【应用】为汽车安全应用选择合适的化学电池

时间： 2018-03-18 来源：RENESAS(世强编辑整理) 作者：馨小喵

汽车行业正在迅速走向电气化，启动-停止系统、紧急呼叫远程信息处理（eCall）以及混合动力车辆的部署都促进了对先进的电池管理系统的需求，先进的电池管理系统不仅以安全的方式给电池充电，还可以延长电池使用寿命。由于市场上有许多电池化学品，因此为特定的应用选择合适的电池与充电解决方案显得更为重要。本白皮书主要介绍了锂离子（Li-ion）和磷酸铁锂（LFP或LiFePO₄）的化学成分与充电特性，它还可以识别充电解决方案，从电池获得最大能量，同时最大限度延长电池寿命和可靠性。

（一）锂离子

锂离子在放电期间从负电极移动到正电极并且在充电时移回，因此锂离子电池是一种可充电电池，它利用嵌入锂化合物作为电极材料，具有高能量与低功率。如图1显示了锂离子电池的充电曲线，它具有3.6V的标称电压，上限充电截止电压为4.1V，下限充电截止电压为2.2V。锂离子电池必须根据供应商的建议，在规定的电平和推荐的温度范围之间进行精确充电，以确保可靠性和安全性。

图1 锂离子充电模式

在低电压和高电压之间，充电电流需要保持恒定，且不能超过限制条件以防止电池损坏。而在较低的充电截止电压以下，电池应该用非常低的电流进行充电，一般为高低电压之间使用电流的10％或更少，这被称为电池的预充电，一般建议用于深度耗尽的电池。如果电池经受长时间的深度放电，它内部的某些材料可能会降解，因此可以采用预充电的方法使这些材料恢复。此外，预充电也是一种预防措施，可防止电池因内部短路而导致电池电压过低的情况发生过热。在高于最大充电电压的情况下给电池充电对电池寿命是有害的。短时间的过度充电会降解电池内的材料，导致能量容量降低且寿命缩短，而长时间的过度充电将导致金属锂被镀在阳极上，而阴极释放CO₂，最终导致电池故障甚至燃烧。

此外，为了使电池寿命最大化，电池制造商规定必须在有限的温度范围内进行充电。大多数锂离子电池在冰点以下充电会导致金属锂电镀在阳极上，造成电池寿命缩短，而充电时将电池暴露在高温环境下也会缩短电池寿命。根据 “BU-410：高低温充电”研究所示，在高温情况，锂离子电池从0％到100％充满电只能循环几次，这大大降低了电池的容量。在某些情况下，电池容量甚至会减少90％以上。

一种较好的充电方法就是使用专用充电器，例如RENESAS的子公司Intersil提出的ISL78692锂离子/锂聚合物电池充电器，它可以以最安全的方式完成最快的充电。ISL78692允许可编程的恒定充电电流，并预先设定了充电截止值的上限和下限，它还具备一个电池温度监视器，以确保电池只能在NTC热敏电阻可编程的温度范围内充电。

（二）磷酸铁锂

LFP电池是一种利用纳米级LiFePO₄材料作为阴极的可充电电池。LFP电池虽然能量密度低于消费电子类产品的锂电池，但它的寿命更长、功率密度更好且更安全。在阴极使用的纳米磷酸盐技术有助于增加阴极暴露于电解质的表面积，这允许锂更快的插入从而获得更多的功率和更高的额定电流，该功能也使得LFP成为取代需要高峰值功率的汽车起动器电池的选择。

LFP电池的材料以及相关的化学反应都比其他锂离子化学物质更稳定，所以即使处理不当或误用，LFP电池通常也不会损坏。LFP电池材料中的化学键更强，使其更稳定，并能抵抗极端条件，即使在过量充电时也不太可能释放气体，这也是它广泛用于汽车应用的主要原因。

图2显示了LFP电池的推荐充电曲线，与锂离子电池非常相似，它的额定浮充电压为3.2V，充电截止电压的上限与下限分别为3.65V，与2.5V。与锂离子电池一样，充电时超过规定的电荷阈值会损耗电池寿命，尽管它的程度较轻，通常供应商推荐使用400mA和500mA之间的电流以获得最长的电池寿命。与锂离子电池类似，LFP充电也应在规定的温度范围内进行。

图2 LFP充电配置

LFP电池的专用充电解决方案较少，然而，鉴于最近LFP在汽车应用中的使用，新的LFP充电器正在引入。制造商提供了一个简单的方法来实现LFP电池的推荐充电配置，例如，用于汽车eCall系统的Intersil ISL78693单节LiFePO₄电池充电器具有内置功能以确保电池以安全的方式充电。与ISL78692类似，ISL78693充电器件提供可编程的充电电流，并预先配置了与LFP电池一起使用的充电截止电压的上下限，它还具有一个输入端，当与NTC热敏电阻配对时，允许电池在有限的温度范围内充电。ISL78692和ISL78693都是引脚兼容的，无需重新设计电路板便可以实现锂离子的快速迁移。

（三）结论

汽车的持续电气化为设计者提供了一套全新的选择标准，虽然LFP电池的充电特性与锂离子电池的充电特性非常相似，但安全充电范围是所对应的电池电压不同。能量密度更高的锂离子电池更适合与消费类电子产品，而LFP电池固有的坚固性也使其成为重视汽车安全的eCall应用的一个很好的选择。

技术顾问：采蘑菇的小红帽

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型号- LR6,LR,LR20,LR14,LR03,LR1,6LF22

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描述- 本文介绍了利用电子负载对电池充电器工作过程进行测试的方法。文章详细阐述了电子负载的连接方式、测试过程设计以及测试结果分析。通过使用鼎阳科技的SDL1020X电子负载和SPD3303X直流稳压电源，模拟电池充电过程，验证了电子负载在电池充电器测试中的应用效果。

型号- SDL1020X,SDL1030X,SVA1000X,SDS3000,SDS5000X,SDG6000X,SPD3303X

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描述- 本资料为Maxell公司生产的CLB系列锂离子充电电池的安全数据表。内容包括产品识别、危害识别、成分信息、急救措施、消防措施、泄漏处理、操作与储存、暴露控制、物理化学特性、稳定性与反应性、毒理学信息、生态信息、处置考虑、运输信息和法规信息等。资料强调电池在适当处理和储存条件下通常稳定，但异常加热可能导致危险，并提供了相应的安全措施和应急处理建议。

型号- CLB937,CLB2016,CLB,CLB2032,CLB3032

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Maxell（麦克赛尔） CR系列耐热扣式锂锰电池安全数据手册

描述- 本资料为Maxell公司生产的CR系列锂锰二氧化物电池的安全数据表。内容包括产品识别、危害识别、成分信息、急救措施、消防措施、泄漏处理、操作与储存、暴露控制、物理化学特性、稳定性与反应性、毒理学信息、生态信息、处置条件、运输信息、法规信息和其它信息。资料强调电池的正确使用和储存，以避免潜在的危险。

型号- CR2450HR-EX,CR1220,CR17450,CR2450HR,CR2032,CR2032HR,CR,CR2050HR,CR17450 A,CR1616,CR2032H,CR1216,CR17335 A,CR17335,CR1632,CR17450 AH,CR2016,CR1620,CR2025

2017年08月03日 - MAXELL - 测试报告 - Jan. 2017 代理服务技术支持采购服务