车用磷酸铁锂电池的维护保养方法

2023-04-04侯范晓

科技创新与应用 2023年9期

侯范晓，张磊，陈辉

（96811 部队，浙江江山 324100）

锂离子电池具有工作电压高（是镍镉电池、氢镍电池的3 倍）、比能量大（可达165 Wh/kg，是氢镍电池的3 倍）、体积小、质量轻、循环寿命长、自放电率低、无记忆效应和无污染等众多优点。在锂离子电池中，磷酸铁锂电池比较被看好，这种电池与钴酸锂电池相比能量不及，但是其安全性高，且价格便宜，单体电池的循环次数更是能达到2 000 次，放电稳定[1]。因此，磷酸铁锂电池是目前被十分看好的一种锂离子电池。2019 年以来，随着国家补贴政策的调整，新的研究成果迅速得到转化和应用，磷酸铁锂电池产品能量密度和产品稳定性得到很大提升，在乘用车动力电池市场占有率方面得到较大提升[2]，2021 年中国新能源汽车产量达354.5 万辆，较2020 年增加了217.9 万辆，同比增长159.52%，销量352.1 万辆，较2020 年增加了215.4 万辆，同比增长157.57%[3]，特别是特斯拉Mode13、比亚迪汉和五菱宏光MINIEV 等几款爆款车型均搭载磷酸铁锂电池，大幅带动了磷酸铁锂电池的装机量[4]。

为此使用过程中的电池维护保养问题就显得尤为重要。特别是在当前磷酸铁锂电池理论寿命达7～8 年，而实际寿命却不到5 年的现实使用情况下。

1 磷酸铁锂电池的结构原理

1.1 磷酸铁锂电池的结构

磷酸铁锂电池的结构如图1 所示，左边为正极由橄榄石结构的富锂化合物LiFePO4构成，通过铝箔与电池正极相连；右边为负极由可脱嵌锂的活性材料碳（石墨）构成，通过铜箔与电池的负极相连；中间为电子绝缘体，聚合物隔膜，材质一般为PP/PE/PP（PE 为聚乙烯，PP 为聚丙烯），它把正极与负极隔开，并提供锂离子迁移通道；电池内部充满电解液，电解液可以掺杂多种物质，比如多用磷酸三正丁酯（TBP）等[4]。

图1 电池结构示意图

1.2 磷酸铁锂电池的原理

充电过程：

充电时，在外接电源的作用下，正极处磷酸铁锂化合物中的锂离子（Li+）脱出，进入电解液，穿过隔膜，再经电解液迁移到石墨层晶体层中[5]，同时为保持电荷平衡，正极处等量的电子在经外电路流向负极铜箔，经负极导体进入石墨层，使得负极达到电荷平衡。磷酸铁锂转化成磷酸铁[6]。

放电过程：

放电时，石墨层晶体层中的锂离子（Li+）脱出，经过电解液，透过隔膜，再进入电解液落到磷酸铁锂晶体的表面，而后再次嵌入磷酸铁锂的晶格内[7]，与此同步的是，电子在电场的作用下经外电路流向电池正极的铝箔，而后进入磷酸铁锂正极，使正极达到电荷平衡。磷酸铁转化为磷酸铁锂。

锂离子电池的这种来回“摇椅式”充放电模式，消除了锂枝晶的析出问题，较好地解决了锂离子电池的循环及安全性问题，同时也保留了锂离子电池高电压、高容量和自放电率低等优点，是未来理想的轻型高能动力源[8]。

2 磷酸铁锂电池的特点

磷酸铁锂（LiFePO4）动力电池在充电过程中，Li 离子不断从正极脱出，然后向负极移动；电量即将达到饱和时，Li 离子几乎完全嵌到负极，形成过充电保护电压，因而蓄电池的安全性能和稳定工作能力毋庸置疑。

2.1 主要优点

2.1.1 杰出的高温性能和稳定性

热峰值高，与锰酸锂和钴酸锂的200 ℃热峰值相比，磷酸铁锂热峰值可达350～500 ℃。P-0 键稳固，工作范围广泛（-20～75 ℃），即便在高温或过充时磷酸铁锂也不会像钴酸锂一样结构崩塌发热或是形成强氧化性物质，且磷酸铁锂分解温度高达600 ℃，因此即使电池内部或外部损坏，磷酸铁锂电池也不会燃烧、爆炸，安全性能卓越。

2.1.2 极好的循环寿命和使用体验

经3 500 次循环，其放电容量依然能达到惊人的80%，理论寿命可达7～8 年[8]；成本低廉；传统的镍电池拥有记忆效应（长期不彻底充电、放电，易在电池内留下痕迹，降低电池容量），而磷酸铁锂电池在充电前无需放电，在使用专用充电器情况下，充电设置在1.5C，40 min 即可将电池充满，充电效率更高[9]（图2）。

图2 电池循环性能[8]

2.1.3 重量轻、容量大、环境友好

与同等规格容量的磷酸铁锂电池相比，磷酸铁锂电池的体积缩小了1/3，重量降低了2/3，而能量却提升了2 倍多（市场主流铅酸电池能量密度为40 Wh/kg，磷酸铁锂电池能量密度为90 Wh/kg）。且磷酸铁锂电池符合欧洲ROHS 规定，被认为不含有任何重金属与稀有金属，无毒，无污染，为绿色环保电池。

2.2 主要缺点

2.2.1 低温性能差

在低温0 ℃以下，电池性能下降，电池容量变低。

2.2.2 正极材料振实密度低、一致性差

正极材料振实密度与压实密度很低，影响了锂离子电池的能量密度；而车用磷酸铁锂电池在结构上是由单体电池通过串联或并联的形式来实现不同的电压与容量等级要求的。由于单体电池不可能做到个体间性能完全相同，所以在使用一段时间后，各单体电池之间的性能差异会越来越大。这种个体间差异性的存在，影响到电池的一致性，并使电池的容量变小，寿命缩短（图3）。

图3 磷酸铁锂电池不同温度下放电曲线

3 磷酸铁锂电池的维护保养

任何电池的使用寿命，均与其维护保养有着直接的关系，磷酸铁锂电池常规循环寿命可达2 000 次，使用寿命可达8～10 年，然而当前多数电池却达不到该寿命，原因就在于缺乏正确的维护保养手段。

1）磷酸锂电池不能长时间存放或工作在强静电和强磁场的环境中，否则电池内部的安全保护装置会遭到破坏，甚至失效；也不能长时间存放或工作在高温下，否则会导致电池温度过高，起火或功能失效，进而影响到电池的使用寿命；更不能将电池与腐蚀性物质、原理火源及热源接触。

2）戴上绝缘手套，定期检查电池外壳有无鼓包破损，电池接线束有无松动断裂，电池极柱有无变形损伤等现象，若有及时处理，并每月用气枪对电池箱里面进行除尘，注意勿将其他杂质吹入电池箱内，保养人需穿好防护衣和佩戴劳保眼镜。

3）查看车上显示屏是否有故障报警代码。若有故障代码，则应及时处理故障。

4）查看管理系统电压检测是否准确（查看显示屏上的电压值和实际测量电压值是否一致）、用钳流表测电流是否一致，查看有无故障和通讯是否正常等。测量电压时可以直接用万用表测量采集线头部，注意不能在车辆动态情况下测量电流（危险）[10]。

5）依据技术标准和实际操作环境，检查电池组整体及单体的电压是否在要求范围内，检查电池有无漏电的情况存在；在充电时，检查充电电流是否在一定的要求范围内；充电前确保电池组的低压告警和高压告警在标准范围之内；检测电池组单体电池电压、温度、电流、SOC 信息是否正常并记录下来，如有故障必须及时处理，不能让车辆带故障工作。

6）如果磷酸铁锂电池在使用或充电中发生异常情况，例如变形、发热和异味等应立即将电池从装置中移离或断开充电连接，万不可带故障使用。

7）规格型号不同、新旧程度不同的磷酸铁锂电池组禁止混用。

8）不要故意人为放电，在日常使用中，按照系统电量指示灯提示进行相应的充电操作即可。如果提示充电，仍不充电继续使用，会使得电池过度放电，缩短使用寿命。

一般正常行驶时，如果电量表指示灯和黄灯亮，就应进行充电了。如果只剩下红灯亮，应停止运行，尽快充电，否则电瓶过度放电会严重缩短其寿命。

9）每月对电池进行一次完整的充、放电，以校准电量；如若无法实现，则至少应每季度完成一次完整的充电，每半年完成一次完整的充、放电。充电时充电温度应控制在4～35 ℃[8]。

10）严格按照使用说明书进行充电，充满后即停止充电，切不可满电仍继续充电，形成过度充电，过度充电电池会因为无法吸收电量而过度发热，一旦发热温度超过65 ℃，一定要立即停止充电，否则会引起事故。

11）保护好充电器，不得让充电器经过剧烈的震动，否则其电位器会发生飘移，致使充电状态不稳，影响充电效果；另外在充电时，还需要将充电器置于通风处，便于充电器散热，否则热量不散，严重时会使电器形成损伤。所以，保护好充电器，减少或避免颠簸振动，尽量充电通风[11]。

12）充电前检查充电器插头有无氧化、松动等现象，若有以上现象应及时进行处理，以防止充电时插头发热。