直線竄升的能源價格以及對二氧化碳排放問題的日益擔憂導致人們對電動汽車(EV)和混合動力電動汽車(HEV)給予了高度的關(guān)注。為了造就高效型EV和HEV，新型鋰電池設計將是關(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，需要采用一些精細復雜的電子元器件。例如：測量由100個串接電池組成的電池組中每個3.7V電池兩端電壓的能力便是要求之一。如何應付370V的共模電壓并抑制100V的共模開關(guān)瞬態(tài)電壓?面向電動汽車(EV)、混合動力電動汽車(HEV)和不間斷電源(UPS)應用的電池管理系統(tǒng)設計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)，汽車的電力運行成本相當于支付每加侖汽油75美分的油價。因此，純電動汽車具有很低的日常運作成本。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)動機，而電池則可使汽油所行駛的里程得以延長。請考慮一下，汽車的能量貯存能力是其行駛距離的限制因素。當采用一個大型鋰電池組時，您可以在一個8小時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)并恢復能量(在剎車過程中)意味著燃氣發(fā)動機的運行頻度較低，而且效率較高，從而實際上使每加侖汽油所行駛的里程實現(xiàn)翻番。
給汽車添加電池的第三個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：風能)可轉(zhuǎn)換為電能，且不會產(chǎn)生二氧化碳排放物。因此，電池對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。電池的能量存儲密度越高，則其效能就越高。當今的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密度提高150%。而到2012年，屆時大多數(shù)混合動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
當考慮在汽車中使用鋰電池時，應該研究分析串聯(lián)式混合動力汽車、并聯(lián)式混合動力汽車、純電動汽車和其他汽車類型的功率鏈路方框圖。幸運的是，鋰電池組對于所有的汽車而言大致相同。構(gòu)件是一個由100至200個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)動一部30kW~70kW電動機。電池組的總電壓很高，所以對于一個給定的功率級，平均電流很低。較低的電流所需的電纜較細，重量較輕，成本較低。在峰值條件下，該電池組應提供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4個640V并聯(lián)電池組。
鋰電池組的設計問題是平衡性能、經(jīng)濟性和安全性。兩個關(guān)鍵的變量是電池組電池設計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，而采用的是一個使用壽命達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，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，但當隔離材料失效時往往容易發(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，如果能夠仔細地監(jiān)視其充電和放電水平，則其使用壽命可達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)視電池電壓并計算流入和流出電池組(含有4至8個電池)的電荷量來完成此項任務。電壓、電流、電荷、溫度和某些數(shù)學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)動的是一部電動機，而不是一塊母板，所以無法在汽車中計算電荷量。電流尖峰為200A，而在這些尖峰之后是低電平空轉(zhuǎn)。
