鉛酸電池和鋰離子電池并聯的復合電池電流分布研究

鄧成智，劉玉，李桂發，李葉，李丹，田慶山，龐明朵，余樂，郭志剛*

（1. 天能電池集團股份有限公司，浙江 長興 313100；2. 浙江天能新材料有限公司，浙江 長興 313100；3. 湖州協成檢測科技有限公司，浙江 長興 313100）

0 引言

現如今，電動自行車已經成為日常短途出行的重要交通工具[2]。快遞和外賣等行業的發展，使電動自行車需求量快速增長[3]。市場上的電動自行車采用的動力電池以鉛酸蓄電池為主[4]，但是 2019 年4 月 15 日國家標準《電動自行車安全技術規范》實施以來，采用鋰離子電池的電動自行車猛增。

電動自行車用鉛酸蓄電池的主要優勢有成本低，使用溫度范圍廣，安全性高等，但是能量密度低和電池重量大的缺點限制了其在輕量化電動自行車中的應用。鋰離子電池具有能量密度高、循環壽命長等優點，而且成本下降推動了鋰離子電池在電動自行車領域的增長。綜合鉛酸蓄電池和鋰離子電池的優點的復合電源也是一個熱門的研究方向[6-7]。本文中，筆者從電動自行車的使用工況出發，研究復合電池中鉛酸蓄電池和鋰離子電池的電流分布。

1 實驗

1.1 復合電池制作

6-DZF-12 鉛酸蓄電池的額定電壓為 12 V，額定容量為 12 Ah。正極材料采用磷酸鐵鋰的鋰離子電池的額定電壓為 3.2 V，額定容量為 3000 mAh。4 個鋰離子電池串聯，再與 1 個 50 A 75 mV 的分流器串聯作為一個回路。1 只鉛酸蓄電池與 1 個50 A 75 mV 的分流器串聯作為另一個回路。兩個回路并聯組成額定容量為 15 Ah 的復合電池，接入 μc-XCF08 循環充放電測試儀進行測試。

1.2 測試方法

復合電池的測試方法參考標準 GB/T 22199—2008 和 GB/T 22199—2017《電動助力車用閥控式鉛酸蓄電池》。

1.3 2 小時率容量測試

在溫度為（25±2）℃ 的環境中，以 7.5 A 電流（放電倍率為 0.5C2）連續放電至端電壓達到10.5 V 時終止，靜置 30 min，再以 3.75 A 電流恒壓14.8 V 充電 8 h，靜置 30 min。如此循環放電—靜置—充電—靜置 3 次。復合電池 2 小時率容量測試的 3 次放電容量分別為 16.15、16.87、16.84 Ah，2 小時率容量測試的 3 次充電容量分別為 16.75、17.39、17.36 Ah，三次恒壓充電結束時的電流值分別為 0.04、0.05、0.05 A。以第 2 次放電—靜置—充電—靜置為例，電流與時間的關系見圖 1 和圖 3。

從圖 1 可知，放電前 1 h 鋰離子電池的放電電流為 2.0～3.0 A，鉛酸蓄電池的放電電流為 4.5～5.5 A。放電 1.0～1.5 h 期間鋰離子電池的放電電流下降至 0.1 A 左右，鉛酸蓄電池的放電電流上升到7.35 A。放電 1.5 h 以后，鋰離子電池的放電電流約0.1 A，鉛酸蓄電池的放電電流約 7.35 A。整個放電過程中，鉛酸蓄電池的平均放電電流為 6.09 A，鋰離子電池的平均放電電流為 1.39 A。鋰離子電池與鉛酸蓄電池的放電曲線呈鏡像關系。鋰離子電池放電速度快，在前 1.5 h 幾乎放完電。其總放電量為 3.13 Ah，占復合電池放電量的 18.6 %。鉛酸蓄電池則維持了 2 h 以上的放電時間，而且總放電量為 13.69 Ah，占復合電池放電量的 81.4 %。鉛酸蓄電池和鋰離子電池的放電量均達到了額定容量。放電終止后，在靜置過程中，鉛酸蓄電池繼續放電約10 min（見圖 2），為鋰離子電池充電 0.03 Ah。

圖1 復合電池 2 小時率容量測試放電電流曲線

圖2 復合電池 2 小時率容量測試放電結束靜置過程電流曲線

從圖 3 充電電流曲線來看，在充電前 4 h，鋰離子電池與鉛酸蓄電池的充電曲線也呈鏡像關系。鋰離子電池的充電電流在前 10 min 內有一個快速從0.9 A 下降至 0.1 A 的階段，隨后在第 10～200 min 里緩慢上升到 1.75 A，第 200～240 min 內再快速下降到電流為 0。鉛酸蓄電池的充電電流在前 10 min 內快速上升至 3.6 A，隨后在第 10～200 min 里緩慢下降到 2.0 A，第 200～240 min 內再快速上升到電流為 3.6A ，第 240 min 后進入恒壓充電階段。在恒流充電階段，時間約 4 h 內，鋰離子電池完成充電，在 4 h 以后是鉛酸蓄電池的恒壓充電階段。充電結束后，在靜置過程中，鋰離子電池以低于 0.05 A 的電流放電，給鉛酸蓄電池充電。

圖3 復合電池 2 小時率容量測試充電電流曲線

圖4 復合電池 2 小時率容量測試充電結束靜置過程電流曲線

1.4 倍率放電測試

在溫度為（25±2）℃ 的環境中，以 15.0 A 電流進行 1.0C2放電（見圖 5），連續放電至端電壓達到 10.5 V 時終止，靜置 30 min，再以 3.75 A 電流恒壓 14.8 V 充電 8 h，靜置 30 min。以 22.5 A 電流進行 1.5C2放電（見圖 6），連續放電至端電壓達到 10.5 V 時終止，靜置 30 min，再以 3.75 A 電流恒壓 14.8 V 充電 8 h，靜置 30 min。

圖5 復合電池 1.0C2 倍率放電測試放電電流曲線

圖6 復合電池 1.5C2 倍率放電測試放電電流曲線

復合電池不同倍率放電時，鉛酸蓄電池和鋰離子電池的放電量見表 1 所示。在 1.0C2倍率放電中，鉛酸蓄電池的平均放電電流為 11.95 A，鋰離子電池的平均放電電流為 3.05 A。與 0.5C2倍率放電（2 小時率容量測試）相比，鉛酸蓄電池的平均放電電流提高到 1.96 倍，鋰離子電池平均放電電流提高到 2.20 倍。在 1.5C2倍率放電中，鉛酸蓄電池的平均放電電流為 17.67 A，鋰離子電池的平均放電電流為 4.93 A。與 0.5C2倍率放電相比，鉛酸蓄電池平均放電電流提高到 2.90 倍，鋰離子電池平均放電電流提高到 3.55 倍。

表1 復合電池倍率放電數據

放電倍率從 0.5C2增大到 1.0C2和 1.5C2，鉛酸蓄電池在總放電量中的占比從 81.4 % 降低到 79.7 % 和78.2 %，鋰離子電池在總放電量中的占比從 18.6 %提高到 20.3 % 和 21.8 %。隨著放電倍率的增大，鉛酸蓄電池和鋰離子電池的放電量均降低。與0.5C2放電倍率相比，鉛酸蓄電池放電量在放電倍率為 1.0C2和 1.5C2時降低了 13.3 % 和 21.8 %，而鋰離子電池放電量下降了 3.0 % 和 4.3 %。可見，鋰離子電池的倍率放電性能優于鉛酸蓄電池，而且放電倍率越大，鋰離子電池的倍率放電性能優勢越明顯。

1.5 低溫容量測試

將復合電池放入低溫箱中，在（-18±1）℃ 環境中靜置 12 h，然后在以 7.5 A 電流連續放電至端電壓達到 10.5 V 時終止。鉛酸蓄電池和鋰離子電池的放電電流和放電量分別見圖 7 和表 2。在 -18 ℃ 低溫放電過程中，復合電池的放電量達到額定容量的77.8 %，其中鉛酸蓄電池的放電量為 9.99 Ah，占復合電池放電量的 85.6 %，平均放電電流為 6.26 A，鋰離子電池的放電量為 1.68 Ah，占復合電池放電量的 14.4 %，平均放電電流為 1.05 A。與 25 ℃ 時放電（2 小時率容量）相比，鉛酸蓄電池的放電量降低了 27.1 %，鋰離子電池的放電量降低 46.3 %，鉛酸蓄電池的平均放電電流提升 2.8 %，而鋰離子電池的平均放電電流下降 24.3 %。在 -18 ℃ 低溫環境中，鋰離子電池放電量下降幅度是鉛酸蓄電池的 1.7 倍，與鋰離子電池復合，提升了鉛酸蓄電池在低溫環境中的放電電流。

表2 復合電池放電數據

圖7 復合電池低溫容量測試放電電流曲線

1.6 充電接受能力測試

在溫度為（25±2）℃ 的環境中，以 3.75 A 電流恒壓 14.8 V 充電 8 h ，靜置 30 min，以I0電流放電 5 h（見圖 8）。放電結束后，立即將復合電池放入溫度為（0±1）℃ 的低溫箱中靜置 24 h，然后在（0±1）℃ 環境中以 10.0 A 電流恒壓 14.4 V 充電10 min（見圖 9），記錄充電電流值ICa。

圖8 復合電池充電接受能力測試放電電流曲線

圖9 復合電池充電接受能力測試充電電流曲線

復合電池以 1.687 A 電流放電 5 h 的放電過程中，鋰離子電池的放電電流在前 3 min 快速上升至 1.4 A，隨后逐漸降低到 0 A，平均放電電流為 0.6 A，總放電量為 2.88 Ah。鉛酸蓄電池的放電電流在前 3 min快速下降至 0.3 A，隨后逐漸上升到 1.69 A，平均放電電流為 1.1 A，總放電量為 5.60 Ah。

復合電池以 10.0 A 電流恒壓 14.4 V 充電 10 min，鉛酸蓄電池充電量為 0.30 Ah，平均充電電流為1.81 A，鋰離子電池充電量為 0.91 Ah，平均充電電流為 5.46 A。在充電接受能力測試過程中，鋰離子電池的充電量和平均充電電流都是鉛酸蓄電池的 3倍。第 10 min 充電結束時，鉛酸蓄電池充電電流值ICa為 1.71 A，鋰離子電池充電電流值ICa為 5.82 A，復合電池充電電流值ICa為 7.53 A。以充電結束時計算，復合電池中鋰離子電池對充電電流值的貢獻率為 77.3 %。

2 結論

4 個串聯的鋰離子電池與 1 個鉛酸蓄電池并聯組成的復合電池，在電動自行車的使用工況下，能突出鉛酸蓄電池的低溫放電性能優勢，還凸顯了鋰離子電池的倍率放電性能和充電接受能力優勢。