陳繼永　盧欣欣

摘 要：在節(jié)能環(huán)保與可持續(xù)發(fā)展要求下，汽車產(chǎn)業(yè)逐漸向新能源汽車發(fā)展，為了保證此類汽車擁有充足的動力源，需要優(yōu)化供能電池應(yīng)用性能。本文簡要概述磷酸鐵鋰電池的含義與特點，重點分析該類電池作為新能源汽車啟動電源呈現(xiàn)出的具體性能與應(yīng)用要求，以期有效強(qiáng)化電池使用安全性，延長新能源汽車行駛時間。

關(guān)鍵詞：磷酸鐵鋰電池;新能源汽車;啟動電源

1 前言

磷酸鐵鋰電池具有服務(wù)壽命長、長期功率衰減小、能源儲存性能好、充電速度較快等優(yōu)點，將其作為新能源汽車啟動電源，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題，對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。通過對當(dāng)前市場上的金屬價格進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)鈷價格最高且儲量最少，錳、鎳、鐵等價格相對較低且儲量較多，對后三者進(jìn)行分析對比，發(fā)現(xiàn)使用磷酸鐵鋰做正極材料的電池更便宜一些，故而此類電池開始在市場上流行起來。新能源汽車對提供動力的電池要求是：具備相對較高的容量，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、放電電壓相對平穩(wěn)、不會自燃和爆炸、充放電循環(huán)次數(shù)多、對環(huán)境無污染等優(yōu)勢，符合新能源汽車對動力電池提出的要求。

2.2 特點

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)過我國技術(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”鍵相對穩(wěn)固，不論是長期處于高溫環(huán)境下，還是發(fā)生過充現(xiàn)象，都不會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)崩塌問題，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因為針刺或短路出現(xiàn)燃燒問題，也不會像傳統(tǒng)鋰離子電池一般發(fā)生爆炸，但由于我國針對此類電池的研究尚處于發(fā)展階段，所以無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

針對這一優(yōu)點，磷酸鐵鋰電池主要表現(xiàn)在循環(huán)壽命相對較長，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，有些性能相對優(yōu)良的型號循環(huán)次數(shù)能夠達(dá)到3500次，遠(yuǎn)高于過去常用的三元電池（1000次）。另外，汽車行業(yè)普遍采用的鉛酸電池使用壽命最長不超過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)省了采購成本。

2.2.4 綠色且環(huán)保

通過對磷酸鐵鋰電池的構(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，在毒性驗證方面通過了SGS認(rèn)證，在污染性方面符合PoHS規(guī)定，屬于無毒無污染的節(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)展計劃，受到國家的大力支持。由于歐美等國家要求為車配備無污染電池，故而將磷酸鐵鋰電池作為新能源汽車的啟動電源，有利于增強(qiáng)我國汽車出口競爭力，對國家增加經(jīng)濟(jì)收益與提高國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電源的性能分析

國家為了推動新能源汽車產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)持續(xù)健康發(fā)展提出了新要求，《規(guī)劃》中要求到2020年我國新能源汽車要累計銷售500萬輛，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、價格相對高昂、充電速率較低等性能問題方面具有較強(qiáng)優(yōu)勢，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

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)境下開展循環(huán)放電檢測，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)上述動作，直到磷酸鐵鋰電池電量全部放完，這個過程被稱為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)入第二個深度循環(huán)周期，為了保證得出準(zhǔn)確性與真實性較強(qiáng)的性能檢測結(jié)果，此循環(huán)過程大約要重復(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]。

通過對圖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，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，其終止電壓保持能力變化幅度較小;循環(huán)到350次時略有下降，但在480次時明顯提高;越過500次大關(guān)后開始逐漸減弱，但仍能將終止電壓保持在10.50V—11.25V區(qū)間內(nèi)。

3.2 不同溫度環(huán)境下的啟動性能測試

針對磷酸鐵鋰電池在不同溫度環(huán)境下的啟動性能進(jìn)行測試，是增強(qiáng)新能源汽車適應(yīng)性的重要保障。本文將25℃視為測試環(huán)境溫度的基準(zhǔn)點，低溫環(huán)境溫度范圍為25℃—20℃，每5℃是一個測試點，基于30min/5℃的速率進(jìn)行測試溫度變化，測試時間為24小時;為了確保測試結(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;在從低溫測試過度到高溫測試時，需要將電池放在25℃環(huán)境下一段時間，主要目的是避免對后續(xù)試驗造成影響。

3.3 充電速率對電流、電壓變化的影響

現(xiàn)階段，汽車行業(yè)對新能源汽車進(jìn)行了進(jìn)一步研發(fā)，發(fā)現(xiàn)混合動力新能源汽車的市場競爭力更強(qiáng)，但此類汽車對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電源時充分發(fā)揮各種優(yōu)勢，誤差精度必須小于1%，比如HEV型號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處于恒流條件下，此時的充電電流相對穩(wěn)定，充電速率不會因為外界因素發(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)值開始上升，直至達(dá)到終止電壓，磷酸鐵鋰電池會進(jìn)入恒壓狀態(tài)。

在這過程中，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。通過對圖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電池進(jìn)行充電，磷酸鐵鋰電池的端電壓會呈現(xiàn)出不斷上升現(xiàn)象，當(dāng)電壓上升至3.65V（終止電壓）時，可以轉(zhuǎn)入恒壓充電模式，此時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

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、綠色且環(huán)保等優(yōu)點，通過對其進(jìn)行循環(huán)放電性能測試，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，其充電速率也相對穩(wěn)定，故而將其作為新能源汽車啟動電源，可以推動汽車行業(yè)持續(xù)發(fā)展。

注：

項目1：本論文為南通市重點實驗室項目《新能源汽車電源技術(shù)重點實驗室》的成果，項目編號：JCZ18065。

項目2：江蘇工院科研計劃項目《農(nóng)用無人機(jī)動力鋰電池在線均衡技術(shù)的研究》的成果，項目編號：GYKY/2016/13。

參考文獻(xiàn)：

[1]張躍強(qiáng)，田君，高洪波，等.商業(yè)化磷酸鐵鋰與三元動力鋰離子電池性能對比分析[J].電子世界，2019（07）：37-39+41.

[2]蔣寧懿，李成章，宋承鵬.大容量磷酸鐵鋰體系高功率電池的設(shè)計研究[J].電源技術(shù)，2017，41（05）：674-677.

[3]倪紅軍，呂帥帥，陳林飛，等.混合動力汽車磷酸鐵鋰電池充放電性能研究[J].化工新型材料，2015，43（01）：133-134.