磷酸鐵鋰電池及其新能源汽車啟動(dòng)電源性能分析

陳繼永 盧欣欣

江蘇工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇省南通市 226007

1 前言

磷酸鐵鋰電池具有服務(wù)壽命長(zhǎng)、長(zhǎng)期功率衰減小、能源儲(chǔ)存性能好、充電速度較快等優(yōu)點(diǎn)，將其作為新能源汽車啟動(dòng)電源，一方面可以降低自燃現(xiàn)象發(fā)生率，另一方面能夠解決行駛里程短等問(wèn)題，對(duì)保證新能源汽車持續(xù)駕駛與使用安全具有重要意義，需要相關(guān)行業(yè)企業(yè)提高重視，對(duì)磷酸鐵鋰電池不斷深化研究。

2 磷酸鐵鋰電池概述

2.1 含義

一般將正極材料由磷酸鐵鋰制成的鋰離子電池稱為磷酸鐵鋰電池。通過(guò)對(duì)當(dāng)前市場(chǎng)上的金屬價(jià)格進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)鈷價(jià)格最高且儲(chǔ)量最少，錳、鎳、鐵等價(jià)格相對(duì)較低且儲(chǔ)量較多，對(duì)后三者進(jìn)行分析對(duì)比，發(fā)現(xiàn)使用磷酸鐵鋰做正極材料的電池更便宜一些，故而此類電池開(kāi)始在市場(chǎng)上流行起來(lái)。新能源汽車對(duì)提供動(dòng)力的電池要求是：具備相對(duì)較高的容量，充電與放電循環(huán)性能優(yōu)良，輸出電壓高且穩(wěn)定，使用安全、節(jié)能、環(huán)保，適應(yīng)多種溫度環(huán)境，磷酸鐵鋰電池具有放電功率大、放電電壓相對(duì)平穩(wěn)、不會(huì)自燃和爆炸、充放電循環(huán)次數(shù)多、對(duì)環(huán)境無(wú)污染等優(yōu)勢(shì)，符合新能源汽車對(duì)動(dòng)力電池提出的要求。

2.2 特點(diǎn)

2.2.1 能量密度高

磷酸鐵鋰電池具有較高的能量密度，據(jù)調(diào)查研究顯示，經(jīng)過(guò)我國(guó)技術(shù)專家的深化研究，截止到2018年，采用基本技術(shù)量產(chǎn)的磷酸鐵鋰電池單體能量密度基本穩(wěn)定在160Wh/kg左右，若是借助更加先進(jìn)的技術(shù)工藝支持，單體能量密度甚至可以達(dá)到175Wh/kg—180Wh/kg[1]。

2.2.2 安全性較好

磷酸鐵鋰的化學(xué)表達(dá)式是LiFePO4，其中“P-O”鍵相對(duì)穩(wěn)固，不論是長(zhǎng)期處于高溫環(huán)境下，還是發(fā)生過(guò)充現(xiàn)象，都不會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)崩塌問(wèn)題，故而磷酸鐵鋰電池具有較強(qiáng)的安全性與穩(wěn)定性。此外，即便此類電池在使用時(shí)因?yàn)獒槾袒蚨搪烦霈F(xiàn)燃燒問(wèn)題，也不會(huì)像傳統(tǒng)鋰離子電池一般發(fā)生爆炸，但由于我國(guó)針對(duì)此類電池的研究尚處于發(fā)展階段，所以無(wú)法完全保證高電壓充電環(huán)境下的使用安全。

2.2.3 使用壽命長(zhǎng)

針對(duì)這一優(yōu)點(diǎn)，磷酸鐵鋰電池主要表現(xiàn)在循環(huán)壽命相對(duì)較長(zhǎng)，據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，普通磷酸鐵鋰電池的循環(huán)次數(shù)普遍在2000次左右，有些性能相對(duì)優(yōu)良的型號(hào)循環(huán)次數(shù)能夠達(dá)到3500次，遠(yuǎn)高于過(guò)去常用的三元電池（1000次）。另外，汽車行業(yè)普遍采用的鉛酸電池使用壽命最長(zhǎng)不超過(guò)2年，若是在相同環(huán)境與條件下用磷酸鐵鋰電池，其使用壽命可高達(dá)7年或8年，大大節(jié)省了采購(gòu)成本。

2.2.4 綠色且環(huán)保

通過(guò)對(duì)磷酸鐵鋰電池的構(gòu)成進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)該類電池不含重金屬，稀有金屬含量較少，在毒性驗(yàn)證方面通過(guò)了SGS認(rèn)證，在污染性方面符合PoHS規(guī)定，屬于無(wú)毒無(wú)污染的節(jié)能環(huán)保型電池。在可持續(xù)發(fā)展的綠色理念要求下，我國(guó)將研發(fā)、優(yōu)化、生產(chǎn)磷酸鐵鋰電池列入“863”高科技發(fā)展計(jì)劃，受到國(guó)家的大力支持。由于歐美等國(guó)家要求為車配備無(wú)污染電池，故而將磷酸鐵鋰電池作為新能源汽車的啟動(dòng)電源，有利于增強(qiáng)我國(guó)汽車出口競(jìng)爭(zhēng)力，對(duì)國(guó)家增加經(jīng)濟(jì)收益與提高國(guó)際地位具有積極影響。

3 磷酸鐵鋰電池作為新能源汽車啟動(dòng)電源的性能分析

國(guó)家為了推動(dòng)新能源汽車產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)持續(xù)健康發(fā)展提出了新要求，《規(guī)劃》中要求到2020年我國(guó)新能源汽車要累計(jì)銷售500萬(wàn)輛，產(chǎn)業(yè)規(guī)模要位居世界前列，利用磷酸鐵鋰電池為新能源汽車提供動(dòng)力，有利于增強(qiáng)汽車使用的安全性，在解決行駛里程短、易自燃爆炸、價(jià)格相對(duì)高昂、充電速率較低等性能問(wèn)題方面具有較強(qiáng)優(yōu)勢(shì)，此外磷酸鐵鋰電池還具備傳統(tǒng)鋰電池不具有的瞬間大功率輸出能力，能夠有效降低維護(hù)成本支出，是提高新能源汽車經(jīng)濟(jì)效益的重要保障。

3.1 充放電循環(huán)性能檢測(cè)

本文以+12V/450A條件為例，分析磷酸鐵鋰電池充放電循環(huán)性能。第一，采取HEW型電池作為充放電循環(huán)性能檢測(cè)系統(tǒng)，假設(shè)滿電為1C，普通電壓條件下以8Ah電流進(jìn)行充電，直至充滿；第二，在450A環(huán)境下開(kāi)展循環(huán)放電檢測(cè)，先以5.62C的速度在此條件下放電5秒，擱置大約10分鐘后，再在450A環(huán)境下進(jìn)行二次放電，此后不斷循環(huán)上述動(dòng)作，直到磷酸鐵鋰電池電量全部放完，這個(gè)過(guò)程被稱為100%DOD，即深度循環(huán)；第三，以相同條件將電池再次充滿電，重復(fù)第二步，自此磷酸鐵鋰電池進(jìn)入第二個(gè)深度循環(huán)周期，為了保證得出準(zhǔn)確性與真實(shí)性較強(qiáng)的性能檢測(cè)結(jié)果，此循環(huán)過(guò)程大約要重復(fù)數(shù)百次，如此方能確定磷酸鐵鋰電池的容量保持能力（圖1）與終止電壓保持能力（圖2）[2]。

通過(guò)對(duì)圖1進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)磷酸鐵鋰電池處于+12V/450A條件下時(shí)，即便充放電循環(huán)次數(shù)達(dá)到600次，其容量保持能力仍能達(dá)到85%，具體能量保持?jǐn)?shù)值大致為8×85%=6.86Ah；若是僅循環(huán)到200次，電池的容量保持能力甚至高達(dá)95%，能量保持?jǐn)?shù)值為8×95%=7.60Ah。根據(jù)圖2曲線變化顯示，磷酸鐵鋰電池在充放電循環(huán)200次時(shí)，其終止電壓保持能力變化幅度較??；循環(huán)到350次時(shí)略有下降，但在480次時(shí)明顯提高；越過(guò)500次大關(guān)后開(kāi)始逐漸減弱，但仍能將終止電壓保持在10.50V—11.25V區(qū)間內(nèi)。

圖1 +12V/450A條件下磷酸鐵鋰電池容量保持能力變動(dòng)曲線

圖2 +12V/450A條件下磷酸鐵鋰電池終止電壓保持能力變化曲線

3.2 不同溫度環(huán)境下的啟動(dòng)性能測(cè)試

針對(duì)磷酸鐵鋰電池在不同溫度環(huán)境下的啟動(dòng)性能進(jìn)行測(cè)試，是增強(qiáng)新能源汽車適應(yīng)性的重要保障。本文將25℃視為測(cè)試環(huán)境溫度的基準(zhǔn)點(diǎn)，低溫環(huán)境溫度范圍為25℃—20℃，每5℃是一個(gè)測(cè)試點(diǎn)，基于30min/5℃的速率進(jìn)行測(cè)試溫度變化，測(cè)試時(shí)間為24小時(shí)；為了確保測(cè)試結(jié)果的可靠性，每次循環(huán)結(jié)束后都要保持磷酸鐵鋰電池電量充足；在從低溫測(cè)試過(guò)度到高溫測(cè)試時(shí)，需要將電池放在25℃環(huán)境下一段時(shí)間，主要目的是避免對(duì)后續(xù)試驗(yàn)造成影響。

3.3 充電速率對(duì)電流、電壓變化的影響

現(xiàn)階段，汽車行業(yè)對(duì)新能源汽車進(jìn)行了進(jìn)一步研發(fā)，發(fā)現(xiàn)混合動(dòng)力新能源汽車的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力更強(qiáng)，但此類汽車對(duì)磷酸鐵鋰電池的終止電壓保持精度控制能力提出較高要求，若想保證該電池作為啟動(dòng)電源時(shí)充分發(fā)揮各種優(yōu)勢(shì)，誤差精度必須小于1%，比如HEV型號(hào)的磷酸鐵鋰電池的額定電壓是3.2V，終止電壓為3.65V，如果將精度控制在1%以內(nèi)，那么該電池的終止電壓保持精度允許誤差便要小于0.0365V[3]。假設(shè)，磷酸鐵鋰電池在充電時(shí)處于恒流條件下，此時(shí)的充電電流相對(duì)穩(wěn)定，充電速率不會(huì)因?yàn)橥饨缫蛩匕l(fā)生變化，始終保持在0.2C；隨著充入的電量不斷增加，電壓數(shù)值開(kāi)始上升，直至達(dá)到終止電壓，磷酸鐵鋰電池會(huì)進(jìn)入恒壓狀態(tài)。

在這過(guò)程中，磷酸鐵鋰電池的充電速率（0.2C）保持不變，恒壓狀態(tài)下的數(shù)據(jù)采集間隔為1秒；當(dāng)充電完成后，先將電池靜置約5分鐘，此后以0.2C速率進(jìn)行放電。通過(guò)對(duì)圖3進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)充電末期與放電末期的磷酸鐵鋰電池出現(xiàn)了比較嚴(yán)重的極化現(xiàn)象，靜置的主要原因是降低極化；采用規(guī)定充電電流在恒流模式下對(duì)電池進(jìn)行充電，磷酸鐵鋰電池的端電壓會(huì)呈現(xiàn)出不斷上升現(xiàn)象，當(dāng)電壓上升至3.65V（終止電壓）時(shí)，可以轉(zhuǎn)入恒壓充電模式，此時(shí)充入的電流不斷減少，最終停止在0.2A，充電結(jié)束。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，磷酸鐵鋰電池具有能量密度高、安全性較強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)、綠色且環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行循環(huán)放電性能測(cè)試，發(fā)現(xiàn)此類電池具有優(yōu)良的循環(huán)使用能力，另外磷酸鐵鋰電池可以在常溫、低溫環(huán)境下正常啟動(dòng)，其充電速率也相對(duì)穩(wěn)定，故而將其作為新能源汽車啟動(dòng)電源，可以推動(dòng)汽車行業(yè)持續(xù)發(fā)展。