高電壓電池包的設計挑戰及有效處理方案分解

綠色革命可能不久就將迎來一場重大獲勝。在大規模的電能成為“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點，而通過電池系統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萌生。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，電力的重大優點是可以利用最具成本效益的處理方案隨時隨地萌生能量。

對電能的規范化可以同時實現規模經濟，并免除局部燃料消耗所需的基礎設施。優越的電能可儲存性便于發電（效率最高，且不是“按需”型的），目前的情況大體如此。例如：風力發電和太陽能發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。優越的便攜性準許電能作為汽車（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使用肯定將得益于此項技術。

電動車對電池系統的要求

電動車為綠色革命提供了一個巨大的發展機遇，原由有很多。電動車采用電網電力取代了燃氣動力。電網電力的生成效率很高，可以從幾乎所有的能源來獲得。此外，電動車的能源使用效率也高于燃油汽車。大多數汽車在運行時將經歷一個“加速、減速和空轉”的連續周期。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/負載范圍內達到最高，而且為滿足峰值加速的需要，它非得是超大型的。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，而且電動系統還具備通過再生制動來恢復機械能的潛力。通過電動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。

可惜的是，在現今的市場上，純電動車還不是一種可行的處理方案，因為其行駛距離受限于車上所能儲存的能量。如今常見的電池包在充電8小時之后能夠讓一輛電動車行駛100英里。而一個一般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，那么電動車非得延長行駛距離和/或縮短再充電時間。應運而生的處理方案是“油電混合動力車”，它把燃油引擎和電動傳動系統組合起來，以提供足夠的行駛距離，同時依然擁有綠色能源的大多數好處。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/轉矩范圍內操作該引擎。

毫無疑問，電動車的成功將有助于其它使用的高性能電池系統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。對于局部發電（包括小型光伏或風力發電系統），電池可以起到至關緊要的平衡作用，且當可以使用電網電力時，它還能充當一個后備電源系統。目前的電池系統相當昂貴而且龐大，且存在可靠性和安全方面的問題。下一代電池系統將提供較高的能量密度，旨在實現外形較小、價格較低、可靠性和安全性更高的處理方案。

高電壓電池包的設計挑戰

對于大功率電池使用而言，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。當今的電動車和油電混合動力車采用的是NiMH電池，如果采用鋰電池將使其能量儲存密度提高400%。然而，為了使鋰電池在多達數千次的充放電循環過程中保持可靠，電池系統非得處理諸多技術難題。

鋰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（SOC）。這些因素并不是獨立的。例如：鋰電池在放電時將萌生熱量，從而增加放電電流。這有可能形成熱失控狀態，并導致災難性故障的發生。此外，把鋰電池充電至100%SOC或放電至0%SOC將迅速降低其容量。因此，非得將鋰電池的操作限制在某個SOC范圍內，比如20%至80%，此時的可用容量僅為規定容量的60%。不僅如此，鋰電池還具有平坦的放電曲線（圖1），其中1%的SOC變化可能僅表現為數毫伏的電壓差異。為充足利用電池的可用電壓范圍，電池系統非得非常準確地監視電池電壓（它筆直對應于SOC）。

除了鋰電池的敏感特性之外，把電池包合在一起的辦法也是一個緊要的考慮因素。如欲從一個電氣系統（比如用于給車輛加速所需的電氣系統）來提供有效的功率，則需高達數百伏的電壓。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。

聲明： 本站所發布文章部分圖片和內容自于互聯網，如有侵權請聯系刪除