直線竄升的能源價(jià)格以及對(duì)二氧化碳排放問題的日益擔(dān)憂導(dǎo)致人們對(duì)電動(dòng)汽車(EV)和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(HEV)給予了高度的關(guān)注。為了造就高效型EV和HEV，新型鋰電池設(shè)計(jì)將是關(guān)鍵性的技術(shù)。
為了從鋰電池獲取盡可能多的能量和盡可能長的使用壽命，需要采用一些精細(xì)復(fù)雜的電子元器件。例如：測量由100個(gè)串接電池組成的電池組中每個(gè)3.7V電池兩端電壓的能力便是要求之一。如何應(yīng)付370V的共模電壓并抑制100V的共模開關(guān)瞬態(tài)電壓?面向電動(dòng)汽車(EV)、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(HEV)和不間斷電源(UPS)應(yīng)用的電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)必需解決許多此類問題。
電池是如何使汽車成為“綠色產(chǎn)品”的?而對(duì)于鋰電池為什么存在如此大的異議?首先，根據(jù)CaliforniaCarsInitiative提供的數(shù)據(jù)，汽車的電力運(yùn)行成本相當(dāng)于支付每加侖汽油75美分的油價(jià)。因此，純電動(dòng)汽車具有很低的日常運(yùn)作成本。其次，如果駕駛里程超過100英里，那么仍然需要采用一部汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，而電池則可使汽油所行駛的里程得以延長。請(qǐng)考慮一下，汽車的能量貯存能力是其行駛距離的限制因素。當(dāng)采用一個(gè)大型鋰電池組時(shí)，您可以在一個(gè)8小時(shí)的充電周期之后行駛100英里。每公斤汽油的貯能是鋰離子電池的80倍，而且只需幾分鐘時(shí)間便可將一輛汽車的油箱加滿。然后，帶上足夠的咖啡，您就能夠一直開下去。然而，內(nèi)燃機(jī)的峰值效率僅為30%，而且在每分鐘高轉(zhuǎn)速條件下的平均效率約為12%。采用電池來提供轉(zhuǎn)矩(在加速期間)并恢復(fù)能量(在剎車過程中)意味著燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行頻度較低，而且效率較高，從而實(shí)際上使每加侖汽油所行駛的里程實(shí)現(xiàn)翻番。
給汽車添加電池的第三個(gè)原因是為了減少尾氣排放。耗用一加侖汽油將產(chǎn)生9kg的二氧化碳。清潔能源(比如：風(fēng)能)可轉(zhuǎn)換為電能，且不會(huì)產(chǎn)生二氧化碳排放物。因此，電池對(duì)于改善里程成本和減低每英里二氧化碳排放量起著舉足輕重的作用。電池的能量存儲(chǔ)密度越高，則其效能就越高。當(dāng)今的2009年度車型采用的是鎳氫電池。換成鋰離子電池將使能量存儲(chǔ)密度提高150%。而到2012年，屆時(shí)大多數(shù)混合動(dòng)力轎車和貨車都將采用鋰電池技術(shù)。
汽車如何采用鋰電池
當(dāng)考慮在汽車中使用鋰電池時(shí)，應(yīng)該研究分析串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車、并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車、純電動(dòng)汽車和其他汽車類型的功率鏈路方框圖。幸運(yùn)的是，鋰電池組對(duì)于所有的汽車而言大致相同。構(gòu)件是一個(gè)由100至200個(gè)2.5V~3.9V、4Ahr~40Ahr串接電池構(gòu)成的電池組。這種直流電源可驅(qū)動(dòng)一部30kW~70kW電動(dòng)機(jī)。電池組的總電壓很高，所以對(duì)于一個(gè)給定的功率級(jí)，平均電流很低。較低的電流所需的電纜較細(xì)，重量較輕，成本較低。在峰值條件下，該電池組應(yīng)提供200A電流，并可迅速地完成再充電。換句話說，電池必需具備優(yōu)良的功率密度和上佳的能量密度。大型系統(tǒng)(例如：公共汽車和牽引拖車)采用多達(dá)4個(gè)640V并聯(lián)電池組。
鋰電池組的設(shè)計(jì)問題是平衡性能、經(jīng)濟(jì)性和安全性。兩個(gè)關(guān)鍵的變量是電池組電池設(shè)計(jì)和電池管理電子線路。比如：您希望制作一部每充電一次便可行駛100英里的EV，而采用的是一個(gè)使用壽命達(dá)10年的電池組(在此期間無須購買或租用新的電池組)。為了滿足10年(3650次充電)的電池壽命目標(biāo)，只能使用電池容量的一部分(比如：40%)。為了最大限度地降低汽車成本，您希望采用最輕的電池，而電池是電池組中最昂貴的部件。為了實(shí)現(xiàn)性能的最大化，電池必須處理200A的峰值充電和放電電流。最重要的是，發(fā)生快速氧化事件(即：著火)的幾率必須低于汽油動(dòng)力車。
傳統(tǒng)的鋰鈷電池(比如筆記本電腦中所采用的那些電池)雖然具有很高的能量密度，但當(dāng)隔離材料失效時(shí)往往容易發(fā)生熱失控現(xiàn)象。制造商們將新型鋰電池基于磷酸鐵鋰電池、鋰錳電池和鈦酸鋰電池，即使在其封裝被刺穿的情況下它們也能保持穩(wěn)定的熱性能。它們的棱柱形狀結(jié)構(gòu)具有低ESR(等效串聯(lián)電阻)以支持高電流。它們的儲(chǔ)能比筆記本電腦的鋰鈷電池少，但仍然優(yōu)于鎳氫電池，而且，如果能夠仔細(xì)地監(jiān)視其充電和放電水平，則其使用壽命可達(dá)10~15年。
電池的“電荷狀態(tài)”(StateofCharge)
如今，電池監(jiān)視系統(tǒng)開始發(fā)揮作用了，原因是它們能夠監(jiān)視電池的電荷狀態(tài)，而這反過來又決定了電池的成本和性能。如果您了解了電池的電荷狀態(tài)，就能夠從每個(gè)電池獲得更多的可用容量、使用較少的電池、并最大限度地延長這些電池的使用壽命。在筆記本電腦中，可通過監(jiān)視電池電壓并計(jì)算流入和流出電池組(含有4至8個(gè)電池)的電荷量來完成此項(xiàng)任務(wù)。電壓、電流、電荷、溫度和某些數(shù)學(xué)算式能夠很好地指示電池的電荷狀態(tài)。不幸的是，由于電池驅(qū)動(dòng)的是一部電動(dòng)機(jī)，而不是一塊母板，所以無法在汽車中計(jì)算電荷量。電流尖峰為200A，而在這些尖峰之后是低電平空轉(zhuǎn)。
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