磷酸铁锂电池及充电器分析

　　锂离子电池内部由正极、负极、隔膜及电解质组成。目前市场上的锂离子电池的正极材料主要是氧化钴锂(LICoO2)，另外还有少数采用氧化锰锂(LiMn204)及氧化镍锂(LiniO2)作正极材料的。负极都采用碳(石墨)。新开发的磷酸铁锂电池是一种正极材料用磷酸铁锂(LiFeO4)负极用石墨组成的锂离子电池，它的工作原理与锂离子电池完全相同，是锂离子电池家族中的新成员。

　　磷酸铁锂电池的全名应是磷酸铁锂锂离子电池，简称为磷酸铁锂电池。由于它的性能特别适用于作动力方面的应用，则在名称中加入“动力”两字，称为磷酸铁锂动力电池(以下简称LiFePO4电池)。

　　采用磷酸铁锂作为电池正极材料，不仅仅它的价格低于用钴、镍为原料的正极材料，而且它有极好的放电特性并对环境无污染。

　　LiFePO4电池的结构与工作原理

　　LiFePO4电池的内部结构如下图所示。

左边是橄榄石结构的LiFePO4作电池的正极，由铝箔与电池的正极连接)中间是聚合物隔膜，它把正极与负极隔开，但锂离子Li+可以道过隔膜而电子e-不能通过。右边是由始(石墨)组成的电池负极，由铜箔与电池的负极连接。电池的上下之间是电池的电解质，电池由金属外壳密闭封装。

　　LiFePO4电池在充电时，正极中的锂离子Li+通过聚合物隔膜向负极迁移；LiFePO4电池在放电时，则负极中的锂离子Li+又通过隔膜向正极迁移，锂离子电池就是因在充、放电过程中Li+来回迁移这一特点来命名的。

　　LiFePO4电池主要性能 　　LiFePO4电池的标称电压是3.2V、终止充电电压是3.6V±0.O5V，终止放电电压是2.OV。 　　磷酸铁锂电池主要参数的性能如下表所示。 磷酸铁锂动力电池性能与其它电池性能的比较       电池种类 一般锂离子电池 锂离子动力电池 磷酸铁锂动力电池 　 单位或测试条件 参数 标称电压 3.6或3.7 3.6或3.7 3.2 1.2 V 工作电压范围 4.2-3.0 4.2-3.0 3.3-3.0 1.4-1.0 V 单位质量容量 180 130 130 80 mAh/g 单位重量能量 90-110 60-75 60-75 　 Wh/kg 单位体积能力 280-300 220-240 220-240 　 Wh/L 最佳充电率 0.2-0.5 0.5-1.0 0.5-1.5 　 C 工作者放电率 1 2 2 　 CmA 最大放电率 1.5 5 10 　 CmA 瞬间大电流脉冲 2 10 20 　 CmA(10A) 循环寿命 60%100次 85%300次 　 　 1CmA充电、2CmA放电 大电流放电时循环寿命 - 60%300次 　 　 1CmA充电、5CmA放电 安全 有可能燃烧、爆炸 有可能燃烧、爆炸 　 　 - 零电压 泄漏、损伤 泄漏、损伤 　 　 - 为了与其它可充电电池相比较，表上表中也列入其它电池的性能。这里要说明的是，不同的磷酸铁锂电池生产厂所生产相同型号的电池，在参数上会有一些差别；另外，表1中还有一些电池性能参数未列入)如电池内阻、充放电的温度等。 　　LiFePO4电池的容量有很大的差别：小型的为OX~X安时、中型的为几十安时，大型的为几百安时。这里再介绍一种目前应用较广的小型标准圆柱形LiFePO4电池)其型号为18650（直径为φl8mm，高65www)其参数性能如下表所示。 18650型圆柱体磷酸铁锂动力电池性能 项目 性能 项目 性能 典型容量 1000-1400mAh 最大充电电流 （1-1.5℃）  标称电压     3.2V  一般充电电流 (0.2-0.5)C 终止充电电压 3.6V +- 0.05  最大放电电流     (5-10) C 终止放电电压     2. OV  一般放电电流     (0.5-1) C  内阻  30~80m Ω  工作温度范围   充电：O~45℃*  放电:-20~6O℃ 　　注*有的厂家给出充电温度范围为O~65℃         LiFePO4电池的放电特性
　　一种型号为STL18650的LiFePO4电池(容量为11OOmAh)在不同的放电率时的放电特性如下图所示。 由上图可看出，不管哪一种放电率，其放电过程中电压是很平坦的(电压基本不变，如稳压电源的输出一般)，只有快到终止放电电压时才出现向下弯曲。在0.5C到1OC的放电率范围内，输出电压大部分在3.2V到2.7V之间。这说明该电池有很好放电特性。另外，其它电池不能在1OC下放电，所以为什么称LiFePO4电池为动力电池。 　　STLl8650在不同温度条件下(从-20℃到+40℃)的放电特性曲线如下图所示。 如果在23℃时放电容量为100%，则在0℃时其放电容量降为78%，而在-20℃时则放电容量降到65%,在+40℃放电时，其放电容量略高于100%。从图3看出，STLl8650LiFePO4电池可在-20℃放电)但输出能量要降低35%左右。 　　STLl8650的充放电循环寿命曲线如下图所示。 其充、放电的条件是，以IC充电率充电，以2C放电率放电，经过570次循环后的放电容量未变，说明该电池有很长的寿命(>1000次循环)。 　　LiFePO4电池的特点 　　iFePO4电池的特点：高效率输出。标准放电率为2~5C、连续大电流放电率可达1OC，瞬间脉冲放电(1Os)可达20C；高温性能好)可以用大电流放电，即使操作不当(有过充、过放、电池短路)电池也不会燃烧或爆炸，安全性特别好；极好的循环寿命，经500次循环)其放电容量仍大于95%(若按放电容量降到80%来计，则循环寿命≥1000次）；抗过放电，放电到电池电压为零伏时，电池无伤害，可快速充电0.5C~1.5C；成本低，对环境无污染。 　　LiFePO4电池的应用 　　由于LiFePO4电池具有上述特点，并已成批生产出几百毫安时到200安时的各种不同容量电池，其应用领域甚宽，主要用于：大型电动公交车、电动汽车及轻型电动车(如电动自行车、高尔夫球车、平板电瓶车、铲车、电动轮椅等)，电动工具；遥控车、能及飞机模型和电动玩具；UPS及应急灯、矿灯；便携式电子仪器等。 　　LiFePO4电池充电电路CN3058 　　LiFePO4电池的终止充电电压为3.6V±0.O5V，所以它不能采用一般锂离子充电器来充电。本文介绍上海如韵电子有限公司2007年推出的LiFePO4电池专用充电器IC及其应用电路。   　　CN3058简介 　　CN3058是一种可为单节磷酸铁锂电池进行恒流、恒压充电的充电器IC，充电的电流可设定，最大充电电流为500mA。如果充电的LiFePO4电池有过放电(<2.OV(时，充电器会自动按1/10设定的恒流进行预充电，当电池电压上升到2.O5V以上时，再以设定的大电流恒流充电，当电池电压到达36V时，自动转换成3.6V恒压充电，此时充电电流减小，当充电电流减小到设定恒流的十分之一时，充电结束。充电电路有充电状态指示及充电结束指示。 　　若充电的电池的电压大于2.O5V，则充电器会直接按设定的电流充电，没有预充电阶段。 　　采用CN3058组成的LiFePO4电池充电器的特点是：可以采用USB端口或4.5~6VAC/DC适配器作电源来充电；电源输入电压范围4~6V；当被充电电压低于2.O5V时，有小电流预充电阶段；充电电流可用一外接电阻Riset来设定，最大充电电流为500mA；终止充电电压可达到3.6V±0.O5V精度；另外，外接一个电阻Rvset，则可增加终止充电电压值，使得有可能充4V铅酸电池、3节镍氢电池或单节锂离子电池，扩展了充电器功能；采用精确检测充电电池电压，保证了终止充电电压精度并使电池充得更满；内部有热管理，若因充电电流过大使芯片结温超过115℃时，芯片会自动降低充电电流，提高充电效率也不会损坏充电器；若电源掉电，使Vin与VBAJ之间电压差<20mV时，自动进入省电的睡眠模式；输入电压跌落到3.61V时，输出锁存；有电池温度监测功能；小尺寸SOP-8封装(无铅)。 　　引脚排列与功能 　　CN3058引脚排列如下图所示。 各引脚功能如下表所示。 引脚 符号 功能 1 TEMP 可检测电池温度，一般不用此功能，此端接GND 2 ISET   充电电流设定端，外接一电阻Riset到地 3   GND  电源地 4   VIN  电源输入端，Vin=4~6V 5   BAT  此端接充电电池的正极 6 反向DONE  外接LED，充电结束时 LED 亮 7 反向CHRG  外接 LED 作充电状态指示，充电时 LED 亮 8   FB 电池电压反馈端，它能较精确反馈电池的真实电 压，可保证恒压充电精度及充得更满   　　典型充电器电路

[1] [2]  下一页

本文关键字：电池  充电器  充电电路技术，电源动力技术 - 充电电路技术