使用專用充電器來充分發(fā)揮磷酸鐵鋰電池的優(yōu)勢

磷酸鐵鋰 (LiFePO4) 電池采用 LiFePO4 作為電池的陰極材料，并以采用金屬背襯的石墨碳作為陽極材料。這并不算一種新技術(shù)，德克薩斯大學(xué)的研究人員早在 1996 年就提出了這一概念。但是，電化學(xué)電池吸引了廣泛的關(guān)注，因為相對于鋰離子電池而言，它具備諸多優(yōu)勢。這些優(yōu)勢包括更低的成本、無毒、鐵的低獲取門檻以及出色的熱穩(wěn)定性。相比之下，在鋰離子電池中使用的鎳和鈷很難獲得，而且價格昂貴，對環(huán)境的危害更大。

磷酸鐵鋰 (LiFePO4) 電池采用 LiFePO4 作為電池的陰極材料，并以采用金屬背襯的石墨碳作為陽極材料。這并不算一種新技術(shù)，德克薩斯大學(xué)的研究人員早在 1996 年就提出了這一概念。但是，電化學(xué)電池吸引了廣泛的關(guān)注，因為相對于鋰離子電池而言，它具備諸多優(yōu)勢。這些優(yōu)勢包括更低的成本、無毒、鐵的低獲取門檻以及出色的熱穩(wěn)定性。相比之下，在鋰離子電池中使用的鎳和鈷很難獲得，而且價格昂貴，對環(huán)境的危害更大。
此外，LiFePO4 的充電循環(huán)壽命遠高于同等鋰離子電池。根據(jù)電池的使用方式，其壽命可達 1,000 至 10,000 次充電循環(huán)。另外，符合標準的 LiFePO4 電池能夠在至少 2000 次充電循環(huán)內(nèi)，提供至少 80% 的放電容量（或稱為“放電深度”）。而典型鋰離子電池僅能在 300 至 500 次充電循環(huán)內(nèi)保持同樣的放電容量。
LiFePO4 電池還具備其他一些特性，包括可耐受快速充電、低內(nèi)阻能夠支持高放電電流，以及供電電壓非常穩(wěn)定。而且，還可在高溫下很好地工作。
LiFePO4 電池的一個實例是 PSL-FP-IFP2770180EC，這是由 Power Sonic Corporation 提供的一款 3.2 V、25 Ah 電池（圖 1）。

圖 1：與同等鋰離子電池相比，LiFePO4 電池的價格更低，并且充電循環(huán)壽命更高。（圖片來源：Power Sonic Corporation）

但是，直到最近，LiFePO4 電池的一些缺陷仍使之一直無法成為主流。其中的關(guān)鍵缺陷是它的能量密度比鋰離子電池低 15% 至 25%，而且輸出電壓僅為 3.2 V，低于鋰離子電池的 3.7 V。另外，LiFePO4 電池的低溫性能不佳，與更穩(wěn)定的鋰離子電池相比，通常需要更多保養(yǎng)和保護。
LiFePO4 能量密度的改進
最近 LiFePO4 電池能量密度的改進使其適用于更多的設(shè)備。雖然它們不太可能在手機或筆記本電腦等產(chǎn)品中取代鋰離子電池，但在空間更大、更注重低成本和易回收性的應(yīng)用中，這種電池可能是不錯的選擇。實例包括電動自行車和某些型號的電動汽車 (EV)。例如，特斯拉在 2021 年底宣布將在該公司的入門級車輛中采用 LiFePO4 電池。該公司的電池提供大約 260 Wh/kg 的能量密度，與最好的鋰離子電池不相上下。

圖 2：特斯拉 Model 3 現(xiàn)在采用 LiFePO4 電池。（圖片來源：特斯拉）

在低成本、長壽命、優(yōu)良電氣特性比高能量密度更為重要的應(yīng)用中，設(shè)計人員越來越多地考慮采用 LiFePO4 電池。實例包括無線電控制設(shè)備和便攜式電機驅(qū)動產(chǎn)品，尤其是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 傳感器。
由于只有一群特定的工程師在參與像電動汽車這樣的特別產(chǎn)品的設(shè)計，因此您更可能在這些不太多的應(yīng)用中找到 LiFePO4 電源。
謹慎選擇
鋰離子和 LiFePO4 有一些相似之處。例如，它們的能量都來自于鋰離子運動，這種運動會釋放電子，從而產(chǎn)生電流，為設(shè)備供電。但是，一個重要差別是電池充電方式。LiFePO4 電池具有與鋰離子電池不同的電氣特性，從而改變了充電曲線。這種差異雖不明顯，但為了發(fā)揮 LiFePO4 電池的最大潛力，了解這種差異非常重要。
圖 3 和圖 4 由 Texas Instruments 提供，顯示了典型鋰離子和 LiFePO4 電池的充電曲線。鋰離子電池充電循環(huán)（圖 3）通常采用恒壓 (CV) 模式，但 LiFePO4 電池充電算法（圖 4）不需要這種模式。而是采用快速恒流充電 (CC) 將電池快速充電至過充電壓，然后讓電池“放緩”至較低的浮充電壓閾值。由于不需要恒壓控制，因而大大縮短了充電時間。在充電循環(huán)內(nèi)，內(nèi)部控制回路通常監(jiān)視電源管理 IC (PMIC) 的結(jié)溫，當超過溫度閾值時就會減小充電電流。

圖 3：鋰離子電池的充電分為三個不同的階段。首先，電池以適度的恒流預(yù)充，然后以較高的恒流快充，以快速增加能量。最后，當電池輸出電壓達到充電電壓時，充電曲線會轉(zhuǎn)換到恒壓充電，緩慢充滿電池電量。（圖片來源：Texas Instruments）

圖 4：LiFePO4 電池的充電與鋰離子電池不同。預(yù)充之后，電池使用恒流模式充滿電量。然后，電壓可以第一次“放緩”，再使用小 Top-off 充電方式進行浮充。與鋰離子充電循環(huán)相比，LiFePO4 電池的充電速度更快。（圖片來源：Texas Instruments）

兩種充電曲線的另一個差異是，由于電池化學(xué)原理的不同，LiFePO4 電池的最高充電電壓較低。LiFePO4 電池的最高充電電壓上限為 3.6 V，達到該值之后將回落到 3.5 V，而鋰離子電池的最高電壓限定為 4.1 或 4.2 V。
緊湊型 LiFePO4 電池充電器
LiFePO4 電池使用量的增加，促使芯片公司推出單片 IC，專用于使用經(jīng)過優(yōu)化的充電曲線為這種電池充電。這讓用戶無需重新從頭設(shè)計電源管理電路，就能采用這種技術(shù)。
Texas Instruments 的 BQ25070DQCR LiFePO4 PMIC 就是一個實例。該器件采用 2 x 3 mm 封裝，提供 3.7 V 過充電壓，并在高達 1.2 A 的電流下提供 3.5 V 的浮充電壓。
第二個實例是 MCP73123T-22SI/MF，來自 Microchip Technology。該器件的輸入電壓為 4 至 16 V，最大充電電流為 1.1 A?？焖俪潆?CC 值通過外部電阻器來設(shè)定，介于 130 mA 到上限，具體取決于充電的電池。在高功率或高環(huán)境溫度條件下，MCP73123/223 還會根據(jù)芯片溫度來限制充電電流（圖 5）。

圖 5：Microchip Technology 的 LiFePO4 PMIC 原理圖。連接到 PROG 引腳的電阻器設(shè)定最大充電電流。（圖片來源：Microchip Technology）

第三個解決方案來自 Analog Devices。MAX77787JEWX+ PMIC 工作輸入電壓范圍為 4.5 至 13.4 V，最大充電電流為 3.15 A。快速充電電流和充電終止電壓通過外部電阻器進行配置。這款 2.75 x 2.75 mm 器件同時支持 LiFePO4 和鋰離子電池充電。
結(jié)語
雖然與鋰離子電池相比，在能量密度和電源電壓方面處于劣勢，但 LiFePO4 電池具備充電循環(huán)壽命更高和充電快速的優(yōu)勢。此外，這種電池適合很多成本敏感型應(yīng)用，包括電動汽車和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)傳感器。專門設(shè)計的單片充電器能夠讓用戶輕松而心安理得地利用電池化學(xué)材料，實現(xiàn)充電曲線優(yōu)化，并確保電池的長壽命和可靠性。