HEV中高壓鋰離子電池的管理

MichaelKultgen，凌力爾特公司

直線竄升的能源價格以及對二氧化碳排放問題的日益擔(dān)憂，使得人們對電動汽車(EV)和混合動力電動汽車(HEV)給予了高度關(guān)注。為了造就高效型EV和HEV，新型鋰電池設(shè)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(xì)復(fù)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(yīng)付370V的共模電壓并抑制100V的共模開關(guān)瞬態(tài)電壓？面向電動汽車(EV)、混合動力電動汽車(HEV)和不間斷電源(UpS)應(yīng)用的電池管理系統(tǒng)設(shè)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(www.calcars.org)提供的數(shù)據(jù)，汽車的電力運行成本相當(dāng)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(dāng)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(fù)能量(在剎車過程中)，意味著燃?xì)獍l(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(如風(fēng)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(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(dāng)考慮在汽車中使用鋰電池時，應(yīng)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的電動機。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(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640V并聯(lián)電池組。