磷酸鐵鋰電池及其新能源汽車啟動電源性能分析

陳繼永 盧欣欣

江蘇工程職業技術學院 江蘇省南通市 226007

1 前言

磷酸鐵鋰電池具有服務壽命長、長期功率衰減小、能源儲存性能好、充電速度較快等優點，將其作為新能源汽車啟動電源，一方面可以降低自燃現象發生率，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駕駛與使用安全具有重要意義，需要相關行業企業提高重視，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。通過對當前市場上的金屬價格進行分析，發現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，對后三者進行分析對比，發現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，充電與放電循環性能優良，輸出電壓高且穩定，使用安全、節能、環保，適應多種溫度環境，磷酸鐵鋰電池具有放電功率大、放電電壓相對平穩、不會自燃和爆炸、充放電循環次數多、對環境無污染等優勢，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，據調查研究顯示，經過我國技術專家的深化研究，截止到2018年，采用基本技術量產的磷酸鐵鋰電池單體能量密度基本穩定在160Wh/kg左右，若是借助更加先進的技術工藝支持，單體能量密度甚至可以達到175Wh/kg—180Wh/kg[1]。

2.2.2 安全性較好

磷酸鐵鋰的化學表達式是LiFePO4，其中“P-O”鍵相對穩固，不論是長期處于高溫環境下，還是發生過充現象，都不會出現結構崩塌問題，故而磷酸鐵鋰電池具有較強的安全性與穩定性。此外，即便此類電池在使用時因為針刺或短路出現燃燒問題，也不會像傳統鋰離子電池一般發生爆炸，但由于我國針對此類電池的研究尚處于發展階段，所以無法完全保證高電壓充電環境下的使用安全。

2.2.3 使用壽命長

針對這一優點，磷酸鐵鋰電池主要表現在循環壽命相對較長，據調查數據顯示，普通磷酸鐵鋰電池的循環次數普遍在2000次左右，有些性能相對優良的型號循環次數能夠達到3500次，遠高于過去常用的三元電池（1000次）。另外，汽車行業普遍采用的鉛酸電池使用壽命最長不超過2年，若是在相同環境與條件下用磷酸鐵鋰電池，其使用壽命可高達7年或8年，大大節省了采購成本。

2.2.4 綠色且環保

通過對磷酸鐵鋰電池的構成進行分析，發現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認證，在污染性方面符合PoHS規定，屬于無毒無污染的節能環保型電池。在可持續發展的綠色理念要求下，我國將研發、優化、生產磷酸鐵鋰電池列入“863”高科技發展計劃，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，有利于增強我國汽車出口競爭力，對國家增加經濟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業實現持續健康發展提出了新要求，《規劃》中要求到2020年我國新能源汽車要累計銷售500萬輛，產業規模要位居世界前列，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優勢，此外磷酸鐵鋰電池還具備傳統鋰電池不具有的瞬間大功率輸出能力，能夠有效降低維護成本支出，是提高新能源汽車經濟效益的重要保障。

3.1 充放電循環性能檢測

本文以+12V/450A條件為例，分析磷酸鐵鋰電池充放電循環性能。第一，采取HEW型電池作為充放電循環性能檢測系統，假設滿電為1C，普通電壓條件下以8Ah電流進行充電，直至充滿；第二，在450A環境下開展循環放電檢測，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環境下進行二次放電，此后不斷循環上述動作，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；第三，以相同條件將電池再次充滿電，重復第二步，自此磷酸鐵鋰電池進入第二個深度循環周期，為了保證得出準確性與真實性較強的性能檢測結果，此循環過程大約要重復數百次，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進行分析，發現當磷酸鐵鋰電池處于+12V/450A條件下時，即便充放電循環次數達到600次，其容量保持能力仍能達到85%，具體能量保持數值大致為8×85%=6.86Ah；若是僅循環到200次，電池的容量保持能力甚至高達95%，能量保持數值為8×95%=7.60Ah。根據圖2曲線變化顯示，磷酸鐵鋰電池在充放電循環200次時，其終止電壓保持能力變化幅度較小；循環到350次時略有下降，但在480次時明顯提高；越過500次大關后開始逐漸減弱，但仍能將終止電壓保持在10.50V—11.25V區間內。

圖1 +12V/450A條件下磷酸鐵鋰電池容量保持能力變動曲線

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 不同溫度環境下的啟動性能測試

針對磷酸鐵鋰電池在不同溫度環境下的啟動性能進行測試，是增強新能源汽車適應性的重要保障。本文將25℃視為測試環境溫度的基準點，低溫環境溫度范圍為25℃—20℃，每5℃是一個測試點，基于30min/5℃的速率進行測試溫度變化，測試時間為24小時；為了確保測試結果的可靠性，每次循環結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℃環境下一段時間，主要目的是避免對后續試驗造成影響。

3.3 充電速率對電流、電壓變化的影響

現階段，汽車行業對新能源汽車進行了進一步研發，發現混合動力新能源汽車的市場競爭力更強，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揮各種優勢，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，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，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定，充電速率不會因為外界因素發生變化，始終保持在0.2C；隨著充入的電量不斷增加，電壓數值開始上升，直至達到終止電壓，磷酸鐵鋰電池會進入恒壓狀態。

在這過程中，磷酸鐵鋰電池的充電速率（0.2C）保持不變，恒壓狀態下的數據采集間隔為1秒；當充電完成后，先將電池靜置約5分鐘，此后以0.2C速率進行放電。通過對圖3進行分析，可以發現充電末期與放電末期的磷酸鐵鋰電池出現了比較嚴重的極化現象，靜置的主要原因是降低極化；采用規定充電電流在恒流模式下對電池進行充電，磷酸鐵鋰電池的端電壓會呈現出不斷上升現象，當電壓上升至3.65V（終止電壓）時，可以轉入恒壓充電模式，此時充入的電流不斷減少，最終停止在0.2A，充電結束。

4 結束語

綜上所述，磷酸鐵鋰電池具有能量密度高、安全性較強、使用壽命長、綠色且環保等優點，通過對其進行循環放電性能測試，發現此類電池具有優良的循環使用能力，另外磷酸鐵鋰電池可以在常溫、低溫環境下正常啟動，其充電速率也相對穩定，故而將其作為新能源汽車啟動電源，可以推動汽車行業持續發展。