汽車上應用的兩種化學電池介紹

2021-01-20 電子報

汽車行業正快速朝著更加電氣化的方向發展。啟停系統、汽車自動緊急呼叫系統(eCall)和混合動力汽車的部署對先進的電池管理系統提出了更多要求，不僅要安全地為電池充電，還要延長其使用壽命。目前市場上有許多化學電池，這使得為特定應用選擇合適的電池和充電解決方案變得更加困難。
本文介紹了鋰離子(Li-ion)和磷酸鐵鋰(LFP或LiFePO4)電池的特點和充電曲線， 以及能夠從電池獲得最多電量、同時最大限度延長電池壽命和提高可靠性的充電解決方案。
鋰離子電池
鋰離子電池是一種可充電電池，鋰離子在放電時從負極向正極移動，充電時反之。這種電池使用嵌鋰化合物作為電極材料，允許離子移動的電解質和兩個電極是鋰離子電池電芯的基本組成部分。鋰離子電池通常能量高，但功率低。
圖1顯示了一種鋰離子電池的充電曲線。該電池的額定電壓為3.6V，充電截止電壓上限為4.1V，下限為2.2V。鋰離子電池充電必須嚴格遵循廠家建議，以確保可靠性和安全性。通常情況下都不允許在規定電壓範圍和建議溫度範圍之外對電池進行充電。
圖1 鋰離子電池充電曲線
在充電電壓下限和上限之間，通常建議充電電流保持恆定並遵循廠家建議水平，以防電池受損。
在充電電壓低於充電截止電壓的情況下，應以非常低的電流進行充電，通常為正常充電電流的10%或更低。這種情況通常被稱為預充電，建議在電池電量深度耗盡時使用。電池中的有些材料在經過長時間深度放電時可能退化。這種情況下建議進行預充電，以便這些材料恢復。預充電還可以防止因電池內部短路導致電芯電壓低而造成過熱。
以超過最大限額的電壓為電池充電，也會有損電池壽命。短時間過度充電會使電池中的材料退化，並導致電能容量減少和壽命縮短。長時間過度充電會造成金屬鋰沉積於陽極，同時陰極釋放CO2。這個過程會最終導致電池故障和災難性的燃燒事件。
另外，為使電池壽命最大化，電池製造商通常規定要在一定溫度範圍內為電池充電。大多數鋰離子電池在冰點以下充電時，會使陽極上出現金屬鋰沉積。而由於鋰鍍層無法去除，所以會縮短電池壽命。在高溫環境中充電也會縮短電池壽命。根據batteryuniversity.com上公布的研究報告「BU-410：高溫和低溫充電」，鋰離子電池在高溫環境中從0%到100%反覆充放電幾次後容量會大幅減小，某些情況下甚至減小90%以上。
達到廠商建議充電曲線的一種簡單方法是使用專用充電器，如ISL78692鋰離子/鋰聚合物電池充電器，它能以最安全的方式進行最快速充電。ISL78692支持可編程恆定充電電流，並預編程了適合大多數傳統鋰離子電池的上限和下限充電截止電壓。另外它還包括一個電芯溫度監測器，以確保只在一定的溫度範圍內為電池充電，而這個溫度範圍可以用NTC熱敏電阻器編程。
磷酸鐵鋰電池
磷酸鐵鋰(LFP)電池是一種使用納米級LiFePO4材料作為陰極的可充電電池。LFP電池的能量密度低於消費電子產品所用的其它鋰離子電池，但它們具有更長的使用壽命、更高的功率密度，並且更加安全。其陰極使用的納米磷酸鹽技術有助於增加陰極與電解質的接觸面積，有助於實現更快的鋰嵌入，從而實現更大的功率和更高的額定電流。這個特性使LFP成為汽車啟動器電池(需要高峰值功率)的普遍選擇。
LFP電池材料本身和相關化學反應比其它鋰離子電池更穩定，所以即便是操作不當或胡亂使用，LFP電池也不易損壞。其電池材料的化學鍵更強大，使它們更穩定和更耐受極端條件。另外，它們在過度充電時釋放氣體的可能性較小，因而發生起火現象的可能性也小。對於非常重視安全考慮的應用，LFP電池固有的穩健性使它們成為小型後備電池的理想選擇。許多汽車零部件製造商表示這是汽車應用中頻繁選用LFP電池的一個主要原因。

圖2顯示了一種LFP電池的建議充電曲線，它與鋰離子電池的充電曲線非常相似，但其安全充電範圍對應於不同的電芯電壓。該電池的標稱浮充電壓為3.2V，充電截止電壓上限為3.65V，下限為2.5V。和鋰離子電池一樣，在廠家規定的充電電壓閾值上限和下限之外對LFP電池充電也會縮短電池壽命，儘管程度要小很多。在此電壓範圍內，充電電流應保持恆定並在特定電池的建議範圍之內。在此例中，廠家的建議充電電流為400mA - 500mA，以保證電池壽命最大化。與鋰離子電池類似，其充電也應在規定溫度範圍內進行。
圖2 磷酸鐵鋰電池充電曲線
在鋰離子電池和LFP電池中，消費電子產品通常更傾向於選擇能量密度更高的鋰離子電池，所以傳統來講，用於LFP電池的專用充電解決方案較少。不過，由於LFP最近在汽車中的應用，市場上開始出現新的LFP充電器。這些產品為實現LFP電池的建議充電曲線提供了一種簡單的途徑。例如，用於汽車自動緊急呼叫系統(eCall)的Intersil ISL78693單芯LiFePO4電池充電器可進行配置，提供圖2所示的充電曲線，它可以確保電池安全充電。
與ISL78692相似，ISL78693充電器件也支持可編程充電電流，並預配置了針對LFP電池的上限和下限充電截止電壓。它還包括一個可與NTC熱敏電阻器配對的輸入，以確保在限制溫度窗口內為電池充電。ISL78692和ISL78693引腳兼容，允許將鋰離子電池充電解決方案快速遷移到LFP電池，無需重新設計電路板。
總結
汽車電氣化趨勢使設計工程師面臨一套全新的選擇標準，電池應用便是一個開端。雖然LFP電池的充電曲線與鋰離子電池的充電曲線非常相似，但其安全充電範圍對應了不同的電芯電壓。由於LFP電池的固有穩健性，它們對於非常重視安全的小型後備電池eCall應用極具吸引力。許多汽車零部件製造商都表示這是此應用頻繁選用LFP電池的主要原因。如今，全球的汽車製造商紛紛在車對基礎設施(V2I)系統中配備eCall功能。在發生碰撞事故時，eCall系統可通過GPS自動廣播其位置，並聯繫距離最近的24小時緊急呼叫中心尋求幫助。
◇湖北 朱少華 編譯


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