使用专用充电器来充分发挥磷酸铁锂电池的优势

作者：Steven Keeping

磷酸铁锂 (LiFePO4) 电池采用 LiFePO4 作为电池的阴极材料，并以采用金属背衬的石墨碳作为阳极材料。这并不算一种新技术，德克萨斯大学的研究人员早在 1996 年就提出了这一概念。但是，电化学电池吸引了广泛的关注，因为相对于锂离子电池而言，它具备诸多优势。这些优势包括更低的成本、无毒、铁的低获取门槛以及出色的热稳定性。相比之下，在锂离子电池中使用的镍和钴很难获得，而且价格昂贵，对环境的危害更大。

此外，LiFePO4 的充电循环寿命远高于同等锂离子电池。根据电池的使用方式，其寿命可达 1,000 至 10,000 次充电循环。另外，符合标准的 LiFePO4 电池能够在至少 2000 次充电循环内，提供至少 80% 的放电容量（或称为“放电深度”）。而典型锂离子电池仅能在 300 至 500 次充电循环内保持同样的放电容量。

LiFePO4 电池还具备其他一些特性，包括可耐受快速充电、低内阻能够支持高放电电流，以及供电电压非常稳定。而且，还可在高温下很好地工作。

LiFePO4 电池的一个实例是 PSL-FP-IFP2770180EC，这是由 Power Sonic Corporation 提供的一款 3.2 V、25 Ah 电池（图 1）。

图 1：与同等锂离子电池相比，LiFePO4 电池的价格更低，并且充电循环寿命更高。（图片来源：Power Sonic Corporation）

但是，直到最近，LiFePO4 电池的一些缺陷仍使之一直无法成为主流。其中的关键缺陷是它的能量密度比锂离子电池低 15% 至 25%，而且输出电压仅为 3.2 V，低于锂离子电池的 3.7 V。另外，LiFePO4 电池的低温性能不佳，与更稳定的锂离子电池相比，通常需要更多保养和保护。

LiFePO4 能量密度的改进

最近 LiFePO4 电池能量密度的改进使其适用于更多的设备。虽然它们不太可能在手机或笔记本电脑等产品中取代锂离子电池，但在空间更大、更注重低成本和易回收性的应用中，这种电池可能是不错的选择。实例包括电动自行车和某些型号的电动汽车 (EV)。例如，特斯拉在 2021 年底宣布将在该公司的入门级车辆中采用 LiFePO4 电池。该公司的电池提供大约 260 Wh/kg 的能量密度，与最好的锂离子电池不相上下。

图 2：特斯拉 Model 3 现在采用 LiFePO4 电池。（图片来源：特斯拉）

在低成本、长寿命、优良电气特性比高能量密度更为重要的应用中，设计人员越来越多地考虑采用 LiFePO4 电池。实例包括无线电控制设备和便携式电机驱动产品，尤其是工业物联网 (IIoT) 传感器。

由于只有一群特定的工程师在参与像电动汽车这样的特别产品的设计，因此您更可能在这些不太多的应用中找到 LiFePO4 电源。

谨慎选择

锂离子和 LiFePO4 有一些相似之处。例如，它们的能量都来自于锂离子运动，这种运动会释放电子，从而产生电流，为设备供电。但是，一个重要差别是电池充电方式。LiFePO4 电池具有与锂离子电池不同的电气特性，从而改变了充电曲线。这种差异虽不明显，但为了发挥 LiFePO4 电池的最大潜力，了解这种差异非常重要。

图 3 和图 4 由 Texas Instruments 提供，显示了典型锂离子和 LiFePO4 电池的充电曲线。锂离子电池充电循环（图 3）通常采用恒压 (CV) 模式，但 LiFePO4 电池充电算法（图 4）不需要这种模式。而是采用快速恒流充电 (CC) 将电池快速充电至过充电压，然后让电池“放缓”至较低的浮充电压阈值。由于不需要恒压控制，因而大大缩短了充电时间。在充电循环内，内部控制回路通常监视电源管理 IC (PMIC) 的结温，当超过温度阈值时就会减小充电电流。

图 3：锂离子电池的充电分为三个不同的阶段。首先，电池以适度的恒流预充，然后以较高的恒流快充，以快速增加能量。最后，当电池输出电压达到充电电压时，充电曲线会转换到恒压充电，缓慢充满电池电量。（图片来源：Texas Instruments）


图 4：LiFePO4 电池的充电与锂离子电池不同。预充之后，电池使用恒流模式充满电量。然后，电压可以第一次“放缓”，再使用小 Top-off 充电方式进行浮充。与锂离子充电循环相比，LiFePO4 电池的充电速度更快。（图片来源：Texas Instruments）

两种充电曲线的另一个差异是，由于电池化学原理的不同，LiFePO4 电池的最高充电电压较低。LiFePO4 电池的最高充电电压上限为 3.6 V，达到该值之后将回落到 3.5 V，而锂离子电池的最高电压限定为 4.1 或 4.2 V。

紧凑型 LiFePO4 电池充电器

LiFePO4 电池使用量的增加，促使芯片公司推出单片 IC，专用于使用经过优化的充电曲线为这种电池充电。这让用户无需重新从头设计电源管理电路，就能采用这种技术。

Texas Instruments 的 BQ25070DQCR LiFePO4 PMIC 就是一个实例。该器件采用 2 x 3 mm 封装，提供 3.7 V 过充电压，并在高达 1.2 A 的电流下提供 3.5 V 的浮充电压。

第二个实例是 MCP73123T-22SI/MF，来自 Microchip Technology。该器件的输入电压为 4 至 16 V，最大充电电流为 1.1 A。快速充电 CC 值通过外部电阻器来设定，介于 130 mA 到上限，具体取决于充电的电池。在高功率或高环境温度条件下，MCP73123/223 还会根据芯片温度来限制充电电流（图 5）。

图 5：Microchip Technology 的 LiFePO4 PMIC 原理图。连接到 PROG 引脚的电阻器设定最大充电电流。（图片来源：Microchip Technology）

第三个解决方案来自 Analog Devices。MAX77787JEWX+ PMIC 工作输入电压范围为 4.5 至 13.4 V，最大充电电流为 3.15 A。快速充电电流和充电终止电压通过外部电阻器进行配置。这款 2.75 x 2.75 mm 器件同时支持 LiFePO4 和锂离子电池充电。

结语

虽然与锂离子电池相比，在能量密度和电源电压方面处于劣势，但 LiFePO4 电池具备充电循环寿命更高和充电快速的优势。此外，这种电池适合很多成本敏感型应用，包括电动汽车和工业物联网传感器。专门设计的单片充电器能够让用户轻松而心安理得地利用电池化学材料，实现充电曲线优化，并确保电池的长寿命和可靠性。