磷酸铁锂启动电源试验研究

电器与能效管理技术（２０１７Ｎｏ．７）　・储能技术・　磷酸铁锂启动电源试验研究　王为奎’，　吴　华’，　田　戎　，　曹学友’，　齐燕军　（１．空军勤务学院，江苏徐州Ｉ　２２１０００；　２．中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点试验室，江苏徐州１　２２１０００）　

摘要：基于磷酸铁锂单体电池组装的大功率启动电源具有电源两路输出，通过　实际测试，给出两路输出测试结果。结果表明，１２　Ｖ／４５０　Ａ模块在１００％ＤＯＤ情况下，　循环６００周后容量保持能力仍大于８５％（６．６８　Ａｈ），终止电压仍保持在１０．５０—１１．２５　Ｖ　之间。２４　Ｖ／１　４４０　Ａ模块在１００％ＤＯＤ情况下，循环６００周后容量保持能力仍能达到　９０％（２８．８　Ａｈ），终止电压仍可以保持２１．０　Ｖ。对于常温、低温启动性能，采取装备实　际启动试验方法，在常温与一１３℃条件下均能一次启动，验证符合设计要求。　关键词：磷酸铁锂；启动电源：低温启动；低压大电流　中图分类号：ＴＭ　９１２文献标志码：Ａ文章编号：２０９５－８１８８（２０１７）０７－００６４－０５　ＤｏＩ：１０．１６６２８／ｊ．ｃｎｋｉ．２０９５—８１８８．２０１７．０７．０１２　

王为奎（１９６２一），　男，副教授，研究方　向为装备保障、智　能故障诊断。　

Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ａｎｄ　Ｔｅｓｔ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｌｉｔｈｉｕｍ　Ｉｒｏｎ　Ｐｈｏｓｐｈａｔｅ　Ｂａｔｔｅｒｙ　ａｓ　Ｓｔａｒｔｉｎｇ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｕｐｐｌｙ　ＷＡＮＧ　Ｗｅｉｋｕｉ　，　Ｈｕａ　，ＴＩＡＮ　Ｒｏｎｇ。，ＣＡＯ　Ｘｕｅｙｏｕ　，ＱＩ　Ｙａｎｊｕｎ　

（１．Ｔｈｅ　Ａｉｒ　Ｆｏｒｃｅ　Ｌｏｇｉｓｔｉｃｓ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｘｕｚｈｏｕ　２２１０００，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｓｔａｔｅ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｆｏｒ　Ｇｅｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ　ａｎｄ　Ｄｅｅｐ　Ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，　Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｍｉｎｉｎｇ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｕｚｈｏｕ　２２１０００，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｌｉｔｈｉｕｍ　ｉｒｏｎ　ｐｈｏｓｐｈａｔｅ　ｂａｔｔｅｒｙ　ｈａｓ　ｈｉｇｈ　ｅｎｅｒｇｙ　ｄｅｎｓｉｔｙ　ａｎｄ　ｇｏｏｄ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｐｏｗｅｒ　ｏｕｔｐｕｔ．　Ｉｔ　ｈａｓ　ｔｗｏ　ｏｕｔｐｕｔｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｌｉｔｈｉｕｍ　ｉｒｏｎ　ｐｈｏｓｐｈａｔｅ　ｂａｔｔｅｒｙ　ａｓｓｅｍｂｌｙ　ｔｏ　ｂｅｃｏｍｅ　ａ　ｌａｒｇｅ　ｐｏｗｅｒ　ｓｔａｒｔｉｎｇ　ｓｕｐｐｌｙ．　Ｂａｓｉｃ　ｔｅｓｔ　ｗａｓ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ　ｆｏｒ　ｔｗｏ　ｏｕｔｐｕｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｔａｒｔｉｎｇ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ．Ｔｈｅ　ｔｅｓｔ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｒｅｔｅｎｔｉｏｎ（％）ｉｓ　ｓｔｉｌｌ　ｇｒｅａｔｅｒ　ｔｈａｎ　８５％（６．６８　Ａｈ）ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｎｄ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｉｓ　ｓｔｉｌｌ　ｂｅｔｗｅｅｎ　１０．５　Ｖ　ａｎｄ　１１．２５　Ｖ　ｕｎｄｅｒ　１００％ＤＯＤ　ａｎｄ　６００　ｃｙｃｌｅ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｆｏｒ　１２　Ｖ／４５０　Ａ　ｍｏｄｕｌｅ．Ｔｈｅ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｒｅｔｅｎｔｉｏｎ（％）ｃａｎ　ｓｔｉｌｌ　ｒｅａｃｈ　９０％　（２８．８　Ａｈ）ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｎｄ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｃａｎ　ｓｔｉｌｌ　ｒｅａｃｈ　２１．０　Ｖ　ｕｎｄｅｒ　１００％ＤＯＤ　ａｎｄ　６００　ｃｙｃｌｅ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｆｏｒ２４　Ｖ／１　４４０　Ａ　ｍｏｄｕｌｅ．Ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｎｏｒｍａｌ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｌｏｗ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｓｔａｒｔｉｎｇ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｗａｓ　ｔａｋｅｎ　ａｓ　ｔｈｅ　ａｃｔｕａｌ　ｓｔａｒｔ　ｔｅｓｔ　ｏｎ　ａｃｔｕａｌ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ．Ａ　ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌ　ｓｔａｒｔｉｎｇ　ｐｏｗｅｒ　ａｎｄ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ　ｗａｓ　ａｃｈｉｅｖｅｄ　ｏｎ　ｔｈｉｓ　ｓｔａｒｔｉｎｇ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ｕｎｄｅｒ一１　３　ｏＣ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｌｉｔｈｉｕｍ　ｉｒｏｎ　ｐｈｏｓｐｈａｔｅ　ｂａｔｔｅｒｙ；ｓｔａｒｔｉｎｇ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ；ｌｏｗ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｓｔａｒｔｕｐ；ｌｏｗ　ｖｏｌｔａｇｅ　ａｎｄ　ｌａｒｇｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　

０　引　言　电源站与气源站的安全保障方面，以汽油机　（＋１２　Ｖ启动）或柴油机（＋２４　Ｖ启动）为动力，　需要配置大量铅酸蓄电池。由于经常处于野外　环境实施保障，电池保障存在困难。当低温环　境下工作时，蓄电池启动能力下降，经常出现启　动困难，急需一种便携式启动电源。因此，寻找　

吴华（１９７８一），女，讲师，研究方向为军事运输与管理。　田戎（１９８２一），女，讲师，研究方向为教学管理与思想教育。　基金项目：国家自然科学基金（５１５０４２４７）　

．－－——６４．．．——　・储能技术・　电器与能效管理技术（２０１７Ｎｏ．７）　一种环保型和节能型新型电池以代替铅酸蓄电　池进行启动是一种理想的解决措施…。基于实　际保障需要，采用磷酸铁锂单体电池组装成大　功率启动电源，组装成一种基于磷酸铁锂的便　携式启动电源，代替铅酸蓄电池使用，以减少蓄　电池维护成本。　１　基于磷酸铁锂启动电源结构　启动电源的特点是输出低压大电流，大型装　备启动电源瞬间电流高达１　０００　Ａ以上，但电压　很低，一般为１２～２８　Ｖ。　１．１基于磷酸铁锂启动电源优点　锂离子电池从功能上分为锂离子动力电池　与锂离子启动电池；正极材料主要有：磷酸铁锂　材料、钴酸锂材料、锰酸锂材料；负极主要采用　石墨碳、钛酸锂。目前国内外商品化锂离子动　力电池正极材料普遍采用磷酸铁锂＿２引。磷　酸铁锂电池具有能量高、循环寿命长、环境友好等　特点，由于具有比铅酸蓄电池更高能量密度，作为　动力电池与启动电池具有明显的性能优势，使其　成为代替铅酸蓄电池的首选；启动锂离子电池　除具备动力型锂电池特性外，还具备瞬间大功率　输出能力，适合作为便携式启动电源的能量　单元　。　１．２基于装备启动电源需求　基于我部配置的实际装备，其启动需求参数　如表１所示。　表１启动电压、电流需求表　由于不能为每个装备都配置一个启动电源，　设计与配置的启动电源需具有通用性，即一个启　动电源就可满足所有装备启动需要。为满足低温　启动需要，采取舍小取大方法，通用启动电源启动　电压、电流设计指标为：＋１２　Ｖ／４５０　Ａ，＋２４　ｖ／　１　４４０　Ａ，维持时间３—５　ｓ，则可满足所有装备启　动需要　。　２　基于磷酸铁锂启动电源的结构　磷酸铁锂电池以单体储能型式出现，在结构　上一般采用多单体装配结构，通过多个磷酸铁锂　单体的串、并联结合的方法获得更高的工作电压　和能量模块。基于磷酸铁锂启动电源的结构就是　采用这种单体高能储能元件组装成大功率便携启　动电源设备。其中单体电池选用国产ＩＦＰ１７８０—　１２３ＰＡ启动型磷酸亚铁锂电池。该型号电池为方　形铝壳，方便组装，获得ＱＣＴ／７４３－－２００６锂离子　电池行业标准认证，为航空航天级产品，性能安全　可靠ｌ５］。国产ＩＦＰ１７８０．１２３ＰＡ单体启动型磷酸亚　铁锂电池外形与技术参数如图１所示。　

电池型号：ＩＦＰ１７８０．１２３ＰＡ　额定容量：８Ａｈ　开路电压：３　０～３．１　Ｖ　单体内阻：≤１．３　ｌｒｌＱ　单体重量：Ｏ　３２　ｋｇ　正极材料磷酸亚铁锂　外壳材质：铝合金　最大尺寸：１８．２　ｍｍ　×８０　２ｍｍ×１２５ｍｍ　４５０Ａ放电时间：≥３　５　ｓ　

图１　单体启动型磷酸亚铁锂电池外形与技术参数　由于汽油机与柴油机具有不同启动需要，基　于磷酸铁锂启动电源需要具有两路输出：＋１２　Ｖ／　４５０　Ａ输出用于启动汽油机，＋２４　ｖ／１　４４０　Ａ输　出用于启动柴油机　。　＋１２　Ｖ／４５０　Ａ启动模块结构采取４个单　体串联，开路电压为１２．０４　Ｖ，容量为８　Ａｈ，４５０　Ａ　放电时间＞３．５　ｓ。＋２４　Ｖ／１　４４０　Ａ启动模块结　构采取８个单体串联，再四串相并，共３２块电池，　电压为２４．０８　Ｖ，容量为３２　Ａｈ，电流＞１　４４０　Ａ　（实际具备１　８００　Ａ，放电时间大于３．５　Ｓ能力）。　＋２４　Ｖ／１　４４０　Ａ启动模块结构如图２所示。　

Ｈ　Ｈ　Ｈ　Ｈ　Ｈ　Ｈ　Ｈ　Ｈ　Ｈ　Ｈ　Ｈ　Ｈ　Ｈ　Ｈ　ＨＨＨＨＨＨＨ　卜＿ｌ　Ｈ　ｌ卜＿ｌ　ｌ　Ｈ｝＿＿ｌ　

图２　＋２４　ｖ／１　４４０　Ａ启动模块　一６５—　电器与能效管理技术（２０１７Ｎｏ．７）　・储能技术・　启动电源内部单体之问由紫铜镀镍跨接片进　行串并联连接，各自ｆｉ１正端引出到面板的接线柱，　＋１２　Ｖ、＋２４　Ｖ两路电源采用共地设计，即面板　上共３个接线住，分别为＋１２　Ｖ、＋２４　Ｖ、ＧＮＤ　（地）；＋ｌ２　Ｖ／＋２４　Ｖ输出可以通过转换开关进　行切换，两路电源集成在一个钢制框内，各电源均　带有电池充电过充保护，其问采用环氧板隔离。　启动电源正面板外形图如图３所示，启动电源背　面面板外形图如图４所示，配置的充电器与输出　电缆外形图如图５所示。　冬１　３启动电源『Ｆ　板　４肩动电源背而雨　板　冬｛５配置的充电器与输出电缆　３　基于磷酸铁锂启动电源试验研究　试验采用ＨＥＷ型电池测试系统，测试地点　在上海某电源厂　ＨＥＷ型电池测试系统具有大　电流放电测试能力，电流范围５～３　０００　Ａ、电压　０～４２　Ｖ，电流分档可调，通过ＣＡＮ总线传输数据　与采集，上位机软件采用电池管理系统进行管理，　６６一　满足单体电池与整个启动电源测试需要。测试内　容主要包括：ＩＦＰ１７８０．１２３ＰＡ单体测试与整机｛＿９１０　试。按照ＧＢ／Ｔ　１Ｓ２８７－－２０００（峰窝电话用锂离子　电池总规范》锂离子电池测试要求，测试项目与　波形图较多，这里仅给出＋１２　Ｖ／４５０　Ａ启动模　块、＋２４　Ｖ／１　４４０　Ａ启动模块１００％ＤＯＤ循环放　电部分测试结果。　１００％ＤＯＤ即ｌ００％深度循环放电，每次放出　１００％能量，即经过大循环（数百次循环以上）后　电池放电性能变化状况，主要变化指标为在　１００％ＤＯＤ（１００％深度循环放电）条件下电池容　量保持能力与终止电压保持能力，是衡量使用寿　命的关键指标，也是用户直接关心的重要性能。　该参数只有经过专门的测试仪器（系统）经过大　循环实际测试才能得到测试结果。　３．１　＋１２　Ｖ／４５０　Ａ模块循环放电性能　＋１２　Ｖ／４５０　Ａ模块循环放电性能测试方法　为：在ＨＥＷ型电池测试系统中，以８　Ａ电流充满　电（以ｌ　ｃ充满电）后，以４５０　Ａ（以５．６２　ｃ循环　放电）放电５　Ｓ，搁置１０　ｒａｉｎ，再以４５０　Ａ进行放　电，直至电池放电结束，此称为一个循环（１周），　即１个１００％ＤＯＤ（深度循环）。电池再充满电，　再进行４５０　Ａ放电循环，称为第二个循环周期，即　循环２周；以此类推，继续充电、放电循环…测试　经过大循环（数百次循环以上）后１００％ＤＯＤ电　池容量保持能力与终止电压保持能力。＋１２　Ｖ／　４５０　Ａ模块循环１～６００周容量保持能力曲线如　图６所示。循环１～６００周终止电压保持能力曲　线如图７所示。