(tài)穩(wěn)定等優(yōu)點。

4 結(jié)束語

目前國內(nèi)煤礦對防爆電動車輛需求非常迫切，尤其針對低溫礦井下使用的車輛。本文就低溫磷酸鐵鋰電池的參數(shù)進(jìn)行分析，驗證了電池在低溫環(huán)境下使用的安全可靠性，對于礦井安全具有重要意義；同時證明了該電池在－20℃環(huán)境下基本可以釋放出98%以上的電能，符合國家安全管理標(biāo)準(zhǔn)，對防爆電動車行業(yè)的電池技術(shù)具有積極的意義。

該低溫鋰電池的高安全性、高比能量的優(yōu)點，可應(yīng)用到防爆膠輪車、防爆蓄電池電機(jī)車、生產(chǎn)安全監(jiān)控系統(tǒng)等多種設(shè)備上。大量應(yīng)用后可以替代現(xiàn)有的傳統(tǒng)鋰電池及鉛酸電池[3]，讓礦井更加安全、可靠、節(jié)能、環(huán)保，必將促進(jìn)整個輔助運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

[1]袁曉明．煤礦電動無軌運(yùn)輸車輛的關(guān)鍵技術(shù)研究[J]．煤炭科學(xué)技術(shù)，2011(5)：80-82.

[2]胡銀全．電動汽車用磷酸鐵鋰電池充電特性的分析[J]．汽車工程，2013(4)：292-297.

[3]徐小明．磷酸鐵鋰電池在純電動汽車推廣中的應(yīng)用[J]．新材料產(chǎn)業(yè)，2012(9)：79-82.

Characteristic analysis of explosion-proof high specific energy low temperature lithium battery

HU Peng
(Taiyuan Institute Co.,Ltd.,China Coal Technology&Engineering Group,Taiyuan Shanxi 030006,China)

For the use adaptability of lithium-ion batteries under low temperatures mine,the battery characteristics of a kind of independent research and development high specific energy low temperature lithium iron phosphate was analyzed,and the actual working condition was tested to verify the reliability of lithium-ion batteries used under mine,proving that more than 98%of the electricity can be released under－20℃environment,working duration and mileage can be calculated by theory,and the error is not more than 5%compared with practical application,promoting further development of lithium battery power technology application.

low temperature;high specific energy;battery characteristics;safe reliability

TM 912

A

1002-087 X(2016)08-1558-03

2016-01-17

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(“863”計劃)項目(2013AA06A409)；中國煤炭科工集團(tuán)有限公司科技創(chuàng)新項目(2012MS018)

胡鵬(1986—)，男，山西省人，助理工程師，主要研究方向為防爆無軌運(yùn)輸車檢測技術(shù)。