铁磷酸盐玻璃 篇1
磷酸盐玻璃具有高热膨胀系数、低熔融和软化温度、高电导和良好的光学性能[1],这些性能使得它在激光、离子传导、金属封接及放射性废物固化等领域具有重要的应用价值[2,3]。但磷酸盐玻璃化学稳定性较差,限制其在现实中实际应用。前期研究表明[4],铅铁磷酸盐玻璃(Lead-iron phosphate glasses, LIP) 具有良好的化学稳定性,使得磷酸盐玻璃在性能上实现了突破,但铅铁磷酸盐抗析晶能力较差,而铅有毒且易挥发,因此铅铁磷酸盐玻璃实际应用价值不能充分发挥。最近,D.E.Day与其合作者通过系统研究发现[5,6,7],铁磷酸盐玻璃(Iron Phosphate Glass, IPG) 同样具有良好的化学稳定性,且当组分为40Fe2O3-60P2O5(mol%) 时,磷酸盐玻璃具有最佳化学稳定性,常被用作放射性废物固化基础玻璃。
在玻璃网络中,当铅作为玻璃网络外体时,与钡具有相似的性质,但钡毒性较铅小且不易挥发,因此,M.Hafid等[8]在研究钡铁磷酸盐玻璃时,考察了铁离子对玻璃转化温度和热机械曲线的影响,发现其具有良好的热性能。P.Bergo等[9]进一步研究了钡铁磷酸盐玻璃的介电性能和结构,研究发现钡离子作为网络外体,填充于磷酸盐网络间隙,增强网络密度,从而使得钡铁磷酸盐玻璃在一些性能上得到改善。综上,目前对钡铁磷酸盐玻璃结构和性能研究取得了一定进展,但研究不够系统及深入,且钡离子对铁磷酸盐玻璃结构和性能的影响有待进一步研究。本文针对钡铁磷酸盐玻璃目前存在的问题,利用XRD、Raman光谱和DTA等测试手段,研究了氧化钡对40Fe2O3-60P2O5(mol%) 铁磷酸盐基质玻璃微结构和性能的影响,为进一步研究氧化钡对铁磷酸盐玻璃结构和性能的影响提供一定的参考。
1实验部分
1.1样品制备
采用高温熔融- 淬冷法制备x Ba O(100-x) (40Fe2O3-60P2O5) ( 其中x=0、5、10、20、30、40mol%) 系列玻璃。以Ba CO3(AR)、NH4H2PO4(AR)、Fe2O3(AR) 为原料,按上述化学计量比准确称取30 g原料,在研钵中充分研磨均匀,将所得混合原料分别装填于刚玉坩埚中,并置于高温炉中于1200 ℃保温2 h后,将刚玉坩埚取出,并将玻璃熔体浇注于不锈钢模具,在送入玻璃退火炉中475 ℃退火3 h,然后随炉冷却至室温,获得玻璃样品。将所制备的部分样品研磨成粉末,用于分析测试。
1.2分析测试
采用荷兰PANalytica X’Pert PRO型X射线衍射分析仪观察玻璃的物相,铜靶(λ=1.54 ),扫描角度为2θ: 5 ~ 80 °,步宽为0.03 °。
利用英国Renishaw公司生产的Invia激光拉曼光谱仪采集各样品的拉曼光谱,激发光源为Ar+激光的514.5 nm线,激光束的输出功率为1.7 m W,采谱精度为1 cm-1,光谱扫描范围为250 ~ 1800 cm-1。
利用阿基米德原理于室温下测试样品的密度,以水作为悬浮介质,天平精度为0.0001 g。
块体样品经过表面打磨抛光,采用HV-1000A显微硬度计(莱州华银)测试样品的维氏硬度,于300 g载荷下加载15 s,每个样品测试10次求取平均值。
为了获得玻璃特征温度,采用美国TA生产的SDT Q600型综合热分析仪测试样品于室温到1000 ℃间的DTA曲线,升温速率为10 ℃ /min,空气气氛。
2结果与讨论
2.1样品的成玻璃性能
图1为样品XRD图。由图可看出,当Ba O含量0mol% ≤ x<30 mol% 时,样品XRD图呈现典型的非晶态衍射图,即存在较大的弥散峰。但x ≤ 30 mol% 所有样品均在26.7 °附近有一微小的峰,根据ICDD卡片比照结果表明,该峰属于Si O2在(101) 晶面的衍射峰(JCPDS#65-0466),样品中Si O2可能来源于坩埚或测试中承载样品的石英板。在添加Ba O为30 mol% 时,XRD图中还出现了其它较弱的晶相衍射峰,当Ba O含量达到40mol% 时,在Ba O的30 mol% 含量中出现的衍射峰峰强明显增加,在其它位置也出现了不同强度的衍射峰,通过与ICDD标准卡片对比发现,这些衍射峰均属于类无水钾镁矾矿物晶相( 化学式:KBa Fe2(PO4)3,JCPDS:#78-2334)。XRD图中没有检测出Ba O的衍射峰,表明Ba O全部与机制玻璃成分发生反应。在x=0 mol% 的基础玻璃中,O/P摩尔比为3.50,此时玻璃属于焦磷酸盐体系。引入Ba O使体系中O/P摩尔比逐渐增大(x=40mol% 时,O/P=4.06),导致磷酸盐玻璃网络结构解聚, 从而使得磷酸盐玻璃体系成玻璃能力下降。此外,铁磷酸盐玻璃中添加金属氧化物的成玻璃能力与金属阳离子场强Z/r2(Z为电价,r为离子半径) 呈线性增加关系, 铁离子(Fe2+:Z/r2≈ 328.73,Fe3+:Z/r2≈ 721.11) 的离子场强大于钡离子(Ba2+:Z/r2=109.74) 的离子场强, 因此伴随Ba O添加量的增加,铁磷酸盐玻璃形成能力减弱。
2.2氧化钡对铁磷酸盐玻璃结构影响
图2为玻璃样品的拉曼光谱。根据文献[10,11,12,13],400cm-1以下的低频属于PO4四面体弯曲振动,630 cm-1和1258 cm-1附近的振动峰归属于Q2结构单元中(P-O-P)sym和(O-P-O)asym,758 cm-1和1080 cm-1处振动峰分别归属于Q1结构单元中(P-O-P)sym和(O-P-O)sym,942 cm-1处振动峰归属于Q0结构单元反对称伸缩振动。随着Ba O含量增加,470 cm-1处出现一个新的振动峰,它可能归属于Ba-O-P振动;而位于1090 cm-1和1040 cm-1处振动峰分别转移至1020 cm-1和1147 cm-1,1020 cm-1和1147cm-1分别归属于Q0四面体中P-O-伸缩振动和Q2四面体中O-P-O对称伸缩振动。这表明,随着Ba O含量的增加玻璃微结构由Q1向Q2和Q0转变。一方面,磷酸盐玻璃微结构随O/P的变化而改变[14],当O/P=2.50时,磷酸盐玻璃的主要网络结构为Q3四面体;当O/P=3.00时, 磷酸盐玻璃的主要网络结构为Q2四面体;当O/P=3.50时, 磷酸盐玻璃的主要网络结构为Q1四面体;当O/P=4.00时, 磷酸盐玻璃的主要网络结构为Q0四面体。因此,随着Ba O含量增加,O/P从3.50(x=0 mol%) 增大到3.86(x=30mol%), 导致Q0四面体增加。另一方面,在玻璃熔体中容易发生如下歧化反应[15]:
从而导致Q1四面体减少,Q2和Q0四面体增加。
2.3氧化钡对铁磷酸盐玻璃性能影响
表1列出了钡铁磷酸盐玻璃样品部分性能指标。从表中可以看出,玻璃样品密度和硬度均随着Ba O含量的增加而增大。玻璃样品密度的增加,一方面,由于Ba O作为玻璃网络外体,填充于网络间隙中,使玻璃微结构变得更加致密,从而使得玻璃样品密度增加[9];另一方面, 由于Ba O的摩尔质量较之Fe2O3和P2O5更大,所以添加Ba O能促使玻璃样品密度增加。同时,由于Ba O作为磷酸盐玻璃网络修饰体,填充于网络结构间隙,使得离子间的相互作用增强,导致磷酸盐玻璃网络强度增加,宏观表现为钡铁磷酸盐玻璃硬度增加。
摩尔体积Vm表示单位体积内物质的量,其大小变化可更好的衡量玻璃样品结构的致密化程度。根据如下公式计算玻璃样品的摩尔体积Vm:
式中-M为样品的平均摩尔质量,ρ 为样品密度。其计算结果如表1,从表中可以看出,Vm随Ba O含量的增加而减少,表明添加Ba O使得玻璃样品结构更致密,这与密度和硬度的实验测试结果相一致。
图3为玻璃样品的DSC图。结合图3和表1,可以看出,玻璃样品玻璃转化温度Tg随Ba O含量的增加而增大。对于磷酸盐玻璃,Tg的大小代表磷酸盐玻璃网络链长、键链接密度和键强三者间共同作用的结果。 Raman光谱表明,随Ba O含量的增加磷酸盐网络的链长变短;而密度、硬度和摩尔体积结果同时表明,随Ba O含量的增加磷酸盐玻璃网络更致密,故Tg变化是由玻璃微结构链长变短、结构更致密所导致。
根据DSC特征温度,利用如下公式可计算玻璃样品的玻璃形成能力Kgl和玻璃样品抗析晶能力的热稳定性参数△ TTS:
式中,Tc和Tm分别表示样品析晶温度和熔融温度。 计算所得结果见表1,从表中可以看出,添加Ba O样品的玻璃形成能力和抗析晶能力增加,但随着Ba O含量的进一步增加玻璃形成能力和抗析晶能力却降低,这与XRD结果中的x<30 mol% 样品为玻璃态,而30 mol%≤ x析出晶相的结果相一致。
3结论
铁磷酸盐玻璃 篇2
随着石油资源的短缺以及环保的压力, 新能源汽车特别是电动汽车的发展一日千里, 以磷酸铁锂为代表的锂电池由于其外特性表现出来的宽广的平台区而逐渐成为各个电动汽车厂商的主流动力电池, 而电池管理则逐渐成为新能源汽车亟待突破的关键技术。
从国内外目前的研究状况来看, 文献[1]建立了采用Extended Kalman滤波器和神经网络算法对SOC进行估计的电池模型, 模型精度高, 也极其复杂;文献[2] 建立一种非线性的, 能进行内阻在线自适应辨识的等效电池模型;文献[3] 研究了温度对电池模型精度的影响, 从而提升电池的成本效益;文献[4] 采用混沌免疫进化规划算法进行SOC的预测建模, 在变工况下SOC预测精度达到5% 以内。国内外研究主要集中在通过“拓展Kalman滤波器”、“神经网络自适应”和“模糊逻辑控制”等算法力图实现高精度的建模, 但在成千上万个电池串并联联合仿真时势必会大大增加运算成本和延长仿真时间, 并不能在短期内立即投入工程实践中。本文着眼于电池“精度”与“复杂度”这对矛盾, 希望能找到两者之间的平衡点。而目前工程上主流的锂电池模型总共可以分为以下三种, 如图1 所示。
1.1 Thevenin模型
这种模型将电池看成一个二端口的网络, 利用电路网络来表现电池的伏安特性。因为这种模型遵从Thevenin定律所以称之为Thevenin模型。这种模型应用广泛, 结构简单, 可以较好地体现出电池的基本特点, 但精度较低, 且无法体现锂电池的回弹电压特性。
1.2 PNGV模型
PNGV模型是《PNGV电池实验手册》和《Freedom CAR电池实验手册》中均采用的标准电池等效电路模型, PNGV模型采用电容来建立开路电压与电流时间积分的关系, C1 表示了电池的容量, 体现了锂电池的计划特性和欧姆特性, 但依然没有涉及电池的回弹电压特性。如图1 所示。
1.3 Massimo Ceraolo模型
Massimo Ceraolo模型可以串联多个RC并联环节, 串联的个数越多则模型精度越高, 但同时模型参数的识别也越复杂, 后续仿真运行的计算成本和时间代价也越大。
2 磷酸铁锂电池的建模与仿真
2.1 动力电池的性能测试实验
电池的平衡电势EMF (Electro - Motive Force) 指的是动力电池处于平衡状态下正负极电动势之间的电势差。本文采用欧赛新能源科技有限公司提供的磷酸铁锂电池, 用实验室搭建的电池充放电测试平台对磷酸铁锂 (Li Fe PO4) 动力电池进行性能测试, 采用的测试方法是间歇性充放电, 充放电效率达99.3%, 静置时间为2 小时。下面是具体的实验方法介绍。
2.1.1 充电过程
对于电池充满的定义, 按照我们通俗的理解就是“在不损坏电池的前提下, 电池充电充到使电池的电量达到某个极限的状态, 此时再继续充下去也不会再增加电池的电量了”。而化学与化工方面对电池充满的定义是“在电池充电的过程中, 电池内部所有能参与充电化学反应的化学物质均已充分进行反应”。显而易见, 这两种定义对于工程上来说都难以用量化的指标来界定, 因此学术上多采用电力电子方面的量化指标来对电池充满进行定义:“在既定的最高恒定电压下, 充电直至电流趋近于零”。本文采用了我国的行业标准QC/T 743-2006, 规定电池充电直至充电电流小于0.02C时即认为电池已被充满。
对于磷酸铁锂动力电池的性能测试, 电池充电过程本文采用的是“两段法”, 首先第一阶段将电池连接直流电源充电机, 采用电池的额定电流恒流充电, 直至电池的端电压达到最高的截止电压 (即电池生产商规定的电压上限值, 本实验所采用的电池的最高截止电压为3.7v) ;然后第二阶段采用3.7v恒压充电, 直流电源的充电电流会根据电池的内阻变化进行自动适应, 在恒压的情况下充电电流会越来越小, 直至充电电流小于0.02C时视为电池已充满。
实验开始时需将电池的电量放空 (从SOC=0) 后再开始充电, 每充5% 的电量后断电, 静置一段时间让电池回复平衡, 记录相应数据。如图2 所示。
2.1.2 放电过程
电池连接电子负载, 采用恒流放电 (本文采用最大额定电流的80%) , 直至电压小于最低的截止电压 (即电池生产商规定的电压下限值, 本实验所采用的电池的最低截止电压为2.85v) 时视为放电完毕。在电池满电量 (SOC=1) 时开始放电, 每放5% 的电量后断电, 静置一段时间让电池回复平衡, 记录相应数据。如图3 所示。
根据上述方法进行实验后, 对实验数据进行处理, 就能得到磷酸铁锂电池充放电平衡电势曲线图, 如图2-2 所示。我们可以看到在相同的SOC下, 充电平衡电势都比放电平衡电势略高一点, 这就是所有锂电池本身所固有的滞回电压特性。
性能测试是一个冗长而耗时的过程 (一节单体电池一次完整的充放电实验需要50h以上) , 这里强调测试实验过程的几个需要特别注意的细节:
(1) 放电倍率
在对电池未被造成损害的情况下, 电池电动势EMF只和电池的剩余电量SOC以及电池的温度有关, 而与电池的放电倍率无关。提高放电倍率能节约性能测试的时间, 但是过高的放电倍率也会对电池造成损害。在研究电池数量较多的电池管理系统中, 本文推荐0.5C的放电倍率, 主要原因是考虑到散热。根据实验经验, 0.5C的放电倍率进行放电实验时, 电池会发热, 造成温度的升高, 而过高的温度将会对电流的控制和电池的老化程度都带来负面的影响, 而0.5C的放电倍率恰好是节约实验时间和控制电池温度之间一个比较理想的平衡点。
(2) 静置时间
性能测试是要得到电池充放电后的平衡电压, 由于回弹电压特性的存在就使得电池充放电完成后需要静置一段较长的时间来使电池重新达到平衡, 此时电池电动势与开路电压相等。大部分的文献都认为应该静置3 小时以上, 8 小时甚至24 个小时。本文推荐的是静置1小时。实际上静置1 小时未必足够, 但是通过电化学机理的微观研究我们可以发现, 电池静置过程中的回弹电压可以等效为多阶的容阻电路, 可以通过1 小时之内电压的数据, 采用数学拟合工具来计算出电池电动势的值, 以此通过计算机的配合来大大节约实验测试时间。
2.2 单体电池模型的数学分析
2.2.1 磷酸铁锂电池SOC — EMF关系曲线
由于充电平衡曲线和放电平衡曲线是两条曲线, 同一个SOC值所对应的是两个电压, 而实际电动汽车的运行过程中, 电池的充放电是同时进行的, 充放电两条曲线对电池SOC的评估以及后续均衡策略的选取都带来了很大的不便。根据性能测试实验所得到的充放电平衡电势数据, 以及电池滞回电压特性的电化学机理, 本文选择对充放电平衡电势两条曲线进行加权处理, 从而获得电池SOC—EMF的对应曲线。
Echarge:实验所得的电池充电平衡电势,
Edischarge:实验所得的电池放电电平衡电势, λ:权值系数。
根据上面的公式, 带入性能测试得到的实验数据, 就能得到SOC—EMF的对应曲线关系式, 如图4 所示。
2.2.2 等效电压源的数学模型
动力电池的等效电压源EB可以表示为滞回电压Vh与电池电动势EMF两部分构成:
依据前面公式 (3) 、 (4) 与性能测试实验中电池SOC—EMF关系曲线明显的三段式结构, 我们采取将滞回电压Vh也同样进行三段式处理。
在电池的平台区 (0.1 ≤ SOC ≤ 0.9) 组成电极的晶体稳定, 滞回电压Vh也相对波动较小, 此时在计算滞回电压时权值系数 λ 可取为0.5;在非平台区 (0 ≤ SOC ≤ 0.1、0.9 ≤ SOC ≤ 1) 权值系数 λ 与SOC为近似的线性关系, 当SOC = 0 ~ 0.1 时 λ = 1 ~ 0.5, SOC = 0.9 ~ 1时, λ = 0.5 ~ 1。相应的滞回电压Vh计算方法如表1 所示。根据公式可得EMF= EB-Vh, 则不同SOC下EMF的计算方法由表2 所示。
2.2.3 等效阻抗的数学模型
图5 是一个完整的电池充放电测试过程, 从A点到C点的这部分可以清晰地看出电压的回弹特性。当电池持续充电到某个阶段, 电池断电的瞬间, 电压会有一个突变, 再慢慢回弹至稳定, 如图5中“A点→ B点→ C点”所示。
在A点→ B点区间, RC网络可视为零状态相应。电路模型如图5 所示, 以A为起点 (tA=0) , 则从A到B区间电压为:
如图6 所示。
根据实验数据以及充放电图像可以估算出Rs、Rm、Ri的值为毫欧级别的大小, Cs、Cm、Ci的数量级在103~ 105, 因此
所以B点任意时刻的电压为:
2.3 磷酸铁锂单体电池的建模
经过动力电池的性能测试实验之后, 我们能从动力电池工作过程中所表现出来的伏安特性概括为“电池的回弹电压特性”和“电池的等效阻抗特性”, 电路模型则相应由“等效电压源”和“等效阻抗”两部分组成。等效电压源子模块由一个理想电压源与受控电流源组串联而成, 等效阻抗子模块所建立的模型采用三阶RC网络来模拟回弹电压特性的所表现出来的电压响应。
图7 的Simulink模型即为按照性能测试实验推导出来的数学模型所建立的磷酸铁锂电池单体电池模型, 模型中的常数模块和欧姆电阻Rohm等为实际电池本身的参数, 通过电池的性能测试可得, 右上方的接口“ +、— ”为电池的正负极, Capp (橙色部分) 为可设置的电池额定容量, Initial SOC (绿色部分) 为可设定的初始电池容量值 (0 ~ 1 根据实际要求任意设定) 。需要特别说明的是黄色线路走的是电池的总电流, 通过左下方第一条回路的累积积分结合电池容量可以得出SOC (蓝色部分) 再通过一个由MATLAB数学工具进行三阶拟合的m文件数学函数EMF-SOC运算得出电池主电压, 电流通过右下方的三条回路 (三阶RC网络) 模拟回弹电压, 主电压与三阶回弹电压联合控制受控电压源作为单体电池的OCV (开路电压) 。
2.4 整体电池组模型的建模
本文研究的对象是144v、110Ah的磷酸铁锂动力电池组, 总共由3840 颗额定电压3.7v、额定容量1.4Ah的小电池串并联组成。由于线路复杂, 图中用不同颜色加以区分, 方便识别:红色线路是电压 (Voltage) 监控测量线路, 蓝色线路是电池容量 (SOC) 监控测量线路, 绿色线路是初始电池容量 (Initial SOC) 赋值线路, 黑色线路是电池实际电流所走的线路 (如图8) 。
将所建立的整体电池组模型 (144v、110Ah) 与simulink自带的DC motor (直流电机) 模块进行连接 (如图9) 后仿真运行, 再与连接144v的理想电压源进行对比 (如图10) 可以看到, 电机启动阶段稳定后的电压和转速的误差都非常能控制在4.1% 左右, 电流和转矩的误差也能控制在3.7% 左右, 模型精度较高。误差的主要原因还是因为电池内阻的存在, 理想电压源是没有内阻的, 而实际的电池组模型通过大量并联连接内阻已经很小了, 达到毫欧甚至接近微欧的级别, 相比所连接的电机的运行内阻几乎可以忽略不计。
由于simulink软件是单线程编程的仿真软件, 而本文研究的144v、110Ah电池组总共包含了3840 颗磷酸铁锂动力电池, 计算量庞大, 整体电池组连接DC-DC直流电机之后仿真速度会非常缓慢, 对于大电池组的运算在应用上有一定的局限性。
2.5 虚拟电池
对于仿真速度缓慢的这个问题, 本文提出一种采用虚拟电池代替实际建模的电池, 以此大大来提高整个仿真运行的速度。
用实际建模的电池进行仿真运算, 则3840 颗电池每颗电池都是一个运算单元, 其中包含了很多的积分运算环节, 大大拖慢了整体的运行速度。为了减少这些意义不大的重复计算, 本文提出了一种虚拟电池的概念, 如图12 所示。
磷酸铁锂动力电池的等效电压, 都是由一个可控电压源进行控制, 而控制这个可控电压源的控制信息流要经过一连串繁复的计算。由上图可看出虚拟电池的构成就只有一个电阻和一个可控电压源, 控制信息流只需计算一次之后直接由外部提供, 无需每个单体电池自行计算, 这样就大大简化了电池的结构以及仿真计算的次数, 从而将整体仿真系统的运行速度提升了将近50%。
3 结论
以实验室电动汽车样车模型为研究对象, 通过对车载144v、110Ah的磷酸铁锂动力电池进行性能测试实验, 建立了精度较高的单体电池和整体电池组模型, 通过虚拟电池的引入大大提高了整体仿真的速度, 并通过连接直流电机进行了仿真验证, 再与理想电压源进行对比研究, 并分析了误差的主要来源。结果表明在电机的启动阶段稳定后电压和转速的误差为4.1%, 电流和转矩的误差为3.7%, 模型精度较高, 达到实验要求, 对后续电池管理系统的开发很有意义。
摘要：在电动汽车日新月异的发展进程中, 以磷酸铁锂为代表的锂电池由于其优异的外特性表现而逐渐成为主流的电动汽车车载电池。目前国内外研究大部分的锂电池模型精度都比较低;而高精度的锂电池模型由于其复杂性, 在成百上千个电池联合仿真时势必会大大增加运算成本和延长仿真时间。本文着眼于电池“精度”与“复杂度”这对矛盾, 提出一种既能满足模型精度而又能满足仿真时间要求的电池模型, 并进行建模仿真验证, 为电池管理系统的开发奠定一个良好的基础。
关键词：电动汽车,锂电池,建模仿真,电池管理
参考文献
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比亚迪磷酸铁锰锂电池 篇3
众所周知，能量密度是考察电池性能的一个重要参数。据悉，当前比亚迪的磷酸铁锂电池的能量密度约是130Wh/kg（最理想值），而新型磷酸铁锰锂电池的能量密度则达到156Wh/kg。具体来说，磷酸铁锂理论比容量为170mAh/g，放电平台3.4V，材料能量密度是578Wh/kg；磷酸铁锰锂理论比容量为171mAh/g，放电平台4.1V，材料能量密度是701Wh/kg，比前者高21%。相对于磷酸铁锂，磷酸铁锰锂正极材料具备高电压、易管理、高体积密度、高循环寿命、高安全性、低成本和低温性能好等优势。
而比亚迪最新款的e6车型上就搭载了这一新型电池，这使得新款比亚迪e6的续航里程达到了400公里，为当前国产纯电动车续航里程之最。
观致汽车的
“无凸轮轴”
发动机观致汽车与FreeValve公司强强联手，合作研发的全新"Qamfree"发动机正式于北京国际车展亮相。全新"Qamfree"发动机最大的特点是其无凸轮轴的发动机技术，通过气动、液压或电动执行器技术（PHEA技术）来实现每一个气门的独立控制，替代了传统的凸轮轴气门控制系统。相比使用凸轮轴气门控制系统的传统发动机，该技术可以使发动机更轻巧、具有更强悍的动力输出、更低的油耗和排放量。
如此来看，该项技术如果够确保可靠性的话，那么毫无疑问，目前发动机上的凸轮轴、油压正时调节器、正时链条、皮带或将彻底退出历史舞台。而少了这些部件的发动机，其体积和重量都会得到明显的缩减，再加上这项新技术可以使每一个气门都可被独立控制，在这两方面的共同提升下，发动机的动力表现与燃油经济性将得到一个飞跃猛进的提升。
现在观致汽车的工程师们唯一要做的，就是提升这套系统的可靠性，毕竟把一套电路板放在机房里与放在汽车的发动机附近相比，汽车发动机附近的高温高震动的工作条件的恶劣程度是在普通机房的环境下完全无法比拟的。
磷酸铁锂电池知识 篇4
磷酸铁锂电池是指用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池。锂离子电池的正极材料有很多种，主要有钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、三元材料、磷酸铁锂等。其中钴酸锂是目前绝大多数锂离子电池使用的正极材料，而其它正极材料由于多种原因，目前在市场上还没有大量生产。磷酸铁锂也是其中一种锂离子电池。从材料的原理上讲，磷酸铁锂也是一种嵌入/脱嵌过程，这一原理与钴酸锂，锰酸锂完全相同。磷酸铁锂电池是用来做锂离子二次电池的，现在主要方向是动力电池，相对NI-H、Ni-Cd电池有很大优势。磷酸铁锂电池充放电效率，相对高一些。在 88%-90%之间。而铅酸电池约为80%。
磷酸铁锂电极材料主要用于各种锂离子电池，自1996年日本的NTT首次揭露AyMPO4(A为碱金属，M为CoFe两者之组合:LiFeCOPO4)的橄榄石结构的锂电池正极材料之后, 1997年美国德克萨斯州立大学研究群也接着报导了LiFePO4的可逆性地迁入脱出锂的特性，美国与日本不约而同地发表橄榄石结构(LiMPO4), 使得该材料受到了极大的重视，并引起广泛的研究和迅速的发展。与传统的锂离子二次电池正极材料，尖晶石结构的LiMn2O4和层状结构的LiCoO2相比，LiMPO4 的原物料来源更广泛、价格更低廉且无环境污染。
磷酸铁锂电池*构造
正极：正极物质在磷酸铁锂离子蓄电池中以磷酸铁锂(LiFePO4)为主要原料;
负极： 负极活性物质是由碳材料与粘合剂的混合物再加上有机溶剂调和制成糊状，并涂覆在铜基体上，呈薄层状分布;
隔膜板： 称为隔板或称隔离膜片，其功能起到关闭或阻断通道的作用，一般使用聚乙烯或聚丙烯材料的微多孔膜。所谓关闭或阻断功能是电 池出现异常温度上升时阻塞或阻断作为离子通道的细孔，使蓄电池停止充放电反应。隔膜板可以有效防止因内、外部短路等引起的过大电 流而使电池产生异常发热现象。
PTC 元件：在磷酸铁锂电池盖帽内部，当内部温度上升到一定温度时或电流增大到一定控制值时，PTC 就起到了温度保险丝和过流保险的 作用，会自动拉断或断开，从而形成内部断路。这样电池内部停止了 工作反应，温度降下来。保证了电池的安全使用(双重保险)。
安全阀：为了确保磷酸铁锂电池的使用安全性，一般通过对外部电路 的控制或者在磷酸铁锂电池内部设有异常电流切断的安全装置。即使 这样，在使用过程中也有可能其他原因引起磷酸铁锂电池内压异常上 升，这样，安全阀释放气体，以防止蓄电池破裂或爆开。安全阀实际 上是一次性非修复式的破裂膜，一旦进入工作状态，保护蓄电池使其 停止工作，因此是蓄电池的最后的保护手段。
磷酸铁锂电池*原理
电池充电时，正极材料中的锂离子脱出来，经过电解液，穿过隔膜进入到负极材料中;电池放电时，锂离子又从负极中脱出来，经过电解液，穿过隔膜回到正极材料中。(注：锂离子电池就是因锂离子在充放电时来回迁移而命名的，所以锂离子电池又称“摇椅电池”
磷酸铁锂电池*优势
磷酸铁锂动力电池七大优势:
一、超长寿命，长寿命铅酸电池的循环寿命在300次左右，最高也就500次，而山东海霸能源集团有限公司生产的磷酸铁锂动力电池，循环寿命达到2000次以上，标准充电(5小时率)使用，可达到2000次。同质量的铅酸电池是“新半年、旧半年、维护维护又半年”，最多也就1—1.5年时间，而磷酸铁锂电池在同样条件下使用，将达到7-8年。综合考虑，性能价格比将为铅酸电池的4倍以上。
二、使用安全，磷酸铁锂完全解决了钴酸锂和锰酸锂的安全隐患问题，钴酸锂和锰酸锂在强烈的碰撞下会产生爆炸对消费者的生命安全构成威胁，而磷酸铁锂以经过严格的安全测试即使在最恶劣的交通事故中也不会产生爆炸。
三、可大电流2C快速充放电，在专用充电器下，1.5C充电40分钟内即可使电池充满，起动电流可达2C,而铅酸电池现在无此性能。
四、耐高温，磷酸铁锂电热峰值可达350℃—500℃而锰酸锂和钴酸锂只在200℃左右。
五、大容量。
具有比普通电池(铅酸等)更大的容量。5AH-1000AH(单体)
六、无记忆效应。
可充电池在经常处于充满不放完的条件下工作，容量会迅速低于额定容量值，这种现象叫做记忆效应。像镍氢、镍镉电池存在记忆性，而磷酸铁锂电池无此现象，电池无论处于什么状态，可随充随用，无须先放完再充电。
七、绿色环保。该电池不含任何重金属与稀有金属(镍氢电池需稀有金属)，无毒(SGS认证通过)，无污染，符合欧洲RoHS规定，为绝对的绿色环保电池证。铅酸电池中却存在着大量的铅，在其废弃后若处理不当，将对环境够成二次污染，而磷酸铁锂材料无论在生产及使用中，均无污染。因此该电池又列入了“十五”期间的“863”国家高科技发展计划，成为国家重点支持和鼓励发展的项目。随着中国加入WTO，中国电动自行车的出口量将迅速增大，而现在进入欧美的电动自行车已要求配备无污染电池.可见与传统电池相比，磷酸铁锂电池只在价格方面处于一定劣势，其他各项指标明显占据优势。但如果考虑电池寿命，磷酸铁锂电池的价格却是最低的。磷酸铁锂除了振实密度、克容量两个指标略有不足，其他各项指标均占很大优势，尤其是在循环性能、环保性、安全性能、原料成本及应用领域方
磷酸铁锂电池*劣势
磷酸铁锂电池也有其缺点：例如低温性能差，正极材料振实密度小，等容量的磷酸铁锂电池的体积要大于钴酸锂等锂离子电池，因此在微型电池方面不具有优势。而用于动力电池时，磷酸铁锂电池和其他电池一样，需要面对电池一致性问题，以下具体分析：
1、导电性差、锂离子扩散速度慢。高倍率充放电时，实际比容量低，这个问题是制约磷酸铁锂产业发展的一个难点。磷酸铁锂之所以这么晚还没有大范围的应用，这是一个主要的问题。
2、振实密度较低。一般只能达到0.8-1.3，低的振实密度可以说是磷酸铁锂的很大缺点，这决定了它在小型电池如手机电池等没有优势，所以其使用范围受到一定程度的限制。即使它的成本低，安全性能好，稳定性好，循环次数高，但如果体积太大，也只能小量的取代钴酸锂。但这一缺点在动力电池方面不会突出。因此，磷酸铁锂主要是用来制作动力电池。
3、一致性问题严重。单体磷酸铁锂电池寿命目前超过2000次，但是制作出来的电池一致性不佳，进而影响到电池组的使用性能和整体寿命，因此应用在动力汽车上存在一定障碍。
4、磷酸铁锂电池低温性能差。磷酸铁锂材料的固有特点，决定其低温性能劣于锰酸锂等其他正极材料。一般情况下，对于单只电芯，其0℃时的容量保持率约 60～70%，-10℃时为40～55%，-20℃时为20～40%。这样的低温性能显然不能满足动力电源的使用要求。
5、制造成本高。磷酸铁锂具有安全性、环保性、循环次数高等优点是毋庸置疑的，但目前的制造成本相对铅酸电池、锰酸锂电池要高，其主要原因是：
1)材料物理性能和其他锂电材料相差较大，其粒度小，振实密度小，比表面积大，材料的加工性能不好，涂敷量低，导致电池成本增加;
2)磷酸铁锂电池只有 3.2V，比其他的锂电低20%左右，单体电池要多用20%，导致电池组成本上升较多。
随着技术的发展，磷酸铁锂材料上的这些缺点正在逐步得到解决，其性价比也逐步得到提高，应用范围也逐渐扩大，我们相信，磷酸铁锂电池技术已经进入一个飞速发展阶段，正在带动整个产业从市场的培育导入期进入一个高速增长阶段。
磷酸铁锂电池*性能及应用
电动车动力电池主要有四种：铅酸电池、镍氢电池、镍镉电池和锂动力电池，其中，前三种电池由于电池寿命短，并没有被广泛使用，未来将会逐渐退出历史舞台。锂动力电池虽然性能优势明显，但是因为所用电极材料体系不同，致使其性能又有着千差万别，研究较为成熟的正级材料钴酸锂，由于其安全性较差，基本上不具备制作大容量高功率动力电池的可能性。
而磷酸铁锂电池，具有循环寿命长、结构稳定、安全性能好、成本低廉等诸多优势，并且磷酸铁锂材料无任何有毒有害物质，不会对环境构成任何污染，被世界公认为绿色环保电池材料。国内外电池技术研究专家普遍指出，磷酸铁锂电池作为动力型电源，必将成为铅酸、镍氢及锰、钴等系列电池最有前景的替代品。
正是因为相对其他几种电池，磷酸铁锂电池具有无可比拟的优越性，国内外车企都看到了磷酸铁锂电池的应运潜力，纷纷将磷酸铁锂电池应用于电动车中。磷酸铁锂的研发开始时间，国内外几乎同步，而量产速度中国甚至超过海外。据了解，截止2011年，比亚迪作为全球最先实现磷酸铁锂电池产业化的车企之一，已在惠州市已经投资总计12.01亿元资金，用于磷酸铁锂电池基地建设，并最先将磷酸铁锂电动车投放市场，使电池的性能优势得到了充分证明。国家电网上海公司负责人评价说：“与其他电动车企业相比，比亚迪的电动车运行最稳定，运行效率也最高。”
锂离子动力电池的性能主要取决于正负极材料，磷酸铁锂作为锂电池材料是近几年才出现的事，国内开发出大容量磷酸铁锂电池是2005年7月。其安全性能与循环寿命是其它材料所无法相比的，这些也正是动力电池最重要的技术指标。1C充放循环寿命达2000次。单节电池过充电压30V不燃烧，穿刺不爆炸。磷酸铁锂正极材料做出大容量锂离子电池更易串联使用。以满足电动车频繁充放电的需要。具有无毒、无污染、安全性能好、原材料来源广泛、价格便宜，寿命长等优点，是新一代锂离子电池的理想正极材料。
本项目属于高新技术项目中功能性能源材料的开发，是国家“863”计划、“973”计划和“十一五”高技术产业发展规划重点支持的领域。
锂离子电池的正极为磷酸铁锂材料，其安全性能与循环寿命有较大优势，这些也正是动力电池最重要的技术指标之一。1C充放循环寿命可做到2000次，穿刺不爆炸，过充时不容易燃烧和爆炸。磷酸铁锂正极材料做出大容量锂离子电池更易并串联使用。
磷酸铁锂电池*电池安全问题
磷酸铁锂电池同样有危险性。因为，磷酸铁锂也是一种锂离子电池。从材料的原理上讲，磷酸铁锂也是一种嵌入/脱嵌过程，这一原理与钴酸锂，锰酸锂完全相同。
而锂的化学性质非常活泼，很容易燃烧，当电池充放电时，电池内部持续升温，活化过程中所产生的气体膨胀，电池内压加大，压力达到一定程度，如外壳有伤痕，即会破裂，引起漏液、起火，甚至爆炸。
从技术理论来看，磷酸铁锂电池，对电池的，起火，爆炸，等危险性有小部分的改善，但很不彻底，危险性一样突出。
在各种情况下，电池，外部短路，内部短路，过充。电池，都存在发生危险的可能。
磷酸铁锂电池*使用常识
一、锂离子电池充电
1、对锂离子电池充电，应使用专用的锂离子电池充电器。
2、锂离子电池充电采用“恒流/恒压”方式。
3、充电电压：最大充电电压是4.2V*n(n：串联电池数)
4、充电电流：推荐的充电电流0.5C(如标称容量为1500mAh的电池，充电电流0.5*1500=750mAh)
5、充电温度：电池应在0°C—45°C范围内进行充电。
二、锂离子电池放电
1、放电电流：放电电流应该在1.0C或更小。(如果您希望用大于1.0C的电流对电池放电，请与我们联系)
2、放电温度：电池应在-20°C到+60°C温度范围内进行放电(工作)。
3、放电终止电压：电池的放电终止电压不应小于2.5V*n(n：串联电池数)。电池过放会使电池寿命缩短，严重时会导致电池失效。
磷酸铁锂电池*储存方法
电池可贮存在环境温度为-5°C—35°C，相对湿度不大于75%的清洁、干燥、通风的室内，应避免与腐蚀性物质接触，远离火源及热源。电池电量保持标称容量的30%到50%。推荐贮存的电池每6个月充电一次。
磷酸铁锂电池*市场剖析
磷酸铁锂原料
磷酸铁锂材料原料行业属于资源性行业，全球各地的锂资源基本已为各大公司圈地所占，我们认为在锂资源行业对风险投资已经失去战略性进入的价值。磷源化合物属于传统的化工消耗品，已经具有非常成熟的供应商。相对而言，高质量的铁源化合物国内暂无占有绝对优势的供应商，存在一定的投资机会，投资者可以关注深圳硕田科技，合肥亚龙等在这一领域领先的企业。
国内磷酸铁锂正极材料厂商情况
目前国际上磷酸铁锂材料知名的厂商主要是美国A123、加拿大的Phostech以及美国Valence。这些厂商都已经发展出十分成熟的量产技术，其中最大的产能5000吨/年以上。中国企业从2001年就陆续启动磷酸铁锂材料开发，历经6年时间，北大先行终在2007年突破了磷酸铁锂从实验室技术到中试生产技术的一系列技术及工程问题，并在完善相关工艺过程中，使得磷酸铁锂电池的安全性得到了较大程度的提高与保证，奠定了磷酸铁锂产品系列化和规模产业化的基础。总体来看，国内对磷酸铁锂的技术研发水平及产业化程度与国际基本同步。在产能方面中国的材料供应商与国外大厂差不多，售价比国外要低，但材料加工性能和稳定性略逊一筹。现阶段全国约有50多家电池材料生产厂商，其中真正进入工业化批量生产的仅有天津斯特兰、北大先行、苏州恒正等十余家。虽然真正具备供货能力的企业为数不多，但表明中国企业抓住了此次锂电池发展机遇，使中国锂电在动力电池的产业化走在世界前列。可以看出，国内所有磷酸铁锂材料厂家的产品均各有优缺点，没有一家厂家在技术上绝对的优势，也未有厂家能大规模的量产。
锂电池电解液厂家情况
铁磷酸盐玻璃 篇5
针对其上述缺点, 许多研究小组对它进行了研究以改善性能, 这些方法包括添加金属 (如银、铜等) , 包覆导电性能良好的材料 (如葡萄糖、蔗糖等) [9], 掺杂金属氧化物。而目前在改善磷酸铁锂材料导电性, 提升其大电流充放电比容量性能方面, 主要采用细化颗粒、碳包覆[8]和掺杂金属离子等方法。本文以不同有机物为碳源, 采用高温固相法制备Li Fe PO4/C材料, 并通过XRD、SEM、电化学测试等表征手段, 对合成的样品进行热性能、物相结构、表面形貌和电化学性能分析。
1 实验部分
1.1 试剂与仪器
Fe2O3、Li H2PO4、聚乙烯醇 (PVA) 、淀粉、柠檬酸及无水乙醇均为分析纯;XD-98型全自动X射线衍射仪;场发射扫描电镜 (FE-SEM) ;德国耐驰STA409PC同步热分析仪;蓝电CT2001A测试仪。
1.2 实验过程
将Fe2O3和Li H2PO4按一定摩尔比混合均匀, 并加入一定量PVA作为碳源, 以无水乙醇为介质高速球磨5~15 h, 球磨后浆料经雾化造粒后得到球形颗粒Li Fe PO4/C前驱体。将前驱体置于ZSK-8-14型管式炉中, 氮气气氛保护下400~750℃焙烧8~24 h得到Li Fe PO4/C复合材料, 样品记做LFP1。作为对比, 同时采用淀粉、柠檬酸作为碳源, 以相同工艺制备Li Fe PO4/C样品, 分别标记为LFP2和LFP3。
2 材料的表征和检测
2.1 XRD分析
采用XD-98型全自动X射线衍射仪对样品进行晶体结构分析。
测试条件:Cu Kɑ1辅射, λ=0.1544 nm, 管压40 k V, 管流40 m A, 扫描速度8°/min。
2.2 SEM分析
采用KYKY-2800型扫描电子显微镜 (SEM) 观察分析样品的颗粒形貌和粒径大小。
测试条件:加速电压25 k V, 电子束能量30μA。
2.3 电化学性能测试
以LFP1、LFP2和LFP3材料分别作为正极活性物质, 乙炔黑为导电剂, PVDF为粘结剂, NMP为分散剂, 按质量比92∶3.5∶4.5配制成电极浆料, 制成面积约为1 cm2大小的圆形极片, 以金属锂片为负极, 聚丙烯微孔膜 (celgard2400) 为隔膜, 1 mol/L Li PF6/碳酸乙烯酯 (EC) +碳酸二乙酯 (DEC) (体积比为=1∶1) 的混合溶液为电解液, 在充满氩气的手套箱中装成2032型扣式电池。采用CT2001A型蓝电测试仪研究电池的充放电性能, 充放电倍率为0.1 C, 电压范围为2.5~4.0 V。
2.4 振实密度测试
分别称取50 g LFP1、LFP2、LFP3材料, 置于100 m L量筒内, 在振实密度仪上振动2 000次, 读取材料的体积数值, 质量除以体积, 既得到材料的振实密度。
2.5 碳含量测试
分别称取2.5 g LFP1、LFP2、LFP3材料 (质量记作m) 于250 m L烧杯中, 向其加入35 m L盐酸溶液, 将烧杯置于电炉上加热溶解20 min后, 取下冷却。
使用事先已于105~110℃干燥至恒重 (质量记作m2) 的4G玻璃砂芯坩埚过滤, 用盐酸洗涤5次, 再用蒸馏水洗涤6~10次, 于105~110℃干燥至恒重 (质量记作m1) 。
以质量百分数表示碳含量, 按下式计算:
式中:m1———沉淀和玻璃砂芯坩埚的质量
m2———玻璃砂芯坩埚的质量
m———样品的质量
3 结果和讨论
3.1 TG-DSC分析
图1为Li Fe PO4/C前驱体的TG-DSC图, 从图1中可以看出, 300~320℃对应一个较强的吸热峰, 320~350℃有一个较宽的放热峰, 同时在TG曲线上存在失重现象, 通过失重率可推断出前驱体混合物中的Fe2O3与C发生了氧化还原反应, 生成了Fe O;同时从图中还可以看出, 前驱体在650℃附近再次出现吸热峰和热失重现象, 通过计算分析表明在650℃左右C与Li H2PO4发生了置换反应, 生成了Li Fe PO4和H2O, 水在高温状态下气化, 导致了失重和吸热现象的发生。因此, 在合成Li Fe PO4/C复合材料时, 通过延长350℃时的预处理时间可以保证反应更完全, 而在400~650℃基本无失重现象, 但随着温度的升高, 产物会不断进行转化并形成完整的晶型, 目标产物在650℃后彻底生成。
3.2 XRD分析
图2是LFP1、LFP2、LFP3的XRD谱图, 从图2中可以看出, 无论是选用PVA、淀粉还是柠檬酸作为碳源, 样品的X射线衍射峰与Li Fe PO4的主要特征峰相一致, 均具有规整的橄榄石型结构, 无杂相衍射峰, 表明使用这三种碳源包覆均能合成纯相Li Fe PO4材料。同时, 可以看出LFP1衍射峰强度较高, 峰型窄而尖锐, 说明PVA包覆制备的磷酸铁锂结晶度较高。另外, XRD图谱中没有发现碳的特征衍射峰, 这表明有机碳源分解生成的热解碳以非晶态的结构形式包覆在Li Fe PO4表面, 碳的加入未对Li Fe PO4的晶体结构产生影响。
3.3 SEM分析
图3为样品LFP1、LFP2、LFP3的SEM图, 从图3中可以看出, LFP2与LFP3颗粒形状不规则, 大小分布不均匀, 而且颗粒大多融合在一起, 聚集成微米级的大颗粒, 颗粒之间存在很多空隙。LFP1颗粒形状呈球形或类球形, 颗粒界面明显, 颗粒粒度也较LFP2与LFP3有明显减小。碳源均匀地包覆在颗粒间使其联通, 这可能由于PVA在预烧过程中分解形成粘稠状, 并随着温度的升高迅速进入颗粒之间, 随着温度进一步的升高, 这种粘稠状的PVA逐渐开始碳化, 进而均匀的包覆在磷酸铁锂表面, 这种包覆还能进一步抑制磷酸铁锂的粒径增大及粘结现象。
3.4 样品的电化学性能
图4为样品LFP1、LFP2、LFP3在0.1 C的充放电曲线, 从图4中可以看出, 样品的充放电电压平台较为平坦, 使用不同碳源包覆制备的Li Fe PO4材料的颗粒大小存在差异, 样品表现出不同的极化效应。LFP3的充放电平台电压差为0.7 V左右, 放电容量为139.4 m Ah/g;LFP2的充放电平台电压差为0.3 V左右, 放电容量为144.4 m Ah/g;LFP1的充放电平台电压差只有0.1 V, 放电容量为153.8 m Ah/g。可见, 在有机碳源中, PVA包覆的产物的放电容量最高, 可达到Li Fe PO4理论容量的90.5%。
3.5 碳含量及振实密度分析
从表1数据可以看出, 使用PVA、淀粉、柠檬酸为碳源包覆制备的Li Fe PO4样品碳含量依次增加、粒径D50依次增大、振实密度依次减小。可见PVA包覆制备的Li Fe PO4样品碳含量、粒度及振实密度性能指标优于淀粉和柠檬酸。
4 结论
本文以不同有机物作为碳源, 成功合成了三种不同性能的Li Fe PO4/C复合正极材料, 并通过XRD、SEM、TG-DSC和电性能测试对材料进行了表征, 结果表明:
(1) 以PVA为碳源制备的材料表面包覆了均匀的导电碳层, Li Fe PO4/C复合材料物相纯正、结晶性好、颗粒呈球形分布、均匀无团聚现象。
(2) 实验电化学性能测试得出, 采用PVA作为碳源包覆改性, 合成的Li Fe PO4/C材料具有较好的电化学性能, 其在0.1 C倍率下首次放电容量高达153.8 m Ah/g, 而采用淀粉和柠檬酸为碳源包覆改性, 合成的Li Fe PO4/C材料, 0.1 C倍率下首次放电容量分别为144.4 m Ah/g和139.4 m Ah/g。
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铁磷酸盐玻璃 篇6
自锂离子电池问世以来, 围绕它的研究、开发工作一直不断地进行着, 上世纪90年代末又开发出锂聚合物电池, 2002年后则推出磷酸铁锂动力电池。
在对动力电池的研究与使用中, 测试是很重要的一环。对大功率动力电池的测试则对测试设备提出的更高的要求。
本文针对大功率动力电池的测试要求, 设计了一款复用程度高, 而且可以按不同的测试要求灵活配置的功率模块。
2 设计描述
本文描述的动力电池测试仪的基本设计指标如下表所示
3 功率模块细化设计分析
3.1 模块设计
从设计指标看, 充电和放电并不平衡, 约为3倍的关系。对于功率模块而言, 为了提高复用度, 将最大负载电流设计在3V/120A可以获得比较灵活的配置能力, 而且对器件的要求不会太苛刻。
3.2 功率部件容量分析
如图1所示, 功率部件实际是一个在NMOS场效应管控制下的负载。设计的困难在于模块在3V输入下, 流过120A电流是所产生的线损和热功率对负载电阻和场效应管的影响。
为达到在3V的输入下达到120A的负载电流, R应该为0.025欧姆, 此时R的负荷功率为360W。考虑可以灵活装配的功率电阻一般为50W, 选用8个0.2欧姆50W电阻分两路并联, 这样每路在3V下的负载电流为60A, 最大的总功率可以达到400W。Q的容量分析分两部分, 其一是在模块最大电流点需要有通过120A的容量, 其二是在模块的半功率点Q的负载功率达到最大。两点都需要通过才能满足要求。根据前面设计, 每路分配3个容量为120A, 导通电阻为8毫欧的场效应管IRF3205。导线的线损不能过大, 否则系统无法达到设计值, 而且会使导线本身过分发热。使用3*15铜排作为载流导线, 载流面积为45平方, 安全载流为185A。单个模块发热功率达到360W或更高, 将电阻和场效应管装置在散热器上, 用风扇主动散热。
3.3 功率分布分析
根据图1, 可以知道功率模块的负载可以分为三部分:负载电阻负载, 线损和场效应管负载。考虑在设计中载流导线设置了较大的容量, 故忽略不考虑。
负载电阻的功率函数如下:
场效应管的功率函数如下:
由公式1可知负载电阻的最大功率点在某块的最大电流点。此时负载电阻的功率为360W。单个电阻的功率为45W。
由公式2求导可知当I=1/2 V/R时, 场效应管有最大功率值。此时场效应管的功率为90W, 单个场效应管的功率为15W。而当模块电流最大时, 单个场效应的功率约为3.5W。故设计时只考虑场效应管能通过最大功率值点即可。
3.4 散热设计
根据功率电阻的设计要求, 负载功率要达到50W需配置100平方厘米的散热面积。设计中将8个电阻和MOSFET安装在一个150MM×70MM的风洞散热器上, 总散热面积为840平方厘米。
如3.3所述, 当模块工作在最大功率点, 场效应管的总功率只有20W, 其耗散功率相对较小。考虑800平方满足电阻散热, 40平方满足场效应管的散热。当模块工作在半功率点, 场效应管的总功率达到90W, 而此时散热其的余量足够对场效应管进行散热。
为提高整体散热水平, 在风洞散热器的两侧安装对流风扇。风扇散热风量的计算公式由下式决定:
设计在额定360W工作, 允许散热器温升为35度, 则需要散热风量为18CFM, 配置2个35CFM的风扇串联可以满足要求。
3.5 机械结构设计
由于电路上电流很大, 为避免因电路接触不良发热, 模块不使用焊锡焊接电阻和铜排, 全部采用螺丝形式压合。
如下图所示:
4 测试数据
在25℃的环境温度下, 对10个模块在3.2V输入电压下, 进行了半功率测试和全功率测试 (电流由控制模块实时控制) , 平均结果如表2。
5 结束语
实测表明, 本文设计的功率模块达到了设计指标要求, 10个样品累计经历5000次电池测试周期后工作良好, 无一出现工作异常。同时, 由于机械设计合理安装方便, 可以灵活与控制器配置成各种不同的电池测试方案, 很好地支撑动力电池的测试和研究需求。
摘要：介绍一个磷酸锂铁动力电池测试仪的功率模块的设计。阐述了功率模块的设计过程, 不同测试条件下, 对充、放电工作都进行了详细电路、功率和热分析并进行了详细的实际测试。测试结果显示, 功率模块设计复用程度很高, 可以按不同的测试要求灵活配置。
关键词：磷酸锂铁动力电池测试仪,功率模块,设计
参考文献
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铁磷酸盐玻璃 篇7
1 实 验
1.1 磷酸铁锂正极材料的制备
以Li2CO3(97.5%)、Fe2O3为原料,蔗糖为碳源,通过机械化学活化辅助碳热还原法合成原位碳包覆的LiFePO4/C复合材料。原料混合并置于行星球磨机球磨罐中,转速350 r/min,球磨4h,得到浆状混合物。在70～100 ℃下真空干燥得到均匀混合物,研磨后装入刚玉坩埚中,置于氩气气氛炉中,以一定速度升温至合成温度并保温。最后冷却气氛炉至室温,获得LiFePO4/C正极材料。
1.2 磷酸铁锂正极材料中Li+扩散系数的测定
将LiFePO4/C、导电炭黑和PVDF按质量比85:10:5准确称取,溶于NMP,研磨均匀后涂覆于腐蚀铝箔上,鼓风干燥,打孔制的d=10 mm的圆形正极片。以金属锂片为负极,Celgard 2400膜为隔膜,以1 mol/L LiPF6/EC+DC+DMC(体积比1:1:1)为电解液,在充满氮气的手套箱中组装成自制扣式电池。用preciton公司2273电化学工作站对扣电进行电化学性能测试。
1.3 磷酸铁锂锂离子电池循环性能测试
本文采用碳热还原法制备的磷酸铁锂正极材料,按照绵阳市鑫淼华明新能源科技有限公司制备500 mAh磷酸铁锂锂离子电池的规格制作成成品电池。用LAND CT20YA01A电池测试系统对磷酸铁锂锂离子电池进行循环性能测试,电压为2.6～4.5 V。
1.4 磷酸铁锂正极材料结构测定
循环前后的LiFePO4样品XRD衍射分析在日本产Rint-2000型Rigaku衍射仪上进行,采用Cu靶,扫描范围为10°～70°,扫描速度为0.04 °/min。利用微晶宽化效应,用谢乐方程计算LiFePO4样品的晶粒度。
2 结果与讨论
2.1不同电位下磷酸铁锂电极的锂离子扩散系数测定
根据Fick第二定律,对于锂离子在球形电极中的扩散,有:
式中:C——锂离子在负极材料中的浓度
r——颗粒内部某一点到中心点的距离
R——电极颗粒的半径
D——锂离子在固体颗粒内的扩散系数
根据文献,求解微分方程,可得:
τ=κt-1/2+b (2)
式(2)表明,电极的阶跃响应电流与t-1/2之间呈线性关系,利用这一规律,求出阶跃电流响应曲线的斜率及截距,进而可以求出锂离子在电极材料中扩散系数:
将制备的电极在不同嵌锂状态下进恒电位阶跃,为保证稳定的阶跃曲线,所制备的模拟电池先0.3 C充放电3次,满电搁置1 h后,开始阶跃实验,阶跃电位为100 mV,阶跃时间为300 s。得到如图1所示的i-t响应曲线。对i-t-1/2曲线进行线性拟合后得到曲线斜率k及截距b,将所测定的电极材料颗粒的平均粒径d50=0.272 μm代入式(5),计算出各个电极嵌锂状态下对应的锂离子在其中的扩散系数,结果列于表1。
充放电过程中 Li1-xFePO4 锂离子扩散系数随x的变化曲线如表1所示,从表1可以看到, LiFePO4在充放电过程中锂离子扩散系数随 Li含量的增大,呈现先增大后略微降低的规律。在放电嵌锂过程,放电初期锂离子要进入颗粒的中心,通过的距离较长,所受的阻力较大,因此锂离子扩散系数较小。随着放电过程的进行,电极活性材料在进行电化学过程时存在电化学活化过程,在这一过程中扩散系会随嵌锂量的增加而增大。随着锂离子嵌入量的增大,材料逐渐由单相转变为两相共存区,而两相共存区的扩散系数要小于单相区,因而形成极大值。当锂离子嵌入量大于 0.75后, 活性材料逐渐向单相区转变, 扩散系数逐渐增大。通过恒电流阶跃测定锂离子的扩散系数在2.72×10-10～1.42×10-15之间。
2.2 不同循环次数下锂离子扩散系数的变化
循环稳定三次与200次循环后电极的锂离子扩散系数随x的变化曲线如图2所示,可以看到200次循环后尽管锂离子扩散系数随x变化趋势仍然一致,但扩散系数的值明显降低。在 Li+不断脱嵌过程中,正极材料存在着由由斜方晶系向八面体晶系转变的趋势[6]。随着 Li+在晶格中的来回脱嵌,Li+在FePO4中的有序排列将遭到一定的破坏。随着充放电循环次数的增多,LiFePO4中Li+的固相扩散系数值整体上呈下降趋势。
3 结 论
(1)采用碳热还原法制备了LiFePO4正极材料恒电位阶跃法测定了LiFePO4正极材料,通过恒电位阶跃法测定了不同电位下磷酸铁锂正极材料的锂离子扩散系数,LiFePO4在充放电过程中锂离子扩散系数随 Li含量的增大,呈现先增大后略微降低的规律。锂离子的扩散系数在2.72×10-10～1.42×10-15之间。
(2)LiFePO4正极材料在经过200次循环后,正极材料的扩散系数随Li+含量变化趋势仍然不变,但扩散系数值呈整体下降趋势。
参考文献
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