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        車用磷酸鐵鋰電池的維護(hù)保養(yǎng)方法

        2023-04-04 08:12:20侯范曉
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2023年9期
        關(guān)鍵詞:充電器負(fù)極電解液

        侯范曉,張 磊,陳 輝

        (96811 部隊,浙江 江山 324100)

        鋰離子電池具有工作電壓高(是鎳鎘電池、氫鎳電池的3 倍)、比能量大(可達(dá)165 Wh/kg,是氫鎳電池的3 倍)、體積小、質(zhì)量輕、循環(huán)壽命長、自放電率低、無記憶效應(yīng)和無污染等眾多優(yōu)點(diǎn)。在鋰離子電池中,磷酸鐵鋰電池比較被看好,這種電池與鈷酸鋰電池相比能量不及,但是其安全性高,且價格便宜,單體電池的循環(huán)次數(shù)更是能達(dá)到2 000 次,放電穩(wěn)定[1]。因此,磷酸鐵鋰電池是目前被十分看好的一種鋰離子電池。2019 年以來,隨著國家補(bǔ)貼政策的調(diào)整,新的研究成果迅速得到轉(zhuǎn)化和應(yīng)用,磷酸鐵鋰電池產(chǎn)品能量密度和產(chǎn)品穩(wěn)定性得到很大提升,在乘用車動力電池市場占有率方面得到較大提升[2],2021 年中國新能源汽車產(chǎn)量達(dá)354.5 萬輛,較2020 年增加了217.9 萬輛,同比增長159.52%,銷量352.1 萬輛,較2020 年增加了215.4 萬輛,同比增長157.57%[3],特別是特斯拉Mode13、比亞迪漢和五菱宏光MINIEV 等幾款爆款車型均搭載磷酸鐵鋰電池,大幅帶動了磷酸鐵鋰電池的裝機(jī)量[4]。

        為此使用過程中的電池維護(hù)保養(yǎng)問題就顯得尤為重要。特別是在當(dāng)前磷酸鐵鋰電池理論壽命達(dá)7~8 年,而實(shí)際壽命卻不到5 年的現(xiàn)實(shí)使用情況下。

        1 磷酸鐵鋰電池的結(jié)構(gòu)原理

        1.1 磷酸鐵鋰電池的結(jié)構(gòu)

        磷酸鐵鋰電池的結(jié)構(gòu)如圖1 所示,左邊為正極由橄欖石結(jié)構(gòu)的富鋰化合物L(fēng)iFePO4構(gòu)成,通過鋁箔與電池正極相連;右邊為負(fù)極由可脫嵌鋰的活性材料碳(石墨)構(gòu)成,通過銅箔與電池的負(fù)極相連;中間為電子絕緣體,聚合物隔膜,材質(zhì)一般為PP/PE/PP(PE 為聚乙烯,PP 為聚丙烯),它把正極與負(fù)極隔開,并提供鋰離子遷移通道;電池內(nèi)部充滿電解液,電解液可以摻雜多種物質(zhì),比如多用磷酸三正丁酯(TBP)等[4]。

        圖1 電池結(jié)構(gòu)示意圖

        1.2 磷酸鐵鋰電池的原理

        充電過程:

        充電時,在外接電源的作用下,正極處磷酸鐵鋰化合物中的鋰離子(Li+)脫出,進(jìn)入電解液,穿過隔膜,再經(jīng)電解液遷移到石墨層晶體層中[5],同時為保持電荷平衡,正極處等量的電子在經(jīng)外電路流向負(fù)極銅箔,經(jīng)負(fù)極導(dǎo)體進(jìn)入石墨層,使得負(fù)極達(dá)到電荷平衡。磷酸鐵鋰轉(zhuǎn)化成磷酸鐵[6]。

        放電過程:

        放電時,石墨層晶體層中的鋰離子(Li+)脫出,經(jīng)過電解液,透過隔膜,再進(jìn)入電解液落到磷酸鐵鋰晶體的表面,而后再次嵌入磷酸鐵鋰的晶格內(nèi)[7],與此同步的是,電子在電場的作用下經(jīng)外電路流向電池正極的鋁箔,而后進(jìn)入磷酸鐵鋰正極,使正極達(dá)到電荷平衡。磷酸鐵轉(zhuǎn)化為磷酸鐵鋰。

        鋰離子電池的這種來回“搖椅式”充放電模式,消除了鋰枝晶的析出問題,較好地解決了鋰離子電池的循環(huán)及安全性問題,同時也保留了鋰離子電池高電壓、高容量和自放電率低等優(yōu)點(diǎn),是未來理想的輕型高能動力源[8]。

        2 磷酸鐵鋰電池的特點(diǎn)

        磷酸鐵鋰(LiFePO4)動力電池在充電過程中,Li 離子不斷從正極脫出,然后向負(fù)極移動;電量即將達(dá)到飽和時,Li 離子幾乎完全嵌到負(fù)極,形成過充電保護(hù)電壓,因而蓄電池的安全性能和穩(wěn)定工作能力毋庸置疑。

        2.1 主要優(yōu)點(diǎn)

        2.1.1 杰出的高溫性能和穩(wěn)定性

        熱峰值高,與錳酸鋰和鈷酸鋰的200 ℃熱峰值相比,磷酸鐵鋰熱峰值可達(dá)350~500 ℃。P-0 鍵穩(wěn)固,工作范圍廣泛(-20~75 ℃),即便在高溫或過充時磷酸鐵鋰也不會像鈷酸鋰一樣結(jié)構(gòu)崩塌發(fā)熱或是形成強(qiáng)氧化性物質(zhì),且磷酸鐵鋰分解溫度高達(dá)600 ℃,因此即使電池內(nèi)部或外部損壞,磷酸鐵鋰電池也不會燃燒、爆炸,安全性能卓越。

        2.1.2 極好的循環(huán)壽命和使用體驗(yàn)

        經(jīng)3 500 次循環(huán),其放電容量依然能達(dá)到驚人的80%,理論壽命可達(dá)7~8 年[8];成本低廉;傳統(tǒng)的鎳電池?fù)碛杏洃浶?yīng)(長期不徹底充電、放電,易在電池內(nèi)留下痕跡,降低電池容量),而磷酸鐵鋰電池在充電前無需放電,在使用專用充電器情況下,充電設(shè)置在1.5C,40 min 即可將電池充滿,充電效率更高[9](圖2)。

        圖2 電池循環(huán)性能[8]

        2.1.3 重量輕、容量大、環(huán)境友好

        與同等規(guī)格容量的磷酸鐵鋰電池相比,磷酸鐵鋰電池的體積縮小了1/3,重量降低了2/3,而能量卻提升了2 倍多(市場主流鉛酸電池能量密度為40 Wh/kg,磷酸鐵鋰電池能量密度為90 Wh/kg)。且磷酸鐵鋰電池符合歐洲ROHS 規(guī)定,被認(rèn)為不含有任何重金屬與稀有金屬,無毒,無污染,為綠色環(huán)保電池。

        2.2 主要缺點(diǎn)

        2.2.1 低溫性能差

        在低溫0 ℃以下,電池性能下降,電池容量變低。

        2.2.2 正極材料振實(shí)密度低、一致性差

        正極材料振實(shí)密度與壓實(shí)密度很低,影響了鋰離子電池的能量密度;而車用磷酸鐵鋰電池在結(jié)構(gòu)上是由單體電池通過串聯(lián)或并聯(lián)的形式來實(shí)現(xiàn)不同的電壓與容量等級要求的。由于單體電池不可能做到個體間性能完全相同,所以在使用一段時間后,各單體電池之間的性能差異會越來越大。這種個體間差異性的存在,影響到電池的一致性,并使電池的容量變小,壽命縮短(圖3)。

        圖3 磷酸鐵鋰電池不同溫度下放電曲線

        3 磷酸鐵鋰電池的維護(hù)保養(yǎng)

        任何電池的使用壽命,均與其維護(hù)保養(yǎng)有著直接的關(guān)系,磷酸鐵鋰電池常規(guī)循環(huán)壽命可達(dá)2 000 次,使用壽命可達(dá)8~10 年,然而當(dāng)前多數(shù)電池卻達(dá)不到該壽命,原因就在于缺乏正確的維護(hù)保養(yǎng)手段。

        1)磷酸鋰電池不能長時間存放或工作在強(qiáng)靜電和強(qiáng)磁場的環(huán)境中,否則電池內(nèi)部的安全保護(hù)裝置會遭到破壞,甚至失效;也不能長時間存放或工作在高溫下,否則會導(dǎo)致電池溫度過高,起火或功能失效,進(jìn)而影響到電池的使用壽命;更不能將電池與腐蝕性物質(zhì)、原理火源及熱源接觸。

        2)戴上絕緣手套,定期檢查電池外殼有無鼓包破損,電池接線束有無松動斷裂,電池極柱有無變形損傷等現(xiàn)象,若有及時處理,并每月用氣槍對電池箱里面進(jìn)行除塵,注意勿將其他雜質(zhì)吹入電池箱內(nèi),保養(yǎng)人需穿好防護(hù)衣和佩戴勞保眼鏡。

        3)查看車上顯示屏是否有故障報警代碼。若有故障代碼,則應(yīng)及時處理故障。

        4)查看管理系統(tǒng)電壓檢測是否準(zhǔn)確(查看顯示屏上的電壓值和實(shí)際測量電壓值是否一致)、用鉗流表測電流是否一致,查看有無故障和通訊是否正常等。測量電壓時可以直接用萬用表測量采集線頭部,注意不能在車輛動態(tài)情況下測量電流(危險)[10]。

        5)依據(jù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際操作環(huán)境,檢查電池組整體及單體的電壓是否在要求范圍內(nèi),檢查電池有無漏電的情況存在;在充電時,檢查充電電流是否在一定的要求范圍內(nèi);充電前確保電池組的低壓告警和高壓告警在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi);檢測電池組單體電池電壓、溫度、電流、SOC 信息是否正常并記錄下來,如有故障必須及時處理,不能讓車輛帶故障工作。

        6)如果磷酸鐵鋰電池在使用或充電中發(fā)生異常情況,例如變形、發(fā)熱和異味等應(yīng)立即將電池從裝置中移離或斷開充電連接,萬不可帶故障使用。

        7)規(guī)格型號不同、新舊程度不同的磷酸鐵鋰電池組禁止混用。

        8)不要故意人為放電,在日常使用中,按照系統(tǒng)電量指示燈提示進(jìn)行相應(yīng)的充電操作即可。如果提示充電,仍不充電繼續(xù)使用,會使得電池過度放電,縮短使用壽命。

        一般正常行駛時,如果電量表指示燈和黃燈亮,就應(yīng)進(jìn)行充電了。如果只剩下紅燈亮,應(yīng)停止運(yùn)行,盡快充電,否則電瓶過度放電會嚴(yán)重縮短其壽命。

        9)每月對電池進(jìn)行一次完整的充、放電,以校準(zhǔn)電量;如若無法實(shí)現(xiàn),則至少應(yīng)每季度完成一次完整的充電,每半年完成一次完整的充、放電。充電時充電溫度應(yīng)控制在4~35 ℃[8]。

        10)嚴(yán)格按照使用說明書進(jìn)行充電,充滿后即停止充電,切不可滿電仍繼續(xù)充電,形成過度充電,過度充電電池會因?yàn)闊o法吸收電量而過度發(fā)熱,一旦發(fā)熱溫度超過65 ℃,一定要立即停止充電,否則會引起事故。

        11)保護(hù)好充電器,不得讓充電器經(jīng)過劇烈的震動,否則其電位器會發(fā)生飄移,致使充電狀態(tài)不穩(wěn),影響充電效果;另外在充電時,還需要將充電器置于通風(fēng)處,便于充電器散熱,否則熱量不散,嚴(yán)重時會使電器形成損傷。所以,保護(hù)好充電器,減少或避免顛簸振動,盡量充電通風(fēng)[11]。

        12)充電前檢查充電器插頭有無氧化、松動等現(xiàn)象,若有以上現(xiàn)象應(yīng)及時進(jìn)行處理,以防止充電時插頭發(fā)熱。

        4 結(jié)束語

        新能源汽車電池組性能的高低好壞,直接關(guān)系到車輛的使用狀況,為此對新能源汽車的電池組進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)就是重中之重。車輛的駕駛?cè)藛T、維護(hù)養(yǎng)人員只有充分了解和掌握正確的維護(hù)保養(yǎng)方法才能真正做到更好地發(fā)揮磷酸鐵鋰電池的作用,延長其使用壽命,讓電池更好地發(fā)揮其功效。

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