何弘瑞，王 橋，賈偉健

(陸軍裝甲兵學(xué)院車輛工程系，北京 100072)

0 引言

陸地車輛對電能的使用越來越頻繁。由于陸地車輛配備有更多的電子設(shè)備，它們的電能需求也在不斷增加，并且很明顯它們有限的電能存儲能力(即其電池)將在車輛的壽命期間出現(xiàn)供給、存儲不足等問題。

本文旨在介紹陸地車輛用電池及其運行方式，并重點將現(xiàn)階段普遍使用的鉛酸電池與磷酸鐵鋰電池從多個方面進行比較，分析得出相較于鉛酸電池，磷酸鐵鋰電池的優(yōu)勢及將其廣泛運用所存在的問題。

1 軍用陸地車輛電池現(xiàn)狀

目前電能已成為軍用陸地車輛大部分功能及內(nèi)部儀器儀表的主要消耗能源。而電池是目前我國乃至全世界陸軍車輛上唯一的電能存儲形式;因此，它們構(gòu)成了這些車輛電氣系統(tǒng)的重要組成部分[1]。由于陸地車輛所配備的電子設(shè)備(如收音機，監(jiān)視設(shè)備，戰(zhàn)斗管理系統(tǒng)，遠程武器站和電子戰(zhàn)對抗措施)越來越多，軍用陸地車輛對電能及電能儲備的需求將越來越多?？紤]到軍用陸地車輛的使用壽命通常在20年以上，預(yù)計車輛電池的電能存儲能力將在其壽命期間逐漸降低。而電能儲存不足時將會抑制各項操作性能，特別是在進行靜默觀察時。除了為靜默觀察功能提供電力外，軍用陸地車輛上的電池還必須為標準啟動功能[2]，照明和點火(SLI)功能提供電力。

改進電池技術(shù)以提高軍用陸地車輛的各種性能，關(guān)鍵的考慮因素在于提高靜默觀察的能力、循環(huán)壽命以及成本，安全性和溫度對電池本身的影響。同時，為了降低開發(fā)新電池技術(shù)所需的集成開銷和成本，選用鉛酸電池的直接替代品的電池技術(shù)是最貼合實際的[3]。而目前滿足這一要求的最有前景的電池技術(shù)為鋰離子電池的變體：即磷酸鐵鋰電池技術(shù)。與鉛酸電池相比，鋰離子電池具有更高的功率和能量性能以及更長時間的循環(huán)壽命。且由于其更高的能量性能，預(yù)計軍用陸地車輛的靜默觀察耐久性可以得到較大提升[4]。

2 電池技術(shù)基礎(chǔ)

電池是通過氧化還原反應(yīng)(電化學(xué)還原-氧化)將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的裝置。電池可以由一個或多個串聯(lián)，并聯(lián)或兩者連接的電池組成，這取決于所需的輸出電壓和容量。電池由三個主要部件組成，陽極，陰極和電解質(zhì)，而隔板也用于機械地分離陽極和陰極?；倦姵貑卧鐖D1所示[5]。陽極或負電極通常是金屬，陰極或正電極通常是金屬氧化物。當電池放電時，陽極被氧化并釋放電子到外部電路(為連接的負載提供電力)，而陰極接受來自該外部電路的電子并被還原。陽極和陰極的電位變化并且是電分離的，但通過電解質(zhì)保持離子連接。電解質(zhì)可以是液體，凝膠型聚合物或固體，并提供用于在陽極和陰極之間作為離子轉(zhuǎn)移電荷的介質(zhì)[6]。離子可以區(qū)分為陰離子(在充電和放電期間朝向陽極行進的那些)和陽離子(朝向陰極行進的那些)。在可充電電池中，當電池正在充電時，陽極和陰極處的反應(yīng)以及離子和電子的流動反向。

圖1 電池基本原理

3 磷酸鐵鋰電池與鉛酸電池的對比

3.1 一些基本性質(zhì)的對比

相較于普通的鉛酸電池，磷酸鐵鋰電池的體積小、重量輕、能量密度大,當把電池運輸至戰(zhàn)場時，電池的重量就成了一項運輸負擔。而磷酸鐵鋰電池的重量僅有鉛酸電池重量的一半，能夠極大地減輕儲運負擔，大大降低車載電池使用所帶來的后勤保障、維修保養(yǎng)的負擔[7]。其次，鉛酸電池作為一項已經(jīng)成熟的電池技術(shù)，其能量密度一般在40 Wh/kg左右，而磷酸鐵鋰電池的能量密度最低也有85 Wh/kg,最高能達到130 Wh/kg。然后是磷酸鐵鋰電池的使用壽命：長壽命鉛酸電池的循環(huán)壽命在300次左右，最高也就500次，而磷酸鐵鋰動力電池，循環(huán)壽命達到2 000次以上。由于軍用起動電池必須在儲存和使用上均具有較長的壽命，且磷酸鐵鋰電池在低電荷狀態(tài)下仍具有更多的可用能量，因此經(jīng)過長時間的存儲后它仍有可能起動發(fā)動機。最后是關(guān)于污染方面，磷酸鐵鋰電池一般被認為是不含任何重金屬與稀有金屬(鎳氫電池需稀有金屬)，無毒(SGS認證通過)，無污染，符合歐洲RoHS規(guī)定，為絕對的綠色環(huán)保電池證。這就為其加工生產(chǎn)和回收處理過程省去了很多不必要的麻煩。

3.2 電壓隨電池電荷狀態(tài)的變化

起動電池通常是用它在額定電壓下提供電流的能力來評價。在更換化學(xué)電池時，需要注意的一點是電池在放電過程中的電壓實際上不是常數(shù)。鉛酸電池(及鋰氧化物電池)是隨著其電荷狀態(tài)的減少其電壓是降低的。這就導(dǎo)致電池隨著其電荷狀態(tài)(和電壓)的降低，其可用能量也越來越少。而磷酸鐵鋰電池表現(xiàn)出這種現(xiàn)象的程度要小得多。如圖2所示，磷酸鐵鋰電池的電壓隨SOC變化的曲線在其整個電荷狀態(tài)中幾乎是平的。這導(dǎo)致在整個的電池使用過程中有更多的能量可用[8]。

圖2 不同化學(xué)電池的電壓與電荷狀態(tài)關(guān)系曲線

3.3 Peukert效應(yīng)

鉛酸蓄電池容量通常以C/20率來定級，或以需要20小時耗盡電池電荷的電流載荷來定級。磷酸鐵鋰電池所表現(xiàn)出的這種效應(yīng)的程度要比鉛酸電池要小得多。當車輛的動力載荷以更高的速率從電池獲得能量時，磷酸鐵鋰電池提供的容量要比鉛酸電池提供的高，它相當于C/20率的容量[9]。

對于額定容量為120 Ah(C/20率)的鉛酸電池，當以120A電流放電時，其提供的容量為80 Ah～90 Ah(大約是額定容量的75%)。而同樣容量的磷酸鐵鋰電池，當以120A電流放電時，將提供114Ah的容量，為額定容量的95%[10]。

隨著靜默觀察載荷的增加，電池額定容量的可用能量變得非常重要，并需要考慮Peukert效應(yīng)。同樣容量的不同電池將不一定能提供同樣的性能。

表1 相同額定容量下兩種電池實際容量對比

3.4 電池管理

磷酸鐵鋰電池擁有更加主動的電池管理系統(tǒng)。這會增加電池組的復(fù)雜程度，但也意味著電池管理系統(tǒng)的電子器件可以成為電池的一部分。只要電池供應(yīng)商將這些封裝在6T空間要求內(nèi)，就可實現(xiàn)在不增加硬件的條件下電池的信息就可用于車輛的CAN網(wǎng)絡(luò)[11]。

軍用陸地車輛電池管理系統(tǒng)對于戰(zhàn)斗人員來說是非常重要(如圖3所示)，它能準確將車輛當前電池信息及時反饋至監(jiān)控中心，這些信息與當前車輛電池能維持靜默觀察多長時間以及在觀察結(jié)束后是否還有能力起動車輛息息相關(guān)。

圖3 電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖[12]

通過電池管理系統(tǒng)能夠提供給車輛的典型信息包括：

1) 電池的電荷狀態(tài)；

2) 電池的健康狀況(目前的容量)；

3) 電池可提供的最大放電電流；

4) 電池可承受的最大充電電流；

5) 電池溫度；

相關(guān)的信息及其格式可以定制并且依據(jù)需要可以提供給車輛。

以靜默觀察能力為重點的車輛，如偵查車輛，由于具有很強的靜默偵查能力所以它從電池中獲得的能量最多。除了靜默觀察外，磷酸鐵鋰電池管理系統(tǒng)還能為指戰(zhàn)員提供有關(guān)他們的電池的當前可用電荷以及當前健康狀況的更多信息[13]。

4 磷酸鐵鋰電池的使用展望

在過去的10～15年中，鋰離子電池技術(shù)已發(fā)展成為廣泛應(yīng)用的主要二次電池技術(shù)之一。這是由于包括電極材料和電池設(shè)計在內(nèi)的許多方面的改進。鋰離子電池現(xiàn)在在便攜式電子設(shè)備和電動工具中非常普遍，因為它具有許多理想的特性(例如高能量和高循環(huán)壽命)，并且隨著電動汽車的出現(xiàn)，它們在車輛中的使用越來越多[5](例如雪佛蘭Volt，日產(chǎn)Leaf，特斯拉跑車)。

最近德國的研究人員正在開發(fā)具有極高循環(huán)壽命的磷酸鐵鋰電池，最高可達12000個循環(huán)，容量保持率可達80%[14]。他們的研究重點是改善電極制造工藝，減少循環(huán)過程中電極厚度的變化，以提高電池的循環(huán)壽命(如圖4所示)。

圖4 德國Mainz-Kastel實驗室

現(xiàn)如今我國軍用車輛的起動電池通常是依據(jù)NATO 6T模式制造的，提供12V動力。車輛通常使用28V總線，所以它們要使用兩塊12V電池串聯(lián)，然后根據(jù)需要再將這些串聯(lián)的電池并聯(lián)以增加容量[15]。美軍標準MIL-PRF-32143中有這些電池設(shè)計的要求。作為戰(zhàn)場電池可行的替代產(chǎn)品的磷酸鐵鋰電池也應(yīng)遵守MIL-PRF-32143中的這些要求，并且能夠用于串聯(lián)和并聯(lián)組合以達到與車輛需求更加匹配的電池容量。

5 結(jié)論

磷酸鐵鋰電池是一種有廣泛商業(yè)應(yīng)用的化學(xué)電池，并且已經(jīng)為戰(zhàn)場應(yīng)用做好了準備[16]。雖然磷酸鐵鋰電池目前還存在造價高，一致性差等問題，但相較于能滿足多種軍事性能和復(fù)雜的環(huán)境要求且在功率密度、延長電池壽命、更強的靜默觀察能力與電荷狀態(tài)、可用于指戰(zhàn)員的診斷與診斷信息等許多優(yōu)點，磷酸鐵鋰電池在未來戰(zhàn)場上、尤其是未來軍用陸地車輛上擁有廣泛的運用前景。