军用车辆未来的起动电池——磷酸铁锂电池

何弘瑞，王 桥，贾伟健

(陆军装甲兵学院车辆工程系，北京 100072)

0 引言

陆地车辆对电能的使用越来越频繁。由于陆地车辆配备有更多的电子设备，它们的电能需求也在不断增加，并且很明显它们有限的电能存储能力(即其电池)将在车辆的寿命期间出现供给、存储不足等问题。

本文旨在介绍陆地车辆用电池及其运行方式，并重点将现阶段普遍使用的铅酸电池与磷酸铁锂电池从多个方面进行比较，分析得出相较于铅酸电池，磷酸铁锂电池的优势及将其广泛运用所存在的问题。

1 军用陆地车辆电池现状

目前电能已成为军用陆地车辆大部分功能及内部仪器仪表的主要消耗能源。而电池是目前我国乃至全世界陆军车辆上唯一的电能存储形式;因此，它们构成了这些车辆电气系统的重要组成部分[1]。由于陆地车辆所配备的电子设备(如收音机，监视设备，战斗管理系统，远程武器站和电子战对抗措施)越来越多，军用陆地车辆对电能及电能储备的需求将越来越多。考虑到军用陆地车辆的使用寿命通常在20年以上，预计车辆电池的电能存储能力将在其寿命期间逐渐降低。而电能储存不足时将会抑制各项操作性能，特别是在进行静默观察时。除了为静默观察功能提供电力外，军用陆地车辆上的电池还必须为标准启动功能[2]，照明和点火(SLI)功能提供电力。

改进电池技术以提高军用陆地车辆的各种性能，关键的考虑因素在于提高静默观察的能力、循环寿命以及成本，安全性和温度对电池本身的影响。同时，为了降低开发新电池技术所需的集成开销和成本，选用铅酸电池的直接替代品的电池技术是最贴合实际的[3]。而目前满足这一要求的最有前景的电池技术为锂离子电池的变体：即磷酸铁锂电池技术。与铅酸电池相比，锂离子电池具有更高的功率和能量性能以及更长时间的循环寿命。且由于其更高的能量性能，预计军用陆地车辆的静默观察耐久性可以得到较大提升[4]。

2 电池技术基础

电池是通过氧化还原反应(电化学还原-氧化)将化学能直接转换成电能的装置。电池可以由一个或多个串联，并联或两者连接的电池组成，这取决于所需的输出电压和容量。电池由三个主要部件组成，阳极，阴极和电解质，而隔板也用于机械地分离阳极和阴极。基本电池单元如图1所示[5]。阳极或负电极通常是金属，阴极或正电极通常是金属氧化物。当电池放电时，阳极被氧化并释放电子到外部电路(为连接的负载提供电力)，而阴极接受来自该外部电路的电子并被还原。阳极和阴极的电位变化并且是电分离的，但通过电解质保持离子连接。电解质可以是液体，凝胶型聚合物或固体，并提供用于在阳极和阴极之间作为离子转移电荷的介质[6]。离子可以区分为阴离子(在充电和放电期间朝向阳极行进的那些)和阳离子(朝向阴极行进的那些)。在可充电电池中，当电池正在充电时，阳极和阴极处的反应以及离子和电子的流动反向。

图1 电池基本原理

3 磷酸铁锂电池与铅酸电池的对比

3.1 一些基本性质的对比

相较于普通的铅酸电池，磷酸铁锂电池的体积小、重量轻、能量密度大,当把电池运输至战场时，电池的重量就成了一项运输负担。而磷酸铁锂电池的重量仅有铅酸电池重量的一半，能够极大地减轻储运负担，大大降低车载电池使用所带来的后勤保障、维修保养的负担[7]。其次，铅酸电池作为一项已经成熟的电池技术，其能量密度一般在40 Wh/kg左右，而磷酸铁锂电池的能量密度最低也有85 Wh/kg,最高能达到130 Wh/kg。然后是磷酸铁锂电池的使用寿命：长寿命铅酸电池的循环寿命在300次左右，最高也就500次，而磷酸铁锂动力电池，循环寿命达到2 000次以上。由于军用起动电池必须在储存和使用上均具有较长的寿命，且磷酸铁锂电池在低电荷状态下仍具有更多的可用能量，因此经过长时间的存储后它仍有可能起动发动机。最后是关于污染方面，磷酸铁锂电池一般被认为是不含任何重金属与稀有金属(镍氢电池需稀有金属)，无毒(SGS认证通过)，无污染，符合欧洲RoHS规定，为绝对的绿色环保电池证。这就为其加工生产和回收处理过程省去了很多不必要的麻烦。

3.2 电压随电池电荷状态的变化

起动电池通常是用它在额定电压下提供电流的能力来评价。在更换化学电池时，需要注意的一点是电池在放电过程中的电压实际上不是常数。铅酸电池(及锂氧化物电池)是随着其电荷状态的减少其电压是降低的。这就导致电池随着其电荷状态(和电压)的降低，其可用能量也越来越少。而磷酸铁锂电池表现出这种现象的程度要小得多。如图2所示，磷酸铁锂电池的电压随SOC变化的曲线在其整个电荷状态中几乎是平的。这导致在整个的电池使用过程中有更多的能量可用[8]。

图2 不同化学电池的电压与电荷状态关系曲线

3.3 Peukert效应

铅酸蓄电池容量通常以C/20率来定级，或以需要20小时耗尽电池电荷的电流载荷来定级。磷酸铁锂电池所表现出的这种效应的程度要比铅酸电池要小得多。当车辆的动力载荷以更高的速率从电池获得能量时，磷酸铁锂电池提供的容量要比铅酸电池提供的高，它相当于C/20率的容量[9]。

对于额定容量为120 Ah(C/20率)的铅酸电池，当以120A电流放电时，其提供的容量为80 Ah～90 Ah(大约是额定容量的75%)。而同样容量的磷酸铁锂电池，当以120A电流放电时，将提供114Ah的容量，为额定容量的95%[10]。

随着静默观察载荷的增加，电池额定容量的可用能量变得非常重要，并需要考虑Peukert效应。同样容量的不同电池将不一定能提供同样的性能。

表1 相同额定容量下两种电池实际容量对比

3.4 电池管理

磷酸铁锂电池拥有更加主动的电池管理系统。这会增加电池组的复杂程度，但也意味着电池管理系统的电子器件可以成为电池的一部分。只要电池供应商将这些封装在6T空间要求内，就可实现在不增加硬件的条件下电池的信息就可用于车辆的CAN网络[11]。

军用陆地车辆电池管理系统对于战斗人员来说是非常重要(如图3所示)，它能准确将车辆当前电池信息及时反馈至监控中心，这些信息与当前车辆电池能维持静默观察多长时间以及在观察结束后是否还有能力起动车辆息息相关。

图3 电池管理系统结构示意图[12]

通过电池管理系统能够提供给车辆的典型信息包括：

1) 电池的电荷状态；

2) 电池的健康状况(目前的容量)；

3) 电池可提供的最大放电电流；

4) 电池可承受的最大充电电流；

5) 电池温度；

相关的信息及其格式可以定制并且依据需要可以提供给车辆。

以静默观察能力为重点的车辆，如侦查车辆，由于具有很强的静默侦查能力所以它从电池中获得的能量最多。除了静默观察外，磷酸铁锂电池管理系统还能为指战员提供有关他们的电池的当前可用电荷以及当前健康状况的更多信息[13]。

4 磷酸铁锂电池的使用展望

在过去的10～15年中，锂离子电池技术已发展成为广泛应用的主要二次电池技术之一。这是由于包括电极材料和电池设计在内的许多方面的改进。锂离子电池现在在便携式电子设备和电动工具中非常普遍，因为它具有许多理想的特性(例如高能量和高循环寿命)，并且随着电动汽车的出现，它们在车辆中的使用越来越多[5](例如雪佛兰Volt，日产Leaf，特斯拉跑车)。

最近德国的研究人员正在开发具有极高循环寿命的磷酸铁锂电池，最高可达12000个循环，容量保持率可达80%[14]。他们的研究重点是改善电极制造工艺，减少循环过程中电极厚度的变化，以提高电池的循环寿命(如图4所示)。

图4 德国Mainz-Kastel实验室

现如今我国军用车辆的起动电池通常是依据NATO 6T模式制造的，提供12V动力。车辆通常使用28V总线，所以它们要使用两块12V电池串联，然后根据需要再将这些串联的电池并联以增加容量[15]。美军标准MIL-PRF-32143中有这些电池设计的要求。作为战场电池可行的替代产品的磷酸铁锂电池也应遵守MIL-PRF-32143中的这些要求，并且能够用于串联和并联组合以达到与车辆需求更加匹配的电池容量。

5 结论

磷酸铁锂电池是一种有广泛商业应用的化学电池，并且已经为战场应用做好了准备[16]。虽然磷酸铁锂电池目前还存在造价高，一致性差等问题，但相较于能满足多种军事性能和复杂的环境要求且在功率密度、延长电池寿命、更强的静默观察能力与电荷状态、可用于指战员的诊断与诊断信息等许多优点，磷酸铁锂电池在未来战场上、尤其是未来军用陆地车辆上拥有广泛的运用前景。