綠色能源是電池行業(yè)一直不變的發(fā)展目標，在未來的時間里要面對嚴峻的考驗和挑戰(zhàn)。其實我們嘴中的綠色能源，無非就是將電池里面的電能轉(zhuǎn)化成“可儲存”和“便攜式”能源，這樣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。本文帶著大家了解高電壓電池組是如何完成設(shè)計挑戰(zhàn)的？

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(chǔ)設(shè)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(yīng)用肯定將得益于此項技術(shù)。

電動汽車對電池系統(tǒng)的要求

電動汽車為綠色革命供應(yīng)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(zhuǎn)”的持續(xù)周期。相比之下，易變的負載（比如加速或減速）更加有利于電動馬達（而非燃油引擎），因為它在低速條件下供應(yīng)了高轉(zhuǎn)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要，它必須是超大型的。用于把汽油能量轉(zhuǎn)換為動能的引擎效率通常為20%，而電動馬達將電能轉(zhuǎn)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?？繒r因為空轉(zhuǎn)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(fù)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法，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供應(yīng)300英里的行駛距離，且只需幾分鐘的時間就能完成加油。假如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(yīng)運而生的解決方法是“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，以供應(yīng)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），并在要時在最有效的速度/轉(zhuǎn)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(yīng)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。關(guān)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(guān)重要的平衡用途，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)將供應(yīng)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法。

高電壓電池組的設(shè)計挑戰(zhàn)

關(guān)于大功率電池應(yīng)用而言，鋰離電池可作為首選的化學(xué)電池，重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，假如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(shù)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出現(xiàn)熱量，從而新增放電電流。這有可能形成熱失控狀態(tài)，并導(dǎo)致災(zāi)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(yīng)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)）來供應(yīng)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(zhuǎn)換成IR損耗，因此設(shè)計師需采用切實可行的最高電壓/最低電流。