如何使用磷酸铁锂（锂离子）电池寻找幸福
| 现在您想知道如何保养您宝贵的新购买的产品：如何最好地为锂铁电池充电、如何放电以及如何最大限度地延长锂离子电池的使用寿命。本文将解释注意事项。 锂离子电池的定价 正在慢慢地从极其昂贵变为仅适度难以承受，并且我们 BSLBATT 看到此类电池的销量稳步增长。大多数用户似乎将它们用于房车、第五轮、露营车和类似车辆，而有些用户则将其用于实际的固定离网系统。 本文将讨论一种特定类别的锂离子电池；磷酸铁锂，化学式为LiFePO4，也缩写为LFP电池。这些与手机和笔记本电脑中的电池略有不同，它们（大部分）是锂钴电池。LFP的优点是更稳定，不易自燃。这并不意味着电池在损坏时不能燃烧：充电电池中存储了大量能量，如果发生意外放电，结果很快就会变得非常有趣！与锂钴相比，LFP 的使用寿命更长，并且温度更稳定。在所有各种锂电池技术中，这使得 LFP 最适合深循环应用！ 我们假设电池具有 BMS 或电池管理系统，就像几乎所有以 12/24/48 伏电池组出售的 LFP 电池一样。BMS负责保护电池；当电池放电或可能过度充电时，它会断开电池连接。BMS 还负责限制充电和放电电流、监控电池温度（并在需要时减少充电/放电），并且大多数会在每次充满电后平衡电池（将平衡视为将所有电池放入电池中）电池组达到相同的充电状态，类似于铅酸电池的均衡）。除非您喜欢生活在边缘，否则不要购买没有 BMS 的电池！ 以下是通过阅读大量网络文章、博客页面、科学出版物以及与 LFP 制造商的讨论所收集的知识。小心你所相信的，那里有很多错误信息！虽然我们在这里所写的内容绝不是磷酸铁锂电池的终极指南，但我们希望本文能够澄清牛粪，并提供可靠的指导，以充分利用锂离子电池。
为什么选择锂离子电池？我们在铅酸电池文章中解释了这种化学物质的致命弱点是如何长时间处于部分充电状态。如果让昂贵的铅酸电池组处于部分充电状态，那么在短短几个月内就很容易将其耗尽。这对于LFP来说是非常不同的！您可以让锂离子电池永远处于部分充电状态而不会损坏。事实上，LFP 更喜欢保持部分充电状态，而不是完全充满或完全耗尽，并且为了延长使用寿命，最好对电池进行循环或让它保持部分充电状态。 可是等等！还有更多！ 锂离子电池几乎是电池的圣杯：只要充电参数正确，您几乎会忘记电池的存在。没有维护。BMS 会处理好这一切，您就可以愉快地骑车离开了！ 可是等等！还有更多！（与某些电视广告的任何相似之处纯属巧合，坦率地说，我们讨厌这个建议！）... LFP 电池也可以持续很长时间。我们的 BSLBATT磷酸铁锂电池 额定值为 3000 次循环，在完整的 100% 充电/放电循环中。如果您每天都这样做，那么骑行时间就超过 8 年了！当使用少于 100% 的循环时，它们的使用寿命甚至更长，事实上，为了简单起见，您可以使用线性关系：50% 的放电循环意味着两倍的循环，33% 的放电循环意味着您可以合理地预期三倍的循环。 可是等等！还有更多！... LiFePO4 电池的重量还不到类似容量的铅酸电池的 1/2。它可以处理大充电电流（100% Ah 额定值没问题，用铅酸试试！），允许快速充电，它是密封的，因此没有烟雾，并且具有非常低的自放电率（每月 3% 或更少）。 LFP 电池组尺寸我们在上面暗示过：锂离子电池的可用容量为 100%，而铅酸电池的可用容量实际上只有 80%。这意味着您可以将磷酸铁锂电池组设计得比铅酸电池组更小，但功能上仍然相同。数字表明，LFP 的安培小时大小是铅酸电池的 80%。不过，这还有更多内容。 为了延长铅酸电池组的使用寿命，铅酸电池组的尺寸不应经常出现低于 50% SOC 的放电。对于LFP来说，这不是问题！LFP 的往返能源效率也比铅酸好很多，这意味着在达到一定排放量后填充油箱所需的能量更少。这样可以更快地恢复到 100%，而我们已经拥有较小的电池组，从而进一步增强了这种效果。 最重要的是，我们愿意将锂离子电池组的尺寸设置为同等铅酸电池组尺寸的 75%，并期望具有相同（或更好！）的性能。包括在那些阳光不足的黑暗冬日。
但是等一下！锂离子真的能解决我们所有的电池需求吗？嗯，不完全是…… LFP 电池也有其局限性。其中一个重要因素是温度：无法在冰点或零摄氏度以下为锂离子电池充电。铅酸对此一点也不关心。您仍然可以对电池进行放电（暂时失去容量），但不会进行充电。BMS 应注意在冰冻温度下阻止充电，避免意外损坏。 在高端，温度也是一个问题。电池老化的最大单一原因是在高温下使用甚至储存。最高30摄氏度左右是没有问题的。即使是45摄氏度也不会受到太大的惩罚。任何更高的值都会加速电池的老化并最终导致电池报废。这包括在电池不循环时存放电池。我们将在稍后讨论 LFP 电池如何失效时更详细地讨论这一点。 使用可能提供高电压的充电源时，可能会出现一个偷偷摸摸的问题：当电池充满时，除非充电源停止充电，否则电压将会上升。如果它上升得足够多，BMS 将保护电池并断开连接，使充电源上升得更多！这可能是（坏的）汽车交流发电机电压调节器的问题，它需要始终检测负载，否则电压会尖峰，二极管会释放魔烟。对于依靠电池来控制的小型风力涡轮机来说，这也可能是一个问题。当电池耗尽时，它们可以逃跑。 然后就是陡峭、陡峭的初始购买价格！ 但我们打赌您仍然想要一个！... LiFePO4 电池如何工作？
电池放电则相反：当电子通过负极流走时，锂离子再次移动，穿过薄膜，回到磷酸铁晶格。它们再次存储在正极，直到电池再次充电。 如果您真正留心观察，您现在就会明白，右侧的电池图显示 LFP 电池几乎完全放电。几乎所有的锂离子都位于正极一侧。充满电的电池会将这些锂离子全部存储在负极的碳内。 在现实世界中，锂离子电池由非常薄的铝-聚合物-铜箔交替层构成，并在其上粘贴化学物质。它们通常像果冻卷一样卷起来，然后放入钢罐中，就像 AA 电池一样。您购买的 12 伏锂离子电池由许多这样的电池组成，通过串联和并联连接以增加电压和安时容量。每个电池的电压约为 3.3 伏，因此 4 个串联电池的电压为 13.2 伏。这正是更换 12 伏铅酸电池的正确电压！ 为磷酸铁锂电池充电大多数常规太阳能充电控制器在为锂离子电池充电时都没有问题。所需电压与 AGM 电池（一种密封铅酸电池）所使用的电压非常相似。BMS 也有帮助，确保电池单元具有正确的电压，不会过度充电或过度放电，它可以平衡电池并确保充电时电池温度在合理范围内。 下图显示了 LiFePO4 电池充电的典型曲线。为了更容易阅读，电压已转换为 12 伏 LFP 电池组的电压（单节电池电压的 4 倍）。
图中所示充电率为 0.5C，即 Ah 容量的一半，换句话说，对于 100Ah 电池，充电率为 50 Amp。对于更高或更低的充电速率（蓝色），充电电压（红色）实际上不会发生太大变化，LFP 电池具有非常平坦的电压曲线。 锂离子电池的充电分两个阶段：首先，电流保持恒定，对于太阳能光伏发电，这通常意味着我们尝试将太阳提供的尽可能多的电流发送到电池中。在此期间电压将缓慢上升，直到达到“吸收”电压，即上图中的 14.6V。一旦达到吸收，电池大约充满 90%，并且在剩余的充电过程中，电压保持恒定，同时电流慢慢减小。一旦电流降至电池额定安时值的 5% – 10% 左右，它就处于 100% 充电状态。 在许多方面，锂离子电池比铅酸电池更容易充电：只要充电电压足够高以移动离子即可充电。锂离子电池并不关心它们是否没有 100% 充满电，事实上，如果没有充满电，它们的使用寿命会更长。没有硫酸化，没有均衡，吸收时间并不重要，你不能真正对电池过度充电，BMS 负责将事情保持在合理的范围内。 那么什么电压足以让这些离子移动呢？一些实验表明 13.6 伏（每个电池 3.4V）是截止点；低于这个值几乎不会发生什么，而高于这个值只要有足够的时间电池将至少充满 95%。在 14.0 伏（每节电池 3.5V）下，电池可轻松充电至 95% 以上，只需几个小时的吸收时间，并且出于所有意图和目的，14.0 或更高电压之间的充电几乎没有差异，只是在 14.2 时充电速度更快一点伏特及以上。 散装/吸收电压 总而言之，14.2 至 14.6 伏之间的散装/吸收设置非常适合 LiFePO4！在一些吸收时间的帮助下，更低的电压也是可能的，低至约 14.0 伏。电压可以稍高一些，大多数电池的 BMS 在断开电池连接之前允许大约 14.8 – 15.0 伏的电压。不过，更高的电压没有任何好处，而且被 BMS 切断并可能造成损坏的风险更大。 浮充电压 磷酸铁锂电池不需要浮充。充电控制器之所以有这样的功能，是因为铅酸电池的自放电率非常高，因此有必要不断地补充更多的电量来让它们保持满意。对于锂离子电池，如果电池持续处于高充电状态，情况就不太好，因此，如果您的充电控制器无法禁用浮充，只需将其设置为足够低的电压，这样就不会发生实际充电。任何 13.6 伏或更低的电压都可以。 均衡电压 由于积极劝阻充电电压超过 14.6 伏，因此应该明确的是，不应对锂离子电池进行均衡！如果无法禁用均衡，请将其设置为 14.6V 或更低，这样就变成了常规吸收充电周期。 吸收时间 简单地将吸收电压设置为 14.4V 或 14.6V，然后一旦电池达到该电压就停止充电！简而言之，吸收时间为零（或很短）。那时，您的电池电量将约为 90%。从长远来看，LiFePO4 电池在 100% SOC 状态下的时间不会太长，因此会延长电池寿命。如果您的电池绝对需要 100% SOC，那么 Absorb 就能做到！根据官方说法，当充电电流降至电池 Ah 额定值的 5% – 10% 时，即达到 100Ah 电池的充电电流为 5 – 10 Amp。如果根据电流无法停止吸收，则将吸收时间设置为2小时左右即可。 温度补偿 LiFePO4电池不需要温度补偿！请在充电控制器中关闭此功能，否则当天气非常热或冷时，您的充电电压将大幅关闭。 请务必检查您的充电控制器电压设置与使用优质数字万用表实际测量的电压设置！为锂离子电池充电时，电压的微小变化可能会产生很大的影响！相应地更改充电设置！ 磷酸铁锂电池放电与铅酸电池不同，锂离子电池的电压在放电过程中保持非常恒定。这使得仅根据电压来推测充电状态变得困难。对于中等负载的电池，放电曲线如下所示。
放电过程中的大部分时间，电池电压都在 13.2 伏左右。从 99% 到 30% SOC，其变化仅为 0.2V。不久前，LiFePO4 电池的 SOC 低于 20% 是一个非常糟糕的想法™。这种情况已经改变，目前的磷酸铁锂电池在多次循环后将一直放电至 0%。然而，骑行深度较低是有好处的。与循环到 0% 的 SOC 相比，循环到 30% SOC 不仅可以多 1/3 次循环，而且您的电池的使用寿命可能会比这更长。确切的数字很难获得，但循环至 50% SOC 时的循环寿命似乎比 100% 循环时的循环寿命长约 3 倍。 下表显示了 12 伏电池组的电池电压与放电深度的关系。对这些电压值持保留态度，放电曲线非常平坦，以至于很难仅根据电压确定 SOC。负载和电压表精度的微小变化都会影响测量结果。 储存锂离子电池极低的自放电率使得磷酸铁锂电池易于储存，甚至可以长期储存。锂离子电池放置一年是没有问题的，只需在存放之前确保其电量充足即可。50% – 70% 之间就可以了，这将使电池在自放电使电压接近危险点之前有很长的时间。 将电池存放在冰点以下是可以的，它们不会结冰，也不太关心温度。尽量避免将它们存放在高温（45 摄氏度及以上）下，并尽可能避免将它们完全装满（或接近空）。 如果您需要长期存放电池，请务必断开电池上的所有电线。这样就不会出现任何使电池缓慢放电的杂散负载。 锂离子电池的终结我们听到你惊恐地喘息；一想到您珍贵的磷酸铁锂电池组不再让您感到脊背发凉！唉，一切美好的事情最终都会结束。我们想要防止这种过早结束的情况，要做到这一点，我们必须了解锂离子电池是如何死亡的。 当电池容量下降到应有容量的 80% 时，电池制造商就会认为电池“报废”。所以，对于100Ah的电池来说，当容量降到80Ah时，它就结束了。有两种机制会导致电池报废：循环和老化。每次对电池放电和充电时，都会造成一点损坏，并且会损失一点容量。但即使你把珍贵的电池放在一个美丽的玻璃封闭的神龛里，永远不会被循环使用，它仍然会耗尽。最后一种称为日历生活。 很难找到有关 LiFePO4 电池日历寿命的硬数据，很少。针对极端情况（温度和 SOC）对日历寿命的影响进行了一些科学研究，这些研究有助于设定限制。我们收集到的信息是，如果您不滥用电池组、避免极端情况，并且通常在合理范围内使用电池，则日历寿命的上限约为 20 年。 除了电池内部的电芯之外，还有由电子部件制成的BMS。当 BMS 出现故障时，您的电池也会出现故障。具有内置 BMS 的锂离子电池仍然太新，我们必须拭目以待，但最终电池管理系统必须与锂离子电池一样长久地存在。 随着时间的推移，电池内部的过程会在电极和电解质之间的边界层上涂上化合物，以防止锂离子进入和离开电极。过程还将锂离子结合成新的化合物，因此它们不再能够从一个电极移动到另一个电极。无论我们做什么，这些过程都会发生，但它们很大程度上取决于温度！将电池保持在 30 摄氏度以下，它们的速度会非常慢。超过 45 摄氏度，速度会大大加快！公敌号。到目前为止，对于锂离子电池来说，第一大问题就是发热！ 日历寿命和 LiFePO4 电池的老化速度还有更多因素：充电状态也与之有关。虽然高温不好，但这些电池真的非常不喜欢处于 0% SOC 和非常高的温度下！同样糟糕的是，虽然没有 0% SOC 那么糟糕，但它们会处于 100% SOC 和高温下。非常低的温度影响较小。正如我们所讨论的，您不能（BMS 也不会让您）在冰点以下为 LFP 电池充电。事实证明，将它们排放到冰点以下虽然可能，但也会加速老化。远没有让电池处于高温下那么糟糕，但如果您打算将电池置于冰冻温度下，最好在电池既不充电也不放电且罐内有一些气体的情况下这样做（尽管不是满箱）。从更一般的意义上来说，如果需要长期存储，最好将这些电池存放在 50% – 60% SOC 左右。 电池融化如果您真的想知道，当锂离子电池在冰点以下充电时会发生什么，金属锂会沉积在负极（碳）电极上。它也不是以一种好的方式生长，它以锋利的针状结构生长，最终刺穿薄膜并使电池短路（导致美国宇航局称之为壮观的快速计划外拆卸事件，涉及烟雾、极端高温，并且很可能也有火焰）。幸运的是，BMS 阻止了这种情况的发生。 我们正在进入循环生活。锂离子电池即使在 100% 的充放电循环中进行数千次循环也已变得很常见。您可以采取一些措施来最大限度地延长循环寿命。 我们讨论了如何 磷酸铁锂电池 工作原理：它们在电极之间移动锂离子。重要的是要了解这些是实际的物理粒子，并且具有一定的大小。每次对电池进行充放电时，它们都会从一个电极中拔出并塞入另一个电极中。这会导致损坏，特别是对负极的碳的损坏。每次电池充电时，电极都会膨胀一点，每次放电时，电极都会再次变细。随着时间的推移，会导致微观裂纹。正因为如此，充电到略低于 100% 时会产生更多的循环次数，放电到略高于 0% 也会给你更多的循环次数。此外，将这些离子视为施加“压力”，极端的充电状态数字会施加更大的压力，从而引起不利于电池的化学反应。这就是为什么 LFP 电池不喜欢以 100% SOC 存放或以（接近）100% 进行浮充的原因。 这些锂离子被拉来拉去的速度有多快也会影响循环寿命。考虑到上述情况，这应该不足为奇。尽管 磷酸铁锂电池 通常会以 1C（即 100Ah 电池为 100 安培）进行充电和放电，如果将其限制为更合理的值，您将看到电池的循环次数更多。铅酸电池的极限值为 Ah 额定值的 20% 左右，锂离子电池保持在此范围内也将有利于延长电池寿命。 最后一个值得一提的因素是电压，尽管这确实是 BMS 设计时要控制的因素。锂离子电池的充电和放电电压窗口很窄。很快超出该窗口会导致永久性损坏，并且在高端可能会发生 RUD 事件（NASA 谈话，如前所述）。为了 磷酸铁锂电池 该窗口约为 8.0V（每节电池 2.0V）至 16.8V（每节电池 4.2V）。内置 BMS 应注意将电池保持在这些限制内。 带回家的教训现在我们已经了解了锂离子电池的工作原理、它们喜欢什么、不喜欢什么以及它们最终如何失效，有一些建议可供参考。我们在下面列出了一个小清单。如果您不打算做其他事情，请注意前两个，它们迄今为止对您享受锂离子电池的总时间影响最大！注意其他方面也会有所帮助，让你的电池续航时间更长。 总而言之，为了延长 LFP 电池的使用寿命，按照重要性排序，您应该注意以下几点： ● 将电池温度保持在 45 摄氏度以下（如果可能的话，低于 30 摄氏度）——这是迄今为止最重要的！ 这就对了！现在您也可以通过磷酸铁锂电池找到幸福和充实的生活！
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