針對(duì)汽車安全應(yīng)用高性能高壽命的充電解決方案

作者：Theju Bernard

汽車行業(yè)正快速朝著更加電氣化的方向發(fā)展。啟停系統(tǒng)的部署、汽車自動(dòng)緊急呼叫系統(tǒng)（eCall）和混合動(dòng)力汽車對(duì)先進(jìn)電池管理系統(tǒng)提出了更多要求，不僅要安全地為電池充電，還要延長其使用壽命。目前市場(chǎng)上有許多化學(xué)電池，這使得為特定應(yīng)用選擇合適的電池和充電解決方案變得更加困難。

本文介紹了鋰離子（Li-ion）和磷酸鐵鋰（LFP或LiFePO4）電池，包括其特點(diǎn)和充電曲線。另外還介紹了能夠從電池獲得最多電量，同時(shí)最大限度延長電池壽命和提高可靠性的充電解決方案。

鋰離子電池

鋰離子電池是一種可充電電池，鋰離子在放電時(shí)從負(fù)極向正極移動(dòng)，充電時(shí)反之。這種電池使用嵌鋰化合物作為電極材料。允許離子移動(dòng)的電解質(zhì)和兩個(gè)電極是鋰離子電池電芯的基本組成部分。鋰離子電池通常能量高，但功率低。

圖1顯示了一種鋰離子電池的充電曲線。該電池的額定電壓為3.6V，充電截止電壓上限為4.1V，下限為2.2V。鋰離子電池充電必須嚴(yán)格遵循廠家建議，以確?？煽啃院桶踩?。通常情況下都不允許在規(guī)定電壓范圍和建議溫度范圍之外對(duì)電池進(jìn)行充電。

在充電電壓下限和上限之間，通常建議充電電流保持恒定并遵循廠家建議水平，以防電池受損。

在充電電壓低于充電截止電壓的情況下，應(yīng)以非常低的電流進(jìn)行充電，通常為正常充電電流的10%或更低。這種情況通常被稱為預(yù)充電，建議在電池電量深度耗盡時(shí)使用。電池中的有些材料在經(jīng)過長時(shí)間深度放電時(shí)可能退化。這種情況下建議進(jìn)行預(yù)充電，以便這些材料恢復(fù)。預(yù)充電還可以防止由于電池內(nèi)部短路導(dǎo)致電芯電壓低而造成過熱。

以超過最大限額的電壓為電池充電，也會(huì)有損電池壽命。短時(shí)間過度充電會(huì)使電池中的材料退化，并導(dǎo)致電能容量減少和壽命縮短。長時(shí)間過度充電會(huì)造成金屬鋰沉積于陽極，同時(shí)陰極釋放CO2。這個(gè)過程會(huì)最終導(dǎo)致電池故障和災(zāi)難性的燃燒事件。

另外，為使電池壽命最大化，電池制造商通常規(guī)定要在一定溫度范圍內(nèi)為電池充電。大多數(shù)鋰離子電池在冰點(diǎn)以下充電時(shí)，會(huì)使陽極上出現(xiàn)金屬鋰沉積。而由于鋰鍍層無法去除，所以會(huì)縮短電池壽命。在高溫環(huán)境中充電也會(huì)縮短電池壽命。根據(jù)batteryuniversity.com上公布的研究報(bào)告“BU-410：高溫和低溫充電”，使鋰離子電池在高溫環(huán)境中從0%到100%反復(fù)充放電幾次會(huì)大幅減小其容量，有些情況下甚至減小90%以上。

達(dá)到廠商建議充電曲線的一種簡單方法是使用專用充電器，如ISL78692鋰離子/鋰聚合物電池充電器，它能以最安全的方式進(jìn)行最快速度充電。ISL78692支持可編程恒定充電電流，并預(yù)編程了適合大多數(shù)傳統(tǒng)鋰離子電池的上限和下限充電截止電壓。另外它還包括一個(gè)電芯溫度監(jiān)測(cè)器，以確保只在一定的溫度范圍內(nèi)為電池充電，而這個(gè)溫度范圍可以用NTC熱敏電阻器編程。

磷酸鐵鋰電池

磷酸鐵鋰（LFP）電池是一種使用納米級(jí)LiFePO4材料作為陰極的可充電電池。LFP電池的能量密度低于消費(fèi)電子產(chǎn)品所用的其他鋰離子電池 ；但它們具有更長的使用壽命、更高的功率密度、并且天生更加安全。其陰極使用的納米磷酸鹽技術(shù)有助于增加陰極與電解質(zhì)接觸面積。這有助于實(shí)現(xiàn)更快的鋰嵌入，從而實(shí)現(xiàn)更大的功率和更高的額定電流。這個(gè)特性使LFP成為汽車啟動(dòng)器電池（需要高峰值功率）的流行選擇。

LFP電池材料和相關(guān)化學(xué)反應(yīng)天生比其他鋰離子電池更穩(wěn)定，所以LFP電池在受到操作不當(dāng)或亂用時(shí)不易損壞。其電池材料的化學(xué)鍵更強(qiáng)大，使它們更穩(wěn)定和更耐受極端條件。另外，它們?cè)谶^度充電時(shí)釋放氣體的可能性較小，因而發(fā)生起火現(xiàn)象的可能性也小。對(duì)于非常重視安全考慮的應(yīng)用，LFP電池固有的穩(wěn)健性使它們成為小型后備電池的理想選擇。許多汽車零部件制造商表示這是汽車應(yīng)用頻繁選用LFP電池的一個(gè)主要原因。

圖2顯示了一種LFP電池的建議充電曲線，它與鋰離子電池的充電曲線非常相似；但應(yīng)注意其安全充電范圍是對(duì)應(yīng)于不同的電芯電壓。該電池的標(biāo)稱浮充電壓為3.2V，充電截止電壓上限為3.65V，下限為2.5V。和鋰離子電池一樣，在廠家規(guī)定的充電電壓閾值上限和下限之外對(duì)LFP電池充電也會(huì)縮短電池壽命，盡管程度要小很多。在此電壓范圍內(nèi)，充電電流應(yīng)保持恒定并在特定電池的建議范圍之內(nèi)。在此例中，廠家的建議充電電流為400mA - 500mA，以保證電池壽命最大化。與鋰離子電池類似，其充電也應(yīng)在規(guī)定溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。

因?yàn)橄M(fèi)電子產(chǎn)品在鋰離子電池和LFP電池中，通常更傾向于選擇能量密度更高的鋰離子電池，所以傳統(tǒng)來講，用于LFP電池的專用充電解決方案較少。不過，由于LFP最近被用于汽車應(yīng)用，所以市場(chǎng)上開始出現(xiàn)新的LFP充電器。這些產(chǎn)品為實(shí)現(xiàn)LFP電池的建議充電曲線提供了一種簡單的途徑。例如，用于汽車自動(dòng)緊急呼叫系統(tǒng)（eCall）的Intersil ISL78693單芯LiFePO4電池充電器可進(jìn)行配置，以提供圖2所示的充電曲線，并具有內(nèi)置的特性來確保電池充電安全。

與ISL78692相似，ISL78693充電器件也支持可編程充電電流，并預(yù)配置了針對(duì)LFP電池的上限和下限充電截止電壓。它還包括一個(gè)可與NTC熱敏電阻器配對(duì)的輸入，以確保在限制溫度窗口內(nèi)為電池充電。ISL78692和ISL78693引腳兼容，從而允許將鋰離子電池充電解決方案快速遷移到LFP電池，無需重新設(shè)計(jì)電路板。

總結(jié)

汽車電氣化趨勢(shì)使設(shè)計(jì)工程師面臨一套全新的選擇標(biāo)準(zhǔn)，電池的終端應(yīng)用首當(dāng)其沖。雖然LFP電池的充電曲線與鋰離子電池的充電曲線非常相似，但其安全充電范圍對(duì)應(yīng)了不同的電芯電壓。由于LFP電池的固有穩(wěn)健性，它們對(duì)于非常重視安全的小型后備電池eCall應(yīng)用是很有吸引力的選擇。許多汽車零部件制造商都表示這是此應(yīng)用頻繁選用LFP電池的主要原因。如今，全球的汽車制造商紛紛在車對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施（V2I）系統(tǒng)中配備eCall功能。在發(fā)生碰撞事故時(shí)，eCall系統(tǒng)可通過GPS自動(dòng)廣播其位置，并聯(lián)系距離最近的24小時(shí)緊急呼叫中心尋求幫助。了解更多有關(guān) ISL78693/92信息，請(qǐng)瀏覽。

關(guān)于作者

Theju Bernard是瑞薩電子株式會(huì)社子公司Intersil的汽車產(chǎn)品首席應(yīng)用工程師，他的專業(yè)領(lǐng)域是汽車功率電子，包括PMIC系統(tǒng)、負(fù)載點(diǎn)同步降壓穩(wěn)壓器、抗輻射（RH）器件、用于機(jī)頂盒的低噪聲模塊（LNB）電源、電池管理IC等。加入Intersil之前，Bernard先生曾供職于Hughes Network Systems、松下、Singamip和Bharat Electronics等公司。他擁有印度邁索爾大學(xué)的電子工程學(xué)士學(xué)位（BSEE）和美國佛羅里達(dá)理工學(xué)院的電子工程碩士學(xué)位（MSEE）。