鉅大LARGE | 點擊量：664次 | 2022年06月21日
從系統角度如何緩解動力鋰電池續航焦慮？
未來電動汽車的發展將取決于這些汽車的使用地點和方式，以及電池材料、能量密度和復雜電池管理系統的重大進步。
長時間存儲的電池功耗要平衡，并實時輸送到最要的地方。這是一個巨大的挑戰，從電池陰極和陽極中各種元素的混合物到電池和電池模塊的布局、形狀和封裝，如今車輛中的任何部件都在重新構建。所有這些都必須以電子方式進行監控和管理，以確保單個電池老化過程中仍能正確充電。
用電池驅動的電機取代內燃機只是復雜技術轉變的第一步。提高車輛一次充電的續航里程，并減少為電池充電所需的時間，可謂面對著非常棘手的挑戰。電池容量始終以每年約5%至6%的速度上升。為汽車供應更密集的存儲或更多的電池可以讓行駛時間變得更長，增速變得更快，但制造這些電池所需材料的供應受到地緣政治和環境問題限制，因此很多公司正在考慮更多的替代方法。
問題是如何使電池保持更多的電量的同時，還能讓快速充電更具彈性。"當前市場上，在陽極內部混合硅（大約5%到10%）是一種解決方法，他們也正在尋找混合更多硅的方法，"英飛凌高級工程師FelixWeidner表示。"在充電過程中，把這些鋰離子泵入石墨烯，但是要相當多的石墨烯來制造一個鋰離子。此方法的思路是通過硅獲得更多的能量密度，因為硅可以捕獲更多的鋰離子。但它也有缺點，即硅并不是很穩定，而且容易擴散。否則你會使用100%硅陽極。"
如今，鎳和鈷元素也被用來提高能量密度，降低火災風險。但是，戰爭和有限來源造成的短缺恐慌拉升了電池價格，并進一步拉動了電動汽車價格的提升，促使全球市場積極尋找更豐富、更易于使用的新材料。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
"成本是當前限制人們購買電動汽車的原因，"在Argonne儲能科學合作中心主任兼儲能研究聯合中心副主任VenkatSrinivasan看來。"我們估計，今年的電池成本約為每千瓦時130美元，而典型的電動汽車要90千瓦時。我們認為目標是降低至每千瓦時65美元左右。但看起來，從今年起電池平均成本的上升僅僅是剛開始。盡管不是所有汽車公司，因為有些公司已經因為鈷和鎳短缺簽訂了長期合同。"
圖1：全球鋰離子電動汽車電池需求預測（圖源：ArgonneNationalLaboratory）
通常，僅新增更多的電池是為豪華車市場保留的昂貴選擇，這是唯一一個行駛里程為500英里的汽車市場。由于為空電池模塊充電比為幾乎滿電池模塊充電更快，因此更多或更大的電池在充電時間方面也更加有優勢。電池模塊越大，電池蓄電量也就越多，獲得另外200或300英里的續航里程的速度就越快，因為充電中最耗時的部分是電池快充滿的時候。
但續航里程也可能因其他因素而異。例如，風阻已成為車輪設計的一個關鍵問題。環境溫度甚至山區地形都可能會影響續航里程。
《消費者報告》2019年的現場測試顯示，在寒冷的氣候下，電動汽車的續航里程減少了近一半。次年，CarandDriver報告說TSLAModel3中提高了熱量，續航里程下降了60英里。電機不像內燃機那樣出現熱量，所以基本上就像將小型烤箱連接到電池上相同。在炎熱的天氣里，空調也有類似的影響。
電池充電的頻率越高，這些電池的使用壽命也就越短。這通常表現為最大蓄電范圍隨時間推移而減小，類似于手機中電池隨時間退化時發生的情況。但是，更換車輛中的電池比購買新手機要昂貴得多。因為這要保持電池模塊之間的平衡。反過來，這迫使汽車制造商更多地像芯片制造商相同思考，其中功率預算是固定的，新的電子產品要適應該預算。
"我們的目標是最大限度地減少充電周期的數量，因為更換電池的成本讓消費者敬而遠之，"西門子數字工業軟件公司自主和ADAS高級總監DavidFritz表示。"系統消耗的功率越少，驅動電機的效率就越高。我們可以使用復合材料來減輕電池重量，但是效果有限。下一個重大挑戰是了解所有電子產品的用途以及其消耗量，可以通過關閉這些設備并將其置于低功耗模式來控制。這必須在我們從L3躍升到L4和L5之前布局。
電池管理
從純粹的功能角度來看，電池管理是汽車制造商的下一個重大差異化因素。雖然OEM將繼續以華麗的功能脫穎而出，但在電動汽車的電機和變速器方面，獨特性和定制性有限。
電池管理比聽起來要難得多。當前電池管理系統重要包括加熱、冷卻和確定最佳電荷百分比，以延長電池的使用壽命。但這僅僅是個開始。在未來，電池架構預計將變得更加復雜，可能涉及用于不同任務和新材料的專用電池。預計也會有針對不良單元的解決方法，幾乎就像ECC內存和DRAM相同，在更長的時間內保持最大范圍。
為此已經存在幾個指標。一個是充電狀態（SOC），即電池在任何給按時刻有多少能量。第二個是健康狀態（SOH），即可用的電池容量百分比。
"健康狀況將隨著時間的推移而改變，"英飛凌系統應用工程師ScottWinder指出。"有幾個因素在起用途。首先，當電荷新增到接近其最大容量時，電池內會發生化學變化。假如充滿電，反應可能不會持續那么長時間。這是手機制造商一直在解決的問題。在短途模式中，通常可以將電池充電250英里，但有關長途旅行，則可以將其充電至300英里。由于電阻，還存在熱問題。當電池電量為空時，為電池充電更容易，但當電池幾乎充滿時，則更難。因此，可以更快地啟動，然后根據電池的溫度減少電荷。"
由于電池可能會過熱并引起火災，因此電池也要考慮安全層面的問題。"電池單元健康是最重要的指標之一，因為當你有一輛車起火時，問題源于單個單元，除非發生事故損壞多個單元，"Winder認為。"也許它沒有正確充電或發生了什么故障，以至于加熱到熱失控的地步。這些單元通常密封在金屬盒中，這些金屬盒是為了試圖控制擴散，但是在能量過剩時，最終它會擴散到車輛的其余部分。"
聚焦在電動汽車領域的公司尤為關注電池內部的熱問題，這是引入新材料的挑戰之一。隨著時間的推移，一切都要在極端條件下進行測試，而在汽車應用中，測試時間可能長達五年。
"監控電池，并判斷單個電池的狀態，"FraunhoferIIS自適應系統部門工程設計方法負責人RolandJancke表示。"會有備用單元，但這些系統要決定何時切換以及健康狀況如何。所以要一個管理系統和某種電池管理芯片。搭建該系統要完整的仿真，可以在其中將故障注入整個電池組，看看假如其中一個電池發生故障會發生什么，并查看電池管理系統的用途。它是否正確監控所有內容？診斷程序是否正常工作？它是否切換到另一個單元？"
電池架構
電池的物理重量很重，要以一種改善車輛操控性的方式將它們安裝到車輛中。它們還要以一種為關鍵功能供應足夠能量的方式進行布置，同時將損失降至最低，還要防止電池過熱。
"現在，我們將所有電池都裝在車輛底部的一個電池組中，各種OEM正在使用大量的導電冷卻，只是將熱量通過金屬帶到底盤，"英飛凌的Winder稱。"還有液體冷卻，使用導電流體。而且，假如將電池分散開來，以便在不同點將部件集成到機箱中，那么在一個區域的集中度就會低得多。另一方面，當室外溫度較低時，要加熱電池，以便它們能夠以最高效率運行。通過分配電池，你要在各個地方加熱它們。"
但并非所有電池都是相同的，也不是所有的電池都適合每一項任務。車輛中的某些系統始終處于打開狀態。其他只能偶爾使用。打開車輛和查看倒車攝像頭的響應時間幾乎要求瞬間響應，而啟動信息娛樂系統的延遲一兩秒通常會被忽視。這是否演變成分布式電池架構，使用不同類型的電池，或更好地控制現有電池，還有待觀察。但在這一點上，所有選擇都在探索中，包括可能使用氫燃料動力鋰電池作為備份。
"電池非常適合乘用車等輕型車輛，"Argonne的Srinivasan認為。"在重型卡車、輪船和飛機上，電池能量密度只有這么多。人們開始將目光轉向氫燃料，它是碳中性的，或者像氨這樣的無碳燃料。當我們開始在不同行業的背景下看待去碳化時，不僅僅是乘用車，我們將開始看到其他技術逐漸發揮用途。在乘用車、手機、筆記本電腦、手表等一系列應用領域，都可能會有某種電池。"
圖2：電池用關鍵礦物的全球儲量（圖源：ArgonneNationalLaboratory/USGS/美國能源部）
低功耗設計
當然，功率等式的另一方面是提高車輛內部芯片和系統的效率。
"人們將更加關注更智能、更高效的電子產品，"ArterisIP首席營銷官MichalSiwinski表示。"我們已經看到了其中的一些。五年前，汽車芯片曾經以某種方式完成。現在，這都是定制的流程。其中一些是監管，另一些是電動汽車將繼續存在的現實。但是，即使電池變得越來越先進，你仍然不會有數百個，而是數千個不同的電子子系統和芯片，它們都將被連接起來。這絕對會消耗電力供應。"
和所有復雜的電子產品相同，最大的挑戰之一是弄清楚如何劃分和優先處理電源。
"這些變化相當于從多個分立IC到片上系統的過渡，"西門子的Fritz表示。我們在SoC中關閉電源的方式是時鐘門控，并在要時打開和關閉。在汽車中，這可能很重要，但從汽車公司的角度來看，這幾乎是違反規則的。有太多的ECU正在執行單獨的任務，以至于它們不可能打開和關閉。我們正在和七家不同的OEM合作，他們都采取了非常不同的方法。其中一個是尋找一個L4自動解決方法，大約要4千瓦。我們能夠對相同的解決方法進行建模，并且基于最先進的技術，而不是一些現成耗電的x86系統，我們能夠將其降低到40瓦。一旦添加所有外圍設備，整個系統為50瓦，而不是4千瓦。這對續航里程和可持續性有影響，一次充滿電可減排約7磅的二氧化碳。"
總結
電池化學、電池管理和電池設計正變得越來越復雜。發展趨勢仍然是可以快速充電，持續數十萬英里的道路，既安全又相對便宜的電池。和大多數復雜的電子產品相同，一些復雜的架構要權衡，以及對車輛內電力輸送和存儲系統不斷的反思。因此，雖然諸如聲音阻尼和光滑顯示器之類的功能被用來吸引買家，但在大多數人從未見過這些技術，因為有很多創新和實驗還正在進行中。
"汽車制造商一直試圖將發動機啟動功率和信息娛樂和電子設備分開，并將其放在單獨的電動公交車上，"Ansys半導體業務部門產品營銷總監MarcSwinnen稱。"有關電動汽車來說，情況就不同了。這些大電池約60到70千瓦時。有關電動汽車來說，一切都和續航里程有關，其中一個大問題是熱量。這也許可以解釋為何密歇根州和達科他州的人們不太熱衷于電動汽車。"
就整個電動汽車生態系統而言，這仍然是一個巨大的挑戰。
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