48V/60Ah铁路客车用锂离子蓄电池组的研发

48V/60Ah铁路客车用锂离子蓄电池组的研发

摘要：介绍了以LiFePO4作为正极材料的锂离子电池组合而成的48V/60Ah锂蓄电池组的研发。蓄电池组主要包括锂离子电池组合电芯、外壳、控制保护电路板、接口等部件，具有容量高、重量轻、体积小、使用寿命长、安全、绿色环保、替换方便等突出优点，可直接与现用客车蓄电池进行互换。

 

Research on 48V/60Ah Li-ion battery pack for rail vehicles

SHA Yong-xiang, HUANG Bing, SHEN Xiao-wei, HUANG Zhong-qi, SHI Wei-bing

(Jiangsu highstar battery manufacturing Co. Ltd., Qidong Jiangsu 226200, China)

Abstract: The research on 48V/60Ah Li-ion battery pack based on LiFePO4 positive materials were introduced. The battery pack include Li-ion cells, pack shell, control-protect circuit board and binding interface etc., which has high capacity, low weight, small volume, long cycle life, safety, friendly environment and conveniently replacement. It can directly replace the secondary battery used for rail vehicles.

Key words: rail vehicles; lithium iron phosphate; Li-ion battery; battery pack

1 引言

目前铁路客车用蓄电池主要有两大类：一类是铅酸电池，另一类为碱性镍镉电池，主要用于列车停运时供电。铁路客车现有蓄电池已经使用多年，未作大的技术革新，各方面已经不适应现代客车技术的要求，尤其在环保方面，现有的车载蓄电池含有的重金属会给环境带来巨大的危害。车载蓄电池的生产、使用和销毁过程中都会产生大量重金属铅、镉等离子，重金属离子不仅严重破坏生态环境，而且能通过水、空气和食物进入人体内，导致人的健康状况严重恶化。为了从根本上改变这一局面，铁路必切需要引进新型绿色蓄电池。

与镍镉电池和镍氢电池相比较，锂离子电池在重量比容量指标和体积比容量指标方面优势尤其明显，而列车上使用锂离子电池与传统的锂离子电池使用领城有较大的不同。安全可靠性是首先确保的基本要求，同时，结合电池组在客车上实际使用的持点，需要在蓄电池组上具备一些特殊功能能满足使用要求。

2 研发目标

目前客车用蓄电池主要技术指标：

（1）电池容量：60Ah；

（2）标称电压：48V；

（3）工作温度范围：-25～55℃；

（4）最大放电电流：10A；

（5）输入电压波动：50～65V。

研发的蓄电组在达到上述基本性能指标的同时，与车上原有电路联成一体，能承受客车电源的电压波动并能长期浮充、不间断供电。可与现有的其它型号蓄电池组进行直接替换。

锂离子电池的安全性能一直制约着大型锂离子蓄电池应用的发展。作为电池研究和生产企业，我们近年来投入了非常大的技术力量，进行了重点研究。锂离子电池与酸性电池和碱性电池最大的差别在于其电解液是有机溶剂，加上其充电态是零价锂的存在，易形成可燃、可爆的条件。如何避免这种条件的形成，这是广大锂电技术人员研究的重点。提高锂离子蓄电池的本质安全度是设计的重点。

3 研究内容

3.1 单体电池的设计与性能优化

为了提高锂蓄电池组的安全性能，我们对锂电池正极材料体系进行了分析选择。传统的以钴酸锂作为正极材料的大容量锂离子电池的安全性得不到保障，为改善锂离子电池的安全性，一些新的正极材料陆续出现，主要包括锰酸锂(LiMn2O4)、三元材料(LiNixCoyMn1-x-yO2)以及磷酸铁锂（LiFePO4）等。

磷酸铁锂作为锂离子电池正极材料具有与LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4和钒系材料相竞争的优势。Fe资源储量比Co、Ni、Mn、V等丰富，价格低廉，且铁系化合物无毒，与环境相容性好。自1997年首次报导LiFePO4的电化学性能以来，将其用作锂离子电池正极材料的研究已成为热点[1, 2]。LiFePO4的充、放电电位为3.4V(vs.Li+/Li)，低于大多数电解液的分解电压，具有良好的安全性和较高的能量密度；其循环性能和热稳定性良好，特别是在高温时循环性能更佳[3]。目前已有的研究成果表明，磷酸铁锂作为正极材料制成的锂离子电池在现有已实现工业化生产锂电产品中安全性能最高。因此本文选用LiFePO4作为单体锂离子电池的正极材料。单体电池设计成26650圆柱型结构。单体电池容量3Ah，电池直径26mm，高度650mm。这种结构电池便于机械自动化生产、性能稳定可靠、电池内外散热均匀，外壳坚固可靠，电池配对组合方便。

由于铁路客车用锂离子电池要求容量较高，放电电流只有5A。因此，我们将本公司原有动力型电池的生产工艺进行了优化和调整，使电池的性能更符合客车使用要求。

优化和调整主要在如下几个方面：

（1）配方作适当调整，缩短极片长度，增加极片厚度，适当增加粘结剂的量，增加了活性材料与基带的粘结性能，提高了单体电池的容量和使用寿命。

（2）调整正负极片的制作和装配工艺

选用φ800的碾压机对极片进行碾压，增加了接触面积，降低了在碾压时极片的延展，使活性物质与导电剂接触更加紧密，降低了极片电阻。

在极片与极耳的焊接上采用超声焊接的方式，增加了焊点面积。极耳与盖帽间用激光焊接，将传统的四点改成圆环，降低了内阻。

（3）优选电解液

由于本锂离子电池长期处于浮充电状态，存在过充隐患较多，因此必须注意它的耐过充性能。结合电池的使用特性，选用的电解液更突出耐过充性能，经筛选我们选用适合磷酸亚铁锂使用的耐过充电解液，在其中添加了功能添加剂，增加了电解液的耐过充电性能，使用以后电池在耐过充性能方面发挥出理想的状态，表现出良好的耐过充特性。

（4）对组合盖帽结构进行改进

磷酸亚铁锂的分解电压比其它材料高，其耐过充性能明显好于其它材料，在此基础上我们再改进了组合盖帽结构，保留原有盖帽的防爆安全功能，采用PTC环，将铝极耳用激光焊焊接在汇流片上，使组合盖帽具有拉断、过电流保护、防爆三项安全保护功能，提高了单体电池的安全性。

3.2 锂离子蓄电池组内部结构设计

蓄电池组采用模块组合形式构成，每个模块具有相对独立的所有功能，各模块间通过数据通信线能进行数据交换、协调控制，多个模块可以串联使用。各模块有组合电芯、电子线路板、外壳、接线端口组成，组合电芯数量由模块的电压和容量确定，48V/60Ah蓄电池电芯由20并16串组合而成。电子线路板主要功能是对电芯进行保护和控制，采用MCU实现故障诊断和智能化控制。外壳设计着重注意内部器件能相对隔离和与外界密封，同时考虑维护检查方便；显示器件位置适当，不易损坏；整体结构紧凑牢固、重量轻，耐振动、易散热等因素。

3.3 控制保护板的设计与功能

3.3.1 控制保护板所具有的功能

为了能实现锂离子蓄电池组能与客车原有蓄电池实现直接替换，蓄电池组保护板除需有的过充、过放、过流、短路等保护功能外，还增加了其它几项特殊功能，确保蓄电池组能处于长期浮充状态；同时能适应外电路上电压的波动，在外电路出现故障时还能确保蓄电池电路的安全。

使了便于维护检查，蓄电池组设有电量显示和故障报警指示。对于多级串联使用的模块通过通迅口信号传递各级电池间统一管理和控制，确保整组电池使用状态一致，能全面得到控制和保护。

3.3.2蓄电池组的均衡

48V/60Ah的蓄电池组，电池容量大，电压高，整组电池在各种不同环境中可能出现充放电性能的差异，为了提高电池组整体的耐过充能力和确保电池组内单体电池工作状态的一致，我们在保护板设计时对均衡功能进行强化设计，当电池组充电时，能有效地防止电池组中单体电池的过充。

3.3.3 电路的PCB和防电磁干扰设计

蓄电池组使用环境复杂、电磁干拢源较多，为了确保电子线路的正常工作，需要对PCB布线设地等加以注意。减小因线路板尺寸过大，印制线条长，阻抗增加而引起的抗噪声能力下降而产生的影响。在PCB设计时先科学地确定特殊元件的位置，然后，根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进行布局。

表1 锂离子蓄电池组与铁路现用铅酸电池主要性能比较

Table 1 Comparison of main specifications between Li-ion battery and Lead-acid battery used for rail vehicles

指标	锂离子电池	铅酸电池
额定容量	60Ah	60Ah
重量	约42Kg	约130Kg
使用寿命	8-10年	2年
-25℃放电容量	43Ah	30Ah
安全性	可靠	可靠

通过以上几个方面的优化设计，在电路设计上实现了锂离子蓄电池组与铁路现用铅酸蓄电池直接替换，提高了蓄电池组的使用寿命，使锂离子蓄电池组具有容量高、重量轻、体积小、使用寿命长、绿色环保等突出优点。表1是锂离子蓄电池组与铁路现用铅酸电池主要性能比较表。

4．性能测试与应用

4.1 额定容量

单体电池以0.2ItA电流恒流放电至终止电压2.0V，电池组以0.1ItA电流恒流放电至终止电压或保护板起动作。要求放电时间单体电池不低于5.0h；电池组不低于9.5h。实测单体电池放电时间为5.23～5.47h，电池组放电时间为10.5h。

4.2 荷电保持能力

单体电池充电后在室温下搁置28天，以0.2ItA电流恒流放电至终止电压，要求其容量损失率不应大于10%。实测其容量损失率为8.9%。

4.3 循环寿命

单体电池以0.2ItA电流充放循环，直至连续两次放电时间低于3h，电池循环次数不低于600次。实测第600次时放电时间为4.01h。IFR26650-3000锂离子电池循环曲线如图1所示。

 

图1 IFR26650-3000锂离子电池循环曲线

Fig. 1 Cycle performance for IFR26650-3000 Li-ion battery

4.4  环境适应性试验

4.4.1 低温放电

单体电池在温度为-25℃±2℃的低温下以0.1ItA电流恒流放电至终止电压2.0V，要求放电时间不低于4h。实测放电时间为4h59min。

4.4.2 高温放电

单体电池在温度为55℃±2℃的高温下以0.2ItA电流恒流放电至终止电压2.0V，要求放电时间应不低于4.5h。实测放电时间为5h14min。

蓄电池组在不同温度下的放电曲线如图2所示。

 

图2 蓄电池组不同温度放电曲线

Fig. 2 Discharge curves of battery pack at different temperatures

4.4.3 热冲击试验

将充满电的单体电池放在重力对流或循环空气的烘箱中进行加热，烘箱的温度以每分5±2℃的速率上升到130±2℃后保温30分钟。试验结果，电池不爆炸、不起火。

4.4.4 冲击：

将蓄电池组直接安装或通过夹具安装在冲击台面上进行冲击试验。试验条件为频率50Hz，加速度29.4 m/s2，纵向方向冲击时间3分钟，试验结果电池组不起火、不爆炸。

4.4.5 振动

将蓄电池组直接安装或通过夹具安装在振动台面上进行振动试验。试验条件为频率10Hz加速度9.8 m/s2，X、Y、Z每个方向振动各2小时，试验结果电池组不起火、不爆炸。

4.4.6. 跌落

将单体电池由高度（最低点高度）为1m的位置自由跌落到水泥板面上，从X、Y、Z三个方向各一次。试验结果电池不起火、不爆炸。

4.5  电池安全性能测试

4.5.1 挤压

将单体电池放置在两个挤压平面中间，逐渐增加压力至13kN±1kN，圆柱形电池挤压方向垂直于圆柱轴的纵轴，方形电池挤压电池的宽面和窄面，每只电池只能接受一次挤压。一旦压力达到最大或单体电池电压锐降至初始电压的1/3时，停止挤压。试验结果，电池不爆炸、不起火。

4.5.2  针刺

将单体电池放在一钢制的夹具中，用φ3mm～φ8mm的钢针以10mm/s～40mm/s的速度从垂直于电池极板的方向贯穿（钢针停留在电池中），保持90min，或电池表面温度稳定（45min内温差≤2℃）时停止试验。试验结果，电池不爆炸、不起火。

 

 

图3 IFR26650-3000锂离子电池挤压后照片

Fig. 3 Extrusion for IFR26650-3000 Li-ion battery

 

 

图4 IFR26650-3000锂离子电池针刺后照片

Fig. 4 Penetration for IFR26650-3000 Li-ion battery

4.5.3 短路

将单体电池经外部短路90min，或电池表面温度稳定（45min内温差≤2℃）时停止短路，外部线路电阻应小于50mΩ。试验结果，电池不爆炸、不起火。

4.5.4 过充

将单体电池用恒流稳压源以3ItA恒流、限压10V充电，直到单体电池爆炸、起火，或充电时间为90min，或单体电池表面温度稳定（45min内温差≤2℃），三个条件满足其中一个时可停止试验。试验结果，电池不爆炸、起火。

4.5.5 强制放电

将单体电池先以0.2ItA恒流放电至终止电压，然后以1ItA电流对电池进行反向充电，要求充电时间不低于90min。试验结果，电池不爆炸、不起火。

4.5.6 持续充电

将电池组以0.1ItA恒流充电，当电池组端电压达到充电限制电压时，改为恒压，持续对电池组供电24小时，试验结束后，电池组不泄漏、不起火、不爆炸。

4.5.7 过充电保护

电池组按规定充电后，电池组接恒压恒流源，电压设为1.1倍的充电限制电压，电流设定为6A，用电源持续给电池组供电，最长时间24小时，当保护板动作，可停止试验。试验结束后，保护装置工作正常，电池组不泄漏、不泄气、不破裂、不起火、不爆炸。

4.5.8 过放电保护

将电池组先0.2ItA持续放电至保护板起动作时停止试验。试验结束后，保护装置工作正常，电池组不泄漏、不泄气、不破裂、不起火、不爆炸。

4.5.9 短路保护

电池组按规定充电后，分别用不大于100mΩ外线路短路其充、放电端正负极0.5h，然后将外线路断开，用电压表测量电池组充放电端的电压。试验结束后，保护装置工作正常，电池组不泄漏、不泄气、不破裂、不起火、不爆炸。

4.5.10 放电过流保护

电池组按规定充电后，用35A电流进行放电至保护装置动作。试验结束后，保护装置工作正常，电池组不泄漏、不泄气、不破裂、不起火、不爆炸。

4.6 产品的应用

本研究产品已在上海铁路局某客车上实际试用半年多，从装车到试行考核期结束，按试验计划进行了几次检查，蓄电池工作一切正常，实践证明锂离子蓄电池组在客车上应用安全可靠。不仅可以大大简化平日对蓄电池的维护，还对减小环境的污染具有明显的效果。

5 小结

本文研究的产品主要是替代铅酸蓄电池作为动力电源使用于铁路客车，能与现用客车蓄电池直接进行互换。具有安全可靠、容量高、重量轻、体积小、使用寿命长、绿色环保等突出优点。产品符合国家产业政策，是国家鼓励发展的高新技术项目，对节能减排具有较好的示范意义，对促进铁路用蓄电池的技术进步具有积极作用。

注：本项目开发与上海铁路局科学技术研究所等单位共同完成。向为本项目作过贡献的相关人员致谢。

参考文献

[1] PADHI A K, NANJUNDASWAMY K S, GOODENOUGH J B. Phospho-olivnes as Positive-Electrode Materials for Rechargeable Lithium batteries[J]. J. Electrochem. Soc, 1997, 144(4): 1188–1194.

[2] YANG Shoufeng, PETER Y Z, STANLEY M, et al. Hydrothermal synthesis of lithium iron phosphate cathodes[J]. Electrochemistry Communications, 2001, 3: 505-508.

[3] 陈晗, 薄红志, 范长岭, 等. 锂离子电池正极材料LiFePO4的研究进展[J]. 电池工业, 2006, 11(5): 345-349.