磷酸铁锂动力电池的价格较铅酸电池高得多，为什么还这么受欢迎？

自锂电池问世以来，围绕它的研究、开发工作一直不断地进行着，上世纪90年代末又开发出锂聚合物电池，2002年后则推出磷酸铁锂电池。

锂离子电池内部主要由正极、负极、电解质及隔膜组成。正、负极及电解质材料不同及工艺上的差异使电池有不同的性能，并且有不同的名称。目前市场上的锂离子电池正极材料主要是氧化钴锂（LiCoO2），另外还有少数采用氧化锰锂（LiMn2O4）及氧化镍锂（LiNiO2）作正极材料的锂离子电池，一般将后两种正极材料的锂离子电池称为“锂锰电池”及“锂镍电池”。新开发的磷酸铁锂电池是用磷酸铁锂（LiFePO4）材料作电池正极的锂离子电池，它是锂离子电池家族的新成员。

一般锂离子电池的电解质是液体的，后来开发出固态及凝胶型聚合物电解质，则称这种锂离子电池为锂聚合物电池，其性能优于液体电解质的锂离子电池。

磷酸铁锂电池的全名应是磷酸铁锂锂离子电池，这名字太长，简称为磷酸铁锂电池。由于它的性能特别适于作动力方面的应用，则在名称中加入“动力”两字，即磷酸铁锂动力电池。也有人把它称为“锂铁（LiFe）动力电池”。

1  采用LiFePO4材料作正极的意义

目前用作锂离子电池的正极材料主要有：LiCoO2、LiMn2O4、LiNiO2及LiFePO4。这些组成电池正极材料的金属元素中，钴（Co）最贵，并且存储量不多，镍（Ni）、锰（Mn）较便宜，而铁（Fe）最便宜。正极材料的价格也与这些金属的价格行情一致。因此，采用LiFePO4正极材料做成的锂离子电池应是最便宜的。它的另一个特点是对环境无污染。

作为充电电池的要求是：容量高、输出电压高、良好的充放电循环性能、输出电压稳定、能大电流充放电、电化学稳定性能、使用中安全（不会因过充电、过放电及短路等操作不当而引起燃烧或爆炸）、工作温度范围宽、无毒或少毒、对环境无污染。采用LiFePO4作正极的磷酸铁锂电池在这些性能要求上都不错，特别在大放电率放电（5～10C放电）、放电电压平稳上、安全上（不燃烧、不爆炸）、寿命上（循环次数）、对环境无污染上，它是最好的，是目前最好的大电流输出动力电池。

2  LiFePO4电池的结构与工作原理

LiFePO4电池的内部结构如图1所示。左边是橄榄石结构的LiFePO4作为电池的正极，由铝箔与电池正极连接，中间是聚合物的隔膜，它把正极与负极隔开，但锂离子Li+可以通过而电子e-不能通过，右边是由碳（石墨）组成的电池负极，由铜箔与电池的负极连接。电池的上下端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；在放电过程中，负极中的锂离子Li+通过隔膜向正极迁移。锂离子电池就是因锂离子在充放电时来回迁移而命名的。

3  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、终止放电压是2.0V。由于各个生产厂家采用的正、负极材料、电解质材料的质量及工艺不同，其性能上会有些差异。例如同一种型号（同一种封装的标准电池），其电池的容量有较大差别（10%～20%）。

磷酸铁锂动力电池主要性能列于表1。为了与其他可充电电池的相比较，也在表中列出其他种类可充电电池性能。这里要说明的是，不同工厂生产的磷酸铁锂动力电池在各项性能参数上会有一些差别；另外，有一些电池性能未列入，如电池内阻、自放电率、充放电温度等。

磷酸铁锂动力电池的容量有较大差别，可以分成三类：小型的零点几到几毫安时、中型的几十毫安时、大型的几百毫安时。不同类型电池的同类参数也有一些差异。这里再介绍一种目前应用较广的小型标准圆柱形封装的磷酸铁锂动力电池的参数。其外廓尺寸：直径为18mm、高650mm（型号为18650），其参数性能如表2所示。

4  过放电到零电压试验

采用STL18650（1100mAh）的磷酸铁锂动力电池做过放电到零电压试验。试验条件：用0.5C充电率将1100mAh的STL18650电池充满，然后用1.0C放电率放电到电池电压为0C。再将放到0V的电池分两组：一组存放7天，另一组存放30天；存放到期后再用0.5C充电率充满，然后用1.0C放电。最后比较两种零电压存放期不同的差别。

试验的结果是，零电压存放7天后电池无泄漏，性能良好，容量为100%；存放30天后，无泄漏、性能良好，容量为98%；存放30天后的电池再做3次充放电循环，容量又恢复到100%。

这试验说明该电池 即使出现过放电（甚至到0V），并存放一定时间，电池也不泄漏、损坏。这是其他种类锂离子电池不具有的特性。 

5  磷酸铁锂电池的特点

通过上述介绍，LiFePO4电池可归纳下述特点。

高效率输出：标准放电为2～5C、连续高电流放电可达10C，瞬间脉冲放电（10S）可达20C；

高温时性能良好：外部温度65℃时内部温度则高达95℃，电池放电结束时温度可达160℃，电池的结构安全、完好；

即使电池内部或外部受到伤害，电池不燃烧、不爆炸、安全性最好；

极好的循环寿命，经500次循环，其放电容量仍大于95%；

过放电到零伏也无损坏；

可快速充电；

低成本；

对环境无污染。

6  磷酸铁锂动力电池的应用

由于磷酸铁锂动力电池具有上述特点，并且生产出各种不同容量的电池，很快得到广泛地应用。它主要应用领域有：

大型电动车辆：公交车、电动汽车、景点游览车及混合动力车等；

轻型电动车：电动自行车、高尔夫球车、小型平板电瓶车、铲车、清洁车、电动轮椅等；

电动工具：电钻、电锯、割草机等；

遥控汽车、船、飞机等玩具；

太阳能及风力发电的储能设备；

UPS及应急灯、警示灯及矿灯（安全性最好）；

替代照相机中3V的一次性锂电池及9V的镍镉或镍氢可充电电池（尺寸完全相同）；

小型医疗仪器设备及便携式仪器等。

这里举一个用磷酸铁锂动力电池替代铅酸电池的应用实例。采用36V/10Ah（360Wh）的铅酸电池，其重量12kg，充一次电可行走约50km，充电次数约100次，使用时间约1年。若采用磷酸铁锂动力电池，采用同样的360Wh能量（12个10Ah电池串联组成），其重量约4kg，充电一次可行走80km左右，充电次数可达1000次，使用寿命可达3～5年。虽然说磷酸铁锂动力电池的价格较铅酸电池高得多，但总的经济效果还是采用磷酸铁锂动力电池更好，并且在使用上更轻便。

随着移动计算技术和无线通信技术的发展，微型移动终端设备在移动数据采集、传输、处理及个人信息服务等领域得到越来越多的应用。锂电池因其体积小、能量密度高、无记忆效应、循环寿命高、高电压电池和自放电率低等优点，近年来已经成为微型移动终端设备的首选电源。锂电池的特性以及应用环境的需求，对微型移动终端设备充电方案的设计提出了更高的要求。因此在充电方案的设计中需要综合考虑成本、体积、噪声、效率等因素。

LTC4065是一款用于单节锂电池的完整恒定电流／恒定电压线性充电管理芯片，可提供高达750 mA且准确度为5％的可设置的充电电流，并支持直接使用USB端口对单节锂电池进行充电。同时其热反馈功能可调节充电电流，以便在大功率工作或高环境温度条件下对芯片温度加以限制，确保安全工作。由于采用了内部MOSFET架构，因此无需使用外部检测电阻器或隔离二极管。很少的外部元件数目加上其2 mm×2 mm DFN封装，使得LTC4065尤其适合无线PDA、蜂窝电话、无线传感器终端等应用。功能齐全的LTC4065还包括自动再充电、低电池电量充电调节、软启动等丰富功能。

1 LTC4065的引脚功能

LTC4065采用了热处理能力较强的6引脚小外形封装(DFN)，且实现产品无铅化，底部采用裸露衬垫，直接焊接至PCB以实现电接触和额定散热性能。

各引脚功能如下：

引脚1，GND，接地端。

引脚2，CHRG，漏极开路充电状态输出。充电状态指示引脚具有三种状态：下拉、2 Hz脉动和高阻抗状态。该输出可以被用作一个逻辑接口或一个LED驱动器。对电池进行充电时，有一个内部N沟道MOSFET将GHRG引脚拉至低电平。当充电电流降至全标度电流的10％时，CHRG引脚被强制为高阻抗状态。如果电池电压处于2．9 V以下的持续时间达到充电时间的1／4，则认为电池失效，而且CHRG引脚将以2 Hz的频率脉动。

引脚3，BAT，充电电流输出。该引脚向电池供应充电电流，并将最终浮动电压调节至4．2 V。该引脚上的一个内部精确电阻分压器负责设定此浮动电压，并在停机模式时断接。

引脚4，VCC，正输入电源。该引脚向充电器供电。VCC的变化范围是3．75～5．5 V。该引脚应通过一个最小1μF的电容器进行旁路。当VCC处于BAT引脚电压的32 mV以内时，LTC4065进入停机模式，从而使IBAT降至约1μA。

引脚5，EN，使能输入引脚。把该引脚拉至手动停机门限(一般为O．82 V)以上，将把LTC4065置于停机模式。在停机模式中，LTC4065的电源电流低于20μA。使能为缺省状态，但不用时应将该引脚连至GND。

引脚6，PROG，充电电流设置和充电电流监视引脚。充电电流是通过连接一个精度为1％的接地电阻器RPROG来设置的。 

2 工作原理

LTC4065主要是为实现对单节电池充电而设计的线性电池充电管理芯片。该芯片利用其内部功率MOSFET对电池进行恒流和恒压充电。充电电流可利用外部电阻编程设定，最大充电可达750 mA。LTC4065包含一个漏极开路状态指示输出端：CHRG通过下拉、2 Hz脉动和高阻抗三种状态来指示充电状态以及电池失效。如果芯片结温试图升至约115℃的预设值以上，一个内部热限制电路将减小设定的充电电流。不仅可防止LTC4065过热，也使用户可以最大限度地利用芯片的功率处理能力，不用担心因过热而损坏芯片或外部元件。这样，用户在设计充电电流时，可以不用考虑最坏情况，而只根据典型情况进行设计，因为在最坏情况下，LTC4065会自动降低充电电流。

当VCC引脚上电压超过3．6 V且比BAT引脚电压高出约80 mV时，LTC4065开始对电池充电，CHRG引脚输出低电平，表示充电正在进行。如果BAT引脚电压低于2．9 V，则充电器进入涓流充电模式，芯片利用1／10的设定充电电流对电池进行预充电，以便将电池电压提升至一个适合充电的安全电平。当BAT引脚电压超过 4．1 V时，因为电池已接近满容量，芯片进入快速充电恒流模式对电池充电。充电电流大小由PROG引脚和GND之间的电阻器设定。电池充电电流是PROG引脚输出电流的1 000倍。当BAT引脚电压接近最终浮动电压(4．2 V)时，充电电流逐渐减小，LTC4065进入恒压充电模式。当充电电流减小到全标度充电电流的10％时充电周期结束，一个内部比较器将关断在CHRG引脚上的N沟道MOSFET，该引脚呈高阻态。如果将EN引脚电压拉至停机门限(约为O．82 V)以上，充电将被禁止。把PROG引脚悬浮同样能禁止充电，在停机模式中，电池漏电流降至1μA以下，电源电流降至约20μA。

3 应用电路

在本实验室无线医护管理系统项目中，无线通信终端设备的充电电路设计采用了基于LTC4065的方案，电路如图2所示。 

LTC4065的电压输入端VCC所允许的输入电压在3．75～5．5 V之问。目前市场上的5 V稳压电源的输出电压一般并不稳定，很多时候会超过6 V而给充电带来不良影响。LTC4065内部具有稳压电路能够起到一定的稳压作用，一般应用情况下可直接连接稳压电源。如果应用需求较高，也可在VCC的前级加一个1 A的三端稳压电源芯片。在图2所示电路中，将VCC直接接至稳压电源，锂电池通过一个线性稳压芯片SG2003为工作电路提供电源。

权衡电路工作的稳定性与充电时间，充电电路采用300 mA充电电流。因此，为了保证良好的稳定性和温度特性，R采用了3．3 kΩ精度为1％的金属膜电阻。LTC4065的漏极开路状态指示输出端CHRG串接了一个510 Ω电阻和一个发光二极管，再接到VCC上，用来指示充电状态。为保证充电器正常工作，本电路在BAT电池端和GND间连接一个1μF的去耦电容。为了能够输出最大的充电电流，要求将LTC4065背面裸露的金属板焊接到金属线路板地端的铜片上，以达到最大的散热性能；否则，芯片热阻将增大，导致能够输出的最大充电电流减小。

结 语

锂电池充电电路的设计是一个平衡的考虑，一方面要提供较大的充电电流以缩短充电时间，另一方面充电电路的尺寸必须足够小以符合微型移动终端设备体积日益缩小的趋势。应用LTC4065芯片仅需要非常少的外围元件配合，就可以实现低成本的单节锂离子或锂聚合物电池充电方案。不仅电路尺寸十分小，而且可根据应用需求设置充电电流以控制充电时间，非常适合于微型移动终端设备的小型化设计。采用本方案的无线医护管理系统终端设备已投入批量生产。本文的电路设计方法对采用其他充电芯片进行的电路设计也有很好的参考价值。