綠色革命可能不久就將迎來(lái)一場(chǎng)重大勝利。在大規(guī)模的電能成為“可儲(chǔ)存”和“便攜式”能源之時(shí)，能量效率將獲得顯著改善，而且可再生能源的推動(dòng)工作也將取得進(jìn)展。可儲(chǔ)存性和便攜性是液體燃料的主要優(yōu)勢(shì)，而通過(guò)電池系統(tǒng)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(shè)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?zé)崮芎鸵后w燃料(汽油、柴油、乙醇、氫等等)都能很容易地轉(zhuǎn)換成電能。因此，與石油燃料相比，電力的重大優(yōu)勢(shì)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(duì)電能的規(guī)范化可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)，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(chǔ)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(chǔ)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(耗能大戶)的能源。隨著時(shí)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(xiàng)技術(shù)。
電動(dòng)汽車對(duì)電池系統(tǒng)的要求
電動(dòng)汽車為綠色革命提供了一個(gè)巨大的發(fā)展機(jī)遇，原因有很多。電動(dòng)汽車采用電網(wǎng)電力取代了燃?xì)鈩?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)汽車的能源使用效率也高于燃油汽車。大多數(shù)汽車在運(yùn)行時(shí)將經(jīng)歷一個(gè)“加速、減速和空轉(zhuǎn)”的連續(xù)周期。相比之下，易變的負(fù)載(比如加速或減速)更有利于電動(dòng)馬達(dá)(而非燃油引擎)，因?yàn)樗诘退贄l件下提供了高轉(zhuǎn)矩。燃油引擎的工作效率只在一個(gè)很窄的速度/負(fù)載范圍內(nèi)達(dá)到最高，而且為滿足峰值加速的需要，它必須是超大型的。用于把汽油能量轉(zhuǎn)換為動(dòng)能的引擎效率通常為 20%，而電動(dòng)馬達(dá)將電能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能的過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn) 90% 的典型效率。此外，電動(dòng)馬達(dá)還無(wú)須在停靠時(shí)因?yàn)榭辙D(zhuǎn)而無(wú)謂地消耗能量，而且電動(dòng)系統(tǒng)還具備通過(guò)再生制動(dòng)來(lái)恢復(fù)機(jī)械能的潛力。通過(guò)電動(dòng)汽車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(xiàn)今的市場(chǎng)上，純電動(dòng)汽車還不是一種可行的解決方案，因?yàn)槠湫旭偩嚯x受限于車上所能儲(chǔ)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)汽車行駛100英里。而一個(gè)普通的汽車油箱則能為一輛標(biāo)準(zhǔn)汽車提供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(guó)消費(fèi)者的廣泛接受，那么電動(dòng)汽車必須延長(zhǎng)行駛距離和/或縮短再充電時(shí)間。應(yīng)運(yùn)而生的解決方案是“油電混合動(dòng)力車”，它把燃油引擎和電動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)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(shù)好處。油電混合動(dòng)力車采用車載燃?xì)庖?用于電池充電)，并在需要時(shí)在最有效的速度/轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)操作該引擎。
毫無(wú)疑問(wèn)，電動(dòng)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(jìn)其價(jià)格的下降和性能的提升。對(duì)于局部發(fā)電(包括小型光伏或風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng))，電池可以起到至關(guān)重要的平衡作用，且當(dāng)可以使用電網(wǎng)電力時(shí)，它還能充當(dāng)一個(gè)后備電源系統(tǒng)。目前的電池系統(tǒng)相當(dāng)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(tǒng)將提供較高的能量密度，旨在實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
對(duì)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，主要因?yàn)樗哪芰棵芏雀摺．?dāng)今的電動(dòng)汽車和油電混合動(dòng)力車采用的是NiMH電池，如果采用鋰離子電池將使其能量?jī)?chǔ)存密度提高400%。然而，為了使鋰離子電池在多達(dá)數(shù)千次的充放電循環(huán)過(guò)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(dú)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(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(gè)SOC范圍內(nèi)，比如20%至80%，此時(shí)的可用容量?jī)H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(zhǔn)確地監(jiān)視電池電壓(它直接對(duì)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(gè)重要的考慮因素。如欲從一個(gè)電氣系統(tǒng)(比如用于給車輛加速所需的電氣系統(tǒng))來(lái)提供有效的功率，則需高達(dá)數(shù)百伏的電壓。舉例來(lái)說(shuō)，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(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(jì)師需采用切實(shí)可行的最高電壓/最低電流。
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