中國儲能網(wǎng)訊：未來電動汽車的發(fā)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(fù)雜電池管理系統(tǒng)的重大進(jìn)步。
長時間存儲的電池功耗需要平衡，并實時輸送到最需要的地方。這是一個巨大的挑戰(zhàn)，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(gòu)建。所有這些都必須以電子方式進(jìn)行監(jiān)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(qū)動的電機(jī)取代內(nèi)燃機(jī)只是復(fù)雜技術(shù)轉(zhuǎn)變的第一步。提高車輛一次充電的續(xù)航里程，并減少為電池充電所需的時間，可謂面臨著非常棘手的挑戰(zhàn)。電池容量始終以每年約5%至6%的速度增長。為汽車提供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(yīng)受到地緣政治和環(huán)境問題限制，因此很多企業(yè)正在考慮更多的替代方案。
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?！爱?dāng)前市場上，在陽極內(nèi)部混合硅（大約5%到10%）是一種解決方案，他們也正在尋找混合更多硅的方法，”英飛凌高級工程師Felix Weidner表示?！霸诔潆娺^程中，把這些鋰離子泵入石墨烯，但是需要相當(dāng)多的石墨烯來制造一個鋰離子。此方案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(wěn)定，而且容易擴(kuò)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(zāi)風(fēng)險。但是，戰(zhàn)爭和有限來源造成的短缺恐慌拉升了電池價格，并進(jìn)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。
“成本是當(dāng)前限制人們購買電動汽車的原因，”在Argonne儲能科學(xué)合作中心主任兼儲能研究聯(lián)合中心副主任Venkat Srinivasan看來。“我們估計，今年的電池成本約為每千瓦時130美元，而典型的電動汽車需要90千瓦時。我們認(rèn)為目標(biāo)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(jīng)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(yù)測（圖源：Argonne National Laboratory）
通常，僅增加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有優(yōu)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(xù)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(xù)航里程也可能因其他因素而異。例如，風(fēng)阻已成為車輪設(shè)計的一個關(guān)鍵問題。環(huán)境溫度甚至山區(qū)地形都可能會影響續(xù)航里程。
《消費者報告》2019年的現(xiàn)場測試顯示，在寒冷的氣候下，電動汽車的續(xù)航里程減少了近一半。次年，Car and Driver報告說特斯拉Model 3中提高了熱量，續(xù)航里程下降了60英里。電機(jī)不像內(nèi)燃機(jī)那樣產(chǎn)生熱量，所以基本上就像將小型烤箱連接到電池上一樣。在炎熱的天氣里，空調(diào)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(xiàn)為最大蓄電范圍隨時間推移而減小，類似于手機(jī)中電池隨時間退化時發(fā)生的情況。但是，更換車輛中的電池比購買新手機(jī)要昂貴得多。因為這需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一樣思考，其中功率預(yù)算是固定的，新的電子產(chǎn)品需要適應(yīng)該預(yù)算。
“我們的目標(biāo)是最大限度地減少充電周期的數(shù)量，因為更換電池的成本讓消費者敬而遠(yuǎn)之，”西門子數(shù)字工業(yè)軟件公司自主和ADAS高級總監(jiān)David Fritz表示。“系統(tǒng)消耗的功率越少，驅(qū)動電機(jī)的效率就越高。我們可以使用復(fù)合材料來減輕電池重量，但是效果有限。下一個重大挑戰(zhàn)是了解所有電子產(chǎn)品的作用以及其消耗量，可以通過關(guān)閉這些設(shè)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(xù)以華麗的功能脫穎而出，但在電動汽車的電機(jī)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(dāng)前電池管理系統(tǒng)主要包括加熱、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(gòu)預(yù)計將變得更加復(fù)雜，可能涉及用于不同任務(wù)和新材料的專用電池。預(yù)計也會有針對不良單元的解決方法，幾乎就像ECC內(nèi)存與DRAM一樣，在更長的時間內(nèi)保持最大范圍。
為此已經(jīng)存在幾個指標(biāo)。一個是充電狀態(tài)（SOC），即電池在任何給定時刻有多少能量。第二個是健康狀態(tài)（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(tǒng)應(yīng)用工程師Scott Winder指出。“有幾個因素在起作用。首先，當(dāng)電荷增加到接近其最大容量時，電池內(nèi)會發(fā)生化學(xué)變化。如果充滿電，反應(yīng)可能不會持續(xù)那么長時間。這是手機(jī)制造商一直在解決的問題。在短途模式中，通?？梢詫㈦姵爻潆?50英里，但對于長途旅行，則可以將其充電至300英里。由于電阻，還存在熱問題。當(dāng)電池電量為空時，為電池充電更容易，但當(dāng)電池幾乎充滿時，則更難。因此，可以更快地啟動，然后根據(jù)電池的溫度減少電荷?！?
由于電池可能會過熱并引起火災(zāi)，因此電池也需要考慮安全層面的問題?！半姵貑卧】凳亲钪匾闹笜?biāo)之一，因為當(dāng)你有一輛車起火時，問題源于單個單元，除非發(fā)生事故損壞多個單元，”Winder認(rèn)為?！耙苍S它沒有正確充電或發(fā)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(kuò)散，但是在能量過剩時，最終它會擴(kuò)散到車輛的其余部分。”
聚焦在電動汽車領(lǐng)域的公司尤為關(guān)注電池內(nèi)部的熱問題，這是引入新材料的挑戰(zhàn)之一。隨著時間的推移，一切都需要在極端條件下進(jìn)行測試，而在汽車應(yīng)用中，測試時間可能長達(dá)五年。
“監(jiān)控電池，并判斷單個電池的狀態(tài)，”Fraunhofer IIS自適應(yīng)系統(tǒng)部門工程設(shè)計方法負(fù)責(zé)人Roland Jancke表示?！皶袀溆脝卧?，但這些系統(tǒng)需要決定何時切換以及健康狀況如何。所以需要一個管理系統(tǒng)和某種電池管理芯片。搭建該系統(tǒng)需要完整的仿真，可以在其中將故障注入整個電池組，看看如果其中一個電池發(fā)生故障會發(fā)生什么，并查看電池管理系統(tǒng)的作用。它是否正確監(jiān)控所有內(nèi)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(gòu)
電池的物理重量很重，需要以一種改善車輛操控性的方式將它們安裝到車輛中。它們還需要以一種為關(guān)鍵功能提供足夠能量的方式進(jìn)行布置，同時將損失降至最低，還要避免電池過熱。
“現(xiàn)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(dǎo)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(dǎo)電流體。而且，如果將電池分散開來，以便在不同點將部件集成到機(jī)箱中，那么在一個區(qū)域的集中度就會低得多。另一方面，當(dāng)室外溫度較低時，需要加熱電池，以便它們能夠以最高效率運行。通過分配電池，你需要在各個地方加熱它們?！?
但并非所有電池都是一樣的，也不是所有的電池都適合每一項任務(wù)。車輛中的某些系統(tǒng)始終處于打開狀態(tài)。其他只能偶爾使用。打開車輛和查看倒車攝像頭的響應(yīng)時間幾乎要求瞬間響應(yīng)，而啟動信息娛樂系統(tǒng)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(gòu)，使用不同類型的電池，或更好地控制現(xiàn)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電池作為備份。
“電池非常適合乘用車等輕型車輛，”Argonne的Srinivasan認(rèn)為?！霸谥匦涂ㄜ嚒⑤喆惋w機(jī)上，電池能量密度只有這么多。人們開始將目光轉(zhuǎn)向氫燃料，它是碳中性的，或者像氨這樣的無碳燃料。當(dāng)我們開始在不同行業(yè)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(shù)逐漸發(fā)揮作用。在乘用車、手機(jī)、筆記本電腦、手表等一系列應(yīng)用領(lǐng)域，都可能會有某種電池。”
圖2：電池用關(guān)鍵礦物的全球儲量（圖源：Argonne National Laboratory /USGS/美國能源部）
低功耗設(shè)計
當(dāng)然，功率等式的另一方面是提高車輛內(nèi)部芯片和系統(tǒng)的效率。
“人們將更加關(guān)注更智能、更高效的電子產(chǎn)品，”Arteris IP首席營銷官Michal Siwinski表示?！拔覀円呀?jīng)看到了其中的一些。五年前，汽車芯片曾經(jīng)以某種方式完成?，F(xiàn)在，這都是定制的流程。其中一些是監(jiān)管，另一些是電動汽車將繼續(xù)存在的現(xiàn)實。但是，即使電池變得越來越先進(jìn)，你仍然不會有數(shù)百個，而是數(shù)千個不同的電子子系統(tǒng)和芯片，它們都將被連接起來。這絕對會消耗電力供應(yīng)。”
與所有復(fù)雜的電子產(chǎn)品一樣，最大的挑戰(zhàn)之一是弄清楚如何劃分和優(yōu)先處理電源。
“這些變化相當(dāng)于從多個分立IC到片上系統(tǒng)的過渡，”西門子的Fritz表示。我們在SoC中關(guān)閉電源的方式是時鐘門控，并在需要時打開和關(guān)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(guī)則的。有太多的ECU正在執(zhí)行單獨的任務(wù)，以至于它們不可能打開和關(guān)閉。我們正在與七家不同的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自動解決方案，大約需要4千瓦。我們能夠?qū)ο嗤慕鉀Q方案進(jìn)行建模，并且基于最先進(jìn)的技術(shù)，而不是一些現(xiàn)成耗電的x86系統(tǒng)，我們能夠?qū)⑵浣档偷?0瓦。一旦添加所有外圍設(shè)備，整個系統(tǒng)為50瓦，而不是4千瓦。這對續(xù)航里程和可持續(xù)性有影響，一次充滿電可減排約7磅的二氧化碳?！?
總結(jié)
電池化學(xué)、電池管理和電池設(shè)計正變得越來越復(fù)雜。發(fā)展趨勢仍然是可以快速充電，持續(xù)數(shù)十萬英里的道路，既安全又相對便宜的電池。與大多數(shù)復(fù)雜的電子產(chǎn)品一樣，一些復(fù)雜的架構(gòu)需要權(quán)衡，以及對車輛內(nèi)電力輸送和存儲系統(tǒng)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(shù)人從未見過這些技術(shù)，因為有很多創(chuàng)新和實驗還正在進(jìn)行中。
“汽車制造商一直試圖將發(fā)動機(jī)啟動功率與信息娛樂和電子設(shè)備分開，并將其放在單獨的電動公交車上，”Ansys半導(dǎo)體業(yè)務(wù)部門產(chǎn)品營銷總監(jiān)Marc Swinnen稱?！皩τ陔妱悠噥碚f，情況就不同了。這些大電池約60到70千瓦時。對于電動汽車來說，一切都與續(xù)航里程有關(guān)，其中一個大問題是熱量。這也許可以解釋為什么密歇根州和達(dá)科他州的人們不太熱衷于電動汽車?！?
就整個電動汽車生態(tài)系統(tǒng)而言，這仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。
