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管理混合动力电动汽车中的高电压锂离子电池
2018-02-22 11:39:37· 来源：凌力尔特公司
直线窜升的能源价格以及对二氧化碳排放问题的日益担忧导致人们对电动汽车(EV)和混合动力电动汽车(HEV)给予了高度的关注。为了造就高效型EV和HEV，新型锂电池设计将是关键性的技术。为了从锂电池获取尽可能多的能量和尽可能长的使用寿命，需要采用一些精细复杂的电子元器件。例如：测量由100个串接电池组成的电池组中每个3.7
直线窜升的能源价格以及对二氧化碳排放问题的日益担忧导致人们对电动汽车(EV)和混合动力电动汽车(HEV)给予了高度的关注。为了造就高效型EV和HEV，新型锂电池设计将是关键性的技术。
为了从锂电池获取尽可能多的能量和尽可能长的使用寿命，需要采用一些精细复杂的电子元器件。例如：测量由100个串接电池组成的电池组中每个3.7V电池两端电压的能力便是要求之一。如何应付370V的共模电压并抑制100V的共模开关瞬态电压?面向电动汽车(EV)、混合动力电动汽车(HEV)和不间断电源(UPS)应用的电池管理系统设计必需解决许多此类问题。
电池是如何使汽车成为“绿色产品”的?而对于锂电池为什么存在如此大的异议?首先，根据CaliforniaCarsInitiative提供的数据，汽车的电力运行成本相当于支付每加仑汽油75美分的油价。因此，纯电动汽车具有很低的日常运作成本。其次，如果驾驶里程超过100英里，那么仍然需要采用一部汽油发动机，而电池则可使汽油所行驶的里程得以延长。请考虑一下，汽车的能量贮存能力是其行驶距离的限制因素。当采用一个大型锂电池组时，您可以在一个8小时的充电周期之后行驶100英里。每公斤汽油的贮能是锂离子电池的80倍，而且只需几分钟时间便可将一辆汽车的油箱加满。然后，带上足够的咖啡，您就能够一直开下去。然而，内燃机的峰值效率仅为30%，而且在每分钟高转速条件下的平均效率约为12%。采用电池来提供转矩(在加速期间)并恢复能量(在刹车过程中)意味着燃气发动机的运行频度较低，而且效率较高，从而实际上使每加仑汽油所行驶的里程实现翻番。
给汽车添加电池的第三个原因是为了减少尾气排放。耗用一加仑汽油将产生9kg的二氧化碳。清洁能源(比如：风能)可转换为电能，且不会产生二氧化碳排放物。因此，电池对于改善里程成本和减低每英里二氧化碳排放量起着举足轻重的作用。电池的能量存储密度越高，则其效能就越高。当今的2009年度车型采用的是镍氢电池。换成锂离子电池将使能量存储密度提高150%。而到2012年，届时大多数混合动力轿车和货车都将采用锂电池技术。
汽车如何采用锂电池
当考虑在汽车中使用锂电池时，应该研究分析串联式混合动力汽车、并联式混合动力汽车、纯电动汽车和其他汽车类型的功率链路方框图。幸运的是，锂电池组对于所有的汽车而言大致相同。构件是一个由100至200个2.5V~3.9V、4Ahr~40Ahr串接电池构成的电池组。这种直流电源可驱动一部30kW~70kW电动机。电池组的总电压很高，所以对于一个给定的功率级，平均电流很低。较低的电流所需的电缆较细，重量较轻，成本较低。在峰值条件下，该电池组应提供200A电流，并可迅速地完成再充电。换句话说，电池必需具备优良的功率密度和上佳的能量密度。大型系统(例如：公共汽车和牵引拖车)采用多达4个640V并联电池组。
锂电池组的设计问题是平衡性能、经济性和安全性。两个关键的变量是电池组电池设计和电池管理电子线路。比如：您希望制作一部每充电一次便可行驶100英里的EV，而采用的是一个使用寿命达10年的电池组(在此期间无须购买或租用新的电池组)。为了满足10年(3650次充电)的电池寿命目标，只能使用电池容量的一部分(比如：40%)。为了最大限度地降低汽车成本，您希望采用最轻的电池，而电池是电池组中最昂贵的部件。为了实现性能的最大化，电池必须处理200A的峰值充电和放电电流。最重要的是，发生快速氧化事件(即：着火)的几率必须低于汽油动力车。
传统的锂钴电池(比如笔记本电脑中所采用的那些电池)虽然具有很高的能量密度，但当隔离材料失效时往往容易发生热失控现象。制造商们将新型锂电池基于磷酸铁锂电池、锂锰电池和钛酸锂电池，即使在其封装被刺穿的情况下它们也能保持稳定的热性能。它们的棱柱形状结构具有低ESR(等效串联电阻)以支持高电流。它们的储能比笔记本电脑的锂钴电池少，但仍然优于镍氢电池，而且，如果能够仔细地监视其充电和放电水平，则其使用寿命可达10~15年。
电池的“电荷状态”(StateofCharge)
如今，电池监视系统开始发挥作用了，原因是它们能够监视电池的电荷状态，而这反过来又决定了电池的成本和性能。如果您了解了电池的电荷状态，就能够从每个电池获得更多的可用容量、使用较少的电池、并最大限度地延长这些电池的使用寿命。在笔记本电脑中，可通过监视电池电压并计算流入和流出电池组(含有4至8个电池)的电荷量来完成此项任务。电压、电流、电荷、温度和某些数学算式能够很好地指示电池的电荷状态。不幸的是，由于电池驱动的是一部电动机，而不是一块母板，所以无法在汽车中计算电荷量。电流尖峰为200A，而在这些尖峰之后是低电平空转。
为了从锂电池获取尽可能多的能量和尽可能长的使用寿命，需要采用一些精细复杂的电子元器件。例如：测量由100个串接电池组成的电池组中每个3.7V电池两端电压的能力便是要求之一。如何应付370V的共模电压并抑制100V的共模开关瞬态电压?面向电动汽车(EV)、混合动力电动汽车(HEV)和不间断电源(UPS)应用的电池管理系统设计必需解决许多此类问题。
电池是如何使汽车成为“绿色产品”的?而对于锂电池为什么存在如此大的异议?首先，根据CaliforniaCarsInitiative提供的数据，汽车的电力运行成本相当于支付每加仑汽油75美分的油价。因此，纯电动汽车具有很低的日常运作成本。其次，如果驾驶里程超过100英里，那么仍然需要采用一部汽油发动机，而电池则可使汽油所行驶的里程得以延长。请考虑一下，汽车的能量贮存能力是其行驶距离的限制因素。当采用一个大型锂电池组时，您可以在一个8小时的充电周期之后行驶100英里。每公斤汽油的贮能是锂离子电池的80倍，而且只需几分钟时间便可将一辆汽车的油箱加满。然后，带上足够的咖啡，您就能够一直开下去。然而，内燃机的峰值效率仅为30%，而且在每分钟高转速条件下的平均效率约为12%。采用电池来提供转矩(在加速期间)并恢复能量(在刹车过程中)意味着燃气发动机的运行频度较低，而且效率较高，从而实际上使每加仑汽油所行驶的里程实现翻番。
给汽车添加电池的第三个原因是为了减少尾气排放。耗用一加仑汽油将产生9kg的二氧化碳。清洁能源(比如：风能)可转换为电能，且不会产生二氧化碳排放物。因此，电池对于改善里程成本和减低每英里二氧化碳排放量起着举足轻重的作用。电池的能量存储密度越高，则其效能就越高。当今的2009年度车型采用的是镍氢电池。换成锂离子电池将使能量存储密度提高150%。而到2012年，届时大多数混合动力轿车和货车都将采用锂电池技术。
汽车如何采用锂电池
当考虑在汽车中使用锂电池时，应该研究分析串联式混合动力汽车、并联式混合动力汽车、纯电动汽车和其他汽车类型的功率链路方框图。幸运的是，锂电池组对于所有的汽车而言大致相同。构件是一个由100至200个2.5V~3.9V、4Ahr~40Ahr串接电池构成的电池组。这种直流电源可驱动一部30kW~70kW电动机。电池组的总电压很高，所以对于一个给定的功率级，平均电流很低。较低的电流所需的电缆较细，重量较轻，成本较低。在峰值条件下，该电池组应提供200A电流，并可迅速地完成再充电。换句话说，电池必需具备优良的功率密度和上佳的能量密度。大型系统(例如：公共汽车和牵引拖车)采用多达4个640V并联电池组。
锂电池组的设计问题是平衡性能、经济性和安全性。两个关键的变量是电池组电池设计和电池管理电子线路。比如：您希望制作一部每充电一次便可行驶100英里的EV，而采用的是一个使用寿命达10年的电池组(在此期间无须购买或租用新的电池组)。为了满足10年(3650次充电)的电池寿命目标，只能使用电池容量的一部分(比如：40%)。为了最大限度地降低汽车成本，您希望采用最轻的电池，而电池是电池组中最昂贵的部件。为了实现性能的最大化，电池必须处理200A的峰值充电和放电电流。最重要的是，发生快速氧化事件(即：着火)的几率必须低于汽油动力车。
传统的锂钴电池(比如笔记本电脑中所采用的那些电池)虽然具有很高的能量密度，但当隔离材料失效时往往容易发生热失控现象。制造商们将新型锂电池基于磷酸铁锂电池、锂锰电池和钛酸锂电池，即使在其封装被刺穿的情况下它们也能保持稳定的热性能。它们的棱柱形状结构具有低ESR(等效串联电阻)以支持高电流。它们的储能比笔记本电脑的锂钴电池少，但仍然优于镍氢电池，而且，如果能够仔细地监视其充电和放电水平，则其使用寿命可达10~15年。
电池的“电荷状态”(StateofCharge)
如今，电池监视系统开始发挥作用了，原因是它们能够监视电池的电荷状态，而这反过来又决定了电池的成本和性能。如果您了解了电池的电荷状态，就能够从每个电池获得更多的可用容量、使用较少的电池、并最大限度地延长这些电池的使用寿命。在笔记本电脑中，可通过监视电池电压并计算流入和流出电池组(含有4至8个电池)的电荷量来完成此项任务。电压、电流、电荷、温度和某些数学算式能够很好地指示电池的电荷状态。不幸的是，由于电池驱动的是一部电动机，而不是一块母板，所以无法在汽车中计算电荷量。电流尖峰为200A，而在这些尖峰之后是低电平空转。
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