| 摘要：磷酸铁锂电池基本原理，就是在充、放电的过程中，对应的锂离子在正负极之间来回的嵌脱，完成对负载的供电。磷酸铁锂蓄电池内部的电解质为不流动的六氟磷酸锂，运行时环境温度范围宽，没有记忆效应；比能量较高且具有大电流充放电能力。 |
磷酸铁锂蓄电池在充电过程中，正极中的锂离子（Li+）通过电解质，穿过隔膜向负极迁移；在放电过程中，负极中的锂离子（Li+）通过电解质，穿过隔膜向正极迁移。
一、磷酸铁锂蓄电池的结构
磷酸铁锂蓄电池是由正、负极板（正极为磷酸铁锂材料，负极为石墨材料）、隔膜、电解质、极耳和铝塑膜组成。正负极板是电化学反应的区域；隔膜、电解质提供Li+的传输通道，通过化成等工艺处理后电池极板表面会形成一层致密的SEI膜（也叫固体电解质界面膜）；极耳是在电池导电时使用。橄榄石晶体结构的磷酸铁锂材料作为电池的正极，通过粘结剂附着在铝箔上，为电池的充放电提供Li+；正负极之间是聚乙烯隔膜（或者是聚丙烯和聚乙烯复合隔膜），它把正极与负极隔开，充放电过程中Li+可以通过其孔隙，而电子e-和其它离子不能通过；石墨材料作为电池的负极，通过粘结剂附着在铜箔上，为电池的充电提供孔隙接收嵌入的Li+。电池电解质的电解质是六氟磷酸锂。
二、磷酸铁锂蓄电池的工作原理
电池充电时，Li+从磷酸铁锂材料中迁移到晶体表面，从正极板材料中脱出，在电场力的作用下，进入电解质，穿过隔膜，再经电解液迁移到负极石墨晶体的表面，然后嵌入负极石墨材料中。与此同时，电子流通过正极的铝箔，经极耳、电池极柱、负载、负极极柱、负极耳流向负极的铜箔电极，再经导电体流到石墨负极，使负极的电荷达至平衡。
电池放电时，Li+从石墨晶体中脱嵌出来，进入电解质，穿过隔膜，再经电解质迁移到磷酸铁锂晶体的表面，然后重新嵌入到磷酸铁锂的材料中。与此同时，电子经导电体流向负极的铜箔电极，经极耳、电池负极柱、负载、正极极柱、正极极耳流向电池正极的铝箔电极，然后再经导电体流到磷酸铁锂正极，使正极的电荷达至平衡。
所以磷酸铁锂电池基本原理，就是在充、放电的过程中，对应的锂离子在正负极之间来回的嵌脱，完成对负载的供电。
三、磷酸铁锂电池的特点
磷酸铁锂电池是锂离子电池家族中最安全的一种高比能量电池，其优点主要表现在以下几个方面：（1）超长寿命，磷酸铁锂单体电池的循环寿命长达3000次以上。（2）使用安全，磷酸铁锂电池在短路、过充、挤压、针刺等滥用的条件下仍然是非常安全的。（3）可大电流2C10（A）快速充电。（4）耐高温性能优越，磷酸铁锂电池在﹣20℃～﹢60℃情况下仍然能够正常工作。（5）无记忆效应。（6）绿色环保。（7）具有高比能量特性，磷酸铁锂电池的重量比能量可达到120Wh/kg左右。
四、磷酸铁锂电池的充放电特性
磷酸铁锂电池充电时，可分为恒流充电和恒压充电两个过程，首先是恒流充电，电流一般采用1/3C10（A）电流，必要时可以采用2C10（A）充电，当电池电压达到3.75V时电池转入3.75V恒压充电，直至电流减小至初始充电电流的10%或者为零。所以，对于磷酸铁锂电池而言，如果和开关电源配合使用，其充电过程将变得较为简单，只需要根据电池电压要求设置浮充电压或均充电压即可。
磷酸铁锂电池放电时，电池放电电压非常平稳，一般在3.2V左右，放电后期（主要指剩余的10%容量）的电压变化较快，放电的截止电压一般可以到2.5V左右。另外，环境温度特别是低温对电池的放电容量也会有影响，-20℃的放电容量是常温容量的45%；-10℃放电容量是常温容量的65%；-5℃放电容量是常温容量的80%；0℃的放电容量是常温容量的90%。0℃到20℃的放电容量变化非常小，所以，磷酸铁锂电池的低温性能优于铅酸蓄电池。
五、磷酸铁锂蓄电池安装时应该注意事项
虽然磷酸铁锂蓄电池在出厂时，正负极板都进行了充、放电活化。如果磷酸铁锂蓄电池的安装日期距出厂日期时间较远，磷酸铁锂蓄电池经过长期的自放电，容量必然会有损失，另外磷酸铁锂蓄电池在出厂时一般都是60%左右的荷电量，所以，安装初始时应该对电池组进行补充电。并且，由于单体电池自放电大小的差异，可能会使各电池的端电压出现不均衡。新磷酸铁锂电池组安装前必须测量开路电压，并做好电池测试纪录。用假负载可以对电池组按0.1C10（A）和0.2C5（A）小时率进行的容量试验，此试验也可以不需要接入电池管理系统，只需要将电池组串联起来即可，但是放电过程中必须严格检测电池单体电压，试验时每小时对电池的总电压、放电电流、电池单体电压进行测量和纪录，电池在放电后期每10分钟检测放电电池单体电压低的电池，若有一只电池端电压到2.5V马上停止放电，计算出实际电池放出的容量与蓄电池额定容量是否基本一致，若基本一致证明电池放电试验合格，再对电池进行充电。若放电到终止电压时，电池组放出的容量与额定容量的差别太大（大于15%），说明电池组的出厂容量可能存在问题，应及时联系相关厂家前来处理。
六、影响磷酸铁锂蓄电池的两个主要因素
1、温度对磷酸铁锂蓄电池的影响
温度对磷酸铁锂电池的影响，相对铅酸蓄电池要小很多，特别是在放电的情况下。对同等规格的两种蓄电池进行温度特性测试，磷酸铁锂电池要比密封阀控铅酸电池容量高出20%左右；另外，由于磷酸铁锂材料自身的电化学特性，该电池的低温充电性能稍差，充电温度要求高于0℃以上，否则电池的不可逆容量会随着温度的降低而升高。当然，该电池的高温放电能使非常好的，55℃左右的环境温度下仍然可以较好的循环充放电。
2、间歇浮充电对磷酸铁锂蓄电池的影响
由于磷酸铁锂电池的电解液是有机液体，再加上锂金属是一种非常活泼的元素，所以该电池必须密封。尽管如此，电池在正常的充放电条件下是几乎不产生气体的。所以，即使电池长期处于间歇浮充状态下，电池内部也不会产生较高压力，电池比较安全可靠。另外，通信机房的备用电源是长期处于浮充状态的，对于电池的间歇浮充而言，其电压是长期处于3.65V左右的，这个电压对电池极板和电解质都是比较稳定的状态，所以，磷酸铁锂蓄电池用于通信机房是非常适合的。
七、电池管理系统
虽然磷酸铁锂电池在短路、过充、挤压、针刺等滥用的条件仍然是安全的，但是会对电池的循环寿命造成极大影响。磷酸铁锂电池生产工艺比较复杂，单体电池的一致性差异会比密封阀控铅酸电池大，这就造成电池组在充电后期个别单体电池的电压迅速上升，加之通信机房长期处于无人值守状态，不容易及时发现，从而造成磷酸铁锂电池组寿命减短或者损坏的现象，为了避免以上现象的发生就需要用电池管理系统保障电池的安全可靠。
电池管理系统(BatteryManagementSystem,即BMS)，是电池保护和管理的核心组成部分，不仅要保证电池安全可靠的使用，而且要充分发挥电池的性能和延长使用寿命，作为通信用的后备电能，管理系统在高压直流电源和电池之间起到一个桥梁作用。对电池管理系统的要求必须符合通信电源供电系统的要求，所以电池管理系统的安全管理模式对电池的安全性至关重要。电池管理系统主要包括数据采集单元、计算以及控制单元、均衡单元、控制执行单元和通讯单元。
电池管理系统示意图
电池管理系统的基本作用：
1.监测单体电池的工作状况，例如检测每个单体电池的电压、充放电电流、电池组的环境温度等。
2.保护电池，避免在极端的条件下发生电池寿命缩短和电池损坏。
电池管理系统的主要功能：
1.过压保护
当单体电池充电电压超过允许值时，立即停止充电，断开充电设备与电池组的连接。
2.过放报警
当单体电池放电电压低于警告值时，发出报警提示。
3.过放保护
当单体电池放电电压低于保护值时，立即停止放电，断开用电设备与电池组的连接，并伴有报警提示。
4.过流报警
当电池组输入或者输出的电流超过警告值时，发出报警提示。
5.短路保护
当电池组发生短路时，立即停止放电，断开用电设备与电池组的连接，并伴有报警提示。
6.过温报警
当电池温度或环境温度超过警告值时，发出报警提示。
7.过温保护
当检测到环境温度或电池组内部温度超过保护值时，立即断开充电或者用电设备与电池组的连接，并伴有报警提示。当环境温度或电池组内部温度恢复到允许值后，可通过手动恢复或自动恢复对电池管理的功能，但不影响电池放电功能。
8.估测电池组SOC
SOC(StateOfCharge,电池的荷电状态),即电池剩余电量。保持SOC维持在合理的范围内，防止由于过充或者过放对电池的损伤，随时预报电池的剩余容量。
9.对电池组中的单体电池进行均衡
由于磷酸铁锂电池制造工艺复杂及锂离子的相对活跃性，所以电池组中的单体电池电压就存在不一致的现象。对电池组中的单体电池进行均衡充电，使电池组中单体电池都达到均衡一致的状态，可以有效地延长电池组的使用寿命，大大的提高电池组的工作效率（此功能可以根据用户要求增减）。
评论表单加载中...
