對混合動力汽車高壓電池組進行充電控制

　　綠色革命可能不久就將迎來一場重大勝利。在大規(guī)模的電能成為“可儲存”和“便攜式”能源之時，能量效率將獲得顯著改善，而且可再生能源的推動工作也將取得進展。可儲存性和便攜性是液體燃料的主要優(yōu)勢，而通過電池系統(tǒng)提供的電力則擁有提供一種可行替代方案的潛力。電能可在幾乎所有的耗能設備中使用，而且，電能也可以從幾乎所有的可用能源來產(chǎn)生。核能、太陽能、風能、地熱能和液體燃料(汽油、柴油、乙醇、氫等等)都能很容易地轉換成電能。因此，與石油燃料相比，電力的重大優(yōu)勢是可以利用最具成本效益的解決方案隨時隨地產(chǎn)生能量。

　　對電能的規(guī)范化可以同時實現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟，并免除局部燃料消耗所需的基礎設施。優(yōu)越的電能可儲存性便于發(fā)電(效率最高，且不是“按需”型的)，目前的情況大體如此。例如：風力發(fā)電和太陽能發(fā)電未必與峰值功率需求模式相吻合，而可儲存特性則能緩解這個問題有所緩解。優(yōu)越的便攜性允許電能作為汽車(耗能大戶)的能源。隨著時間的推移，其他傾向于使用綠色能源的應用肯定將得益于此項技術。

電動汽車對電池系統(tǒng)的要求

　　電動汽車為綠色革命提供了一個巨大的發(fā)展機遇，原因有很多。電動汽車采用電網(wǎng)電力取代了燃氣動力。電網(wǎng)電力的生成效率很高，可以從幾乎所有的能源來獲得。此外，電動汽車的能源使用效率也高于燃油汽車。大多數(shù)汽車在運行時將經(jīng)歷一個“加速、減速和空轉”的連續(xù)周期。相比之下，易變的負載(比如加速或減速)更有利于電動馬達(而非燃油引擎)，因為它在低速條件下提供了高轉矩。燃油引擎的工作效率只在一個很窄的速度/負載范圍內(nèi)達到最高，而且為滿足峰值加速的需要，它必須是超大型的。用于把汽油能量轉換為動能的引擎效率通常為 20%，而電動馬達將電能轉換為動能的過程中可以實現(xiàn) 90% 的典型效率。此外，電動馬達還無須在停靠時因為空轉而無謂地消耗能量，而且電動系統(tǒng)還具備通過再生制動來恢復機械能的潛力。通過電動汽車的典型能耗成本僅為0.013美元/英里這一事實，便能看出能量效率的整體改善情況。

　　遺憾的是，在現(xiàn)今的市場上，純電動汽車還不是一種可行的解決方案，因為其行駛距離受限于車上所能儲存的能量。如今常見的電池組在充電8小時之后能夠讓一輛電動汽車行駛100英里。而一個普通的汽車油箱則能為一輛標準汽車提供300英里的行駛距離，且只需幾分鐘的時間就能完成加油。如果想得到美國消費者的廣泛接受，那么電動汽車必須延長行駛距離和/或縮短再充電時間。應運而生的解決方案是“油電混合動力車”，它把燃油引擎和電動傳動系統(tǒng)組合起來，以提供足夠的行駛距離，同時仍然擁有綠色能源的大多數(shù)好處。油電混合動力車采用車載燃氣引擎(用于電池充電)，并在需要時在最有效的速度/轉矩范圍內(nèi)操作該引擎。

　　毫無疑問，電動汽車的成功將有助于其它應用的高性能電池系統(tǒng)找到屬于自己的生存空間，從而推進其價格的下降和性能的提升。對于局部發(fā)電(包括小型光伏或風力發(fā)電系統(tǒng))，電池可以起到至關重要的平衡作用，且當可以使用電網(wǎng)電力時，它還能充當一個后備電源系統(tǒng)。目前的電池系統(tǒng)相當昂貴而且龐大，且存在可靠性和安全方面的問題。下一代電池系統(tǒng)將提供較高的能量密度，旨在實現(xiàn)外形較小、價格較低、可靠性和安全性更高的解決方案。

高電壓電池組的設計挑戰(zhàn)

　　對于大功率電池應用而言，鋰離電池可作為首選的化學電池，主要因為它的能量密度高。當今的電動汽車和油電混合動力車采用的是NiMH電池，如果采用鋰離子電池將使其能量儲存密度提高400%。然而，為了使鋰離子電池在多達數(shù)千次的充放電循環(huán)過程中保持可靠，電池系統(tǒng)必須解決諸多技術難題。

　　鋰離子電池的性能取決于電池溫度和使用期限、電池充電和放電速率以及充電狀態(tài)(SOC)。這些因素并不是獨立的。例如：鋰離子電池在放電時將產(chǎn)生熱量，從而增加放電電流。這有可能形成熱失控狀態(tài)，并導致災難性故障的發(fā)生。此外，把鋰離子電池充電至100% SOC或放電至0% SOC將迅速降低其容量。因此，必須將鋰離子電池的操作限制在某個SOC范圍內(nèi)，比如20%至80%，此時的可用容量僅為規(guī)定容量的60%。不僅如此，鋰離子電池還具有平坦的放電曲線(圖1)，其中1%的SOC變化可能僅表現(xiàn)為數(shù)毫伏的電壓差異。為充分利用電池的可用電壓范圍，電池系統(tǒng)必須非常準確地監(jiān)視電池電壓(它直接對應于SOC)。

　　除了鋰離子電池的敏感特性之外，把電池組合在一起的方法也是一個重要的考慮因素。如欲從一個電氣系統(tǒng)(比如用于給車輛加速所需的電氣系統(tǒng))來提供有效的功率，則需高達數(shù)百伏的電壓。舉例來說，在1V電壓條件下輸送1kW功率需要1,000A電流，而在100V電壓條件下輸送1kW功率則僅需10A電流。系統(tǒng)布線和互連線中的固有電阻將轉換成IR損耗，因此設計師需采用切實可行的最高電壓/最低電流。