Development of Large - sized Lithium - ion Battery
for Aviation Applications
上田純也石田義貴 志築隆弘 園田輝男
（日本GS湯淺電池株式會社）
Abstract : The application of lithium - ion battery in aviation use has been examined in recent years because it is able tocontribute the reduction of the aircraft operating cost by making the airframe light and saving the fuel consump-tion. GS YUASA has long - term experiences of manufacturing large - sized lithium - ion cells and batteries forvarious applications. based on fostered technologies by these experiences, we have developed new large - sizedlithium - ion cells, "LVP10" and "LVP65". The batteries using these cells have also been developed for aviationapplications. Nominal capacities of "LVP10" and "LVP65" are 10 and 65 Ah, respectively. These cells work as apower source for engine start or backup of electric devices in airplane. They are optimized to achieve high ratedischarge capability and long life required for aviation application; for example, "LVP10" type cell has discharge-able capacity of 99% at large current of 5ltA based on that of 1 ItA , and "LVP65" type one has good capacity of89% after 1000 cycles of full charge - discharge cycle life test at 25 ℃. The batteries, "LVP10- 7" and "LVP65 - 8"are designed to have high durability to severe environmental conditions and operational conditions simulated inairplane. Additionally, "LVP65 - 8" battery is equipped with the battery monitoring unit and internal contactor toensure its safety during operation. These new lithium - ion batteries are being tested on actual airplane to extractpotential problems for the further improvement. They are going to be applied to actual commercial airplane.
Key words :Lithium - ion battery ; Airplane ; High rate discharge
摘要
近幾年來，對飛機(jī)用大型鋰離子電池進(jìn)行檢驗(yàn)，因?yàn)樗苡兄跈C(jī)體輕量化，減少運(yùn)行成本，并可節(jié)省燃耗。杰士湯淺（GS YUASA)對用于不同用途的大型鋰離子電池的制造有著長期的經(jīng)驗(yàn)。根據(jù)從這些經(jīng)驗(yàn)中精選的技術(shù)，我們已開發(fā)出“LVP10”和“ LVP65”大型鋰離子單體電池，并用這些電池開發(fā)了航空用的電池組。“LVP10”和“LVP65”電池的標(biāo)稱容量分別為10Ah和65Ah。這些電池用作發(fā)動機(jī)起動或飛機(jī)電器的備用電源。經(jīng)過優(yōu)化，這些電池具有大電流放電能力和航空用途要求的長壽命。“LVP 10”電池在5ItA大電流的條件下，其放電容量可達(dá)99%，“LVP65”電池在25℃全充放電循環(huán)試驗(yàn)條件下經(jīng)1000次循環(huán)后，其容量還能保持89%。“LVP10-7”和“LVP65-8”電池組在模擬飛機(jī)的嚴(yán)酷的環(huán)境條件和運(yùn)行條件下仍具有高度的耐久能力。此外，”LVP65-8“電池組還裝有電池臨控裝置和內(nèi)部接觸器以保證運(yùn)行安全。這些新型的鋰離子電池正在實(shí)際的飛機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)以找出潛在問題進(jìn)一步改進(jìn)，目前它們即將用于商用飛機(jī)。
關(guān)鍵詞： 鋰離子電池；飛機(jī)；大電流放電
1 序言
近幾年來，因地球升溫而導(dǎo)至的氣候變化的重大問題越來越被全世界的人們所關(guān)注。其對策之一是努力削減溫室效應(yīng)的氣體排放量，全球各個領(lǐng)域都在重視環(huán)保。例如，以開發(fā)環(huán)境友好，燃費(fèi)效率好的電動汽車等為例。飛機(jī)用途電池不僅僅是燃油消耗方面，而為可以進(jìn)一步地降低溫室效應(yīng)而開發(fā)的技術(shù)，例如，機(jī)體的輕量化也是其中之一。
飛機(jī)上同時搭載多只電池，其中多數(shù)是為發(fā)動機(jī)起動用和電器裝置備用電源而用。這些電池主要采用鉛酸電池和鎳鎘電池。但是，如果將這2種電池?fù)Q成能量密度高，大容量能量密度高的鋰離子電池，就可減輕機(jī)體的重量及大幅度地提高飛機(jī)的燃油效率。
本公司已將工業(yè)用大型鋰離子“LIM系列”和“宇宙等特殊環(huán)境用鋰離子電池批量投放市場。目前已有長期運(yùn)用的計(jì)劃。因此，在這一事業(yè)中通過技術(shù)研發(fā)（創(chuàng)新），作為航空用電池開發(fā)研制了10Ah級“LVP10”電池與”LVP10-7”電池組、65Ah級“LVP65”及“LVP65-8”電池。本文報告中闡述了飛機(jī)用大型鋰離子電池及電池組的特性。
2 特點(diǎn)及性能
2.1 特點(diǎn)
飛機(jī)用大型鋰離子電池“LVP10”及”LVP65”的電池外觀圖片示于圖1，規(guī)格列于表1。這些電池槽均采用角形不銹鋼制產(chǎn)品，角形電池槽的優(yōu)勢點(diǎn)是表面積大，散熱性能好。另外，角形電池可以密集放置，因此可以設(shè)計(jì)成體積效率高的電池組。LVP65電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示于圖2，LVP10電池的結(jié)構(gòu)與LVP65電池類似。電池內(nèi)部與工業(yè)用大型鋰離子電池”LIM40”電池相同，在卷繞電極的兩端分別設(shè)計(jì)有正負(fù)極端子，將結(jié)構(gòu)材料的內(nèi)阻控制在最小的范圍。記錄以下特點(diǎn)，對飛機(jī)用電池進(jìn)行改進(jìn)。
圖1 LVP10型和LVP65型鋰離子電池的外觀
（1）電流的放電性能及應(yīng)急時備用性能，所以極板應(yīng)設(shè)計(jì)為最佳化。
（2）發(fā)動機(jī)起動時應(yīng)耐大電流放電，所以端子等的通電部位的面積應(yīng)增大。
（3）為了有效地利用機(jī)體中有限的空間，電池的高度增加，有可能減小其設(shè)置的面積。
圖2 LVP65型鋰離子電池結(jié)構(gòu)簡圖
2.2 性能
2.2.1 LVP10電池
LVP10電池在25℃的環(huán)境溫度中以10A的恒電流充電至4.0V，接著繼續(xù)進(jìn)行合計(jì)3小時，以恒電壓充時時的充電特性示于圖3。本電池進(jìn)行1小時的充電可從完全放電狀態(tài)充電至80%以上的充電深度（SOC)。在飛機(jī)起飛時電池SOC為較高的狀態(tài)。所以只有優(yōu)異的充電接受性
圖3 LVP10型鋰離子電池的充電特性。 圖4 LVP型鋰離子電池在25℃以10A（□）、30A（△）
電池在25℃以10A充電3小時至4.0V。 及50A（Ο）電流放電時的放電特性。電池在25℃
電壓（□）、荷電態(tài)（△）及電流（Ο） 以10A充電至4.0V后放電至2.75V，總計(jì)3小時
能才能縮短起飛的時間。圖4所示，相同的充時后，以10、30及50A的電流值放電至2.75V時的放電特性。可以確認(rèn)放電電流增大時極化也增大，電池電壓下降。在50A（5ItA)放電時其放電容量是10A放電時99%以上的容量。這種良好的放電性能實(shí)現(xiàn)了電池材料及電極的配方最佳化。
2.2.2 LVP65電池
評價LVP65電池的放電性能，在25℃的環(huán)境溫度中以70A的恒電流充電至電壓4.025V，接著繼續(xù)以相同的恒電壓充電3小時后，再以50、200及700A的電流值放電至2.75V，其放電特性示于圖5。并可確認(rèn)電流值大極化也增大，隨之而來的是電池電壓下降。既便是在700A（約10ItA）以50A放電時最高可獲得97%的容量。接著因環(huán)境溫度的影響。在相同的條件下充電，環(huán)境溫度從-20、0及25℃之后，電池溫度達(dá)到與環(huán)境溫度相同經(jīng)過充分的時間放置后，以70A電流放電至2.75V，此時的特性示于圖6。環(huán)境溫度越低，電池電壓越低，在-20℃的低溫條件下最高可獲得25℃時放電容量的98%。也就是說，LVP65電池可用作寬溫范圍的飛機(jī)用途，并可維持優(yōu)良的放電性能。
圖5 LVP65型鋰離子電池在25℃以50A（Ο）、 圖6 LVP65型鋰離子電池在25℃（Ο）、
200A（△）及700A（□）電流放電時的放電 0℃（△）及-20℃（□）以50A放電時的放電特
特性。電池在25℃以70A充電至4.025V后放 性。該電池在25℃以70A充電3小時至4.025V后
電至2.75V，總計(jì)3小時 放電至2.75V
為評價電池的壽命性能，進(jìn)行了循環(huán)壽命及日歷壽命的試驗(yàn)，作為循環(huán)壽命試驗(yàn)其測試結(jié)果是在環(huán)境溫度25及45 ℃時100%DOD的充放電性能。試驗(yàn)條件是以70A 進(jìn)行3小時的充電使之達(dá)到4.025V，之后再以70A放電至2.75V的模式，反復(fù)進(jìn)行1000次循環(huán)，其結(jié)果示于圖7。由圖得知，1000次循環(huán)后的容量與初期容量相比，25℃時是89%，45℃時為81%。另外，隨著循環(huán)的進(jìn)行也可測定電池的內(nèi)阻。其內(nèi)阻值可以在25℃的條件下充電到電池所定的SOC之后，繼續(xù)以從35 ~120A的電流值按所定的時間放電時的電池電壓與放電電流的關(guān)系中求出。電池的內(nèi)部電阻是當(dāng)充放電循環(huán)1000次之后，在25℃的環(huán)境中與初期容量相比幾乎是無變化，但在45℃的環(huán)境中電池內(nèi)阻增加控制在22%以內(nèi)。因此通過試驗(yàn)可以證明，LVP65電池可長期維持發(fā)動機(jī)起動所需要的放電性能。接著是日歷壽命試驗(yàn)測試環(huán)境溫度25及45℃時的壽命性能。試驗(yàn)條件分別在各自的環(huán)境溫度中LVP65電池以70A電池充電至4.025V，接著以相同的電壓經(jīng)15天、30天或90天充電后，再以70A電流放電至2.75V，反復(fù)地進(jìn)行定電壓充電壽命試驗(yàn)。其放電容量及電池內(nèi)阻值的變化示于圖8。隨著時間的流失，放電容量下降，與試驗(yàn)前放電容量的對比，在經(jīng)過270天，25℃時放電容量可維持在91%，45℃時放電容量維持在84%。另外，經(jīng)過270天時，內(nèi)阻的增加率25℃為4%，45℃為17%。并得知與循環(huán)壽命試驗(yàn)結(jié)果相同，內(nèi)阻的變化非常小，性能良好。
圖7 LVP65型鋰離子電池在25℃（Ο）和 圖8 LVP65型鋰離子電池在25℃（Ο）和45℃（△）
45℃（△）循環(huán)時的充放電循環(huán)壽命性能。 及4.025V浮充條件下的日歷性能。該電池在
該電池在25℃和45℃以70A充電3小時至 25℃和45℃以70A充電至4.025V。定期檢測容
4.025V后以70A放電至2.75V 量以確定在25℃以70A放電至2.75V的條件下
電池保持的容量
3 電池組
3.1 LVP10-7電池
LVP10電池7只串聯(lián)連接的電池組“LVP10-7”的外觀照片及規(guī)格分別示于圖9及表2。外部電池組的監(jiān)控裝置（BMU)示出電池電壓與電池溫度，所以每只電池應(yīng)安裝電壓檢測導(dǎo)線與熱敏電阻。另外，為了防止外部設(shè)備發(fā)生短路時通過短路電流避免外部設(shè)備受損，在電池阻內(nèi)部裝有保險絲。
3.2 LVP65-8電池
將LVP65-8電池8只串聯(lián)連接的電池組“LVP65-8”的外觀及規(guī)格分別示于圖10及表3。在電池組內(nèi)部附加LVP65電池，還應(yīng)配備BMU與開關(guān)。BMU時常監(jiān)測電池電壓及電池組內(nèi)部的溫度，在檢測出異常時備有輸出停止充電功能的充電器輸出信號功能。這些功能實(shí)現(xiàn)了對飛機(jī)用電池要求的高可靠性能，附加功能如下。
（1）當(dāng)電池組發(fā)生故障時有自動檢測功能
（2）具有過充電等異常模式發(fā)生時的雙重保護(hù)功能
（3）采用接觸器的電池組自身具有阻斷異常充電的功能。
LVP65-8電池組發(fā)動機(jī)起動放電時的電壓變化示于圖11。試驗(yàn)條件是在25℃的環(huán)境溫度中使LVP65-8電池組以70A的恒電流充電到32.2V，接著繼續(xù)以相同的電壓合計(jì)充電3小時后，在環(huán)境溫度25、0及-18℃的條件下進(jìn)行15kw的恒電流放電。由圖得知，放電時的峰值電流溫度越低越大，在-18度時超過650A。但是，在這種低溫大電流放電的條件下，本電池組也能維持20V以上的電壓，具有良好的起動性能。
4 結(jié)語
作為飛機(jī)用大型鋰離子電池公司開發(fā)了10Ah級的“LVP10”及65Ah級的“LVP65”的產(chǎn)品。另外，作為電組開發(fā)了“LVP10-7”及“LVP65-8”的產(chǎn)品。這些電池在充電效率、低溫放電性能及壽命性能均優(yōu)，因此，完全（兼?zhèn)洌┛梢詽M足飛機(jī)用高可靠性能的要求。與傳統(tǒng)的用于飛機(jī)上的鉛蓄電池和鎳鎘電池相比為輕量化、高性能的產(chǎn)品，因此，可期待本產(chǎn)品將為飛機(jī)的燃油效率做貢獻(xiàn)。
今后將為本電池搭載在飛機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)對各種性能進(jìn)行評價，并抽取有關(guān)實(shí)用化的問題。另外，以改進(jìn)上述電池性能為目標(biāo)，加大力度開發(fā)適用于飛機(jī)用鋰離子電池。在本文中所述的“LVP10-7”及 “LVP65-8”的產(chǎn)品運(yùn)用并搭載在波音公司生產(chǎn)的下一代787型飛機(jī)上進(jìn)行運(yùn)行試驗(yàn)。
