汽车行业正快速朝着更加电气化的方向发展。启停系统、汽车自动紧急呼叫系统(eCall)和混合动力汽车的部署对先进的电池管理系统提出了更多要求,不仅要安全地为电池充电,还要延长其使用寿命。目前市场上有许多化学电池,这使得为特定应用选择合适的电池和充电解决方案变得更加困难。

本文介绍了锂离子(Li-ion)和磷酸铁锂(LFP或LiFePO4)电池的特点和充电曲线, 以及能够从电池获得最多电量、同时最大限度延长电池寿命和提高可靠性的充电解决方案。

锂离子电池

锂离子电池是一种可充电电池,锂离子在放电时从负极向正极移动,充电时反之。这种电池使用嵌锂化合物作为电极材料,允许离子移动的电解质和两个电极是锂离子电池电芯的基本组成部分。锂离子电池通常能量高,但功率低。

图1显示了一种锂离子电池的充电曲线。该电池的额定电压为3.6V,充电截止电压上限为4.1V,下限为2.2V。锂离子电池充电必须严格遵循厂家建议,以确保可靠性和安全性。通常情况下都不允许在规定电压范围和建议温度范围之外对电池进行充电。

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图1:锂离子电池充电曲线。

在充电电压下限和上限之间,通常建议充电电流保持恒定并遵循厂家建议水平,以防电池受损。

在充电电压低于充电截止电压的情况下,应以非常低的电流进行充电,通常为正常充电电流的10%或更低。这种情况通常被称为预充电,建议在电池电量深度耗尽时使用。电池中的有些材料在经过长时间深度放电时可能退化。这种情况下建议进行预充电,以便这些材料恢复。预充电还可以防止因电池内部短路导致电芯电压低而造成过热。

以超过最大限额的电压为电池充电,也会有损电池寿命。短时间过度充电会使电池中的材料退化,并导致电能容量减少和寿命缩短。长时间过度充电会造成金属锂沉积于阳极,同时阴极释放CO2。这个过程会最终导致电池故障和灾难性的燃烧事件。

另外,为使电池寿命最大化,电池制造商通常规定要在一定温度范围内为电池充电。大多数锂离子电池在冰点以下充电时,会使阳极上出现金属锂沉积。而由于锂镀层无法去除,所以会缩短电池寿命。在高温环境中充电也会缩短电池寿命。根据batteryuniversity.com上公布的研究报告“BU-410:高温和低温充电”,锂离子电池在高温环境中从0%到100%反复充放电几次后容量会大幅减小,某些情况下甚至减小90%以上。

达到厂商建议充电曲线的一种简单方法是使用专用充电器,如ISL78692锂离子/锂聚合物电池充电器,它能以最安全的方式进行最快速充电。ISL78692支持可编程恒定充电电流,并预编程了适合大多数传统锂离子电池的上限和下限充电截止电压。另外它还包括一个电芯温度监测器,以确保只在一定的温度范围内为电池充电,而这个温度范围可以用NTC热敏电阻器编程。

磷酸铁锂电池

磷酸铁锂(LFP)电池是一种使用纳米级LiFePO4材料作为阴极的可充电电池。LFP电池的能量密度低于消费电子产品所用的其它锂离子电池,但它们具有更长的使用寿命、更高的功率密度,并且更加安全。其阴极使用的纳米磷酸盐技术有助于增加阴极与电解质的接触面积,有助于实现更快的锂嵌入,从而实现更大的功率和更高的额定电流。这个特性使LFP成为汽车启动器电池(需要高峰值功率)的普遍选择。

LFP电池材料本身和相关化学反应比其它锂离子电池更稳定,所以即便是操作不当或胡乱使用,LFP电池也不易损坏。其电池材料的化学键更强大,使它们更稳定和更耐受极端条件。另外,它们在过度充电时释放气体的可能性较小,因而发生起火现象的可能性也小。对于非常重视安全考虑的应用,LFP电池固有的稳健性使它们成为小型后备电池的理想选择。许多汽车零部件制造商表示这是汽车应用中频繁选用LFP电池的一个主要原因。

图2显示了一种LFP电池的建议充电曲线,它与锂离子电池的充电曲线非常相似,但其安全充电范围对应于不同的电芯电压。该电池的标称浮充电压为3.2V,充电截止电压上限为3.65V,下限为2.5V。和锂离子电池一样,在厂家规定的充电电压阈值上限和下限之外对LFP电池充电也会缩短电池寿命,尽管程度要小很多。在此电压范围内,充电电流应保持恒定并在特定电池的建议范围之内。在此例中,厂家的建议充电电流为400mA - 500mA,以保证电池寿命最大化。与锂离子电池类似,其充电也应在规定温度范围内进行。

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图2:磷酸铁锂电池充电曲线。

在锂离子电池和LFP电池中,消费电子产品通常更倾向于选择能量密度更高的锂离子电池,所以传统来讲,用于LFP电池的专用充电解决方案较少。不过,由于LFP最近在汽车中的应用,市场上开始出现新的LFP充电器。这些产品为实现LFP电池的建议充电曲线提供了一种简单的途径。例如,用于汽车自动紧急呼叫系统(eCall)的Intersil ISL78693单芯LiFePO4电池充电器可进行配置,提供图2所示的充电曲线,它可以确保电池安全充电。

与ISL78692相似,ISL78693充电器件也支持可编程充电电流,并预配置了针对LFP电池的上限和下限充电截止电压。它还包括一个可与NTC热敏电阻器配对的输入,以确保在限制温度窗口内为电池充电。ISL78692和ISL78693引脚兼容,允许将锂离子电池充电解决方案快速迁移到LFP电池,无需重新设计电路板。

总结

汽车电气化趋势使设计工程师面临一套全新的选择标准,电池应用便是一个开端。虽然LFP电池的充电曲线与锂离子电池的充电曲线非常相似,但其安全充电范围对应了不同的电芯电压。由于LFP电池的固有稳健性,它们对于非常重视安全的小型后备电池eCall应用极具吸引力。许多汽车零部件制造商都表示这是此应用频繁选用LFP电池的主要原因。如今,全球的汽车制造商纷纷在车对基础设施(V2I)系统中配备eCall功能。在发生碰撞事故时,eCall系统可通过GPS自动广播其位置,并联系距离最近的24小时紧急呼叫中心寻求帮助。

作者:Theju Bernard,Intersil公司

《电子技术设计》2017年7月刊版权所有,谢绝转载。

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