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如何为磷酸铁锂可充电电池充电?

时间:2018-11-21 作者:Victor Chertakovsky,Essence Group硬件工程师 阅读:
磷酸铁锂电池比一般的锂离子电池更安全,具有可提供5~100AH容量的一系列大电芯尺寸,比传统电池具有长得多的循环寿命。不过,在为其充电时,仍有些事项须注意…
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磷酸铁锂(LiFePO4)电池比一般的锂离子电池更安全,具有可提供5~100AH容量的一系列大电芯尺寸,比传统电池具有长得多的循环寿命。其中,圆柱形磷酸铁锂电池是所有系列中最热门的产品之一,它们具有许多优异功能:iPAEETC-电子工程专辑

●高能量密度,270~340Wh/L;这意味着工作时间长。iPAEETC-电子工程专辑

●稳定的放电电压。iPAEETC-电子工程专辑

●同一批次不同电芯之间的良好一致性。iPAEETC-电子工程专辑

●循环寿命长,2,000次充放电后,还剩余80%容量。iPAEETC-电子工程专辑

●快速充电,可在1小时内完成充电。iPAEETC-电子工程专辑

●安全和耐高温性能。iPAEETC-电子工程专辑

磷酸铁锂是一种锂离子电池,因为能量以相同方式储存,它移动和储存锂离子而不是锂金属。这些电芯和电池不仅具有高容量,且可提供高功率。目前,大功率磷酸铁锂电池现已成为现实,它们可用作储能单元或电源。iPAEETC-电子工程专辑

此外,磷酸铁锂电池是有史以来生命力最旺盛的电池之一。实验室的测试数据显示,它具有最多2,000次充/放电循环,这是由于磷酸铁极其坚固的晶体结构,其在充放电期间不会因锂离子的反复嵌入和脱嵌而分解。iPAEETC-电子工程专辑

20181121-LiFePO4-1.jpgiPAEETC-电子工程专辑

表1 磷酸铁锂电池充放电主要参数。iPAEETC-电子工程专辑

虽然含有锂钴氧化物(LiCoO2)的小容量锂离子(聚合物)电池提供了最佳的质量能量密度和体积能量密度,但锂钴氧化物非常昂贵,且对大容量锂离子电池不安全。最近,磷酸铁锂已成为大容量和高功率应用商用锂离子(和聚合物)电池材料的“最佳选择”,如用于笔记本电脑、电动工具、电动轮椅、电动自行车、电动汽车和电动巴士。iPAEETC-电子工程专辑

磷酸铁锂电池具有混合特性:它与铅酸电池(LA Battery)一样安全,也与锂离子电池一样强大。以下列出含有磷酸铁锂的大规格锂离子(和聚合物)电池的优点。iPAEETC-电子工程专辑

常规充电

在传统的锂离子充电过程中,含有磷酸铁锂的常规锂离子电池需要两个步骤才能充满电。iPAEETC-电子工程专辑

步骤1:使用恒流(CC)充电、达到约60~70%的充电状态(SOC);当每个电芯的充电电压达到3.65V时(这是有效充电电压的上限),进入步骤2,恒压(CV)充电。从CC转到CV意味着充电电流受到电池在该电压下可接受电流的限制,因此,充电电流逐渐减小,就像透过电阻为电容充电一样,电压渐渐达到最终值。iPAEETC-电子工程专辑

用时间计算的话:步骤1(60~70%的SOC)需要约一到两个小时;步骤2(30~40%的SOC)也是需要两小时左右。iPAEETC-电子工程专辑

由于可在不分解电解质的情况下对磷酸铁锂电池施加过电压,因此可以仅透过CC的步骤1来充电以达到95%的SOC,或利用CC+CV充电以获得100%的SOC。这与铅酸电池安全强制充电方式类似,最短总充电时间约为两小时。iPAEETC-电子工程专辑

20181121-LiFePO4-2.jpgiPAEETC-电子工程专辑

图1 电池充电过程。iPAEETC-电子工程专辑

大的过充电容差和更安全的性能

锂钴氧化物电池具有很窄的过充电容差,在每电芯4.2V充电电压值之上约0.1V,这也是充电电压的上限。超过4.3V的连续充电不是减损电池性能(例如缩短循环寿命),就是导致火灾或爆炸。iPAEETC-电子工程专辑

磷酸铁锂电池具有比其每个电芯3.5V的充电电压、宽得多的约0.7V的过充电容限。一个磷酸铁锂电池的每个电芯可以安全地过充电到4.2V,但更高的电压将开始分解有机电解质。然而,通常使用铅酸电池充电器为12V 4电芯串联电池组充电,无论是交流供电还是使用汽车的交流发电机,这些充电器的最大电压为14.4V。它可正常工作,但铅酸充电器会将浮充电压降低到13.8V,因此通常会在磷酸铁锂电池组达到100%满量前停止充电,因此,需要特殊的磷酸铁锂充电器才能可靠地达到100%的容量。iPAEETC-电子工程专辑

由于安全系数增加,这些电池组是大容量和高功率应用的首选。从大的过充电容差和安全性能的角度来看,磷酸铁锂电池类似铅酸电池。iPAEETC-电子工程专辑

20181121-LiFePO4-3.jpgiPAEETC-电子工程专辑

图2 磷酸铁锂电池与铅酸电池的充电过程对比。iPAEETC-电子工程专辑

能量密度比铅酸电池高三倍

铅酸电池是含水系统。放电时,额定单电芯电压为2V。铅是重金属,其比容量(specific capacity)仅为44Ah/kg。相比之下,磷酸铁锂电池是非水系统,在放电时,具有3.2V的额定电压。其比容量超过145Ah/kg。因此,磷酸铁锂电池的重量能量密度为130Wh/kg,是铅酸电池(35Wh/kg)的四倍,高三倍的能量密度使磷酸铁锂电池在技术用途上比铅酸电池更受青睐。iPAEETC-电子工程专辑

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图3 磷酸铁锂电池与铅酸电池放电过程对比。iPAEETC-电子工程专辑

成本更低

磷酸铁锂电池具有的较大过充电容差和自平衡特性,可简化电池保护及均衡电路板设计,降低了成本。一步完成的充电过程允许使用更简单的传统充电器为磷酸铁锂电池充电,而不是非得使用昂贵的专业锂离子电池充电器。iPAEETC-电子工程专辑

更长的循环寿命

与循环寿命为400次的锂钴氧化物电池相比,磷酸铁锂电池的循环寿命延长至2,000次。iPAEETC-电子工程专辑

高温性能

锂钴氧化物电池在高温(例如60℃)下工作是很危险的。然而,磷酸铁锂电池在高温下可工作得更好,由于更高的锂离子电导率,它可提供额外的10%容量。iPAEETC-电子工程专辑

磷酸铁锂电池主要优点包括:iPAEETC-电子工程专辑

●与镍基可充电电池(与其他锂离子电池不同)一样,磷酸铁锂电池的放电电压非常稳定。放电期间电压保持在3.2V左右,直到电芯耗尽。iPAEETC-电子工程专辑

●这样可以让电芯在充分放电之前提供几乎全部功率。iPAEETC-电子工程专辑

●它可以大大简化甚至消除对稳压电路的需求。iPAEETC-电子工程专辑

●误操作时(特别是在充电过程中),锂铁磷酸盐电芯极难点燃,尽管任何完全充电的电池只能将过充电的能量作为热量耗散。因此,仍然可能因误用导致电池故障。通常情况下磷酸铁锂电池在高温下不会分解。iPAEETC-电子工程专辑

●磷酸铁锂电芯的容量损失率(或更长的储存寿命)比锂离子电池化学品(如锂钴氧化物的钴或LiMn2O4的锰)慢。iPAEETC-电子工程专辑

●因为磷酸铁锂的能量密度下降较慢,在货架上放置一年后,磷酸铁锂电池通常具有与锂钴氧化物锂离子电池大致相同的能量密度。iPAEETC-电子工程专辑

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