航空锂电池的原理及容量测试方法研究

丁羿茗

摘要：相較于传统的蓄电池，航空锂电池具有高密度能量、高工作电压、低自放电率、高充放电效率、宽工作温度范围、长循环寿命、以及环境污染程度小等特点，被广泛应用于手机、新能源汽车领域以及民航、无人机、空间探测器等航空航天领域中。而航空锂电池的地面维护方式与传统的蓄电池维护完全不同。因此，本文就航空锂电池的工作原理进程阐述分析，研究其在地面的充电和放电过程，以及测试容量的方式，为后续的航空锂电池维护人员提供参考意见。

关键词：航空锂电池;充电;放电;容量测试;安全运行

经过多年的技术攻关和产品推广，锂离子电池的应用范围已经非常广泛。航空锂电池具有高能量、轻质量、小体积的优势，但是其安全性较差。所以为了保障锂电池在航空领域的安全运行，就必须确定锂电池的健康状态和剩余使用寿命，通过对锂电池的结构和工作原理进行分析，研究其充放电原理，以及确定其容量，就方便锂电池健康状态的分析和确定剩余使用寿命。

1. 锂电池概述

十九世纪六十年代就开始了锂离子电池的研发进程。早期锂离子电池的负极材料是单质锂，但是单质锂过于活泼，遇水就会发生剧烈反应生成LiOH，导致爆炸和燃烧现象发生，所以锂电池的电解质容易一般是非水电解液。目前常用的锂电池实际上是锂离子（Li-ion）电池，正负电极材料是由不同的锂离子同化合物组成，没有单质锂存在，较好地解决了锂电池的安全问题[1]，如南方航空的波音787飞机就采用了锂电池。锂电池本身自带监控保护电路，保障电池的运行安全，所以其地面维护方式同传统的蓄电池维护方式不同。

锂电池同机载蓄电池相比具有非常优越的特点。如锂电池具有高比能量，其高储存能力密度高达460～600Wh/kg，比镍镉电瓶高2倍，比铅酸电池高4倍;锂电池采用密封电池，维护成本和工作量小;锂电池的单格额定电压高，为3.6V，有利于组成电池电源组;锂电池的自放电率不及碱性电瓶的一半;锂电池的重量轻、体积小，方便携带;锂电池没有记忆效应，可随充不用深度放电[2];锂电池不含有有毒元素如汞镉铅等。

目前锂电池仍具有明显的缺点，如安全性相对较差。美国波音公司第一个使用锂电池搭载在民航中，然在2013年由于锂电池短路和热失控原因导致两架搭载锂电池的客机前后发生安全事故，使得锂电池在航空的应用停滞不前。后学对锂电池技术进行调养改进，优化了锂电池的使用技术，使其符合航空使用标准。锂电池在大电流放电时，其性能不如镉镍电池;锂电池需要通过充放电、过温来保护电路，防止造成正负电极的损坏[3];另外由于锂电池的结构复杂、单质锂属于稀有金属，导致锂电池的生产成本较高，不利于大规模地生产和利用。

2. 锂电池的基本结构及其工作原理

2.1 锂电池的基本结构

目前所用锂电池的基本结构同镍镉电池一致，由正负极、能够传导锂离子的电解质、隔离正负极的隔膜组成。但是锂离子电池需要过充放电和过温措施保护电路，防止正负极的损坏。

锂电池正极：锂离子化合物，如锂钴氧化物LiCoO2、锂镍氧化物LiNiO2、锂锰氧化物LiMnO2等。锂电池正极材料对于锂电池的特性有不同的影响作用，如表1所示。

从表1中可以看出，锂钴氧化物在功率密度方面比其他两者强，但是电压、温度稳定性方面就锂锰氧化物有优势。

锂电池负极：碳素材料，分石墨、非石墨两类。航空锂电池常用的负极材料为石墨，因其具有良好的片层结构，方便锂离子的填充。碳素材料的低理论容量和安全性让专家设计研发更高循环稳定的负极材料，如过渡金属氧化物TMO的应用、硅负极材料的应用[4]。

锂电池电解液：常用的是碳酸酯有机溶剂、LiPF6锂盐、固体电解液等。而航空锂电池常用电解液是碳酸盐。锂电池电解液需要满足的条件是：具有比较宽泛的工作电位;稳定性要高，充放电过程中不会发生副反应;较高的导电率。锂电池电解液中的添加剂需要有利于形成稳定的SEI膜，防止锂电池电解液和电极材料发生反应，提高锂电池的循环稳定性能。经过科学家多年的研发发现，磺基电解液、离子液体具有更好的应用效果。

锂电池隔膜：一般采用聚丙烯、聚乙烯单层微孔膜或者是两者相互复合而成的多层膜。隔膜性能影响着锂电池的基本结构，直接决定锂电池的容量、循环寿命以及安全性等。锂电池隔膜具有绝缘性，保障锂电池正负极的物理隔离，防止短路;锂电池隔膜均匀的孔径和孔隙率保障锂离子的高通过率;锂电池隔膜局域优秀的理化性能，确保润湿性和润湿速度有利于提高电池充放电性能、容量密度。

锂电池的保护电路措施：锂电池需要通过充放电来保护电路，过度放电将放出负极的碳元素，导致层状结构崩溃;而过度充电会将带入过度的锂离子到石墨结构中[5]，阻塞部分锂离子的释放。

2.2 锂电池的工作原理

锂电池在充电过程中，电极两侧的电势使得正极的化合物释放出锂离子，流向负极嵌入其中呈现片层排列。放电过程则是从负极的片层结构中析出锂离子，流向正极重新结合成化合物。锂电池的充放电过程就是锂离子在正负极之间往复嵌入和脱嵌的过程，产生电流，实现化学能与电能之间的相互转换[6]。

以正极材料为锂钴氧化物LiCoO2为例，展示锂电池的放电化学方程式为：

2.3 航空锂电池的组成

航空锂电池的额定电压在28.8V，电池容量为65Ah，它是由单体锂电池8个、内置接触器1个、电池监控组件4组构成[7]。电池监控组件BMU随时监控着锂电池的电压值、充放电的电流值、电池温度等状态，当BMU检测到锂电池出现故障时就会立即发出故障信号，方便维护人员进行维修，保障航空锂电池的安全运行。

3.航空锂电池的充放电方式和容量测试方式

本文以南方航空波音787安装的锂电池为例，来阐述航空锂电池充放电和容量检测方法。锂电池的充放电操作必须使用专门的设备（如图1），电池本身的监控组件也必须同充放电设备连接，保障锂电池充放电过程中的安全。

3.1 鋰电池充放电方法

锂电池的充电方法：采用恒流恒压的充电方法，如用50A的恒流、32.2VDC的恒压进行充电;也可以采用恒压限流充电方法，如32.2VDC的恒压，50A限流进行充电[8]。一直维持到充电的电流到5A时停止。

锂电池的放电方法：利用恒电阻放电方式，电流保持50A，放电至电池电压为22V停止。而航空锂电池的额定电压为28.8V，可根据放电电阻计算公式得出放电的电阻为0.576Ω。

放电电阻计算公式：，

其中R是放电电阻，单位Ω;t是放电时间，单位s;C是每相电容量，单位F;Un是额定电压，单位V;UR是剩余的电压，单位V;K是电阻和电容器单元的来接方式决定的系数，有1、3、。

3.2 锂电池容量测试方法

电池容量是锂电池性能指数的重要指标之一，其定义是在额定的电流环境下，电池放电至制定电压时所放出的电流乘以放电时间。锂电池容量表示的是电池内部的电荷量多少，表示电池能够向外界提供能量的多少。目前锂电池的电池容量常用定义有：

理论容量是指锂电池内部全部活性物质参与反应所能够得到的总容量值，是电池的最大限制容量。标称容量是指电池满电状态下，在室温条件中以0.2C放电至指定电压时所能够放出的最大容量值。实际容量是指在指定的放电倍率放出的最大容量，也就是放电电流乘以放电时间。剩余容量是指锂电池使用一段时间后，在室温条件中以0.2C放电至指定电压时所能够放出的最大容量值。

锂电池的容量测试方式，需要先将电池充满电，在进行放电操作来计算容量。航空锂电池的放电电阻是恒定的，电流是不稳定的，那么在计算电池容量的时候就可以采用安时积分或者秒脉冲对进行累计[9]。

锂电池容量的计算方式如下：满电的电池开始放电的电流值为A，当放电至电压为22V时停止，其电流为A。放电时间为T，则电池容量的计算公式为：，容量的单位为Ah。根据之前所得的放电电阻R=0.576Ω，则C=56T（Ah）。

对于锂电池进行容量测试的时间间隔是有要求的。当锂电池的电池容量在70～80Ah时，需要两年做一次容量检测;当电池容量在60～69Ah时，需要一年半做一次容量检测;当电池容量在57～59Ah时，需要一年做一次容量检测;当电池容量在54～55Ah时，需要半年做一次容量检测;当电池容量在50Ah以下时，电池做报废处理[10]。航空锂电池的储存是必须是带电状态下进行，保持电压在29.6V～30V范围之间。低于该电压范围进行充电操作，高于电压值范围就利用恒电阻放电至合适范围。

3.3航空锂电池的寿命

锂电池的化学反应是可逆的，也就是锂电池可以循环使用的原因。锂电池通过电化学反应既可以积累电能，也可以释放电能，但是锂电池在使用过程中，其内部的化学成分并不是一直保持不变的。锂电池的电阻随着使用次数而增加，导致实际容量降低。当锂电池的实际容量达到最低标准时，认定锂电池的寿命终止。影响锂电池的寿命因素常见的有：电池的设计、制作技术、工作温度、负荷强度等，在航空锂电池地面维护工作就可以从电池的充电制度、SOC使用区域和电池的一致性方面进行改进，延长锂电池的循环寿命周期。深度放电会降低电池循环寿命周期，减少放电时间、避免完全放电和频繁充电有助于延长电池使用寿命。不能在极限条件下使用航空锂电池，保持锂电池表面的清洁、干燥、完整，避免快速充放电操作。

4. 结束语

综上所述，锂电池具有的较高比能量、优秀的循环寿命、较低的自放电率、无记忆效应和绿色环保性能，使其在航空领域具有很好的应用前景。锂电池的应有不仅仅在航空领域有很强的应用推广，还应用在无人机、航天领域上得到应用。如在伊拉克战争亮相的“龙眼”无人机就是很好的应用，我国的嫦娥五号成功发射并携带月球样品返回地球就是归功于锂离子电池的高比能量、长循环寿命周期、宽泛的工作温度范围。而对于未来方便锂电池满足不同领域的应用，还需要提升锂电池的能力密度、便捷性、安全性和环保性，特别是航空航天领域对于锂电池的安全性能和耐受性提出更高的要求。未来关于锂电池的研发将越来越多，更多的电极材料、电池结构、电解液被研发，助力锂电池行业健康发展。

参考文献：

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[4]程凯琳.锂离子电池正极材料的研究[J].化工设计通讯，2019（11）：199-200.

[5]李敏，阮晓莉.锂电池衰减机制与健康状态评估方法概述[J].东方电气评论，2020（04）：18-23.

[6]陈继永，卢欣欣.新能源汽车锂离子电池的安全问题分析与探索[J].时代农机，2019（11）：63-64.

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[9]赵相泽.锂离子电池容量与环境温度的关系[J].电子测试，2020（11）：112-114.

[10]郑文芳，付春流，张建华，汤平，陈德旺.锂离子电池剩余寿命预测方法研究综述[J].计算机测量与控制，2020（12）：1-6.