飞机用大型锂离子电池的开发

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汤浅电池株式会社）

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 5l_tA based on that of 1 I_tA , 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

近几年来，对飞机用大型锂离子电池进行检验，因为它能有助于机体轻量化，减少运行成本，并可节省燃耗。杰士汤浅（GS YUASA)对用于不同用途的大型锂离子电池的制造有着长期的经验。根据从这些经验中精选的技术，我们已开发出“LVP10”和“ LVP65”大型锂离子单体电池，并用这些电池开发了航空用的电池组。“LVP10”和“LVP65”电池的标称容量分别为10Ah和65Ah。这些电池用作发动机起动或飞机电器的备用电源。经过优化，这些电池具有大电流放电能力和航空用途要求的长寿命。“LVP 10”电池在5I_tA大电流的条件下，其放电容量可达99%，“LVP65”电池在25℃全充放电循环试验条件下经1000次循环后，其容量还能保持89%。“LVP10-7”和“LVP65-8”电池组在模拟飞机的严酷的环境条件和运行条件下仍具有高度的耐久能力。此外，”LVP65-8“电池组还装有电池临控装置和内部接触器以保证运行安全。这些新型的锂离子电池正在实际的飞机上进行试验以找出潜在问题进一步改进，目前它们即将用于商用飞机。

关键词： 锂离子电池；飞机；大电流放电

1 序言

近几年来，因地球升温而导至的气候变化的重大问题越来越被全世界的人们所关注。其对策之一是努力削减温室效应的气体排放量，全球各个领域都在重视环保。例如，以开发环境友好，燃费效率好的电动汽车等为例。飞机用途电池不仅仅是燃油消耗方面，而为可以进一步地降低温室效应而开发的技术，例如，机体的轻量化也是其中之一。

飞机上同时搭载多只电池，其中多数是为发动机起动用和电器装置备用电源而用。这些电池主要采用铅酸电池和镍镉电池。但是，如果将这2种电池换成能量密度高，大容量能量密度高的锂离子电池，就可减轻机体的重量及大幅度地提高飞机的燃油效率。

本公司已将工业用大型锂离子“LIM系列”和“宇宙等特殊环境用锂离子电池批量投放市场。目前已有长期运用的计划。因此，在这一事业中通过技术研发（创新），作为航空用电池开发研制了10Ah级“LVP10”电池与”LVP10-7”电池组、65Ah级“LVP65”及“LVP65-8”电池。本文报告中阐述了飞机用大型锂离子电池及电池组的特性。

2 特点及性能

2.1 特点

飞机用大型锂离子电池“LVP10”及”LVP65”的电池外观图片示于图1，规格列于表1。这些电池槽均采用角形不锈钢制产品，角形电池槽的优势点是表面积大，散热性能好。另外，角形电池可以密集放置，因此可以设计成体积效率高的电池组。LVP65电池的内部结构示于图2，LVP10电池的结构与LVP65电池类似。电池内部与工业用大型锂离子电池”LIM40”电池相同，在卷绕电极的两端分别设计有正负极端子，将结构材料的内阻控制在最小的范围。记录以下特点，对飞机用电池进行改进。

图1 LVP10型和LVP65型锂离子电池的外观

（1）电流的放电性能及应急时备用性能，所以极板应设计为最佳化。

（2）发动机起动时应耐大电流放电，所以端子等的通电部位的面积应增大。

（3）为了有效地利用机体中有限的空间，电池的高度增加，有可能减小其设置的面积。

图2 LVP65型锂离子电池结构简图

2.2 性能

2.2.1  LVP10电池

LVP10电池在25℃的环境温度中以10A的恒电流充电至4.0V，接着继续进行合计3小时，以恒电压充时时的充电特性示于图3。本电池进行1小时的充电可从完全放电状态充电至80%以上的充电深度（SOC)。在飞机起飞时电池SOC为较高的状态。所以只有优异的充电接受性

图3 LVP10型锂离子电池的充电特性。 图4 LVP型锂离子电池在25℃以10A（□）、30A（△）

电池在25℃以10A充电3小时至4.0V。 及50A（Ο）电流放电时的放电特性。电池在25℃

电压（□）、荷电态（△）及电流（Ο） 以10A充电至4.0V后放电至2.75V，总计3小时

能才能缩短起飞的时间。图4所示，相同的充时后，以10、30及50A的电流值放电至2.75V时的放电特性。可以确认放电电流增大时极化也增大，电池电压下降。在50A（5I_tA)放电时其放电容量是10A放电时99%以上的容量。这种良好的放电性能实现了电池材料及电极的配方最佳化。

2.2.2  LVP65电池

评价LVP65电池的放电性能，在25℃的环境温度中以70A的恒电流充电至电压4.025V，接着继续以相同的恒电压充电3小时后，再以50、200及700A的电流值放电至2.75V，其放电特性示于图5。并可确认电流值大极化也增大，随之而来的是电池电压下降。既便是在700A（约10I_tA）以50A放电时最高可获得97%的容量。接着因环境温度的影响。在相同的条件下充电，环境温度从-20、0及25℃之后，电池温度达到与环境温度相同经过充分的时间放置后，以70A电流放电至2.75V，此时的特性示于图6。环境温度越低，电池电压越低，在-20℃的低温条件下最高可获得25℃时放电容量的98%。也就是说，LVP65电池可用作宽温范围的飞机用途，并可维持优良的放电性能。

图5  LVP65型锂离子电池在25℃以50A（Ο）、 图6  LVP65型锂离子电池在25℃（Ο）、

200A（△）及700A（□）电流放电时的放电 0℃（△）及-20℃（□）以50A放电时的放电特

特性。电池在25℃以70A充电至4.025V后放 性。该电池在25℃以70A充电3小时至4.025V后

电至2.75V，总计3小时 放电至2.75V

为评价电池的寿命性能，进行了循环寿命及日历寿命的试验，作为循环寿命试验其测试结果是在环境温度25及45 ℃时100%DOD的充放电性能。试验条件是以70A 进行3小时的充电使之达到4.025V，之后再以70A放电至2.75V的模式，反复进行1000次循环，其结果示于图7。由图得知，1000次循环后的容量与初期容量相比，25℃时是89%，45℃时为81%。另外，随着循环的进行也可测定电池的内阻。其内阻值可以在25℃的条件下充电到电池所定的SOC之后，继续以从35 ~120A的电流值按所定的时间放电时的电池电压与放电电流的关系中求出。电池的内部电阻是当充放电循环1000次之后，在25℃的环境中与初期容量相比几乎是无变化，但在45℃的环境中电池内阻增加控制在22%以内。因此通过试验可以证明，LVP65电池可长期维持发动机起动所需要的放电性能。接着是日历寿命试验测试环境温度25及45℃时的寿命性能。试验条件分别在各自的环境温度中LVP65电池以70A电池充电至4.025V，接着以相同的电压经15天、30天或90天充电后，再以70A电流放电至2.75V，反复地进行定电压充电寿命试验。其放电容量及电池内阻值的变化示于图8。随着时间的流失，放电容量下降，与试验前放电容量的对比，在经过270天，25℃时放电容量可维持在91%，45℃时放电容量维持在84%。另外，经过270天时，内阻的增加率25℃为4%，45℃为17%。并得知与循环寿命试验结果相同，内阻的变化非常小，性能良好。

图7  LVP65型锂离子电池在25℃（Ο）和 图8  LVP65型锂离子电池在25℃（Ο）和45℃（△）

45℃（△）循环时的充放电循环寿命性能。 及4.025V浮充条件下的日历性能。该电池在

该电池在25℃和45℃以70A充电3小时至 25℃和45℃以70A充电至4.025V。定期检测容

4.025V后以70A放电至2.75V 量以确定在25℃以70A放电至2.75V的条件下

电池保持的容量

3 电池组

3.1  LVP10-7电池

LVP10电池7只串联连接的电池组“LVP10-7”的外观照片及规格分别示于图9及表2。外部电池组的监控装置（BMU)示出电池电压与电池温度，所以每只电池应安装电压检测导线与热敏电阻。另外，为了防止外部设备发生短路时通过短路电流避免外部设备受损，在电池阻内部装有保险丝。

3.2  LVP65-8电池

将LVP65-8电池8只串联连接的电池组“LVP65-8”的外观及规格分别示于图10及表3。在电池组内部附加LVP65电池，还应配备BMU与开关。BMU时常监测电池电压及电池组内部的温度，在检测出异常时备有输出停止充电功能的充电器输出信号功能。这些功能实现了对飞机用电池要求的高可靠性能，附加功能如下。

（1）当电池组发生故障时有自动检测功能

（2）具有过充电等异常模式发生时的双重保护功能

（3）采用接触器的电池组自身具有阻断异常充电的功能。

LVP65-8电池组发动机起动放电时的电压变化示于图11。试验条件是在25℃的环境温度中使LVP65-8电池组以70A的恒电流充电到32.2V，接着继续以相同的电压合计充电3小时后，在环境温度25、0及-18℃的条件下进行15kw的恒电流放电。由图得知，放电时的峰值电流温度越低越大，在-18度时超过650A。但是，在这种低温大电流放电的条件下，本电池组也能维持20V以上的电压，具有良好的起动性能。

4 结语

作为飞机用大型锂离子电池公司开发了10Ah级的“LVP10”及65Ah级的“LVP65”的产品。另外，作为电组开发了“LVP10-7”及“LVP65-8”的产品。这些电池在充电效率、低温放电性能及寿命性能均优，因此，完全（兼备）可以满足飞机用高可靠性能的要求。与传统的用于飞机上的铅蓄电池和镍镉电池相比为轻量化、高性能的产品，因此，可期待本产品将为飞机的燃油效率做贡献。

今后将为本电池搭载在飞机上进行试验对各种性能进行评价，并抽取有关实用化的问题。另外，以改进上述电池性能为目标，加大力度开发适用于飞机用锂离子电池。在本文中所述的“LVP10-7”及 “LVP65-8”的产品运用并搭载在波音公司生产的下一代787型飞机上进行运行试验。