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綠色革命可能不久就將迎來(lái)一場(chǎng)重大勝利。在大規模的電能成為“可儲存”和“便攜式”能源之時(shí)，能量效率將獲得顯著(zhù)改善，而且可再生能源的推動(dòng)工作也將取得進(jìn)展�？蓛Υ嫘院捅銛y性是液體燃料的主要優(yōu)勢，而通過(guò)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(lái)產(chǎn)生。核能、太陽(yáng)能、風(fēng)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(yōu)勢是可以利用最具成本效益的解決方案隨時(shí)隨地產(chǎn)生能量。對電能的規范化可以同時(shí)實(shí)現規模經(jīng)濟，并免除局部燃料消耗所需的基礎設施。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(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)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(gè)問(wèn)題有所緩解。優(yōu)越的便攜性允許電能作為汽車(chē)(耗能大戶(hù))的能源。隨著(zhù)時(shí)間的推移，其他傾向于使用綠色能源的應用肯定將得益于此項技術(shù)。 電動(dòng)汽車(chē)對電池系統的要求 電動(dòng)汽車(chē)為綠色革命提供了一個(gè)巨大的發(fā)展機遇，原因有很多。電動(dòng)汽車(chē)采用電網(wǎng)電力取代了燃氣動(dòng)力。電網(wǎng)電力的生成效率很高，可以從幾乎所有的能源來(lái)獲得。此外，電動(dòng)汽車(chē)的能源使用效率也高于燃油汽車(chē)。大多數汽車(chē)在運行時(shí)將經(jīng)歷一個(gè)“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(dòng)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(gè)很窄的速度/負載范圍內達到最高，而且為滿(mǎn)足峰值加速的需要，它必須是超大型的。用于把汽油能量轉換為動(dòng)能的引擎效率通常為 20%，而電動(dòng)馬達將電能轉換為動(dòng)能的過(guò)程中可以實(shí)現 90%的典型效率。此外，電動(dòng)馬達還無(wú)須在�？繒r(shí)因為空轉而無(wú)謂地消耗能量，而且電動(dòng)系統還具備通過(guò)再生制動(dòng)來(lái)恢復機械能的潛力。通過(guò)電動(dòng)汽車(chē)的典型能耗成本僅為0.013美元/英里這一事實(shí)，便能看出能量效率的整體改善情況。 遺憾的是，在現今的市場(chǎng)上，純電動(dòng)汽車(chē)還不是一種可行的解決方案，因為其行駛距離受限于車(chē)上所能儲存的能量。如今常見(jiàn)的電池組在充電8小時(shí)之后能夠讓一輛電動(dòng)汽車(chē)行駛100英里。而一個(gè)普通的汽車(chē)油箱則能為一輛標準汽車(chē)提供300英里的行駛距離，且只需幾分鐘的時(shí)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(dòng)汽車(chē)必須延長(cháng)行駛距離和/或縮短再充電時(shí)間。應運而生的解決方案是“油電混合動(dòng)力車(chē)”，它把燃油引擎和電動(dòng)傳動(dòng)系統組合起來(lái)，以提供足夠的行駛距離，同時(shí)仍然擁有綠色能源的大多數好處。油電混合動(dòng)力車(chē)采用車(chē)載燃氣引擎(用于電池充電)，并在需要時(shí)在最有效的速度/轉矩范圍內操作該引擎。 毫無(wú)疑問(wèn)，電動(dòng)汽車(chē)的成功將有助于其它應用的高性能電池系統找到屬于自己的生存空間，從而推進(jìn)其價(jià)格的下降和性能的提升。對于局部發(fā)電(包括小型光伏或風(fēng)力發(fā)電系統)，電池可以起到至關(guān)重要的平衡作用，且當可以使用電網(wǎng)電力時(shí)，它還能充當一個(gè)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(wèn)題。下一代電池系統將提供較高的能量密度，旨在實(shí)現外形較小、價(jià)格較低、可靠性和安全性更高的解決方案。 高電壓電池組的設計挑戰 對于大功率電池應用而言，鋰離電池可作為首選的化學(xué)電池，主要因為它的能量密度高。當今的電動(dòng)汽車(chē)和油電混合動(dòng)力車(chē)采用的是NiMH電池，如果采用鋰離子電池將使其能量?jì)Υ婷芏忍岣?00%。然而，為了使鋰離子電池在多達數千次的充放電循環(huán)過(guò)程中保持可靠，電池系統必須解決諸多技術(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(shí)將產(chǎn)生熱量，從而增加放電電流。這有可能形成熱失控狀態(tài)，并導致災難性故障的發(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(gè)SOC范圍內，比如20%至80%，此時(shí)的可用容量?jì)H為規定容量的60%。不僅如此，鋰離子電池還具有平坦的放電曲線(xiàn)(圖1)，其中1%的SOC變化可能僅表現為數毫伏的電壓差異。為充分利用電池的可用電壓范圍，電池系統必須非常準確地監視電池電壓(它直接對應于SOC)。 圖1：典型的鋰離子電池放電曲線(xiàn)。 對于一個(gè)基于電池的系統(典型鋰離子電池具有4.2V的滿(mǎn)充電電壓)，必須采用串聯(lián)方式將許多電池連接在一起。請注意，作為一長(cháng)串電池的一部分，任何單個(gè)電池發(fā)生故障都將導致整個(gè)電池組無(wú)法使用，而且在電池串中每添加一個(gè)電池都會(huì )增加這種風(fēng)險。 采用鋰離子電池來(lái)制作一個(gè)高電壓電池組的挑戰并非微不足道。不能像對待單個(gè)電源那樣來(lái)對一個(gè)鋰離子電池組進(jìn)行充電和放電。對于那些容量略小的電池而言，在經(jīng)過(guò)多個(gè)充電和放電周期之后，其SOC將逐漸與其他電池產(chǎn)生偏差。如果不對每個(gè)電池的SOC進(jìn)行周期性的均衡或平衡處理，那么有些電池最后將發(fā)生過(guò)度充電或過(guò)度放電的現象，從而造成受損，并最終導致整個(gè)電池組發(fā)生故障。因此，一個(gè)電池控制系統必須謹慎地管理每個(gè)電池。 這個(gè)問(wèn)題可以劃分為數據采集和控制兩個(gè)方面�？刂品矫姘ǜ鶕到y數據來(lái)對每個(gè)電池進(jìn)行充電和放電的算法和方法。這在很大程度上取決于具體應用，且常常涉及那些受到嚴密保護的知識產(chǎn)權。數據采集通過(guò)電池組接口來(lái)完成，該接口必須沿著(zhù)高電壓電池組快速而準確地測量每個(gè)電池的電壓。這需要具備從一個(gè)0V至1,000V以上(當提升電池組電壓時(shí))的共模電壓來(lái)抽取一個(gè)小差分電壓的能力。這是一個(gè)棘手的難題，需要多種高性能模擬功能。 基于高性能多節電池監視IC的方案 凌力爾特(Linear)公司的LTC6802可處理大型電池組的數據采集任務(wù)，而且特別適合于鋰離子電池。LTC6802可與一個(gè)包括多達12個(gè)單獨電池的電池串中的每個(gè)電池直接相連。通過(guò)一個(gè)獨特的電平移位串行接口把多個(gè)LTC6802器件串聯(lián)起來(lái)(無(wú)需使用光耦合器或光隔離器)，可實(shí)現長(cháng)串串接電池中每節電池的精準電壓監視。當把多個(gè)LTC6802器件串聯(lián)起來(lái)，它們就能夠同時(shí)工作，快速而準確地完成電池組中所有電池的電壓測量。電壓測量準確度高于99.75%，且一個(gè)電池組中所有電池的電壓測量都能在13ms的時(shí)間之內完成�？擅抗濍姵鼐M(jìn)行了欠壓和過(guò)壓條件監視，并提供一個(gè)相關(guān)聯(lián)的MOSFET開(kāi)關(guān)，用來(lái)對過(guò)充電電池進(jìn)行放電。 每個(gè)LTC6802通過(guò)一個(gè)支持廣播和編址命令的1MHz串行接口進(jìn)行通信。另外，該器件還包括兩個(gè)熱敏電阻輸入、兩個(gè)GPIO線(xiàn)和一個(gè)5V穩壓器。該器件對充滿(mǎn)挑戰性的汽車(chē)環(huán)境進(jìn)行了特殊的考慮。LTC6802專(zhuān)為在工業(yè)溫度范圍內工作而設計，具有高 ESD、EMI和噪聲免疫力，并內置診斷和自測試功能。 這款高集成度、高性能多節電池監視IC解決了當今先進(jìn)電池系統所面臨的諸多問(wèn)題。由于可在整個(gè)工作溫度范圍內進(jìn)行高精度的電壓測量，它使得電池能在其整個(gè)可用SOC范圍內使用，不用擔心電池會(huì )超出這些限值。這種魯棒性將使該器件能夠在汽車(chē)環(huán)境中可靠地工作。此外，高集成度還可使電池系統滿(mǎn)足苛刻的成本、空間和可制造性約束條件。 圖2：高性能多節電池監視IC LTC6802的應用方框圖。 經(jīng)過(guò)了多年的努力和穩步發(fā)展之后，高能量電池系統不久就能滿(mǎn)足人們日常使用的需要，尤其是能作為電動(dòng)汽車(chē)和油電混合動(dòng)力車(chē)的一部分。該技術(shù)有望在全球范圍內大幅度地提升能量效率，并使人們更加重視替代能源。在實(shí)現這些目標之前，必須解決諸多層面的技術(shù)問(wèn)題，以構建實(shí)用、經(jīng)濟和可靠的電池系統。凌力爾特的LTC6802便是解決其中一個(gè)主要問(wèn)題的產(chǎn)品。這款電池監視IC把數據采集任務(wù)的處理電路集成在單個(gè)器件之中，支持非常長(cháng)的電池串。隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)和油電混合動(dòng)力車(chē)的走向成功，具有成本效益的高性能電池系統很快將實(shí)現眾多的綠色技術(shù)應用。 |
